Герметизирующее устройство

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнительной технике, и может быть использовано в герметизирующих устройствах газовой и гидравлической аппаратуры. Герметизирующее устройство содержит уплотняющий и направляющий элементы, выполненные в виде одной цилиндрической втулки из полимерного композиционного материала, установленной между неподвижным и подвижным элементами устройства, и силовой элемент, поджимающий уплотняющий элемент к герметизируемой поверхности, в виде кольца круглого сечения из эластичного материала. Цилиндрическая втулка снабжена уплотняющей губкой с отношением ее толщины к длине не более 1:3, а силовой элемент с диаметром поперечного сечения в пределах 1,0-1,2 длины уплотняющей губки и цилиндрическая втулка с отношением длины губки к длине втулки не более 1:4 и толщины губки к толщине стенки втулки не более 1:2 установлены в расточке подвижного элемента с натягом 0,10-0,15 от посадочного диаметра расточки поршня Изобретение повышает надежность герметизирующего устройства. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнительной технике, и может быть использовано в герметизирующих устройствах газовой и гидравлической аппаратуры, например, в газовых компрессорах, гидромашинах, пневмогидроцилиндрах и т.п.

Известно уплотнение поршня газового компрессора (Машков Ю.К., Грязнов Б.Т. Несмазываемые узлы трения машин микрокриогенной техники. - М.: ЦИНТИ ХИМНЕФТЕМАШ, 1989. - 32 с.), содержащее манжету Г-образного сечения, изготовленную из антифрикционного полимерного композиционного материала на основе фторопласта - 4 и установленную в разъемном поршне с упором в металлический эспандер (силовой элемент) и закрепленную неподвижно зажимным винтом. Для снижения силы трения и исключения заедания поршня в металлическом цилиндре нижняя часть поршня армирована (облицована) тонкостенной втулкой из полимерного композиционного материала на основе фторопласта - 4, наклеенной на металлический поршень.

Этому устройству присущи недостатки, снижающие его надежность, ресурс и технологичность конструкции. Установка манжеты с опорой уплотняющей губки на металлический эспандер, неподвижно закрепленный между двумя частями разъемного поршня, значительно ограничивает возможность компенсации погрешностей изготовления и несоосности установки деталей при сборке поршня, а также компенсации износа уплотняющей губки манжеты в процессе эксплуатации.

Второй недостаток устройства заключается в том, что закрепление направляющей полимерной втулки с помощью клея значительно снижает надежность конструкции, поскольку в условиях эксплуатации при значительном изменении температуры и нагрузок возможно разрушение клеевого соединения. Третьим недостатком устройства является его сложность и трудоемкость изготовления, т.к. все детали устройства должны изготавливаться с высокой точностью, что ведет к значительному повышению стоимости изделия.

Известно герметизирующее устройство (Патент РФ №2047799, кл. F 16 J 15/32, 1992), содержащее уплотнительное кольцо из антифрикционного материала со стенкой и уплотнительной губкой, установленное между подвижным и неподвижным элементами устройства и кольцо круглого сечения из эластичного материала, поджимающее губку уплотнительного кольца к герметизирующей поверхности. При этом отношение толщины уплотняющей губки и ее длины составляет не более 1:2, а поджимающее кольцо круглого сечения выполнено с диаметром поперечного сечения в пределах 1,5-2,0 длины губки. Этому устройству также присущи недостатки, снижающие надежность уплотнения и степень герметичности соединения. Первый недостаток заключается в том, что при отношении толщины уплотняющей губки к ее длине 1:2 жесткость губки при использовании полимерных композиционных материалов для изготовления уплотнительного кольца оказывается более высокой, чем необходимо для компенсации погрешностей изготовления и сборки деталей устройства. Это приводит к неравномерному прижатию губки и недостаточному уровню контактного давления губки на уплотняемую цилиндрическую поверхности по ее окружности.

Второй недостаток устройства заключается в том, что при диаметре поперечного сечения поджимающего кольца в пределах 1,5-2,0 длины губки, т.е. в 1,5-2,0 раза больше длины губки, губка по всей длине при деформации поджимающего кольца плотно прижимается к его поверхности. При таком положении уплотняющего и силового элементов с увеличением давления уплотняемой рабочей среды давление среды не воздействует на уплотняющую губку и повышения контактного давления на уплотняемую поверхность не происходит. Вследствие чего степень герметичности снижается из-за увеличения перепада давлений на уплотняющем кольце.

