CN115493006B - 利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，公开了一种利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置及方法。该管道装置包括从下至上依次叠加的下层支撑系统、中层预紧用液压缸系统和上层对心夹紧拆卸系统。该管道装置不对原法兰进行改造，在原有的前法兰和后法兰的螺栓连接的基础上，通过在原法兰上增加附属块，再利用固定环的环形槽和左预紧液压缸、右预紧液压缸的向上平行移动，能够稳定实现高超声速风洞高温高压条件下，压力管道的前法兰和后法兰之间的密封连接以及自动对心，还能够实现压力管道的快速拆卸。

Description

利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置及方法
技术领域
本发明属于高超声速风洞试验设备领域，具体涉及一种利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置及方法。
背景技术
压力管道之间的连接通常采用“法兰——螺栓”形式进行紧固，对于承压要求高、密封要求高的压力管道之间的连接，需要沿法兰的周向均布若干组螺栓。
在高超声速风洞试验设备领域，为保证压力管道连接的可靠性、密封性和强度，所需的螺栓预紧力大，螺栓尺寸也大。高超声速风洞试验过程中，需要根据试验内容，不断调整试验马赫数，每更换一次试验马赫数，就需要拆卸若干组螺栓，更换相应的喷管。若干组螺栓的拆卸与安装耗时费力，是制约高超声速风洞试验效率提升的一个非常重要因素。而且，在高超声速风洞的高温高压极端环境的条件，为了满足安全系数，高超声速风洞的管道或喷管较为厚重，在重力作用以及频繁更换的磨损下，支撑设备会出现结构变形，变形后的支撑设备不能够满足同轴度偏差要求，导致在管道或喷管拆卸重装的过程中，支撑设备需要借助千斤顶或其他起重设备进行辅助支撑，实现精调位置，直至满足压力管道之间的同轴度要求，才能进行若干组螺栓的连接。
以上情况，严重制约了高超声速风洞试验效率，为了快速方便的进行压力管道之间的连接与拆卸，亟需发展一种利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置及方法。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种利用管道法兰实现快速对心夹紧的方法，本发明所要解决的再一个技术问题是提供一种利用管道法兰实现快速拆卸的方法。
本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置，其特点是，所述的管道装置包括从下至上依次叠加的下层支撑系统、中层预紧用液压缸系统和上层对心夹紧拆卸系统。
下层支撑系统包括右导向柱、导向杆、底层液压缸、底层支撑架和左导向柱；底层支撑架固定在地面上；左导向柱和右导向柱分别固定在底层支撑架的左右两侧，左导向柱和右导向柱上分别套装竖直的导向杆；底层液压缸固定在底层支撑架的中心；
中层预紧用液压缸系统包括右预紧液压缸、左预紧液压缸、液压缸支撑杆、滑动杆、中层液压缸支撑平台和滑动导向槽；中层液压缸支撑平台固定在底层液压缸的活塞顶面上，中层液压缸支撑平台上表面的左右两端对称固定两个液压缸支撑杆，中层液压缸支撑平台上表面的中段左右对称固定两个支撑座，每个支撑座上设置有竖直的滑动导向槽，左预紧液压缸和右预紧液压缸的缸盖底面均固定滑动杆，左预紧液压缸的滑动杆装卡在左侧的滑动导向槽内，右预紧液压缸的滑动杆装卡在右侧的滑动导向槽内；在工作状态下，左预紧液压缸和右预紧液压缸分别通过滑动杆沿滑动导向槽在竖直方向上下平行移动；在非工作状态下，左预紧液压缸和右预紧液压缸绕滑动杆旋转、左右分开、倾斜放倒在各自对应的液压缸支撑杆上；
