Комбинированное уплотнительное устройство Российский патент 2025 года по МПК F16J15/16 F16J1/00 

Изобретение относится к устройствам для уплотнения двух концентрично расположенных поверхностей, и может применяться в области машиностроения, в частности, для уплотнения поршней, плунжеров и штоков объемных машин, например, насосов, а также вращающихся валов.

Известен поршень, содержащий сердечник с цилиндрическим буртом, как минимум, одну сменную резиновую манжету, установленную между буртом и упорным кольцом (см. книгу: Николич А.С. Поршневые буровые насосы. М.: Недра, 1973, с. 105, рис. 35).

Недостатком известного устройства является низкий ресурс работы вследствие интенсивного износа манжеты при высоких давлениях нагнетания, что вызвано недостаточной прочностью, твердостью и износостойкостью резины.

Известен поршень бурового насоса, содержащий металлический сердечник с цилиндрическим буртом, сменную манжету из полиуретана, установленную между буртом и упором (патент на полезную модель №189595, МПК F04B 53/14, F16J 1/01, опуб. 28.05.2019, бюл. №16).

Недостатками известного устройства являются недостаточный ресурс работы вследствие значительного давления предварительного поджатия манжеты из-за высокой твердости и модуля упругости ее материала. Это вызвано наличием допусков при изготовлении цилиндра и самой манжеты. Значительная сила трения вследствие высокого контактного давления, в т.ч., при низких давлениях и всасывании, исключения попадания в уплотняемый зазор жидкости снижает КПД.

Известен поршень бурового насоса, содержащий сердечник с цилиндрическим буртом, сменную манжету из полиуретанового эластомера, установленную между буртом и нажимным кольцом, в манжете выполнено сужаемое по глубине углубление, при этом торцевая часть нажимного кольца выполнена ответно входной части углубления с образованием гарантированного зазора между торцом нажимного кольца и днищем углубления (см. патент РФ №2109189, МПК F16J 1/00, F04B 5/00, опуб. 20.04.1998).

Недостатками известного устройства являются недостаточный ресурс работы вследствие значительного давления предварительного поджатия манжеты из-за высокой твердости и модуля упругости ее материала, Наличие допусков при изготовлении цилиндра и самой манжеты требует обеспечения значительного предварительного контактного давления для исключения утечек. Значительная сила трения вследствие высокого контактного давления, в т.ч., при низких давлениях и исключения попадания в уплотняемый зазор жидкости снижает КПД.

Известно уплотнительное устройство для уплотнения двух концентрично расположенных поверхностей, содержащее установленные в сердечнике или обойме между буртами, как минимум, одну манжету между нажимным и опорным кольцами, выполненными из полиамидного эластомера (см. кн.: Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Т.3, - М,: Машиностроение, 1978, с. 193, рис. 31), которое принято за прототип.

Недостатками известного устройства являются низкий ресурс работы вследствие значительного давления предварительного поджатия манжеты из-за высокой твердости и модуля упругости ее материала. Наличие допусков при изготовлении цилиндра и самой манжеты требует обеспечения значительного предварительного контактного давления для исключения утечек. Значительная сила трения вследствие высокого контактного давления, в т.ч., при низких давлениях, и исключения попадания в уплотняемый зазор жидкости снижает КПД.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение ресурса уплотнительного устройства и КПД путем снижения предварительного контактного давления в паре трения.

Решение указанной задачи достигается тем, что в уплотнительном устройстве для герметизации двух концентрично расположенных цилиндрических поверхностей, содержащем установленные в сердечнике или обойме между буртами манжету и опорное кольцо, взаимодействующие между собой по ответно выполненным коническим поверхностям, согласно техническому решению, опорное кольцо и манжета снабжены ответно выполненными цилиндрическими частями, угол конуса опорного кольца в примыкающей к цилиндрической поверхности части больше угла конуса сопрягаемым с манжетой участком, опорное кольцо установлено с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно манжеты с образованием кольцевой камеры переменного объема между коническими поверхностями манжеты, опорного кольца и цилиндрической поверхностью опорного кольца с образованием гарантированного зазора между ним и буртом, при этом в тыльной части рабочей поверхности манжеты выполнена кольцевая канавка с установленным ответным уплотнительным элементом, выполненный из более мягкого материала, чем манжета.

