СПОСОБ АВТОУПЛОТНЕНИЯ
AUTO-PACKING METHOD

Изобретение относится к способам уплотнения.
Известно уплотнительное кольцо, образованное навивкой ленты из терморасширенного графита с нанесенными на нее тиснением непрерывными канавками (Патент RU № 2 149 300, МПК F16J 15/24. Приоритет: 22.07.2011.). Канавки на каждой поверхности ленты расположены между канавками противоположной поверхности ленты.
Уплотнение осуществляют следующим образом. Между уплотняемыми деталями образуют кольцевую полость. Уплотнительное кольцо размещают в кольцевой полости и предварительно затягивают нажимной крышкой до уплотняющего давления 10-15 МПа. Благодаря наличию непрерывных канавок кольцо деформируется равномерно без относительного смещения слоев ленты и перекрывает кольцевую полость в радиальном направлении. Затем усилие предварительной затяжки снимают. Уплотнительное кольцо остается в деформированном состоянии, но наружный диаметр кольца незначительно уменьшается, а внутренний - незначительно увеличивается.  Предварительно деформированное кольцо затягивают окончательно.
Известное уплотнительное кольцо имеет малый интервал упругих деформаций и низкую выносливость, что ограничивает ресурс уплотнений, действующих за счет давления среды внутри уплотняемой полости. В таких уплотнениях уплотнительное кольцо работает при переменном уплотняющем давлении и вибрации. Слои графитовой ленты сминаются, теряют упругость и уплотнительные свойства.
Известна уплотнительная прокладка, состоящая из предварительно отформованной V-образной металлической ленты, навитой спиралью. Витки металлической ленты разделены лентой с мягким наполнителем. (Уплотнения. Сборник статей. Под ред. д-ра техн. наук В.К. Житомирского. Москва. Машиностроение. 1964 г., стр. 279.).
Уплотнение известной прокладкой осуществляют следующим образом.
Прокладку размещают между плоскими поверхностями уплотняемых деталей и затягивают до уплотняющего давления 100-150 МПа. Под действием усилия затяжки стенки V-образной металлической ленты изгибаются одна к другой. Витки ленты с мягким наполнителем удерживаются витками металлической ленты, повторяют ее изгиб и не подвергаются смятию. Деформации изгиба увеличивают интервал упругих деформаций уплотнительной прокладки.
V-образная форма металлической ленты придает уплотнительной прокладке уникальные свойства. Прокладка имеет высокий модуль упругости, достаточный интервал упругих деформаций и высокую выносливость.
Однако, высокий модуль упругости препятствует применению известной прокладки в уплотнениях, действующих за счет давления среды внутри уплотняемой полости. В таких конструкциях малые и нарастающие давления уплотняемой среды не обеспечивают необходимое начальное уплотняющее давление известной прокладки.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ автоуплотнения (Патент RU № 2 484 344, МПК F16J 15/48. Приоритет: 22.07.2011.), в котором между уплотняемыми деталями образуют кольцевую полость, в кольцевой полости размещают уплотнительное кольцо и нажимное кольцо с возможностью их автоматического поджатия за счет давления среды внутри уплотняемой полости. Уплотнительное кольцо предварительно заключают в защитные кольцевые корсеты, которые выполняют с торцовой, цилиндрическими и/или коническими стенками. Уплотнительное кольцо устанавливают на посадочной поверхности нажимного кольца, образуя сменную сборочную единицу - автоуплотнение. Уплотняемые детали стягивают и сжимают уплотнительное кольцо до начальных уплотняющих давлений 0.1-0.3 МПА, чем обеспечивают уплотнение при малых и нарастающих давлениях.
Особенность известного способа заключается в том, что уплотняющее кольцо работает при переменном уплотняющем давлении и вибрации.  В таких условиях соединение уплотнительного материала и кольцевых корсетов подвергается усталостному разрушению и ограничивает ресурс уплотнения.
Изобретение решает задачу повышения надежности соединения уплотнительного материала и кольцевых корсетов.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении ресурса и снижении эксплуатационных затрат уплотнений, действующих за счет давления среды внутри уплотняемой полости.
1-е, основное, исполнение способа автоуплотнения.
Между уплотняемыми деталями образуют кольцевую полость, в кольцевой полости размещают уплотнительное кольцо и нажимное кольцо с возможностью их автоматического поджатия за счет давления среды внутри уплотняемой полости. Уплотнительное кольцо предварительно формируют из графитовой ленты. Слои графитовой ленты укладывают концентрично оси кольца и заключают в защитные кольцевые корсеты. Кольцевые корсеты выполняют с торцовой, цилиндрическими и/или коническими стенками. Уплотнительное кольцо устанавливают на посадочной поверхности нажимного кольца, образуя сменную сборочную единицу - автоуплотнение.
