ПНЕВМОЦИЛИНДР Российский патент 2003 года по МПК F15B15/14 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к пневматическим объемным двигателям с прямолинейным возвратно-поступательным перемещением выходного звена, и может быть, например, использовано в конструкциях пневмоцилиндров, работающих без впрыска масла в сжатый воздух.

Эффективность работы цилиндра, его КПД зависит в основном от работы уплотнений поршня и штока.

Задача повышения эффективности герметизации штока является актуальной и более сложной, нежели герметизация поршня. В практике герметизации штоков цилиндров обычно используют либо кольцо резиновое уплотнительное круглого сечения по ГОСТ 9833, либо резиновые манжеты по ГОСТ 14896, ГОСТ 6678 и др.

Известен цилиндр, представленный в книге Т.М. Башты и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982 г, стр. 350-355, рис. 3.60 (а, б), содержащий шток, крышку переднюю с расточкой под установку: рис. а - резинового уплотнительного кольца круглого сечения; рис.б - пакета V-образных резиновых и пластиковых манжет.

Общими недостатками данных устройств являются:
1. Низкий ресурс работы резиновых уплотнителей.

2. Низкий механический КПД за счет большого коэффициента трения резины о металл.

3. Значительные усилия в момент страгивания штока с места.

4. Низкое быстродействие.

Необходимо также отметить, что использование пакета V-образных манжет значительно увеличивает габариты цилиндра в целом. И еще, низкий ресурс работы резиновых уплотнителей обусловливается также тем, что при работе цилиндра на сухом (без впрыска в него капель масла) сжатом воздухе трение в паре шток - резиновое уплотнение резко возрастает (примерно в 10 раз), что ведет к интенсивному износу последнего.

Известен пневмоцилиндр с использованием конструкции уплотнения штока по а. с. N 1158808, МКИ F 16 J 15/16, 1983, включающий шток, переднюю крышку с расточкой с размещенными в ней фторопластовой Г-образной манжетой и распорным резиновым кольцом, поджимающим уплотнительный лепесток (ус) манжеты к уплотняемой поверхности штока.

Недостатками данной конструкции являются:
1. Имеющий место частичный контакт резинового распорного кольца с подвижным штоком влечет за собой увеличение трения в паре, а следовательно, и низкий механический КПД и ресурс пневмоцилиндра в целом.

2. Низкая эффективность уплотнения.

В связи с тем, что ус фторопластовой манжеты сориентирован в сторону, противоположную воздействию давления (см. фиг.1), то при смещении распорного уплотнительного кольца (от воздействия давления) в сторону фланца эффективность воздействия его на ус манжеты будет уменьшаться пропорционально увеличению жесткости манжеты.

Как известно манжета имеет самую малую жесткость на кромке уса и самую большую в зоне фланца, следовательно, обеспечение герметичности в данном устройстве представляет большую трудность, поскольку прижим манжеты к поверхности штока в зоне наибольшей жесткости не всегда эффективно достигается, т.е. объемный коэффициент полезного действия будет уменьшаться.

Для обеспечения герметичности соединения до появления давления рабочей среды резиновое распорное кольцо устанавливается в канавке (расточке) с предварительным сжатием его сечения в радиальном направлении, при этом сила трения резинового распорного кольца по уплотняемой поверхности штока будет зависеть от величины предварительного сжатия пропорционально, т.е. при уменьшении величины предварительного сжатия кольца сила трения уменьшается, но это может привести к нарушению герметичности подвижного соединения, особенно при отрицательной температуре и низком давлении, а при увеличении величины предварительного сжатия сила трения увеличивается, что отрицательно сказывается на механическом коэффициенте полезного действия уплотнения. Обычно величина предварительного сжатия сечения резинового распорного кольца в радиальном направлении выбирается в пределах 9-13% d, где d - диаметр сечения кольца.

Однако часто для уменьшения трения резинового кольца, например, о шток применяют радиальное сжатие в пределах 5-6% поперечного сечения кольца. Очевидно, что допуски на изготовление элементов уплотнительного узла (резиновое кольцо, канавка) должны быть в этом случае такими, чтобы при наихудших с этой точки зрения их сочетаниях было гарантировано обжатие кольца, а следовательно, и обеспечена герметичность подвижного соединения.

В подвижном соединении непосредственное трение резины о металл (о движущийся шток), обусловленное предварительным сжатием сечения резинового распорного кольца в радиальном направлении, уменьшает механический коэффициент полезного действия цилиндра, значительно уменьшает его ресурс, и еще, непосредственный контакт резины с металлом не позволяет эксплуатировать пневмоцилиндр на сжатом воздухе без внесения в него распыленного масла, т.к. резиновое кольцо чрезвычайно быстро изнашивается с вытекающими отсюда последствиями.

