CN105179691B - 一种管材端部夹持密封夹具 - Google Patents

Abstract

一种管材端部夹持密封夹具，它涉及一种夹持密封夹具，以解决现有管材拉‑胀测试实验夹持和密封相互独立，使用时两者相互影响，很难保证实验的顺利进行，管材夹持和密封不能有效结合，以及影响管材性能实验准确性的问题，它包括芯轴、密封圈、楔形块、托板、旋拧件、弹性元件、外卡圈、N个楔形内爪、N个楔形外爪和N个顶杆；旋拧件与芯轴的另一端螺纹连接，芯轴上套装有外卡圈，外卡圈与芯轴之间布置有楔形块、N个楔形内爪和N个楔形外爪；N个楔形内爪和N个楔形外爪分别沿芯轴的周向设置，旋拧件与外卡圈之间的芯轴上套装有托板和弹性元件，弹性元件顶靠在托板和外卡圈上。本发明用于管材拉胀实验时端部夹持密封。

Description

一种管材端部夹持密封夹具

技术领域

本发明涉及一种夹持密封夹具，具体涉及一种用于管材拉-胀测试实验的管材端部夹持密封结构。

背景技术

拉-胀实验是测试管材性能的一种方法，在管材拉-胀测试实验中管材端部既要夹持以施加轴向力，又要保证密封以施加内压。因此，管材端部的夹持和密封是实现管材拉-胀测试实验的关键，二者相互关联，直接影响管材拉-胀测试实验的准确性。常用的夹持方式有两种：一是在管端内部放入一个比管材内径略小的芯棒作为内部支撑，然后在有芯棒支撑的管材外部用一对半圆形或V形夹具夹紧。但是这种夹持方式能够提供的夹紧力较小，当轴向力较大时夹紧部分容易滑脱导致实验失败，而且实验完成后芯棒很难取出。二是将管材端部压扁形成两个较大的相互平行的平面，然后在管端压扁部分内部放入合适大小的垫块作为内部支撑，最后通过一对平板式夹具夹持管材端部压扁形成的两个平面。但是管端压扁后几何形状的改变会影响实验过程中管材的受力状态，进而影响实验测试结果。常用的密封方式也有两种：一是在管材内部放入带有O型圈的芯轴，芯轴直径稍小于管材内径以芯轴可以在管材内自由移动为宜，芯轴上有2～3个O型圈槽，使用时O型圈紧贴管材内壁和芯轴槽底保证有效密封。这种密封方法简单有效并且对管材性能没有影响，但是实际操作时需要在O型圈对应的管材外部施加约束，以防止因管材胀形造成密封失效。二是在管材两端口部各焊接一个与管材直径相当的封头，从而保证管材的密封。但是焊接时产生的热会对原始管材材力学性能产生一定程度的影响，而且焊缝中可能存在缺陷，增加胀形实验过程中发生泄露的机率。但是，上述方法中夹持和密封是相互独立的装置，使用时两者相互影响，很难保证实验的顺利进行。为此，需要一种管材端部夹持密封夹具解决管材拉-胀测试实验中管材端部夹持和密封不能有效结合的问题。

发明内容

本发明是为解决现有管材拉-胀测试实验夹持和密封相互独立，使用时两者相互影响，很难保证实验的顺利进行，管材夹持和密封不能有效结合，以及影响管材性能实验准确性的问题，进而提出一种管材端部夹持密封夹具。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种管材端部夹持密封夹具包括芯轴、密封圈、楔形块、托板、旋拧件、弹性元件、外卡圈、N个楔形内爪、N个楔形外爪和N个顶杆；其中N为正整数，且8≥N≥3；芯轴为具有充液通道的芯轴，芯轴的一端为二台阶式结构，芯轴的另一端加工有与充液通道贯通的充液口；芯轴的中间段加工有外螺纹；

旋拧件与芯轴的中间段螺纹连接，芯轴上套装有外卡圈，外卡圈与芯轴之间布置有楔形块、N个楔形内爪和N个楔形外爪；楔形块插装在芯轴上，N个楔形内爪和N个楔形外爪分别沿芯轴的周向设置，且楔形内爪和楔形外爪错位布置，N个楔形内爪和N个楔形外爪之间构成一个环形空隙，环形空隙用于插装管材，楔形块的大端底面与芯轴的一阶台面之间安装有密封圈，楔形内爪与楔形块相接触，相接触的两个面一个为楔形内爪的内圆弧面，一个为楔形块上的外圆弧面，楔形外爪与外卡圈相接触，相接触的两个面一个为楔形外爪的外圆弧面，一个为外卡圈上的内圆弧面；旋拧件与外卡圈之间的芯轴上套装有托板和弹性元件，外卡圈上插装有与楔形外爪一一对应设置的顶杆，顶杆的上端与托板连接，顶杆的下端与楔形外爪的大端底面连接，弹性元件顶靠在托板和外卡圈上。

