平衡式多锥弧形低刚度减振接管的制作方法

本发明涉及一种船舶减振领域，具体的说是一种平衡式多锥弧形低刚度减振接管。

背景技术：

在船舶海水管路系统中，由于振动、冲击及内部压力变化等因素的影响，将引起设备与管路之间的相对位移，严重时会损坏管路系统及设备。与此同时，海水管路将海水泵与船体直接相连，引起管路振动声短路问题，对船舶减振降噪效果造成不利影响。为解决上述两大问题，需要在管路上安装大量减振接管，对管路系统起到位移补偿以及振动隔离的作用。

公告号为cn1265116c、发明名称为《三法兰结构自平衡式挠性接管》的专利提出了一种带三法兰一体化结构接头的减振接管，提供位移补偿能力的同时可保持管体自平衡；公告为cn100572887c、发明名称为《一种有位移补偿能力的平衡式弧形管接头》的专利提出了一种管体经线为单弧形的减振接管，增强了管体的位移补偿能力。上述两种减振接管轴、径向刚度均较大，高达10⁷n/m数量级，不能满足管路系统高减振性能要求。公开号为cn109899604a、发明名称为《多曲面自平衡低刚度橡胶软管》专利申请提出了一种管体由多个相同形状的弧形曲面构成的减振接管，该专利实施方式实例中未对同种通径挠性接管的刚度进行对比，而是用通径dn32双弧形挠性接管与通径dn100单弧形挠性接管进行对比。实际上，小通径挠性接管在相同长度下肯定比大通径挠性接管刚度要低很多，该专利实例不能说明该发明具备低刚度特征。公开号为cn110861320a、发明名称为《带自锁功能组合法兰的对称双曲面体减振接管及制造方法》提出了一种与公开号cn109899604a专利申请内容相似的管体结构，但并未提供试验数据说明该发明具备低刚度特征。随着船舶减振降噪要求不断提升，管路系统工作压力不断提高，其连接用减振接管刚度要求降至10⁶n/m数量级，部分甚至要求达到10⁵n/m数量级，现有减振接管无法满足高工作压力下船舶海水管路高减振降噪设计需求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、平衡性好同时具有较大的位移补偿量以及较低的刚度的平衡式多锥弧形低刚度减振接管。

技术方案包括橡胶管体以及与橡胶管体两端硫化成一体的法兰结构，所述橡胶管体外套有至少一个约束环，所述约束环内径小于橡胶管体最大纬向外径，从而将橡胶管体约束后分为两段及两段以上的子管体，每段子管体的管壁沿经线方向由一段弧形段管壁、及与弧形段管壁相邻且相切的至少一段直线段管壁构成。

靠近法兰结构端的管壁为直线段管壁，靠近约束环端的管壁为直线段管壁或弧形段管壁。

所述子管体的管壁由一段直线段管壁和一段弧形段管壁构成、或者是由两段直线段管壁加位于两段直线段管壁之间的弧形段管壁构成。

所述直线段管壁投影至中轴线的长度与子管体长度之比为0.15～0.85。

所述直线段管壁与中轴线夹角为15～75度。

所述法兰结构由外法兰、中间法兰及压紧法兰硫化成一体，所述橡胶管体由内胶层、骨架层及外胶层硫化成一体，所述内胶层与外法兰硫化成一体，所述外胶层与中间法兰硫化成一体，所述骨架层由帘布在内胶层上交叉螺旋缠绕而成，所述帘布两端环绕中间法兰后由外法兰及压紧法兰夹紧固定。骨架层材料可选用芳纶、聚酯或尼龙。

所述中间法兰内侧与外胶层接触部分为弧形面。

所述压紧法兰对向橡胶管体管壁的一侧为斜面，所述斜面与所述橡胶管体的管壁具有10～60度的夹角。

所述帘布在橡胶管体的内胶层上不同位置处的缠绕角计算公式为：

式中，θ为管体的任意位置处缠绕角，α为该位置处管体经线半径方向与中轴线的夹角，r为该位置与沿经线半径方向至中轴线交点的距离，r为管体两端半径，θ0为管体初始缠绕角。

所述橡胶管体的公称通径为32mm～1250mm。

针对背景技术中提供的问题，发明人作出如下改进：

(1)对被约束环约束后形成的子管体的管壁形状进行了深入的研究，将过去单一的弧形管壁改为由弧形段管壁、及与弧形段管壁相邻且相切的直线段管壁构成，发明人研究发现该直线段管壁会在局部形成一个锥形管。根据各向异性层合壳理论建模计算表明，在承受内压时，管体在经线方向呈一不规则曲线，如图5所示。其中，锥形管体轴向收缩形成负刚度区域，因此相比单纯圆弧形管体可显著低刚度，有利于提升减振接管减振能力。模型优化结果表明，直线段过长将产生更大的剪切应力，使管体耐压强度下降，而直线段过短则负刚度效应不明显，因此优选控制直线段管壁投影至中轴线长度与子管体长度之比为0.15～0.85，直线段管壁与中轴线夹角为15～75度。相比仅有弧形管壁的同尺寸减振接管而言，可显著降低刚度，有利于提升减振接管的减振能力。

