Неразъёмное соединение Российский патент 2017 года по МПК F16L47/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях газовых, нефтяных и всех подобных трубопроводов с использованием труб из композиционных материалов, в частности стеклопластиковых, а также в системах вооружений, например транспортно-пусковых контейнерах или трубах ракетно-артиллерийских комплексов.

Трубчатые элементы из композиционных материалов широко внедряются во все отрасли машиностроения ввиду своей высокой эксплуатационной эффективности. При этом одним из определяющих факторов возможности их широкого использования является обеспечение надежности и простоты соединения с ответными деталями и узлами конструкций.

Наиболее прочное и надежное соединение с ответными деталями обеспечивается использованием соединяемой металлической пары, поэтому наиболее эффективным путем создания соединения трубы из композиционных материалов является использование в них металлических соединительных деталей, что требует создания надежного соединения металлической детали с трубой из композиционных материалов. При этом к конструкции соединений предъявляется большой комплекс требований, определяемый эксплуатационными требованиями к конструкции трубы: высокая прочность, герметичность, компактность, низкая трудоемкость при изготовлении, простота и удобство в эксплуатации.

Известен способ закрепления металлических патрубков соединения на концах стеклопластиковой трубы, в котором на заматываемой в стеклопластиковую трубу части патрубков имеются кольцевые гофры, а стеклопластиковая труба содержит ответные гофрированные поверхности (RU 2257506 C2, МПК⁷ F16L 13/00, опубл. 10.08.2004).

Конструкция по данному способу трудоемка в исполнении и требует дополнительного технологического оборудования, а также в данном случае невозможно приложение больших осевых усилий ввиду необходимости использования тонкой заматываемой части, способной деформироваться в гофрированную поверхность (RU 2257506 C2, МПК^7, F16L 13/00, опубл. 10.08.2004).

Известно неразъемное соединение, содержащее трубу из композиционных материалов и металлическую стыковочную деталь в виде втулки с гладким хвостовиком на одном конце и вилкообразным содержащим аксиальные прорези с образованием лепестков хвостовиком на другом (RU 2292490 C2, МПК F16L 47/00, опубл. 27.01.2007).

Данная конструкция соединения трудоемка по изготовлению стыковочной детали с вилкообразным хвостовиком и не применима к трубам магистральных трубопроводов, конструкциям транспортно-пусковым контейнеров и всем конструкциям, требующим наличие свободных внутренних поверхностей.

Известно неразъемное соединение, содержащее трубу из композиционного материала (КМ) и металлическую стыковочную деталь в виде толстостенного кольца и тонкостенных поясов с прорезями, с расположенными на наружных поверхностях поясов слоями композиционного материала, выходящими на поверхность трубы (RU 2506488 C1, МПК F16L 47/00, опубл. 10.02.2014).

Данная конструкция не обеспечивает стабильность качества соединения металлической детали и композиционной трубы и стабильность выполняемых технологических параметров, что недопустимо в условиях серийного производства.

Конструкция по патенту 2506488 изготавливается методом косослойной продольно-поперечной намотки (КППН) на оправку необходимого количества слоев пропитанного связующим армирующего материала (нитей или жгутов). После намотки на требуемое место надвигается и устанавливается металлическая деталь (металлический шпангоут), на тонкостенные пояса которого наматываются с натяжением слои КМ. Затем происходит термообработка и съем с оправки.

Для обеспечения качественного соединения шпангоута с трубой из КМ необходимо его плотное прилегание своей внутренней поверхностью к трубе. На практике, в силу имеющихся допусков на диаметры, сезонных температурных изменений вязкости связующего, колебаний технологических параметров при намотке трубы реализуются три варианта исполнения: установка шпангоута с зазором относительно трубы, плотная установка шпангоута и установка с натягом.

В первом варианте, за счет имеющихся прорезей на поясах и намотки на них с натяжением верхних слоев КМ, происходит необходимое зажатие шпангоута, но кольцевая щель под его центральной частью остается, что снижает несущую способность соединения. Кроме того, из-за имеющегося зазора между внутренней поверхностью шпангоута и наружной поверхностью трубы возможен перекос шпангоута при затяжке слоями КМ, что сказывается на точности дальнейшего соединения с ответными частями.

