КОМБИНИРОВАННОЕ УПЛОТНЕНИЕ ШТОКА Российский патент 2001 года по МПК F16J15/16 

Изобретение относится к уплотнительной техники и может быть использовано для уплотнения штоков гидроцилиндров, поршневых насосов, штоков станков-качалок в нефтедобывающей отрасли и в других областях техники, где требуются герметичные надежные уплотнения с большим ресурсом работы, особенно при перекачке жидкостей с механическими загрязнениями: песок, ил, глина и т.п. Ресурс работы обычных резиновых уплотнений в таких случаях невелик из-за недостаточной стойкости резины к износу, раздиру, значительного коэффициента трения резины о металл, особенно в режиме сухого и полусухого трения и невысокой механической прочности резины. Целью данного изобретения является повышение ресурса работы уплотнения путем замены уплотняющего контакта "резина-металл" на контакт "антифрикционный материал-металл", где в качестве антифрикционного материала применены фторполимерные композиции, обладающие незначительным коэффициентом трения о металл, достаточной механической прочностью, значительной износостойкостью и способностью снимать загрязнения с поверхности металла, тем самым препятствуя попаданию их в контакт за счет меньшей, чем у резины, эластичности и наличию постоянно возобновляемой кромки детали из фторполимера при трении ее о металл.

1. В технике известно комбинированные уплотнения, например уплотнение штока гидроцилиндра, где под уплотняющую резиновую деталь, например кольцо круглого сечения, монтируется неразрезное кольцо из фторопласта, имеющее сечение "П-образной" формы и контактирующее с поверхностью штока. Недостатком этого уплотнения является то, что стенки фторопластового кольца должны быть достаточно тонкими, чтобы обеспечить необходимую податливость кольца в радиальном направлении под воздействием детали из резины для обеспечения компенсации радиального износа фторопластового кольца, что в конечном итоге ограничивает желаемую величину ресурса работы уплотнения. Попытки увеличить ресурс работы за счет увеличения толщины стенок фторопластового кольца ведут к снижению податливости кольца в радиальном направлении и к снижению возможности компенсировать износ фторопластового кольца под воздействием резиновой детали.

Другим недостатком является то, что уплотнение, будучи раз и навсегда до конца ресурса установлено, не обладает возможностью восстанавливать его уплотняющую способность в случае значительного износа фторопластового кольца как ручным способом, так и автоматически.

2. Известно комбинированное уплотнение СССР, а/с N 1408144, A1, F 16 J 15/16, устанавливаемое в паз между перемещаемыми относительно друг друга деталями, содержащее эластичные /одно или два/ кольца и малофрикционное кольцо, установленное между эластичными кольцами и уплотняемой поверхностью и выполненное из полосы, имеющее с одного конца обратный клин, а с другого - обратный клиновой паз, и являющиеся элементами замка, запирающего полосу в кольцо, при этом торцовые поверхности торца полосы затылованы.

Недостатком этого уплотнения /см. фиг. 1'/ является то, что по мере износа клиновой паз 1'/см. фиг. 2'/ малофрикционного кольца 2' под воздействием клина 3' раздвигается, угол клиновидности паза 1' уменьшается и не совпадает с углом клина 3', контакт клина 3' со стенками паза 1' будет уже не по поверхности, а по линии, что является, как известно, предпосылкой нарушения герметичности.

