БАРЬЕРНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ШТОКА ГИДРОЦИЛИНДРА
BARRIER PACKING OF HYDRAULIC CYLINDER ROD

Заявляемое устройство относится к области судостроения, а именно к корабельным механизмам с гидроцилиндрами в качестве приводных объемных гидродвигателей, включая механизмы забортного и погружного исполнения, в частности к уплотнительным узлам штоков, совершающих прямолинейные возвратно-поступательные движения, независимо от их конструктивного исполнения и области применения.
Различные конструкции узлов уплотнения подвижных штоков в гидроцилиндрах, разновидность уплотнительных колец и манжет с рекомендациями по их подбору с достаточной подробностью изложены в специальной литературе (см., например, Т.М. Башта. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем М., Машиностроение, 1974). Требуемая герметичность в рассматриваемых подвижных соединениях узлов гидроцилиндров достигается за счет использования беззазорного уплотнения, обеспечиваемого дополнительным мягким материалом, чаще всего резиной, размещаемой между трущимися поверхностями. Процесс герметизации уплотнения резиновыми деталями осуществляется за счет внедрения сжатой резины в неровности контактирующих с ней поверхностей, при этом происходит заполнение резиной микроканалов на уплотняемой поверхности и перекрытие этих каналов. При движении уплотняемого штока резиновая деталь, находящаяся в сжатом состоянии, стремится принять изменяющуюся по ходу конфигурацию уплотняемой поверхности, сжимаясь на ее выступах и восстанавливаясь на впадинах. По мере увеличения относительной скорости перемещения процесс герметизации беззазорного уплотнения начинает затрудняться, а для полного перекрытия микроканалов на трущейся поверхности резиной требуется увеличение усилия ее объемного сжатия, что, несомненно, приведет к увеличению интенсивности ее износа.
Конструкции резиновых уплотнителей весьма разнообразны, разработаны стандарты на резиновые детали в виде манжет, воротников, шевронов и резиновых колец. Используются конструкции с различным сочетанием манжет с кольцевыми и фасонными уплотнителями, при этом на выбор той или иной конструкции уплотнения штока оказывает влияние целый ряд факторов, в частности, способ крепления крышки, обжимающей резиновое уплотнение, к гильзе крышки с одной стороны и размещение направляющего кольца штока, в которое упирается уплотнительный узел, - с другой.
Известно устройство направляющей подвижного штока гидроцилиндра (В.А. Марутов, С.А. Павловский. Гидроцилиндры. Конструкция и расчет. М., Машиностроение, 1966, рис.57 «л», стр.69), являющееся близким к заявляемому устройству по своему назначению.
К недостаткам конструкции узла уплотнения рассматриваемого аналога следует отнести его односторонность, при которой торцевая манжета обеспечивает только герметизацию рабочей полости гидроцилиндра, находящейся под давлением, исключая возможные протечки из нее наружу, при этом усилия, необходимые для герметизации трущихся поверхностей и создаваемые торцевой манжетой, ограничены, так как второе резиновое кольцо на направляющей втулке, выполняет функцию наружного грязесъемника, очищающего поверхность штока при его движении. Перечисленные недостатки аналога частично устранены в устройстве по авторскому свидетельству SU №998800, (51) F16J 15/44, (54) «Штоковый узел гидроцилиндра», в котором рабочая полость гидроцилиндра дополнена масляной полостью после уплотнительного узла штока, масляная полость соединена с рабочей полостью дроссельными каналами в направляющей втулке с созданием в ней масляного кармана, связанного гидравлически с дополнительной полостью, при этом емкость последней регулируется золотниковым кольцом, перемещаемым штоком. Повышение надежности в этом аналоге достигается путем частичной гидравлической разгрузки направляющей втулки, обеспечения центрирования ее на штоке и эффективного использования удлиненных, равномерно прижатых резиновых элементов уплотнения.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому по совокупности признаков является устройство уплотнения штока гидроцилиндра по патенту US №3685398, (45) 22.08.1972, (54) «Гидроцилиндр». Устройство представляет собой гидроцилиндр с подвижным штоком и уплотняющим его узлом, включающим в себя направляющую втулку с наружной торцевой манжетой, опирающейся вторым концом на развернутую торцевую манжету, установленную в крышке гидроцилиндра, принятое за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного технического устройства, принятого за прототип, относятся:
- сложность центрирования резьбовой направляющей втулки относительно подвижного штока, не соблюдение которого приводит к неравномерности износа последнего, к увеличению вытекания рабочей жидкости при его движении;
- принятое размещение торцевых манжет в узле уплотнения не дает равномерного обжатия их резиновых элементов, обеспечивающих эффективное использование возникающих при этом усилий, уплотняющих шток, при этом усилие сжатия внутренней торцевой манжеты резьбовой направляющей втулкой недоступно для контроля и может привести к разрушению ее при затяжке резьбы;
- свободная наружная торцевая манжета на резьбовой направляющей втулке штока не обеспечивает надежность уплотнения штока при погружном исполнении гидроцилиндра и не предотвращает попадания забортной воды в рабочую жидкость.
