СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗМЕЕВИКОВОГО ЭЛЕМЕНТА С U-ОБРАЗНЫМИ КОЛЕНАМИ ЗАДАННОЙ КРИВИЗНЫ ГИБКОЙ МОНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЛИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ Российский патент 2010 года по МПК B21D7/10 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к обработке металлов давлением, и может быть использовано при производстве теплообменных энергетических установок (систем теплообмена) широкого спектра применения, которые изготовляются из оребренных труб, изогнутых в змеевиковый элемент.

Известны устройства для изгиба труб с одновременной осевой осадкой, содержащие подвижный и неподвижный зажимы, привод перемещения подвижного зажима, установленного в направляющих каретки привода, и опорные элементы с желобами для размещения изгибаемой трубы. Причем опорные элементы, размещенные между зажимами, выполнены в виде секторных шаблонов, соединенных шарнирно сегментами между собой и зажимами с возможностью относительного поворота в плоскости изгиба, при этом центры шарнирных соединений смещены относительно оси желоба (см. авт. свид. СССР №530717, М.кл.² B21D 7/10, 1976 г.).

Недостатком этого способа является невозможность получения изгиба на оребренных трубах по причине существенных различий не только технологических и конструкторских, но и различий профилей между гладкой и оребренной трубами, а также различий технологических приемов, режимов и условий, обеспечивающих технологические этапы выполнения изгибов с минимальным или минимально возможным радиусами изгиба.

Известен способ изгиба труб с получением U-образного колена заданной кривизны, включающий зажимание подлежащего изгибу участка трубы между передним и задним зажимами, связанными гибким элементом, который располагают с наружной (относительно центра кривизны) колена стороны трубы, осевое осаживание зажатого участка путем натяжения гибкого элемента и изгибание осаживаемого участка путем воздействия на него изгибающим моментом с перемещением трубы во всех ее сечениях, начиная от переднего зажима, по криволинейной траектории. Трубу перемещают по траектории, совпадающей с формой получаемого колена, а усилие осевого осаживания задают таким образом, чтобы касательные напряжения в стенке трубы на наружной (относительно центра кривизны) ее стороне были сжимающими или нулевыми, причем трубу удерживают от отклонения в сторону центра кривизны колена в начале криволинейной траектории путем оттягивания от нее гибкого элемента и от отклонений в сторону от этого центра (см. патент Украины №9668А, М.кл.² B21D 7/10, 1996 г.).

Указанный способ является наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту и принят за прототип.

Недостатками прототипа являются невозможность получения качественного изгиба на оребренных трубах с минимальным или минимально возможным радиусами изгиба при сохранении ребер и при удалении части ребер или всего ребра на участке, противоположном радиусу изгиба колена, и сохранения профиля (живого) сечения трубы на участке изгиба, что не позволяет получать качественные изгибы при выполнении технологического процесса гибки оребренных труб, снижает тепловые и аэродинамические характеристики, а также не обеспечивает компактность змеевикового элемента в целом, что в итоге ограничивает технологическую возможность применения известного способа.