Другим недостатком уплотнения является то, что по мере износа "полоски" 4' образующие клиновой паз 1' малофрикционного кольца 2' под воздействием эластичных колец 5' начинают разворачиваться вокруг своей продольной оси, имевший место линейный контакт клина 3' со сторонами паза 1' нарушается, образуются каналы 6' между клином 3' и сторонами паза 1', что приводит к разгерметизации уплотнения. Это происходит следующим образом: известно, что сечение эластичных колец 5' подбирают с таким расчетом, чтобы при установке их в паз 7' под малофрикционное кольцо 2' оставался свободный объем в пазе 7' для компенсации набухания эластичных колец 5'. Наличие свободного объема позволяет давлению уплотняемой среды согнать их в одну сторону паза 7' и при этом сформировать форму сечения колец 5' из круглой в близкую к прямоугольной. Характер распределения удельного давления колец 5' на полоски 4' малофрикционного кольца 2' по ширине будет определяться эпюрой 8' распределения удельного давления кольца 5' обуславливаемой наличием упругости материала кольца 5' при деформации сечения круглой формы в сечение прямоугольной формы, что описывается в курсе "Сопротивление материалов". Результирующие давления колец 5' на "полоски" 4' как видно из фиг. 1', смещены от центра "полосок" 4' и поэтому износ "полосок" 4' по ширине будет неравномерным, вследствие чего "полоски" 4' под воздействием колец 5' будут по мере износа поворачиваться вокруг своих продольных осей, что приведет к образованию каналов 6' между клином 3' и сторонами клинового паза 1' и нарушению герметичности уплотнения. То же самое происходит в случае установки под малофрикционное кольцо 2' одного эластичного кольца 5'. Кроме того в данном уплотнении не предусмотрена возможность восстановления его герметичности при значительном износе малофрикционного кольца 2' ни ручным, ни автоматическим способами. Данное уплотнение принято за прототип.

Технической задачей изобретения является повышение надежности и ресурса работы комбинированного уплотнения штока при перекачке жидкостей с механическими загрязнениями: песок, ил, глина и т.п.

Техническая задача решается за счет того, что между корпусом и штоком установлены один за другим два эластичных, например из резины, кольца, имеющие в сечении плоскую прямоугольную форму, фланец для крепления и оснащенные каждое двумя внутренними глухими цилиндрическими выточками, разделенными стенкой, и малофрикционные кольца из полос в выточках же, обращенных в сторону уплотняемой полости, размещены вплотную друг к другу и стенкам выточки, посаженные на шток с натягом два или три скрепера в виде разрезных колец из антифрикционного износостойкого металла, например бронзы, причем разрезы каждого кольца смещены по кругу на 180^o относительно разреза другого кольца, а в других выточках размещены вплотную друг к другу и к стенкам выточки посаженные на шток по два малофрикционных кольца из полос, закольцованных с помощью замка типа "прямоугольные шип-паз вдоль полосы" и повернутые относительно друг друга по кругу замками на 180^o, при этом эластичное кольцо, переднее по отношению к уплотняемой полости, находится в самой полости и не контактирует внешней поверхностью с корпусом, заднее эластичное кольцо плотно посажено внешней поверхностью в цилиндрическую выточку втулки корпусной, крепящей фланец переднего кольца в корпусе, и поджато вдоль оси грунд-буксой резьбовой.

Так как поставленная задача решается признаками, которые в совокупности отличают заявленное решение от прототипа и не выявлены в других технических решениях, то можно сделать вывод, что предложенное решение соответствует критериям изобретения "новизна" и "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где изображены общий вид и сечения уплотнения. На фиг. 1 - общий вид, фиг. 2 - сечение А-А, фиг. 3 сечение Б-Б, фиг. 4 сечение В-В.

