Сильфон и способ его изготовления Советский патент 1992 года по МПК F16J3/04 

Изобретение относится к машиностроению, к гибким компенсирующим устройствам сильфонного типа, применяемым в соединениях трубопроводов, а также к обработке металлов давлением, в частности, к способам гидравлического формования изделий с кольцевыми гофрами.

Известна конструкция металлического сильфона с параллельными гофрами, выполненного в виде тонкостенной оболочки, а также способ его изготовления путем гидравлического формования трубной заготовки в охватывающих матрицах.

Гофра такого сильфона имеют значительное утонение стенки при вершине (до 30%), причем самой нагруженной зоной сильфона является впадина гофра, по которой в основном и происходит разрушение.

Поэтому для изготовлении сильфонов методом гидроформовки приходится применять высокопластичные материалы.

Для обеспечения прочности сильфона и исключения потери устойчивости при высоких давлениях в ряде случаев применяются огранич тельные кольца U-образного и круглого сечений, бронирующие кольца в виде пружинной спирали, вставляемой во впадины гофров и т.д.

Однако такой сильфон ввиду наличия дополнительных деталей имеет сложную конструкцию и увеличенный вес. Низкая высота гофров снижает его долговечность. Упрощение конструкции и повышение при этом его несущей способности и других эксплуатационных свойств за счет использования материалов с высоким пределом

2

Ю

сл ел

00

текучести не приводит к цели. Такие материалы обладают пониженными пластическими свойствами, что не позволяет методом гидроформовки получить гофр необходимой высоты, поскольку для этого запас пластичности материала оказывается недостаточным.

Известен также высоконапорный силь- фон, содержащий расположенные во впадинах гофров многослойные армирующие элементы, выполненные из свернутой в спираль ленты переменной ширины. Конструкция армирующих элементов позволяет увеличить жесткость впадины от краев к середине. Это увеличивает радиальную жесткость сильфона, что позволяет использовать его при высоких давлениях.

Вместе с тем, указанный сильфом имеет гофры традиционной высоты, что снижает его циклическую прочность при работе в условиях знакопеременных перемещений. Увеличение же высоты гофров при изготовлении известного сильфона приводит к росту деформации материала вершин гофров (утонению) выше допустимого уровня и даже к разрушению в вершинах. Армирующие элементы в виде колец усложняют и утяжеляют конструкцию сильфона, снижают его технологичность. Гофры такого сильфона должны иметь достаточную высоту. Поэтому использование для него высокопрочного, но малопластичного материала, не представляется возможным в силу обозначенных вы- ше причин. Указанные недостатки сдерживают создание сильфонов с увеличенной высотой гофров, тем более из материалов с высоким пределом прочности, обладающих большими эксплуатационными возможностями, от которых зависят несущая способность и долговечность сильфона.

Известен способ изготовления труб с кольцевыми гофрами при помощи охватывающих трубную заготовку матриц путем подачи в нее жидкости под давлением, обеспечивающей предварительное выпучивание материала между матрицами и последующее формование гофров при сближении последних, при котором на этапе вы- пучивания осуществляют блокаду пластических деформаций в зоне будущей вершины гофра.

Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает резкого снижения деформации вершины гофра, поскольку почти все время гофр деформируется в условиях двухосного напряженного состояния, в условиях преобладания тангенциального растяжения. Это в свою очередь снижает технологические возможности способа, так как получить высокий гофр при заданной деформации вершины гофра или гофрировать трубы из малопластичных материалов данным способом не удается. Кроме того, этот способ обеспечивает лишь незначительное снижение разнотолщинно- сти стенки гофрированной оболочки, что не позволяет изготавливать гофрированные оболочки с высокой несущей способностью,

и увеличенной высотой гофров, обладающих большой долговечностью.

Цель изобретения - упрощение конструкции и повышение долговечности сильфо- на.

