УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИБКОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА СИСТЕМЫ ВЫПУСКА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ Российский патент 2002 года по МПК F01N7/08 F16L27/10 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для термических компенсации и компенсации вибраций, передаваемых от двигателя внутреннего сгорания системе выхлопа отработавших газов, снижения нагрузок, а также внутренних и внешних шумов.

В настоящее время используются различные конструкции компенсаторов, содержащих сильфон и расположенный в нем экран, которые применяются в различных областях машиностроения для механизмов и трубопроводов с газовой или жидкостной средой.

Известен компенсатор системы выхлопа отработавших газов, содержащий сильфон, выполненный с различными гофрами, цилиндрический экран, который установлен по ходу газов соосно внутри сильфона с зазором (1).

В этом компенсаторе гофры в средней части сильфона выполнены большего диаметра, чем крайние, но с одинаковой шириной, что позволяет несколько снизить нагрузки на крайние гофры при аксиальном воздействии.

Преимуществами такого компенсатора является простота конструкции. Его ограничениями являются: такой компенсатор не учитывает периодичность колебательных процессов струи выхлопного газа и не позволяет в достаточной мере компенсировать термоциклические нагрузки газовой струи; такое устройство не позволяет уменьшить резонансные колебания сильфона и эффективно погасить радиальные нагрузки от колебаний, передаваемых двигателем; конструкция обладает плохими шумовыми характеристиками.

Известно устройство для гибкого соединения трубопровода системы выпуска выхлопных газов, содержащее сильфон, стенки которого выполнены в виде колец, причем кольца сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями, соответственно, и, по меньшей мере, две упругие пластины, установленные снаружи сильфона (2).

Сильфон в этом техническом решении выполнен из двух гофрированных частей, соединенных отрезком трубопровода (площадкой), которая придает дополнительную жесткость устройству. Наличие цилиндрического экрана внутри сильфона в этом техническом решении не описывается. Преимуществами этой конструкции перед аналогичными является связь корпуса сильфона с внешней средой, что позволяет эффективно рассеивать тепловую энергию, а также осуществлять гашение радиальных колебаний.

Ограничениями являются: одностороннее действие сильфона, т.к. при осевых нагрузках тот может работать только на сжатие, и ограничение хода сильфона; отрезок трубопровода между двумя гофрированными частями увеличивает жесткость конструкции, что ухудшает восприятие нагрузки при радиальных колебаниях и приводит к неравномерной нагруженности гофр сильфона при осевых и радиальных циклических колебаниях; из-за жесткости крепления упругих пластин к фланцам с двух сторон сильфона устройство практически не воспринимает тангенциальные нагрузки, и при вращении входного и выходного патрубков сильфона происходит поломка упругих пластин и сокращение срока эксплуатации устройства в целом.

Наиболее близким является устройство для гибкого соединения трубопровода системы выпуска выхлопных газов, содержащее сильфон, стенки которого выполнены в виде колец, при этом кольца сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями, соответственно, ограничителя сильфона, установленного над внешней поверхностью сильфона и выполненного с опорными кольцами, демпфирующих элементов, расположенных вдоль продольной оси по обе стороны от сильфона и упруго связанных с опорными кольцами ограничителя сильфона (3).

Кроме того, устройство содержит проволочную оплетку, соединяющую концы сильфона, а демпфирующие элементы выполнены в виде подушек из спрессованной тонкой металлической проволоки.

Ограничениями устройства являются: использование проволочной оплетки приводит к тому, что сильфон не связан с внешней средой и под воздействием газов высокой температуры преждевременно выходит из строя, что приводит к недостаточно высокой надежности и сроку эксплуатации из-за значительной термической нагрузки на него также из-за отсутствия внутреннего экрана; проволочная оплетка ограничивает вибрационную компенсацию и функционирует односторонне - работает только на сжатие, а сильфон - на растяжение и сжатие; использование демпферных подушек из прессованной металлической проволоки резко уменьшает ход сильфона в осевом направлении, что не позволяет в достаточной мере использовать характеристики сильфона, как основного узла компенсации вибраций; применение демпферных подушек из прессованной металлической проволоки приводит к их постепенной усадке в процессе эксплуатации, что уменьшает надежность конструкции и время эксплуатации; конструкция является металлоемкой и обеспечивает только одностороннее восприятие прикладываемой нагрузки из-за расположения демпфирующих элементов только с внешних противоположных сторон опорных колец, что приводит к жесткости конструкции и ухудшению демпфирования; сильфон с одинаковыми гофрами имеет неодинаковую величину хода для каждого гофра и обычно третий по ходу газов гофр преждевременно разрушается, что приводит к снижению срока эксплуатации устройства; ход сильфона из-за использования металлической оплетки ограничен ее линейными размерами, что не позволяет в полной мере использовать полезные параметры сильфона, как основного узла компенсации вибрации.

