соединительный узел для трубопроводов

Формула изобретения

Соединительный узел для трубопроводов, содержащий трубчатый корпус, установленный на конце одного трубопровода, соединительное кольцо на конце другого трубопровода, кольцевую камеру уплотнения, уплотняющий элемент, размещенный в кольцевой камере уплотнения, фиксатор соединительного кольца относительно трубчатого корпуса в продольном направлении, отличающийся тем, что кольцевая камера уплотнения целиком расположена в теле трубчатого корпуса, уплотняющий элемент выполнен в виде взаимодействующих между собой кольцевого уплотнителя круглого сечения из эластичного упругого материала и кольцевого протектора из пластичного и легкодеформируемого при сборке узла химически инертного материала, соединительное кольцо взаимодействует с трубчатым корпусом и кольцевым протектором по коническим поверхностям уплотнения, поверхности кольцевой камеры уплотнения в поперечном сечении имеют прямолинейные участки, сопряжения которых образуют буферные зоны, заполняемые деформируемым телом кольцевого уплотнителя, и взаимодействуют с кольцевым уплотнителем и кольцевым протектором, при этом объем кольцевой камеры уплотнения равен сумме объемов кольцевого уплотнителя и кольцевого протектора и постоянен, кольцевой протектор в поперечном сечении имеет зону утонения толщиной 0,015...0,03 диаметра профиля кольцевого уплотнителя, на трубчатом корпусе введены кольцевой цилиндрический выступ позиционирования соединительного кольца, поверхность которого сопряжена с конической поверхностью уплотнения по ее большему краю, и кольцевой выступ позиционирования в виде усеченного конуса, поверхность которого по своему большему краю сопряжена с конической поверхностью уплотнения по ее меньшему краю, на соединительном кольце выполнены кольцевые цилиндрическая и коническая полости позиционирования трубчатого корпуса, ответные кольцевому цилиндрическому выступу позиционирования и кольцевому выступу позиционирования в виде усеченного конуса трубчатого корпуса, кроме того, на трубчатом корпусе выполнен паз, а на соединительном кольце - ответный выступ, на трубчатом корпусе введен ограничитель движения фиксатора соединительного кольца, между ограничителем движения фиксатора и фиксатором соединительного кольца введена пружинящая шайба.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкциям штуцерных неподвижных разъемных соединений пневматических и гидравлических систем в аналитической химии, медицине, микробиологии, транспортных средств и космических аппаратов, работающих с высокотекучими, пожаровзрывоопасными, химически активными и опасными для здоровья средами.

Известно штуцерное неподвижное разъемное соединение с применением уплотняющего элемента в виде кольца из резины, представленное отраслевым стандартом ОСТ В 38 052-80 (Кольца резиновые круглого сечения для изделий специального назначения), принятое за аналог, в котором герметичность соединения деталей обеспечивается поджатием уплотняющего элемента в замкнутом объеме, образованном поверхностями корпуса и сальника.

Очевидными недостатками аналога являются: ограниченная во времени надежность соединения из-за контакта уплотняющего элемента с агрессивной средой продуктов, транспортируемых трубопроводом; оговоренная предназначенность конкретного материала уплотняющего элемента для работы только с допускаемым видом продукта, т.е. под любой, не оговоренный в перечне, продукт требуется разработка новой резины со всеми вытекающими издержками; и остаточная деформация профиля сечения уплотняющего элемента после длительного пребывания в деформированном состоянии помимо определенного снижения эффекта уплотнения требует замены уплотняющего элемента при повторном соединении узла.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству, принятым за прототип, является патент США N 3,747,960 МКИ F 16 L 19/00.

К недостаткам прототипа следует отнести: очевидную ограниченность во времени работоспособность соединения из-за возможности контакта уплотняющего элемента с агрессивными продуктами, транспортируемыми трубопроводом, и неизбежность частичных повреждений его поверхности, особенно в зонах контактирования с резьбовыми поверхностями соединительного кольца и фиксатора, при сборке и разборке устройства, которые вместе с остаточной деформацией профиля сечения уплотняющего элемента после длительного пребывания в значительно деформированном состоянии требуют его замены при повторном соединении узла.