一种管材端部夹持密封夹具包括芯轴、密封圈、托板、旋拧件、弹性元件、外卡圈、N个楔形内爪、N个楔形外爪和N个顶杆；其中N为正整数，且8≥N≥3；芯轴为具有充液通道的芯轴，芯轴的一端为锥形结构，芯轴的另一端加工有与充液通道贯通的充液口；芯轴的中间段加工有外螺纹；

旋拧件与芯轴的中间段螺纹连接，芯轴上套装有外卡圈，外卡圈内腔与芯轴锥形结构之间布置有N个楔形内爪和N个楔形外爪；N个楔形内爪和N个楔形外爪分别沿芯轴的周向设置，且楔形内爪和楔形外爪错位布置，N个楔形内爪和N个楔形外爪之间构成一个环形空隙，环形空隙用于插装管材，楔形内爪与芯轴锥形结构外弧面相接触的面为圆弧面，楔形外爪与外卡圈相接触，相接触的两个面一个为楔形外爪的外圆弧面，一个为外卡圈上的内圆弧面；芯轴的锥形结构延伸有工形连接部，工形连接部的凹槽内安装有密封圈；旋拧件与外卡圈之间的芯轴上套装有托板和弹性元件，外卡圈上插装有与楔形外爪一一对应设置的顶杆，顶杆的上端与托板连接，顶杆的下端与楔形外爪的大端底面连接，弹性元件顶靠在托板和外卡圈上。

本发明的有益效果是：一、本发明的楔形内爪、楔形外爪和楔形块或者楔形内爪、楔形外爪和芯轴锥形段结构可相对独立移动，保证管材内外两侧同时受力，楔形结构在使用时可以越拉越紧，防止管端滑脱；本发明的楔形内爪和楔形外爪之间形成环形包络空间，使夹紧力分布均匀，本发明采用密封圈密封，简单可靠，实验前后安装和拆卸方便；本发明有效地解决了管材拉-胀测试实验中管材夹持和密封不能有效结合的问题，保证了管材性能实验的准确性；二、本发明的夹持密封结构实际使用中可保证管材两端无需进行特殊处理，可以简化实验前期准备工作；三、本发明适用于管材的整管拉伸、简单胀形、拉伸+胀形、压缩+胀形等多种胀形实验。

附图说明

图1是具体实施方式一的结构示意图，图2是具体实施方式六的结构示意图，图3是夹持密封夹具开合状态半剖视图，图4是具体实施方式五和具体实施方式十采用六个楔形内爪和六个楔形外爪布置结构示意图，图5是图4中夹紧管材状态示意图，图6是具体实施方式四和具体实施方式九采用五个楔形内爪和五个楔形外爪布置结构示意图，图7是图6中夹紧管材状态示意图，图8是管材变形性能实验中管材装夹在夹持密封夹具上开始胀形时的初始状态图，图9是管材无内部压力整管拉伸实验示意图，图10是管材两端固定条件下的自由胀形过程示意图，图11是管材拉胀过程示意图，图12是管材压胀过程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图3说明，本实施方式的一种管材端部夹持密封夹具，它包括芯轴1、密封圈2、楔形块3、托板6、旋拧件7、弹性元件8、外卡圈9、N个楔形内爪4、N个楔形外爪10和N个顶杆5；其中N为正整数，且8≥N≥3；芯轴1为具有充液通道的芯轴，芯轴1的一端为二台阶式结构，芯轴1的另一端加工有与充液通道贯通的充液口1-1；芯轴1的中间段加工有外螺纹；

