Неразъемное соединение

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях трубопроводов с использованием труб из композиционных материалов, в частности, стеклопластиковых. Неразъемное соединение содержит трубу из композиционных материалов и металлическую стыковочную деталь, состоящую из толстостенного кольца и двух цилиндрических поясов с прорезями с образованием лепестков. Кольцо и пояса образуют единую внутреннюю цилиндрическую поверхность, равную наружной поверхности трубы и совмещенную с ней. На наружной поверхности цилиндрических поясов расположены, как минимум, по одному слою композиционного материала, перекрывающие прорези, ужимающие лепестки и выходящие на поверхность трубы с образованием внутренних кольцевых опорных уступов по внешним кромкам поясов. При этом шаг расположения прорезей по периметру поясов выбирается из диапазона (0,1÷1,2)D, а толщина поясов у основания прорезей из диапазона (0,005÷0,01)D, где D - диаметр внутренней цилиндрической поверхности поясов. Изобретение позволяет упростить конструкцию с повышением ее надежности. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

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 труб ракетно-артиллерийских комплексов.

Трубчатые элементы из композиционных материалов широко внедряются во все отрасли машиностроения в виду 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.

Известно неразъемное соединение, в котором труба из пластмассы содержит металлическую концевую деталь с радиальными крепежными заостренными элементами (RU 2079765 С1 МПК⁶ F16L 47/00, опубл. 20.05.1997).

Известное соединение трудоемко в исполнении из-за невозможности автоматизации технологического цикла, а также ненадежно в части обеспечения прочности и герметичности для тонкостенной трубы из-за возможности повреждения силового армирующего материала и функциональных слоев трубы, например герметизирующих.

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 в виду необходимости использования тонкой заматываемой части, способной деформироваться в гофрированную поверхность (RU 2257506 C2 МПК⁷ 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.

Конструкция неразъемного соединения по патенту RU 2292490 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 действующей осевой силы в соединяемой паре труба-кольцо, превышающей допустимую для конструкции трубы, возможности расположения кольца 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, состоящим из трубы из композиционного материала и металлической стыковочной детали в виде втулки с гладким хвостовиком на одном конце и вилкообразным, содержащим прорези с образованием лепестков, хвостовиком на другом, согласно изобретению втулка выполнена в виде толстостенного кольца, а хвостовики выполнены в виде тонкостенных цилиндрических. поясов с прорезями, образующими все вместе единую внутреннюю цилиндрическую поверхность, равную по диаметру наружной поверхности трубы, и совмещенную с последней, а на наружных. поверхностях поясов расположены, как минимум, по одному слою композиционного материала, перекрывающие прорези, ужимающие лепестки и выходящие на поверхность трубы с образованием внутренних кольцевых опорных уступов по внешним кромкам поясов, при этом шаг расположения прорезей по периметру поясов выбирается из диапазона (0,1÷0,2)D, а толщина поясов у основания прорезей из диапазона (0,005÷0,01)D, где D - диаметр внутренней цилиндрической поверхности поясов, причем в частных случаях выполнения изобретения, прорези выполнены, как минимум, с одним локальным расширением; прорези выполнены переменной ширины; слои на поясах выполнены из композиционного материала идентичного композиционному материалу трубы; пояса выполнены переменной, толщины по своей оси; на наружной поверхности кольца выполнена резьба; слои на поясах выполнены с упором в боковые поверхности кольца; пояса и/или слои из композиционных материалов на них выполнены отличающимися между собой.

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 втулки в виде толстостенного кольца;

- выполнение хвостовиков в виде тонкостенных цилиндрических поясов с прорезями;

- образование всеми вместе единой внутренней цилиндрической поверхности;

- равной по диаметру наружной поверхности трубы;

- совмещение внутренней поверхности детали с наружной поверхностью трубы;

- расположение на наружных поверхностях поясов, как минимум, по одному слою композиционного материала;

- перекрывающие прорези;

- ужимающие лепестки;

- выходящие на поверхность трубы с образованием внутренних кольцевых опорных уступов по внешним кромкам поясов;

- шаг расположения прорезей по периметру поясов выбирается из диапазона (0,1÷0,2)D;

- толщина поясов у основания прорезей из диапазона (0,005÷0,01)D,

где D - диаметр внутренней цилиндрической поверхности поясов.

б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:

- прорези выполнены, как минимум, с одним локальным расширением;

- прорези выполнены переменной ширины;

- слои на поясах выполнены из композиционного материала идентичного композиционному материалу трубы;

- пояса выполнены переменной толщины по своей оси;

- на наружной поверхности кольца выполнена резьба;

- слои на поясах выполнены с упором в боковые поверхности кольца;

- пояса и/или слои из композиционных материалов на них выполнены отличающимися между собой.

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, просто по конструкции - состоит из трубы и стыковочной детали, оно технологично - установка детали на трубе не требует дополнительных технологических операций и. деталей, оно эффективно, так как позволяет надежно закрепить деталь на трубе за счет ужатия лепестков наружным, как минимум, одним слоем из композиционного материала. Изготовление слоев композиционного материала (намотка) производится на стандартном намоточном оборудовании, на котором может наматываться и сама труба.