Комбинированное уплотнительное устройство для герметизации двух концентрично расположенных поверхностей иллюстрируется чертежами:

на фиг. 1 изображен общий вид уплотнительного устройства поршня, насаженного на шток насоса;

на фиг. 2 - узел А на фиг. 1;

на фиг. 3 - уплотнительное устройство плунжера или вращающегося вала;

на фиг. 4 - узел Б на фиг. 3.

Уплотнительное устройство, например, поршень, содержит насаженный на шток 1 (фиг. 1 и 2) сердечник 2 с буртом 3. На сердечник 2 последовательно насажены защитное кольцо 4, например, четырехступенчатое опорное кольцо 5 с двумя крайними цилиндрическими ступенями 6 и 7 и двумя внутренними ступенями 8 и 9 с коническими наружными поверхностями 10 и 11, упорное кольцо 12 и упор 13. На ступень 6 опорного кольца 5 с цилиндрической наружной поверхностью 14 насажена ответно выполненная уплотнительная манжета 15 со ступенями 16 и 17 с цилиндрической 18 и конической 19 внутренними поверхностями с возможностью взаимодействия с торцом защитного кольца 4 и конических поверхностей 19 манжеты 15 и 11 ступени 9, расположенной ближе к торцу опорного кольца 5. При этом углы конуса α₁ конических поверхностей 19 манжеты 15 и 11 ступени 9 выполнены одинаковыми. Угол конуса α₂ конической поверхности 10 ступени 8 опорного кольца 5, сопрягаемой с цилиндрической поверхностью 14, выполнен больше угла α₁ (α₂>α₁).

Манжета 15 может быть выполнена из более твердого материала с высоким модулем упругости, чем резина, например, из полиуретана или полиамида. Опорное кольцо 5 может быть выполнено также из полиуретана или полиамида, например, с большей твердостью и модулем упругости, чем манжета 15.

Опорное кольцо 5 установлено с возможностью образования гарантированного зазора 20 между торцами опорного кольца 5 и защитного кольца 4, ограниченного осевого перемещения относительно опорного кольца 5 и манжеты 15 с образованием кольцевой полости переменного объема 21 между коническими поверхностями 10 и 19 и цилиндрической поверхностью 14.

С тыльной стороны на наружной рабочей поверхности манжеты 15 выполнена кольцевая канавка (на фиг. не указана), в которой размещен ответно выполненный самоуплотняемый уплотнительный элемент 22 из более мягкого материала и с меньшим модулем упругости, чем опорное кольцо 5, например, из резины. Он может быть выполнен в виде манжеты или кольца, например круглого или прямоугольного сечения.

Защитное кольцо 4 может быть выполнено из неметаллического материала, например, из фторопласта, твердость которого больше твердости материала манжеты 15. Сопрягаемые торцевые поверхности защитного кольца 4 и бурта 3 могут быть выполнены коническими.

Сердечник 1 установлен между упорами 23 и 24, выполненными, например, в виде бурта штока 1 и гайки.

Поршень со штоком 1 установлен в цилиндре 25, например, поршневого насоса (на фиг. не показан), снабженным всасывающим 26 и нагнетательным 27 клапанами с образованием рабочей полости 28.

Сердечник 2 снабжен, например, уплотнительными элементами 29 и 30 для герметизации зазоров со штоком 1 и опорным кольцом 5.

Бурт 3 сердечника 3 и защитное кольцо 4 могут быть установлены с зазором по отношению с сопрягаемыми узлами.

Уплотнительное устройство плунжера или вала 31 (фиг. 3 и 4) содержит установленные последовательно на обойме 32 с цилиндрическим выступом 33 насаженную на обойму 32 опорное кольцо 5 с двумя крайними цилиндрическими ступенями 6, 7 и двумя внутренними ступенями 8, 9 с внутренними коническими поверхностями 10, 11, насаженную на плунжер или вал 31 манжету 15 с цилиндрической ступенью 16 и ступенью 17 с конической внутренней поверхностью 19, защитное кольцо 4, упорное кольцо 34 и упор 35, выполненный, например, в виде гайки.

Манжета 15 выполнена ответно внутренней цилиндрической поверхности 14 опорного кольца 5 с возможностью взаимодействия с торцом защитного кольца 4 и конических поверхностей 19 манжеты 15 и 11 ступени 9, расположенной ближе к торцу опорного кольца 5 со стороны выступа 33. При этом углы конуса α₁ конических поверхностей 19 манжеты 15 и 11 ступени 9 выполнены одинаковыми. Угол конуса α₂ конической поверхности 10 ступени 8 опорного кольца 5, сопрягаемой с цилиндрической поверхностью 14, выполнен больше угла α₁ (α₂>α₁).