旋拧件7与芯轴1的中间段螺纹连接，芯轴1上套装有外卡圈9，外卡圈9与芯轴1之间布置有楔形块3、N个楔形内爪4和N个楔形外爪10；楔形块3插装在芯轴1上，N个楔形内爪4和N个楔形外爪10分别沿芯轴1的周向设置，且楔形内爪4和楔形外爪10错位布置，N个楔形内爪和N个楔形外爪之间构成一个环形空隙，环形空隙用于插装管材11，楔形块3的大端底面与芯轴1的一阶台面之间安装有密封圈2，楔形内爪4与楔形块3相接触，相接触的两个面一个为楔形内爪4的内圆弧面，一个为楔形块3上的外圆弧面，楔形外爪10与外卡圈9相接触，相接触的两个面一个为楔形外爪10的外圆弧面，一个为外卡圈9上的内圆弧面；

旋拧件7与外卡圈9之间的芯轴1上套装有托板6和弹性元件8，外卡圈9上插装有与楔形外爪10一一对应设置的顶杆5，顶杆5的上端与托板6连接，顶杆5的下端与楔形外爪10的大端底面连接，弹性元件8顶靠在托板6和外卡圈9上。

本实施方式的芯轴1的另一端端部还设计有销钉孔1-2，以便于管材拉-胀性能试验时芯轴固定；楔形块3的大端底面设计有凸台，密封圈2设置在凸台与芯轴1的一阶台面之间，密封圈2的截面直径大于凸台与芯轴1的一阶台面围成的环形槽的宽度。旋拧件7可用螺母代替。楔形内爪4与楔形块3相接触的两个面是指楔形内爪4内圆弧面和楔形块3外圆弧面，均倾斜布置，楔形外爪10与外卡圈9相接触的两个面是指楔形外爪10外圆弧面和外卡圈9的内圆弧面，均倾斜布置。

具体实施方式二：结合图1和图3说明，本实施方式的弹性元件8为螺旋弹簧。如此设置，廉价易得，使用拆装方便。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图3说明，本实施方式的密封圈2为O形密封圈。如此设置，廉价易得，结构简单，使用方便。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图3说明，本实施方式的楔形内爪4和楔形外爪10的数量均为5个。如此设置，使用方便，满足实际需要。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图3说明，本实施方式的楔形内爪4和楔形外爪10的数量均为6个。如此设置，使用方便，满足实际需要。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：结合图2说明，本实施方式的一种管材端部夹持密封夹具，它包括芯轴1、密封圈2、托板6、旋拧件7、弹性元件8、外卡圈9、N个楔形内爪4、N个楔形外爪10和N个顶杆5；其中N为正整数，且8≥N≥3；芯轴1为具有充液通道的芯轴，芯轴1的一端为锥形结构，芯轴1的另一端加工有与充液通道贯通的充液口1-1；芯轴1的中间段加工有外螺纹；

旋拧件7与芯轴1的中间段螺纹连接，芯轴1上套装有外卡圈9，外卡圈9内腔与芯轴1锥形结构之间布置有N个楔形内爪4和N个楔形外爪10；N个楔形内爪4和N个楔形外爪10分别沿芯轴1的周向设置，且楔形内爪4和楔形外爪10错位布置，N个楔形内爪和N个楔形外爪之间构成一个环形空隙，环形空隙用于插装管材11，楔形内爪4与芯轴1锥形结构外弧面相接触的面为圆弧面，楔形外爪10与外卡圈9相接触，相接触的两个面一个为楔形外爪10的外圆弧面，一个为外卡圈9上的内圆弧面；芯轴1的锥形结构延伸有工形连接部1-3，工形连接部1-3的凹槽内安装有密封圈2；

旋拧件7与外卡圈9之间的芯轴1上套装有托板6和弹性元件8，外卡圈9上插装有与楔形外爪10一一对应设置的顶杆5，顶杆5的上端与托板6连接，顶杆5的下端与楔形外爪10的大端底面连接，弹性元件8顶靠在托板6和外卡圈9上。本实施方式的密封圈2设置在工形连接部1-3的凹槽之间，该凹槽的槽深小于密封圈2的截面直径。旋拧件7可用螺母代替。楔形外爪10与外卡圈9相接触的两个面是指楔形外爪10外圆弧面和外卡圈9的内圆弧面，均倾斜布置。

具体实施方式七：结合图2说明，本实施方式的弹性元件8为螺旋弹簧。如此设置，廉价易得，使用拆装方便。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图2说明，本实施方式的密封圈2为O形密封圈。如此设置，廉价易得，结构简单，使用方便。其它与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：结合图2说明，本实施方式的楔形内爪4和楔形外爪10的数量均为5个。如此设置，数量适中，使用方便，满足实际需要。其它与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图2说明，本实施方式的楔形内爪4和楔形外爪10的数量均为6个。如此设置，数量适中，使用方便，满足实际需要。其它与具体实施方式八相同。