Задачей изобретения явилось создание конструкции соединительного узла для трубопроводов, обеспечивающей надежную многоразовость соединения, требуемую герметичность при необходимой надежности в условиях механических воздействий и стойкость к воздействию транспортируемых трубопроводом продуктов.

Это достигается тем, что в соединительном узле для трубопроводов, содержащем трубчатый корпус, установленный на конце одного трубопровода, соединительное кольцо на конце другого трубопровода, кольцевую камеру уплотнения, уплотняющий элемент, размещенный в кольцевой камере уплотнения, фиксатор соединительного кольца относительно трубчатого корпуса в продольном направлении, кольцевая камера уплотнения целиком расположена в теле трубчатого корпуса, уплотняющий элемент выполнен в виде взаимодействующих между собой кольцевого уплотнителя круглого сечения из эластичного упругого материала и кольцевого протектора из пластичного и легко деформируемого при сборке узла химически инертного материала, соединительное кольцо взаимодействует с трубчатым корпусом и кольцевым протектором по коническим поверхностям уплотнения, поверхности кольцевой камеры уплотнения в поперечном сечении имеют прямолинейные участки, сопряжения которых образуют буферные зоны, заполняемые деформируемым телом кольцевого уплотнителя, и взаимодействуют с кольцевым уплотнителем и кольцевым протектором, при этом объем кольцевой камеры уплотнения равен сумме объемов кольцевого уплотнителя и кольцевого протектора и постоянен, кольцевой протектор в поперечном сечении имеет зону утонения толщиной 0,015...0,03 диаметра профиля кольцевого уплотнителя, на трубчатом корпусе введены кольцевой цилиндрический выступ позиционирования соединительного кольца, поверхность которого сопряжена с конической поверхностью уплотнения по ее большему краю, и кольцевой выступ позиционирования в виде усеченного конуса, поверхность которого по своему большему краю сопряжена с конической поверхностью уплотнения по ее меньшему краю, на соединительном кольце выполнены кольцевые цилиндрическая и коническая полости позиционирования трубчатого корпуса, ответные кольцевому цилиндрическому выступу позиционирования и кольцевому выступу позиционирования в виде усеченного конуса трубчатого корпуса, кроме того, на трубчатом корпусе выполнен паз, а на соединительном кольце - ответный выступ, на трубчатом корпусе введен ограничитель движения фиксатора соединительного кольца, между ограничителем движения фиксатора и фиксатором соединительного кольца введена пружинящая шайба.

Суть предлагаемого решения поясняется чертежами, представленными нафиг. 1, 2, 3:

на Фиг.1 приведен общий вид соединительного узла для трубопроводов,

на Фиг. 2 изображен фрагмент соединительного узла для трубопроводов, представляющий изменение формы деталей уплотняющего элемента в рабочем состоянии,

на Фиг. 3 изображен фрагмент, представляющий изменение формы деталей уплотняющего элемента при разделении соединительного узла для трубопроводов.

Предлагаемое устройство содержит:

трубчатый корпус 1,

соединительное кольцо 2,

кольцевую камеру уплотнения 3,

уплотняющий элемент в виде кольцевого уплотнителя 4

кольцевого протектора 5,

фиксатор 6,

паз трубчатого корпуса 7,

ответный выступ 8 на соединительном кольце 2,

ограничитель движения фиксатора 9,

пружинящую шайбу 10, выполненную, например, с-образной.