Опорное кольцо 5 установлено с возможностью образования гарантированного зазора 20 между торцами опорного кольца 5 и защитного кольца 4, а также ограниченного осевого перемещения относительно опорного кольца 5 и манжеты 15 с образованием кольцевой полости 21 переменного объема между коническими поверхностями 10, 19, и цилиндрической поверхностью 14.

С тыльной стороны на рабочей поверхности (на фиг. не указана) манжеты 15 выполнена кольцевая канавка (на фиг. не указана), в которой размещен ответно выполненный из более мягкого материала и с меньшим модулем упругости, чем опорное кольцо 5, например, из резины, самоуплотняемый уплотнительный элемент 22.

Защитное кольцо 4 может быть выполнено из неметаллического материала, например из фторопласта, твердость которого больше твердости материала манжеты 15. Обойма 32 установлена между упорами 36 и 37, выполненными, например, в виде цилиндрического выступа корпуса 38, например, насоса (на фиг. не показан и гайки.

Уплотнительное устройство установлено, например, в корпусе 38 насоса (на фиг. не показан) с образованием рабочей полости 28.

Обойма 32 снабжена, например, уплотнительными элементами 39 и 40 для герметизации зазоров с корпусом 38 и опорным кольцом 5.

Защитное кольцо 4 и упорное кольцо 34 могут быть установлены с зазором по отношению с сопрягаемыми узлами.

Уплотнительное устройство, например, поршень, в составе объемного насоса, работает следующим образом.

При сборке поршня обеспечивается герметизация стыка между коническими поверхностями 11 и 19 (фиг. 1 и 2) опорного кольца 5 и манжеты 15 с изоляцией камеры 21 переменного объема от рабочей полости 28. Контактное давление в паре манжета 15-цилиндр 25 меньше чем в паре опорное кольцо 5 - манжета 15 за счет меньшей твердости и модуля упругости материала опорного кольца цилиндра 25. Кроме того, регулирование контактного давления между коническими поверхностями 11 опорного кольца 5 и 19 манжеты 15 может быть обеспечено также изменением длины конической ступени 9 опорного кольца 5. Между торцами опорного кольца 5 и защитного кольца 4 имеется гарантированный зазор 20. Уплотнительный элемент 22 установлен с обеспечением небольшого контактного давления.

Пусть поршень находится в левом крайнем положении. При этом клапаны 26 и 27 (фиг. 1) закрыты. Давление в рабочей полости 28 равно давлению нагнетания. Передняя часть манжеты 15 под действием осевой нагрузки со стороны опорного кольца 5 прижата к цилиндру 25, герметизируя стык между ними. Зазор 20 (фиг. 2) между втулкой и защитным кольцом 4 имеет минимальную величину. Уплотнительный элемент 22, не испытывающий перепад давления, прижат к цилиндру с небольшим давлением предварительного поджатия.

При перемещении поршня вправо давление в рабочей полости 28 снижается и открывается всасывающий клапан 26. За счет упругости материалов манжеты 15 и опорного кольца 5, последняя перемещается влево относительно манжеты 15, увеличивая зазор 20. Контактное давление между манжетой 15 и цилиндром 25 снижается до минимума.

При подходе поршня в правое крайнее положение всасывающий клапан 26 закрывается. Обратное перемещение поршня влево приводит к повышению давления в рабочей полости 28. В связи с низким контактным давлением в паре манжета 25 - цилиндр 25, наличием местных зазоров в паре, рабочая жидкость из рабочей полости 28 поступает в зазор между манжетой 15 и цилиндром. В результате перемещение манжеты 15 относительно цилиндра осуществляется при жидкостном трении. Снижается также температура в паре трения. При низком давлении в рабочей полости 28 герметизация цилиндра 25 обеспечивается самоуплотняющимся уплотнительным элементом 22, выполненным из резины. Требуемый ресурс уплотнительного элемента обеспечивается за счет работы при низком давлении и кратковременного характера такого режима.

С повышением давления в рабочей полости 28 опорное кольцо 5 за счет силы от перепада давления прижимает переднюю часть манжеты 15 к цилиндру 25, герметизируя стык между ними. После полной герметизации контакта между манжетой 15 и цилиндром 25 давление перед уплотнительным элементом 22 снижается или сохраняется на не высоком уровне в связи практического отсутствия жидкости в зазоре между манжетой 15 и цилиндром 25. При перемещении поршня влево герметизация цилиндра 25 обеспечивается манжетой 15.

