Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин

 

Изобретение относится к уплотнительной технике, работающей при двустороннем восприятии повышенного давления. Устройство содержит манжеты с имеющими уплотняющую и опорную поверхности пружинными язычками с центральным выступом переменной толщины. Манжета снабжена оппозитно расположенными дополнительными пружинными язычками с уплотняющей и опорной поверхностями и центральным выступом, опорные поверхности каждой стороны сопрягаются между собой криволинейной плоскостью в виде кольцевого желобка, устройство снабжено клиновидными в сечении верхним и нижним кольцевыми упорами, помещенными в зазоры между опорными поверхностями язычков, при этом наклонные стороны упоров сопряжены между собой радиусами, взаимодействующими с указанными криволинейными плоскостями манжеты. Изобретение повышает надежность уплотнения. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для уплотнения подвижных и неподвижных цилиндрических пар гидро- и пневмомашин, работающих при двустороннем восприятии преимущественно повышенного давления, в том числе агрессивных и абразивосодержащих рабочих сред, например в нефтепромысловом оборудовании, в агрегатах, эксплуатация которых проходит в условиях запыленности, в частности сельскохозяйственных, и т.п.

Известен поршень гидроцилиндра, выполненный из упругого материала, по обе стороны от цилиндрического участка поршня имеются две тонкостенные, оппозитно расположенные уплотнительные губы, несущие функции манжет для поочередного восприятия двустороннего давления рабочей среды, - см. статью Буренина В.В (со ссылкой на патентный источник) в журнале "Строительные и дорожные машины", 9,1985 г., с. 9, рис. 3.

Технический недостаток устройства: ограниченная область применения - гидроцилиндры небольшого диаметра, работающие при небольших давлениях в среде гидравлической жидкости (минерального масла).

Известно также уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин, содержащие манжеты с имеющими уплотнительную и опорную поверхности пружинными язычками с центральным выступом переменной толщины, а также опорное кольцо, имеющее паз, взаимодействующий с вершиной центрального выступа (кольцо показано на фиг.1, 3, 4, но не обозначено и не упомянуто в тексте), - см. SU 1185002 А, МПК⁴ F 16 J 15/32, 1985. Уплотнительное устройство предназначено преимущественно для работы при повышенных рабочих давлениях и воздействии агрессивных и абразивных сред.

Технический недостаток данного устройства: неприспособленность для восприятия двусторонней нагрузки; при компоновке уплотнительного узла с целью поочередного восприятия давления с двух сторон габариты конструкции неприемлемо возрастают.

Техническая задача: снижение габаритов при двустороннем восприятии повышенного давления в агрессивных и абразивосодержащих средах за счет наличия с двух сторон пружинных язычков и размещенных непосредственно в манжете кольцевых упоров.

Согласно изобретению манжета снабжена оппозитно расположенными дополнительными пружинными язычками с уплотняющей и опорной поверхностями и центральным выступом, при этом опорные поверхности каждой стороны сопрягаются между собой криволинейной плоскостью в виде кольцевого желобка, внутренние диаметры которых равны соответственно наибольшему и наименьшему диаметрам центральных выступов у их основания, а устройство снабжено клиновидными в сечении верхним и нижним кольцевыми упорами, помещенными в зазоры между опорными поверхностями язычков, при этом наклонные стороны упоров сопряжены между собой радиусами, взаимодействующими с упомянутыми криволинейными плоскостями манжеты, а углы наклона указанных сторон меньше соответствующих углов опорных поверхностей язычков в свободном состоянии манжеты. Наряду с этим клиновидные в сечении упоры выполнены из эластичного материала с более высоким модулем упругости по сравнению с соответствующим показателем манжеты; упоры выполнены разрезными, линия реза имеет излом; при наличии двух и более манжет между каждой их парой помещено опорное кольцо, имеющее паз с двух сторон; опорные кольца размещены по краям манжеты или по краям пакета из нескольких манжет; опорные кольца и упоры выполнены из антифрикционных материалов.

