герметизирующее устройство

Формула изобретения

1. Герметизирующее устройство, содержащее уплотнительное кольцо со стенкой и уплотняющей губкой из антифрикционного полимерного материала, установленное между подвижным и неподвижным элементами устройства, и элемент, поджимающий уплотняющую губку к герметизируемой поверхности, отличающееся тем, что оно снабжено опорным кольцом со стенкой, установленным неподвижно относительно уплотнительного кольца с образованием полости для элемента, поджимающего уплотняющую губку и установленного на ней с упором в стенку опорного кольца, причем уплотняющая губка имеет отношение толщины к длине не более 1:3.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что уплотняющая губка имеет конические поверхности, обращенные вершинами в сторону уплотняемой полости, и уплотняющую кромку на расстоянии 0,8-1,2 толщины губки от стенки опорного кольца.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поджимающий губку элемент выполнен в виде браслетной пружины или кольца из эластичного материала с диаметром поперечного сечения пружины или кольца в пределах 0,8-1,2 длины уплотняющей губки.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено вторым уплотнительным кольцом и элементом, поджимающим уплотнительную губку к уплотняемой поверхности, установленными соосно с упором в первое уплотнительное кольцо.

Описание изобретения к патенту

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

Известно уплотнение поршня [1], содержащее манжету Г-образного сечения, установленную в проточке на поршне, опирающуюся уплотнительным лепестком на распорное эластичное кольцо круглого сечения. Этому устройству присущи недостатки, снижающие его надежность и ресурс. Из формулы изобретения и рисунка аналога следует, что манжета выполняется из высокоэластичного материала, т.е. резины, которая, как известно, обладает плохими антифрикционными свойствами, низкой износостойкостью и стареет в условиях эксплуатации, утрачивая эластичность. Кроме того, уплотнение, несмотря на высокую сложность конструкции, не имеет элементов, обеспечивающих компенсацию износа уплотняющей поверхности манжеты, что в сочетании с низкой износостойкостью материала манжеты значительно снижает ресурс работы уплотнения. Главный недостаток этого уплотнения состоит в том, что распорное эластичное кольцо расположено со стороны, противоположной подводу рабочего тела под высоким давлением. При таком расположении распорного кольца и уплотнительного лепестка с увеличением давления рабочего тела увеличивается равномерное сжатие кольца, что приводит к уменьшению контактного давления между кольцом и уплотнительным лепестком. Это ведет к тому, что при достижении некоторой величины давления рабочего тела контакт между лепестком и распорным кольцом может раскрыться и привести к полной потере герметичности. По мере износа лепестка начальное контактное давление от кольца будет снижаться и раскрытие контакта будет происходить при более низком давлении рабочего тела.

Известно герметизирующее устройство [2] - уплотнительное кольцо со стенкой и уплотняющей губкой и кольцо круглого сечения из эластичного материала, поджимающее губку уплотнительного кольца к герметизируемой поверхности. Это устройство наиболее близко по своей технической сущности к предлагаемому изобретению, однако ему также присущи недостатки, ограничивающие область его применения и срок службы.

Уплотнительное кольцо выполнено из антифрикционного полимерного композиционного материала с соотношением толщины уплотняющей губки и ее длины не более 1:2, что должно обеспечить снижение жесткости губок и усилия их прижатия к уплотняемой поверхности. Опыт эксплуатации герметизирующих устройств по патенту [2] показал, что устройство обеспечивает надежное уплотнение штоков и поршней гидроцилиндров, а также валов гидромоторов при невысокой частоте вращения - не более 1000 об/мин при скорости скольжения 1,0-1,5 м/с. Однако при более высокой частоте вращения жесткость уплотняющих губок оказывается слишком высокой, что не позволяет компенсировать колебания контактного давления между уплотняющей губкой и валом или цилиндром вследствие неизбежного радиального биения и отклонения от соосности и правильной геометрии поверхностей вала и цилиндра. Следствием названных причин является ограничение применения устройства в области высокой частоты вращения вала, или возвратно-поступательного движения поршня, снижение степени герметичности и значительное увеличение перетечек рабочего тела в процессе эксплуатации. Вторым недостатком устройства является необходимость деформации резинового кольца не только в радиальном, но и в осевом направлении для надежной фиксации уплотнительного кольца. Это значительно ухудшает условия работы резинового кольца, поскольку вызывает значительное увеличение внутренних напряжений и старение резины с потерей эластичности, а следовательно, потерю компенсации износа уплотняющих губок. Третьим недостатком устройства является его недостаточная технологичность - сложность сборки и контроля качества сборки устройства.

Задачей изобретения является повышение надежности, долговечности, технологичности изготовления герметизирующего устройства.

Для решения названной задачи герметизирующее устройство, содержащее уплотнительное кольцо со стенкой и уплотняющей губкой, элемент, поджимающий уплотняющую губку к герметизируемой поверхности, снабжено опорным кольцом со стенкой, установленным неподвижно относительно уплотнительного кольца с образованием полости для элемента, поджимающего уплотнительную губку и установленного на ней с упором в стенку опорного кольца, причем уплотняющая губка имеет отношение толщины к длине не более 1:3; уплотняющая губка имеет конические поверхности, обращенные вершинами в сторону уплотняемой полости, и уплотняющую кромку, распложенную на расстоянии 0,8-1,2 толщины губки от стенки опорного кольца; поджимающий губку элемент может быть выполнен в виде браслетной пружины или кольца из эластичного материала с диаметром поперечного сечения пружины или кольца в пределах 0,8-1,2 длины уплотняющей губки; кроме того, устройство может быть снабжено вторым уплотнительным кольцом и вторым элементом, поджимающим уплотнительную губку к уплотняемой поверхности, установленными соосно с упором в первое уплотнительное кольцо.

