ЗАПОРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ЗАПИРАНИЯ ОТВЕРСТИЯ, ПОДВЕРГАЮЩИЙСЯ ДЕЙСТВИЮ ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F16L55/115 

Изобретение относится к запорному элементу для запирания отверстия, подвергающемуся действию внутреннего давления, согласно преамбуле к пункту 1.

Такие запорные элементы, также называемые экспандерами, могут использоваться, например, для плотного запирания, такого как герметизация, отверстия в двигателе, или клапанном блоке, или также в химическом контейнере. Высокие давления до 1000 бар преобладают во внутренней части двигателя или клапанного блока, и это является причиной предъявления высоких требований к качеству изготовления и к свойствам материала запорного элемента для плотного запирания, такого как герметизация, отверстия в таком двигателе или в клапанном блоке.

Запорный элемент для плотного запирания, такого как герметизация, отверстия, подвергающийся действию внутреннего давления, известен из WO 2009/000317 А1. Этот запорный элемент имеет главный цилиндрический корпус, предназначенный для установки в отверстие, подлежащее запиранию, указанный главный корпус имеет внешний выступающий опорный фланец. Внутри цилиндрического главного корпуса расположен расширяющийся корпус, который с одной стороны формирует накрывание отверстия, а с другой стороны прижимает вставленный в отверстие главный корпус к внутренней поверхности отверстия в радиальном направлении. В исходном состоянии расширяющийся корпус связан с главным корпусом в заданной точке разрыва.

Для герметичного плотного запирания отверстия в нем сначала размещают цилиндрический главный корпус с прикрепленным к нему в заданной точке разрыва расширяющимся корпусом, а затем расширяющийся корпус прижимают к главному корпусу под воздействием давления, при этом происходит сдвиг заданной точки разрыва так, что расширяющийся корпус оказывает радиальное давление на внутреннюю стенку главного корпуса и, таким образом, расширяет и прижимает его к стенке отверстия, подлежащего запиранию, формируя его уплотнение.

Таким образом, задачей изобретения является дальнейшая разработка такого запорного элемента, который может выдерживать еще более высокие внутренние давления и который может быть легко изготовлен и размещен в отверстии, подлежащем запиранию.

Согласно изобретению эта задача решается с помощью запорного элемента, имеющего признаки, описанные в пункте 1, и способа герметизации отверстия, подвергающегося действию внутреннего давления, согласно пункту 14.

Предпочтительные воплощения запорного элемента и способа описаны в зависимых пунктах.

Запорный элемент согласно изобретению характеризуется тем, что расширяющийся корпус сформирован заодно с главным корпусом и перед размещением запорного элемента в отверстии, и в установленном состоянии. Соединение расширяющегося корпуса с главным корпусом выполнено так, что после размещения запорного элемента в отверстии, подлежащем запиранию, расширяющийся корпус может быть впрессован в главный корпус между расширяющимся корпусом и главным корпусом с пластической деформацией области соединения без разрушения соединения между расширяющимся корпусом и главным корпусом. В зависимости от эластичности используемого материала запорного элемента, согласно изобретению, он может быть извлечен из отверстия с возможностью многократного использования запорного элемента.

Предпочтительно выполнение расширяющегося корпуса в форме чаши, содержащей основу, которая во вставленном состоянии запорного элемента формирует накрывание отверстия, и цилиндрическую стенку, сформированную на основе. Главный корпус выполнен в форме рукава с цилиндрической стеной, на которой, преимущественно, сформирован внешне радиально выступающий опорный фланец, с помощью которого запорный элемент может опираться на цилиндрическую стенку отверстия, подлежащего запиранию.

