ГИДРОЦИЛИНДР Российский патент 2018 года по МПК F15B21/04 

Настоящее изобретение относится к цилиндру, прежде всего гидроцилиндру, согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения.

Подобные цилиндры обычно имеют корпус, в котором с возможностью направленного перемещения в нем установлен поршень. Поршень отделяет в корпусе цилиндра друг от друга две его полости. От поршня отходит шток, который проходит полностью через по меньшей мере одну из полостей цилиндра и выходит из его корпуса через свою направляющую. В направляющей штока могут быть предусмотрены уплотняющие средства, например в виде уплотнительных колец. Помимо этого поршень также может иметь на своей наружной боковой поверхности уплотняющие средства, прежде всего в виде уплотнительных колец. На практике было установлено, что при использовании подобного цилиндра при крайне низких окружающих температурах, например при температурах ниже -40°С, обеспечить достаточную герметичность цилиндра при таких температурах более невозможно. Обычные материалы уплотняющих средств и обычные, прежде всего металлические, материалы цилиндра непригодны или лишь ограниченно пригодны для работы при таких температурах. Недостаток же "специальных материалов", которые даже при столь низких температурах обеспечивают работоспособность цилиндра, состоит в их чрезвычайно высокой стоимости. Подобные экстремальные с точки зрения температуры ситуации возникают, например, при применении цилиндра в приводах нефтепромысловых насосов.

Из уровня техники известен обогрев подобных цилиндров из обычных материалов, например, путем заключения в электронагревательную рубашку. Обычно такая электронагревательная рубашка полностью охватывает корпус цилиндра снаружи в окружном направлении. Однако недостаток подобных электронагревательных рубашек состоит в том, что их применение в требующих обеспечения взрывобезопасности зонах не допускается или допускается лишь условно. Помимо этого их помещение на цилиндры связано со сравнительно высокими затратами.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача предложить цилиндр, который был бы недорогим в изготовлении и обеспечивал бы возможность своего надежного пуска и/или своей надежной работы при особо низких температурах.

Указанная задача решается с помощью цилиндра с отличительными признаками, приведенными в п. 1 формулы изобретения.

В зависимых пунктах формулы изобретения представлены остальные, предпочтительные варианты осуществления изобретения.

В изобретении предлагается цилиндр (гидроцилиндр) для применения при низких температурах. Такой цилиндр имеет корпус с установленным в нем с возможностью направленного перемещения в осевом направлении поршнем. Поршень при этом гидравлически отделяет первую полость цилиндра от его второй полости. От поршня отходит его шток, проходящий через корпус и выходящий из него. Согласно изобретению у такого цилиндра предусмотрен нагревательный элемент, который предназначен для обогрева по меньшей мере одной части штока поршня и/или по меньшей мере одной части поршня и/или по меньшей мере одной части корпуса цилиндра. В этом случае нагревательный элемент позволяет обогревать часть штока поршня и/или часть поршня, например, вместе с соответствующей частью корпуса цилиндра. Тепло подводится к нагревательному элементу жидким теплоносителем.

Преимущество такого решения состоит в том, что при малых затратах удается получить по меньшей мере частично обогреваемый цилиндр, который может также использоваться в требующих обеспечения взрывобезопасности зонах, поскольку его обогрев не является электрическим. Еще одно преимущество состоит в том, что нагревательным элементом обогревается не весь цилиндр, а только его определенные части или участки, соответственно определенная часть или определенный участок. В качестве обогреваемой части или в качестве обогреваемых частей выбираются прежде всего уплотняющие зоны. Тем самым благодаря нагревательному элементу "стандартный цилиндр" может использоваться при низких температурах, для работы при которых ранее требовалось использовать "специальную конструкцию" со специальными материалами.

Жидкий теплоноситель в принципе можно было бы использовать и для охлаждения цилиндра.

В еще одном варианте осуществления изобретения нагревательный элемент предпочтительно располагать в зоне уплотнения и/или направляющей штока поршня и/или в зоне уплотнения, соответственно направляющей поршня. Тем самым в цилиндре реализован обогревательный контур, который позволяет обогревать в первую очередь особо критичные зоны вблизи или около направляющих и уплотнительных элементов в целях надежного приведения в действие цилиндра, соответственно поддерживать их температуру при работе цилиндра в приемлемых пределах. Тот факт, что надежно обеспечивается выполнение уплотнением штока своей функции, имеет особо важное значение постольку, поскольку соответствующие неплотности могли бы привести к утечке наружу.

