УПЛОТНЕНИЕ НЕПОДВИЖНОГО СОЕДИНЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F16J15/14 

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации неподвижных разъемных соединений, в частности, для герметизации фланцевых соединений элементов подводных аппаратов.

Существуют уплотнительные устройства, в которых для герметизации фланцевых соединений используются жидкости.

Известно уплотнительное устройство [АС СССР 767440, МКИ F 16 J 15/00, опубл. 30.09.80]. Зажимаемое между фланцами уплотнительное устройство представляет собой полое кольцо из эластичного материала, заполненное жидким электролитом, способным увеличивать объем под действием электрического напряжения. Нерабочие поверхности кольца ограничены жесткой арматурой, выполненной в виде охватывающих его цилиндрических колец. При прохождении электрического тока через электролит в полости кольца выделяются газы, что повышает давление в полости, в результате чего рабочие поверхности кольца более плотно прижимаются к уплотняемой поверхности. Однако в процессе эксплуатации эластичность полого кольца снижается, а его герметичность может быть нарушена, в частности, при его распирании под острые кромки арматурных колец.

Известно уплотнение разъемного соединения [АС СССР 815382, МКИ F 16 J 15/02, опубл. 25.03.81]. Уплотнение состоит из магнитопроводов, закрепленных в кольцевой полости в месте соединения уплотняемых деталей. Магнитопроводы охватывают магнитное эластичное кольцо, полость которого заполнена магнитной жидкостью и соединена каналами с зазорами между магнитопроводами. При сборке соединения магнитное эластичное кольцо сжимается, магнитная жидкость вытесняется в зазоры между магнитопроводами и удерживается в них магнитным полем, создавая тем самым герметизацию стыка. Уплотняющая магнитная жидкость заполняет лишь зазоры между магнитопроводами, что действительно обеспечивает быструю сборку и разборку соединения. Однако данная конструкция не может обеспечить герметичности при высоких значениях перепадов давлений, т.к. тонкий "барьер" уплотненной магнитной жидкости может быть нарушен вследствие неравномерности деформации сопрягаемых частей. Кроме того, под воздействием высокого внешнего давления стенки кольцевого магнитопровода деформируются из-за уменьшения в объеме эластичного кольца и внешняя среда (жидкость) попадает во внутренний объем устройства. Таким образом, рассмотренный аналог не обеспечивает надлежащей герметичности при высоком внешнем давлении или при его резких перепадах.

Известны уплотнения торцевых частей трубопроводов [АС СССР 511469, МКИ F 16 L 19/02, опубл. 02.09.76 и АС СССР 1511502, МКИ F 16 J 15/40, опубл. 30.09.89], в которых в качестве уплотнительного элемента используются тонкостенные упругие уплотнительные кольца. Профиль поперечного сечения кольца образован выпуклыми дугами окружности. Уплотнительное кольцо установлено в полости, образованной канавками на торцах уплотняемых деталей. При сближении последних кольцо взаимодействует уплотнительными кромками со стенками полости, обеспечивая первоначальную герметизацию стыка. Однако между уплотнительным кольцом и уплотняемыми деталями существует лишь линейный контакт - по кольцевым линиям - кромкам кольца. В процессе эксплуатации, сопровождающейся вибрацией, перекосами и перепадами давлений, происходит деформация и износ контактирующих поверхностей кольца вплоть до разрушения его напряженных рабочих кромок, что приводит к нарушению герметичности соединения.

Таким образом, существует техническое противоречие: в известных авторам устройствах, использующих для уплотнения жидкости, в том числе ферромагнитные, не может быть достигнута изначально высокая степень герметизации, а в устройствах, использующих упругие тонкостенные кольца C-образного сечения, изначально высокая степень герметизации теряется в процессе эксплуатации.

Попытка решить противоречие предпринята в уплотнительном устройстве [Патент СССР 1809891, МКИ F 16 J 15/02, опубл. 15.04.93], выбранном в качестве прототипа. Устройство включает в себя фланцы, на внутренних поверхностях которых выполнены кольцевые канавки таким образом, что при соединении фланцев друг с другом образуется кольцевая полость. Кольцевая полость заполнена герметизирующей жидкостью и в ней расположены два тонкостенных уплотнительных кольца со сквозными отверстиями. Кольца выполнены из упругого материала, одно кольцо имеет C-образное поперечное сечение, другое - обратное ему сечение. Они установлены в канале и направлены друг к другу выпуклыми поверхностями. Устройство снабжено приспособлением, предварительно поджимающим кольца к стенкам полости. Приспособление состоит из установленных между кольцами поворотных винтовых стержней, на каждом стержне соосно установлены два распорных кольца с коническими наружными поверхностями, обращенными друг к другу меньшими основаниями. Оси стержней проходят через направляющие втулки и закрыты герметизирующими пробками. Оба кольца снабжены сквозными отверстиями для прохода жидкости при их сближении и удалении друг от друга под воздействием распорных колец. Для герметизации устройства-прототипа необходимо произвести поочередное ввинчивание поворотных винтовых стержней до прижатия кромок уплотнительных колец к стенкам полости под воздействием распорных колец, что делает процесс сборки и герметизации трудоемким. В прототипе, как и вышеописанном аналоге, уплотнительные кольца соприкасаются со стенками полости по кромкам, что снижает надежность в процессе эксплуатации. Также сложно проконтролировать равномерность начального прижатия кромок уплотнительных колец к стенкам полости, а следовательно, обеспечить равную степень герметизации по всему каналу. В случае, если давление в камере превышает давление среды, возможно истечение герметизирующей жидкости из внутреннего объема механизма через отверстия в уплотнительных кольцах вдоль направляющих втулок и далее через резьбу герметизирующей пробки. При герметизации от внешнего давления окружающая жидкость по тому же пути проникает вовнутрь механизма. Таким образом, прототип не может обеспечить высокую надежность работы при высоких давлениях или его резких перепадах ввиду того, что так называемое уплотнительное кольцо не может обеспечить необходимую степень уплотнения из-за наличия в нем сквозных отверстий для прохода жидкости.

