УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШТОКА ПОРШНЯ Российский патент 2005 года по МПК F16J15/16 F16J15/56 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к разделу уплотнительная техника, и может быть применено в качестве уплотнительного устройства для уплотнения штока поршня или любого другого выдвигающегося цилиндрического элемента или детали, находящихся под давлением жидкой или пастообразной среды, вытекание которой необходимо предотвратить при движении поршня.

Известен "Уплотнитель однотрубного амортизатора" (см. заявка PCT/FR № 9717555 oт 06.11.96 г., опубликована 15.05.97 г. F 16 f 9/36). Уплотнитель имеет концевой участок с отверстием для прохода штока и дополнительный элемент, имеющий арматуру, прикрепленную к концевому участку, и имеющую больший диаметр под шток, чем концевой участок. Уплотнитель имеет кольцевой упругий элемент, один участок которого свободно опирается на поверхность концевого участка, а второй прикреплен к арматуре. Внутренний диаметр упругого элемента в свободном состоянии меньше диаметра отверстия для прохода штока. При этом шток деформирует упругий элемент (разжимает, растягивая его периметр радиально). Таким образом, в известном устройстве упругий элемент свободно опирается на поверхность концевого участка без применения дополнительных элементов (кольцевых выступов, проточек, и т.п.), повышающих несущую способность уплотнения. Кроме того, арматура без зазора установлена на концевой участок и таким образом получается несамоцентрирующаяся конструкция упругого элемента относительно штока. За счет этого и при наличии смещения осей боковых поверхностей входящих деталей, за счет технологических биений при их изготовлении давление штока на внутреннюю уплотняющую поверхность упругого элемента будет неодинаковым. С той стороны, где смещение внутренней поверхности сальника относительно поверхности штока максимально, давление штока на упругий элемент будет максимальным, а с противоположной стороны оно будет минимальным. Наличие такого неравномерного распределения давления между упругим элементом и штоком приводит к нарушению герметичности сальника. Это происходит со стороны, противоположной смещению, где давление штока на упругий элемент будет минимальным.

На гладкой внутренней поверхности упругого элемента, прилегающей к штоку, нарушение герметичности происходит с большей вероятностью, чем по поверхности, на которой предусмотрены определенные конструктивные элементы (проточки и пр.), повышающие несущую способность соединения за счет лабиринтного эффекта при последовательном нарушении герметичности каждой проточки.

Таким образом, наличие указанной неравномерности в распределении давления между сальником и штоком, за счет их взаимного смещения, и отсутствие лабиринтных уплотнений на внутренней поверхности сальника является недостатком указанного устройства.

Известно также "Уплотнение для штока поршня" (патент Германии №4432305 от 10. 09.94 г., опубликовано 21.03.96 г. F 16 f 9/36). Co стороны выходного конца штока демпфера имеется уплотнительный узел. Узел содержит одну или несколько кольцевых выточек под уплотнение с U-образным профилем поперечного сечения. Уплотнение расположено в выточке таким образом, что полки его U-образного сечения направлены внутрь пространства цилиндра. Ширина полок с открытой стороны U-образного профиля равна или больше их ширины с противоположной стороны, а сумма ширины полок больше радиального расстояния между стенками, ограничивающими кольцевую выточку.

Указанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взято в качестве прототипа.

Недостатками указанного устройства является то, что в нем используется несамоцентрирующаяся относительно штока конструкция сальника (отсутствие зазора между сальником и корпусом), что снижает его несущую способность. Поскольку при его установке на шток и при наличии радиального биения взаимодействующих поверхностей сальника, штока и корпуса давление штока на внутреннюю поверхность сальника будет неравномерным, это приводит к снижению несущей способности и к возможному нарушению герметичности сальника там, где давление штока на сальник минимальное. Кроме того, отсутствие на контактирующих со штоком поверхностях сальника, а также на поверхностях контактирующих с сальником деталей дополнительных конструктивных элементов (проточек, имитирующих лабиринтные уплотнения на поверхностях сальника, контактирующих со штоком, и выступов на поверхностях контактирующих с сальником деталей) приводит к снижению его несущей способности.