При использовании двух нагревательных элементов они могут быть подсоединены к общему для них обоих или к отдельному для каждого из них обогревательному контуру.

В предпочтительном варианте жидкий теплоноситель представляет собой рабочую жидкость на масляной основе. Тем самым для работы нагревательного элемента можно использовать ту же жидкость, на которой работает и цилиндр, снизив в результате общие затраты на его обогрев. В этом отношении возможно применение рабочей жидкости из гидравлического контура цилиндра или соседнего гидравлического устройства.

В еще одном варианте осуществления изобретения нагревательный элемент выполнен в виде нагревательной втулки, охватывающей корпус цилиндра. В этом случае такая нагревательная втулка ограничивает, предпочтительно вместе с корпусом цилиндра, жидкостную камеру. Подобная жидкостная камера выполнена с возможностью подвода в нее и отвода из нее жидкого теплоносителя. В предпочтительном варианте нагревательный элемент имеет для снабжения жидкостной камеры жидким теплоносителем впускное присоединение и выпускное присоединение. Такие присоединения вполне могут быть также выполнены на или в корпусе цилиндра. Под нагревательной втулкой подразумевается конструктивно крайне простая дополнительная деталь, которая не оказывает отрицательного влияния на основную конструкцию цилиндра. Нагревательную втулку можно, например, предусматривать на обычном цилиндре. В этом случае теплый жидкий теплоноситель может просто втекать через впускное присоединение в жидкостную камеру, прежде всего узкую жидкостную камеру, где тепло отдается примыкающим к ней деталям.

В предпочтительном варианте жидкостная камера образована углублением на внутренней боковой стенке нагревательной втулки и/или на наружной боковой стенке корпуса цилиндра. В соответствии с этим жидкостная камера выполнена в одной из прилегающих друг к другу поверхностей или в обеих прилегающих друг к другу поверхностях между нагревательной втулкой и корпусом цилиндра. Нагревательная втулка в предпочтительном варианте выполнена в виде полого кругового цилиндра или кругового кольца. В качестве указанного углубления может быть предусмотрена канавка, например кольцевая канавка.

Для ввода большого количества тепла в цилиндр нагревательная втулка в основном или полностью выполнена из материала со сравнительно низкой теплопроводностью, соответственно со сравнительно низкой теплопередачей. Благодаря этому тепло жидкого теплоносителя практически не передается из жидкостной камеры нагревательной втулке, в вместо этого передается примыкающей к этой жидкостной камере части корпуса цилиндра. Альтернативно этому или дополнительно к этому нагревательная втулка может иметь покрытие, которое также обладает сравнительно низкой теплопроводностью, соответственно сравнительно низкой теплопередачей. В соответствии с этим нагревательная втулка преимущественно выполнена теплоизолирующей и/или изготовлена из в основном теплоизолирующего материала.

Для возможности передачи максимально возможного количества тепла требуемой зоне корпуса цилиндра по меньшей мере эта зона выполнена в основном из материала со сравнительно хорошей теплопроводностью, соответственно с хорошей теплопередачей. В качестве такой зоны предпочтительно выбирать зону уплотнения штока поршня и/или зону уплотнения поршня. Дополнительно к этому или альтернативно этому корпус цилиндра может иметь по меньшей мере в зоне уплотнения штока поршня и/или в зоне уплотнения поршня покрытие, обладающее сравнительно хорошей теплопроводностью, соответственно сравнительно хорошей теплопередачей. В соответствии с этим корпус цилиндра в зоне уплотнения штока поршня и/или в зоне уплотнения поршня образован теплопроводящим материалом.

В еще одном варианте осуществления изобретения корпус цилиндра имеет для уплотнения штока поршня, которое, например, состоит из нескольких уплотнительных колец, и для направления штока поршня втулкообразную корпусную деталь. В этом случае такая корпусная деталь в предпочтительном варианте может быть по меньшей мере на отдельных участках выполнена из теплопроводящего материала и/или по меньшей мере на отдельных участках иметь теплопроводящее покрытие.

