CN210600583U - 一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管 - Google Patents

Abstract

一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管，弧形挠性管体两端分别与法兰接头连接；弧形挠性管体的两端具有不同的通径尺寸，其弧形面相对于弧形挠性管体的中心轴呈轴对称的、锥形的、弧形面，法兰接头的通径尺寸与连接端的弧形挠性管体的通径尺寸相匹配；弧形挠性管体为沿径向向外拱的单一弧形管体，弧形管体的圆弧半径与弧形管体的圆弧弦长相等，弧形管体两端与所述法兰接头圆弧过渡；弧形挠性管体由内向外依次包括内胶层、骨架层、外胶层；所述内胶层、外胶层为橡胶层；法兰接头采用三法兰一体式法兰接头结构，与弧形挠性管体硫化成型为一体；本实用新型可用于管路的变径挠性连接，具有良好的大位移补偿能力和减振抗冲击能力。

Description

一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管

技术领域

本实用新型涉及一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管，是一种采用帘线缠绕方式成型，具有两端不同通径，并具有大位移补偿能力的弧形橡胶挠性接管，属于管道连接件技术领域，主要用于具有异径连接需求且通径为DN40以上的中、低压管路系统。

背景技术

在石油、化工、船舶等各类工业领域中，液压、气压等管路在热胀冷缩、振动冲击等因素的作用下，会产生相应的力和位移，因此在管路系统中大量采用橡胶挠性接管，起到减振降噪、抗冲击、位移补偿和传递介质的作用，在设计和使用中，需要考虑管体耐压强度、位移补偿能力、减振降噪能力等性能，同时还需要考虑挠性接管规格尺寸、产品重量和接头安全可靠性等因素。

另外，在管路系统中，常会有两段管路之间或管路与设备接口之间通径有差异的情形，需要通过具有异径结构的接管实现过渡连接。在中、低压管路系统中，很多设备的安装空间较小，通常在这种情况下多采用异径结构的单(/双)球体可屈挠橡胶接头产品(见图1)，或者采用综合性能较好的两端对称弧形的弧形挠性接管产品再外接异径金属过渡接头(见图 2)。在传统技术领域里，上述两种产品结构在制造和应用中各有优劣，分析如下：

1)异径单(/双)球体可屈挠橡胶接头：制造工艺简单，一般采用尼龙或聚酯帘子布包覆后充气成型，法兰可自由旋转，便于安装，具有一定的位移补偿能力和减振性能，但其平衡性差，安全系数低，密封面易产生蠕变、老化导致失效，法兰在内压作用下存在拔脱风险，增加了产品性能的不稳定性。该类产品一般使用寿命约2～3年；

2)弧形挠性接管外接异径金属过渡接头：接头具有优异的抗拔脱性、密封性，挠性接管位移补偿能力和减振性能高，平衡性良好，安全系数高，但外接异径金属过渡接头会引起管路系统流体紊流，影响其减振效果，并会产生额外的噪声；

3)如在现有的弧形挠性接管基础上，采用通常的“帘布包覆+充气成型”的工艺，很难实现异径结构的弧形挠性接管可靠的管体成型过程。

随着技术的发展和需求的提高，在各领域的管路系统中，为保证异径连接位置的挠性接管的安全可靠性和综合力学性能，需要采取可靠有效的结构和成型工艺，实现其减振降噪能力、抗冲击能力、位移补偿能力以及安全可靠性，同时尽可能避免流体紊流的产生。