Известно также уплотнительное устройство (Авторское свидетельство СССР №1198305, кл. 4 F 16 J 15/56, 1983), содержащее корпус поршня, направляющий и уплотняющий элементы, выполненные в одной детали из полимерного композиционного материала в виде гладкой цилиндрической втулки, и упругий металлический эспандер, установленный на корпусе поршня неподвижно. При этом часть втулки, не менее половины ее длины, установлена на корпусе поршня с натягом 0,15-0,30 от диаметра поршня и выполняет функцию направляющего элемента. Меньшая свободная часть цилиндрической полимерной втулки силами упругой деформации эспандера прижимается к уплотняемой поверхности цилиндра и выполняет функцию уплотняющего элемента.

Это устройство наиболее близко по своей технической сущности к предлагаемому изобретению, однако ему также присущи недостатки, ограничивающие область его применения, снижающие надежность и ресурс работы. При одинаковой толщине стенки направляющей и уплотняющей частей втулки уплотняющая часть обладает слишком высокой жесткостью из-за относительно большой толщины стенки - не менее 1,5 мм. Более тонкую стенку выполнить нельзя, т.к. прочность соединения полимерной втулки с металлическим поршнем будет недостаточной для сохранения прочности соединения в условиях длительной эксплуатации.

Второй недостаток устройства заключается в том, что для обеспечения надежного прижатия уплотняющей части втулки к поверхности цилиндра и создания необходимого контактного давления на уплотняемой поверхности требуется значительные упругие силы, которые снижают надежность соединения полимерной втулки с поршнем, стремясь оторвать втулку от поршня и сокращая ресурс уплотнения.

Третий недостаток устройства состоит в его сложности, поскольку содержит резьбовое соединение, специальный крепежный винт и шайбу для установки и регулировки положения эспандера.

Задачей изобретения является повышение надежности, долговечности и упрощения конструкции устройства, для чего в герметизирующем устройстве, содержащем уплотняющий и направляющий элементы, выполненные в одной детали из полимерного композиционного материала в виде цилиндрической втулки, установленной между неподвижным и подвижным элементами устройства и силовой элемент, поджимающий уплотняющий элемент к герметизируемой поверхности, в виде кольца круглого сечения из эластичного материала, цилиндрическая втулка снабжена уплотняющей губкой с отношением ее толщины к длине не более 1:3, а поджимающий элемент - кольцо из эластичного материала с диаметром поперечного сечения в пределах 1,0-1,2 длины уплотняющей губки и цилиндрическая втулка с отношением длины губок к длине втулок не более 1:4 и толщины губок к толщине стенки втулки не более 1:2 установлены в расточках поршня - подвижного элемента с натягом 0,10...0,15 от посадочного диаметра расточки поршня.

В отличие от известных герметизирующих устройств (аналога и прототипа) указанные выше соотношения толщины и длины губок, а также длины губок и диаметра поперечного сечения поджимающего кольца обеспечивают минимальную жесткость губок и минимизацию усилия, необходимого для деформации губок и создания контактного давления на уплотняемой поверхности на участке контакта. Минимальная толщина губки определяется конструктивно-технологическими возможностями:

механической прочностью и жесткостью (предел прочности, модуль упругости) полимерного композиционного материала и технологией изготовления кольца. Длина губок должна составлять не менее трех толщин также из соображений минимальной жесткости губок, а длина всей втулки - не менее четырех длин губок для обеспечения хорошего с минимальным перекосом направления подвижного элемента - поршня в неподвижном цилиндре. Для надежного неподвижного соединения полимерной втулки с поршнем она устанавливается в расточке корпуса с натягом 0,10-0,15 незначительно, превышающим разницу в термическом расширении полимерной втулки и металлического поршня. Это обеспечивает значительное по сравнению с прототипом снижение степени деформации втулки (в 2-3 раза) и исключает появление внутренних дефектов при установке втулки в расточку поршня, когда деформация увеличивается на величину разницы диаметров поршня и расточки.

На фиг.1, 2, 3 показана конструкция (варианты исполнения) герметизирующего устройства. Оно содержит неподвижный элемент конструкции - цилиндр 1, опорно-уплотнительную втулку 2, выполненную из антифрикционного полимерного композиционного материала, например, на основе фторопласта-4. Втулка 2 установлена неподвижно с натягом в расточке поршня 3 и имеет уплотняющую губку 4, при этом отношение толщины h губки к ее длине l составляет не более 1/3 и длины губки l к длине втулки Н не более 1/4, а отношение толщины губок к толщине стенки втулки составляет не более 1/2, диаметр поперечного сечения кольца 5 составляет 1,0-1,2 длины губки l. Кольцо 5, поджимающее губку 4 втулки 2 к герметизируемой поверхности цилиндра 1, установлено в канавке поршня 3.