В предпочтительном варианте указанная корпусная деталь вместе с нагревательной втулкой образуют в этом случае единый блок, прежде всего предварительно собранный блок (или узел). Такой блок можно получить, соединив корпусную деталь с нагревательной втулкой с геометрическим замыканием посредством резьбового соединения, с материальным замыканием или с силовым замыканием. Подобный блок из корпусной детали и нагревательной втулки обеспечивает возможность быстрой замены уплотнения и/или уплотнительной системы. Альтернативно этому возможен вариант с выполнением корпусной детали и нагревательной втулки за одно целое.

Жидкостной камере можно придавать такую геометрию, чтобы обеспечивалась наилучшая передача тепла к уплотнениям штока поршня.

Корпусная деталь представляет собой, например, часть головки цилиндра или образует его головку.

Зона уплотнения поршня в предпочтительном варианте может представлять собой втулку корпуса цилиндра, охватываемую в этом случае нагревательной втулкой.

В этом случае нагревательная втулка охватывает втулку цилиндра, если смотреть в осевом направлении, полностью или на отдельных участках. В еще одном варианте осуществления изобретения нагревательную втулку предпочтительно располагать на втулке цилиндра в зоне конечного положении поршня.

В качестве уплотнений поршень может иметь на своей наружной боковой поверхности и/или корпусная деталь для уплотнения штока поршня может иметь на своей внутренней боковой поверхности по меньшей мере одно кольцевое уплотнение.

В еще одном предпочтительном варианте предусмотрено устройство для измерения температуры. При этом возможно задействование нагревательного элемента при опускании температуры ниже заданного значения.

Под устройством для измерения температуры подразумевается, например, датчик температуры, который в этом случае соединен с системой управления нагревательным элементом. Дополнительно к этому или альтернативно этому возможно использование терморегулирующего клапана, температурного реле и/или термостата.

Устройство для измерения температуры позволяет при необходимости активизировать нагревательный элемент автоматически, т.е. без ручного вмешательства.

Температуру предпочтительно измерять при этом с выходной стороны жидкостной камеры.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на единственный прилагаемый к описанию чертеж. На этом чертеже в продольном разрезе показан предлагаемый в изобретении цилиндр, выполненный по одному из вариантов.

На прилагаемом к описанию чертеже показан цилиндр 1. Такой цилиндр 1 представляет собой гидроцилиндр, пригодный для работы при низких температурах. Он имеет корпус 2 со втулкой 4. Втулка 4 цилиндра закрыта его основанием 6 и головкой 8. Во втулке 4 с возможностью направленного осевого скольжения в ней установлен поршень 10. С поршнем 10 соединен его шток 12, который проходит начиная от поршня в осевом направлении. Поршень 10 отделяет во втулке 4 цилиндра его первую полость 14 от его второй полости 16. Шток 12 поршня проходит при этом через первую полость 14 цилиндра, в которой тем самым образована кольцевая штоковая полость (жидкостная полость). Помимо этого шток 12 поршня проходит сквозь головку 8 цилиндра через примерно цилиндрический проход 18.

К обращенной от поршня 10 опорной поверхности 20 головки 8 цилиндра примыкает корпусная деталь 22. Сквозь нее также проходит шток 12 поршня через проход 24, при этом шток 12 поршня далее выступает наружу из этой корпусной детали 22. В каждом из проходов 18 и 24 предусмотрены уплотняющие средства и средства скольжения. Уплотняющие средства, обеспечивающие отсутствие утечки в окружающее пространство, выполнены в данном случае в виде кольцевых уплотнений, при этом в проходе 24 предусмотрено два кольцевых уплотнения 26. Средства скольжения выполнены в виде колец 27 скольжения и служат охватывающими направляющими скольжения для штока 12 поршня.

Поршень 10 также имеет на своей наружной боковой поверхности уплотняющее средство в виде кольцевого уплотнения 28 и два кольца 27 скольжения, при этом кольцевое уплотнение 28 расположено, если смотреть в осевом направлении, между кольцами 27 скольжения.