Поставленная цель достигается тем, что в сильфоне, содержащем гофры и многослойные армирующие элементы, армирующие элементы выполнены в виде расположенных в окружном направлении

складок основного материала, переходящих в гладкую поверхность стенки гофра, а высота гофра определена соотношением

(ep +1)-1,

где rj D/Dy - параметр, учитывающий набор материала в складках на исходной гладкой трубной заготовке;

D - диаметр исходной гладкой трубной заготовки;

Dy - условный (внутренний) диаметр сильфона.

Указанная цель достигается также тем, что предварительно перед формованием на отдельных участках заготовки в окружном

направлении осуществляют набор материала ее стенки, для чего вдоль заготовки образуют рифты, которые затем в местах уплотнения заготовки обжимают в радиальном направлении, а последующий процесс

формования гофров ведут преимущественно до полного развертывания рифтов на вершине каждого гофра.

Кроме того, с целью дополнительного увеличения жесткости впадин между гофрами после формования сильфона области рифтов во впадинах скрепляют посредством пайки или контактной сварки.

Замена деформирования в окружном на- правлении развертыванием складок материала в этом же направлении позволяет значительно увеличить высоту гофра при той же наибольшей окружной деформации его. И наоборот при той же высоте гофра - иметь намного меньшую деформацию в вершине, что позволяет изготавливать гофрированные оболочки из малопластичных, но обладающих более высокими механическими характеристиками материалов.

Наличие во впадинах гофров зон жесткости, причем равнорасположенных по окружности, за счет утолщения материала в этих зонах с помощью складок того же материала, сохраняет, в сравнении с прототипом, повышенную радиальную жесткость сильфона более простым конструктивным путем без дополнительных деталей, например, без наличия свернутой в спираль ленты переменной толщины, как в прототипе. При этом впадина каждого гофра образует тор с ограниченными деформациями при эксплуатации сильфона, если ранее самая нагруженная точка располагалась во впадине, то теперь впадина разрушается, т.е. разгружаются те зоны, которые ранее были нагружены. Это в еще большей мере повышает общую долговечность сильфона и его несущую способность.

На фиг. 1 показан предлагаемый силь- фон; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 и узел I; на фиг. 3 - схема начала формовки с расположением рифтов внутрь заготовки; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 - сечение В-В на фиг. 3; на фиг. 6 - профиль гофра сильфона с одинаковой толщиной стенки во впадинах и вершинах, на фиг. 7 - то же, с допустимым утонением вершины; на фиг. 8 - профиль гофра традиционного сильфона с допустимым утонением вершины; на фиг. 9 - элемент впадины гофра со скрепленными посредством пайки складками; на фиг. 10 - то же, посредством контактной сварки; на фиг. 11 - заготовка Dy 80 мм в начале процесса гидроформовки после этапа выпучивания; на фиг. 12 -тоже, после гидроформовки.

Металлический сильфон представляет собой тонкостенную гофрированную оболочку с гофрами 1 (фиг. 1 и 2). Во впадинах гофров имеются многослойные армирующие элементы, выполненные в виде расположенных в окружном направлении складок 2 материала. Складки 2 образуют зоны повышенной жесткости впадин путем равно- расположенных по окружности утолщений Зжест материала в этих зонах. Каждая складка 2 переходит к вершинам гофров в гладкую поверхность стенки гофра 1.

Гофры 1 имеют увеличенную высоту h в сравнении с высотой гофров у существующих аналогичных сильфонов, изготовленных методом гидроформовки. При этом толщина стенки S верш гофра 1 соответствует установленным пределам утонения (толщине Si, фиг. 8) для этого же условного диаметра Dy или даже может быть равна толщине стенки впадины, т.е. Si Зверш So.

Конструкция сильфона обеспечивается технологией изготовления. Способ изготовления сильфона методом гидроформования трубной заготовки заключается в следующем.