发明内容

本实用新型目的在于克服传统挠性接管的不足，提供一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管，利用缠绕设备，采用帘线缠绕方式进行管体成型，并采用“三法兰一体式”或“扣压式”接头结构，实现挠性接管的高耐压强度、大位移补偿、接头抗拔脱、密封性、安全可靠性及异径连接需求，有效解决管路异径连接中的流体紊流效应的技术问题，达到良好的力学状态。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管，包括弧形挠性管体、及其两端的法兰接头；所述弧形挠性管体两端分别与所述法兰接头连接；所述弧形挠性管体的两端具有不同的通径尺寸，所述弧形挠性管体的弧形面相对于所述弧形挠性管体的中心轴呈轴对称的、锥形的、弧形面，所述法兰接头的通径尺寸与连接端的所述弧形挠性管体的通径尺寸相匹配；所述弧形挠性管体为沿径向向外拱起的单一弧形管体，所述弧形管体的圆弧半径与所述弧形管体的圆弧弦长相等，所述弧形管体两端与所述法兰接头以圆弧平滑过渡；所述弧形挠性管体由内向外依次包括内胶层1、骨架层2、外胶层3；所述内胶层1、外胶层3为橡胶层；所述骨架层2采用浸胶芳纶帘线缠绕成型；所述法兰接头4采用三法兰一体式法兰接头结构，与弧形挠性管体硫化成型为一体；或者所述法兰接头4采用扣压式结构，与硫化成型的弧形挠性管体扣压总成为一体。

所述弧形管体的圆弧弦长L的确定，是以预定的所述弧形挠性管体长度在所述中心轴O-0 上先确定两端不同通径的轴心位置a1、a2，在该两个轴心位置按预定的不同通径确定弧形管体的圆弧两端的两个端点，在同一侧该两个端点b1、b2的连线为所述弧形的弦，该两个端点的连线距离即是所述圆弧弦长L；所述弧形挠性管体的弧形确定，是按所述弦长L等于圆弧半径R及所述弦的两个端点b1、b2为所述圆弧上的点来确定所述弧形管体的弧形S；所述弧形挠性管体的确定，是所述弧形S围绕所述中心轴O-O回转360°得到。

优选，所述法兰接头4采用刚性密封面法兰结构。

优选，所述缠绕层数为偶数层，交叉设置各层帘线，缠绕角度为37°。

优选，所述骨架层材料选取选用1100dtex/1×2规格芳纶帘线，进行浸胶处理，所述芳纶帘线平均密度9.2根/cm～13根/cm。

优选，所述三法兰一体式结构是由将所述骨架层2翻起反包于中间法兰面，并用内、外法兰压紧，以三层法兰构成一端法兰接头，并通过硫化工艺与管体成型为一体。

优选，所述扣压式结构是将硫化完成的管体直管段外部两端安装套筒，内部插入装有法兰的芯管，通过扣压工艺将套筒牢固扣压在管体外部，使法兰接头与管体总成为一体。

本实用新型的主要技术方案是以异径管体弧形体结构设计及缠绕工艺的可行性为前提，并充分考虑产品的使用要求和性能要求，以结构设计、工艺设计为重点进行挠性接管的设计和优化，主要包括以下几方面内容：

1)管体材料设计：充分考虑使用环境因素、耐介质要求、与骨架材料的粘合要求、与接头金属材料的粘合要求以及抗老化、抗疲劳、气密性等技术条件，选用适当的橡胶配方，以达到良好的环境适应性和良好的力学性能；

2)骨架材料设计：为实现良好的减振效果，达到高耐压强度和低刚度的综合性能，并兼顾缠绕工艺需求，采用浸胶芳纶帘线作为管体骨架增强层材料，利用芳纶所具有的超高强度、高模量、耐高温、耐酸、耐碱、重量轻以及良好的绝缘性和抗老化性等性能特点，通过选用有效的浸胶配方和工艺，实现芳纶与橡胶材料的良好结合，使管体可以获得良好的力学性能；

3)管体结构设计：根据管路异径连接安装需求，通过综合考虑力学性能要求，开展理论分析和建模分析，设计并优化弧形管体结构，通过对骨架材料力学分析、包覆角度设计、缠绕工艺研究，实现特殊的弧形管体成型，使挠性接管获得良好的振动噪声阻隔性能和大位移补偿能力；