Задача изобретения - обеспечить качественный изгиб оребренных монометаллических или биметаллических труб в змеевиковые элементы и оптимальные режимы изгиба, жесткую фиксацию и последовательность выполнения технологического процесса формирования U-образного колена на оребренной трубе, повысить компактность змеевиковых элементов за счет уменьшения габаритов, обеспечиваемых минимальным или минимально возможным радиусами изгиба, обеспечить качество при изгибе оребренных труб круглого и фасонного профилей, повысить аэродинамические, гидравлические и теплообменные характеристики змеевиковых элементов и качество теплообменников (систем теплообмена) в целом путем изгибания осаживаемого участка на минимальный радиус изгиба, при котором расстояние между прямолинейными участками оребренной трубы после ее изгиба превышает ноль, или на минимально возможный радиус изгиба, при котором расстояние между прямолинейными участками оребренной трубы после ее изгиба равно нулю. При этом минимальный радиус изгиба при сохранении ребер или при удалении части или всего ребра на участке, противоположном радиусу изгиба колена змеевикового элемента, обеспечивает сохранение профиля («живого») сечения трубы на участке изгиба, придавая змеевиковому элементу компактность, а также исключая влияние ребер на участке изгиба для обеспечения изгиба трубы на минимальный радиус изгиба. При этом в процессе изгиба осевое усилие, прилагаемое на участке изгиба, обеспечивает пластическую деформацию трубы без утончения ее наружной стенки трубы путем контроля осевой силы в процессе получения колена.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения змеевикового элемента с U-образными коленами заданной кривизны, включающем установку оребренной трубы на участке левого и правого зажимов, жесткую фиксацию участка трубы между упомянутыми зажимами, связанными гибким элементом, который располагают с наружной стороны трубы относительно центра радиуса изгиба, осевое осаживание зафиксированного участка путем натяжения гибкого элемента и изгибание осаживаемого участка путем воздействия на него изгибающего момента с перемещением трубы во всех ее сечениях, начиная от переднего зажима по криволинейной траектории, согласно изобретению жесткую фиксацию оребренной трубы осуществляют передним и задним зажимами с фиксацией ребер в канавках, имеющих зеркальный шаг оребрения трубы, путем приложения к ребрам оребренной трубы радиального статического усилия по наружному диаметру, равного 1,3…1,5 усилия изгиба оребренной трубы, осевое усилие сжатия («живого») сечения оребренной трубы на длине изгиба задают в процессе изгиба, равным 1,2…1,5 предела текучести материала трубы во всех сечениях участках изгиба, оребренную трубу на участке изгиба по наружному диаметру перемещают по траектории постели секций гибкого элемента, совпадающей с зеркальной формой получаемого колена оребренной трубы, причем трубу удерживают от перемещения в сторону центра кривизны колена путем первоначальной осадки трубы усилием сжатия, обеспечивающим гибкому элементу ненагруженное состояние до начала изгиба оребренной трубы, причем при изгибе на минимально возможный радиус изгиба удаляют перпендикулярные оси оребренной трубы ребра на участках, соответствующих получаемым изгибам со стороны внутреннего радиуса изгиба, а оребренную трубу устанавливают между зажимами участком с удаленными ребрами со стороны внутреннего радиуса изгиба.

Криволинейную траекторию оребренной трубы задают путем поворота водила на требуемый угол изгиба трубы.

Осевое усилие сжатия оребренной трубы поддерживают постоянным в процессе формирования участка изгиба, приложенным с центрами в жесткозакрепленных участках фиксации трубы в осевом направлении к центру изгиба.

Оребренную трубу удерживают от перемещения в сторону центра кривизны колена воздействием на задний и передний зажимы изгибающим усилием и смещением в процессе гибки плоскости участка изгиба путем смещения зафиксированного участка трубы параллельно плоскости изгиба на угол 1…5°.

Для получения змеевикового элемента с U-образными коленами используют монометаллические или биметаллические оребренные трубы с фасонным профилем различного поперечного сечения, а гибкий элемент выполняют с профилем постели его секций, соответствующим зеркальному наружному профилю оребренной трубы.

Использование заявленного способа в совокупности со всеми существенными признаками, включая отличительные, позволяет обеспечить изгиб оребренной трубы на минимальный радиус изгиба, оптимальные режимы гибки, жесткую фиксацию и последовательность выполнения технологического процесса формирования U-образного колена на оребренной трубе, повысить компактность змеевиковых элементов за счет уменьшения габаритов, обеспечиваемых минимальным радиусом изгиба, обеспечить качество при изгибе оребренных труб круглого и фасонного профиля, повысить аэродинамические, гидравлические и теплообменные характеристики змеевиковых элементов и качество теплообменников в целом.