На фиг.1 изображено уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин с одной манжетой, в разрезе; на фиг.2 - то же, с двумя манжетами; на фиг.3 - сечение манжеты в свободном состоянии; на фиг.4 - фрагмент одного из кольцевых упоров в разрезе; на фиг.5 - вид А на фиг.4; на фиг.6 - уплотнительное устройство в работе при подаче рабочей среды справа; на фиг.7 - то же, при подаче среды слева.

Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин имеет, по крайней мере, две разновидности - с одной и двумя манжетами. В первом случае (фиг. 1) устройство включает одну манжету 1 и два оппозитно расположенных и размещенных по краям манжеты опорных кольца 2 с кольцевым пазом. Во втором случае (фиг. 2) в состав устройства входит пакет из двух манжет 1, между которыми помещено опорное кольцо 3, имеющее кольцевой паз с двух сторон. По краям пакета размещены опорные кольца 2. Возможен вариант с тремя и более манжетами и с соответствующими количеством опорных колец 2 и 3.

Манжета 1 имеет две пары оппозитно расположенных пружинных язычков 4 и 5 (фиг.3) с уплотняющей 6, 7 и опорной 8, 9 поверхностями и два также оппозитно расположенных центральных выступа 10 и 11 переменной толщины. Уплотняющие и опорные поверхности пересекаются между собой под тупым углом α. Опорные поверхности 8 и 9 каждой стороны (рядом расположенных и равноудаленных от центральной оси I-I) язычков 4 и 5 сопрягаются между собой криволинейной плоскостью в виде кольцевого желобка 12 и 13, внутренние диаметры которых равны соответственно наибольшему и наименьшему диаметрам центральных выступов 10 и 11 у их основания. Опорные поверхности 8 и 9 и соответствующие торцы 14 и 15 язычков параллельны друг другу, при этом торцы и соответствующие уплотняющие поверхности 6 и 7 язычков образуют острый угол β. Каждый язычок имеет нерабочие поверхности 16 и 17, параллельные соответствующим уплотняющим поверхностям 6 и 7, т.е. толщина В язычков 4 и 5 постоянна. Длина нерабочих поверхностей 16 и 17 подобрана таким образом, что язычки 4 и 5 соединяются с центральными выступами 10 и 11 посредством "слабых" перемычек 18 и 19.

Уплотнительное устройство снабжено клиновидными в сечении скругленными верхним 20 и нижним 21 кольцевыми упорами (фиг.1,2), которые помещены в зазоры между опорными поверхностями 8 и 9 пружинных язычков 4 и 5 (фиг.3). Наклонные стороны 22 и 23 упоров (фиг.4) сопряжены между собой радиусами 24, взаимодействующими с упомянутыми криволинейными плоскостями 12 и 13 манжеты (фиг, 3). Углы наклона указанных сторон 22 и 23 (фиг.4) меньше соответствующих углов опорных поверхностей 8 и 9 в свободном состоянии манжеты (фиг. 3). Манжеты 1 (фиг.1, 2) выполнены из эластичного материала, например из резиноткани. Клиновидные в сечении кольцевые упоры 20 и 21 также выполнены из эластичного материала, но с более высоким модулем упругости по сравнению с соответствующими показателями манжеты, например из полимерного материала. Упоры 20 и 21 могут быть выполнены разрезными - для свободного монтажа в уплотнительном устройстве. В этом случае линия реза 25 (фиг.5) имеет излом, благодаря чему образуется замковое (центрирующее) соединение после сборки устройства (фиг. 1, 2). В собранном виде пазы опорных колец 2 и 3 находятся во взаимодействии с соответствующими вершинами центральных выступов 10 и 11 манжет (фиг. 1-3). Опорные кольца 2 и 3 могут быть выполнены из антифрикционного материала повышенной твердости, например из бронзы. Желательно, чтобы эластичный материал упоров 20 и 21 также обладал антифрикционными свойствами.

Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин работает следующим образом.

При сборке устройства обеих разновидностей (фиг.1, 2) происходит некоторая деформация манжеты 1 в сечении (фиг.3). Вследствие этого пружинные язычки 4 и 5 разворачиваются относительно "слабых" перемычек 18 и 19 в направлении центральной оси I-I и гарантированно поджимаются к уплотняемой цилиндрической паре. При этом первоначальная деформация манжеты заключается только в этом развороте, остальные элементы манжеты остаются неизменными. Клиновидные в сечении кольцевые упоры 20 и 21 несколько деформируются в радиальном направлении. Криволинейная наружная поверхность упоров (фиг.4) изменяет свою геометрию, вызывая определенное смещение радиусов 24 и их гарантированное взаимодействие с криволинейными плоскостями в виде кольцевых желобков 12 и 13 манжеты (фиг. 3). При наличии разреза 25 на упорах (фиг.5) упрощается операция по введению упоров 20 и 21 (фиг.6, 7) в зазоры между опорными поверхностями 8 и 9 манжеты; этому способствует и эластичный материал упоров. При сборке центральные выступы 10 и 11 манжеты вступают во взаимодействие с кольцевыми пазами опорных колец 2 и 3 (фиг.2) или только колец 2 (фиг.1). Соответствующими гайками (показаны на фиг.1, 2, 6, 7) посредством опорных колец манжеты или пакет из нескольких манжет сжимается, при этом образуется натяг (сжатие манжет) по оси I-I центральных выступов 10 и 11 (фиг.3, 6, 7) от 0 до 2 мм. Нуль означает, что выбраны зазоры, но осевой деформации манжеты нет. Максимальное сжатие (до 2-х мм) осуществляется, как правило, при наличии двух и более манжет. Возникающая при сжатии (натяге) осевая нагрузка воспринимается только центральными выступами 10 и 11, которые являются наиболее мощными элементами манжеты, и не передается на пружинные язычки 4 и 5 вследствие "слабости" перемычек 18 и 19 между ними и центральными выступами. При отсутствии давления рабочей среды (фиг.1, 2) между наклонными сторонами 22 и 23 (фиг. 4) упоров 20 и 21 (фиг.1, 2) и опорными поверхностями 8 и 9 пружинных язычков 4 и 5 сохраняются клиновидные зазоры.

Уплотнительное устройство работает при поочередном приложении повышенного давления рабочей среды с одной и с другой стороны. Например, при подаче давления ρ справа (фиг.6) нагрузка воспринимается всем сечением манжеты 1. Но основная часть осевой нагрузки передается от одного опорного кольца 2 - через выступ 11, центральную часть манжеты, выступ 10 - к другому кольцу 2. Эта нагрузка не воспринимается пружинными язычками 5 и 4. Язычки 5, направленные в сторону давления ρ, несколько сжимаются и дополнительно разворачиваются вокруг "слабых" перемычек 19 и частью своих уплотняющих поверхностей 7 и кромками на пересечении этих поверхностей и торцов 15 герметизируют цилиндрическую пару. При этом язычки 5 своими поверхностями 9 опираются на соответствующие наклонные стороны 22 или 23 клиновидных в сечении кольцевых упоров 20 и 21. Одновременно с этим, под действием давления и за счет определенной деформации уплотнительных поверхностей 7 несколько выгибаются нерабочие поверхности 17 язычков 5, что способствует гарантированной герметизации цилиндрической пары. Пружинные язычки 4 на противоположной стороне манжеты давление не воспринимают, дополнительно не деформируются, между их опорными поверхностями 8 и соответствующими сторонами упоров 20 и 21 сохраняются клиновидные зазоры. Вместе с тем язычки 4 несут важную функцию скребковой манжеты. Под действием давления и осевой нагрузки на манжету 1 уплотнительное устройство перемещается, при этом кромки на пересечении (под острым углом β) уплотняющих поверхностей 6 и торцов 14 язычков 4 очищают рабочие поверхности цилиндрической пары. Это особенно важно для устройств, работающих в абразивосодержащих рабочих средах, и для устройств, эксплуатируемых в условиях запыленности. Движение уплотнительного устройства сопровождается незначительной силой трения, поскольку пружинные язычки 5 воспринимают лишь часть нагрузки и при воздействии предварительного натяга и давления рабочей среды не раздавливаются, а в основном разворачиваются относительно перемычек 19, ложатся своими опорными поверхностями 9 на упоры 20 и 21. При этом основные нагрузки, передаваемые мощными выступами 11 и 10, не провоцируют деформацию язычков. Снижению силы трения способствует и выполнение опорных колец 2 (а также колец 3 при наличии двух и более манжет) и упоров 20 и 21 из антифрикционных материалов. При снижении силы трения и ограниченной деформации пружинных язычков достигается уменьшение износа манжет и энергозатрат.

