ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК F16J15/32 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнительной технике, и может быть использовано в герметизирующих устройствах гидравлической и газовой аппаратуры, например в гидромашинах, гидроцилиндрах, насосах, газовых компрессорах и т. п.

Известны герметизирующие устройства вращающихся валов, содержащие резиноармированные манжеты с браслетными пружинами на неармированных уплотняющих губках (1). Известно также применение резиновых манжет для уплотнения штоков, совершающих возвратно-поступательное движение (2). Известные устройства обладают существенными недостатками: малой долговечностью при высоких давлениях рабочей среды, прилипанием манжет к металлическим деталям при длительных перерывах в работе, высокими потерями мощности на трение и малым рабочим интервалом температур рабочей среды (от +80 до -30^оС).

Известны герметизирующие устройства, содержащие резиновые кольца круглого сечения, устанавливаемые в канавки штока (вала) или корпуса. Этим уплотнениям присущи все перечисленные выше недостатки, кроме того, в этих устройствах отсутствует компенсация износа [3]
Известны также герметизирующие устройства, содержащие рабочие или защитные кольца из пластмассы-фторопласта и резиновые кольца, устанавливаемые на фторопластовые и поджимающие их к уплотняемой металлической поверхности скольжения [2, 3] При этом кольца из фторопласта выполняют прямоугольного сечения. Названные устройства обладают существенными недостатками, обусловленными конструкцией пластмассовых уплотнительных колец. При прямоугольном сечении колец контакт между сопряженными поверхностями осуществляется по всей цилиндрической поверхности кольца, что приводит к излишнему теплообразованию, а низкая теплопроводность полимера затрудняет отвод тепла из зоны трения, что приводит к чрезмерному повышению температуры, снижению механических и триботехнических свойств полимера и его термодеструкции. В результате возникает повышенный износ полимера и потеря герметичности уплотнения.

Другой недостаток заключается в том, что при прямоугольном сечении пластмассового кольца для создания контактного давления, достаточного для запирания зазора и обеспечения требуемой степени герметичности, необходимо сообщить пластмассовому кольцу очень большие усилия вследствие высокой жесткости конструкции такой формы, что весьма проблематично, если учесть, что модуль упругости резин в 10-30 раз меньше, чем из фторопласта-4. Следовательно, для создания требуемого контактного давления при невысоких значениях давления рабочей жидкости или газа необходимо задавать недопустимо высокую степень деформации резинового кольца или задавать значительный предварительный натяг между фторопластовым кольцом и валом. В обоих случаях практически не компенсируется износ фторопластового кольца и уплотнение быстро выходит из строя вследствие износа уплотняющей поверхности и потери герметичности. Кроме того, при создании значительного предварительного натяга неизбежно повышение температуры в зоне трения выше допустимой.

Известно герметизирующее устройство в виде радиально-торцового уплотнения, содержащего уплотнительное кольцо трапецеидального сечения из упругожесткого материала и упругий элемент, установленные в посадочной канавке (авт. св. N 1460497). К недостаткам данного устройства можно отнести невозможность регулирования контактного давления упругого элемента с целью повышения степени герметичности при низких давлениях рабочей жидкости и компенсации износа уплотнительного кольца, а также ограниченные функциональные одностороннего действия, и при изменении направления действия высокого давления или двухсторонней герметизации потребуется устанавливать два уплотнения вместо одного.