Осуществление заявляемого способа позволит получать изгибы с минимальными радиусами изгиба на оребренной трубе, расширит технологические возможности его применения.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 представлена схема к определению основных параметров изгиба оребренных монометалических или биметаллических труб в результате изгибания осаживаемого участка на минимальный радиус изгиба, при котором расстояние между прямолинейными участками оребренной трубы после ее изгиба превышает ноль (фиг.1,а), или с минимально возможным радиусом изгиба, при котором расстояние между прямолинейными участками оребренной трубы после ее изгиба равно нулю (фиг.1,б); на фиг.2 приведена схема для определения минимального или минимально возможного радиусов изгиба; на фиг.3 представлена схема для определения участка среза ребер при получении минимально возможного радиуса изгиба оребренных монометаллических труб; на фиг.4. представлена схема выполнения технологического процесса гибки оребренных труб: фиг.4,а - фиксация оребренной трубы на участке левого и правого зажимов и приложение осевой силы на участке трубы между упомянутыми зажимами до ее изгиба; фиг.4,б - изгиб оребренной трубы в плоскости ее изгиба в конечной стадии формирования изгиба змеевикового элемента; на фиг.5 представлена принципиальная схема работы гибочной головки станка для изгиба оребренных труб круглого или фасонного сечений: фиг.5,а - фиксация оребренной трубы в исходном положении до изгиба; фиг.5,б - осевое осаживание зафиксированного участка оребренной трубы на участке ее изгиба; фиг.5,в - конечное положение изгиба оребренной трубы с требуемым ее радиусом изгиба.

При изгибе монометаллических или биметаллических оребренных труб фактором, ограничивающим выполнение минимального (фиг.1,а) и минимально возможного (фиг.1,б) радиусов изгиба, является касание соседних ребер по внутренней части изгиба колена змеевикового элемента трубы.

При определении минимального или минимально возможного радиусов изгиба оребренной трубы задаются все необходимые параметры трубы, указанные на фиг.1-4.

Определение минимального радиуса изгиба фиг.1,а при l_m>0 производится по формуле

а для минимально возможного радиуса изгиба фиг.1,б по формуле R_OO=R₀-l_m=R₀-2R_в.н.= мм,

где Δ - средняя толщина сечения ребра, измеренная на высоте ребра, равная его половине, мм; D_H - наружный диаметр оребренной трубы, мм; S - шаг оребрения трубы, мм; l_m - расстояние между прямолинейными участками трубы после ее изгиба, мм.

При получении минимально возможного радиуса изгиба при l_m=0 фиг.1,б, то есть когда прямые участки оребренной трубы после ее изгиба касаются друг друга, выполняют удаление части или всего ребра оребренной трубы на внутренней стороне предполагаемого изгиба в зависимости от требуемого радиуса изгиба.

Глубина срезания ребер (фиг.3) на определенной длине оребренной трубы или внутреннего радиуса изгиба при получении минимально возможного радиуса (фиг.1,б и фиг.2), то есть при отсутствии части ребра на участке изгиба при радиусе изгиба, равном радиусу оребренной трубы, или касания соседних ребер на внутренней части изгиба (фиг.1,а), определяется по формуле R_вн=R_OO-(R_OO-t_в)=t_в, а длина участка выреза - по формуле l_в=π·t_в·к_з, где R_вн - внутренний радиус изгиба при удалении ребер, мм; l_в- длина участка среза ребер, мм; t_в - глубина удаленных ребер, мм; к_з - коэффициент запаса длины трубы при ее осевом осаживании в процессе изгиба.

При бездорновой гибке оребренных монометаллических труб как с минимальным радиусом изгиба при наличии ребер, так и с минимально возможным радиусом изгиба, равным радиусу оребренной трубы, необходимо определить силу, воздействующую на трубу в процессе изгиба, а также изгибающий момент при формировании изгиба колена змеевикового элемента (фиг.4,а и б).

На фиг.5 приведена принципиальная схема гибки и работы гибочной головки станка для изгиба оребренных труб круглого или фасонного сечений: фиг.5,а - исходное положение; фиг.5,б - осевое осаживание трубы; фиг.5,в - совместное воздействие на оребренную трубу осевого осаживания и изгибающего момента в конечной стадии процесса изгиба трубы.

Станок для гибки состоит из гибочной головки, станины, стойки с пультом управления, шкафа пневмоавтоматики, механизма установки трубы. Автоматическая система для подачи трубы и перекладки змеевикового элемента для очередного изгиба может быть смонтирована в отдельный блок. При применении этого блока механизм установки трубы не применяется.