Второй вариант - плотное расположение шпангоута, самый оптимальный.

В третьем варианте приходится прикладывать определенные усилия, иногда достаточно большие, для продвижения шпангоута на требуемое место, что приводит к повреждению армирующего материала трубы, его смещению по оси трубы, что сказывается на местной прочности трубы и на увеличение технологического цикла изготовления.

Конструкция неразъемного соединения по патенту RU 2506488 является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка простого по конструкции и более технологичного в изготовлении соединения при повышенной надежности в эксплуатации.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в удешевлении конструкции за счет упрощения технологического процесса изготовления, повышении надежности конструкции за счет исключения возможности повреждений армирующего материала трубы и других функциональных слоев, например герметизирующих, возможности увеличения эксплуатационной осевой силы в соединяемой паре труба-шпангоут, превышающей допустимую для конструкции трубы, возможности расположения шпангоута в любом сечении по длине трубы без нарушения ее функциональных качеств, в расширении области применимости.

Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в неразъемном соединении, состоящем из трубы из композиционного материала и расположенного на ее наружной поверхности металлического шпангоута в виде толстостенного кольца с тонкостенными поясами с прорезями, на наружной поверхности которых расположены слои композиционного материала, выходящие на поверхность трубы, согласно изобретению шпангоут выполнен разрезным, с поверхностями взаимного центрирования образованных торцев относительно друг друга как минимум в одной плоскости, причем в частных случаях выполнения изобретения, центрирующие поверхности являются поверхностями выступа и ответного ему паза, ориентированными в окружном направлении, выступ и паз с центрирующими поверхностями выполнены прямоугольного или треугольного сечения в касательной к трубе плоскости или в плоскости поперечного сечения трубы, центрирующие поверхности являются поверхностями щелевидных прорезей, щелевидные прорези расположены в плоскости поперечного сечения и/или в плоскости параллельной оси трубы, щелевидные прорези расположены симметрично относительно плоскости разреза кольца, в щелевидных прорезях расположен с перекрытием сечения разреза шпангоута центрирующий элемент в виде пластины или стержня, центрирующие поверхности выполнены в виде параллельных к оси трубы наклонных поверхностей, центрирующие поверхности являются поверхностями соосных отверстий, в соосных отверстиях расположен с перекрытием сечения разреза шпангоута центрирующий стержень, в соосных отверстиях расположен с перекрытием сечения разреза шпангоута резьбовой соединительный элемент, например резьбовая шпилька или винт, тонкостенные пояса выполнены без прорезей.

Наличие щели разреза требуемой ширины позволяет при затяжке наружными слоями КМ ужать шпангоут и обеспечить плотное прилегание к поверхности трубы по всей его внутренней поверхности. Такая конструкция, выполненная с гарантированным зазором или за счет разжатия при установке, обеспечивает быструю установку шпангоута без травмирования армирующего материала трубы. Для исключения перекосов и взаимного смещения образовавшихся при разрезе торцев шпангоута относительно друг друга на них предусмотрены центрирующие поверхности, которые обеспечивают возможность жесткой фиксации торцев относительно друг друга при установке, затяжке и дальнейшей эксплуатации.

Отличительными от прототипа признаками заявленного неразъемного соединения являются следующие:

а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:

- выполнение металлического шпангоута разрезным,

- с поверхностями взаимного центрирования образованных торцев относительно друг друга как минимум в одной плоскости.