Кроме того, как прототип, так и аналоги, не предусматривают возможность автоматического регулирования степени уплотнения в зависимости от изменения параметров внешней среды.

В основу изобретения поставлена задача повышения надежности уплотнительных устройств, а именно повышение изначальной степени герметичности и ее сохранение в процессе эксплуатации.

Дополнительной задачей является обеспечение возможности регулирования степени уплотнения в зависимости от изменений параметров внешней среды.

Поставленная задача решается тем, что в уплотнении неподвижного соединения, включающем скрепленные болтовыми соединениями фланцы, обращенные друг к другу, поверхности которых образуют кольцевую полость, полость заполнена жидкой герметизирующей средой и в ней установлено упругое тонкостенное уплотнительное кольцо, взаимодействующее со стенками кольцевой полости, профиль поперечного сечения уплотнительного кольца образован дугой переменной кривизны, согласно изобретению в кольцевой полости дополнительно установлена кольцевая электромагнитная система, в качестве герметизирующей среды используют ферромагнитную жидкость, а уплотнительное кольцо выполнено непроницаемым и установлено в кольцевой полости таким образом, чтобы взаимодействие уплотнительного кольца со стенками кольцевой полости, принадлежащими обоим фланцам, осуществлялось по выпуклым участкам кольца.

Целесообразно, чтобы кольцевая полость в радиальном сечении имела вид фигуры, сужающейся по направлению возможного распространения давления в зазоре между фланцами.

Наилучший результат достигается при выполнении сердечника электромагнитной системы из материала, обладающего высокой остаточной намагниченностью.

Дополнительная задача решается тем, что электромагнитную систему выполняют управляемой с обеспечением возможности изменения ее выходного параметра в зависимости от изменений параметров внешней среды.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлено: Фиг. 1 - разрез устройства. Фиг. 2 - выполнение камеры по п.2 формулы. Фиг. 3 - схема управления электромагнитной системы.

Реализация изобретения рассматривается на примере фланцевого уплотнения подводного аппарата.

На обращенных друг к другу поверхностях фланцев 1 выполнены взаимно сопрягаемые канавки, которые образуют кольцевую полость 2. Канавка может быть выполнена лишь на одном фланце. В кольцевой полости 2 установлено упругое тонкостенное уплотнительное кольцо 3, имеющее в осевом сечении C-образную форму без сквозных отверстий, т.е. выполнено непроницаемым. Уплотнительное кольцо 3 установлено так, что оно своими выпуклыми участками касается поверхностей полости 2, принадлежащих обоим фланцам, чтобы исключить возможность уплотнения по кромкам кольца. При этом кольцо 3 приближено к торцевой стенке полости 2, ориентированной в сторону низкого давления. Разрез кольца ориентирован в ту же сторону. Кольцевая полость 2 может иметь в радиальном сечении форму трапеции с меньшим основанием, ориентированным в сторону низкого давления.

Полость 2 заполнена ферромагнитной жидкостью и в ней размещена кольцевая электромагнитная система 4, сердечник которой выполнен из материала, обладающего высокой остаточной намагниченностью. Электромагнитная система имеет схему управления, представленную на фиг. 3. Схема управления включает блок питания 5, соединенный с первым входом преобразующего устройства 6 и параллельно установленными датчиками глубины 7 и солености воды 8, выходы которых соединены с другими входами преобразующего устройства 6. Выход преобразующего устройства 6 соединен с обмоткой 9 электромагнитной системы 4.

Фланцы 1 соединены крепежными элементами - болтами 10. В зазоре между фланцами с двух сторон от кольцевой полости 2 установлены резиновые уплотнения 11. В одном из фланцев выполнен канал 12 для подачи в обе части полости ферромагнитной жидкости.

Устройство работает следующим образом.