Гибочная головка (фиг.5) состоит из водила 1, правого зажима 2, левого зажима 3, механизма осевого осаживания трубы, закрепленного на левом зажиме посредством кронштейна 4, на котором закреплена пневмокамера 5. Пневмокамера воздействует вилкой 6 на нажимной рычаг 7. Второй конец рычага вилки 6 закреплен на штоке 8. Рычаг 7 шарнирно закреплен через серьгу 9 с корпусом зажима. Причем рычаг 7 перемещается в направляющих корпуса, второй конец рычага 7 соединен через гибкую связь 10 с водилом 1. Гибкая связь состоит из 9…12 сегментных звеньев 10, шарнирно соединенных между собой, а также со штоком и водилом сегментных звеньев 11.

Правый зажим 2 закреплен на водиле 1 с возможностью вращения относительно оси 12. Левый зажим 3 перемещается поступательно по специальным прямолинейным направляющим. Такая схема перемещения выбрана с учетом исключения возможности повреждения близлежащих изгибов змеевикового элемента при изгибе оребренных труб и работе механизма возврата гибочной головки в исходное положение.

К штоку механизма возврата закреплен стержень 13 для возврата левого зажима в исходное положение. На фиг.5,а показано исходное положение, в соответствии с которым устанавливаются все механизмы гибочной головки до начала очередного изгиба при l_сж.=a₁, где l_сж. - совместное перемещение пневмокамеры и левого зажима, мм; a₁ - размер настройки установки гибочной головки в исходном состоянии, мм.

В механизм возврата входят так же кронштейн 14, закрепленный на корпусе левого зажима, нажимная пружина 15, шайба 16 и гайки 17. Взаимное расположение механизмов после осевого осаживания следующее (фиг.5,б): шток пневмокамеры при рабочем ходе перемещается, при этом перемещая рычаг 6 на величину 8, левый зажим 3 сжимает участок предполагаемого изгиба оребренной трубы 18, перемещаясь совместно с пневмокамерой на величину l_сж..

Тогда ход камеры равен Н_сж.=t+δ-l_сж.. На эту же величину l_сж. сжалась пружина 15 механизма возврата. При этом положении l_сж.=a₁-a₂; Н_сж=t+δ-l_сж., где a₂ - настроенный размер гибочной головки при осевом сжатии (регулируется давлением воздуха в пневмокамере), мм; Н_сж. - размер общего перемещения элементов гибочной головки после осевого сжатия, мм; t - перемещение поршня пневмокамеры, мм; δ - перемещение рычага после приложения усилия осевого сжатия оребренной трубы, мм.

Взаимное расположение и движение механизмов в конечном положении изгиба приведено на фиг.5,в. Рычаг 7 перемещает шток на величину l_сж.. При этом пневмокамера должна иметь запас хода (К≥5 мм), т.е. должно быть выполнено условие l_сж.≤t после возврата механизмов в исходное положение.

При этом положении имеем l_Г.=α₃+Δ_n; l_Г.≤t; H_Г.=α₃+Δ_n-l_Г., где l_Г. - перемещение гибочной головки в конечной стадии изгиба, мм; а₃ - размер совместного перемещения пневмокамеры и гибочной головки в конечной стадии изгиба, мм; Δ_n - перемещение рычага в конечной стадии изгиба, мм; Н_Г. - общее перемещение элементов гибочной головки в конечной стадии изгиба трубы, мм.

Взаимное расположение и перемещение механизмов после осевого сжатия оребренной трубы 18 (фиг.5,б) следующее: шток пневмокамеры при рабочем ходе передвигается, перемещая при этом рычаг 6 на величину δ, левый зажим 3 сжимает участок изгиба, перемещаясь совместно с пневмокамерой на величину l_сж.. Тогда ход камеры равен Н_сж.=t+δ-l_сж.. На эту же величину l_сж. сжимается пружина 15 механизма возврата. При этом положении l_сж.=a₁-а₂; Н_сж.=t+δ-l_сж..

