CN114607862A - 一种橡胶膨胀节设计及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种橡胶膨胀节设计及制造方法，该橡胶膨胀节可用于对位移量（压缩、压伸、横向、角度）要求更高的使用环境。本发明使得该橡胶膨胀节具有高位移量，较强抗震能力，防爆性能强等特点。通过橡胶材料的选择可以在环境适应性、可靠性、安全性、保障性、耐腐蚀性等方面具有优越性，可应用于多种环境条件，涵盖化工、核电、潜艇、给水排水、暖通空调、消防、压缩机、造纸、制药、船只、水泵、风机等管道体系。

Description

一种橡胶膨胀节设计及制造方法

技术领域

本发明涉及一种橡胶膨胀节，尤其是涉及一种橡胶膨胀节设计及制造方法，该发明是属于管道连接技术领域。

背景技术

橡胶膨胀节（图1）又称可曲挠橡胶接头、减震喉等。橡胶膨胀节的结构一般是由法兰4和橡胶体（包括内橡胶层1、增强材料帘布层2、外橡胶层3）组成。最早由欧、美、日在20世纪60年代左右研制成功并应用，70年代开始传入我国，在工程项目中起到了良好的吸收位移、降低振动和减噪的效果。国内缺乏系统的设计基础，一般研究主要集中在技术应用，比如选型、安装、试验、应用发展趋势等。随着科学技术和工业的进步和发展，在核电、潜艇、化工等使用场所对橡胶膨胀节性能提出了更高的要求。所要求橡胶膨胀节的位移量、耐压强度、耐高低温特性、使用寿命、抗震能力等都有着显著的提高。

当前橡胶膨胀节一般采用简单的管材耐压设计公式，算出耐压层数，帘布角度也没有一个公开的公式计算，各个厂家通过试验和以往经验的积累来确定。这样成型后的橡胶膨胀节成品帘线角度实际上是不可控的。因此产品的质量一致性并不能很好的保证。只能通过较大的安全倍数来保证质量，同时限制了位移量。随着科学技术和工业的进步和发展，很多地方比如潜艇、核电等需要在有限的橡胶膨胀节安装空间内实现，较大的位移量等。现有的制造方法难以实现。本发明提出了一个计算橡胶膨胀节的具体设计方法及其制造技术。通过该方法可以设计并制造出符合设计要求的橡胶膨胀节，提高橡胶膨胀节的位移量等性能。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服当前限定安装长度橡胶膨胀节位移量较小的现有技术的缺陷，提供一种橡胶膨胀节设计和制造方法，采用本发明使得获得的橡胶膨胀节设计有理论上的支撑，运用该设计方法可以设计出需要的位移量，同时该橡胶膨胀节具有更合理的安全倍数，更好的使用寿命。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

橡胶膨胀节设计方案：

1）设计橡胶膨胀节需要的层数计算公式：

2）橡胶膨胀节爆破压力计算公式：

式中：

—帘布层数；

—设计工作压力，MPa；

—耐压安全系数，（一般取4倍）；

—计算直径，cm；

—单位长度的帘线排列根数，根/cm；

—单根帘线的最低强力，N/根；

—骨架层强力损坏的修正系数，（一般经验取0.8）；

—综合修正系数，（一般经验可取0.8）。

3）帘布成型裁断角度计算

膨胀节管径充压使用前后的膨胀系数一般可以取1.03

拟定成品膨胀节内径为D_成品，机头直径取d_机

第一层帘布到机头的伸张值取δ_机=1.05，内层胶厚d_内。

则第一层帘布长度L₁=D_机×π/δ_机=（d_机+d_内×2）×π/1.05

第一层帘布直径D₁=L₁/π

帘布总伸张δ_总= 第一层帘布内径/ D₁=(D_成品+d内×2)/D₁

成品帘线与轴向角度暂取α=54°，帘线假定伸张值取δ₁=1.02，则帘线的裁断角度计算如下：

α₀=sin^-1(δ₁/δ_总×sinα)