4)管体成型工艺设计：异径弧形管体为轴向两端非对称结构，由于管体两端直径不同，管体中部直径最大，如采用传统的帘布包覆+充气成型的方式，对于帘布的角度、形状、线密度都有很高要求，且充气过程帘布变形情况复杂，质量难以控制，故在该设计中，不再采用此成型方式，而利用缠绕设备的回转缠绕功能，以帘线缠绕的方式进行管体缠绕成型，通过对缠绕角度、缠绕密度、缠绕层数等参数进行分析计算和设置，以有效的工艺保证管体的各项力学性能符合要求；

5)接头结构设计：选用同类产品中所采用的三法兰一体式法兰结构或扣压式法兰结构，根据结构尺寸进行适应性设计，通过合理的工艺，使管体与法兰接头实现可靠的总成连接，在保证管体达到理想的力学状态同时，使接头具备优良的抗拔脱性和密封性，从而达到挠性接管最优化的结构设计。

在挠性接管设计中，管体结构设计和成型工艺设计是重点，由于管体具有特殊的两端非对称弧形结构，管体骨架层缠绕理论与直管相比要复杂得多，不仅与帘线的捻度、拉伸模量及断裂应变有关，还与弧形异径管体本身的结构特点有关。

本设计采用芳纶帘线作为骨架材料，以1100dtex/1×2规格芳纶连线为例，其主要性能参数如下：

项目	性能指标
		扯断伸长率％	≤5.0
定负荷伸长率(200N)％	≤3.0
		扯断强力/N	≥280
H抽出值/N	≥100

以两端通径分别为DN125和DN100、工作压力1.0MPa、采用三法兰一体式接头的挠性接管为例，对设计过程分析如下：

1)管体骨架层缠绕设计分析

挠性接管橡胶管体由管体内壁的内胶层、浸胶的骨架层及管体外部的外胶层构成，骨架层由芳纶帘线缠绕而成，起到管体耐压和保证平衡性的作用，其中骨架层的力学性能和缠绕密度关系到管体的耐压强度，骨架层缠绕角关系到挠性接管的平衡性。

2)弧形体结构设计

弧形挠性接管管体部分是挠性接管的主体部分，不仅承担着传递介质和压力的作用，还对挠性接管的耐压、位移补偿、平衡性等性能起着决定性作用。而针对弧形体的结构，其合理的设计和优化，可以使挠性接管具有良好的减振降噪作用，并能有效降低变径管路中流体紊流、流动分离、空化及流动转捩等现象，衰减流体流噪声。

通过流体流场噪声分析、流体力学计算分析(模拟分析云图见图4(a)(b)验证，在流场噪声分析图(图4(a))中，颜色的变化代表流体压力的变化，从图中可见，管体结构尺寸的合理设计，可以使管体内压力传递较为一致，从而减少流体紊流现象的发生；在流体力学分析图中，颜色的变化代表管体自然工作状态下不同位置压力的变化，从图4(b)中可见，管体结构尺寸的合理设计，可以使管体承压层受力较为均匀，避免压力突变引起管体失效。据此我们得出合理的弧形体结构设计方案，根据两端通径尺寸以及挠性接管长度尺寸，按照“弧形体半径＝弧形体弦长”的设计方案确定弧形体结构尺寸(如图5所示，R＝L)并已经得到图4(a)(b)试验结果的验证，图弧形段与两端不同通径的直管部分采用圆弧过渡。在实际设计中，可以根据弧形段长度的不同，以上述思路进行设计。通过流体模拟分析和试验测试，采用该结构尺寸的挠性接管可以有效衰减管路系统的振动传递，降低流体紊流等现象。