Как показывают результаты проведенных опытов, при выходе сальника из строя герметизируемая сальником среда начинает просачиваться из герметизируемого объема наружу в одном месте периметра, уплотняемого сальником, в виде практически правильного сегмента (рабочая среда пастообразна), максимальная высота которого совпадает с местом минимального обжатия сальника. По мере возрастания величины обжатия сальника высота выхода среды из герметизируемого объема уменьшается, что и отслеживается формой сегмента просочившейся наружу герметизируемой среды.

При наличии двух проточек под сальники повышается герметизирующая способность узла, однако при этом возрастают и его габаритные размеры.

Решаемой технической задачей является создание уплотнительного устройства для штока поршня с повышенной надежностью и повышенными несущими свойствами.

Техническим результатом является повышение надежности и степени герметичности устройства.

Технический результат достигается тем, что уплотнительное устройство для штока поршня, содержащее со стороны выходного конца штока уплотнительный узел, вдоль оси и внутри которого перемещается шток, в уплотнительном узле выполнена кольцевая проточка для размещения сальника. Новым является выполнение уплотнительного узла из двух подвижных относительно оси штока деталей, торцевые поверхности которых, взаимодействующие с сальником, выполнены плоскими и расположены перпендикулярно оси штока, одна из которых имеет возможность вращения вокруг продольной оси штока, а вторая, взаимодействующая с герметизируемой рабочей средой, имеет возможность перемещения вдоль оси штока, и на ее торцевой поверхности, обращенной к сальнику, выполнены, по крайней мере, две соосные оси сальника кольцевые проточки с образованием треугольных выступов, одна из которых, выполненная на меньшем радиусе, является сплошной и служит для герметизации, а другая, выполненная на большем радиусе, является прерывистой и служит для фиксации сальника с тонкостенной металлической оболочкой, которая охватывает его боковую поверхность, при этом сальник с оболочкой установлен в кольцевой проточке с зазором, относительно боковой поверхности образующих ее деталей, на цилиндрической поверхности сальника, взаимодействующей со штоком, выполнены сплошные кольцевые выступы, при этом угол, образованный биссектрисой угла выступов и осью выступающего конца штока, меньше 90°, а внутренний диаметр сальника, образованный вершинами выступов, меньше диаметра штока.

На фиг.1 представлено предлагаемое уплотнительное устройство для штока поршня. На фиг.2 - выноска А на фиг.1, на фиг.3 - вариант устройства. Оно содержит сальник 1, устанавливаемый на шток поршня 2. Для обдавливания сальника предусмотрены две непосредственно с ним взаимодействующие подвижные детали 3 и 4. Втулка 3, устанавливаемая со стороны герметизируемого объема, и заглушка 4, которая вворачивается в корпус устройства 5 и давит на обращенную к ней торцевую поверхность сальника 1, сжимая его в замкнутом объеме между торцевыми поверхностями втулки 3, заглушки 4 и боковой поверхностью тонкостенной оболочки 6, которая конвертует боковую поверхность сальника. Сальник при этом за счет наличия гарантированного зазора С равномерно обдавливается вокруг штока и герметизирует таким образом соединение.

Для повышения надежности герметизации на торцевой поверхности втулки 3, контактирующей с сальником и обращенной к герметизируемой среде, предусмотрена кольцевая проточка 7, выполненная в виде треугольного выступа, вершина которого обращена к сальнику. При обдавливании сальника выступ 7 внедряется в тело сальника, создавая барьер для протекания рабочей среды из объема гидроупора, и повышает его несущие свойства в процессе работы соединения.

Для фиксации сальника в первоначальном положении и исключения его проворота при завинчивании заглушки 4, соосно с герметизирующим выступом 7, но на большем радиусе, на торцевой поверхности втулки 3 предусмотрена прерывистая кольцевая проточка, выполненная в виде кольцевого треугольного выступа 8. При завинчивании заглушки 4, для уплотнения сальника, его торцевая поверхность внедряется как в герметизирующую кольцевую проточку 7, так и в прерывистую кольцевую проточку 8, и за счет внедрения материала сальника внутрь объема прерывистой проточки по месту, где она прерывается, сальник фиксируется и таким образом удерживается от проворота за счет трения с поверхностью вращающейся при герметизации сальника детали - заглушки 4.

