Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин

 

Изобретение относится к уплотнительной технике, работающей при двустороннем восприятии повышенного давления. Устройство содержит пакет манжет с имеющими уплотняющую и опорную поверхности пружинными язычками, с центральным выступом переменной толщины и соответствующую ему канавку на противоположном торце, а также нажимное кольцо, взаимодействующее с тыльной частью крайней манжеты. Пакет манжет сформирован из двух частей таким образом, что центральные выступы каждой части направлены в противоположные стороны, между частями помещено нажимное кольцо, выполненное в виде двух оппозитно расположенных центральных выступов, сопряженных с клиновидными, расширяющимися по мере удаления от оси центральных выступов, опорами, внешние стороны которых образуют цилиндрические поверхности, контактирующие с цилиндрической парой. Изобретение повышает надежность уплотнения. 1 с. и 5 з.п. ф-лы, 5 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 рабочих сред, которые могут характеризоваться как агрессивные и содержащие абразив, например в нефтепромысловом, химическом и т. п. оборудовании.

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 устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин, содержащее пакет манжет с имеющими уплотняющую и опорную поверхности пружинными язычками, с центральным выступом переменной толщины и соответствующую ему канавку на противоположном торце, а также нажимное кольцо, взаимодействующее с тыльной частью крайней манжеты, и 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 том числе в агрессивных и абразивосодержащих средах, за счет особой компоновки устройства и размещения специального нажимного кольца в середине пакета манжет.

Согласно изобретению пакет манжет сформирован из двух частей таким образом, что центральные выступы каждой части направлены в противоположные стороны, между частями помещено нажимное кольцо, выполненное в виде двух оппозитно расположенных центральных выступов, сопряженных с клиновидными, расширяющимися по мере удаления от оси центральных выступов, опорами, внешние стороны которых образуют цилиндрические поверхности, контактирующие с цилиндрической парой, углы наклона сторон клиновидных опор меньше соответствующих углов опорных поверхностей язычков в свободном состоянии манжеты, при этом опорные кольца размещены по краям пакета манжет. Наряду с этим нажимное кольцо выполнено из эластичного материала, модуль упругости которого равен или больше соответствующего показателя манжет, на цилиндрических поверхностях этого кольца выполнены канавки; одно из опорных колец совмещено с элементами цилиндрической пары, опорное кольцо, не совмещенное с элементами цилиндрической пары, выполнено из антифрикционного материала повышенной твердости, например из бронзы; по крайней мере цилиндрические поверхности нажимного кольца обладают антифрикционными свойствами.

На чертеже, на фиг.1 изображено уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин в разрезе; на фиг. 2 - сечение манжеты в свободном состоянии; на фиг. 3 - сечение нажимного кольца; на фиг. 4 - уплотнительное устройство в работе при подаче рабочей среды справа; на фиг. 5 - то же, при подаче среды слева.

Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин включает пакет манжет, сформированных из двух частей 1 и 2 (фиг. 1) таким образом, что центральные выступы каждой части направлены в противоположные стороны. Каждая часть пакета содержит одну или несколько манжет 3, между частями помещено нажимное кольцо 4, по краям пакета размещены опорные кольца 5, имеющие кольцевой паз, взаимодействующий с вершиной центрального выступа. В разновидности уплотнительного устройства (фиг. 1) одно из опорных колец совмещено с элементами цилиндрической пары, для этого цилиндрический паз 6 выполнен непосредственно на одной из деталей пары. Количество манжет 3 в каждой части 1 и 2 пакета зависит от давления и характера рабочей среды. При давлении 40 МПа - 1-2 манжеты, 70 МПа - 3 манжеты в каждой части. Если давление, действующее на пакет слева и справа, различно, то и количество манжет в каждой части может быть неодинаково. В пределах одного уплотнительного устройства все манжеты 3 унифицированы между собой.

Каждая манжета 3 имеет два пружинных язычка 7 (фиг. 2) с уплотняющей 8 и опорной 9 поверхностями, а также центральный выступ 10 переменной толщины. Уплотняющие и опорные поверхности пересекаются между собой под тупым углом α. Опорные поверхности 9 и соответствующие торцы 11 параллельны друг другу, при этом торцы и соответствующие уплотняющие поверхности 8 язычков образуют острый угол β. Каждый язычок имеет нерабочие поверхности 12, параллельные соответствующим уплотняющим поверхностям 8, т.е. толщина В язычков 7 постоянна. Длина нерабочих поверхностей 12 подобрана таким образом, что язычки 7 соединяются с центральным выступом 10 посредством "слабых" перемычек 13. На тыльной части манжеты предусмотрена канавка 14, конфигурация которой также влияет на толщину перемычек 13. Манжеты 3 (фиг. 1, 2) выполнены из эластичного материала, например из резиноткани.

