Способ изготовления плоской уплотнительной прокладки, прокладка, полученная этим способом

Изобретение относится к области деталей машин, точнее к уплотнениям между неподвижными относительно друг друга поверхностями, и может найти применение при изготовлении прокладок, используемых предпочтительно для уплотнения фланцевых соединений. В способе изготовления плоской уплотнительной прокладки осуществляют рулонную намотку ленты из пористого политетрафторэтилена на оправку с формированием U-образного поперечного сечения слоя. Намотку ленты осуществляют с усилием натяжения 1-5 кг и используют при этом цилиндрическую оправку с вогнутой образующей. Оправка снабжена фланцами, расстояние между которыми меньше, чем ширина ленты, на столько, что при намотке осуществляется ее продольное, по меньшей мере, трехслойное сложение. После завершения операции намотки оснастку с лентой нагревают до температуры 320-380°С и выдерживают при этой температуре в течение 15-60 мин. Межфланцевая поверхность оправки может быть образована двумя конусами, встречно ориентированными меньшими основаниями. Уплотнительная прокладка имеет форму плоского кольцевого элемента и целиком выполнена рулонной намоткой пористой политетрафторэтиленовой ленты со слоями, имеющими в поперечном сечении U-образную форму, при этом каждый слой образован продольным, по меньшей мере, трехслойным сложением исходной ленты. Прокладка, полученная заявляемым способом, имеет прочно соединенные между собой слои политетрафторэтилена и не нуждается в бандажных кольцах. Ее можно изгибать, перекручивать и сгибать пополам, при этом не происходит ее расслоение, она сохраняет целостность. Однако достаточно легко и без отрывов можно отматывать наружные или внутренние витки, что позволяет при монтаже точно подгонять габариты прокладки под необходимые размеры. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области деталей машин, точнее к уплотнениям между неподвижными относительно друг друга поверхностями, и может найти применение при изготовлении прокладок, используемых предпочтительно для уплотнения фланцевых соединений. Предметом данного изобретения являются два объекта: способ изготовления прокладки и изделие, полученное этим способом, - уплотнительная прокладка.

Общеизвестны и широко применяются уплотнительные прокладки из фторопласта 4 (политетрафторэтилена) по ГОСТ 15180-86 [Прокладки плоские эластичные. Основные параметры и размеры], которые изготавливаются из листовых заготовок на вырубных штампах

[http://www.gore.com/sealants/russian/ru_gask_gr_sheet_style_r.html]. Востребованность политетрафторэтиленовых прокладок объясняется уникальным сочетанием свойств материала, в том числе низкой влагопроницаемостью, механической прочностью, высокими диэлектрическими свойствами, химической устойчивостью, низким коэффициентом трения, а также широкой областью рабочих температур (от -260 до +260°С). Однако следствием изготовления прокладок вырубным способом является высокий процент отхода материала, а также то, что толщина прокладки определяется толщиной исходного листа. При использовании таких прокладок при уплотнении межфланцевых зазоров достаточно часто приходится набирать толщину несколькими прокладками.

Другим направлением развития уплотнительных изделий является создание спирально-навитых прокладок (СНП). Как известно, концепция спирально-навитых прокладок (СНП) была предложена фирмой Flexitallic в 1912 г. [с информацией можно ознакомиться в сети Интернет на сайте http://www.izobretatel.msk.ru/ordered/spiral/]. Спирально-навитая прокладка представляет собой кольцо, навитое из чередующихся слоев ленты наполнителя (фторопласта) и профилированной (V- или W-образной) металлической ленты, служащей армирующим элементом, позволяющим удерживать форму изделия.

Спирально-навитые прокладки изготавливаются на специализированных станках. Чтобы навивка не раскручивалась, первые и последние металлические витки скрепляют сваркой в процессе намотки. От качества сварки во многом зависит надежность прокладки.

В качестве одного из представителей данного направления может служить способ получения прокладки путем спиральной навивки V-образной профилированной ленты, витки которой разделены слоями наполнителя - фторопласта [патент СССР 402705, опубл. 19.10.1973], и соответственно спирально-навитая прокладка, полученная данным способом. Способ позволяет минимизировать отход материала, поскольку диаметр прокладки вполне точно определяется числом витков (слоев навивки). При этом способ позволяет изготавливать прокладки различной, в том числе нестандартной, толщины, которая определяется шириной используемых лент. Основным недостатком такой технологии является чресслойное введение в конструкцию металлической армирующей ленты и дополнительной упругой ленты. Это усложняет как процесс изготовления, так и саму конструкцию изделия, и кроме того, ограничивает сферу применения.

Надежность спирально-навитых прокладок повышается с применением внутренних и наружных ограничительных колец. Этот прием использован в конструкции уплотнительного узла неподвижного соединения [а.с. СССР 1059978, опубл.

10.10.1999]. Уплотнительное средство выполнено в виде спирально-навитой прокладки, заключенной между внутренним и внешним ограничительными кольцами, при этом внешнее ограничительное кольцо выполнено конусообразного сечения с эластичным материалом по торцовым поверхностям. Такой прием повышает надежность и термобароциклическую работоспособность уплотнения.

