Сильфон
Изобретение относится к строительству и используется для компенсации температурных колебаний и гашения вибрации трубопровода. Корпус сильфона выполнен из узких гофр и, по меньшей мере, одной широкой гофры. Стенки гофр сопряжены между собой выпуклыми и вогнутыми поверхностями соответственно. Выпуклые поверхности и вогнутые поверхности выполнены в продольном сечении корпуса в виде полуокружностей. Отношение радиуса R выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу r выпуклой поверхности узкой гофры выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5. Отношение высоты Н между выпуклой поверхностью широкой гофры и сопряженной с ней вогнутой поверхностью узкой гофры к высоте h между выпуклой поверхностью и вогнутой поверхностью узкой гофры - в диапазоне от 0,5 до 1,5. Отношение радиуса R1 вогнутой поверхности между широкой гофрой и узкой гофрой к радиусу r1 вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне от 1,0 до 2,2. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к машиностроению и приборостроению, может быть использовано в различных приборах и механизмах, в которых сильфон предназначен для компенсации температурных колебаний и гашения вибрации трубопровода.
Известен сильфон, содержащий корпус, выполненный из гофр, стенки которых выполнены в виде колец, причем внешние диаметры и внутренние диаметры колец сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями соответственно [1]. В этом техническом решении за счет сопряжения кольцевых гофр выпуклыми и вогнутыми поверхностями удается несколько уменьшить напряжения в местах соединения гофр между собой. Однако в этом техническом решении все гофры выполнены вдоль продольной оси корпуса одинаковой ширины, поэтому при приложении осевых нагрузок наибольшие напряжения испытывают вогнутые поверхности тех гофр, которые ближе к месту приложения нагрузки, они сильно деформируются, а дальние гофры практически не изменяют своей формы, т.е. не принимают участия в компенсации нагрузки. В результате сильфон обладает небольшой временной наработкой, и его разрушение обычно происходит по вогнутой поверхности одной из гофр, близкой к тому торцу корпуса сильфона, к которому прикладывается нагрузка. Наиболее близким к изобретению является сильфон, содержащий корпус, выполненный из узких гофр и, по меньшей мере, одной широкой гофры, стенки которых сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями соответственно [2]. В этом техническом решении гребни и канавки гофр выполнены синусоидальной формы, и узкие гофры чередуются с широкими. Кроме того, на внешней поверхности корпуса сильфона установлен продольный элемент, служащий для обеспечения равномерной деформации гофр при угловых перемещениях торцов корпуса. Сильфон выполняет функцию компенсатора больших угловых перемещений и не предназначен для компенсации осевых нагрузок. Наличие в сильфоне продольного компенсирующего элемента практически не позволяет использовать конструкцию для компенсации осевых нагрузок. Решаемая изобретением задача - повышение качества и технико-эксплуатационных показателей при работе сильфона в условиях осевой неустойчивости и при наличии внутреннего давления. Технический результат, который может быть получен при выполнении изобретения, - повышение долговечности, уменьшение габаритов, экономия материала, из которого изготовлен сильфон. Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном сильфоне, содержащем корпус, выполненный из узких гофр и, по меньшей мере, одной широкой гофры, стенки которых сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями соответственно, согласно изобретению выпуклые поверхности и вогнутые поверхности выполнены в продольном сечении корпуса в виде полуокружностей, отношение радиуса R выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу r выпуклой поверхности узкой гофры выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, отношение высоты H между выпуклой поверхностью широкой гофры и сопряженной с ней вогнутой поверхностью узкой гофры к высоте h между выпуклой поверхностью и вогнутой поверхностью узкой гофры - в диапазоне от 0,5 до 1,5, отношение радиуса R1 вогнутой поверхности между широкой гофрой и узкой гофрой к радиусу r1 вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне от 1,0 до 2,2. Возможны дополнительные варианты выполнения сильфона, в которых целесообразно, чтобы: - корпус был выполнен из стали; - корпус был выполнен из пластмассы; - корпус был выполнен из резины; - широкая гофра была смещена вдоль продольной оси относительно середины корпуса; - широкая гофра была расположена вдоль продольной оси посередине корпуса; - широкие гофры были расположены вдоль продольной оси по краям корпуса; - узкие гофры и широкие гофры были выполнены чередующимися; - количество широких гофр было выбрано равным количеству узких гофр; - количество узких гофр было выбрано большим, чем количество широких гофр;- с одной стороны корпуса число узких гофр между широкими гофрами было выбрано большим, чем число узких гофр между широкими гофрами с другой стороны корпуса. Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры. Фиг. 1 изображает схематично сечение верхней части корпуса сильфона. Фиг. 2 - асимметричное расположение широкой гофры сильфона. Фиг. 3 - симметричное расположение широкой гофры сильфона. Фиг. 4 - асимметричное расположение широких гофр и узких гофр сильфона. Фиг. 5 - симметричное расположение широких гофр по краям корпуса сильфона. Фиг. 6 - расположение широких гофр и узких гофр с их чередованием через одну. Фиг. 7 - расположение широких гофр с чередованием через одинаковое количество нескольких узких гофр сильфона. Фиг. 8 - асимметричное расположение широких гофр и узких гофр с их чередованием. Сильфон (фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный из узких гофр 2 и, по меньшей мере, одной широкой гофры 3. Стенки узких гофр 2 и широкой гофры 3 сопряжены между собой выпуклыми поверхностями 4 и вогнутыми поверхностями 5 соответственно. Выпуклые поверхности 4 и вогнутые поверхности 5 выполнены в продольном сечении корпуса 1 в виде полуокружностей. Отношение радиуса R выпуклой поверхности 4 широкой гофры 3 к радиусу r выпуклой поверхности 4 узкой гофры 2 выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5. Отношение высоты H между выпуклой поверхностью 4 широкой гофры 3 и сопряженной с ней вогнутой поверхностью 5 узкой гофры 2 к высоте h между выпуклой поверхностью 4 и вогнутой поверхностью 5 узкой гофры 2 выбрано в диапазоне от 0,5 до 1,5. Отношение радиуса R1 вогнутой поверхности 5 между широкой гофрой 3 и узкой гофрой 2 к радиусу r1 вогнутой поверхности 5 между узкими гофрами 2 выбрано в диапазоне от 1,0 до 2,2. Введение в конструкцию широкой гофры 3 с указанными размерами позволяет повысить технико-эксплуатационные показатели при работе сильфона в условиях осевой неустойчивости и при наличии внутреннего давления. Как показали испытания, подобная геометрия узких гофр 2 и широкой гофры 3 изменила характер нагрузки на узкие гофры 2 и в целом на корпус 1 независимо от длины и диаметра сильфона, а также места расположения широкой гофры 3. Увеличилась устойчивость сильфона, нагруженного внутренним давлением и осевым усилием. Узкие гофры 2 (фиг. 1), расположенные от широкой гофры 3 слева и справа, стали работать с симметричным распределением нагрузки и с одинаковой величиной хода независимо от других геометрических размеров гофр, их количества и симметрии расположения. Выполнение выпуклых поверхностей 4 и вогнутых поверхностей 5 узких гофр 2 и широких гофр 3 в продольном сечении корпуса 1 в виде полуокружностей позволяет уменьшить концентрацию напряжений в вершинах упомянутых гофр. Испытания проведены при избыточном давлении и принудительном ходе на механическом стенде. Геометрия широкого гофра 3 (фиг. 1) отличается от узких гофр 2, она изменила жесткость корпуса 1 и чувствительность сильфона. Но самое главное она изменила характер распределения нагрузки на все узкие гофры 2 и широкий гофр 3, увеличила устойчивость сильфона, нагруженного внутренним давлением P и осевым усилием Q. Узкие гофры 2 слева и справа стали работать с симметричным распределением нагрузки и одинаковой величиной хода. При различных сочетаниях давления и осевой силы (или заданного хода) цикл напряжений распределяется равномерно по всем гофрам, уменьшая критические напряжения в отдельных точках и увеличивая время нароботки сильфона на отказ. Сильфон заявленной конструкции приобретает улучшенные эксплуатационные характеристики и становится долговечней. Геометрия широкого гофра 3 (фиг. 1, 2) позволяет равномерно распределить нагрузку по всему корпусу 1, сохранив устойчивость сильфона согласно математическому выражению n1/L = n2/n1 = 0,618, где
n1 - большее количество узких гофр 2, например, слева от широкого гофра 2;
L - длина сильфонной части корпуса 1;
n2 - меньшее количество узких гофр 2, например, справа от широкого гофра 2. Отношение плеча с меньшим количеством узких гофр 2 к плечу с большим количеством узких гофр 2 независимо от размеров гофр, их количества и симметрии является величиной постоянной на уровне 0,618, а это позволяет иметь распределение суммарных напряженностей и распределение нагрузок по всему сильфону независимо от симметрии расположения широкого гофра 3 на таком же уровне (0,618), обеспечивая устойчивость конструкции в различных приборах и механизмах. При этом плечо с большим количеством узких гофр 2 принимает нагрузку около 60%, а на плечо с меньшим количеством узких гофр 2 распределяется около 40% нагрузки. При симметричном расположении