Задача повышения ресурса работы уплотнения и пневмоцилиндра в целом, с одновременным повышением механического коэффициента полезного действия, а следовательно, и полного коэффициента полезного действия, а также уменьшения усилия в момент страгивания штока с места решается как в зарубежных, так и в отечественных объектах разными средствами, основное среди которых - исключение непосредственного контакта резинового распорного кольца с подвижной уплотняемой поверхностью штока.

Наиболее близко, по нашему мнению, стоит к предлагаемому техническому решению конструкция уплотнительного узла цилиндра по а.с. N 1364808, МПК F 16 J 15/32, 1985 г., содержащая канавку, в которой установлено с предварительным натягом в радиальном направлении резиновое распорное кольцо, поджимающее к уплотняемой поверхности ус манжеты Г-образного сечения с низким коэффициентом трения.

Данное устройство принимается авторами за прототип.

Недостатки данного устройства сводятся к следующему:
1. На уплотнительный лепесток (ус) манжеты Г-образного сечения воздействует практически половина упругого объема резинового распорного кольца, что в некоторой степени снижает эффективность поджима.

2. Нетехнологичность конструкции (при использовании ее в пневмоцилиндре для герметизации подвижного штока). Поскольку манжету Г-образного сечения предусмотрено устанавливать в отдельной проточке, которая выполнена внутри крышки (втулки), то монтаж ее будет крайне затруднен, а при некоторых диаметрах (6. . .10 мм) штока и вовсе не возможен без дополнительного разъема, что усложнит конструкцию узла. При этом качественная обработка уплотняемых поверхностей расточки, контроль геометрических размеров величины шероховатости и состояния поверхностей (трещины, раковины и др.) под установку уплотнителей также будут затруднены, что напрямую влияет на качество герметизации соединения.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является повышение эффективности работы пневмоцилиндра путем увеличения его ресурса, КПД, быстродействия, уменьшение усилия страгивания штока с места и расширение области его использования, например для работы на сжатом воздухе без внесения в него распыленного масла.

Для решения поставленной технической задачи в пневмоцилиндре, содержащем гильзу, поршень, разделяющий внутренний объем его с образованием штоковой полости, шток, крышку заднюю, крышку переднюю с размещенным в ее расточке распорным резиновым кольцом, поджимающим к поверхности штока Г-образную манжету с низким коэффициентом трения; расточка в передней крышке выполнена в виде усеченного конуса, примыкающего своим большим основанием к штоковой полости, при этом манжета Г-образного сечения контактирует опорной частью с выполненным на ней радиальным каналом с большим основанием усеченного конуса, а на внутренней поверхности уплотнительного лепестка манжеты Г-образного сечения в зоне уплотнительной кромки выполнена кольцевая проточка.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что расточка в передней крышке цилиндра выполнена в виде усеченного конуса, сориентированного своим большим основанием к штоковой полости, а манжета Г-образного сечения размещена в расточке вместе с распорным резиновым кольцом; на опорной части манжеты выполнен радиальный канал (для лучшего подвода сжатого воздуха к резиновому распорному кольцу), при этом опорная часть манжеты контактирует с большим основанием усеченного конуса, а на уплотнительном лепестке в зоне уплотнительной кромки выполнена кольцевая проточка.

Таким образом, заявляемый объект соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволило сделать вывод о соответствии решения изобретательскому уровню.

На фиг.1 изображен пневмоцилиндр, общий вид.

На фиг.2 изображен вид А на фиг.1 без воздействия на него перепада давления сжатого воздуха.

На фиг. 3 изображен вид А на фиг.1 под воздействием перепада давлений сжатого воздуха.

Пневмоцилиндр содержит гильзу 1, поршень 2, штоковую полость 3, шток 4, крышку заднюю 5, крышку переднюю 6 с расточкой 7. В расточке 7 размещено резиновое распорное кольцо 8, поджимающее к штоку 4 манжету Г-образного сечения 9. Расточка 7 выполнена в виде усеченного конуса, примыкающего своим большим основанием 10 к штоковой полости 3. Манжета Г-образного сечения 9 имеет опорную часть 11, на которой выполнен радиальный канал 12, при этом опорная часть 11 манжеты 9 Г-образного сечения контактирует с большим основанием 10 усеченного конуса. Манжета 9 Г-образного сечения имеет уплотнительный лепесток 13, на внутренней поверхности 14 которого в зоне уплотнительной кромки 15 выполнена кольцевая проточка 16.

Манжета Г-образного сечения 9 изготавливается из материала с низким коэффициентом трения, например из фторопласта. Выполнение расточки 7 в виде усеченного конуса, обращенного диффузором к штоковой полости 3, необходимо для дополнительного сжатия сечения распорного кольца 8 при его перемещении (от воздействия давления Р) в зону наименьшей жесткости манжеты 9 (уплотнительная кромка 15) с целью создания дополнительных радиальных усилий на уплотнительный лепесток 13.