Известен способ изготовления плоской уплотнительной прокладки [патент РФ 2309313, опубл. 27.10.2007]. Способ предусматривает формирование ленты слоистой структуры, состоящей из двух слоев фольги расширенного графита, между которыми расположен слой армирующего элемента, соединение слоев слоистой структуры путем их плакирования пористым политетрафторэтиленом, формирование поперечных чередующихся профильных углублений на плакированной ленте слоистой структуры, навивку пространственной спирали до необходимого числа витков и прессование витков спирали до сцепления контактирующих между собой витков спирали пористым политетрафторэтиленом. В описании к патенту раскрыт механизм сцепления витков, и указано, что при намотке и натяжении гофр спирали имеет место выдавливание воздуха из пор соприкасающихся участков пористого политетрафторэтилена, а следовательно, имеет место разряжение воздуха, которое обеспечивает соединение слоев. Этот способ обладает рядом недостатков, в том числе требует сложного оборудования для изготовления поперечных гофр и их «веерного» натяжения. Кроме того, представляется, что соединение слоев за счет разрежения воздуха в слоях пористого политетрафторэтилена (механизм вакуумной присоски) является малонадежным.

В качестве прототипа первого объекта изобретения (способа) выбран способ изготовления спирально-навитых прокладок, разработанный ООО «Изобретатель» [с информацией можно ознакомиться в сети Интернет на упомянутом выше сайте http://www.izobretatel.msk.ru/ordered/spiral/]. Способ предусматривает рулонную намотку на оправку чередующихся слоев ленты наполнителя (фторопласта) и предварительно профилированной U-образной армирующей металлической ленты (здесь и далее в тексте термин «рулонная» употребляется в значении спиральной намотки при наложении витков строго один на другой без перемещения вдоль оси вращения). При этом вершина выгиба ориентирована наружу, а первые и последние витки стальной ленты скрепляют в процессе намотки контактной сваркой. Недостатки способа описаны выше и обусловлены введением металлической армирующей ленты и необходимостью сварки бандажных колец.

В качестве прототипа второго объекта (прокладки) выбрана прокладка, изготовленная по способу-прототипу. Фланцевая прокладка имеет форму кольца и выполнена рулонной намоткой ленты фторопласта и армирующей профилированной U-образной металлической ленты с чередованием слоев между собой. Внутренние и наружные витки прокладки охвачены металлическими бандажными кольцами. Недостатки конструкции обусловлены наличием металлических слоев.

Таким образом, существует техническое противоречие - одни известные прокладки выполнены целиком из фторопласта, но относительно простое их изготовление вырубным способом приводит к высокому проценту отхода материала. Другие прокладки - спирально-навитые, лишены этого недостатка, но для удержания слоев фторопласта между собой (материал, как известно, обладает высоким коэффициентом скольжения и не сваривается плавлением) требуется применение свариваемых бандажных металлических колец, что усложняет технологию изготовления и конструкцию прокладки и не всегда приемлемо.

В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала средств и разрешения указанного противоречия, а именно изготовление фторопластовой спирально-навитой прокладки, обладающей функциональными свойствами не ниже, чем у цельной вырубной, но без применения металлических армирующих слоев и охватывающих колец.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления плоской уплотнительной прокладки осуществляют рулонную намотку ленты из пористого политетрафторэтилена на оправку с формированием U-образного поперечного сечения слоя. Намотку ленты осуществляют с усилием натяжения 1-5 кг и используют при этом цилиндрическую оправку с вогнутой образующей. Оправка снабжена фланцами, расстояние между которыми меньше, чем ширина ленты, на столько, что при намотке осуществляется ее продольное, по меньшей мере, трехслойное сложение. После завершения операции намотки оснастку с лентой нагревают до температуры 320-380°С и выдерживают при этой температуре в течение 15-60 мин. Межфланцевая поверхность оправки может быть образована двумя конусами, встречно ориентированными меньшими основаниям.

Поставленная задача также решается во втором объекте - уплотнительной прокладке, которая имеет форму плоского кольцевого элемента и целиком выполнена рулонной намоткой пористой политетрафторэтиленовой ленты со слоями, имеющими в поперечном сечении U-образную форму, при этом каждый слой образован продольным, по меньшей мере, трехслойным сложением исходной ленты. Уплотнительная прокладка изготовлена согласно заявляемому способу.

Более подробно сущность изобретения раскрывается в приведенных ниже примерах реализации и иллюстрируется на чертеже, на котором представлено поперечное сечение изделия в процессе намотки на оправку.

В качестве исходной ленты выбирают ленту из пористого политетрафторэтилена (ГОСТ 14906-77. Фторопласт 4D. Технические условия) шириной 10-20 мм или нарезают ее из рулона более широкой ленты до заданной ширины. Толщина ленты от 50 до 150 мкм. Намотку ленты 1 осуществляют на сборную цилиндрическую оправку 2 с фланцами 3. Межфланцевая цилиндрическая поверхность образована двумя конусами 4, встречно ориентированными меньшими основаниям, между ними могут быть установлены дополнительные дисковые проставки. Таким образом, межфланцевая цилиндрическая поверхность оправки имеет дугообразно вогнутую образующую.