工作过程：一、选择夹具：选用与管材11内径相匹配的芯轴1、楔形内爪4、楔形块3和密封圈2，选用与管材11外径相匹配的楔形外爪10；楔形内爪4和楔形外爪10均为多爪形式且靠近管材11一侧均为与管材11外形相同的弧面，因此在内爪4和外爪10之间会形成一个环形空隙，可以使管材11端部插入该环形空隙内。

二、夹持：本夹持密封夹具为楔形结构，可以自锁起到越拉越紧的作用。如图1所示，使用时旋紧旋拧件7，可以使芯轴1相对外卡圈9沿轴线向外移动，芯轴1带动楔形块3一起移动，而楔形块3和楔形内爪4之间的楔形结构将楔形块3的轴向向外移动转变为楔形内爪4的沿径向向外的移动。同时，旋紧旋拧件7时旋拧件7会沿轴线方向靠近外卡圈9从而压紧托板6，托板6进一步压紧顶杆5，顶杆5推动楔形外爪10沿轴线方向移动，楔形外爪10和外卡圈9之间的楔形结构将轴向移动转化为楔形外爪10沿径向向内的移动。因此，紧固旋拧件7旋紧后，楔形内爪4和楔形外爪10会同时夹紧管材11端部，并产生一定的预紧力。此时给管材11施加轴向拉力，可以起到轴向拉力越大夹紧力也越大的效果，防止管材11在胀形实验过程中端部的夹紧部分滑脱。另外，本夹具的楔形内爪4和楔形外爪10可相对独立移动，即当旋紧旋拧件7的过程中楔形内爪4(或者楔形外爪10)首先接触到管材11，那么楔形内爪4(或楔形外爪10)就会停止移动，而楔形内爪4(或者楔形外爪10)会继续移动直至两者都接触管材11并夹紧，从而保证管材11内外两侧受力均匀。

三、密封：本夹具可以选用的密封方式有两种：(1)轴向压紧式密封，如图1和图3所示。密封圈2套在芯轴1和楔形块3形成的环形槽内，密封圈2截面直径大于环形槽宽度。旋紧旋拧件7后密封圈2受到芯轴1和楔形块3沿轴向的压力被迫向外膨胀从而贴紧管材11内壁，保证管材11端部密封。(2)径向压紧式密封，如图2所示。本密封方式省去了楔形块3，密封圈2套在芯轴1的工形连接部1-3凹槽内，其槽深小于密封圈2的截面直径。管材插入夹具后密封圈2受到管材11内壁和芯轴1的径向压紧力，从而贴紧管材11内壁和芯轴1表面保证管材11端部密封。另外，旋紧旋拧件7可以使楔形内爪4和楔形外爪10夹紧管材11端部，其中楔形外爪10相比楔形内爪4要长，其长出部分在管材11外表面形成外部约束，防止胀形实验时管材11在此处发生胀形影响密封效果。

如图1-图12所示，本发明的管材端部夹持密封夹具用于管材变形性能实验时，按照上述过程组装好夹具并将管材置于楔形内爪4和楔形外爪10之间的环形空隙内，管材11两端各布置的两个端部夹持密封夹具分别通过芯轴1的销钉孔1-2与拉伸设备连接以传递轴向拉力，通过芯轴1上的充液口1-1向管材11充液通道内充入高压介质以向管材11提供内压。

如图8-图12所示，本发明可以完成的胀形实验方式可以为无内部压力整管拉伸、两端固定胀形、拉胀以及压胀四种基本实验方式中的任意一种。采用本实施方式的优点在于可以实现多种不同胀形实验方法，细致研究管材的胀形性能，也可以实现复杂加载路径条件下管材的胀形实验。

Claims (10)

1.一种管材端部夹持密封夹具，其特征在于：它包括芯轴(1)、密封圈(2)、楔形块(3)、托板(6)、旋拧件(7)、弹性元件(8)、外卡圈(9)、N个楔形内爪(4)、N个楔形外爪(10)和N个顶杆(5)；其中N为正整数，且8≥N≥3；芯轴(1)为具有充液通道的芯轴，芯轴(1)的一端为二台阶式结构，芯轴(1)的另一端加工有与充液通道贯通的充液口(1-1)；芯轴(1)的中间段加工有外螺纹；