Решаемая изобретением задача - повышение качества и надежности устройства, улучшение технико-эксплуатационных характеристик при его функционировании в условиях осевой, радиальной и тангенциальной неустойчивости и периодического воздействия выхлопных газов.

Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - повышение долговечности и снижение шумовых характеристик за счет обеспечения компенсации различных термоциклических нагрузок газовой струи, повышение долговечности, уменьшение габаритов.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в устройстве для гибкого соединения трубопровода системы выпуска выхлопных газов, содержащем сильфон, стенки которого выполнены в виде колец, при этом кольца сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями, соответственно, ограничитель сильфона, установленный над внешней поверхностью сильфона и выполненный с опорными кольцами, демпфирующий элемент, расположенный вдоль продольной оси по обе стороны от сильфона и упруго связанный с опорными кольцами ограничителя сильфона, согласно изобретению ограничитель сильфона выполнен в виде пластин или проволок, сильфон выполнен из узких гофр и, по меньшей мере, одного широкого гофра, выпуклые поверхности и вогнутые поверхности сильфона выполнены в его продольном сечении в виде полуокружностей, отношение радиуса R выпуклой поверхности широкого гофра к радиусу г выпуклой поверхности узкого гофра выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, отношение радиуса R₁ вогнутой поверхности между широким гофром и узким гофром к радиусу r₁ вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне от 1,0 до 2,2, при этом демпфирующие элементы для обеих противоположных сторон сильфона расположены по обе стороны от опорных колец.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- внутри сильфона был выполнен цилиндрический экран, который установлен по ходу газов соосно внутри сильфона с зазором, а со стороны входа газов торец цилиндрического экрана был соединен с входным патрубком сильфона;
- демпфирующие элементы были выполнены в виде пружинящих шайб;
- пружинящие шайбы были выполнены тарельчатыми;
- пружинящие шайбы были выполнены в виде пластин, снабженных по периметру окружности прорезями с образованием лепестков, которые поочередно относительно друг друга загнуты в противоположном направлении;
- пружинящие шайбы были выполнены в своем продольном сечении С-образными;
- устройство было снабжено втулками с продольной канавкой и жесткими шайбами, закрепленными по обе стороны на патрубках сильфона, соответственно, а опорные кольца были размещены в продольных канавках между втулками и жесткими шайбами;
- пластины ограничителя сильфона были выполнены в виде ленты, перфорированной продольными прорезями.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи:
фиг.1 схематично изображает основной вариант выполнения заявленного устройства, четверть сечения конструкции вдоль продольной оси;
фиг.2 - возможные конструкции пружинящих шайб, их собственные продольные сечения;
фиг.3 - внешний вид пружинящей шайбы с лепестками.

Устройство (фиг.1) содержит сильфон 1, стенки которого выполнены в виде колец. Кольца сопряжены между собой выпуклыми поверхностями 2 и вогнутыми поверхностями 3, соответственно. Ограничитель 4 перемещения сильфона установлен над его внешней поверхностью и выполнен с опорными кольцами 5. Демпфирующие элементы 6 расположены вдоль продольной оси по обе стороны от сильфона 1 и упруго связаны с опорными кольцами 5.

Ограничитель 4 сильфона 1 выполнен в виде пластин или проволок. Сильфон 1 выполнен из узких гофр 7 и, по меньшей мере, одного широкого гофра 8. Выпуклые поверхности 2 и вогнутые поверхности 3 сильфона 1 выполнены в его продольном сечении в виде полуокружностей. Отношение радиуса R выпуклой поверхности 2 широкого гофра 8 к радиусу г выпуклой поверхности 2 узкого гофра 7 выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5. Отношение радиуса R₁ вогнутой поверхности 3 между широким гофром 8 и узким гофром 7 к радиусу r₁ вогнутой поверхности 3 между узкими гофрами 3 выбрано в диапазоне от 1,0 до 2,2. Демпфирующие элементы 6 для обеих противоположных сторон сильфона 1 расположены по обе стороны от опорных колец 5.