Головка 8 цилиндра утоплена своим осевым буртиком 30 во втулку 4 цилиндра, при этом обращенная к поршню 10 кольцевая торцевая поверхность 32 осевого буртика 30 служит в данном случае опорной поверхностью, соответственно упорной поверхностью для поршня 10. Другую упорную, соответственно опорную поверхность образует предусмотренный во второй полости 16 цилиндра осевой буртик 34 основания 6 цилиндра, также утопленный при этом во втулку 4 цилиндра. В качестве упорной поверхности для поршня 10 в этом случае предусмотрена кольцевая торцевая поверхность 36 основания 6 цилиндра. Внутренняя боковая поверхность 40 основания 6 цилиндра ограничивает имеющее форму глухого отверстия углубление, в котором в радиальном направлении оканчивается напорное присоединение 42 (присоединение напорной гидролинии). Еще одно напорное присоединение предусмотрено в зоне головки 8 цилиндра. В головке 8 цилиндра также предусмотрено имеющее примерно форму глухого отверстия углубление 44, в котором радиально оканчивается напорное присоединение 46 (присоединение напорной гидролинии). Через это напорное присоединение 42 во вторую полость 16 цилиндра может подаваться рабочая среда, соответственно рабочая жидкость на масляной основе или из второй полости 16 цилиндра может отводиться рабочая среда. Соответственно через напорное присоединение 46 рабочая среда может подаваться в первую полость 14 цилиндра или отводиться из нее.

Для обогрева цилиндра 1 в зоне его уплотняющих средств 26, 28 предусмотрены первый и второй нагревательные элементы 48, 50. Первый нагревательный элемент 48 выполнен в виде нагревательной втулки и имеет в основном цилиндрическую внутреннюю боковую поверхность 52. В ограниченное этой поверхностью пространство с плотным прилеганием утоплена головка 8 цилиндра своим обращенным от осевого буртика 30 осевым буртиком 54. Помимо этого первый нагревательный элемент 48 охватывает корпусную деталь 22, максимальный наружный диаметр которой примерно соответствует максимальному наружному диаметру осевого буртика 54. Корпусная деталь 22 имеет радиальный буртик 56, который своей обращенной к поршню 10 кольцевой поверхностью 58 прилегает к первому нагревательному элементу 48. Радиальный буртик 56 в данном случае служит фланцем, который винтами 60 соединен с первым нагревательным элементом 48.

На корпусной детали 22 на части охватываемого первым нагревательным элементом 48 участка выполнена кольцевая канавка 62, которая в качестве жидкостной камеры служит для ее заполнения жидким теплоносителем. Кольцевая канавка 62 расположена, если смотреть в осевом направлении, с отступом от радиального буртика 56 корпусной детали 22 и от осевого буртика 54 головки 8 цилиндра. Для гидравлического соединения жидкостной камеры, образованной кольцевой канавкой 62, в первом нагревательном элементе 48 предусмотрены ориентированные примерно в радиальном направлении впускное присоединение 64 и выпускное присоединение 66. Первый нагревательный элемент 48 также имеет фланец 68, обеспечивающий возможность крепления цилиндра 1. Первый нагревательный элемент 48 и головка 8 цилиндра закрепляются на цилиндре 1 обычными средствами 70. Первый нагревательный элемент 48 и корпусная деталь 22 в предпочтительном варианте образуют единый блок или узел. Корпусная деталь 22 может быть изготовлена, например, из материала, обладающего хорошей теплопроводностью и высокой теплопередачей, тогда как первый нагревательный элемент 48 в предпочтительном варианте выполнен из материала с низкой теплопроводностью и низкой теплопередачей. В этом случае благодаря хорошей теплопроводности корпусной детали 22 тепло жидкого теплоносителя может передаваться через нее от образованной кольцевой канавкой 62 жидкостной камеры к уплотняющим средствам 26, соответственно к проходу 24. Теплый жидкий теплоноситель при этом подводится в кольцевую канавку 62 через впускное присоединение 64 и отводится из нее через выпускное присоединение 66.

