Монолитный поршень

Полезная модель относится к области уплотнительной техники, в частности к узлам уплотнения механизмов для герметизации кольцевого зазора между цилиндром и поршнем в устройствах, работающих в условиях возвратно-поступательного движения, преимущественно, для поршневых компрессоров без смазки проточной части цилиндра.
Технической задачей полезной модели является снижение массовых утечек через существующие зазоры в цилиндропоршневой группе, в условиях эксплуатации поршневых компрессоров при высоких температурах (до 250°С) и давлении (до 15 МПа).
Техническая задача решается за счет создания конструкции манжетного уплотнения U-образного сечения, выполненного заодно с поршнем и является монолитной конструкцией. Монолитный поршень может быть выполнена из фторопластовых композиций, предназначенных для работы в условиях сухого трения в широком диапазоне температур от -200 до +260°С при давлении в рабочей камере от атмосферного до высокого. Монолитный поршень может быть использован, как для цилиндров простого действия, так и для цилиндров двойного действия. Монолитный поршень изготавливается, преимущественно, методом токарной обработки.
Известно манжетное уплотнение [RU 2 502 907], которое выполнено в виде кольца, имеющего V-образное поперечное сечение. Указанное кольцо сформировано из фольги, содержащей слой терморасширенного графита (ТРГ) с равномерно распределенным по его ширине по меньшей мере одним расправленным углеродным жгутом, посредством ее спиральной навивки с последующей подпрессовкой в направлении оси кольца. Описанное выше манжетное уплотнение за счет того, что оно имеет широкий температурный диапазон применения (до 650°С на воздухе, до 3000°С - в инертной атмосфере), а также благодаря стойкости к «вымыванию» ТРГ, армированного расправленным углеродным жгутом, позволяет повысить герметичность подвижных соединений в условиях эксплуатации при высоких рабочих температурах (выше 200°С).
Данное техническое решение имеет следующие недостатки. Существующая конструкция, с одним манжетным уплотнением, способная работать в очень ограниченном диапазоне давлений, и не способна выдержать перепад давления до , согласно [Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. Френкель М. И., изд-во «Машиностроение», 1969. 744 стр. + 3 вкладки. Табл. 78. Ил. 470. Библ. 135 назв., стр. 405]. Так как данное техническое решение является составной конструкцией, между сопряженными деталями 1, 9 и 8, вследствие шероховатости поверхностей, происходят массовые утечки рабочей среды.
Наиболее близким к предлагаемому решению является поршень для гидроцилиндра из упругого материала, который выполнен за одно целое с уплотнительными манжетами [Буренин В.В. Новые конструкции силовых гидроцилиндров строительных и дорожных машин // Строительные и дорожные машины. – 1985. – №9. – С. 7–9.]. Монолитное уплотнение, насаживается на шток гидроцилиндра и фиксируется шайбой. Сборочный узел устанавливается в цилиндр гидроцилиндра.
1
2
3
3
Известное решение имеет следующие недостатки. Существующая конструкция с одной уплотнительной кромкой манжеты в поступательном и возвратном направлении способна работать в ограниченном диапазоне давлений, а в условиях работы поршневых компрессоров без смазки проточной части цилиндра, приведет к быстрому износу материала. Так как в монолитном поршне имеется отверстие под посадку на шток, то вследствие наличия шероховатости сопряженных поверхностей и плюсового допуска на отверстие, через существующие зазоры, будут происходит массовые утечки рабочей среды в направлениях, показанных на фиг. 3, согласно [Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах / И. И. Новиков, В. П. Захаренко, Б. С. Ландо. Под общ. ред. И. И. Новикова. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981.– С. 90-95]. Массовые утечки G характеризуют утечки рабочей среды через зазор между посадочным отверстие и штоком при поступательном движении, когда превалирует давление P. Массовые утечки G характеризуют утечки рабочей среды через зазор между посадочным отверстие и штоком при возвратном движении, когда превалирует давление P’. Массовые утечки G характеризуют утечки рабочей среды через зазор между зеркалом цилиндра и уплотнительными кромками манжетного уплотнения при возвратном движении, когда превалирует давление P. Массовые утечки G’ характеризуют утечки рабочей среды через зазор между зеркалом цилиндра и уплотнительными кромками манжетного уплотнения при возвратном движении, когда превалирует давление P’.
Техническая задача решается за счет создания монолитного поршня, который в значительной мере снижает массовые утечки сжимаемой среды из рабочей камеры, тем самым, увеличивая производительность поршневого компрессора. Монолитная конструкция способна работать в диапазоне температур от -60 до +250°С и высоких давлениях. Монолитный поршень может быть выполнен, например, из фторопластовой композиции Ф4К15М5, предназначенной для работы в условиях сухого трения, что обеспечит подачу потребителю сухого и чистого газа. Монолитный поршень может быть использован, как для цилиндров простого действия, так и для цилиндров двойного действия.