Выносками со стрелками обозначены характерные зоны и участки деталей предлагаемого устройства:

11 - коническая поверхность уплотнения трубчатого корпуса 1,

12 - коническая поверхность уплотнения соединительного кольца 2,

13. ..16 - прямолинейные участки поверхности кольцевой камеры уплотнения 3 в поперечном сечении,

17...19 - радиусы сопряжения прямолинейных участков 13...16,

20, 21 - буферные зоны кольцевой камеры уплотнения 3,

22 - зона утонения кольцевого протектора 5,

23 - радиус профиля кольцевого уплотнителя 4,

24 - кольцевой цилиндрический выступ позиционирования соединительного кольца 2 на поверхности трубчатого корпуса 1,

25 - кольцевой выступ позиционирования соединительного кольца 2 на поверхности трубчатого корпуса 1 в виде усеченного конуса,

26 - кольцевая цилиндрическая полость позиционирования трубчатого корпуса 1 на поверхности соединительного кольца 2, ответная кольцевому цилиндрическому выступу позиционирования 24,

27 - кольцевая полость позиционирования трубчатого корпуса 1 на поверхности соединительного кольца 2 в виде усеченного конуса, ответная кольцевому выступу позиционирования 25.

Обычно детали трубопроводов пневмогидравлических систем, работающих с высокотекучими, пожаровзрывоопасными, химически активными и опасными для здоровья средами, выполняются из достаточно прочных материалов, стойких к воздействию транспортируемых продуктов, и основные проблемы надежности работы таких трубопроводов связаны с надежностью уплотнения мест их соединений. Поэтому для предотвращения течей в соединительном узле, связанных с агрессивным воздействием транспортируемых продуктов, колебаниями температуры и внешними механическими воздействиями, кольцевая камера уплотнения 3 размещена полностью в теле одного из элементов соединения - трубчатом корпусе 1 и имеет только одну поверхность доступа, совпадающую с конической поверхностью уплотнения 11, в качестве уплотнения предлагается уплотняющий элемент, выполненный в виде взаимодействующих между собой кольцевого уплотнителя 4 круглого сечения из эластичного упругого материала, например, резины и кольцевого протектора 5 из пластичного и легко деформируемого при сборке узла химически инертного материала, например, тетрафторэтилена, блокирующего кольцевой уплотнитель 4 от контакта с транспортируемым продуктом. Тетрафторэтилен (фторопласт-4) при твердости 70...75 по Шору обладает свойством хладотекучести, т. е. возможностью изменять свою форму под воздействием силы, передаваемой контактирующим с ним телом из материала равной или большей чем у него твердостью. Резина кольцевого уплотнителя 4, обладая существенно меньшей твердостью поверхности - 45...65 по Шору, не в состоянии вызвать перераспределение массива материала кольцевого протектора 5, но энергии, накопленной в ней при соединении узла, оказывается вполне достаточно как для создания и передачи через зону утонения 22 кольцевого протектора 5 усилия поджатия его поверхности к конической поверхности уплотнения 12 соединительного кольца 2, необходимого для запирания узла, так и для прогиба зоны утонения 22 кольцевого протектора 5 при разъединении узла со сбалансированным восстановлением буферных зон 20 и 21 кольцевой камеры уплотнения 3. Для наиболее эффективного использования энергии деформации кольцевого уплотнителя 4 при соединении узла зона утонения 22 кольцевого протектора 5 расположена так, что через ее центр проходит равнодействующая всех реактивных сил, вызванных деформацией кольцевого уплотнителя 4, совпадающая с направлением перпендикуляра из центра (окружности) сечения кольцевого уплотнителя 4 к конической поверхности уплотнения 12 соединительного кольца 2. Толщина зоны утонения 22 кольцевого протектора 5 ограничена соотношением 0,015... 0,03 диаметра профиля кольцевого уплотнителя 4, в котором минимум соотношения определяется необходимостью обеспечения достаточно надежного слоя тетрафторэтилена для защиты кольцевого уплотнителя 4 от воздействия транспортируемого продукта, а максимум - способностью обеспечения усилия поджатия центра зоны утонения 22 к конической поверхности уплотнения 12 соединительного кольца 2. Очевидно, что с увеличением диаметра профиля кольцевого уплотнителя 4 возрастает и возможность накопления большего значения потенциальной энергии деформации кольцевого уплотнителя 4 и расширяется активная часть зоны утонения 22 кольцевого протектора 5 из-за уменьшения радиуса кривизны профиля кольцевого уплотнителя 4, т.е. увеличение толщины зоны утонения 22 кольцевого протектора 5 не уменьшает усилия поджатия центра зоны утонения 22 к конической поверхности уплотнения 12 соединительного кольца 2. Дополнительное повышение надежности в предлагаемом решении обеспечивается щадящим режимом самого процесса уплотнения: кольцевой цилиндрический выступ позиционирования 24 с ответной кольцевой цилиндрической полостью позиционирования 26 обеспечивают первичное позиционирование деталей 1 и 2, исключая погрешности центровки соединения узла, характерные для традиционных резьбовых или фланцевых способов фиксации; паз 7 на трубчатом корпусе 1 и ответный выступ 8 на соединительном кольце 2 исключают их проворачивание относительно друг друга и связанное с ним травмирование кольцевого уплотнителя 4 и кольцевого протектора 5, тем самым обеспечивают однозначное постоянство взаимного расположения и взаимодействия всех элементов уплотнения, обеспечивающих герметичность узла при многоразовых соединениях; кольцевой выступ позиционирования в виде усеченного конуса 25. кольцевая трубчатого корпуса 1, и ответная кольцевая полость позиционирования 27 в соединительном кольце 2 помимо функции первичной герметизации узла осуществляют финишное позиционирование деталей 1 и 2, обеспечивая одинаковый минимальный зазор между коническими поверхностями уплотнения 11 трубчатого корпуса 1 и 12 - соединительного кольца 2, тем самым удается обеспечить равномерное поджатие уплотняющего элемента достаточно близкое к принципу цангового зажима, чему в значительной мере способствует исключительно низкий коэффициент трения тетрафторэтилена практически со всеми используемыми в технике материалами. Ограничитель движения фиксатора 9 и невыпадающая пружинящая шайба 10 обеспечивают сохранность поверхности кольцевого протектора 5 в разомкнутом состоянии узла.