上层对心夹紧拆卸系统包括上固定环、附属块、承压管道、压力传感器、上固定环吊耳、液压缸限位台、下固定环和固定脚；上固定环和下固定环均为半圆形环，上固定环和下固定环的左右两端伸出相互对应的U型耳片，U型耳片内开有相互对应的U型槽；不同之处在于，位于上方的上固定环设置了两个左右对称的、用于起吊上固定环的上固定环吊耳，位于下方的下固定环设置了两个与左预紧液压缸和右预紧液压缸的工作状态相对应的、左右对称的液压缸限位台，下固定环与导向杆固定连接，下固定环的U型耳片的下表面固定有压力传感器；附属块为扇形环，每个附属块的侧面设置有两个与法兰的周向通孔相配的固定脚，扇形环的外弧与法兰外沿弧度相同，扇形环的内弧与承压管道弧度相同，附属块的固定脚插入法兰的周向通孔，每个法兰上均布6~12个附属块；附属块的外沿设置有斜面；上固定环和下固定环上开有截面形状为等腰梯形的环行槽，等腰梯形的锐角内角角度大于85°，附属块斜面的倾斜角与固定环的环行槽的等腰梯形截面的锐角相等，等腰梯形的上底边的边长小于前法兰和后法兰的总厚度，等腰梯形的下底边的边长大于前法兰、后法兰和两个附属块的厚度之和，环行槽包络前法兰、后法兰和两个附属块。
本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧的方法，包括以下步骤：
S21.计算管道装置实现预紧时，左预紧液压缸和右预紧液压缸分别需要提供的预紧力，将左侧的压力传感器的感应阈值设置成左预紧液压缸的预紧力，右侧的压力传感器的感应阈值设置成右预紧液压缸的预紧力；
S22.底层液压缸加压，升起下固定环和中层液压缸支撑平台，将下固定环的环行槽推入工作位置，通过上固定环吊耳吊装上固定环进入工作位置，上固定环和下固定环的环行槽包络对应的前法兰、后法兰和两个附属块；
S23.将左预紧液压缸和右预紧液压缸从非工作状态的倾斜位置移动至工作状态的竖直位置，左预紧液压缸和右预紧液压缸的活塞杆插入对应的U型槽，左预紧液压缸和右预紧液压缸分别抵紧对应的液压缸限位台；
S24.同步开启左预紧液压缸和右预紧液压缸，对上固定环和下固定环同时施加预紧力，达到压力传感器的感应阈值后关闭左预紧液压缸和右预紧液压缸，在预紧力的作用下实现承压管道的对心夹紧和密封连接。
本发明的利用管道法兰实现快速拆卸的方法，包括以下步骤：
S31.同步开启左预紧液压缸和右预紧液压缸，左预紧液压缸和右预紧液压缸释放预紧力；
S32.将左预紧液压缸和右预紧液压缸从工作状态的竖直位置倾斜放倒在各自对应的液压缸支撑杆上；
S33.释放底层液压缸压力，降低下固定环和中层液压缸支撑平台，通过上固定环吊耳吊走上固定环。
本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置，是通过如下三个部分实现的，其一：上层对心夹紧拆卸系统；其二：中层预紧用液压缸系统；其三：下层支撑系统。
对于上层对心夹紧拆卸系统：主要部件是固定环与附属块：固定环分为上固定环和下固定环，上固定环和下固定环均为半圆形环、总体结构相同；不同之处在于，位于上方的上固定环设置了两个左右对称的、用于起吊上固定环的吊环，位于下方的下固定环设置了两个左右对称的液压缸限位台，液压缸限位台用于左预紧液压缸和右预紧液压缸的竖直工作位限位，下固定环与导向杆固定连接，导向杆用于引导下固定环沿Y方向移动，限制其他自由度。附属块为扇形环，每个附属块的侧面设置有两个与法兰的周向通孔相配的固定脚，扇形环的外弧与法兰外沿弧度相同，扇形环的内弧与承压管道弧度相同，附属块的固定脚插入法兰的周向通孔，附属块与法兰通过接触面紧密贴合，每个法兰通常贴合6至12块附属块，附属块将法兰的平板结构修正为具有一定倾斜角的斜面结构。固定环上开有截面形状为等腰梯形的环行槽，等腰梯形的锐角内角角度大于85°，附属块的倾斜角与固定环的环行槽的等腰梯形截面的锐角相等，等腰梯形的上底边的边长小于前法兰和后法兰的总厚度，等腰梯形的下底边的边长大于前法兰、后法兰和两个附属块的厚度之和，环行槽能够包络前法兰、后法兰和两个附属块。在左预紧液压缸和右预紧液压缸的预紧力作用下，固定环向内收缩，挤压附属块，夹紧的前法兰和后法兰，并同时实现前法兰和后法兰的自动对心。
对于中层预紧用液压缸系统：包括左预紧液压缸、右预紧液压缸和中层液压缸支撑平台。左预紧液压缸、右预紧液压缸对称分布在固定环的两侧，通过滑动导向槽连接在中层液压缸支撑平台上；工作状态下，左预紧液压缸、右预紧液压缸在竖直方向上下平行移动，向上运动时为固定环提供预紧力，不牵引带动中层液压缸支撑平台上下平行移动；在非工作状态下，左预紧液压缸、右预紧液压缸分开左右、倾斜放倒在各自对应的液压缸支撑杆上。
对于下层支撑系统：底层液压缸顶紧中层液压缸支撑平台，为中层预紧用液压缸系统提供支撑。