Нажимное кольцо 4 (фиг. 1) выполнено в виде двух оппозитно расположенных центральных выступов 15 (фиг. 3), сопряженных с клиновидными, расширяющимися по мере удаления от оси I-I центральных выступов, опорами 16. Внешние стороны опор образуют цилиндрические поверхности 17, контактирующие с цилиндрической парой. Углы наклона сторон 18 и 19 клиновидных опор 16 меньше соответствующих углов опорных поверхностей 9 (фиг. 2) в свободном состоянии манжеты. На цилиндрических поверхностях 17 нажимного кольца (фиг. 3) выполнены канавки 20. Нажимное кольцо 4 (фиг. 1) выполнено из эластичного материала, модуль упругости которого равен и больше соответствующего показателя манжет 3. Это означает, что нажимное кольцо может быть выполнено из того же материала, что и манжеты, - резиноткани или из полимерного материала. Опорное кольцо 5 (фиг. 1), не совмещенное с элементами цилиндрической пары, выполнено из антифрикционного материала повышенной твердости, например из бронзы. По крайней мере цилиндрические поверхности 17 нажимного кольца (фиг. 3) обладают антифрикционными свойствами. Это может быть достигнуто с помощью известных способов диффузионной поверхностной модификации резиновых и полимерных деталей. Возможен вариант изготовления всего нажимного кольца 4 (фиг. 1) из антифрикционного полимерного материала.

Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин работает следующим образом.

Сборку устройства (фиг. 1) производят, как правило, с использованием консистентной смазки, которую закладывают, в частности, в канавки 20 (фиг. 3) нажимного кольца 4 (фиг. 1). В процессе сборки происходит некоторая деформация манжет 3 в сечении (фиг. 2). Вследствие этого пружинные язычки 7 разворачиваются относительно "слабых" перемычек 13 в направлении центральной оси I-I и гарантированно поджимаются к уплотняемой цилиндрической паре. Первоначальная деформация манжет заключается только в этом. При сборке центральные выступы 10 крайних манжет (фиг. 1) в обеих частях 1 и 2 пакета вступают во взаимодействие соответственно с пазом 6 на одной из деталей цилиндрической пары и с пазом на опорном кольце 5. Центральные выступы последующих манжет частей 1 и 2 вступают во взаимодействие с канавкой 14 (фиг. 2) крайних манжет. Центральные выступы 15 нажимного кольца 4 (фиг. 1) вступают во взаимодействие с канавками соседних манжет. Соответствующими гайками (показаны на фиг. 1, 4, 5), посредством опорного кольца 5 весь пакет, включая манжеты 3 и нажимное кольцо 4, сжимается, при этом образуется натяг (сжатие манжет и нажимного кольца) по оси I-I центральных выступов 10 и 15 (фиг. 2-5) от 0 до 2 мм. Нуль означает, что выбраны зазоры, но осевой деформации манжет и нажимного кольца нет. Сжатие пакета примерно на 1 мм производится при наличии в каждой части 1 и 2 пакета двух манжет, а сжатие до 2-х мм - при трех манжетах в каждой части. Возникающая при сжатии (натяге) осевая нагрузка воспринимается только центральными выступами 10 и 15, которые являются наиболее мощными элементами соответственно манжет и нажимного кольца, и не передается на пружинные язычки 7 вследствие "слабости" перемычек 13 между ними и центральным выступом 10. При отсутствии давления рабочей среды (фиг. 1) между наклонными сторонами 18 и 19 (фиг. 3) опор 16 нажимного кольца и опорными поверхностями 9 пружинных язычков 7 (фиг. 2) соседних манжет сохраняются клиновидные зазоры (фиг. 1).

Уплотнительное устройство работает при поочередном приложении повышенного давления рабочей среды с одной и другой стороны. Например, при подаче давления ρ справа (фиг. 4) нагрузка воспринимается всем сечением крайней правой манжеты 3. Но основная часть осевой нагрузки передается от опорного кольца 5 через выступ 10 манжет правой части 2 пакета, выступы 15 нажимного кольца 4, выступы 10 левой части 1 пакета к другому опорному кольцу или, как показано на фиг. 4, на одну из деталей цилиндрической пары. Эта нагрузка не воспринимается пружинными язычками 7 манжет 3. Язычки манжет правой части 2 пакета, направленные в сторону давления ρ, несколько сжимаются и дополнительно разворачиваются вокруг "слабых" перемычек 13 и частью своих уплотняющих поверхностей 8 и кромками на пересечении этих поверхностей и торцев 11 герметизируют цилиндрическую пару. При этом язычки 7 крайней правой манжеты 3 своими поверхностями 9 опираются на торцы 11 следующей манжеты. Вследствие этого определенная часть нагрузки передается на язычки 7 второй манжеты правой части 2, которые совершают подобные эволюции и своими поверхностями 9 опираются на наклонные стороны 19 клиновидных опор 16 нажимного кольца 4 - при расчетном максимальном давлении клиновидные зазоры между поверхностями 9 и наклонными сторонами 19 выбираются полностью.