Надежность фиксации детали на трубе дополнительно усилена наличием внутренних кольцевых опорных уступов, образованных за счет продолжения слоев на поверхность трубы и выполняющих функцию силовых упоров; за счет выполнения слоев на поясах с упором в боковые поверхности кольца; за счет выполнения поясов и/или слоев из композиционных материалов на них отличающимися между собой.

Неразъемное соединение позволяет повысить надежность конструкции; самой трубы за счет сохранения целостности всех ее силовых и других функциональных слоев.

Неразъемное соединение. позволяет получить более универсальную конструкцию трубы с металлическим кольцом, которое может располагаться в любом сечении трубы и использоваться как упорное/опорное для. соединения с ответными деталями, например, опорными плитами, диафрагмами и т.п. Крепление в таком варианте может осуществляться всевозможными фиксаторами, накидными скобами, муфтами. Для соединения двух труб между собой металлические детали располагаются у торцев труб, а их соединение (стяжка) осуществляется винтами, стяжными скобами, хомутами и т.п. Как вариант возможно использование кольца с наружной резьбой для использования резьбовых соединений. Во всех случаях внутренняя поверхность трубы остается свободной для обеспечения собственных эксплуатационных функций, свободные торцы позволяют организовывать уплотнительные пояса, устанавливать крышки и т.п.

Диапазоны выбора шага расположения прорезей по периметру поясов (0,1÷0,2)D и толщины поясов у основания прорезей (0,005÷0,01)D определены расчетно-экспериментальным путем, а получаемая с такими параметрами конструкция поясов позволяет получать надежное ужатие лепестков при стандартных режимах изготовления (намотке) конструкций из композиционных материалов.

Возможность изменения эксплуатационных характеристик заявляемого соединения дополняется частными случаями исполнения: наличие, как минимум, одного локального расширения в прорезях позволяет изменять изгибную жесткость лепестков; изменение жесткости достигается и за счет выполнения поясов (лепестков) переменной толщиной, а также переменной шириной прорезей.

Использование одного композиционного материала в слоях и трубе позволяет получать однородную структуру материала в конструкции и снижает номенклатуру используемых материалов.

Выполнение поясов и/или слоев из композиционных материалов на них отличающимися между собой позволяет изменять параметры конструкции: геометрические, физико-механические, эксплуатационные в зависимости от конкретных требований.

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

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

Неразъемное соединение содержит трубу 1 из композиционных материалов и стыкуемую деталь 2, которая состоит из толстостенного кольца 3 и двух поясов 4 с прорезями 5 и лепестками 6.

Кольцо 3 с поясами 4 имеют единую внутреннюю цилиндрическую поверхность 7, равную по диаметру наружной поверхности 8 трубы и расположены на последней.

На поясах 4 расположены, как минимум, по одному слою из композиционного материала 9 перекрывающие прорези 5, ужимающие лепестки 6 и выходящие на поверхность трубы 8 с образованием кольцевых уступов 10 у наружной кромки поясов 4.

В виде вариантов исполнения прорези 5 могут содержать, как минимум одно локальное расширение 11, 12 (фиг.2), пояса 4 могут быть выполнены переменной толщины (фиг.2), а на наружной поверхности кольца 3 может быть выполнена резьба 13, пояса и/или расположенные на них слои композиционного материала могут отличаться между собой (фиг.2).

Экспериментальная проверка подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.

1. Неразъемное соединение, содержащее трубу из композиционного материала и металлическую стыковочную деталь в виде втулки с гладким хвостовиком на одном конце и вилкообразным, содержащим аксиальные прорези с образованием лепестков хвостовиком на другом, отличающееся тем, что втулка выполнена в виде толстостенного кольца, а хвостовики выполнены в виде тонкостенных цилиндрических поясов с прорезями, образующими все вместе единую внутреннюю цилиндрическую поверхность, равную по диаметру наружной поверхности трубы и совмещенную с последней, а на наружных поверхностях поясов расположены, как минимум, по одному слою композиционного материала, перекрывающие прорези, ужимающие лепестки и выходящие на поверхность трубы с образованием внутренних кольцевых опорных уступов по внешним кромкам поясов, при этом шаг расположения прорезей по периметру поясов выбирается из диапазона (0,1÷0,2)D, а толщина поясов у основания прорезей из диапазона (0,005÷0,01)D, где D - диаметр внутренней цилиндрической поверхности поясов.

2. Неразъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что прорези выполнены, как минимум, с одним локальным расширением.

3. Неразъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что прорези выполнены переменной ширины.

4. Неразъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что слои на поясах выполнены из композиционного материала, идентичного композиционному материалу трубы.

5. Неразъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что пояса выполнены переменной толщины по своей оси.

6. Неразъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что на наружной поверхности кольца выполнена резьба.

7. Неразъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что слои на поясах выполнены с упором в боковые поверхности кольца.

8. Неразъемное соединение по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что пояса и/или слои из композиционных материалов на них выполнены отличающимися между собой.