УПЛОТНЕНИЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК F16J15/22 

Изобретение относится к уплотнительной технике, к уплотнительным спирально-навитым уплотнениям с использованием термостойких материалов, таких как, например, графлекс.

Известны контактные уплотнения в виде кольцевых элементов различных форм в сечении: круглой, прямоугольной, U, V-образной, выполненные из эластичных (резина, полиуретан) изделий (см. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник. Под ред. Голубева А.И. и Кондакова Л.А., М.: Машиностроение, 1994, с.15, рис.1.6, 157, 160).

Недостатком конструкции является необходимость применения эластичных материалов, которые обладают ограниченной прочностью, термостойкостью (80...150°С), что не позволяет использовать их при высоких температурах и рабочих давлениях.

Известны комбинированные контактные уплотнения в виде кольцевых элементов различных форм в сечении: прямоугольной, U, V-образной, выполненные из мало или неэластичных (пластмассы: полиамид, фторопласт и др.) изделий (см. Уплотнения и уплотнительная техника... с.160, рис.4.21, с.161), в которых применены силовые разжимные элементы в виде ленточной U-образной пружины с разрезами, которые разжимают уплотнительные губки кольца, обеспечивая их первоначальный поджим к поверхности уплотнения.

Данные уплотнения обладают более высокой термостойкостью (до 240°С - фторопласты, далее идет резкое снижение прочностных характеристик, по справочнику указывают 280-300°С, но при этой температуре фторопласты не могут работать длительное время).

Недостатком уплотнений является трудность изготовления разжимных элементов, ограниченность применения при больших размерах (трудно обеспечить упругий поджим неупругих материалов) и ограниченная термостойкость. Кольцевой элемент должен быть относительно тонким в сечении, иначе он будет обладать малой радиальной податливостью, это приводит к быстрому его износу в сложных условиях эксплуатации и при средах, содержащих абразивные загрязнения.

Известно выполнение комбинированного уплотнения в виде кольцевого элемента соединенного из сегментов с соединением шип-паз, которое поджимается упругим эластичным элементом (см. патент RU 2173422, F 16 J, 15/16, оп. Б.И. №25, 2001). Данное уплотнения снимает недостатки в части повышения износостойкости, но обладает низкой термостойкостью и сложное в изготовлении.

Известно уплотнение в виде спирально-навитой прокладки в виде цилиндрического кольца из ленточного уплотнительного, волокнистого терморасширенного графита - графлекса (см. патент JP 63-23423, F 16 J 15/22, 1988).

Это термостойкое изделие (до 600°С). Недостатком таких уплотнительных элементов является их невысокие прочностные и упругие характеристики, эрозионная и триботехническая (от трения) износостойкости, невозможность самоуплотнения от рабочего давления из-за низкой эластичности и упругости в направлении поверхности уплотнения, что свойственно уплотнениям из эластичных материалов. Для сальников необходимо создание первоначального давлений сжатия, примерно в 2 раза превышающих наибольшее рабочее давление среды для обеспечения герметичности соединения (коэффициент передачи бокового давления примерно равен 0,5), что приводит к значительному возрастанию сил трения, в десятки раз по сравнению с манжетными, шевронными уплотнениями (см. Уплотнения... с.338).

Техническим результатом изобретения является расширение и улучшение технических характеристик уплотнения, а именно прочностных, упругих характеристик, очищающей способности, способности препятствовать выносу материала элементного уплотнительного изделия из зоны трения, увеличение ресурса работы, триботехнической и эрозионной износостойкости, обеспечение самоуплотнения от рабочего давления и снижению сил трения.

Технический результат достигается тем, что уплотнение в виде монолитного профильного кольца V, U, Х-образной формы в сечении из уплотнительного изделия выполнено в виде нескольких подобных профильных колец, расположенных параллельно и связанных друг с другом, из термостойкого уплотнительного изделия с внедренным в его объем и монолитно связанным с ним армирующим проницаемым изделием, эквидистантно расположенным от одной из его параллельных поверхностей, в котором поровое пространство заполнено уплотнительным изделием, причем показатели прочности, твердости, износостойкости и эрозионной стойкости армирующего проницаемого изделия более высокие, чем у термостойкого уплотнительного изделия, кроме этого:

- в качестве термостойкого уплотнительного изделия использованы графитовое, базальтовое волокно, "графлекс", базальтовая ткань, ткань из углеродистого волокна,