Одновременно с этим под действием давления и за счет определенной деформации уплотняющих поверхностей 8 несколько выгибаются неработающие поверхности 12 язычков 7, что способствует гарантированной герметизации цилиндрической пары. Пружинные язычки 7 манжет левой части 1 пакета давление не воспринимают, дополнительно не деформируются, между опорными поверхностями 9 крайней левой манжеты и торцами 11 следующей (второй слева) манжеты, а также между поверхностями 9 второй манжеты и наклонными сторонами 18 нажимного кольца 4 сохраняются зазоры. Вместе с тем язычки 7 манжет левой части 1 несут важную функцию скребковой манжеты. Под действием давления и осевой нагрузки уплотнительное устройство перемещается, при этом кромки на пересечении (под острым углом β) уплотняющих поверхностей 8 и торцев 11 манжеты левой части 1 очищают рабочие поверхности цилиндрической пары. Это особенно важно для устройств, работающих в абразивосодержащих рабочих средах. Движение уплотнительного устройства сопровождается незначительной силой трения, поскольку пружинные язычки 7 правой части 2 пакета воспринимают лишь часть нагрузки и при воздействии предварительного натяга и давления рабочей среды не раздавливаются, а в основном разворачиваются относительно перемычек 13, а язычки второй справа манжеты ложатся своими поверхностями 9 на опоры 16 нажимного кольца 4. При этом основные нагрузки, передаваемые мощными выступами 10 и 15, не провоцируют деформацию язычков. Снижению силы трения способствует и выполнение опорного кольца 5 из антифрикционного материала и антифрикционные свойства цилиндрических поверхностей 17 нажимного кольца 4, а также наличие смазки в канавках 20 на указанных поверхностях. При снижении силы трения и ограниченной деформации пружинных язычков достигается уменьшение износа манжет и энергозатрат.

При действии давления ρ с противоположной стороны (фиг. 5) происходит аналогичная работа уплотнительного устройства, но рабочими становятся манжеты 3 левой части 1 пакета, а также другие наклонные стороны 18 опор 16 нажимного кольца 4. В обоих случаях при действии давления как справа, так и слева (фиг. 4, 5) происходит самокомпенсация износа пружинных язычков 7 манжет и их высокая приспособляемость к внешней нагрузке. Это достигается за счет автоматического разворота язычков относительно "слабых" перемычек 13 и дозированной деформации уплотняющих поверхностей 8 язычков в зависимости от величины давления рабочей среды - внешней нагрузки. При наличии в каждой части 1 и 2 пакета двух манжет, как показано на фиг. 1, 4 и 5, и при расчетном максимальном давлении среды язычки 7 двух манжет 3 и соответствующие наклонные стороны 18 или 19 нажимного кольца 4 находятся во взаимодействии и работают совместно. Этим повышается герметизирующая способность устройства.

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 пакет манжет с имеющими уплотняющую и опорную поверхности пружинными язычками, с центральным выступом переменной толщины и соответствующую ему канавку на противоположном торце, а также нажимное кольцо, взаимодействующее с тыльной частью крайней манжеты, и опорное кольцо, имеющее паз, взаимодействующий с вершиной центрального выступа, отличающееся тем, что пакет манжет сформирован из двух частей таким образом, что центральные выступы каждой части направлены в противоположные стороны, между частями помещено нажимное кольцо, выполненное в виде двух оппозитно расположенных центральных выступов, сопряженных с клиновидными, расширяющимися по мере удаления от оси центральных выступов, опорами, внешние стороны которых образуют цилиндрические поверхности, контактирующие с цилиндрической парой, углы наклона сторон клиновидных опор меньше соответствующих углов опорных поверхностей язычков в свободном состоянии манжеты, при этом опорные кольца размещены по краям пакета манжет.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нажимное кольцо выполнено из эластичного материала, модуль упругости которого равен или больше соответствующего показателя манжет.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что на цилиндрических поверхностях нажимного кольца выполнены канавки.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что одно из опорных колец совмещено с элементами цилиндрической пары.

5. Устройство по пп. 1 и 4, отличающееся тем, что опорное кольцо, не совмещенное с элементами цилиндрической пары, выполнено из антифрикционного материала повышенной твердости, например из бронзы.

6. Устройство по пп. 1, 2 и 3, отличающееся тем, что по крайней мере цилиндрические поверхности нажимного кольца обладают антифрикционными свойствами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5