Известно уплотнение поршня [4] содержащее манжету Г-образного сечения, установленную в проточке на поршне, опирающуюся уплотнительным лепестком на распорное эластичное кольцо круглого сечения. Это устройство наиболее близко по своей технической сущности к предлагаемому изобретению, однако ему также присущи недостатки, ограничивающие область его применения, снижающие его надежность и ресурс работы. Эти недостатки заложены в конструкции уплотнения. Из формулы изобретения и фиг. следует, что манжета должна быть выполнена из высокоэластичного материала, иначе ее невозможно будет установить в проточке на поршне. Таким материалом является резина, а она, как известно, отличается плохими антифрикционными свойствами и низкой износостойкостью. Второй существенный недостаток состоит в том, что уплотнение не может иметь устройства для компенсации износа уплотняющей части манжеты, что в сочетании с низкой износостойкостью материала манжеты резко снижает ресурс работы уплотнения. Третий недостаток уплотнения (авт. св. N 1364808) заключается в высокой сложности конструкции, включающей составной поршень с тороидальной внутренней поверхностью канавкой на торце проточки. Наконец, главный недостаток этого устройства состоит в том, что согласно формуле изобретения канавка тороидальной формы под эластичное распорное кольцо, а следовательно, и само кольцо расположены со стороны, противоположной подводу рабочей жидкости под высоким давлением, что подтверждается фиг. При таком расположении распорного кольца относительно уплотнительного лепестка и расположении самого лепестка (со стороны, противоположной подводу высокого давления) увеличение давления жидкости, вызывая увеличение прижатия лепестка манжеты и уплотняемой поверхности, одновременно вызывает равномерное сжатие кольца в направлении центра окружности сечения кольца и уменьшение контактного давления (от начальной деформации кольца) между кольцом и уплотнительным лепестком. По достижении некоторой величины давления жидкости контакт между лепестками и распорным кольцом раскроется и жидкость потечет между кольцом и лепестком в герметизируемую полость. По мере износа лепестка начальное контактное давление от кольца снижается и раскрытие контакта произойдет при более низком давлении. Следовательно, уплотнение (авт. св. N 1364808) не обеспечивает достаточную надежность уплотнения, так как работоспособность уплотнения обеспечена только при определенном и очень строгом соотношении между степенью начальной деформации распорного кольца и уровнем давления рабочей жидкости и резко снижается при износе уплотняющего лепестка.

Задачей изобретения является повышение надежности и долговечности устройства, для чего в герметизирующем устройстве, содержащем уплотнительное кольцо, выполненное из антифрикционного полимерного материала, и элементы, поджимающие кольцо к герметизируемым поверхностям, уплотнительное кольцо снабжено уплотняющими губками с отношением их толщины к длине не более 1:2, а поджимающие элементы содержат кольцо из эластичного материала с диаметром поперечного сечения в пределах 1,5-2,0 длины губок, установленное на герметизируемом валу или в корпусе упором в стенку уплотнительного кольца с одной стороны и в регулировочный элемент с другой, выполненный, например, в виде плоских колец различной толщины, закрепленных от осевого перемещения на валу или в корпусе.

Указанные выше соотношения толщины и длины губок, а также длины губок и диаметра поперечного сечения поджимающего кольца обеспечивают минимизацию усилия, необходимого для деформации губок и их прижатия к герметизируемой поверхности на малом участке уплотняемой поверхности. Минимальная толщина определяется конструктивно-технологическими возможностями: механической жесткостью (модулем упругости) полимерного материала и технологией изготовления кольца. Длина губок должна составлять не менее двух толщин также из соображений минимальной жесткости губок, позволяющей легко их деформировать.

Взаимодействие поджимающих элементов с губками на малой части их длины (примерно 1/4 длины) обеспечивает отсутствие прижатия трех четвертей длины губок к герметизируемой поверхности и, следовательно, исключение трения на большой части длины губок. Это условие реализуется за счет соотношения диаметра поперечного сечения d поджимающих колец и длины l губок: 2l>d>1l, при котором центр сечения поджимающего кольца при упоре в стенку уплотнительного кольца располагается точно на кромке губки или незначительно смещен в сторону высокого давления рабочей жидкости. При таком взаимном расположении поджимающего кольца и кромки уплотняющей губки любое повышение давления рабочей жидкости вызывает увеличение давления на уплотняющую губки через прижимное кольцо и этот контакт не раскрывается, так как увеличение деформации кольца приводит к увеличению площади контакта прижимного кольца с губками и повышению усилия прижима.

Таким образом, в предлагаемой конструкции схема нагружения и деформации уплотняющей губки (губок) принципиально отличается от условий нагружения и деформации в известных конструкциях. Наличие тонкой уплотняющей губки на порядок тоньше основной части кольца, свободной от защемления, позволяет обеспечить контакт между губками кольца и сопряженной металлической поверхностью на незначительной части длины кольца (доли миллиметра) и здесь необходимое контактное давление при малой степени деформации нагружающего элемента, которая легко регулируется и за счет увеличения степени деформации обеспечивает компенсацию износа уплотняющих губок. Изменением контактного давления от нагружающих элементов можно также управлять тепловыделением в зоне трения, задавая его на минимальном уровне, обеспечивающем необходимую степень герметичности, и достигая максимальной износостойкости уплотняющего кольца и долговечности герметизирующего устройства.