Заявляемое устройство направлено на создание двухстороннего узла уплотнения подвижного штока гидроцилиндра в погружном исполнении, надежно защищающего его от проникновения забортной воды в рабочую жидкость гидроцилиндра на всем диапазоне давлений рабочей жидкости и глубин погружения гидроцилиндра.
Техническим результатом заявляемого устройства является создание эффективного узла уплотнения подвижного штока для гидроцилиндров погружного или забортного исполнения с высокой надежностью и износостойкостью узла уплотнения за счет его гидростатической разгрузки и центрирования направляющих втулок в нем.
Указанный технический результат достигается тем, что барьерное уплотнение штока гидроцилиндра, содержащее подвижный шток с уплотняющим его узлом, включающим в себя направляющую втулку с наружной торцевой манжетой, которая опирается в крышку гидроцилиндра. Новым является то, что направляющая втулка узла уплотнения штока выполнена из двух составных частей, каждая из которых дополнена наружным и внутренним уплотнительными кольцами и содержит торцевую манжету с подманжетным кольцом, с помощью которых одна из частей упирается в крышку гидроцилиндра с возможностью ее поджатия, вторая - в корпус гидроцилиндра через упорное кольцо, при этом обе части разделены дополнительной втулкой, установленной на шток, образованная при этом полость внутри гидроцилиндра соединена каналом с гидравлическим компенсатором, имеющим две, разделенные подвижной резиновой мембраной, полости и сигнализатор, тарелка которого представляет собой опору для мембраны в нижнем своем положении, при этом полости под мембраной компенсатора и внутри узла уплотнения штока заполнены рабочей жидкостью, а полость над мембраной компенсатора выполнена открытой для среды, окружающей устройство.
При исследовании отличительных признаков заявляемого устройства не выявлено каких-либо технических решений по разделению направляющей втулки подвижного штока на две части, позволяющих уменьшить усилия их воздействия на шток и распределить эти усилия по длине штока. Дополнения составных направляющих штока наружными и внутренними канавками под уплотнительные резиновые кольца и проточками под торцевые манжеты позволяют обеспечить необходимую центровку составных направляющих на подвижном штоке и равномерность обжатия резиновых уплотнений, что гарантирует их использование с максимальной эффективностью.
Подманжетные кольца, с помощью которых одна из частей направляющей втулки выполнена с упором в крышку гидроцилиндра с возможностью ее поджатия, вторая с упором в корпус гидроцилиндра через упорное кольцо, что обеспечивают равномерность нагружения составных направляющих штока и компенсацию износа резиновых уплотнительных элементов при эксплуатации.