Второй нагревательный элемент 50 также выполнен в виде нагревательной втулки и охватывает имеющую примерно форму полого цилиндра втулку 4. Длина нагревательного элемента 50 в осевом направлении имеет примерно тот же порядок величин, что и длина поршня 10. Второй нагревательный элемент 50 обычными средствами закреплен на втулке 4 цилиндра. На имеющей примерно цилиндрическую форму внутренней боковой поверхности 72 второго нагревательного элемента 50 выполнена кольцевая канавка 74. Она, если смотреть в осевом направлении, отстоит от обращенных друг от друга кольцевых поверхностей 76 и 78 выполненного в виде втулки второго нагревательного элемента 50. Кольцевая канавка 74 вместе с наружной боковой поверхностью 80 втулки 4 цилиндра ограничивает жидкостную камеру. Для подвода жидкого теплоносителя в эту жидкостную камеру во втором нагревательном элементе 50 радиально выполнено впускное присоединение 82, а для отвода жидкого теплоносителя из жидкостной камеры в нагревательном элементе 50 также радиально выполнено выпускное присоединение 84. Установленными во втором нагревательном элементе 50 уплотняющими средствами образованная кольцевой канавкой 74 жидкостная камера уплотнена в осевом направлении.

Поршень 10, когда он прилегает к служащей упорной поверхностью кольцевой торцевой поверхности 36 основания 6 цилиндра, расположен своими уплотняющими средствами в зоне кольцевой канавки 74 второго нагревательного элемента 50. Нагревательный элемент 50 в предпочтительном варианте выполнен аналогично первому нагревательному элементу 48 из теплоизолирующего материала, т.е. из материала с низкой теплопроводностью. Для обогрева поршня 10, соответственно его уплотняющих средств 28 теплый жидкий теплоноситель подводится в образованную кольцевой канавкой 74 жидкостную камеру через впускное присоединение 82 и отводится из нее через выпускное присоединение 84.

Присоединения 64 и 66 первого нагревательного элемента 48, соответственно присоединения 82 и 84 второго нагревательного элемента 50 на максимально возможное расстояние разнесены друг от друга в окружном направлении с тем, чтобы входящий в соответствующую жидкостную камеру жидкий теплоноситель проходил для отдачи максимально возможного количества тепла максимально возможный путь до соответствующего выпускного присоединения 66, соответственно 84.

Нагревательные элементы 48, 50 для их снабжения жидким теплоносителем могут быть соединены между собой общим жидкостным контуром. Альтернативно этому возможен вариант со снабжением каждого из них теплом посредством собственного контура. При использовании гидравлической жидкости на масляной основе в качестве жидкого теплоносителя возможно также, например, подсоединение нагревательных элементов 48 и 50 к гидравлическому контуру цилиндра 1 или соседнего гидравлического компонента.

В выпускном присоединении 66 первого нагревательного элемента 48 или по ходу потока после этого присоединения предусмотрен датчик 86 температуры, измеряющий, соответственно регистрирующий температуру жидкого теплоносителя. На основании измеренной температуры возможно управление первым нагревательным элементом 48 или обоими нагревательными элементами 48, 50. Альтернативно этому возможен вариант, в котором для измерения температуры жидкого теплоносителя, выходящего из второго нагревательного элемента 50, предусмотрен дополнительный датчик. Возможен также вариант с использованием датчика 86 температуры только для измерения температуры жидкого теплоносителя, выходящего из второго нагревательного элемента 50.

В изобретении, таким образом, предлагается цилиндр с нагревательным элементом, предназначенным для обогрева части или всего этого цилиндра и работающим при этом на жидком теплоносителе.