Дополнительное сжатие сечения распорного кольца 8 при неизменной величине подводимого давления Р автоматически происходит, например, при уменьшении с течением времени толщины уплотнительного лепестка 13 манжеты 9 (износ) или для компенсации уменьшенного по сравнению с расчетным предварительного сжатия распорного кольца 8 (например, диаметр сечения распорного кольца 8 и толщина уплотнительного лепестка 13 манжеты 9 выполнены по нижнему допуску, а коническая поверхность расточки 7 - по верхнему или, что часто бывает, диаметр сечения резинового распорного кольца выполнен заниженным по причине усадки его при литье резиновой смеси).

Радиальный канал 12, выполненный на опорной части 11 манжеты 9, служит для лучшего подвода давления сжатого воздуха к резиновому распорному кольцу 8 для его быстрого перемещения в осевом направлении и эффективной деформации. Кольцевая проточка 16 на манжете Г-образного сечения 9 служит для увеличения эластичности уплотнительного лепестка 13 при воздействии на него распорного кольца 9.

Таким образом, распорное резиновое кольцо 8 постоянно и эффективно поджимает уплотнительный лепесток (ус) 13 манжеты 9 в зоне с наибольшей ее эластичностью к уплотняемой поверхности штока 4, автоматически компенсируя износ манжеты.

Пневмоцилиндр работает следующим образом.

До подвода давления Р в штоковую полость 3 герметичность последней обеспечивается посредством резино-фторопластового уплотнения в подвижном стыке шток 4 - крышка передняя 6. Обеспечение герметичности стыка шток 4 - крышка передняя 6 при нулевых и малых давлениях достигается, как ранее упоминалось, путем предварительного сжатия резинового распорного кольца 8 в радиальном направлении, обусловленного геометрическими размерами расточки 7, диаметром сечения распорного кольца 8 и толщиной уплотнительного лепестка 13 манжеты Г-образного сечения 9. Вследствие этого на уплотнительный лепесток 13 воздействует усилие поджатия от распорного кольца 8, благодаря чему создается удельное давление, достаточное для герметизации соединения.

При подводе в штоковую полость 3 давления Р дополнительно к предварительному сжатию распорного кольца 8 появляется усилие, сжимающее распорное кольцо 8 в осевом направлении.

При достижении величины давления Р до определенного значения, достаточного для преодоления сил трения в подвижных уплотняемых стыках поршень 2 - гильза 1 и шток 4 - крышка передняя 6, поршень 2 будет перемещаться вниз (по чертежу) до упора его о крышку заднюю 5.

При дальнейшем возрастании давления Р в штоковой полости 3 усилие, сжимающее распорное кольцо 8 в осевом направлении, увеличивается, что вызовет увеличение радиальных усилий на уплотнительный лепесток 13 в зоне наименьшей жесткости манжеты 9, а ввиду того, что распорное кольцо 8 под давлением Р заклинивается в сужающейся по глубине расточке 7, то герметичность соединения повышается.

Таким образом, предлагаемая конструкция пневмоцилиндра дает возможность повысить КПД, повысить его ресурс, уменьшить усилие страгивания штока с места и, основное, появилась возможность использовать данный пневмоцилиндр в цехах, где не рекомендуется по технологическому процессу вносить в сжатый воздух распыленное масло (которое, в конечном итоге, выхлапывается в атмосферу помещения), что улучшает экологию в цехе, не замасливает, например, кузова автомобилей, подготовленные для окраски.

Пневмоцилиндр предназначен для прямолинейного, возвратно-поступательного перемещения рабочего органа. Пневмоцилиндр содержит гильзу, поршень, разделяющий внутренний его объем с образованием штоковой полости, шток, крышку заднюю, крышку переднюю с расточкой с размещенным в ней распорным резиновым кольцом, поджимающим к поверхности штока манжету Г-образного сечения с низким коэффициентом трения, при этом расточка передней крышки выполнена в виде усеченного конуса, примыкающего своим большим основанием к штоковой полости, при этом манжета Г-образного сечения контактирует опорной частью с выполненным на ней радиальным каналом, с большим основанием усеченного конуса, а на внутренней поверхности уплотнительного лепестка манжеты в зоне уплотнительной кромки выполнена кольцевая проточка. Технический результат - повышение КПД и ресурса. 3 ил.

Пневмоцилиндр, содержащий гильзу, поршень, разделяющий внутренний его объем с образованием штоковой полости, шток, крышку заднюю, крышку переднюю с расточкой с размещенным в ней распорным резиновым кольцом, поджимающим к поверхности штока манжету Г-образного сечения с низким коэффициентом трения, отличающийся тем, что расточка передней крышки выполнена в виде усеченного конуса, примыкающего своим большим основанием к штоковой полости, при этом манжета Г-образного сечения контактирует опорной частью с выполненным на ней радиальным каналом, с большим основанием усеченного конуса, а на внутренней поверхности уплотнительного лепестка манжеты в зоне уплотнительной кромки выполнена кольцевая проточка.