(2)对法兰结构进行了进一步改进，一方面使所述中间法兰内侧与外胶层接触部分为弧形面，以降低局部应力，延长管壁的使用寿命；另一方面将所述压紧法兰对向橡胶管体管壁的一侧切削为斜面，使斜面与所述橡胶管体的管壁具有夹角，从而巧妙的实现在管长不变的情况下，减小了直线段管体承压变形后与压紧法兰接触面积，可进一步降低刚度。夹角大小的选取需要考虑到直线段管体承压变形量，优选夹角范围为10～60度。

(3)由于约束环约束后形成的子管体的管壁形状不同于现有技术，因此发明人对帘布在橡胶管体的内胶层上不同位置处的缠绕角计算也进行了优化，通过调整管体骨架层的帘布缠绕角实现减振接管的平衡性，使管体工作压力下轴向长度基本保持不变，避免压力变化对管路系统造成额外变形。

(4)本发明的减振接管具有耐腐蚀、工作压力高、空间占用小、可靠性高、位移补偿量大以及减振能力强的优点，在管内流体压力变化下可保持良好平衡性，不仅可补偿管路系统由于振动冲击、温度压力变化等引起的相对位移，还可抑制机械振动沿管路的传播，可满足船舶狭小空间内对通海管路减振降噪的使用需求。

附图说明

图1：实施例1结构示意图；

图2：实施例1简化数学模型图；

图3：实施例2结构示意图；

图4：实施例2简化数学模型图；

图5：管体承压变形示意图；

图6：法兰结构局部放大图；

图7：橡胶管体剖面图。

其中，1-橡胶管体、2-外法兰、3-中间法兰、4-压紧法兰、5-约束环、6-子管体、7-弧形段管壁、8-直线段管壁、9-内胶层、10-骨架层、11-外胶层、12-弧形面、13-斜面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参见图1，本发明包括橡胶管体1以及与橡胶管体1两端硫化成一体的法兰结构，所述橡胶管体1外套有至少一个约束环5，所述约束环5的内径小于橡胶管体1的最大纬向外径，从而将橡胶管体1约束后分为两段以上的子管体6，每段子管体6的管壁沿经线方向由一段弧形段管壁7、及与弧形段管壁7相邻且相切的至少一段直线段管壁8构成。

优选的，靠近法兰结构端的管壁为直线段管壁8，靠近约束环5端的管壁为直线段管壁8或弧形段管壁7。进一步优选的，所述子管体6的管壁由一段直线段管壁8和一段弧形段管壁7构成、或者是由两段直线段管壁8加位于两段直线段管壁8之间的弧形段管壁7构成。

作为示例，实施例1如图1和图2所示，所述橡胶管体1被一个约束环5分为两段子管体6，每段子管体6的管壁由靠近法兰结构端的直线段管壁8和靠近约束环端5弧形段管壁7构成。

作为另一示例，实施例2如图3和图4所示，所述橡胶管体1被若干个约束环5分为多段子管体6，每段子管体6的管壁由靠近法兰结构端和靠近约束环5端的两段直线段管壁8和位于两段直线段管壁8中间的弧形段管壁7构成。

优选的，所述直线段管壁投影至中轴线的长度子管体长度之比为0.15～0.85。所述直线段管壁与中轴线夹角α为15～75度。

参见图1和图3，所述法兰结构由外法兰2、中间法兰3及压紧法兰4硫化成一体，所述橡胶管体1的管壁由内胶层9、骨架层10及外胶层11硫化成一体，所述内胶层9与外法兰2硫化成一体，所述外胶层11与中间法兰3硫化成一体，所述骨架层10由帘布在内胶层9上交叉螺旋缠绕而成，所述帘布两端环绕中间法兰3后由外法兰2及压紧法兰4夹紧固定。骨架层10材料可选用芳纶、聚酯以或尼龙。所述中间法兰3内侧与外胶层11的接触部分为弧形面12。所述压紧法兰4对向橡胶管体管壁的一侧为斜面13，所述斜面13与所述橡胶管体1的管壁夹角β为10～60度。所述橡胶管体1的公称通径优选为32mm～1250mm。

参见图2图4，所述帘布在橡胶管体1的内胶层9上不同位置处的缠绕角计算公式为：

式中，θ为管体的任意位置处缠绕角，φ为该位置处管体经线半径方向与中轴线的夹角，r为该位置与沿经线半径方向至中轴线交点的距离，r为管体两端半径，θ0为管体初始缠绕角。

本发明实施例1中的平衡式多锥弧形低刚度减振接管，结构参数见表1，对比例1用平衡式弧形管接头(专利cn100572887c)，对比例2用多曲面自平衡低刚度橡胶软管(专利cn109899604a)，对比例1和2的结构参数与表1相同。本发明实施例1与对比例1的刚度试验结果对比见表2及表3，轴向刚度降低率不小于52％，径向刚度降低率不小于77％。

本发明与对比例2的轴向刚度试验结果对比见表4，轴向刚度降低率不小于25％。以上刚度对比结果表明，本发明减振接管具有占用空间小、可靠性强、位移补偿量大以及轴、径向刚度低等特点，可满足未来新型船舶实际使用需求。

表1本发明实例参数

表2通径dn65规格下本发明与对比例1的刚度试验结果对比

表3通径dn125规格下，本发明与对比例1的刚度试验结果对比

表4本发明与对比例2轴向刚度试验结果(10⁶n/m)对比

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