С целью запирания отверстия запорным элементом, подвергающимся действию внутреннего давления, согласно изобретению запорный элемент сначала вставляют в отверстие, а затем прижимают к отверстию, прилагая давление к расширяющемуся корпусу, причем это давление может быть приложено вручную, или путем нанесения удара, или прессовочным инструментом. Расширяющийся корпус, таким образом, прижимают к главному корпусу до пластической деформации области перехода, где расширяющийся корпус сформирован на главном корпусе и/или части расширяющегося корпуса. В этом положении расширяющийся корпус прижимает главный корпус в радиальном направлении к внутренней поверхности отверстия, за счет чего запорный элемент фиксируется, формируя уплотнение отверстия.

После прижатия расширяющегося элемента к главному корпусу неразъемное соединение между главным корпусом и расширяющимся элементом пластически деформировано, но не разрушено, и, таким образом, и перед вставкой запорного элемента в отверстие, подлежащее запиранию, и после вставки расширяющийся элемент является и остается сформированным на главном корпусе как одно целое с ним.

Примеры воплощения и преимущества изобретения описаны более подробно ниже с помощью чертежей, на которых показано:

на фиг. 1

а) сечение первого примера воплощения запорного элемента согласно изобретению еще не в установленном состоянии,

b) увеличенная часть области перехода, в которой расширяющийся корпус сформирован на главном элементе,

c) два различных изображения в перспективе запорного элемента;

на фиг. 2

а) продольное сечение запорного элемента согласно фиг. 1 в процессе сборки,

b) продольное сечение запорного элемента в собранном состоянии;

на фиг. 3

а) сечение второго примера воплощения запорного элемента согласно изобретению еще не в установленном состоянии,

b) увеличенная часть области перехода, в которой расширяющийся корпус сформирован на главном элементе,

c) два различных изображения в перспективе запорного элемента;

на фиг. 4

а) продольное сечение запорного элемента согласно фиг. 3 в процессе сборки,

b) продольное сечение запорного элемента в собранном состоянии.

Первый пример воплощения запорного элемента согласно изобретению, показанный на фиг. 1, включает имеющий форму рукава главный корпус 1 с основной стенкой 1а главного корпуса. Радиально наружу выступающий опорный фланец 5 сформирован на верхнем краю основной стенки главного корпуса 1 и заодно с ним. Как видно на детальном изображении на фиг. 1b, опорный фланец 5 может быть изогнут немного вниз так, чтобы угол а между радиальной внешней периферической поверхностью основной стенки 1а и нижней стороной или проходящей параллельно к ней верхней стороной опорного фланца 5 был немного меньше чем 90°, в частности, например, α=85°.

Как видно из фиг. 1b, толщина основной стенки 1а главного корпуса 1 ступенчато увеличивается вниз от опорного фланца 5. Увеличение толщины основной стенки 1а главного корпуса 1 может также быть непрерывным (например, коническим). За счет увеличения толщины основной стенки 1а внутренний диаметр R_i главного корпуса 1 уменьшается от большего значения $$R_i^2$$ в верхней части к меньшему значению $$R_i^1$$ в нижней части. Наружный диаметр R_a главного корпуса остается по существу постоянным по всей высоте Н.

Нижний край основной стенки 1а главного корпуса 1 изогнут радиально внутрь и в изогнутой части формирует область перехода 8. Стенка 7 сформирована на основной стенке 1а главного корпуса 1 заодно с ним в этой области перехода 8. Область перехода 8 сформирована таким образом, что стенка 7 изогнута по углом 180° к основной стенке 1а и расширяется в верхнем направлении по существу параллельно к основной стенке 1а. Цилиндрически сформированная стенка 7 является составной частью расширяющегося корпуса 4, который, как и стенка 7, включает основу 6, сформированную заодно с ним. Расширяющийся корпус 4 поэтому выполнен по существу в форме чаши, с основой 6 в верхней части и примыкающей к ней у основания цилиндрической стенкой 7. Стенка 7 подразделена на две части переходом 9, а именно на верхнюю внешнюю часть 7а и нижнюю внутреннюю часть 7b. Толщина стенки 7 приблизительно такая же во внешней части 7а, как и во внутренней части 7b. Внутренний диаметр $$r_i^1$$ внутренней части 7b является меньшим, чем внутренний диаметр $$r_i^2$$ внешней части 7а, и соответственно наружный диаметр $$r_a^1$$ нижней внутренней части 7b является меньшим, чем наружный диаметр $$r_a^2$$ внешней части 7а. Наружный диаметр $$r_a^1$$ нижней внутренней части 7b расширяющегося корпуса 4 является немного меньшим, чем внутренний диаметр $$R_i^1$$ основной стенки 1а главного корпуса 1. Нижняя внутренняя часть 7b расширяющегося корпуса 4, таким образом, достигает главного корпуса 1. Наружный диаметр $$r_a^2$$ верхней внешней части 7а расширяющегося корпуса 4 выполнен так, чтобы быть немного большим, чем наибольший внутренний диаметр $$R_i^1$$ основной стенки 1а главного корпуса 1.