- армирующее проницаемое изделие выполнено из непроницаемой ленты с перфорационными отверстиями разного диаметра и разнообразной формы,

- армирующее проницаемое изделие выполнено из высокопрочных и термостойких металлических и неметаллических нитей, волокон, войлока, стержней, сетки, ткани, например, из стекловолокна, базальтового волокна, углеродного волокна,

- армирующее проницаемое изделие выполнено из металлической проволоки, из проволочной сетки,

- армирующее проницаемое изделие выполнено с упруго-демпфирующими свойствами, объемно-проницаемым, из "металлорезины",

- толщина термостойкого уплотнительного изделия выполнена равной толщине армирующего проницаемого изделия внедренного в него,

- толщина термостойкого уплотнительного изделия больше толщины армирующего проницаемого изделия внедренного в него,

- профильные кольца образованы из профилированной ленты с плотной спиральной навивкой, причем профилированная лента состоит из ленточного термостойкого уплотнительного изделия с внедренным в него и эквидистантно расположенным от его параллельных поверхностей армирующим проницаемым изделием,

- разные профильные кольца из термостойкого уплотнительного изделия монолитно связаны друг с другом с образованием взаимно проникающих связей между ними.

Сущность изобретения заключается в применении нескольких уплотнительных колец из термостойкого уплотнительного изделия с армирующим изделием.

На фиг.1, 2, 3 показаны нормальные сечений уплотнительных изделий, на фиг.4, 5, 6 - формы уплотнений в уплотнительном узле, на фиг.7 - форма уплотнения в свободном состоянии до установки в уплотнительный узел.

Уплотнение в виде монолитного профильного кольца V, U, Х-образной формы в сечении выполнено в виде нескольких подобных профильных колец (ПК) 1, 2, 3, 4, 5, 6, расположенных параллельно и связанные друг с другом (фиг.1, 2, 3, 4), которые могут быть с опорными кольцами 7 (фиг.7), на фиг 1, 2, 3 не показаны. ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6 изготовлены из термостойкого уплотнительного изделия (ТУИ) 8 с внедренным в его объем и монолитно связанным с ним армирующим проницаемым изделием (АПИ) 9, эквидистантно расположенным от одной из его параллельных поверхностей 10, 11, в котором поровое пространство заполнено ТУИ 8, причем показатели прочности, твердости, износостойкости, эрозионной стойкости АПИ 9 более высокие, чем у ТУИ 8.

ТУИ 8 может быть выполнено из термостойкого графитового, базальтового волокна, терморасширенного графита - "графлекса", базальтовой ткани, ткани из углеродистого волокна, а также и из наполненных фторопластов (стекловолокном, углеродным волокном, коксом, графитом и др.), полиимида (рабочая температура 300°С).

АПИ 9 может быть выполнен из непроницаемой ленты с перфорационными отверстиями разного диаметра и разнообразной формы, из высокопрочных и термостойких металлических и неметаллических нитей, волокон, войлока, стержней, сетки, ткани, например, из стекловолокна, базальтового волокна, углеродного волокна, из металлической проволоки (в виде простого изделия из проволоки изогнутого с разнообразным рисунком, зигзагообразно, спирально, из отрезков проволоки прямых и деформированных определенным образом и т.д.), в виде сетки. АПИ 9 может быть выполнен с упругодемпфирующими свойствами (из проволоки, волокон, нитей, стержней с упругими, пружинными свойствами), "металлорезины". АПИ 9 может быть в виде плоской структуры (сетки) или объемно-проницаемым - из нескольких сеток, наложенных друг на друга, скрепленных или не скрепленных друг с другом, войлока, "металлорезины". Особенность "металлорезины" в том, что она может быть выполнена из цельного куска проволоки, что создает монолитность конструкции, причем при использовании неупругих материалов "металлорезина" обладает упругими свойствами. Это обеспечивается специальной технологией ее изготовления из проволоки.

ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6 могут быть образованы из профилированной ленты с плотной спиральной навивкой, причем профилированная лента состоит из ленточного ТУИ 8 с внедренным в нее и эквидистантно расположенным от одной из ее поверхностей 10, 11 (вдоль ширины, фиг.1, 2, 3) ленточным АПИ 9. Все ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6 связаны после наложения друг с другом. Прочность связи ТУИ 8 с АПИ 9 очень высока, ТУИ 8 находится в очень уплотненном состоянии и практически не обладает упругими свойствами, которые обеспечиваются только свойствами АПИ 9. ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6 друг с другом в уплотнении могут иметь подвижность по поверхностям контакта (не связаны монолитно и жестко) в виде набора ПК, а могут быть монолитно связаны с образованием взаимно проникающих связей (путем совместного прессования) по ТУИ 8, прочность которых может быть ниже, чем прочность связи АПИ 9 с ТУИ 8, т.е. сохраняется небольшая внутренняя подвижность ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6. Соединение ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6 может быть и путем склеивания высокотемпературными клеями, герметиками, например, на основе керметов. ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6 могут быть получены и из листового ТУИ 8 с внедренным АПИ 9, путем вырубки и формообразования из него ПК. ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6 могут быть получены путем совместного прессования ТУИ 8 и АПИ 9 из не ленточного и не листового изделия (из волокон, порошка, отрезков, кусков армирующего изделия), что позволяет создавать ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6 любой формы и с любыми свойствами.

АПИ 9 может быть выполнено из материала с коэффициентом теплопроводности более высоким, чем ТУИ 8.

АПИ 9 может быть выполнено из материала с коэффициентом температурного расширения, близким к коэффициенту температурного расширения ТУИ 8.

Выполнение уплотнения из нескольких ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6 из ТУИ 8 (фиг.1, 2, 3) с внедренным в него АПИ 9, в котором ТУИ 8 импрегнировано (внедрено) в свободное поровое пространство АПИ 9 обеспечивает монолитность связи их друг с другом за счет волокнистой структуры ТУИ 8 и пористой структуры АПИ 9. Полученные из ТУИ 8 с внедреннннным АПИ 9 ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6 более прочные, пластичные (легко деформируются), обладают большой упругой податливостью (зависит от упругих свойств АПИ 9), чем без АПИ 9, из-за наличия в своей структуре внедренного металлического или неметаллического каркаса АПИ 9.

Это позволяет в широких пределах регулировать прочностные и упругие характеристики ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6 (применение сеток различного размера ячеек из разных, в том числе и упругих материалов, проволок разных диаметров), антифрикционные и эррозионно-стойкие свойства (применение проволок из антифрикционных, износостойких и эррозионно-стойких сплавов, с антифрикционными покрытиями). Выполнение АПИ 9 объемно-проницаемым и с упругодемпфирующими свойствами из "металлорезины", войлока, позволяет значительно усилить упругие характеристики, причем этими характеристиками можно управлять при изготовлении "металлорезины", войлока, сеток.

Выполнение толщины ТУИ 8, равной АПИ 9 (фиг.1), обеспечивает максимальные прочностные данные (твердость, жесткость, упругость, антифрикционные свойства, износостойкость, эрозионную стойкость). Выполнение ТУИ 8 и АПИ 9 разной толщины (фиг.2, 3) позволяет изменять в широких пределах механические характеристики, герметизирующую способность ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6, антифрикционные свойства, износостойкость, свойства скрепления друг с другом ПК. АПИ 9 хорошо выполняет роль чистильщика штока, цилиндра и др., т.к. выполнен из прочного и твердого материала,

При установке уплотнения в канавку корпуса (фиг.4, 5, 6) U, Y, X-образные части уплотнения сжимаются от первоначального состояния (фиг.7) и создают усилие предварительного натяга с канавкой корпуса и с подвижным элементом - штоком, цилиндром и др., что обеспечивает герметичность соединения при низких давлениях рабочей среды. При увеличении рабочего давления на внутреннюю поверхность U, V, X-образную поверхность уплотнения действует рабочее давление среды и контактные давления в зоне герметизации (со штоком, цилиндром и с корпусом) увеличиваются, при снижении рабочего давления они снижаются автоматически. Коэффициент трения подвижного соединения с таким уплотнением во много раз (10...50) ниже, чем в уплотнении с сальником, которые сейчас применяются при высоких температурах эксплуатации - 400...600°С. Применение АПИ 9 из более высокотеплопроводных материалов, чем ТУИ 8 решает и другую важную задачу отвода тепла из зоны трения, что не маловажно при высоких температурах эксплуатации. Это позволяет перераспределять и отводить тепло от зоны трения уплотнения, что повышает его долговечность и уменьшает его разрушение от перегрева. Выполнение АПИ 9 из материала с коэффициентом температурного расширения (КТР), близким к коэффициенту температурного расширения ТУИ 8, обеспечивает синхронность деформации ТУИ 8 и АПИ 9 при резких перепадах температур, что повышает надежность работы уплотнения и предотвращает его разрушение из-за разных по величине удлинений АПИ, 9 ТУИ 8 при больших размерах изделий. Следует отметить, что влияние разности КТР материалов АПИ 9 и ТУИ 8 в данной конструкции уплотнения не существенны, т.к. деформация пористых АПИ 9 значительно ниже монолитных изделий за счет внутренней микроподвижности узлов решетки АПИ 9. Применение АПИ 9 из прочных и твердых материалов обеспечивает значительное увеличение износостойкости и эрозионной стойкости уплотнения по сравнению с его изготовлением из чистого ТУИ 8 без АПИ 9.