3)帘线缠绕管体分析计算

a)帘线相关参数设置

帘线相关结构参数的设置如下：

帘线参数	数值
		直径/mm	0.55
间距/mm	0.8
		弹性模量/GPa	33.882
泊松比	0.3

b)帘线缠绕角设置

如图6所示，在管体轴向剖面内建立坐标系，规定帘线与x轴正方向的夹角为帘线缠绕角а。

c)管体模型简化

如图7所示，忽略原先管体两端的法兰部分，只保留弧形管体部分，用两个直径分别是 125mm和100mm的刚性盖板代替打压封堵，将管体模型进行简化以便于计算。挠性接管弧形管体计算方式为：所述弧形管体的圆弧半径与所述弧形管体的圆弧弦长相等。

d)帘线层模型建立

根据帘线层的分布位置，建立各帘线层的几何模型，交叉设置各层帘线如图8所示。

e)帘线缠绕角的确定

为了确定帘线的最佳缠绕角度，需要计算在额定工作压力下帘线缠绕角取不同值时管体的最大轴向变形量，然后将管体轴向变形量最小时的帘线角度确定为帘线的最佳缠绕角度。在计算时将管体一端固定，另一端处于自由状态，在管体内腔施加压力为P＝1MPa的载荷，帘线缠绕角变化范围为30°～45°间隔1°，分别计算管体的轴向变形量。管体内部充压示意图如图9所示，管体轴向变形量计算结果见下表。

通过分析上表中的数据可知，该管体帘线的最佳缠绕角为37°。为了验证该结论的正确性，将管体内的压力逐渐增大到P＝3MPa，计算帘线缠绕角为37°时不同压力载荷下管体的轴向变形量，计算结果如下。

压力载荷/MPa	管体轴向变形量/mm
		1.0	-0.14
2.0	-0.15
		3.0	-0.15

通过上表可以看出，当帘线的缠绕角为37°时，管体在3倍工作压力下仍能保持良好的平衡性，因此帘线的最佳缠绕角为37°。

f)耐压强度计算

由于管体内压几乎全部由骨架层承受，所以其研究对象就是芳纶帘线，为此首先建立芳纶帘线轨迹模型，然后进行受力分析。采用弧形管体的形式，首先用Abaqus进行建模分析，当管体受到充压时(如图9)，拟研制的挠性接管受力模型图如图10所示。

当管体受到压力时，其中间部分帘线受力最大。由此可知，中间部分是管体受力最大的地方，也是管体最薄弱的地方，所以做挠性接管可靠性分析时，主要针对其弧形部分进行理论计算。

计算管体的爆破压力时，将管体一端固定，另一端处于自由状态，在管体内腔施加压力为P的载荷，P从3MPa开始逐渐增大，在每个压力载荷下按照图11所示的路径读取管体不同位置处单根帘线上的力，当该力的最大值超过帘线的拉断强度时，便认为帘线被拉断，此时的压力值便是管体的爆破压力。

经过计算，不同压力载荷下，单根帘线上的力沿该路径的分布如图12所示。

参考相关资料，弹性模量E＝33.882GP泊松比σ＝0.3的帘线拉断强度在260N～300N之间，对比图12可知，管体的爆破压力约为12MPa，远高于爆破压力≥3.0MPa的性能指标要求。

4)骨架层缠绕工艺设计

骨架层缠绕层属需要根据挠性接管公称通径、工作压力等条件进行设计，缠绕工艺需要保证管体成型完好、线形整齐、过渡平滑、各条帘线受力均匀。

为实现所述异径弧形管体的缠绕过程，首先需要根据挠性接管结构尺寸设计相应的成型模具，可与缠绕设备稳定连接和准确缠绕。由于帘线缠绕式异径弧形挠性接管采用帘线缠绕成型，不同于以往等径挠性接管的帘布包覆充气成型的工艺，无可借鉴之处，故需根据挠性接管结构和工艺以及与缠绕设备连接结构尺寸进行成型模具的设计，设计的成型模具示意图见图13。该成型模具由两段直管段以及中间的弧形段构成，模具一端用法兰与设备连接，模具直管段用于成型挠性接管两端不同通径的接口段，弧形段用于成型挠性接管中间弧形管体。模具的弧形段尺寸与挠性接管弧形管体的尺寸匹配。