Для того чтобы вставить запорный элемент, показанный на фиг.1, в отверстие 3, подлежащее запиранию, запорный элемент, как показано на фиг. 2а, вначале вставляют (свободно) в отверстие так, чтобы опорный фланец 5 опирался на стенку 10, окружающую отверстие. При этом внешняя окружность (наружный диаметр R_a) главного корпуса 1 тесно прилегает, предпочтительно без какого-либо зазора, к внутренней поверхности 2 отверстия 3. Наружный диаметр R_a главного корпуса 1 предпочтительно выбирается таким, чтобы он был немного меньше, чем диаметр D отверстия 3. При диаметре отверстия 3, например D=22 мм, внешний диаметр R_a главного корпуса 1 составляет, например, 21,9 мм.

С целью выполнения запорного элемента непроницаемым для давления при запрессовывании в отверстие 3, запорный элемент приводят в состояние, показанное на фиг. 2b, путем запрессовывания расширяющегося корпуса 4 в главный корпус 1. За счет воздействия силы, прилагаемой к основе 6 расширяющегося корпуса 4 в направлении I внутренней части отверстия 3, область перехода 8 деформируется сначала внизу, в области 7b стенки 7 расширяющегося корпуса 4, сформированного на основной стенке 1а главного корпуса, изогнутой радиально внутрь.

В собранном деформированном состоянии, показанном на фиг. 2b, расширяющийся корпус 4 впрессован полностью в главный корпус 1 так, чтобы поверхность краев основы 6 была заподлицо с верхней стороной фланца 5. Нижняя внутренняя часть 7b стенки 7 изогнута, пластически деформирована и прижата вниз в направлении I внутренней части отверстия 3. При впрессовывании расширяющегося корпуса 4 в главный корпус 1 верхняя внешняя часть 7а расширяющегося корпуса 4 в запрессованном состоянии (фиг. 2b) входит в контакт с внутренней поверхностью (то есть внутренний диаметр $$R_i^1$$ ) нижней части основной стенки 1а главного корпуса 1, который формирует наименьший внутренний диаметр R_i главного корпуса 1. Поскольку наружный диаметр $$r_a^2$$ верхней части 7а расширяющегося элемента 4 является большим, чем внутренний диаметр $$R_i^1$$ главного корпуса 1, в этом положении расширяющийся элемент 4 прижимает основную стенку 1а главного корпуса 1 в радиальном направлении наружу к внутренней поверхности 2 отверстия 3, вследствие чего запорный элемент надежно фиксируется в отверстии 3, формируя уплотнение.

После впрессовывания расширяющегося корпуса 4 в главный корпус 1 форма верхней внешней части 7а расширяющегося корпуса остается стабильной, тогда как нижняя внутренняя часть 7b расширяющегося корпуса и область перехода 8, которой стенка 7 расширяющегося корпуса 4 скреплена с основной стеной 1а главного корпуса 1, пластически деформированы. Однако соединение расширяющегося корпуса 4, выполненного заодно с главным корпусом 1, в этом случае неразделимо, в отличие от запорного элемента, описанного в WO 2009/000317 А1.