При формировании изгиба с минимально возможным радиусом изгиба оребренную трубу 18 устанавливают на участке получаемого изгиба удаленными ребрами, перпендикулярными оси оребренной трубы со стороны внутреннего радиуса изгиба. Все остальные операции выполняются аналогично изгибу трубы с минимальным радиусом.

Предлагаемый способ может быть реализован в новых и известных конструкциях теплообменных энергетических установок (систем теплообмена), при сборке которых в качестве элемента охлаждения используются плоские змеевиковые элементы из оребренных труб с минимальным или минимально возможным радиусами изгиба оребренной трубы.

Применение данного способа для гибки оребренных монометаллических или биметаллических труб с минимальным или минимально возможным радиусами изгиба обеспечивает качество изгиба и общей сборки изделия, повышает теплообменные характеристики энергетических установок (систем теплообмена), компактность конструкции теплообменников и уменьшает габаритные размеры и вес изделия в целом.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к обработке металлов давлением, и может быть использовано при производстве теплообменных энергетических установок. Ореберенную монометаллическую или биметаллическую трубу устанавливают на участке левого и правого зажимов и жестко фиксируют по наружному диаметру ребер в канавках, имеющих зеркальный шаг оребрения трубы. Затем на трубу на участке изгиба воздействуют радиальным осевым усилием сжатия, приложенным к правому и левому зажимам, причем трубу удерживают от перемещения в сторону центра кривизны колена путем первоначальной осадки трубы усилием сжатия, обеспечивающим гибкому элементу ненагруженное состояние до начала гиба оребренной трубы. Повышается качество. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ получения змеевикового элемента с U-образными коленами заданной кривизны, включающий установку оребренной трубы на участке переднего и заднего зажимов, жесткую фиксацию участка трубы между упомянутыми зажимами, связанными гибким элементом, расположенным с наружной стороны трубы относительно центра радиуса изгиба, осевое осаживание зафиксированного участка путем натяжения гибкого элемента и изгибание осаживаемого участка путем воздействия на него изгибающим моментом с перемещением трубы во всех ее сечениях, начиная от переднего зажима по криволинейной траектории, отличающийся тем, что жесткую фиксацию оребренной трубы осуществляют передним и задним зажимами с фиксацией ребер в канавках, имеющих зеркальный шаг оребрения трубы, путем приложения к ребрам оребренной трубы радиального статического усилия по наружному диаметру, равного 1,3…1,4 усилия изгиба оребренной трубы, осевое усилие сжатия сечения оребренной трубы на длине изгиба задают в процессе изгиба, равное 1,2…1,5 усилию изгиба во всех сечениях участка изгиба, оребренную трубу на участке изгиба по наружному диаметру перемещают по траектории постели секций гибкого элемента, совпадающей с зеркальной формой получаемого колена оребренной трубы, причем ее удерживают от перемещения в сторону центра кривизны получаемого колена путем первоначальной осадки трубы усилием сжатия, обеспечивающим гибкому элементу ненагруженное состояние до начала изгиба оребренной трубы, причем при изгибе на минимально возможный радиус изгиба удаляют ребра, перпендикулярные оси оребренной трубы, на участках, соответствующих получаемым изгибам со стороны внутреннего радиуса изгиба, а оребренную трубу устанавливают между зажимами участком с удаленными ребрами со стороны внутреннего радиуса изгиба.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что криволинейную траекторию оребренной трубы задают путем поворота водила на требуемый угол изгиба трубы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осевое усилие сжатия оребренной трубы в осевом направлении к центру изгиба поддерживают постоянным в процессе формирования зафиксированного участка оребренной трубы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что оребренную трубу удерживают от перемещения в сторону к центру кривизны колена воздействием на задний и передний зажим изгибающим усилием и смещения в процессе гибки плоскости участка изгиба путем смещения зафиксированного участка трубы параллельно плоскости изгиба на угол 1,0…5°.

5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что для получения змеевикового элемента с U-образными коленами используют монометаллические или биметаллические оребренные трубы с фасонным профилей различного поперечного сечения, а гибкий элемент выполняют с профилем постели его секций, соответствующим зеркальному наружному профилю оребренной трубы.