根据挠性接管结构尺寸和计算分析结论，结合模具结构和尺寸，设计橡胶层包覆工艺尺寸，以及帘线缠绕角度、间距、修正系数等参数，输入缠绕设备使帘线可以准确缠绕。帘线缠绕过程示意图见图14。

按照设计的缠绕层数进行异径弧形挠性接管管体橡胶层的包覆和帘线骨架层的缠绕，实现了异径弧形管体的成型过程，将成型的管体与金属法兰总成为一体，采用硫化工艺获得具有既定性能指标要求的挠性接管产品。

本实用新型效果：

按照上述结构设计和工艺设计，用于本实用新型所述具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管采用了芳纶作为骨架材料且管体具有异径、弧形结构，与法兰接头总成后可以使具有以下性能特点：

1)具有弧形管体两端异径结构，可用于管路系统变径连接；

2)重量轻，耐压强度高；

3)结构优化，材料性能优，挠性接管具有良好的减振降噪能力，可以有效解决变径管路中的流体紊流问题。

经分析计算，本实用新型所述具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管可以用于DN40通径以上的中、低压管路系统的挠性接管的设计和制造。

附图说明

图1为传统技术可屈挠橡胶接头产品示意图，(a)、(b)为传统单球体结构，(c)为传统双球体结构。

图2为传统技术弧形两端对称的弧形挠性接管产品外接异径金属过渡接头连接示意图。

图3本实用新型的异径弧形体挠性接管示意图，(a)为本实用新型的“三法兰一体式”接头结构，(b)为本实用新型的“扣压式”接头结构。

图4(a)为本实用新型流场噪声分析图(b)为本实用新型流体压力分析图。

图5为本实用新型弧形体结构尺寸示意图。

图6为本实用新型管体分析坐标系。

图7(a)为本实用新型“三法兰一体式”接头结构的异径弧形体挠性接管示意图，(b) 为本实用新型为管体分析简化模型。

图8为本实用新型各层帘线排布示意图，(a)为第1层帘线，(b)为第2层帘线，(c)为第3层帘线，(d)为第4层帘线。

图9为本实用新型管体内部充压示意图。

图10为本实用新型挠性接管受力模型图。

图11为本实用新型挠性接管压力载荷与受力位置示意图。

图12为本实用新型单根帘线上的力沿路径的分布示意图。

图13为本实用新型设计的成型模具示意图。

图14为缠绕过程示意图。

图15为本实用新型局部剖视图，

图16为本实用新型局部剖视图及尺寸示意图。

附图编号说明：内胶层1、骨架层2、外胶层3、法兰接头4。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

以下实施例仅是为清楚说明本实用新型所作的举例，而并非对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在下述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，而这些属于本实用新型精神所引出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

参见图3、7、15、16所示，一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管，包括弧形挠性管体、及其两端的法兰接头；所述弧形挠性管体两端分别与所述法兰接头连接；其特征在于：所述弧形挠性管体的两端具有不同的通径尺寸，所述弧形挠性管体的弧形面相对于所述弧形挠性管体的中心轴呈轴对称的、锥形的、弧形面，所述法兰接头的通径尺寸与连接端的所述弧形挠性管体的通径尺寸相匹配；所述弧形挠性管体为沿径向向外拱起的单一弧形管体，所述弧形管体的圆弧半径与所述弧形管体的圆弧弦长相等，所述弧形管体两端与所述法兰接头以圆弧平滑过渡；所述弧形挠性管体由内向外依次包括内胶层1、骨架层2、外胶层3；所述内胶层1、外胶层3为橡胶层；所述骨架层2采用浸胶芳纶帘线缠绕成型；所述法兰接头4采用三法兰一体式法兰接头结构，与弧形挠性管体硫化成型为一体；或者所述法兰接头4采用扣压式结构，与硫化成型的弧形挠性管体扣压总成为一体。