Уплотнение содержит корпус 1, в котором с помощью шпилек 2 и гаек 3 установлена в выточку 4 корпуса 1 втулка корпусная 5, в выточку 6 втулки корпусной 5 посажен с помощью тех же шпилек 2 и гаек 3 фланец резьбовой 7, сопрягающийся с грунд-буксой резьбовой 8. В проточке 9 корпуса 1 с гарантированным зазором по радиусу установлено эластичное кольцо 10, переднее по отношению к уплотняемой полости 11. В выточке конической 12 втулки корпусной 5 зажат с натягом фланец 13 эластичного кольца 10, что обеспечивает необходимую герметизацию уплотняемой полости 11. В выточке цилиндрической 14 втулки, корпусной 5 с натягом посажено заднее, по отношению к полости 11, эластичное кольцо 15, фланец 16 которого плотно зажат в выточке 6 втулки корпусной 5 шайбой 17, фланцем резьбовым 7 и грунд-буксой резьбовой 8. В каждом из эластичных колец 10 и 15 имеются цилиндрические выточки: передняя по отношению к полости 11 выточка 18 и задняя 19, разделенные стенкой 20. В передних выточках 18 эластичных колец 10, 15 установлены вплотную друг к другу и стенкам выточки 18 два или три скрепера 21, посаженых с натягом на шток 22 и выполненных в виде колец из бронзы, разрезанных и развернутых относительно друг-друга лысками 23 на 180^o. В выточках 19 установлены вплотную друг к другу по два, для надежности, малофрикционные кольца 24, выполненные из полос 25, закольцованных замком типа "прямоугольные шип 26 - паз 27 вдоль полосы 25". Материалом колец 24 выбраны фторполимерные композиции. Кольца 24 поджаты вдоль оси уплотнения друг к другу и стенке 20 кольцами разделительными 28 из антифрикционного и износостойкого металла типа бронзы, посаженными плотно в выточки 19 эластичных колец 10, 15 с незначительным зазором на шток 22 и подпертыми в одном случае дном в выточку коническую 12 втулки корпусной 5 и в другом через шайбу 17 грунд-буксой резьбовой 8. Кольца 24 развернуты относительно друг друга по кругу замками типа "прямоугольные шип 26 - паз 27 вдоль полосы 25" на 180^o. Кольца 24 и в том числе полоски 29, образующие паз 27, вплотную друг к другу и равномерно по ширине прижаты к штоку 22 за счет сил упругости эластичных колец 10, 15 и за счет того, что кольца 10, 15 имеют сечение прямоугольной формы.

Уплотнение работает следующим образом
За счет сил упругости переднего эластичного кольца 10 скреперы 21, посаженные и так с натягом на шток 22, и малофрикционные кольца 24 плотно прижаты по радиусу к штоку 22, между собою и к стенкам выточек 18 и 19 кольца 10 вдоль оси уплотнения. Замок типа "прямоугольные шип 26 - паз 27 вдоль полосы 25" колец 24 при этом также сжат и герметичен. Этот, так называемый "монтажный" натяг обеспечивает начальную предварительную герметизацию уплотняемой полости 11 комплексом: кольцо 10, скреперы 21, кольца 24. При движении штока 22 из полости 11, в ней, например в случае поршневого насоса, создается давление рабочей среды, которое, воздействуя на внешнюю поверхность кольца 10 по радиусу и вдоль оси, увеличивает прижатие скреперов 21 и колец 24 друг к другу, к штоку 22, к стенкам выточек 18 в 19 плотнее сжимая замок "прямоугольные шип 26 - паз 27 вдоль полосы 25", увеличивая тем самым степень герметизации полости 11. Скреперы 21 снимают с поверхности штока 22 загрязнения, препятствуя их проникновению в уплотнения. При обратном движении штока 22 в полости 11 создается разряжение, которое, воздействуя на внешнюю поверхность кольца 10, снижает прижатие скреперов 21, колец 24 по радиусу к штоку 22 и вдоль оси друг к другу и стенкам выточек 18 и 19, снижая тем самым износ и откачивая из-под кольца 10, скреперов 21 и колец 24 остатки рабочей среды, а вместе с нею загрязнения, которые гипотетически могли бы проникнуть туда при прямом ходе штока 22. Износ скреперов 21 и колец 24 компенсируется как за счет сил упругости кольца 10, так и автоматически за счет давления рабочей среды на внешнюю поверхность эластичного кольца 10. Комплекс: переднее эластичное кольцо 10, скреперы 21, малофрикционные кольца 24 создают передний барьер уплотнения на пути проникновения рабочей среды и загрязнений из полости 11 в уплотнение, эффективно очищают поверхность штока 22 от загрязнений и защищают комплекс: заднее эластичное кольцо 15, скреперы 21 и кольца 24 от загрязнения и проникновения рабочей среды. Комплекс: заднее эластичное кольцо 15, скреперы 21, малофрикционные кольца 24 окончательно обеспечивают герметичность полости 11, задерживая остатки рабочей среды и загрязнений, которые гипотетически могли бы проникнуть через передний барьер уплотнения, причем скреперы 21 защищают малофрикционные кольца 24 от проникновения остатков загрязнений, проникших через передний барьер. Прижатие скреперов 21, колец 24 к стенкам выточек 18 и 19, друг к другу, поверхности штока 22, сжатие и герметичность замка "прямоугольные шип 26 - паз 27 вдоль полосы 25" обеспечивается упругостью заднего эластичного кольца 15, а также за счет сжатия кольца 15 вдоль оси грунд-буксой резьбовой 8, тем самым обеспечивается герметичность уплотнения. Компенсация износа скреперов 21 и колец 24 осуществляется за счет упругости кольца 15 и за счет поджатия его вручную грунд-буксой 8. Поскольку полоски 29, образующие паз 27, прижаты к поверхности штока 22 цилиндрической поверхностью колец 10, 15, то они изнашиваются равномерно по ширине и не имеют тенденции к развороту вокруг своей продольной оси, нарушающему герметичность замка "прямоугольные шип 26 - паз 27 вдоль полосы 25", как это имеет место в прототипе. Также то обстоятельство, что шип 26 и паз 27 прямоугольной формы, поэтому контакт шипа 26 и полосок 29 паза 27 осуществляется по поверхности, что способствует лучшей герметизации замка "прямоугольные шип 26 - паз 27 вдоль полосы 25", в противоположность прототипу, где контакт аналогичных деталей осуществляется по линии.