多层帘布计算方法类似。

4）球形部分厚度及充压前后半径计算

球形部分厚度计算如下：

内胶层厚度：d_内

增强层厚度：d_帘×i ,(

—帘布层数)

外胶层厚度：d_外

球形部分总厚度为：d_内+d_帘×i+d_外

膨胀节管径充压前后的膨胀系数ΔD取1.03，则其充压后的直径

D′=ΔD×D=1.03×{D_成品+（d_内+d_帘×i+d_外）×2}

充压后内半径为：D′/2-(d_内+d_帘×i+d_外)

制定实施橡胶膨胀节的制造方法。

1）按设计公式计算出橡胶膨胀节所需的增强材料帘布层数。

2）在专用的设备上，将帘布增强材料按计算出的角度进行剪裁。

3）在专用带充气胶囊成型设备上，按内橡胶层+第一层帘布+第二层帘布…+外橡胶层顺序贴合成型；成型设备胶囊充气定型橡胶膨胀节为需要的半成品尺寸。

充气胶囊的特点是根据计算出的橡胶节半成品的尺寸来设计的。充气后变形符合设计要求。

4）在专用的硫化设备上，对成型后的橡胶膨胀节半成品进行充氮气硫化。

本发明的技术效果在于：

1、本发明采用设计方法兼顾了爆破压力和帘布材料成型过程中帘线角度的变化情况，使得制造出来橡胶膨胀节成品内部帘线角度是可控的，能有效的控制住橡胶膨胀节的位移量，通过帘线角度的合理设计还可以有效延长橡胶膨胀节的使用寿命。

2、本发明设计加工的橡胶膨胀节与以往使用的橡胶膨胀节相比，性能优势具体体现如下：

按本发明设计方法可以有效的计算出橡胶膨胀节的位移量同时设计出合理的帘布裁断角度，避免了以往经验式的加工方法，为橡胶膨胀节的制造加工提供一种计算方法和依据。通过该设计方法和制造技术可以生产出更加符合使用要求的橡胶膨胀节。

附图说明

图1为本发明橡胶膨胀节结构示意图。

具体实施方式

具体实施中，为更清楚说明用橡胶膨胀节规格DN150 PN16 BL150 为例。

详细技术指标

该规格内径为150mm，设计压力1.6MPa，长度为150mm。按常规设计方法，通过查阅标准选型。可以发现150mm的长度实现不了技术标准要求的位移量补偿值。满足位移量的话需要采用双球橡胶膨胀节，可是长度却又远远大于150mm的要求。