参见图5所示，所述弧形管体的圆弧弦长L的确定，是以预定的所述弧形挠性管体长度在所述中心轴O-0上先确定两端不同通径的轴心位置a1、a2，在该两个轴心位置按预定的不同通径确定弧形管体的圆弧两端的两个端点，在同一侧该两个端点b1、b2的连线为所述弧形的弦，该两个端点的连线距离即是所述圆弧弦长L；所述弧形挠性管体的弧形确定，是按所述弦长L等于圆弧半径R及所述弦的两个端点b1、b2为所述圆弧上的点来确定所述弧形管体的弧形S；所述弧形挠性管体的确定，是所述弧形S围绕所述中心轴O-O回转360°得到。

所述法兰接头4采用刚性密封面法兰结构。

参见图8所示，所述缠绕层数为偶数层，交叉设置各层帘线，缠绕角度为37°。

所述骨架层材料选取选用1100dtex/1×2规格芳纶帘线，进行浸胶处理，所述芳纶帘线平均密度9.2根/cm～13根/cm。

参见图3(a)所述三法兰一体式结构是由将所述骨架层2翻起反包于中间法兰面，并用内、外法兰压紧，以三层法兰构成一端法兰接头，并通过硫化工艺与管体成型为一体。

参见图3(b)所述扣压式结构是将硫化完成的管体直管段外部两端安装套筒，内部插入装有法兰的芯管，通过扣压工艺将套筒牢固扣压在管体外部，使法兰接头与管体总成为一体。

以下进一步解释本实用新型技术方案：

本实用新型采用帘线缠绕方式成型的、两端具有不同通径的弧形管体挠性接管，可用于管路的变径挠性连接，具有良好的大位移补偿能力和减振抗冲击能力。该发明主要由异径管体和金属法兰接头两部分组成，管体是以橡胶为主体材料、帘线为骨架材料的弧形体结构，管体采用缠绕设备以帘线缠绕方式成型，采用“三法兰一体式”或“扣压式”总成方式，将金属接头与管体充分压合，实现良好的抗拔脱性能；管体骨架增强材料选用高性能芳纶帘线，具有高强度、高模量、重量轻、抗疲劳等性能特点，可以实现挠性接管管体的高耐压强度、低刚度、耐疲劳性，保证挠性接管具有优良的力学性能和可靠性能；管体通过异径缠绕工艺过程在缠绕设备上实现弧形管体结构，具有良好的减振降噪、抗冲击、大位移补偿性能；法兰密封面采用刚性密封，具有密封性好和可靠性高等特点。本实用新型所涉及结构适用于 DN40通径以上，安装空间较小的中、低压管路系统的异径挠性接管的设计和制造。

实施举例

按照设计方案设计并试制挠性接管，分析其结构可行性和性能可靠性。

挠性接管两端通径分别为DN125和DN100，工作压力1.0MPa，工作介质水，接口尺寸按照CB/T 4196标准设计，接头结构为三法兰一体式接头，总成长度280mm，安全系数满足3倍以上，用于船舶管路系统中的变径连接。

按照上述要求，挠性接管设计过程如下：

1)为保证挠性接管管体材料具备相应的环境适应性，内、外胶层选用对海水和大气环境具有良好适应性的氯丁橡胶作为主体材料设计配方，主要物理性能如下：

a)硬度：65±5°；

b)拉伸强度≥13MPa；

c)扯断伸长率≥400％；

d)300％定伸强度≥6MPa；

e)阻燃性能：有焰燃烧和无焰燃烧时间之和小于30s；

2)选用1100dtex/1×2规格芳纶帘线作为骨架材料，其物理性能如下：

a)扯断强力≥280N/根；

b)与胶料粘合强度(H抽出)≥110N/cm；

3)根据总成尺寸和法兰接头厚度，按照上述结构设计方案设计管体结构尺寸，除去法兰厚度尺寸，弧形体与法兰连接处切点距离L＝161mm，故按照R＝L的设计方案，弧形体半径为R＝161mm，据此可计算出所述弧形体以所述弧形挠性管体中心轴为中心的骨架层最大直径约为Φ165mm，尺寸示意图见图16；