旋拧件(7)与芯轴(1)的中间段螺纹连接，芯轴(1)上套装有外卡圈(9)，外卡圈(9)与芯轴(1)之间布置有楔形块(3)、N个楔形内爪(4)和N个楔形外爪(10)；楔形块(3)插装在芯轴(1)上，N个楔形内爪(4)和N个楔形外爪(10)分别沿芯轴(1)的周向设置，且楔形内爪(4)和楔形外爪(10)错位布置，N个楔形内爪(4)和N个楔形外爪(10)之间构成一个环形空隙，环形空隙用于插装管材(11)，楔形块(3)的大端底面与芯轴(1)的一阶台面之间安装有密封圈(2)，楔形内爪(4)与楔形块(3)相接触，相接触的两个面一个为楔形内爪(4)的内圆弧面，一个为楔形块(3)上的外圆弧面，楔形外爪(10)与外卡圈(9)相接触，相接触的两个面一个为楔形外爪(10)的外圆弧面，一个为外卡圈(9)上的内圆弧面；

旋拧件(7)与外卡圈(9)之间的芯轴(1)上套装有托板(6)和弹性元件(8)，外卡圈(9)上插装有与楔形外爪(10)一一对应设置的顶杆(5)，顶杆(5)的上端与托板(6)连接，顶杆(5)的下端与楔形外爪(10)的大端底面连接，弹性元件(8)顶靠在托板(6)和外卡圈(9)上。

2.根据权利要求1所述的一种管材端部夹持密封夹具，其特征在于：弹性元件(8)为螺旋弹簧。

3.根据权利要求1或2所述的一种管材端部夹持密封夹具，其特征在于：密封圈(2)为O形密封圈。

4.根据权利要求3所述的一种管材端部夹持密封夹具，其特征在于：楔形内爪(4)和楔形外爪(10)的数量均为5个。

5.根据权利要求3所述的一种管材端部夹持密封夹具，其特征在于：楔形内爪(4)和楔形外爪(10)的数量均为6个。

6.一种管材端部夹持密封夹具，其特征在于：它包括芯轴(1)、密封圈(2)、托板(6)、旋拧件(7)、弹性元件(8)、外卡圈(9)、N个楔形内爪(4)、N个楔形外爪(10)和N个顶杆(5)；其中N为正整数，且8≥N≥3；芯轴(1)为具有充液通道的芯轴，芯轴(1)的一端为锥形结构，芯轴(1)的另一端加工有与充液通道贯通的充液口(1-1)；芯轴(1)的中间段加工有外螺纹；

旋拧件(7)与芯轴(1)的中间段螺纹连接，芯轴(1)上套装有外卡圈(9)，外卡圈(9)内腔与芯轴(1)锥形结构之间布置有N个楔形内爪(4)和N个楔形外爪(10)；N个楔形内爪(4)和N个楔形外爪(10)分别沿芯轴(1)的周向设置，且楔形内爪(4)和楔形外爪(10)错位布置，N个楔形内爪(4)和N个楔形外爪(10)之间构成一个环形空隙，环形空隙用于插装管材(11)，楔形内爪(4)与芯轴(1)锥形结构外弧面相接触的面为圆弧面，楔形外爪(10)与外卡圈(9)相接触，相接触的两个面一个为楔形外爪(10)的外圆弧面，一个为外卡圈(9)上的内圆弧面；芯轴(1)的锥形结构延伸有工形连接部(1-3)，工形连接部(1-3)的凹槽内安装有密封圈(2)；

旋拧件(7)与外卡圈(9)之间的芯轴(1)上套装有托板(6)和弹性元件(8)，外卡圈(9)上插装有与楔形外爪(10)一一对应设置的顶杆(5)，顶杆(5)的上端与托板(6)连接，顶杆(5)的下端与楔形外爪(10)的大端底面连接，弹性元件(8)顶靠在托板(6)和外卡圈(9)上。

7.根据权利要求6所述的一种管材端部夹持密封夹具，其特征在于：弹性元件(8)为螺旋弹簧。

8.根据权利要求6或7所述的一种管材端部夹持密封夹具，其特征在于：密封圈(2)为O形密封圈。

9.根据权利要求8所述的一种管材端部夹持密封夹具，其特征在于：楔形内爪(4)和楔形外爪(10)的数量均为5个。

10.根据权利要求8所述的一种管材端部夹持密封夹具，其特征在于：楔形内爪(4)和楔形外爪(10)的数量均为6个。