При необходимости обеспечить двухстороннее уплотнение поверхности цилиндра опорно-уплотнительная втулка может быть снабжена второй уплотняющей губкой 6 (фиг.2), расположенной симметрично относительно первой и вторым кольцом, поджимающим губку 6 к герметизируемой поверхности.

С целью повышения степени герметизации и надежности герметизирующего устройства оно может быть снабжено второй опорно-уплотняющей втулкой с кольцом, поджимающим уплотняющую губку к уплотняемой поверхности, установленными соосно на поршне (фиг.3).

В свободном нерабочем состоянии без поджимного кольца 5 между цилиндром 1 и втулкой 2 обеспечивается гарантированный зазор от 0,1 до 0,3 мм в зависимости величины диаметра поршня и цилиндра.

При работе изделия (гидропневмоаппаратура и другие изделия) на уплотняющую губку 4 опорно-уплотнительной втулки 2 воздействует высокое давление рабочей среды (жидкости, газа) и контактное давление от сил упругой деформации поджимающего кольца 5 суммарное давление обеспечивает необходимую степень деформации уплотняющей губки 4 и ее плотное прижатие к сопряженной поверхности цилиндра 1. Причем при заданном отношении толщины h губки к ее длине l не более 1:3 обеспечивается малая жесткость губок 4. Поэтому под действием давления со стороны поджимного кольца 5 они имеют возможность компенсировать несоосность вследствие погрешностей изготовления и сборки деталей устройства и отслеживать неизбежное колебание радиального зазора между втулкой 2 и цилиндром 1 при работе изделия.

В условиях напряженно-деформированного состояния уплотняющей губки под влиянием контактного давления полимерный материал втулки 2 на малой контактной длине упругопластически деформируется на микронеровностях сопряженной металлической поверхности цилиндра 1 и обеспечивает герметизацию подвижного сопряжения. Повышение давления рабочей среды приводит к увеличению давления на торец губки 4 и открытую часть внутренней поверхности губки и поверхности поджимного кольца 5, повышению контактного давления и плотности контакта в зоне уплотнения.

При допустимом износе уплотняющих губок в процессе эксплуатации изделия надежность уплотнения сохраняется за счет сил упругой деформации поджимающих колец и давления рабочей среды. Надежность соединения (закрепления) опорно-уплотняющей втулки 2 на поршне 3 обеспечивается за счет заданного натяга между ними и упора в стенку расточки поршня. Устойчивое структурно-фазовое состояние и свойства полимерного материала обеспечивается благодаря тому, что с целью минимизации интенсивности процессов релаксации производится термообработка собранного поршня при температуре (120-140°С), превышающей максимальную температуру изделия в процессе эксплуатации.

Таким образом, предлагаемая конструкция герметизирующего устройства обеспечивает наиболее благоприятные условия для надежного соединения с поршнем, для нагружения и деформации уплотняющего элемента и герметизации уплотняемой поверхности. Малая толщина и длина губки, согласованная с диаметром сечения поджимающего кольца, обеспечивают наибольшее значение контактного давления уплотняющей губки на поверхность цилиндра и высокую степень герметизации подвижного сопряжения.

1. Герметизирующее устройство, содержащее уплотняющий и направляющий элементы, выполненные в виде одной цилиндрической втулки из полимерного композиционного материала, установленной между неподвижным и подвижным элементами устройства, и силовой элемент, поджимающий уплотняющий элемент к герметизируемой поверхности, в виде кольца круглого сечения из эластичного материала, отличающееся тем, что цилиндрическая втулка снабжена уплотняющей губкой с отношением ее толщины к длине не более 1:3, а силовой элемент с диаметром поперечного сечения в пределах 1,0-1,2 длины уплотняющей губки и цилиндрическая втулка с отношением длины губки к длине втулки не более 1:4 и толщины губки к толщине стенки втулки не более 1:2 установлены в расточке подвижного элемента с натягом 0,10-0,15 от посадочного диаметра расточки поршня.

2. Герметизирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что цилиндрическая втулка снабжена второй уплотняющей губкой, размещенной симметрично относительно первой, а для поджатия второй уплотняющей губки под ней установлено второе кольцо круглого сечения из эластичного материала, размещенное в расточке подвижного элемента.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено второй цилиндрической втулкой с уплотняющей губкой и вторым кольцом круглого сечения, поджимающим уплотняющую губку, расположенными соосно с первой втулкой и кольцом в расточке подвижного элемента.