Предлагаемое решение поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 представлена конструкция монолитного поршня для цилиндра простого действия поршневого компрессора.
На фиг. 2 представлена конструкция монолитного поршня для цилиндра двойного действия .
На фиг. 3 представлены массовые утечки в манжетном уплотнении.
Цилиндр простого действия 1, содержит нагнетательный клапан 2 и всасывающий клапан 3. С цилиндром простого действия 1, сопряжен монолитный поршень 4 с U-образными уплотнительными манжетами 5, полостями 6 для разжатия уплотнительной манжеты 5 давлением сжимаемой среду, на конце монолитного поршня 4 предусмотрена резьба (например метрическая "М") для соединения со штоком компрессора 7. Монолитный поршень 4 в сборе со штоком 7 устанавливается в цилиндр простого действия 1 поршневого компрессора. Монолитный поршень 4 может быть выполнен из фторопластового композита, например из материала Ф4К15М5. Диаметр (D) монолитного поршня 4 следует изготавливать по квалитету - не менее k6. Уплотняющие манжеты  5, должны быть тщательно обработаны (шероховатость не должна превышать Ra=0,32). Количество уплотнительных манжет 5, а соответственно, и полостей 6 для разжатия, следует выбирать исходя из значений перепада давления  на уплотнительную манжету 5, по рекомендациям приведенных в [Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. Френкель М. И., изд-во «Машиностроение», 1969. 744 стр. + 3 вкладки. Табл. 78. Ил. 470. Библ. 135 назв., стр. 405].
При движении монолитного поршня 4, в цилиндре простого действия 1, объем рабочей камеры 8 уменьшается, газ, поступивший через всасывающий клапан 3, сжимается. Давление P в рабочей камере 8 увеличивается и через полость 6 воздействует на уплотнительные манжеты 5, которые в свою очередь прижимаются к зеркалу цилиндра простого действия 1, обеспечивая плотный контакт. При достижении требуемого давления нагнетательный клапан 2 открывается, и сжатый газ поступает к потребителю. При достижении верхней мертвой точки, находящейся вблизи клапанной плиты, монолитный поршень 4 движется в обратную сторону.
При движении монолитного поршня 4, в цилиндре двойного действия 1’, объем рабочей камеры 8 уменьшается, газ, поступивший через всасывающий клапан 3, сжимается. Давление P в рабочей камере 8 увеличивается и через полость 6 воздействует на уплотнительные манжеты 5, которые в свою очередь прижимаются к зеркалу цилиндра 1, обеспечивая плотный контакт. В это время, в рабочей камере 8’ образуется разряжение и газ через всасывающий клапан 3’ поступает в рабочую камеру 8’. При достижении требуемого давления нагнетательный клапан 2 открывается, и сжатый газ поступает к потребителю. При достижении верхней мертвой точки, находящейся вблизи клапанной плиты, монолитный поршень 4 движется в обратную сторону. В цилиндре двойного действия 1’, объем рабочей камеры 8’ уменьшается, газ, поступивший через всасывающий клапан 3’, сжимается. Давление P в рабочей камере 8’ увеличивается и через полость 6 воздействует на уплотнительные манжеты 5, которые в свою очередь прижимаются к зеркалу цилиндра двойного действия 1’, обеспечивая плотный контакт. При достижении требуемого давления нагнетательный клапан 2' открывается, и сжатый газ поступает к потребителю. При достижении верхней мертвой точки, находящейся вблизи клапанной плиты, монолитный поршень 4 движется в обратную сторону и процесс повторяется.
1
1
1
При использовании заявленного технического решения, повышается герметичность рабочей камеры поршневого компрессора работающего без смазки проточной части цилиндра за счет того, что массовые утечки сжимаемой среды возможны только в одном направлении, через зазора между зеркалом цилиндра и уплотнительной манжеты, для цилиндра простого действия в поступательном движении, характеризуется величиной - G, для цилиндра двойного действия в поступательном движении, характеризуется величиной - G, в возвратном движении, величиной - G’.
Величину теоретического зазора δ между зеркалом цилиндра и уплотнительной манжеты, можно рассчитать по формуле [Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах / И. И. Новиков, В. П. Захаренко, Б. С. Ландо. Под общ. ред. И. И. Новикова. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981.– С. 90-95].
B
H
δ=V/A          (1),
B
3
где V - полный объем щели между контактирующими поверхностями, м;
H
2
A - номинальная площадь манжеты, м.