Составные направляющие штока разделены дополнительной втулкой, установленной на шток, образованная при этом полость внутри гидроцилиндра, выполняющая в совокупности с компенсатором функции барьера, разделяющего рабочую жидкость и окружающую среду, соединена каналом с гидравлическим компенсатором, имеющим две, разделенные подвижной резиновой мембраной, полости и сигнализатор, тарелка которого представляет собой опору для мембраны в нижнем ее положении, при этом полости под мембраной компенсатора и внутри узла уплотнения штока заполнены рабочей жидкостью, а полость над мембраной компенсатора выполнена открытой для окружающей устройство среды, что позволяет обеспечить гидравлическую разгрузку каждой составной части направляющей втулки независимо от величины давления рабочей жидкости в полости гидроцилиндра и гидростатического наружного давления, которое зависит от глубины погружения.
Общий вид барьерного уплотнения штока гидроцилиндра поясняется чертежом.
Заявляемое устройство состоит из гидроцилиндра 1 с подвижным штоком 2 и уплотняющим его узлом, включающим в себя направляющие втулки 3 и 4 с канавками под наружные 5, 6 и внутренние 7, 8 уплотнительные кольца, а также торцевые манжеты 9 и 10, удерживаемые внутри гидроцилиндра крышкой 11 с одной стороны и упорным кольцом 12 - с другой, при этом направляющие втулки, дополненные наружными и внутренними уплотнительными кольцами 5, 6, 7, 8, а также торцевой манжетой 10 с подманжетным кольцом 13, с помощью которого торцевая манжета 10 упирается в крышку 11 гидроцилиндра 1 с возможностью ее поджатия, а торцевая манжета 9 опирается на корпус внутри гидроцилиндра 1 с использованием подманжетного 14 и упорного 12 колец, при этом направляющие втулки 3 и 4 с торцевыми манжетами 9 и 10 и уплотнительными кольцами 5, 6, 7, 8 разделены дополнительной втулкой 15, установленной на шток 2 с зазором, образующей при этом полость внутри гидроцилиндра, соединенную каналом 16 с гидравлическим компенсатором 17, имеющим две разделенные подвижной резиновой мембраной 18 полости и тарелку 19 сигнализатора 20, на которую опирается мембрана 18 в нижнем своем положении, при этом полости под мембраной 18 компенсатора 17 и внутри узла уплотнения штока заполнены рабочей жидкостью, а полость над мембраной компенсатора выполнена открытой для среды, окружающей устройство.
Заявляемое устройство работает следующим образом: при перемещении штока 2 рабочая жидкость из полости гидроцилиндра 1 одновременно поступает в соединенные с ней полости внутри узла уплотнения над дополнительной втулкой 15 и по каналу 16 в подмембранную полость компенсатора 17. Давление в этих полостях выравнивается, а резиновая мембрана 18 под действием рабочей жидкости сойдет с тарелки 19 сигнализатора 20 и займет крайнее верхнее положении, позволив рабочей жидкости заполнить весь объем компенсатора 17. Тыльные стороны обеих направляющих втулок 3 и 4 получат одинаковую нагруженность под действием давления рабочей жидкости, при этом направляющая втулка 3 со стороны рабочей полости гидроцилиндра 1 оказывается гидравлически разгруженной, т.е. усилие, воспринимаемое тыльной ее стороной, равно и противоположно направлено усилию, действующему на переднюю часть, содержащую торцевую манжету 9 и подманжетное кольцо 14.
Гидравлически разгруженная направляющая втулка 3 с торцевой манжетой 9, дополненная наружным 5 и внутренним 7 уплотнительными кольцами, создает оптимальный режим герметичности подвижного штока 2, обеспечивает эффективность использования сил трения, созданных всей комбинацией резиновых деталей уплотнения в условиях минимального их износа, при этом на интенсивность износа не влияет величина давления рабочей жидкости, т.к. уплотнительный узел продолжает оставаться гидравлически разгруженным.
Вторая часть направляющей втулки 4 при полностью заполненном рабочей жидкостью компенсаторе 17 обеспечивает герметичность уплотнения подвижного штока 2 только своими наружным 6 и внутренним 8 уплотнительными кольцами, эффективность уплотнения этого узла будет несколько ниже по сравнению с узлом, рассмотренным выше, однако она начинает возрастать по мере увеличения давления окружающей гидроцилиндр среды, например, если объект с установленным на нем гидроцилиндром начинает погружение на глубину.