Запорный элемент примера воплощения, показанного на фиг. 3, по существу отличается от запорного элемента, показанного на фиг. 1, только формой области перехода 8, в которой расширяющийся корпус 4 является сформированным на главном корпусе 1. В остальном используются те же ссылочные номера.

В отличие от запорного элемента согласно фиг. 1, область перехода 8 в этом примере воплощения имеет треугольное поперечное сечение, как видно, в частности, на фиг. 3b. Нижний край основной стенки 1а главного корпуса 1 является тупоугольным и изогнутым в направлении радиально внутрь для формирования области перехода 8. Однако в этом примере воплощения нижний край основной стенки 1а не изогнут под углом 180° (как в примере воплощения, показанном на фиг. 1), а только под тупым углом, меньшим чем 180°. В примере воплощения, показанном на фиг. 3, угол, под которым нижний край основной стенки 1а изогнут радиально внутрь, составляет приблизительно 115°. Могут иметь место и другие углы изгиба в пределах между 90° и 180°.

В изогнутой области перехода 8 нижняя внутренняя часть 7b расширяющегося корпуса 4 примыкает заодно к изогнутому краю основной стенки 1а. В отличие от примера воплощения, показанного на фиг. 1, в примере воплощения, показанном на фиг. 3, эта нижняя внутренняя часть 7b расширяющегося корпуса 4 является угловой в форме с нижним плечом 7b′ и верхним плечом 7b′′. Эти два плеча 7b′ и 7b′′ составляют тупой угол β приблизительно 115°. Внешняя часть 7а расширяющегося корпуса 4 при этом примыкает к верхнему краю верхнего плеча 7b′′. Как и в примере воплощения, показанном на фиг. 1, цельный запорный элемент с его расширяющимся корпусом 4 и главным корпусом 1 сформированы как одно целое. Область перехода 8, где расширяющийся корпус 4 сформирован на главном корпусе 1, и нижняя внутренняя часть 7b расширяющегося корпуса 4 выполнены пластично деформируемыми.

Как и в примере воплощения, показанном на фиг. 1, в примере воплощения, показанном на фиг. 3, также наружный диаметр $$r_a^2$$ верхней внешней части 7а расширяющегося корпуса 4 является немного большим, чем внутренний диаметр $$R_i^1$$ главного корпуса 1.

Подобно запорному элементу, показанному на фиг. 1, запорный элемент, показанный на фиг. 3, запрессован в отверстие 3. Процесс запрессовывания показан на двух этапах на фиг. 4. На первом этапе запорный элемент сначала вставлен (свободно) в отверстие 3, опорный фланец 5 опирается на стенку 10, окружающую отверстие 3. На втором этапе (фиг. 4b) расширяющийся корпус 4 прижимается к главному корпусу 1 путем приложения давления к верхней стороне краев основы 6 заподлицо с верхней стороной опорного фланца 5. После запрессовывания расширяющегося корпуса 4 в главный корпус 1 область перехода 8 и угловая нижняя часть 7b (с плечами 7b′ и 7b′′) расширяющегося корпуса 4 деформируются. В то же время верхняя внешняя часть 7а расширяющегося корпуса 4 достигает упора на внутренней поверхности основной стенки 1а главного корпуса 1. В связи с большим наружным диаметром $$r_a^2$$ верхней внешней части 7а расширяющегося корпуса по сравнению с меньшим внутренним диаметром $$R_i^1$$ основной стенки 1а главного корпуса запрессованный расширяющийся корпус 4 оказывает радиальное внешнее воздействие силы прижима на основную стенку 1а главного корпуса 1 и, таким образом, прижимает главный корпус 1 к внутренней поверхности 2 отверстия, формируя уплотнение.