Вначале в полость 2 устанавливают электромагнитную систему 4 и уплотнительное кольцо 3. Одновременно в зазор между фланцами устанавливают резиновые уплотнения 11. Предварительное сочленение фланцев 1 осуществляется затяжными болтами 10. Затем через сквозной канал 12 ферромагнитной жидкостью заполняется полость 2 по обе стороны от уплотнительного кольца 3 и щелевые зазоры до резиновых уплотнений 11. На обмотку 9 электромагнитной системы 4 через преобразующее устройство 6 подается напряжение. При этом под воздействием поля электромагнитной системы 4 ферромагнитная жидкость уплотняется, что обеспечивает начальную величину уплотнения стыка дополнительно к уплотнению упругого непроницаемого C-образного кольца 3.

При увеличении внешнего давления сигналы датчика 7 глубины корректируют напряжение на выходе преобразующего устройства 6, а следовательно, напряженность поля в кольцевой полости 2, что автоматически приводит к увеличению степени уплотнения ферромагнитной жидкостью. Аналогичное воздействие оказывает датчик 8 солености.

В случае нарушения герметичности со стороны уплотнительных резиновых колец 11 (резкое повышение давления, перекосы, вибрация, удары и т.д.) забортная вода оказывает давление на ферромагнитную жидкость в кольцевой полости 2. Под действием давления непроницаемое упругое кольцо 3 дополнительно прижимается либо к торцевой стенке уплотнительной камеры (см. Фиг. 1), либо к коническим поверхностям камеры (см. Фиг. 2). Далее поверхность кольца изгибается, его выпуклые участки распрямляются, увеличивая тем самым площадь контакта между уплотняемыми поверхностями. При этом линейный кольцевой контакт уплотнения переходит в контакт по кольцевой поверхности.

В случае прекращения подачи питания на обмотки электромагнитной системы остаточная намагниченность сердечника позволит сохранить уплотняющие свойства ферромагнитной жидкости.

Таким образом, в заявляемой конструкции имеется две степени защиты: защита уплотняющейся ферромагнитной жидкостью и защита упругим непроницаемым уплотнительным кольцом, что обеспечивает высокую изначальную степень герметичности. Ее сохранение в процессе эксплуатации достигается за счет того, что уплотнение осуществляется по выпуклым участкам уплотнительного кольца, а не по напряженным кромкам, как у известных решений.

Кроме того, повышенная надежность работы устройства в особых условиях обеспечивается за счет автоматического управления степенью уплотнения ферромагнитной жидкости от датчиков параметров внешней среды и за счет магнитных свойств материала сердечника электромагнитной системы.

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации неподвижных разъемных соединений, в частности для герметизации фланцевых соединений элементов подводных аппаратов. На обращенных друг к другу поверхностях фланцев выполнены взаимно сопрягаемые канавки, которые образуют кольцевую полость. В полости установлено упругое тонкостенное непроницаемое уплотнительное кольцо, С-образное в осевом сечении. Уплотнительное кольцо касается своими выпуклыми участками поверхностей полости, принадлежащих обоим фланцам. Полость заполнена ферромагнитной жидкостью и в ней размещена кольцевая электромагнитная система, сердечник которой выполнен из материала, обладающего высокой остаточной намагниченностью. Электромагнитная система имеет схему управления. Изобретение повышает надежность уплотнительных устройств, а именно повышает изначальную степень герметичности и сохраняет ее в процессе эксплуатации. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Уплотнение неподвижного соединения, включающее скрепленные болтовыми соединениями фланцы, обращенные друг к другу, поверхности которых образуют кольцевую полость, полость заполнена жидкой герметизирующей средой и в ней установлено упругое тонкостенное уплотнительное кольцо, взаимодействующее со стенками кольцевой полости, профиль поперечного сечения уплотнительного кольца образован дугой переменной кривизны, отличающееся тем, что в кольцевой полости дополнительно установлена кольцевая электромагнитная система, в качестве герметизирующей среды используют ферромагнитную жидкость, а уплотнительное кольцо выполнено непроницаемым и установлено в кольцевой полости таким образом, чтобы взаимодействие уплотнительного кольца со стенками кольцевой полости, принадлежащими обоим фланцам, осуществлялось по выпуклым участкам кольца. 2. Уплотнение неподвижного соединения по п.1, отличающееся тем, что кольцевая полость в радиальном сечении имеет вид фигуры, сужающейся по направлению возможного распространения давления в зазоре между фланцами. 3. Уплотнение неподвижного соединения по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в одном из фланцев выполнен канал, соединенный с кольцевой полостью. 4. Уплотнение неподвижного соединения по пп.1 - 3, отличающееся тем, что кольцевая электромагнитная система имеет сердечник, выполненный из материала, обладающего высокой остаточной намагниченностью. 5. Уплотнение неподвижного соединения по пп.1-4, отличающееся тем, что кольцевая электромагнитная система выполнена управляемой с обеспечением возможности изменения ее выходного параметра в зависимости от изменений параметров внешней среды.