Сначала перед формованием на отдельных участках трубной заготовки в окружном направлении осуществляют набор материала ее стенки (фиг. 4). Для этого вдоль заго0 товки образуют рифты 3. Последние выполняют либо заранее на ленте с последующей сваркой ее в трубную заготовку, либо непосредственно на самой трубной заготовке. Размеры рифтов и их количество

5 назначают оптимальными для конкретного сильфона. Лучше, когда заготовка имеет много мелких и равномерно расположенных по окружности рифтов: свойства будущего сильфона в окружном направлении в этом

0 случае будут более равномерными, однородными. Если необходимо изготовить сильфон с недеформированной по толщине стенкой (фиг. 6) вершины (Зверш So), что традиционными способами получить неуда5 ется, то диаметр исходной трубной заготовки D перед образованием рифтов 3 должен быть выбран такой же, как и будущий наружный диаметр готового гофра, т.е. D Dy + 2h. После нанесения рифтов расчетных разме0 ров этот диаметр уменьшается до значения

Dy.

Продольные рифты 3 выполняют любой произвольной формы (фиг. 4, а и б), параллельно образующей заготовки или даже по

5 винтовой линии. После этого по торцам заготовки в местах 4 и 5 ее уплотнения в гид- роформовочном устройстве б (фиг. 3) полученные рифты плотно обжимают в радиальном направлении (фиг. 5), заготовку

0 помещают в устройство 6 с охватывающими ее матрицами 7 и далее сильфон формуют обычным способом. При этом по ходу формования с самого начала процесса происходит раскрытие рифтов в пространство

5 между матрицами 7 под действием внутреннего давления, что хорошо, например, заметно после выполнения этапа выпучивания (фиг. 11). В дальнейшем процесс гидроформовки ведут преимуществен0 но до полного развертывания рифтов 3 на вершине каждого гофра, для чего в системе поддерживают определенный уровень давления формующей жидкости.

На фиг. 12 полученного таким способом

5 опытного сильфона видны продольные рифты на торцевых частях трубной заготовки, нераскрытые складки в зоне касания заготовки с матрицами и следы раскрывшейся складки на вершинах гофров (рядом со следом продольного сварного шва). Для полного раскрытия рифтов на вершинах гофров необходимо внутренним давлением повысить уровень тангенциальных напряжений в гофре. При этом толщина стенки вершины гофра Зверш почти равна толщине стенки впадины Зои образуется гофр равномерной толщины с высотой hi, превышающей высоту Ьз традиционного гофра (фиг. 6 и 8). Если шаг предварительной расстановки матриц То будет увеличен, то рифты полностью раскроются не в конце процесса гофрообразо- вания, а раньше. Оставшаяся часть пути деформирования гофров пройдет как при обычном процессе гидроформовки с утонением стенки вершины гофров. В этом случае высота гофров увеличивается дополнительно.

Области рифтов в виде складок во впадинах гофров остаются нераскрытыми, они образуют зоны повышенной жесткости и прочности (фиг. 6 и 7). С целью дополнительного увеличения жесткости впадин между гофрами после формования сильфона эти области скрепляют посредством пайки или контактной сварки (фиг. 9 и 10). Это кроме того, исключает относительные перемещения материала стенки в пределах каждой складки, их взаимное трение в процессе эксплуатации сильфона.

Таким образом, увеличение высоты h гофров до значения h2 (фиг. 7) складывается из увеличения высоты до значения hi (фиг. 6) при развертывании одних только складок на трубной заготовке и дополнительного увеличения при последующей окружной деформации (переход от фиг. 6 к 7). Однако вторая составляющая может отсутствовать.

Количественное увеличение высоты гофров на первом этапе до значения hi (фиг. 6) определяется запасом материала в складках заготовки для формования сильфона.

Введем параметр ц D/Dy, учитывающий набор материала в складках на исходной гладкой трубной заготовке ( г 1), где D - диаметр исходной гладкой трубной заготовки, Dy - условный (внутренний) диаметр сильфона, Тогда

(J7-1)/2.(1)

Таким образом, увеличивая исходный диаметр D гладкой трубной заготовки (т.е. увеличивая значения t) и набор материала в складках (число складок), можно установить большую величину hi высоты гофров, полученную без утонения вершин (Зверш 3о).