本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置不对原法兰进行改造，在原有的前法兰和后法兰的螺栓连接的基础上，通过在原法兰上增加附属块，再利用固定环的环形槽和左预紧液压缸、右预紧液压缸的向上平行移动，能够稳定实现高超声速风洞高温高压条件下，压力管道的前法兰和后法兰之间的密封连接以及自动对心，还能够实现压力管道的快速拆卸。
附图说明
图1为本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置的工作状态示意图（对心夹紧状态）；
图2为本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置的工作状态示意图（拆卸状态）；
图3为本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置中的上固定环示意图（主视图）；
图4为本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置中的上固定环示意图（A-A剖面图）；
图5为本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置中的下固定环示意图（主视图）；
图6为本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置中的下固定环示意图（B-B剖面图）；
图7为本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置中的下固定环示意图（俯视图）；
图8为本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置中的附属块示意图（主视图）；
图9为本发明的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置中的附属块示意图（侧视图）。
图中，1.上固定环；2.附属块；3.承压管道；4.压力传感器；5.上固定环吊耳；6.液压缸限位台；7.下固定环；8.右预紧液压缸；9.左预紧液压缸；10.液压缸支撑杆；11.滑动杆；12.中层液压缸支撑平台；13.滑动导向槽；14.右导向柱；15.导向杆；16.底层液压缸；17.底层支撑架；18.左导向柱；19.固定脚。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
如图1~图9所示，本实施例的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置，其特点是，所述的管道装置包括从下至上依次叠加的下层支撑系统、中层预紧用液压缸系统和上层对心夹紧拆卸系统。
下层支撑系统包括右导向柱14、导向杆15、底层液压缸16、底层支撑架17和左导向柱18；底层支撑架17固定在地面上；左导向柱18和右导向柱14分别固定在底层支撑架17的左右两侧，左导向柱18和右导向柱14上分别套装竖直的导向杆15；底层液压缸16固定在底层支撑架17的中心；
中层预紧用液压缸系统包括右预紧液压缸8、左预紧液压缸9、液压缸支撑杆10、滑动杆11、中层液压缸支撑平台12和滑动导向槽13；中层液压缸支撑平台12固定在底层液压缸16的活塞顶面上，中层液压缸支撑平台12上表面的左右两端对称固定两个液压缸支撑杆10，中层液压缸支撑平台12上表面的中段左右对称固定两个支撑座，每个支撑座上设置有竖直的滑动导向槽13，左预紧液压缸9和右预紧液压缸8的缸盖底面均固定滑动杆11，左预紧液压缸9的滑动杆11装卡在左侧的滑动导向槽13内，右预紧液压缸8的滑动杆11装卡在右侧的滑动导向槽13内；在工作状态下，左预紧液压缸9和右预紧液压缸8分别通过滑动杆11沿滑动导向槽13在竖直方向上下平行移动；在非工作状态下，左预紧液压缸9和右预紧液压缸8绕滑动杆11旋转、左右分开、倾斜放倒在各自对应的液压缸支撑杆10上；