Данное изобретение при его внедрении в практику позволит эффективно уплотнять шток при перекачке жидкостей с механическими загрязнениями типа песок, ил, глина.

Литература
SU а.с. N 1408144 A1 F 16 J 15/16.

Комбинированное уплотнение штока предназначено для уплотнения штоков при перекачке жидкостей с механическими загрязнениями типа: песок, ил, глина и т. п. Уплотнение устанавливается между корпусом и штоком и содержит два установленных друг за другом эластичных кольца, прямоугольных по форме в сечении и имеющих по две глухие внутренние цилиндрические выточки и фланцы для крепления. В выточках, ближайших к уплотняемой полости, плотно смонтированы по два или три разрезных скрепера в виде разрезных колец, прямоугольных по форме в сечении, посаженных с натягом на шток, а разрезы соседних колец сдвинуты по кругу на 180° относительно друг друга. Кольца изготовлены из антифрикционного, износостойкого упругого металла. В других выточках расположены по два малофрикционных кольца из полос из фторполимера, закольцованных с помощью замка типа шип-паз и посаженных на шток. Замки колец смещены по кругу относительно друг друга на 180°. Переднее, по отношению к уплотняемой полости, эластичное кольцо находится в самой полости и не контактирует внешней цилиндрической поверхностью с корпусом, заднее же эластичное кольцо плотно посажено внешней цилиндрической поверхностью во втулку корпуса, крепящую фланец переднего эластичного кольца в корпусе, и поджато вдоль оси грунд-буксой резьбовой. Изобретение повышает надежность и ресурс работы уплотнения. 4 ил.

Комбинированное уплотнение штока, устанавливаемое между корпусом и штоком, перемещающимися относительно друг друга, содержащее два эластичных кольца, установленных один за другим, и малофрикционных кольца, выполненных из фторполимерных композиций, отличающееся тем, что эластичные кольца имеют в сечении прямоугольную форму, фланец для крепления и оснащены каждое двумя глухими внутренними цилиндрическими выточками, разделенными стенкой, и в выточках, ближайших к уплотняемой полости, смонтированы вплотную к друг другу и стенкам выточек два или три скрепера в виде разрезных колец с сечением прямоугольной формы из упругого, антифрикционного, износостойкого металла, посаженных с натягом на шток, причем разрез каждого кольца смещен по кругу на 180^o относительно разреза другого кольца, а в других выточках размещены вплотную к друг другу и к стенкам выточек по два малофрикционных кольца, посаженных на шток, изготовленных из полос, закольцованных с помощью замка типа "прямоугольные шип-паз вдоль полосы", и повернутых относительно друг друга по кругу замками на 180^o, при этом эластичное кольцо, переднее по отношению к уплотняемой полости, находится в самой полости и не контактирует внешней цилиндрической поверхностью с корпусом, заднее же эластичное кольцо плотно посажено внешней цилиндрической поверхностью во втулку, установленную в корпус и крепящую фланец переднего эластичного кольца в корпусе, и поджато вдоль оси грунд-буксой резьбовой.