Таким образом, в уплотнении, за счет использования его особой конструкции и применения различных по исходным свойствам ТУИ 8, АПИ 9 расширяются и улучшаются технические характеристики ПК 1, 2, 3, 4, 5, 6 и уплотнения в целом: прочностные, упругие, очищающие способности, способность препятствования выносу изделия ТУИ 8 из зоны трения, триботехнической и эрозионной износостойкости.

Уплотнение может быть использовано в трубопроводной арматуре, насосах, которые работают при высокой температуре в энергетической, нефтяной, газовой и химической арматуре.

Изобретение относится к уплотнительной технике, к уплотнительным спирально-навитым уплотнениям с использованием термостойких материалов, таких как, например, графлекс. Уплотнение в виде набора профильных колец. Каждое из колец выполнено из термостойкого уплотнительного изделия с внедренным в его объем и монолитно связанным с ним армирующим проницаемым изделием, в котором поровое пространство заполнено уплотнительным изделием. Изобретение позволяет расширить и улучшить технические характеристики уплотнения, а именно прочностные, упругие характеристики, очищающие способности, способности препятствовать выносу материала элементного уплотнительного изделия из зоны трения, увеличение ресурса работы, триботехнической и эрозионной износостойкости, обеспечение самоуплотнения от рабочего давления и снижения сил трения. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Уплотнение в виде набора профильных колец, отличающееся тем, что каждое из колец выполнено из термостойкого уплотнительного изделия с внедренным в его объем и монолитно связанным с ним армирующим проницаемым изделием.2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что в качестве термостойкого уплотнительного изделия применено волокно или лента.3. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что армирующее проницаемое изделие выполнено в виде непроницаемого элемента с перфорационными отверстиями.4. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что армирующее проницаемое изделие выполнено из высокопрочных и термостойких металлических и/или неметаллических нитей.5. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что армирующее проницаемое изделие выполнено с упруго-демпфирующими свойствами, например, из «металлорезины».6. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что армирующее проницаемое изделие выполнено из материала с коэффициентом теплопроводности более высоким, чем у материала термостойкого уплотнительного изделия.7. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что толщина термостойкого уплотнительного изделия выполнена равной или большей, чем толщина армирующего проницаемого изделия.8. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что в каждом профильном кольце армирующее проницаемое изделие расположено эквидистантно от одной из его параллельных поверхностей, например вдоль ширины.9. Уплотнение в виде набора профильных колец, отличающееся тем, что профильные кольца образованы из профилированной ленты с плотной спиральной навивкой, причем в профилированную ленту термостойкого уплотнительного изделия внедрено армирующее проницаемое изделие.10. Уплотнение по п.9, отличающееся тем, что армирующее проницаемое изделие выполнено из непроницаемой ленты с перфорационными отверстиями.11. Уплотнение по п.9, отличающееся тем, что армирующее проницаемое изделие выполнено из высокопрочных и термостойких металлических и/или неметаллических нитей. 12. Уплотнение по п.9, отличающееся тем, что армирующее проницаемое изделие выполнено с упруго-демпфирующими свойствами, например, из «металлорезины».13. Уплотнение по п.9, отличающееся тем, что армирующее проницаемое изделие выполнено из материала с коэффициентом теплопроводности более высоким, чем у материала термостойкого уплотнительного изделия.14. Уплотнение по п.9, отличающееся тем, что толщина термостойкого уплотнительного изделия выполнена равной или большей, чем толщина армирующего проницаемого изделия.15. Уплотнение по п.9, отличающееся тем, что показатели прочности, твердости, износостойкости, эрозионной стойкости армирующего проницаемого изделия более высокие, чем у термостойкого уплотнительного изделия.16. Уплотнение по п.9, отличающееся тем, что в каждом профильном кольце армирующее проницаемое изделие расположено эквидистантно от одной из его параллельных поверхностей, например вдоль ширины.