Устройство работает следующим образом: при поджатии фиксатором 6 соединительного кольца 2 к трубчатому корпусу 1 кольцевой цилиндрический выступ позиционирования 24 с кольцевой цилиндрической полостью позиционирования 26 обеспечивают первичное позиционирование деталей 1 и 2, снижая погрешности центровки соединения узла; ответный выступ 8 на соединительном кольце 2 заходит в паз 7 трубчатого корпуса 1, исключая проворачивание деталей 1 и 2 относительно друг друга; коническая поверхность уплотнения 12 соединительного кольца 2, воздействуя на выступающую за пределы кольцевой камеры уплотнения 3 зону утонения 22 кольцевого протектора 5, взаимодействует через нее с кольцевым уплотнителем 4 и поверхностями кольцевой камеры уплотнения 3, и деформирует его, заполняя его телом буферные зоны 20 и 21; уплотнение заканчивается при совмещении поверхности кольцевого выступа позиционирования соединительного кольца 2 на поверхности трубчатого корпуса 1 в виде кольцевого выступа позиционирования в виде усеченного конуса 25, с ответной кольцевой полостью позиционирования 27 на поверхности соединительного кольца 2, при этом минимальный зазор между коническими поверхностями уплотнения 11 трубчатого корпуса 1 и 12 - соединительного кольца 2, обеспечивает необходимую свободу реакции уплотняющего элемента на изменения температуры окружающей среды и транспортируемого продукта и его независимость от внешних механических воздействий.

Таким образом, совокупность новых признаков предложенного решения узла соединения трубопроводов позволила достигнуть нового технического результата: создана конструкция соединительного узла для трубопроводов, обеспечивающая многоразовость соединения и требуемую герметичность при необходимой надежности в условиях внешних механических и температурных воздействий и стойкость к воздействию высокотекучих, пожаровзрывоопсных, химически активных и опасных для здоровья продуктов, транспортируемых трубопроводом, в течение оговоренного периода.