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

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для уплотнения поршней гидроцилиндров, поршневых насосов в тех 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 и 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 полимера при трении ее о металл.

1. В технике известны 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 ведет 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, имеющей с одного конца обратный клин, а с другого - обратный клиновой паз, 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 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 способом. Данное уплотнение принято за прототип. Технической задачей изобретения является повышение надежности и ресурса работы комбинированного уплотнения поршня при перекачке жидкостей с механическими загрязнениями: песок, ил, глина и т.п.

Техническая задача решается за счет того, что между цилиндром и корпусом поршня установлены два эластичных, например, из резины, прямоугольных по форме в сечении кольца, посаженных на корпус, и два малофрикционных кольца, установленных на эластичные кольца, сопрягающиеся с уплотняемой поверхностью цилиндра, выполненные из полосы, материалом которой служат антифрикционные, упругие, износостойкие фторполимерные композиции в виде набора из нескольких секторов, соединенных между собою замками типа "прямоугольные шип-паз вдоль полосы", в котором шип посажен в паз с нулевым зазором, причем ширина малофрикционных колец меньше ширины эластичных колец, которые посажены на цилиндрическую поверхность корпуса поршня с антифрикционным покрытием и со свойством не сливаться с материалом эластичного кольца и разделены между собою опорной втулкой из антифрикционного металла, посаженной на корпус поршня с возможностью перемещения вдоль оси, при этом весь пакет-кольца и втулка зажаты с небольшим натягом на корпусе поршня между его фланцем и прижимной гайкой. Так как поставленная задача решается признаками, которые в совокупности отличают заявленное решение от прототипа и не выявлены в других 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, на фиг. 2 - сечение А-А, на фиг. 3 - сечение Б-Б.

Уплотнение содержит корпус поршня 1, цилиндрическая поверхность 2 которого имеет антифрикционное покрытие, обладающее, кроме того, свойством не слипаться с резиной. На корпусе 1 посажены два эластичных, например из резины, кольца 3 прямоугольной формы в сечении, разделенные между собой опорной втулкой 4, изготовленной из антифрикционного металла, посаженной на корпус 1 с возможностью перемещения вдоль оси и опирающейся на цилиндр 5. На эластичные кольца 3 установлены малофрикционные кольца 6, выполненные из полосы 7, материалом которой служат антифрикционные, износостойкие, упругие фторполимерные композиции в виде набора из нескольких секторов 8, соединенных между собою замком типа "прямоугольные шип 9-паз 10 вдоль полосы" 7, причем шип 9 посажен в паз 10, образованный полосками 11 с нулевым зазором. Ширина малофрикционного кольца 6 на две величины зазора 12 меньше ширины эластичного кольца 3. Корпус поршня 1 посажен на шток 13 с натягом на его коническую поверхность 14 и зафиксирован прижимной гайкой 15, навернутой на резьбу 16 штока 13. Кольца 3 и втулка 4 зажаты с предварительным незначительным натягом на корпусе 1 между его фланцем 17 и прижимной гайкой 15, при этом за счет упругости материала эластичных колец 3 натяг преобразуется в давление прижима эластичного кольца 3 к поверхности 2 корпуса поршня 1 и малофрикционному кольцу 6, которое в свою очередь прижимается к цилиндру 5 и тем самым обеспечивается предварительная начальная герметичность уплотнения. Полоски 11 замка типа "прямоугольные шип 9-паз 10 вдоль волосы" 7 малофрикционного кольца 6 прижимаются к цилиндру 5 плотно и равномерно по ширине.

Уплотнение работает следующим образом:
При движении штока 13 в любую сторону корпус поршня 1 увлекает за собой эластичные кольца 3, опорную втулку 4 и малофрикционные кольца 6, при этом давление перекачиваемой среды во второй части полости цилиндра 5, куда направлено движение штока 13, воздействуя на эластичное кольцо 3 и малофрикционное кольцо 6 - передние по ходу движения, на опорную втулку 4, а также сила трения переднего малофрикционного кольца 6 и опорной втулки 4 о поверхность цилиндра 5 создают в сумме усилие, сжимающее эластичное кольцо 3, заднее по ходу движения штока 13, при этом суммарному усилию препятствует незначительное по сравнению с ним сила трения переднего эластичного кольца 6 о поверхность 2 корпуса поршня 1 с антифрикционным покрытием. Дополнительное сжимающее усилие реализуется за счет упругости материала заднего эластичного кольца 3 в дополнительное усилие прижима его к поверхности 2 корпуса поршня 1, к малофрикционному кольцу 6, в свою очередь малофрикционного кольца 6 к цилиндру 5, что обеспечивает увеличение степени герметичности уплотнения. Малофрикционные кольца 6 под воздействием перепада давления перекачиваемой среды и силы трения о цилиндр 5 сдвигаются до упора: переднее в опорную втулку 4, заднее во фланец 17 корпуса поршня 1 или прижимную гайку 15. Замок типа "прямоугольные шип 9-паз 10 вдоль полосы" 7 малофрикционных колец 6 сжимается с натягом, создавая уплотняющий контакт по поверхности между полосками 11 и шипом 9, что обеспечивает герметичность замка. Переднее малофрикционное кольцо 6, поскольку имеет прямоугольную форму в сечении, передней кромкой, примыкающей к поверхности цилиндра 5, снимает слой загрязнения с поверхности цилиндра 5, тем самым препятствуя проникновение загрязнений в уплотнение. Переднее эластичное кольцо 3 опирается на опорную втулку 4 и также под воздействием давления перекачиваемой среды испытывает дополнительное сжимающее усилие по отношению к уплотняемым поверхностям, что способствует увеличению степени герметичности уплотнения в целом.