При действии давления ρ с противоположной стороны (фиг.7) происходит аналогичная работа уплотнительного устройства, но рабочими элементами манжеты являются пружинные язычки 4 и их соответствующие поверхности, а также другие наклонные стороны упоров 20 и 21. В пакетном уплотнительном устройстве из двух и более манжет поочередно задействуются пружинные язычки крайних манжет, остальные элементы устройства являются резервными. В случае повреждения какого-либо язычка - из-за действия абразива, агрессивной рабочей среды, повышенного давления и т.п. - в работу вступают аналогичные элементы следующей манжеты. Во всех разновидностях устройства происходит самокомпенсация износа пружинных язычков и их высокая приспособляемость к внешней нагрузке. Это достигается за счет автоматического разворота язычков относительно "слабых" перемычек и дозированной деформации уплотняющих поверхностей язычков в зависимости от величины давления рабочей среды - внешней нагрузки.

В итоге сохраняется высокая износостойкость уплотнительного устройства при его ограниченных габаритах и при двустороннем приложении повышенного давления, в том числе в агрессивных и абразивосодержащих рабочих средах.

Формула изобретения

1. Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин, содержащее манжеты с имеющими уплотняющую и опорную поверхности пружинными язычками, с центральным выступом переменной толщины, а также опорное кольцо, имеющее паз, взаимодействующий с вершиной центрального выступа, отличающееся тем, что манжета снабжена оппозитно расположенными дополнительными пружинными язычками с уплотняющей и опорной поверхностями и центральным выступом, при этом опорные поверхности каждой стороны сопрягаются между собой криволинейной плоскостью в виде кольцевого желобка, внутренние диаметры которых равны соответственно наибольшему и наименьшему диаметрам центральных выступов у их основания, а устройство снабжено клиновидными в сечении верхним и нижним кольцевыми упорами, помещенными в зазоры между опорными поверхностями язычков, при этом наклонные стороны упоров сопряжены между собой радиусами, взаимодействующими с упомянутыми криволинейными плоскостями манжеты, а углы наклона указанных сторон меньше соответствующих углов опорных поверхностей язычков в свободном состоянии манжеты.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что клиновидные в сечении упоры выполнены из эластичного материала с более высоким модулем упругости по сравнению с соответствующим показателем манжеты.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что упоры выполнены разрезными.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что линия реза имеет излом.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что при наличии двух и более манжет между каждой их парой помещено опорное кольцо, имеющее паз с двух сторон.

6. Устройство по пп. 1 и 5, отличающееся тем, что опорные кольца размещены по краям манжеты или по краям пакета из нескольких манжет.

7. Устройство по пп. 1, 5 и 6, отличающееся тем, что опорные кольца выполнены из антифрикционного материала повышенной твердости, например из бронзы.

8. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что эластичный материал упоров обладает антифрикционными свойствами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7