После запрессовывания расширяющегося корпуса 4 в главный корпус 1 угловая связующая область между нижним плечом 7b′ и верхним плечом 7b′′ нижней внутренней части 7b расширяющегося корпуса 4 деформируется на заключительном этапе в положение, показанное на фиг. 4b. В этом заключительном положении два плеча 7b′ и 7b′′ внутренней части 7b лежат одно над другим и изогнуты под углом 180°, как показано на фиг. 4b. Верхняя внешняя часть 7а, которая проходит по существу параллелью к продольной оси А отверстия 3, далее образует приблизительно прямой угол с верхним плечом 7b′′. Путем изгиба двух плеч 7b′ и 7b′′ внутренней части 7b расширяющегося корпуса 4 радиальная сила прижима, которую создает расширяющийся корпус 4 на главный корпус 1, еще более усиливается.

В обоих примерах воплощения изобретения компоненты запорного элемента могут быть выполнены заодно из металла методом глубокого отпуска или литьем литых частей, предпочтительно выполненных из пластичного материала. Запорные элементы согласно изобретению изготовлены преимущественно из металла, такого как, например, нержавеющая сталь или алюминий, и имеют покрытие. При выполнении запорных элементов из пластического материала возможно его усиление стекловолокнами. В зависимости от упругости материала запорного элемента может иметь место деформация и упругая, и пластическая или только упругая. Запорные элементы согласно изобретению могут использоваться для запирания отверстий, имеющих диаметр в диапазоне от 15 мм до 60 мм и подвергающихся действию нормативного рабочего давления в диапазоне от 5 до 100 бар.

Изобретение достаточно показано на примерах воплощений, описанных выше. Возможно, например, снабжение цилиндрической основной стенки 1а главного корпуса 1 нишами, пазами или окнами на внешней стороне, в любой точке, с целью улучшения крепления в отверстии. Кроме того, с этой же целью внешняя поверхность главного корпуса может быть снабжена покрытием, повышающим трение, или выпуклостями, такими как зубцы, накатки и т.п.

Форма поперечного сечения запорного элемента также может отличаться от описанной здесь формы круга в сечении. Таким образом, возможны также, например, квадратные или прямоугольные формы поперечного сечения.

В принципе, запорный элемент может быть выполнен также из нескольких частей, например основа 6 может быть выполнена из более прочного или менее качественного материала.

Кроме того, запорный элемент также в принципе может быть снабжен одним или несколькими фильтроподобными отверстиями, такими, чтобы осуществлялась проходимость воздуха и жидкости, но удерживались бы твердые частицы.

Изобретение может быть использовано для запирания отверстий, подвергающихся действию внутреннего давления, предпочтительно отверстий в двигателе, или клапанных блоках, или контейнерах. Запорный элемент включает главный корпус (1), имеющий форму рукава, внешняя окружность которого в установленном состоянии плотно примыкает к внутренней поверхности (2) отверстия (3). Главный корпус и расширяющийся корпус (4) соединены изогнутой областью перехода (8). Запорный элемент вставляют в отверстие (3) и затем впрессовывают в него путем приложения давления к расширяющемуся корпусу (4). Поскольку запорный элемент впрессован в отверстие (3), расширяющийся корпус (4) задвинут в главный корпус (1) за счет деформации главного корпуса (1) в радиальном направлении к внутренней поверхности (2) отверстия (3). Запорный элемент прост в изготовлении и способен противостоять сравнительно высоким внутренним давлениям. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Запорный элемент для запирания отверстия, подвергающийся действию внутреннего давления, вставляемый в отверстие с примыканием его внешней окружности в установленном состоянии к внутренней поверхности (2) отверстия (3) и формированием уплотнения, отличающийся тем, что он содержит главный корпус (1) и расширяющийся корпус (4), соединенные изогнутой областью перехода (8), предусмотренной в нижней части основной стенки (1а) главного корпуса (1), при этом расширяющийся корпус (4) имеет цилиндрическую стенку (7), которая состоит из нижней внутренней части (7b) и верхней внешней части (7а), наружный диаметр (r_a ²) которой в неустановленном положении корпуса больше, чем внутренний диаметр (R_i ¹) главного корпуса (1), причем расширяющийся корпус (4) выполнен с возможностью создания в запрессованном состоянии радиального внешнего воздействия силы прижима на стенку (1а) главного корпуса (1) и прижима его к внутренней поверхности (2) отверстия с формированием уплотнения.