При погружении объекта с установленным на нем гидроцилиндром по мере роста гидростатического давления воды, воздействующей на переднюю часть второй направляющей втулки 4 с торцевой манжетой 10 и заполняющей верхнюю надмембранную полость компенсатора 17, рабочая жидкость начнет вытесняться мембранной 18 из нижней полости компенсатора 17 в рабочую полость гидроцилиндра 1, при этом давление рабочей жидкости в соединенных между собой полостях начнет возрастать, увеличивая воздействии на тыльные части обеих направляющих втулок 3 и 4. При равенстве величин гидростатического давления воды и давления рабочей жидкости в компенсаторе обе направляющие втулки 3 и 4 окажутся гидравлически разгруженными и перейдут в режим работы с максимальной эффективностью уплотнений подвижного штока при минимальном износе.
При дальнейшем росте гидростатического давления за допустимые пределы, мембрана 18 в компенсаторе 17 начнет прогибаться вниз, выдавливая рабочую жидкость, и в конце концов надавит на тарелку 19 сигнализатора 20, вызывая его срабатывание, извещающее о том, что гидравлическая разгруженность направляющих втулок 3 и 4 нарушена, торцевая манжета 10 перегружена, а полезное усилие на герметизацию второй торцевой манжеты 9 снижается.
При всплытии объекта с установленным на нем гидроцилиндром уравновешивание гидростатического давления и давления рабочей жидкости в компенсаторе 17 достигается за счет вытеснения из него мембраной излишней воды.
Для компенсации износа резиновых уплотнительных деталей при длительной их эксплуатации торцевые манжеты 9 и 10 снабжены подманжетными кольцами 13 и 14, которыми они упираются в крышку 11 гидроцилиндра 1 и в упорное кольцо 12 внутри корпуса гидроцилиндра. Крышка 11 выполнена с возможностью ее осевого поджатия путем затяжки крепящих ее болтов, возникающие при этом осевые усилия через подманжетные кольца 13, 14 и разделительную втулку 15 на штоке 2 одновременно передаются на обе торцевые манжеты 9 и 10, усиливая объемное сжатие резины, из которой они изготовлены, в результате чего могут быть увеличены полезные усилия манжет, необходимые для более эффективной герметизации подвижного штока 2.
Заявляемое устройство барьерного уплотнения штока гидроцилиндра, содержащее подвижный шток с уплотняющим его узлом, включает в себя направляющую втулку с наружной торцевой манжетой, опирающейся в крышку гидроцилиндра, при этом направляющая втулка узла уплотнения штока выполнена из двух составных частей, каждая из которых дополнена наружным и внутренним уплотнительными кольцами и содержит торцевую манжету с подманжетным кольцом, с помощью которых одна из частей упирается в крышку гидроцилиндра с возможностью ее поджатия, вторая - в корпус гидроцилиндра через упорное кольцо, при этом обе части разделены дополнительной втулкой, установленной на шток, образованная при этом полость внутри гидроцилиндра, соединена каналом с гидравлическим компенсатором, имеющим две, разделенные подвижной резиновой мембраной, полости и сигнализатор, тарелка которого представляет собой опору для мембраны, находящейся в нижнем ее положении, при этом полости под мембраной компенсатора и внутри узла уплотнения штока заполнены рабочей жидкостью, а полость над мембраной компенсатора выполнена открытой для среды, окружающей устройство, что позволяет достичь:
- эффективного и надежного уплотнения подвижного штока гидроцилиндра погружного исполнения на всем рабочем диапазоне давлений рабочей жидкости и глубины погружения с повышенной износостойкостью за счет использования разгруженных уплотнительных узлов;
- простоты настроек и отсутствия сложных регулировок устройства в течение длительной эксплуатации, определяемой сроком службы стандартных резинотехнических изделий.
Разработана конструкторская документация опытного образца заявляемого барьерного уплотнения штока гидроцилиндра с последующим изготовлением и проведением натурных испытаний.