Перечень ссылочных обозначений

1 цилиндр

2 корпус цилиндра

4 втулка цилиндра

6 основание цилиндра

8 головка цилиндра

10 поршень

12 шток поршня

14 полость цилиндра

16 полость цилиндра

18 проход

20 опорная поверхность

22 корпусная деталь

24 проход

26 уплотняющие средства

27 кольцо скольжения

28 уплотняющие средства

30 осевой буртик

32 кольцевая торцевая поверхность

34 осевой буртик

36 кольцевая торцевая поверхность

38 внутренняя боковая поверхность

40 внутренняя боковая поверхность

42 напорное присоединение

44 углубление

46 напорное присоединение

48 первый нагревательный элемент

50 второй нагревательный элемент

52 внутренняя боковая поверхность

54 осевой буртик

56 радиальный буртик

58 кольцевая поверхность

60 винты

62 кольцевая канавка

64 впускное присоединение

66 выпускное присоединение

68 фланец

70 крепежные средства

72 внутренняя боковая поверхность

74 кольцевая канавка

76 кольцевая поверхность

78 кольцевая поверхность

80 наружная боковая поверхность

82 впускное присоединение

84 выпускное присоединение

86 датчик температуры

Цилиндр предназначен для перемещения рабочего органа из одного положения в другое. Цилиндр содержит корпус, в котором с возможностью направленного перемещения в нем установлен поршень, который отделяет первую полость цилиндра от его второй полости и от которого отходит его шток, проходящий через корпус цилиндра, при этом предусмотрен нагревательный элемент, который предназначен для обогрева одной части штока поршня и/или одной части корпуса цилиндра и/или одной части поршня и который выполнен с подводом к нему тепла жидким теплоносителем. Технический результат – обеспечение надежной работы при отрицательных температурах окружающей среды. 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Цилиндр с корпусом (2), в котором с возможностью направленного перемещения в нем установлен поршень (10), который отделяет первую полость (14) цилиндра от его второй полости (16) и от которого отходит его шток (12), проходящий через корпус (2) цилиндра, отличающийся тем, что предусмотрен нагревательный элемент (48, 50), который предназначен для обогрева по меньшей мере одной части (26) штока (12) поршня и/или по меньшей мере одной части (4) корпуса (2) цилиндра, и/или одной части поршня (10) и который выполнен с подводом к нему тепла жидким теплоносителем.

2. Цилиндр по п. 1, у которого нагревательный элемент (48, 50) расположен в зоне уплотнения (26) штока (12) поршня и/или в зоне уплотнения (28) поршня (10).

3. Цилиндр по п. 1, у которого жидкий теплоноситель представляет собой рабочую жидкость на масляной основе.

4. Цилиндр по п. 1, у которого нагревательный элемент (48, 50) выполнен в виде охватывающей корпус (2) цилиндра нагревательной втулки (48, 50), которая вместе с корпусом (2) цилиндра ограничивает жидкостную камеру (62, 74) и которая имеет впускное присоединение (64, 82) и выпускное присоединение (66, 84), каждое из которых гидравлически сообщается с этой жидкостной камерой (62, 74).

5. Цилиндр по п. 4, у которого для образования жидкостной камеры (62, 74) на внутренней боковой стенке (72) нагревательной втулки и/или на наружной боковой стенке корпуса (2) цилиндра выполнена канавка (62, 64).

6. Цилиндр по п. 1, у которого нагревательный элемент (48, 50) по меньшей мере в основном выполнен из материала с низкой теплопроводностью и/или имеет по меньшей мере на отдельных участках покрытие с низкой теплопроводностью.

7. Цилиндр по п. 2, у которого его корпус (2) в зоне уплотнения (26) штока поршня и/или в зоне уплотнения (28) поршня выполнен в основном из материала с хорошей теплопроводностью и/или его корпус (2) по меньшей мере в зоне уплотнения (26) штока поршня и/или в зоне уплотнения (28) поршня имеет покрытие с хорошей теплопроводностью.

8. Цилиндр по п. 2, у которого его корпус (2) имеет для уплотнения (26) штока поршня втулкообразную корпусную деталь (22).

9. Цилиндр по п. 8, у которого указанная корпусная деталь (22) вместе с нагревательным элементом (48) образуют единый блок.

10. Цилиндр по п. 8, у которого указанная корпусная деталь (22) представляет собой часть его головки (8) или его головку (8).

11. Цилиндр по одному из пп. 2-10, у которого зона уплотнения (28) поршня представляет собой втулку (4) корпуса (2) цилиндра, охватываемую при этом нагревательным элементом (50).

12. Цилиндр по п. 11, у которого, если смотреть в его осевом направлении, нагревательный элемент (50) охватывает указанную втулку (4) в зоне конечного положения поршня (10).

13. Цилиндр по п. 1, у которого предусмотрено устройство (86) для измерения температуры, при опускании которой ниже заданного значения задействуется нагревательный элемент (48, 50).

14. Цилиндр по п. 13, у которого указанное устройство для измерения температуры представляет собой датчик (86) температуры, терморегулирующий клапан, температурное реле и/или термостат.