б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:

- центрирующие поверхности являются поверхностями выступа и ответного ему паза, ориентированными в окружном направлении,

- выступ и паз с центрирующими поверхностями выполнены прямоугольного или треугольного сечения в касательной к трубе плоскости или в плоскости поперечного сечения трубы,

- центрирующие поверхности являются поверхностями щелевидных прорезей,

- щелевидные прорези расположены в плоскости поперечного сечения и/или в плоскости, параллельной оси трубы,

- щелевидные прорези расположены симметрично относительно плоскости разреза шпангоута,

- в щелевидных прорезях расположен с перекрытием сечения разреза шпангоута центрирующий элемент в виде пластины или стержня,

- центрирующие поверхности выполнены в виде параллельных к оси трубы наклонных поверхностей,

- центрирующие поверхности являются поверхностями соосных отверстий,

- в соосных отверстиях расположен с перекрытием сечения разреза шпангоута центрирующий стержень,

- в соосных отверстиях расположен, с перекрытием сечения разреза шпангоута, резьбовой соединительный элемент, например резьбовая шпилька или винт,

- тонкостенные пояса выполнены без прорезей.

Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».

Неразъемное соединение, в отличие от соединения по прототипу, более технологично - шпангоут, выполненный с разрезом определенной ширины и гарантированным зазором по внутреннему диаметру относительно трубы, может быть быстро установлен без смещения и травмирования армирующего материала трубы. Оно эффективно, так как позволяет обеспечить стабильность прочности соединения за счет ужатия всего шпангоута с прилеганием к трубе по всей внутренней поверхности и исключения смещения и травмирования армирующего материала трубы. Сохранение надежности конструкции обеспечивается наличием поверхностей взаимного центрирования образованных торцев относительно друг друга как минимум в одной плоскости, использование которых препятствует смещению торцев относительно друг друга при изготовлении и эксплуатации.

Возможность оптимизации технологических процессов изготовления шпангоута при изменении эксплуатационных характеристик заявляемого соединения дополняется частными случаями исполнения: наличием вариантов исполнения центрирующих поверхностей и, при необходимости, центрирующих элементов.

Возможность затяжки всего шпангоута в некоторых частных случаях эксплуатационных требований позволит использовать шпангоуты без прорезей на тонкостенных поясах, что существенно упростит технологию изготовления и повысит надежность соединения.

Указанные разрезы и прорези, наряду с традиционным фрезерным инструментом, можно обеспечивать технологическими лазерами.

Конструкция оболочки с использованием предложенного технического решения промышленно осуществима с использованием известных средств и методов и обеспечивает реализацию указанного назначения.

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации и прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 представлено заявленное неразъемное соединение, на фиг. 2-6 - варианты исполнения.

Неразъемное соединение содержит трубу 1 из композиционных материалов и стыкуемый металлический шпангоут 2, который состоит из толстостенного кольца 3 и двух поясов 4 с прорезями 5. На поясах 4 расположены слои композиционного материала 6, выходящие на поверхность трубы 1. Шпангоут 2 имеет поперечный разрез 7 и два торца 8, на которых имеются поверхности взаимного центрирования 9 образованных торцев 8 относительно друг друга. В приведенном на фиг. 1 варианте центрирующие поверхности 9 являются поверхностями выступа и ответного ему паза, ориентированными в окружном направлении. Форма паза клиновидная и торцы шпангоута центрируются относительно друг друга только в одном направлении, в направлении оси трубы. Здесь и далее на чертежах позицией 9 обозначены центрирующие поверхности и/или линии их пересечения с перпендикулярными (граничными) поверхностями.

На фиг. 2 приведен вариант с поверхностями взаимного центрирования торцев, являющимися поверхностями двух перпендикулярных друг к другу щелевидных прорезей 9. Для центрирования торцев 8 в этом варианте необходимо использовать как минимум две пластины или крестообразный пластинчатый элемент, который будет центрировать торцы в двух направлениях: по оси трубы и в радиальном направлении.

На фиг. 3 показано поперечное сечение шпангоута в варианте центрирующих поверхностей, выполненных в виде параллельных к оси трубы наклонных поверхностей. В приведенном варианте использованы две плоскости с образованием клина в поперечном сечении шпангоута. Такой вариант обеспечивает взаимное центрирование торцев в радиальном направлении.