上层对心夹紧拆卸系统包括上固定环1、附属块2、承压管道3、压力传感器4、上固定环吊耳5、液压缸限位台6、下固定环7和固定脚19；上固定环1和下固定环7均为半圆形环，上固定环1和下固定环7的左右两端伸出相互对应的U型耳片，U型耳片内开有相互对应的U型槽；不同之处在于，位于上方的上固定环1设置了两个左右对称的、用于起吊上固定环1的上固定环吊耳5，位于下方的下固定环7设置了两个与左预紧液压缸9和右预紧液压缸8的工作状态相对应的、左右对称的液压缸限位台6，下固定环7与导向杆15固定连接，下固定环7的U型耳片的下表面固定有压力传感器4；附属块2为扇形环，每个附属块2的侧面设置有两个与法兰的周向通孔相配的固定脚19，扇形环的外弧与法兰外沿弧度相同，扇形环的内弧与承压管道3弧度相同，附属块2的固定脚19插入法兰的周向通孔，每个法兰上均布6~12个附属块2；附属块2的外沿设置有斜面；上固定环1和下固定环7上开有截面形状为等腰梯形的环行槽，等腰梯形的锐角内角角度大于85°，附属块2斜面的倾斜角与固定环的环行槽的等腰梯形截面的锐角相等，等腰梯形的上底边的边长小于前法兰和后法兰的总厚度，等腰梯形的下底边的边长大于前法兰、后法兰和两个附属块2的厚度之和，环行槽包络前法兰、后法兰和两个附属块2。
本实施例的利用管道法兰实现快速对心夹紧的方法，包括以下步骤：
S21.计算管道装置实现预紧时，左预紧液压缸9和右预紧液压缸8分别需要提供的预紧力，将左侧的压力传感器4的感应阈值设置成左预紧液压缸9的预紧力，右侧的压力传感器4的感应阈值设置成右预紧液压缸8的预紧力；
S22.底层液压缸16加压，升起下固定环7和中层液压缸支撑平台12，将下固定环7的环行槽推入工作位置，通过上固定环吊耳5吊装上固定环1进入工作位置，上固定环1和下固定环7的环行槽包络对应的前法兰、后法兰和两个附属块2；
S23.将左预紧液压缸9和右预紧液压缸8从非工作状态的倾斜位置移动至工作状态的竖直位置，左预紧液压缸9和右预紧液压缸8的活塞杆插入对应的U型槽，左预紧液压缸9和右预紧液压缸8分别抵紧对应的液压缸限位台6；
S24.同步开启左预紧液压缸9和右预紧液压缸8，对上固定环1和下固定环7同时施加预紧力，达到压力传感器4的感应阈值后关闭左预紧液压缸9和右预紧液压缸8，在预紧力的作用下实现承压管道3的对心夹紧和密封连接。
本实施例的利用管道法兰实现快速拆卸的方法，包括以下步骤：
S31.同步开启左预紧液压缸9和右预紧液压缸8，左预紧液压缸9和右预紧液压缸8释放预紧力；
S32.将左预紧液压缸9和右预紧液压缸8从工作状态的竖直位置倾斜放倒在各自对应的液压缸支撑杆10上；
S33.释放底层液压缸16压力，降低下固定环7和中层液压缸支撑平台12，通过上固定环吊耳5吊走上固定环1。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置，其特征在于，所述的管道装置包括从下至上依次叠加的下层支撑系统、中层预紧用液压缸系统和上层对心夹紧拆卸系统；
下层支撑系统包括右导向柱（14）、导向杆（15）、底层液压缸（16）、底层支撑架（17）和左导向柱（18）；底层支撑架（17）固定在地面上；左导向柱（18）和右导向柱（14）分别固定在底层支撑架（17）的左右两侧，左导向柱（18）和右导向柱（14）上分别套装竖直的导向杆（15）；底层液压缸（16）固定在底层支撑架（17）的中心；
中层预紧用液压缸系统包括右预紧液压缸（8）、左预紧液压缸（9）、液压缸支撑杆（10）、滑动杆（11）、中层液压缸支撑平台（12）和滑动导向槽（13）；中层液压缸支撑平台（12）固定在底层液压缸（16）的活塞顶面上，中层液压缸支撑平台（12）上表面的左右两端对称固定两个液压缸支撑杆（10），中层液压缸支撑平台（12）上表面的中段左右对称固定两个支撑座，每个支撑座上设置有竖直的滑动导向槽（13），左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8）的缸盖底面均固定滑动杆（11），左预紧液压缸（9）的滑动杆（11）装卡在左侧的滑动导向槽（13）内，右预紧液压缸（8）的滑动杆（11）装卡在右侧的滑动导向槽（13）内；在工作状态下，左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8）分别通过滑动杆（11）沿滑动导向槽（13）在竖直方向上下平行移动；在非工作状态下，左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8）绕滑动杆（11）旋转、左右分开、倾斜放倒在各自对应的液压缸支撑杆（10）上；