采用本发明设计方法解决如下：

一、帘布层数和爆破压力

1.帘布层数计算

根据帘布层数计算公式：

需要帘布层数，

=

= 3.49≈4 （层）

2.爆破压力计算：

=4.59MPa > 1（设计压力）×4倍 = 4MPa

两式中：

—帘布层数；

—设计工作压力，MPa；

—耐压安全系数，（一般取4倍）；

—计算直径，cm；

—单位长度的帘线排列根数，根/cm；

—单根帘线的最低强力，N/根；

—骨架层强力损坏的修正系数，（一般经验取0.8）；

—综合修正系数，（一般经验可取0.8）。

符合使用要求。

二． 膨胀节球形部分计算

1.帘布角度计算

增强层材料采用4层帘布整周撇捺交替叠加而成。

膨胀节管径充压使用前后的膨胀系数取1.03

拟定成品膨胀节内径为230mm，机头直径取150mm

第一层帘布到机头的伸张值取δ_机=1.05，内层胶厚2.0mm。

则第一层帘布长度L₁=D_机×π/δ_机=（150+2.0×2）×π/1.05=460.8（mm）

第一层帘布直径D₁=L₁/π=460.8/π=146.7（mm）

帘布总伸张δ_总= 第一层帘布内径/ D₁=(230+2.0×2)/146.7=1.60

成品帘线与轴向角度暂取α=54°，帘线假定伸张值取δ₁=1.02，则帘线的裁断角度计算如下：

α₀=sin^-1(δ₁/δ_总×sinα)=sin^-1(1.02/1.60×sin54°)=31.7°取32°

2.挠性部分厚度及充压前后各部尺寸计算

挠性部分厚度计算如下：

内胶层厚度：2.0mm

增强层厚度：0.8×4=3.2mm

外胶层厚度：2.5mm

挠性部分总厚度为：2.0+3.2+2.5=7.7mm

膨胀节管径充压前后的膨胀系数ΔD取1.03，则其充压后的直径

D′=ΔD×D=1.03×242=249.3mm

充压后内半径为：249.3/2-7.7=116.95mm

3. 充压后角度、密度、强度计算

将以上数据及汇总如下：

充压压力：P₀=10kg/cm² 充压内半径：Rnk=11.695cm

充压水平轴半径：R_n0=7.5cm 第一层帘布裁断角度：α₀=32°

第一层帘布成品角度：α=54° 基本层帘线密度：i₀₁=8.8根/cm

基本层层数：n₁=4层 单根帘线强力：R_Z=31.36kg/根

假定伸张：δ₁=1.02 帘布总伸张：δ_总=1.6

α_n=sin^-1〔(D′×sinα)/（D×δ₁)〕=sin^-1〔(249.3×sin54°)/（242×1.02)〕=54.72°

i₁=i₀₁×cosα₀/（δ_总×cosα）=8.8×cos32°/（1. 6×cos54°）=7.29（根/cm）

i_{n 1}=i₁×cosα/（δ_n×cosα_n）=7.29×cos54°/（249.3×cos54.72°/242）=7.14（根/cm）

膨胀节球形部分单根帘线所受应力：

N=P₀×（R² _nk-R² _n0）/[2×R_nk×n₁×i_{n 1}×cos²α_n]

=10×（11.6952-7.52）/[2×11.695×4×7.14×cos²54.72°]

=2.83（kg/根）

球形部分帘线的安全倍数：

K=R_Z/N=31.36/2.83=11.08（倍）

帘线强度安全倍数大于4倍要求。

制造方法按如下步骤进行：

1）按设计厚度铺设内橡胶层。

2）成型的设备是带成型气囊的，将检测合格的各层帘布采用本发明方法设计的角度逐层铺设，并充气定型。

3）专用硫化设备是通过硫化胶囊充氮气定型的，将所得橡胶膨胀节半层品放入模具中，模具带硫化胶囊，胶囊中充氮气，加温加压硫化。

4）硫化后，在空气中自然冷却，脱去模具，获得橡胶膨胀节。

采用本发明设计制造的橡胶膨胀节通过有限元方法分析具有更好的位移量，在实际试验和使用中均满足设计要求，同时根据使用的要求可以进行承压能力和使用寿命的提高方面的设计调整。

最后应说明的是：显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种橡胶膨胀节设计方法，其特征在于：所述橡胶膨胀节设计核心是橡胶膨胀节采用压力爆破和对橡胶和帘线采用层合材料理论和平衡轮廓方法设计成型帘布贴合角度，

α₀=sin^-1(δ₁/δ_总×sinα)。

2.如权利要求1所述橡胶膨胀节的制造方法，其特征按如下步骤进行：1）按设计厚度铺设内橡胶层；2）成型的设备是带成型气囊的，将检测合格的各层帘布采用本发明方法设计的角度逐层铺设，并充气定型；3）专用硫化设备是通过硫化胶囊充氮气定型的，将所得橡胶膨胀节半层品放入模具中，模具带硫化胶囊，胶囊中充氮气，加温加压硫化；4）硫化后，在空气中自然冷却，脱去模具，获得橡胶膨胀节。

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