На фиг. 1, 2, 3, 4 показана конструкция (варианты исполнения) герметизирующего устройства. Оно содержит корпус 1, уплотнительное кольцо манжету 2, выполненное из антифрикционного полимерного материала, например фторопласта. Кольцо 2 размещено в расточке корпуса 1 и имеет T-образное (фиг. 1, 2, 5) или L-образное (фиг. 3) поперечное сечение за счет выполнения уплотняющих губок, причем отношение толщины h губок к их длине составляет не более 1:2. Элементы, поджимающие кольцо 2 к герметизируемым поверхностям, упираются в стенку уплотнительного кольца 2 и представляют собой кольцо 3 из эластичного материала, например резины, и имеют круглое поперечное сечение с диаметром d= (1,5-2)l, где l длина губок, что обеспечивает расположение центра сечения поджимающего кольца 3 над кромкой губки или с некоторым смещением в сторону высокого давления рабочей жидкости. Для регулирования контактного давления имеются сменные кольца 4, взаимодействующие с поджимающим кольцом 3 со стороны высокого давления и стопорное кольцо 5 для фиксации герметизирующего устройства на валу 6 (фиг. 1) или в корпусе (фиг. 2, 3).

При работающей гидромашине или другой гидроаппаратуре (пневмоаппаратуре) на уплотняющие губки кольца 2 воздействует давление рабочей среды и контактное давление от поджимающих элементов эластичных колец 3. Суммарное давление обеспечивает необходимую степень деформации уплотняющих губок и их плотное прижатие к сопряженной поверхности. Причем при указанных соотношениях между размером поджимающих колец 3 и губок кольца 2 элементы взаимодействуют с уплотняющими губками на участке не более 1/4 их длины, что приводит к исключению трения на 3/4 длины губок и остальной поверхности кольца.

Под воздействием контактного давления полимерный материал в условиях упруго пластического деформирования заполняет микронеровности сопряженной уплотняемой поверхности и обеспечивает надежную герметизацию подвижного соединения. Любое повышение давления рабочей жидкости вызывает увеличение давления на уплотняющую губку через прижимное кольцо 3 и этот контакт не раскрывается, так как увеличение деформации кольца приводит к увеличению площади контакта режимного кольца 3 с губками и повышению усилия прижима.

Первоначально сменные кольца 4 и стопорное кольцо 5 устанавливаются с расчетом обеспечения нормального режима работы в заданных диапазонах рабочих давлений. При незначительном износе уплотняющих губок их контакт с поверхностью вала обеспечивается за счет уменьшения степени упругости деформации поджимающих резиновых колец при некотором снижении величины контактного давления. Этим обеспечивается автоматическая компенсация износа. При увеличении износа в процессе длительной работы уплотнения для поддержания начального контактного давления на заданном уровне увеличивают степень деформации поджимающих колец путем замены регулирующих колец на кольца большей толщины. Таким образом обеспечивается регулирование контактного давления на уплотняющие губки и высокая надежность и долговечность герметизирующего устройства.

Использование: в гидромашинах, гидроцилиндрах, насосах, газовых компрессорах. Сущность: уплотнительное кольцо со стенкой и уплотняющей губкой установлено между подвижным и неподвижным элементами. Кольцо круглого сечения из эластичного материала поджимает уплотнительное кольцо к герметизируемой поверхности. Уплотнительное кольцо выполнено из антифрикционного полимерного материала с отношением толщины губки к ее длине не более 1:2. Поджимающее кольцо выполнено с диаметром поперечного сечения в пределах 1,5-2,0 длины губки и размещено на губке с упором в стенку с одной стороны, с другой стороны установлен регулировочный элемент. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее уплотнительное кольцо со стенкой и уплотняющей губкой, установленное между подвижным и неподвижным элементами устройства, и кольцо круглого сечения из эластичного материала, поджимающее уплотнительное кольцо к герметизируемой поверхности, отличающееся тем, что уплотнительное кольцо выполнено из антифрикционного полимерного материала с соотношением толщины уплотняющей губки и ее длины не более 1:2, а поджимающее кольцо круглого сечения выполнено с диаметром поперечного сечения в пределах 1,5-2,0 длины губки и размещено на уплотняющей губке с упором в стенку уплотнительного кольца с одной стороны, а с другой стороны установлен регулировочный элемент. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что уплотнительное кольцо из антифрикционного полимерного материала с уплотняющей губкой снабжено дополнительной уплотняющей губкой, размещенной симметрично относительно основной, а для поджатия дополнительной уплотняющей губки на ней установлено дополнительное кольцо круглого сечения из эластичного материала с упором в симметричную стенку уплотнительного кольца с одной стороны и регулировочный элемент с другой. 3. Устройство по п.1 и 2, отличающееся тем, что регулировочный элемент выполнен, например, в виде плоских колец, закрепленных на подвижном или неподвижном элементе.