узких гофр 2 (фиг. 3) распределение нагрузки будет 50% на 50% на каждое плечо (с равномерным распределением по гофрам). Корпус 1 сильфона может быть выполнен из стали, или из пластмассы, или из любого иного конструкционного материала, например резины, удовлетворяющего техническим требованиям к условиям эксплуатации. В частности для компенсации температурных колебаний и гашения вибрации трубопровода системы отработанных газов двигателей несколько различных вариантов конструкции (фиг. 2-8) были изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, используемой на практике для изготовления таких трубопроводов, с наружным диаметром корпуса 1 - 105 мм и длиной 180 мм и больше. Обычно для увеличения срока службы сильфона пытаются увеличить длину корпуса 1 сильфона и количество узких гофр 2. Однако испытания показали, что увеличение количества узких гофр 2 практически не влияет (или влияет незначительно) на увеличение времени службы сильфона, поскольку основные нагрузки в сильфоне с узкими гофрами 2 испытывают те гофры, которые расположены ближе к месту приложения осевой нагрузки. Они и выходят из строя по своим вогнутым поверхностям 5, на которых образуются трещины. Использование широкого гофра 3 (фиг. 2-8) позволяет, не увеличивая длины корпуса 1, более равномерно распределить нагрузку на каждую из узких гофр 3, и они практически работают с одинаковой величиной хода при приложении осевой нагрузки. Понятно, что ничто не препятствует заявленному техническому решению компенсировать и поперечные нагрузки в соответствии с обычной работой корпуса 1 сильфона на изгиб или кручение. Кроме того, использование широких гофр 3 позволяет уменьшить количество материала при раскройке карт для изготовления корпуса 1 сильфона пропорционально количеству широких гофр 3. Увеличение количества широких гофр 3 приводит к увеличению жесткости корпуса 1, что часто бывает необходимо для исключения провисания корпуса 1 под действием сил тяжести, например, при изготовлении корпуса 1 из резины. Поскольку место расположения широкого сильфона 3 с описанной выше геометрией не является критичным к функционированию устройства в целом, то на практике, как показали испытания, в зависимости от технико-эксплуатационных требований могут быть использованы различные конструктивные варианты (фиг. 2-8). Варианты устройства (фиг. 3, 5, 7) с симметричным расположением узких гофр 2 и широких гофр 3 целесообразно использовать при приложении осевых нагрузок, действующих попеременно с обоих торцов корпуса 1, а варианты устройства (фиг. 2, 4, 6, 8) с асимметричным расположением узких гофр 2 и широких гофр 3 целесообразно использовать при приложении осевой нагрузки в основном только с одной стороны корпуса 1 (с тем, чтобы распределить нагрузку между плечами корпуса 1 на указанном уровне 0,618). В зависимости от изгибающих и крутящих нагрузок, а также в зависимости от требуемой жесткости корпуса 1 сильфона при осевых нагрузках могут быть выбраны различные варианты (фиг. 2-8) с различным количеством узких гофр 2 и широких гофр 3 и с их различным чередованием. Узкие гофры 2 и широкие гофры 3 могут быть выбраны одинаковой высоты (H=h) для упрощения конструкции. Работает сильфон (фиг. 2-8) следующим образом. При приложении осевой нагрузки осевым усилием Q на корпус 1 сильфона, нагруженного внутренним давлением P, происходит сжатие-растяжение (в зависимости от знака осевой нагрузки) узких гофр 2 и широкой гофры 3. Широкая гофра 3 с описанной выше геометрией является менее упругим демпфирующим звеном по сравнению с узкими гофрами 2. Поэтому происходит равномерное перераспределение нагрузки по всей длине корпуса 1 с практически одинаковой величиной хода узких гофр 2, что позволяет в вершинах и впадинах выпуклых и вогнутых поверхностей 4, 5 узких гофр 2 соответственно уменьшить концентрацию возникающих там напряжений. Поскольку эти поверхности в продольном сечении корпуса 1 выполнены в виде полуокружностей, то эпюра напряженностей по отдельным узким гофрам 2 и широким гофрам 3 имеет плавный характер и приблизительно одинаковое максимальное значение. Широкая гофра 3 подвержена большему сжатию-расширению по сравнению с узкими гофрами 1, но ее геометрия как раз выбрана такой, чтобы уменьшить концентрацию напряжений в вершинах выпуклых и вогнутых поверхностей 4, 5 широких гофр 3 и в наибольшей степени обеспечить перераспределение нагрузки по узким гофрам 2. Наиболее успешно заявленный сильфон может быть промышленно применим в приборах и механизмах, в которых сильфон функционирует в условиях осевой неустойчивости и при наличии внутреннего давления. Источники информации
1. Патент США N 3169785, н.п.к. 285-226, опубл. 16.02.65. 2. Патент США N 3794080, н.п.к. 138-121, опубл. 22.10.74.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8