На фиг. 4 показано поперечное сечение шпангоута в варианте центрирующих поверхностей, являющихся поверхностями щелевидной прорези, расположенной перпендикулярно оси. Для обеспечения взаимного центрирования торцев в прорези располагается, с перекрытием поперечного разреза шпангоута, центрирующий элемент, которым может быть пластина или стержень (не показан). Такой вариант позволяет центрировать в одном направлении - по оси трубы.

На фиг. 5 показано поперечное сечение шпангоута в варианте центрирующих поверхностей, являющихся поверхностями соосных отверстий. Для центрирования здесь может быть использован стержень, или шпилька, или винт, расположенные в отверстиях с перекрытием разреза. Данный вариант позволяет центрировать торцы относительно друг друга в двух плоскостях. Использование резьбовых элементов позволяет обеспечить предварительное стягивание кольца после установки на трубу перед намоткой слоев КМ 6, что препятствует смещению шпангоута относительно своего положения при намотке. Один из возможных вариантов такого исполнения с винтом 10 показан на фиг. 6.

Экспериментальная проверка подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях газовых, нефтяных и всех подобных трубопроводов с использованием труб из композиционных материалов, в частности стеклопластиковых. Неразъемное соединение содержит трубу 1 из композиционных материалов и металлический шпангоут 2, состоящий из толстостенного кольца 3 и двух цилиндрических поясов 4 с прорезями 5. На наружной поверхности цилиндрических поясов 4 расположены слои композиционного материала 6, выходящие на поверхность трубы. Металлический шпангоут выполнен разрезным 7, с поверхностями взаимного центрирования 9 образованных торцев 8 относительно друг друга как минимум в одной плоскости. Поверхности взаимного центрирования торцев шпангоута могут являться поверхностями выступа и ответного ему паза, щелевидных прорезей или соосных отверстий. Изобретение позволяет упростить конструкцию и процесс изготовления с повышением ее надежности и расширить функциональные возможности. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Неразъемное соединение, содержащее трубу из композиционного материала и расположенный на ее наружной поверхности металлический шпангоут в виде толстостенного кольца с тонкостенными поясами с прорезями, на наружной поверхности которых расположены слои композиционного материала, выходящие на поверхность трубы, отличающееся тем, что металлический шпангоут выполнен разрезным, с поверхностями взаимного центрирования образованных торцев относительно друг друга как минимум в одной плоскости.

2. Неразъемное соединение по п. 1, отличающееся тем, что центрирующие поверхности являются поверхностями выступа и ответного ему паза, ориентированными в окружном направлении.

3. Неразъемное соединение по п. 2, отличающееся тем, что выступ и паз с центрирующими поверхностями выполнены прямоугольного или треугольного сечения в касательной к трубе плоскости или в плоскости поперечного сечения трубы.

4. Неразъемное соединение по п. 1, отличающееся тем, что центрирующие поверхности являются поверхностями щелевидных прорезей.

5. Неразъемное соединение по п. 4, отличающееся тем, что щелевидные прорези расположены в плоскости поперечного сечения и/или в плоскости параллельной оси трубы.

6. Неразъемное соединение по п. 5, отличающееся тем, что щелевидные прорези расположены симметрично относительно плоскости разреза шпангоута.

7. Неразъемное соединение по п. 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что в щелевидных прорезях расположен с перекрытием сечения разреза шпангоута центрирующий элемент в виде пластины или стержня.

8. Неразъемное соединение по п. 1, отличающееся тем, что центрирующие поверхности выполнены в виде параллельных к оси трубы наклонных поверхностей.

9. Неразъемное соединение по п. 1, отличающееся тем, что центрирующие поверхности являются поверхностями соосных отверстий.

10. Неразъемное соединение по п. 9, отличающееся тем, что в соосных отверстиях расположен с перекрытием сечения разреза кольца центрирующий стержень.

11. Неразъемное соединение по п. 9, отличающееся тем, что в соосных отверстиях расположен с перекрытием сечения разреза шпангоута резьбовой соединительный элемент, например резьбовая шпилька или винт.

12. Неразъемное соединение по п. 1, отличающееся тем, что тонкостенные пояса выполнены без прорезей.