3)耐压强度分析计算：

根据设计要求，确定挠性接管管体骨架材料增强层为4层交叉缠绕结构，管体骨架材料选取高强度擦胶芳纶帘布，芳纶帘线平均密度9.2根/cm。

a)内胶层

内胶层厚度预定为3mm；

b)骨架层

骨架层材料选取选用1100dtex/1×2规格芳纶帘线，进行浸胶处理，预定缠绕角为37°，缠绕密度为约为9.2根/cm。

c)外胶层

外胶层厚度预定为4.0mm；

d)耐压强度验证

在图6所示弧形管体上取微元进行受力分析，取单侧进行分析，δm与δn分别为曲面微元的轴向应力与周向应力，得微元的轴向向力为：

微元的周向向力为：

由上两式可以看出，当x＝0时，微元的轴向应力与周向应力最大，即知挠性接管最大直径的圆周上微元所受的轴向应力与周向应力最大，分析挠性接管的耐压性能即可简化为分析管体中央圆周的耐压性能。

在对球形挠性软管受压时的骨架层受力进行分析之前，先作如下假设：

i)球形挠性软管内压力载荷为骨架层承受；

ii)对管体来说，骨架层相对比较薄，看作薄壳；

iii)骨架层上的帘线缠绕按照平衡角缠绕。

取骨架单元如图9所示。

分别将轴向力f₁和环向力f₂计算到单根帘线的受力，得

其中，m₀为θ＝0处(管体最大直径处)的缠绕密度，α₀为θ＝0处的缠绕角，α_θ为θ处的缠绕角。

由计算可知，帘线最大受力处在θ＝0处，即在管体正中间。当帘线按照平衡角缠绕时，由环向力和轴向力计算所得的帘线受力完全一致，这也充分说明了管体的受力完全作用在帘线上。

管体中央圆周微元可以看作是长度为dx直管段，其耐压性能可利用直管耐压强度计算公式进行计算：

公式中：P_B—胶管耐压强度，Kgf/cm²；

K_B—帘布强度，Kgf/cm；

∑n—帘子布的帘线总根数；

D_计—计算直径，cm；

C—综合修正系数,取值范围参见下表。

缠绕层数，i	C值
		2	0.85～0.95
4	0.75～0.85
		6	0.65～0.75

经计算，该挠性接管耐压强度为12.0MPa。

可见，该挠性接管耐压强度大于3.0MPa，达到3倍以上安全系数，满足耐压强度及可靠性设计要求。

按照上述设计方案设计挠性接管结构，并根据结构尺寸及前述模具设计方法设计加工成型模具，在缠绕设备上制造挠性接管，完成后对试制样件进行可靠性试验，结果如下：

1)对挠性接管内部注水充压至额定工作压力，保压15min，管体无异常，接头状态良好；

2)对挠性接管充压至2倍额定工作压力，保压30min，管体无异常，接头状态良好；

3)脉冲试验前，对挠性接管持续充压，至12.6MPa管体爆破，爆破后接头保持完好；脉冲试验后，对挠性接管进行爆破试验，至7.4MPa管体爆破，爆破后接头保持完好；

4)对挠性接管以周期50～60次/min，0～1.5倍额定工作压力进行压力脉冲试验，20万次脉冲试验后挠性接管无异常；

5)对挠性接管内部注水充压至额定工作压力，一端固定，另一端以24mm轴向位移、20mm径向位移进行拉伸、压缩，各进行20次极限位移补偿试验后挠性接管无异常；

6)对挠性接管内部注水充压至额定工作压力，一端固定，另一端以12mm轴向位移、10mm径向位移进行拉伸、压缩，各进行1500次拉压、剪切疲劳试验后挠性接管无异常；