В отличие от известных устройств названные выше соотношения толщины и длины губок, а также диаметров поджимающих пружин (колец) и длины губок обеспечивают минимизацию жесткости губок и усилия, необходимого для создания контактного давления, герметизирующего поверхность вала (штока) при высокой частоте вращения последнего. Минимальная толщина губки определяется прочностью и жесткостью полимерного материала и технологией изготовления кольца. Например, для кольца из полимерного композиционного материала на основе фторопласта - 4 толщина стенки может составлять 0,6-1,0 мм. Длина губки определяется конструктивными параметрами устройства (наружный диаметр и высота уплотнительного кольца, диаметр вала), но должна составлять не менее трех толщин уплотняющей губки.

Наличие конических поверхностей на уплотняющей губке обеспечивает упор поджимающего элемента в стенку опорного кольца, постоянство положения и усилия поджимающего элемента, а также увеличение контактного давления с увеличением давления рабочего тела. Уплотняющая кромка расположена непосредственно под поджимающим элементом, что определяется ее положением на расстоянии 0,8-1,2 толщины уплотняющей губки от стенки опорного кольца и упором поджимающего элемента в названную стенку. Такое взаимное расположение поджимающего элемента и уплотняющей губки обеспечивает постоянство минимально необходимого контактного давления кромки на уплотняемую поверхность и компенсацию износа уплотняющей кромки независимо от уровня давления рабочего тела.

Наличие опорного кольца со стенкой не только обеспечивает вышеназванные преимущества предлагаемого герметизирующего устройства перед известными, но и делает устройство самостоятельной сборочной единицей, существенно упрощает сборку и контроль качества собранного герметизирующего устройства, что свидетельствует о высокой технологичности заявленного устройства.

На фиг.1, 2, 3, 4 показана конструкция (варианты исполнения) герметизирующего устройства. Оно содержит неподвижный элемент конструкции - корпус 1, уплотнительное кольцо 2, выполненное из антифрикционного полимерного материала, например из наполненного фторопласта. Кольцо 2 установлено неподвижно (с натягом) в корпусе 1 или на валу 3 и имеет уплотняющую губку 4, при этом отношение толщины h губки к ее длине 1 составляет не более 1:3. Элементы 5, поджимающие губку 4 уплотнительного кольца 2 к герметизируемой поверхности вала 3 и/или корпуса 1, упираются в стенку опорного кольца 6, установленного неподвижно в уплотнительном кольце 2 или на валу 3, и выполнены в виде браслетной пружины или в виде эластичного кольца круглого сечения с диаметрами поперечного сечения d=(0,8-1,2) l, что обеспечивает расположение уплотняющей кромки 7, отстоящей от стенки кольца 6 на расстояние (0,8-1,2) h непосредственно под поджимающим элементом.

С целью повышения степени герметизации и надежности герметизирующего устройства оно может быть снабжено вторым уплотнительным кольцом с элементом, поджимающим уплотнительную губку к уплотняемой поверхности, установленными соосно с упором в первое кольцо (фиг.3, 4).

В процессе работы изделия (гидропневмоаппаратура и другие изделия) на уплотняющую губку 4 уплотнительного кольца 2 воздействует давление рабочего тела и контактное давление от поджимающего элемента 5. Суммарное давление обеспечивает необходимую степень деформации уплотняющей губки 4 и ее плотное прилегание к сопряженной поверхности вала 3 или корпуса 1. Причем при заданных соотношениях между толщиной и длиной губок они имеют минимальную жесткость и благодаря этому имеют возможность отслеживать неизбежное радиальное биение уплотняемой цилиндрической поверхности при высокой частоте вращения без раскрытия контакта, а коническая форма уплотняющей губки 4 обеспечивает контактное взаимодействие на очень малой длине вала 3 (не более нескольких десятых долей миллиметра) и поэтому минимальную силу трения.

В условиях упругопластического деформирования под влиянием контактного давления полимерный материал кольца 2 (кромка 7) деформируется на микронеровностях сопряженной металлической поверхности вала 3 или корпуса 1, этому способствует малая площадь контакта уплотняющей губки 4 и обеспечивает герметизацию подвижного соединения. Благодаря коническим поверхностям 8, 9, образующим уплотняющую кромку 7, повышение давления рабочего тела приводит к увеличению контактного давления и надежности уплотнения. При допустимом износе уплотняющих губок герметичность соединения сохраняется за счет упругих сил прижимающих элементов и давления рабочего тела.

Таким образом, предлагаемая конструкция герметизирующего устройства создает наиболее благоприятные условия нагружения и деформации уплотняющего элемента и герметизации уплотняемой поверхности. Малая величина отношения толщины к длине уплотняющей губки (менее 1/3) и наличие у нее уплотняющей кромки, образованной пересечением двух конических поверхностей, обеспечивает минимальную жесткость губки и надежное уплотнение цилиндрической поверхности вала, вращающегося с высокой частотой. Этому способствует также контакт уплотняющей кромки на очень малой длине (несколько десятых долей миллиметра), что в свою очередь определяет незначительное тепловыделение в зоне контакта, максимальную износостойкость полимерного кольца и долговечность герметизирующего устройства. Применение поджимающего элемента в виде браслетной пружины исключает возможность старения поджимающего элемента, выполненного из эластичного материала.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Авторское свидетельство СССР №1364808, кл F 16 J 15/32, 1988.

2. Патент РФ №2047799, кл. F 16 J 15/32, 1995.