При выборе оправки одним из определяющих параметров является межфланцевое расстояние, оно должно быть существенно меньше (в 3-3,5 раза и более), чем ширина исходной ленты.

В процессе намотки усилие натяжения составляет 1-5 кг. Лента наматывается на оправку, ее края находят на внутреннюю поверхность фланцев, и она за счет упругих свойств и натяжения продольно складывается в 3 раза. Выбором соотношения межфлацевого расстояния и ширины ленты можно получить 4- и более кратное продольное сложение ленты. Поскольку сложенная лента наматывается на оправку с вогнутой цилиндрической поверхностью, то формируются слои U-образного (криволинейного, вогнутого внутрь) поперечного сечения. Кривизна изгиба определяется в первую очередь кривизной образующей цилиндрической поверхности оправки и может приближаться к V-образной форме сечения. Слои наматываются строго друг на друга (рулонная намотка).

Намотку прокладок можно осуществлять на оборудовании, позволяющем одновременно изготавливать несколько (до 10 и более) изделий (в зависимости от массы оснастки и диаметра прокладок), в том числе разного габарита, что определяется в основном количеством витков и внутренним диаметром, и разной толщины, что определяется межфланцевым расстоянием.

После окончания намотки полученную сборку - оправку с лентой - снимают и помещают в печь для нагрева до температуры 320-380°С. Продолжительность нагрева - 15-60 мин. Затем сборку охлаждают принудительно, или возможно ее остывание при нормальной температуре.

После остывания оправку разбирают и извлекают готовое к употреблению изделие - уплотнительную прокладку. Она имеет форму плоского кольцевого элемента и целиком выполнена рулонной намоткой пористой политетрафторэтиленовой ленты со слоями, имеющими в поперечном сечении U-образную форму, при этом каждый слой образован продольным, по меньшей мере, трехслойным сложением исходной ленты.

Прокладка, полученная заявляемым способом, имеет настолько прочно соединенные между собой слои политетрафторэтилена, что не нуждается в бандажных кольцах. Ее можно изгибать, перекручивать и сгибать пополам, при этом не происходит ее расслоение, она сохраняет целостность. Однако достаточно легко и без отрывов можно отматывать наружные или внутренние витки, что позволяет при монтаже точно подгонять габариты прокладки под необходимые размеры.

Полученная спирально-навитая прокладка обладает гидро- и газонепроницаемостью не ниже, чем у вырубленной из фторопластового листа. В качестве примера можно привести результаты испытаний: прокладка внутренним диаметром 32 мм, внешним диаметром 52 мм и толщиной 2,5 мм, выполненная по заявляемой технологии, установленная во фланцевом узле испытательного стенда, выдержала испытание гидравлическим давлением 200 кг/см² в течение 168 ч (диапазон рабочих температур - от -50 до +130°С).

Экспериментально установлено, что комплекс описанных положительных свойств обеспечивается в интервале указанных параметров способа ее получения, а именно: при усилии натяжения 1-5 кг, при последующем нагреве до температуры 320-380°С в течение 15-60 мин.

При натяжении меньше 1 кг, температуре менее 320°С и времени термообработки менее 15 мин прокладка не обладает описанными свойствами. При натяжении больше 5 кг происходит неподдающаяся контролю усадка, деформация и, как следствие, выгибание прокладки, частично теряется эластичность. При температуре нагрева выше 380°С и несоблюдении временных режимов термообработки прокладки из ПТФЭ происходит необратимое ее разложение и потеря химических свойств пористого политетрафторэтилена как материала.

Полученные заявленным способом прокладки могут найти применение во фланцевых соединениях металлической арматуры, пластиковых, керамических соединениях и пр.

По своим характеристикам прокладки можно применять в химической и нефтегазовой промышленности, гидроэнергетических комплексах, водоснабжении, строении и ремонте разного рода плавсредств и др.

1. Способ изготовления плоской уплотнительной прокладки, характеризующийся тем, что осуществляют рулонную намотку ленты из пористого политетрафторэтилена на оправку с формированием U-образного поперечного сечения слоя, намотку ленты осуществляют с усилием натяжения 1-5 кг, и используют при этом цилиндрическую оправку с вогнутой образующей, оправка снабжена фланцами, расстояние между которыми меньше ширины ленты настолько, что при намотке осуществляется ее продольное, по меньшей мере, трехслойное сложение, а после завершения операции намотки оснастку с лентой нагревают до температуры 320-380°С и выдерживают при этой температуре в течение 15-60 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что межфланцевая поверхность оправки образована двумя конусами, встречно ориентированными меньшими основаниями.

3. Уплотнительная прокладка, характеризующаяся тем, что имеет форму плоского кольцевого элемента и целиком выполнена рулонной намоткой пористой политетрафторэтиленовой ленты со слоями, имеющими в поперечном сечении U-образную форму, при этом каждый слой образован продольным, по меньшей мере, трехслойным, сложением исходной ленты.