Таким образом, в насосах высокого и сверхвысокого давления нагнетания, и выполнении манжеты из полимерных или композитных материалов, оснащением манжеты дополнительным уплотнительным элементом обеспечивается возможность снижения предварительного контактного давления между манжетой и уплотняемой поверхностью, силы трения и износа при цикле всасывания, жидкостное трение между манжетой и цилиндром.

Работа уплотнительного устройства плунжера или вращающегося вала (фиг. 3 и 4) осуществляется аналогичным образом.

При монтаже уплотнительного устройства гайкой 35 обеспечивается требуемое контактное давление между коническими поверхностями 11 опорного кольца 5 и 19 манжеты 15. Контактное давление в передней части манжеты 15 с цилиндром 25 меньше за счет упругости материала манжеты 15, ограниченности длины конической ступени 9. Кроме того, меньшая твердость и модуля упругости материала опорного кольца 5 чем цилиндра 25 обеспечивает герметичность пары опорное кольцо 5 - манжета 15 при меньшем контактном давлении.

При малых давлениях в рабочей полости 28 в зазор между цилиндром 25 и манжетой 15 поступает жидкость, обеспечивая жидкостное трение, снижая трение и износ. Герметизация осуществляется уплотнительным элементом 22 из более мягкого материала, например, из резины. Требуемый ресурс уплотнительного элемента обеспечивается за счет работы при низком давлении и кратковременного характера такого режима.

С повышением давления в рабочей полости опорное кольцо 5 конической поверхностью 11 ступени 9 прижи 31 31 или мается к торцевой части конической поверхности 19 манжеты 15. Далее герметизация стыка между манжетой 15 и плунжером или валом 31 осуществляется манжетой 15. Контактное давление между уплотнительным элементом 22 и уплотняемой поверхностью снижается до минимума.

Далее цикл повторяется.

Таким образом, уплотнительное устройство для герметизации двух концентрично расположенных цилиндрических поверхностей, при выполнении манжеты из полимерных или композитных материалов, оснащением манжеты дополнительным самоуплотняемым уплотнительным элементом обеспечивается повышение ресурса пары трения вследствие снижения контактного давления и периодического поступления в уплотняемый зазор жидкости, повышение КПД за счет снижения силы трения.

Изобретение относится к устройствам для уплотнения двух концентрично расположенных поверхностей и может применяться в области машиностроения, в частности, для уплотнения поршней, плунжеров и штоков объемных машин, например насосов, а также вращающихся валов. Уплотнительное устройство содержит установленные в сердечнике или обойме между буртами манжету и опорное кольцо, взаимодействующие между собой по ответно выполненным коническим поверхностям. Опорное кольцо и манжета снабжены ответно выполненными цилиндрическими поверхностями. Угол конуса опорного кольца в примыкающей к цилиндрической поверхности части больше угла конуса сопрягаемого с манжетой участка. Опорное кольцо установлено с образованием кольцевой камеры переменного объема между коническими поверхностями и цилиндрической поверхностью опорного кольца с образованием гарантированного зазора между ним и буртом. В тыльной части рабочей поверхности манжеты выполнена кольцевая канавка с установленным ответным уплотнительным элементом, выполненным из более мягкого материала, чем манжета. Изобретение повышает ресурс уплотнительного устройства и КПД путем снижения предварительного контактного давления в паре трения. 4 ил.

Уплотнительное устройство для герметизации двух концентрично расположенных цилиндрических поверхностей, содержащее установленные в сердечнике или обойме между буртами манжету и опорное кольцо, взаимодействующие между собой по ответно выполненным коническим поверхностям, отличающееся тем, что опорное кольцо и манжета снабжены ответно выполненными цилиндрическими частями, угол конуса опорного кольца в примыкающей к цилиндрической поверхности части больше угла конуса сопрягаемого с манжетой участка, опорное кольцо установлено с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно манжеты с образованием кольцевой камеры переменного объема между коническими поверхностями манжеты, опорного кольца и цилиндрической поверхностью опорного кольца с образованием гарантированного зазора между ним и буртом, при этом в тыльной части рабочей поверхности манжеты выполнена кольцевая канавка с установленным ответным уплотнительным элементом, выполненным из более мягкого материала, чем манжета.