2. Запорный элемент по п. 1, отличающийся тем, что главный корпус (1) и расширяющийся корпус (4) выполнены как одно целое.

3. Запорный элемент по п. 1, отличающийся тем, что на главном корпусе (1) дополнительно сформирован радиально выступающий наружу опорный фланец (5).

4. Запорный элемент по п. 3, отличающийся тем, что толщина основной стенки (1а) главного корпуса (1) увеличивается непрерывно или ступенчато от опорного фланца (5) по направлению к внутренней части (I) отверстия (3).

5. Запорный элемент по п. 1, отличающийся тем, что расширяющийся корпус (4) выполнен в форме чаши и включает основу (6), на которой сформирована стенка (7).

6. Запорный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в установленном состоянии расширяющийся корпус (4) задвинут в главный корпус (1).

7. Запорный элемент по п. 6, отличающийся тем, что стенка (7) расширяющегося корпуса (4) сформирована как одно целое с главным корпусом (1), имеющим форму рукава, а область перехода (8) выполнена деформируемой.

8. Запорный элемент по п. 7, отличающийся тем, что в установленном состоянии край основной стенки (1а) главного корпуса (1), имеющего форму рукава, обращенный во внутреннюю часть (I) отверстия (3), согнут под тупым углом, а стенка (7) расширяющегося корпуса (4) сформирована как одно целое с изогнутым краем основной стенки (1а).

9. Запорный элемент по п. 8, отличающийся тем, что в неустановленном состоянии переход (9) сформирован на стенке (7) расширяющегося корпуса (4), при этом переход подразделяет стенку (7) на внешнюю часть (7а) и внутреннюю часть (7b), а наружный диаметр (r_a ²) внешней части (7а) больше, чем наружный диаметр (r_a ¹) внутренней части (7b).

10. Запорный элемент по п. 9, отличающийся тем, что в установленном состоянии только внутренняя часть (7b) расширяющегося корпуса (4) задвинута в главный корпус (1).

11. Запорный элемент по п. 1, отличающийся тем, что его части выполнены с нишами, пазами и окнами.

12. Запорный элемент по п. 1, отличающийся тем, что внешняя поверхность главного корпуса (1) обеспечена, по крайней мере частично, покрытием, повышающим трение, и/или выпуклостями, такими как зубцы или накатки.

13. Запорный элемент по п. 1, отличающийся тем, что он предназначен для запирания отверстия в двигателе, или клапанном блоке, или контейнере.

14. Способ запирания отверстия (3) запорным элементом, подвергающимся действию внутреннего давления, по любому из пп. 1-13, характеризующийся тем, что предварительно запорный элемент вставляют в отверстие (3), прикладывают давление к расширяющемуся корпусу (4) и запрессовывают его в отверстие, при этом расширяющийся корпус (4) запрессовывают в главный корпус (1) и деформируют с обеспечением прижима главного корпуса (1) в радиальном направлении к внутренней поверхности (2) отверстия (3).

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что после запрессовывания запорного элемента в отверстие (3) внутренняя часть (7b) расширяющегося корпуса (4) за счет его деформирования прижимается аксиально к внутренней части (I) отверстия (3) и/или радиально к продольной оси (А) отверстия (3).

16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что после запрессовывания запорного элемента в отверстие (3) внешняя часть (7а) расширяющегося корпуса (4) прижимается аксиально ко внутренней части (I) отверстия (3) и приобретает форму, обеспечивающую контактное давление внешней части (7а) расширяющегося корпуса (4) снаружи в радиальном направлении на главный корпус (1).

17. Способ по п. 14, отличающийся тем, что после запрессовывания расширяющегося корпуса (4) в главный корпус (1) соединение между главным корпусом (1) и расширяющимся корпусом (4) деформируется упруго или пластично без разрушения.