С той же целью, повышения герметизирующей способности сальника, внутренняя его поверхность, контактирующая со штоком 2, выполнена в виде кольцевых остроугольных выступов 9, повышающих ее уплотнительные свойства и одновременно снижающих силу трения при перемещении штока поршня за счет уменьшения площади сальника, контактирующей со штоком.

Биссектриса - "b" угла этих остроугольных выступов составляет с осью штока "a" острый угол – "d", т.е. эти остроугольные выступы сальника направлены как бы внутрь узла. За счет чего давление со стороны уплотняемой среды приводит к выдавливанию их изнутри наружу и к их развороту относительно основания угла, их образующего, при этом они еще плотнее должны охватывать герметизируемую поверхность штока.

При этом, для реализации повышенных уплотняющих свойств предлагаемой конфигурации проточек сальника, необходимо, чтобы направление движения штока при установке на него сальника в процессе сборки узла, совпадало бы с направлением движения штока в узле, относительно сальника, при сжатии узла. Т.е. при сборке необходимо предусмотреть установку штока в сальник со стороны сальника, обращенной наружу узла, концом штока, который соединен с поршнем. Т.е. надо вдвигать шток через сальник внутрь узла. А это возможно только при отделяющемся от штока поршне. При этом надо следить, чтобы сальник был ориентирован правильно в уплотнительном узле относительно выполненных в нем проточек. Если по каким-то причинам указанная установка сальника на шток невозможна (поршень выполнен заодно со штоком) необходимо надевать сальник на шток другой его стороной, используя при этом технологическую оправку, равную по диаметру диаметру штока. При этом указанным выше способом сальник надевают предварительно на технологическую оправку, вдвигая ее в сальник тем концом оправки, каким она должна будет соединяться со штоком и со стороны сальника, обращенной наружу узла, а затем уже с нее надевают его традиционно на шток, соединив шток и оправку по торцам в единую поверхность с минимальными боковыми зазорами в месте их стыковки. С тем условием, что диаметр оправки на несколько сотых долей миллиметра должен превышать диаметр штока, чтобы в процессе перехода с технологической оправки на шток поршня направленные навстречу движению острые углы выступов 9 сальника без заедания перешли бы с диаметра технологической оправки на диаметр штока.

Для повышения уплотняющей способности сальника в него может быть введена уплотняющая резиновая вставка 10, которая повышает усилие прижатия внутренней поверхности сальника к наружной поверхности штока.

При этом необходимо отметить, что для повышения ресурса соединения шток - сальник, особенно при малой пластичности материала сальника, необходимо обращать внимание на такие технологические характеристики, как:

- чистота поверхности штока;

- отклонение наружной поверхности штока от цилиндричности;

- отклонение от параллельности оси наружной поверхности штока относительно оси наружной поверхности поршня.

Поскольку чем выше эти технологические показатели, тем выше ресурс соединения шток - сальник и надежнее само соединение.

Устройство работает следующим образом. При возникновении давления внутри объема устройства, при выдвижении поршня, рабочая среда 11 удерживается внутри объема устройства первым кольцевым остроугольным выступом 9 и торцевой поверхностью сальника 1, прижатой к торцевой поверхности контактирующей с ним детали 3 и загерметизированной в процессе обжатия сальника сплошным кольцевым выступом 7.