Для обеспечения термокомпенсации внутри сильфона 1 может быть выполнен цилиндрический экран 9. Цилиндрический экран 9 установлен по ходу газов соосно внутри сильфона 1 с зазором, а со стороны входа газов торец цилиндрического экрана 9 соединен с входным патрубком 10 сильфона 1.

Демпфирующие элементы 6 выполнены в виде пружинящих шайб. Возможные, но не исчерпывающие конструкции пружинящих шайб показаны на фиг.2, 3.

Пружинящие шайбы могут быть выполнены тарельчатыми. Кроме того, пружинящие шайбы (фиг.3) могут быть выполнены в виде пластин, снабженных по периметру окружности прорезями с образованием лепестков 11, которые поочередно относительно друг друга загнуты в противоположном направлении. Пружинящие шайбы могут быть выполнены в своем продольном сечении С-образными (фиг.2).

Устройство для обеспечения поджатия опорных колец 5 может быть снабжено втулками 12 (фиг.1) с продольной канавкой и жесткими шайбами 13. Втулки 12 и жесткие шайбы 13 закреплены по обе стороны на входном патрубке 10 и выходном патрубке 14 сильфона 1. соответственно. Опорные кольца 5 размещены в продольных канавках между втулками 12 и жесткими шайбами 13.

Кроме того, для упрощения изготовления пластины ограничителя 4 сильфона 1 могут быть выполнены в виде ленты 15 (нижняя часть фиг.1). Лента 15 перфорирована продольными прорезями 16. Концы ленты 15 соединены, например, сваркой с опорными кольцами 5.

Работает устройство (фиг.1) следующим образом.

Введение в конструкцию широкого гофра 8 с указанными размерами позволяет повысить технико-эксплуатационные показатели при работе сильфона 1 в условиях осевой неустойчивости и при наличии внутреннего давления.

Как показали испытания, геометрия узких гофр 7 и широкого гофра 8 изменила характер нагрузки на узкие гофры 7 и в целом на сильфон 1 независимо от длины и диаметра сильфона 1, а также места расположения широкого гофра 8. Увеличилась устойчивость сильфона 1, нагруженного внутренним давлением и осевым усилием. Узкие гофры 7 (фиг.1) стали работать с симметричным распределением нагрузки и с одинаковой величиной хода независимо от других геометрических размеров гофр, их количества и симметрии расположения. Выполнение выпуклых поверхностей 2 и вогнутых поверхностей 3 узких гофр 7 и широких гофр 8 в продольном сечении сильфона 1 в виде полуокружностей позволяет уменьшить концентрацию напряжений в вершинах упомянутых гофр.

Испытания проведены при избыточном давлении и принудительном ходе на механическом стенде. Геометрия широкого гофра 8 (фиг.1) отличается от узких гофр 7, она изменила жесткость и чувствительность сильфона 1. Но самое главное, она изменила характер распределения нагрузки на все узкие гофры 7 и широкий гофр 8, увеличила устойчивость сильфона 1. Узкие гофры 7 слева и справа стали работать с симметричным распределением нагрузки и одинаковой величиной хода. При различных сочетаниях давления и осевой силы (или заданного хода) цикл напряжений распределяется равномерно по всем гофрам 7, 8, уменьшая критические напряжения в отдельных точках и увеличивая время наработки сильфона 1 на отказ. Сильфон 1 приобретает улучшенные эксплуатационные характеристики и становится долговечней.

Отработанные газы и вибрации от двигателя, поступая во входной патрубок 10, воздействуют на цилиндрический экран 9, который является термоциклическим отражателем. Сильфон 1 подвижно связан через демпфирующие элементы 6 и опорные кольца 5 с ограничителем 4. Вибрации через ограничитель 4 передаются на аналогичный узел, расположенный на выходном патрубке 14. Опорные кольца 5 ограничителя 4 поджаты с обеих сторон, что позволяет сильфону свободно удлиняться и расширяться вдоль продольной оси за счет равномерного хода узких гофр 7 и широкого гофра 8. При тангенциальных перегрузках происходит свободное вращение опорного кольца 5, расположенного с одной стороны сильфона 1, относительно другого опорного кольца 5. При радиальном смещении входного патрубка 10 относительно выходного патрубка 14, опорные кольца 5 перемещаются совместно с узкими гофрами 7 и широким гофром 8 сильфона 1, а опорные кольца 5 остаются поджатыми с обеих сторон демпфирующими элементами 6, что не вызывает перекосов опорных колец 5, таких, как при использовании демпфирующих элементов, расположенных только с одной стороны опорного кольца 5.