Износ малофрикционных колец 6 компенсируется в процессе эксплуатации за счет разбухания в рабочей среде эластичных колец 6, а также автоматически при сжатии колец 6 давлением перекачиваемой среды и сил трения, как описано выше, до выбора зазоров 12. Поскольку полоски 11, образующие паз 10 секторов 8 малофрикционного кольца 6, прижаты к поверхности цилиндра 5 цилиндрической поверхностью эластичного кольца 3 равномерно по ширине их, то они изнашиваются по ширине равномерно и не имеют тенденцию к развороту вокруг своей продольной оси, нарушающему герметичность замка типа "прямоугольные шип 9-паз 10 вдоль полосы" 7, как это имеет место в прототипе. Также то обстоятельство, что шип 9 и паз 10 прямоугольной формы, контакт шипа 9 и полосок 11 осуществляется по поверхности и способствует лучшей герметизации замка "прямоугольные шип 9-паз 10 вдоль полосы" 7, в противоположность прототипу, где контакт аналогичных деталей осуществляется по линии.

Данное изобретение при его внедрении в практику позволит эффективно уплотнять поршень при перекачке жидкости с механическими загрязнениями типа: песок, ил, глина и т.п.

Источники информации
1. SU а.с. N 1408144 A1 F 15 J 15/16.

Комбинированное уплотнение поршня предназначено для уплотнения поршней в установках для перекачки жидкостей с механическими загрязнениями типа: песок, ил, глина и т.п. Уплотнение устанавливается между поршнем и корпусом цилиндра и содержит два эластичных, например из резины, кольца прямоугольной формы в сечении, посаженных на поверхность корпуса поршня с антифрикционным покрытием и со свойством не слипаться с материалом эластичного кольца. Кольца разделены опорной втулкой из антифрикционного металла, посаженной на корпус поршня с возможностью перемещаться вдоль оси и опирающейся на цилиндр. На эластичных кольцах установлены малофрикционные кольца, контактирующие с цилиндром, изготовленные из полосы, материалом которых служат антифрикционные, износостойкие, упругие фторполимерные композиции в виде набора нескольких секторов, соединенных между собой замками типа "прямоугольные шип-паз вдоль полосы". Ширина малофрикционного кольца меньше ширины эластичного кольца. Пакет: эластичное кольцо, опорная втулка с небольшим натягом вдоль оси сжаты на корпусе поршня между его фланцем и прижимной гайкой, при этом фланец, опорная втулка и прижимная гайка ограничивают подвижность малофрикционных колец вдоль оси в пределах разницы ширин эластичного и малофрикционного колец. Изобретение повышает надежность уплотнения. 3 ил.

Комбинированное уплотнение поршня, устанавливаемое между корпусом поршня и цилиндром, перемещающимися относительно друг друга, содержащее два эластичных кольца и два малофрикционных кольца, отличающееся тем, что эластичные, например из резины, кольца имеют прямоугольную форму в сечении, посажены на корпус поршня, поверхность которого имеет антифрикционное покрытие и обладает свойством не слипаться с материалом эластичного кольца, разделены между собой опорной втулкой из антифрикционного металла, посаженной с возможностью движения вдоль оси на корпусе поршня и опирающейся на цилиндр, и сжаты с небольшим натягом на корпусе поршня вдоль оси между его фланцем и прижимной гайкой, при этом малофрикционные кольца установлены на эластичных кольцах и имеют ширину меньше, чем ширина эластичного кольца, контактируют с поверхностью цилиндра и изготовлены из полосы, материалом которой служат антифрикционные износостойкие упругие фторполимеры в виде набора нескольких секторов, соединенных между собой замками типа "прямоугольные шип-паз вдоль полосы", где шип посажен в паз с нулевым зазором, причем подвижность малофрикционных колец вдоль оси ограничена фланцем корпуса поршня, опорной втулкой и прижимной гайкой в пределах разницы ширин эластичного и малофрикционного колец.