Высота гофров пз - существующих конструкций сильфонов, получаемых способом гидроформования, равна

,

(2)

где Em- окружная деформация трубной заготовки в вершине гофра (фиг. 8).

Дополнительное увеличение при переходе от фиг. 6 к 7 высоты гофров (h2 - hi) на

втором этапе происходит по обычной схеме гидроформования с утонением стенки вершины гофров. Расчет дополнительного увеличения высоты гофров возможен из соотношения

h2-hi Јp(Dy/2 + hi).(3)

Из соотношения (3) с учетом (1) следует

h2 ( Јр+1).(4)

Соотношение (4) выражает полную высоту гофра h сильфона (фиг. 1), полученную за счет дополнительного материала в складках заготовки и величины последующей окружной деформации е .

Таким образом, сильфон выполнен с увеличенной высотой гофров, определенной соотношением (4), без увеличения деформации вершин.

При работе сильфона появляютсяследующие особенности. Известно, что при осевом перемещении концов изготовленного по известным технологиям сильфона возникают значительные напряжения во впадине гофра, что приводит к малоцикловому разрушению материала впадины. Местные упрочнения впадины в виде зон 2 повышенной жесткости в какой-то мере исключают впадину из малоциклового деформирования. Благодаря этому впадина деформируется в

меньшей степени, что оказывает положительное влияние на ее долговечность. Кроме того, местные упрочнения впадины создают хорошие условия для неслишком больших деформаций соседних участков. Появляются ребра жесткости для внутреннего торои- дального участка впадины, тор с ограниченной деформацией. Картина напряженного состояния будет уже иной, если ранее самая нагруженная точка располагалась во впадине, то теперь впадина разгружается, т.е. разгружаются те зоны, которые ранее были более нагружены.

Если в качестве заготовки сильфона ис- пользована труба со швом внахлест, то описанная конструкция разгружает зону шва во впадине. Однако осевая жесткость сильфона при этом не возрастает за счет большей податливости части гофра примыкающей к вершине. Увеличенная высота гофров обеспечивает повышение циклической прочности сильфона, его долговечности. Зоны жесткости во впадинах в виде чередующихся складок основного материала в свою очередь упрощают конструкцию при

сохранении высокой несущей способности сильфона в целом.

Предлагаемый сильфом может быть выполнен из материала с высоким пределом текучести ,2. Эти материалы имеют уко- роченную диаграмму деформирования, характеризующую невысокую способность к пластичному формообразованию. Использование высокопрочных материалов для изготовления сильфонов (фиг. 1 и 2) предлагаемым способом стало возможным ввиду отсутствия или уменьшения деформации стенки вершины гофра такого сильфона. Это означает, что в процессе гидроформовки происходит экономия рас- хода пластичности указанных материалов, создается возможность изготавливать указанные сильфоны даже из таких материалов, из которых сильфоны никогда не формуются, из материалов с минимальными пластическими свойствами, для которых характерен высокий предел текучести и резкое по пути деформирования упрочнение.

П р и м е р 1. Испытания по формованию на максимальный гофр. Для сравнения фор- мовали трубу-заготовку Dy 80x0,18 мм из стали 12Х18Н10Т традиционным и новым способами с постепенно увеличивающимися в каждом опыте шагом Т предварительно расставленных матриц до фиксированного момента разрушения гофра. При этом на ряде заготовок диаметром 90 мм были выполнены 5 равнорасположенные в окружном направлении складки глубиной порядка 3,2 мм. Форма складок соответствовала форме складок, показанных на фиг. 4 а. После образования указанных складок диаметр заготовки уменьшился с 90 до 80 мм, складки были обжаты до плотного соприкосновения в местах будущего уплотнения в гидроформовочном устройстве. Формовали

Iгофр.

Усредненные результаты экспериментов показаны в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что предлагаемый спо- соб обеспечивает достижение больших деформаций, большей высоты гофра при почти одинаковом исчерпании ресурса пластичности материала. Расчеты согласно (1) дают значение высоты гофра h2 84 мм (Sp - толщина стенки вершины гофра при разрушении).