В то же время при работе устройства не происходит ограничения хода сильфона 1 на растяжение из-за использования проволочной оплетки, поскольку демпфирующие элементы 6 расположены по обе стороны от опорных колец 5. Выполнение ограничителя 4 в виде пластин или проволок позволяет осуществить связь сильфона 1 с внешней средой, что позволяет эффективно рассеивать тепло с его внешней поверхности. Это увеличивает надежность и срок эксплуатации устройства в целом, при этом сильфон 1 функционирует в зависимости от термоциклических нагрузок, как на сжатие, так и на растяжение.

Использование в качестве демпфирующих элементов 6 пружинящих шайб увеличивает ход сильфона 1 в различных направлениях, при этом пружинящие свойства таких шайб сохраняются большее время, чем при применении демпферных подушек из прессованной металлической проволоки. Расположения демпфирующих элементов 6 с обеих сторон опорных колец обеспечивает своеобразную мягкость конструкции в целом и улучшает гашение различных по частоте вибрационных составляющих.

Наиболее успешно заявленное устройство для гибкого соединения трубопровода системы выпуска выхлопных газов промышленно применимо для термических компенсации и компенсации вибраций, передаваемых от двигателя внутреннего сгорания системе выхлопа отработавших газов, и может быть использовано для различных типов двигателей и систем выпуска.

Источники информации
1. Патент Германии 893734, F 16 L 51/02, опубл. 1949 г.

2. Патент Великобритании 1450555, F 16 L 51/00, опубл. 1976 г.

3. Патент Российской Федерации 2133399, F 16 L 27/10, опубл. 1999 г.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для термических компенсаций и компенсаций вибраций, передаваемых от двигателя внутреннего сгорания системе выхлопа отработавших газов, снижения нагрузок, а также внутренних и внешних шумов. Устройство содержит сильфон, ограничитель хода сильфона и демпфирующие элементы. Ограничитель сильфона выполнен в виде пластин или проволок. Сильфон выполнен из узких гофр и, по меньшей мере, одного широкого гофра. Отношение радиуса R выпуклой поверхности широкого гофра к радиусу r выпуклой поверхности узкого гофра выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5. Отношение радиуса R₁ вогнутой поверхности между широким гофром и узким гофром к радиусу r₁ вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне от 1,0 до 2,2. Демпфирующие элементы для обеих противоположных сторон сильфона расположены по обе стороны от опорных колец. Технический результат - повышение долговечности и снижение шумовых характеристик. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для гибкого соединения трубопровода системы выпуска выхлопных газов, содержащее сильфон, стенки которого выполнены в виде колец, при этом кольца сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями, соответственно, ограничитель сильфона, установленный над внешней поверхностью сильфона и выполненный с опорными кольцами, демпфирующие элементы, расположенные вдоль продольной оси по обе стороны от сильфона и упруго связанные с опорными кольцами ограничителя сильфона, отличающееся тем, что ограничитель сильфона выполнен в виде пластин или проволок, сильфон выполнен из узких гофр и, по меньшей мере, одного широкого гофра, выпуклые поверхности и вогнутые поверхности сильфона выполнены в его продольном сечении в виде полуокружностей, отношение радиуса R выпуклой поверхности широкого гофра к радиусу r выпуклой поверхности узкого гофра выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, отношение радиуса R₁ вогнутой поверхности между широким гофром и узким гофром к радиусу r₁ вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне от 1,0 до 2,2, при этом демпфирующие элементы для обеих противоположных сторон сильфона расположены по обе стороны от опорных колец. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутри сильфона выполнен цилиндрический экран, который установлен по ходу газов соосно внутри сильфона с зазором, а со стороны входа газов торец цилиндрического экрана соединен с входным патрубком сильфона. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что демпфирующие элементы выполнены в виде пружинящих шайб. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что пружинящие шайбы выполнены тарельчатыми. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что пружинящие шайбы выполнены в виде пластин, снабженных по периметру окружности прорезями с образованием лепестков, которые поочередно относительно друг друга загнуты в противоположном направлении. 6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что пружинящие шайбы выполнены в своем продольном сечении С-образными. 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено втулками с продольной канавкой и жесткими шайбами, закрепленными по обе стороны на патрубках сильфона, соответственно, а опорные кольца размещены в продольных канавках между втулками и жесткими шайбами. 8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пластины ограничителя сильфона выполнены в виде ленты, перфорированной продольными прорезями.