上层对心夹紧拆卸系统包括上固定环（1）、附属块（2）、承压管道（3）、压力传感器（4）、上固定环吊耳（5）、液压缸限位台（6）、下固定环（7）和固定脚（19）；上固定环（1）和下固定环（7）均为半圆形环，上固定环（1）和下固定环（7）的左右两端伸出相互对应的U型耳片，U型耳片内开有相互对应的U型槽；不同之处在于，位于上方的上固定环（1）设置了两个左右对称的、用于起吊上固定环（1）的上固定环吊耳（5），位于下方的下固定环（7）设置了两个与左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8）的工作状态相对应的、左右对称的液压缸限位台（6），下固定环（7）与导向杆（15）固定连接，下固定环（7）的U型耳片的下表面固定有压力传感器（4）；附属块（2）为扇形环，每个附属块（2）的侧面设置有两个与法兰的周向通孔相配的固定脚（19），扇形环的外弧与法兰外沿弧度相同，扇形环的内弧与承压管道（3）弧度相同，附属块（2）的固定脚（19）插入法兰的周向通孔，每个法兰上均布6~12个附属块（2）；附属块（2）的外沿设置有斜面；上固定环（1）和下固定环（7）上开有截面形状为等腰梯形的环形槽，等腰梯形的锐角内角角度大于85°，附属块（2）斜面的倾斜角与固定环的环形槽的等腰梯形截面的锐角相等，等腰梯形的上底边的边长小于前法兰和后法兰的总厚度，等腰梯形的下底边的边长大于前法兰、后法兰和两个附属块（2）的厚度之和，环形槽包络前法兰、后法兰和两个附属块（2）。
2.一种利用管道法兰实现快速对心夹紧的方法，根据权利要求1所述的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置，其特征在于，包括以下步骤：
S21.计算管道装置实现预紧时，左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8）分别需要提供的预紧力，将左侧的压力传感器（4）的感应阈值设置成左预紧液压缸（9）的预紧力，右侧的压力传感器（4）的感应阈值设置成右预紧液压缸（8）的预紧力；
S22.底层液压缸（16）加压，升起下固定环（7）和中层液压缸支撑平台（12），将下固定环（7）的环形槽推入工作位置，通过上固定环吊耳（5）吊装上固定环（1）进入工作位置，上固定环（1）和下固定环（7）的环形槽包络对应的前法兰、后法兰和两个附属块（2）；
S23.将左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8）从非工作状态的倾斜位置移动至工作状态的竖直位置，左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8）的活塞杆插入对应的U型槽，左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8）分别抵紧对应的液压缸限位台（6）；
S24.同步开启左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8），对上固定环（1）和下固定环（7）同时施加预紧力，达到压力传感器（4）的感应阈值后关闭左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8），在预紧力的作用下实现承压管道（3）的对心夹紧和密封连接。
3.一种利用管道法兰实现快速拆卸的方法，根据权利要求1所述的利用管道法兰实现快速对心夹紧和拆卸的管道装置，其特征在于，包括以下步骤：
S31.同步开启左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8），左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8）释放预紧力；
S32.将左预紧液压缸（9）和右预紧液压缸（8）从工作状态的竖直位置倾斜放倒在各自对应的液压缸支撑杆（10）上；
S33.释放底层液压缸（16）压力，降低下固定环（7）和中层液压缸支撑平台（12），通过上固定环吊耳（5）吊走上固定环（1）。
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