Дальше герметизируемая среда продвинуться не может, поскольку данные элементы надежно герметизируют как саму поверхность штока, так и зазор между торцевой поверхностью сальника 2 и контактирующей с ним поверхностью втулки 3, которые являются единственными местами утечки рабочей среды из объема устройства. При этом за счет равномерного обжатия сальника 1 вокруг поверхности штока 2 он будет иметь значительно большую несущую способность по сравнению с другими устройствами. И теперь уже на сохранение его герметичности в большей степени будет влиять наличие местных дефектов поверхностей сальник - шток (раковины, повышенная шероховатость поверхности и пр., о чем говорилось выше) В случае, если давление рабочей среды повышается больше несущей способности выступов 9 (по сравнению с герметизирующим выступом 7, внедряемым в объем сальника при значительных усилиях сжатия, выступы 9 являются более слабым звеном в системе герметизации сальника), то рабочая среда 11 будет проникать в первую канавку, находящуюся за первым выступом 9. При этом давление за этим выступом будет меньше, чем давление в основной камере. Теперь, чтобы протек второй выступ 9, давление рабочей среды 11 в основной камере должно увеличиться еще больше. Т.е., в определенном смысле, выступы 9 на внутренней поверхности сальника работают как редуктор, постоянно снижая давление от выступа к выступу. Т.о., вышеперечисленные конструктивные меры позволяют значительно повысить несущую способность сальника предлагаемого устройства.

Был изготовлен макет, который подтвердил работоспособность устройства.

Изобретение может быть применено в качестве уплотнительного устройства для уплотнения штока или любого выдвигающегося цилиндрического элемента или детали, находящихся под давлением жидкой или пастообразной среды. Уплотнительный узел выполнен из двух подвижных относительно оси штока деталей, торцевые поверхности которых, взаимодействующие с сальником, выполнены плоскими и расположены перпендикулярно оси штока, одна из которых имеет возможность вращения вокруг продольной оси штока, а вторая, взаимодействующая с герметизируемой рабочей средой, имеет возможность перемещения вдоль оси штока, и на ее торцевой поверхности выполнены, по крайней мере, две соосные оси сальника, кольцевые проточки с образованием треугольных выступов, одна из которых, выполненная на меньшем радиусе, является сплошной и служит для герметизации, а другая, выполненная на большем радиусе, является прерывистой и служит для фиксации сальника с тонкостенной металлической оболочкой, которая охватывает его боковую поверхность, при этом сальник с оболочкой установлен в кольцевой проточке с зазором относительно боковой поверхности образующих ее деталей. Благодаря наличию данного бокового зазора сальник контактирует только с поверхностью штока и на него не влияют биения и несоосность поверхностей соседних с сальником деталей. Благодаря чему он все время равномерно обжимает боковую поверхность штока, что повышает несущие свойства сальника. На цилиндрической поверхности сальника, взаимодействующей со штоком, выполнены сплошные кольцевые выступы, при этом угол, образованный биссектрисой угла выступов и осью выступающего конца, меньше 90°, а внутренний диаметр сальника, образованный вершинами выступов, меньше диаметра штока. Изобретение повышает надежность уплотнительного устройства. 3 ил.

Уплотнительное устройство для штока поршня, содержащее со стороны выходного конца штока уплотнительный узел, вдоль оси и внутри которого перемещается шток, в уплотнительном узле выполнена кольцевая проточка для размещения сальника, отличающееся тем, что уплотнительный узел состоит из двух подвижных относительно оси штока деталей, торцевые поверхности которых, взаимодействующие с сальником, выполнены плоскими и расположены перпендикулярно оси штока, одна из которых имеет возможность вращения вокруг продольной оси штока а вторая, взаимодействующая с герметизируемой рабочей средой, имеет возможность перемещения вдоль оси штока и на ее торцевой поверхности, обращенной к сальнику, выполнены, по крайней мере, две соосные с осью сальника кольцевые проточки с образованием треугольных выступов, одна из которых, выполненная на меньшем радиусе, является сплошной и служит для герметизации, а другая, выполненная на большем радиусе, является прерывистой и служит для фиксации сальника с тонкостенной металлической оболочкой, которая охватывает его боковую поверхность, при этом сальник с оболочкой установлен в кольцевой проточке с зазором относительно боковой поверхности образующих ее деталей, на цилиндрической поверхности сальника, взаимодействующей со штоком, выполнены сплошные кольцевые выступы, при этом угол, образованный биссектрисой угла выступов и осью выступающего конца штока, меньше 90°, а внутренний диаметр сальника, образованный вершинами выступов, меньше диаметра штока.