П р и м е р 2. Проверка сильфона на долговечность. Формовали сильфом из 9 гофров новым способом из трубной заготов- ки Dy 81x0,18 мм с аналогичными, как в примере 1, складками, выполненными на исходной заготовке диаметром 90 мм (фиг.

IIи 12). Для сравнения был отформован аналогичным сильфон известным способом.

Оба сильфона подвергли сравнительным испытаниям на циклическую прочность. Результаты процесса гидроформовки и испытаний представлены в табл. 2.

Расчет h2 по формуле (4) дает значение h2 13,32 мм.

Таким образом, предлагаемый сильфон обеспечивает повышение его долговечности за счет увеличенной высоты гофров, при- менения высокопрочных материалов и наличия простых по конструкции упрочняющих элементов впадины. Это достигается за счет способа изготовления, обеспечивающего замену деформирования в окружном направлении развертыванием складок материала в этом направлении. Это позволяет увеличить глубину гофрировки при той же наибольшей окружной деформации гофра, при тех же наибольших деформациях в вершине гофра при формовании получить гофр повышенной гибкости. И наборот, при той же глубине гофра иметь меньшую деформацию в вершине, что позволяет изготавливать гофрированные оболочки из малопластичных материалов и снизить разнотолщинность стенки гофрированной оболочки.

Формула изобретения

1.Сильфон, содержащий гофры и многослойные армирующие элементы, расположенные во впадинах между гофрами, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения долговечности, армирующие элементы выполнены в виде расположенных в окружном направлении складок материала, переходящих в гладкую поверхность стенки гофра, а высота гофр определена соотношением

h ( ep+1)-1, где rj- D/Dy- параметр, учитывающий набор материала в складках на исходной гладкой трубной заготовке;

D - диаметр исходной гладкой трубной заготовки;

Dy - условный (внутренний) диаметр сильфона;

ЕМ - окружная деформация стенки трубной заготовки в вершине гофра.

2.Способ изготовления сильфона путем гидроформования уплотненной трубной заготовки в обхватывающих ее матрицах, отличающийся тем, что предварительно перед формованием на отдельных участках заготовки в окружном направлении осуществляют набор материала ее стенки, для чего вдоль заготовки образуют рифты, которые затем в местах уплотнения заготовки обжимают в радиальном направлении, а последующий процесс формования гофр ведут преимущественно до полного развертывания рифтов на вершине каждого гофра.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что, с целью дополнительного увеличения жесткости впадин между гофрами, после формования сильфона области рифтов во впадинах скрепляют посредством пайки или контактной сварки.

Использование: машиностроение, изготовление гибких компенсирующих устройств. Сущность изобретения: сильфон снабжен армирующими элементами во впаvдинах между гофрами, выполненными в виде расположенных в окружном направлении складок материала. Последние переходят к вершинам гофров в гладкую поверхность стенки гофра. Высота h гофров определена соотношением h Dy/2 /(Ј« + 1) - 1, где ff D/Dy - параметр, учитывающий набор материала в складках на исходной гладкой тоубной заготовке; D - диаметр исходной гладкой трубной заготовки; Dy - условный (внутренний) диаметр сильфона; е« - окружная деформация стенки трубной заготовки в вершине гофра. Сильфон изготавливают методом гидроформовки, причем предварительно вдоль заготовки образуют рифты, затем обжимают их в местах уплотнения и формуют. Процесс ведут преимущественно до полного развертывания рифтов на вершине каждого гофра. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 12ил., 2 табл. СП С

Разрушение произошло по впадине гофра. Разрушение произошло в зоне вершины гофра.

Та бл и ца1

Таблица2

Фиг 2

$3ftec/n SSntf3-$

-%

Л

v

(Г

J

Фцг.в

Ъ

Фа. 9

Б-Б

Фиг. 5

Аз ht hz hztki Аз

«У

ХЛ

i

Фиг.7

Фиг 8

хД

Фиг. 10

Фи211

Фиг.12