7)采用插入损失试验检验挠性接管的减振性能，结果显示挠性接管在额定工作压力下插入损失值达10dB以上。

通过试验测试对本实用新型所述具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管进行可靠性验证，该结构挠性接管在受到极限拉伸、压缩、剪切，以及各方向冲击位移、内部压力脉冲等各种工况下，均能保证良好的物理机械性能，并且表现出良好的减振性能，完全满足常规挠性接管性能要求。

综上所述，本实用新型所述具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管具有结构合理、制造工艺简单、力学性能良好等优点，具有极高的安全可靠性，且其重量轻，尺寸小，可满足小空间的挠性接管安装需求，具有良好的减振、降噪、抗冲击、位移补偿等性能，可有效解决变径管路中流体紊流问题，适用于各领域挠性接管的设计和加工制造。

Claims (7)

1.一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管，包括弧形挠性管体、及其两端的法兰接头；所述弧形挠性管体两端分别与所述法兰接头连接；其特征在于：所述弧形挠性管体的两端具有不同的通径尺寸，所述弧形挠性管体的弧形面相对于所述弧形挠性管体的中心轴呈轴对称的、锥形的、弧形面，所述法兰接头的通径尺寸与连接端的所述弧形挠性管体的通径尺寸相匹配；所述弧形挠性管体为沿径向向外拱起的单一弧形管体，所述弧形管体的圆弧半径与所述弧形管体的圆弧弦长相等，所述弧形管体两端与所述法兰接头以圆弧平滑过渡；所述弧形挠性管体由内向外依次包括内胶层(1)、骨架层(2)、外胶层(3)；所述内胶层(1)、外胶层(3)为橡胶层；所述骨架层(2)采用浸胶芳纶帘线缠绕成型；所述法兰接头(4)采用三法兰一体式法兰接头结构，与弧形挠性管体硫化成型为一体；或者所述法兰接头(4)采用扣压式结构，与硫化成型的弧形挠性管体扣压总成为一体。

2.根据权利要求1所述的一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管，其特征在于，所述弧形管体的圆弧弦长L的确定，是以预定的所述弧形挠性管体长度在所述中心轴O-0上先确定两端不同通径的轴心位置a1、a2，在该两个轴心位置按预定的不同通径确定弧形管体的圆弧两端的两个端点，在同一侧该两个端点b1、b2的连线为所述弧形的弦，该两个端点的连线距离即是所述圆弧弦长L；所述弧形挠性管体的弧形确定，是按所述弦长L等于圆弧半径R及所述弦的两个端点b1、b2为所述圆弧上的点来确定所述弧形管体的弧形S；所述弧形挠性管体的确定，是所述弧形S围绕所述中心轴O-O回转360°得到。

3.根据权利要求1所述的一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管，其特征在于，所述法兰接头(4)采用刚性密封面法兰结构。

4.根据权利要求1所述的一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管，其特征在于，所述缠绕层数为偶数层，交叉设置各层帘线，缠绕角度为37°。

5.根据权利要求1所述的一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管，其特征在于，所述骨架层材料选取选用1100dtex/1×2规格芳纶帘线，进行浸胶处理，所述芳纶帘线平均密度9.2根/cm～13根/cm。

6.根据权利要求1所述的一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管，其特征在于，所述三法兰一体式结构是由将所述骨架层(2)翻起反包于中间法兰面，并用内、外法兰压紧，以三层法兰构成一端法兰接头，并通过硫化工艺与管体成型为一体。

7.根据权利要求1所述的一种具有大位移补偿能力的帘线缠绕式异径弧形挠性接管，其特征在于，所述扣压式结构是将硫化完成的管体直管段外部两端安装套筒，内部插入装有法兰的芯管，通过扣压工艺将套筒牢固扣压在管体外部，使法兰接头与管体总成为一体。

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