Для достижения указанного технического результата кольцевые корсеты противоположных торцов соединяют упругой кольцевой диафрагмой или упругими стойками, а слои графитовой ленты укладывают на внешней и внутренней стороне диафрагмы или стоек.
При сборке уплотняемые детали стягивают и сжимают уплотнительное кольцо до начального уплотняющего давления 0.1-0.3 МПА, чем обеспечивают уплотнение при малых и нарастающих давлениях. При повышении давления среды внутри уплотняемой полости нажимное кольцо смещается и усиливает сжатие уплотнительного кольца, чем обеспечивает самоуплотнение соединения.
Кольцевые корсеты противоположных торцов, упругие диафрагмы или стойки образуют поддерживающий каркас для слоев графитовой ленты. При сжатии уплотнительного кольца упругая кольцевая диафрагма или стойки изгибаются. Слои графитовой ленты повторяют их изгиб. Каркас надежно удерживает слои графитовой ленты и препятствует их смятию.
С изменением размеров уплотнения изменяется интервал упругих деформаций уплотнительного кольца, что затрудняет обеспечение начального уплотняющего давления 0.1-0.3 МПА. Для достижения начального уплотняющего давления в уплотнениях различных размеров способ автоуплотнения предусматривает несколько дополнительны исполнений.
2-е исполнение. Способ автоуплотнения согласно 1-му исполнению, в котором упругие стойки выполняют в форме пластин.
При одинаковых ширине и толщине диафрагмы и пластин, последние обеспечивают больший интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и меньшее начальное уплотняющее давление.
3-е исполнение. Способ автоуплотнения согласно 1-му исполнению, в котором упругие стойки выполняют в форме стержней круглого или квадратного сечения.
При одинаковых ширине и толщине диафрагмы, пластин и стержней, последние обеспечивают больший интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и меньшее начальное уплотняющее давление.
4-е исполнение. Способ автоуплотнения согласно 1-му исполнению, в котором упругую кольцевую диафрагму выполняют с дугообразным радиальным сечением.
При одинаковых ширине и толщине диафрагм с прямоугольным и дугообразным радиальным сечением, последняя обеспечивает больший интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и меньшее начальное уплотняющее давление.
5-е исполнение. Способ автоуплотнения согласно 1-му исполнению, в котором упругие стойки выполняют в форме дугообразных стержней.
При одинаковых ширине и толщине диафрагмы с дугообразным сечением и стоек в форме дугообразных стержней последние обеспечивают больший интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и меньшее начальное уплотняющее давление.
6-е исполнение. Способ автоуплотнения согласно 1-му или 4 исполнениям, в котором упругую кольцевую диафрагму, или упругую кольцевую диафрагму с дугообразным радиальным сечением выполняют гофрированными.
Уплотнительные кольца с гофрированными диафрагмами обеспечивают больший интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и меньшее начальное уплотняющее давление.
7-е исполнение. Способ автоуплотнения согласно 1-му или 4-му, или 6-му исполнению, в котором упругую кольцевую диафрагму, или упругую кольцевую диафрагму с дугообразным сечением, или упругую кольцевую гофрированную диафрагму выполняют с радиальными отверстиями.
Упругие диафрагмы с радиальными отверстиями обеспечивают больший интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и меньшее начальное уплотняющее давление.
8-е исполнение. Способ автоуплотнения согласно 1-му или 7-му исполнению, в котором интервал упругих деформаций и начальное уплотняющее давление уплотнительного кольца обеспечивают числом и размерами радиальных отверстий в упругой кольцевой диафрагме или упругой кольцевую диафрагме с дугообразным сечением или упругой кольцевой гофрированной диафрагме.
Способ позволяет менять интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и обеспечивать необходимое начальное уплотняющее давление.
9-е исполнение. Способ автоуплотнения согласно 1-му исполнению, в котором интервал упругих деформаций и начальное уплотняющее давление уплотнительного кольца обеспечивают числом и размерами упругих стержней.
Способ позволяет менять интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и обеспечивать начальное уплотняющее давление.
10-е исполнение. Способ автоуплотнения согласно одному из исполнений 1-9, в котором графитовую ленту армируют резиновым кольцом.
Способ позволяет менять интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и обеспечивать начальное уплотняющее давление.
11-е исполнение. Способ автоуплотнения согласно одному из исполнений 1-9, в котором графитовую ленту армируют упругими металлическими гофрированными кольцами.
Способ позволяет менять интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и обеспечивать начальное уплотняющее давление.
На фиг. 1, 2, 3 представлен пример реализации способа согласно 1-му, основному исполнению. На фиг. 4 показано соединение защитных корсетов упругой кольцевой диафрагмой в 1-м, основном, исполнении.
На других фигурах приведены примеры реализации исполнений способа, обеспечивающих изменение интервала упругих деформаций и начальное уплотняющее давление. На фиг. 5 показано соединение защитных корсетов упругими стержнями в виде пластин согласно 2-му исполнению, на фиг. 6 - соединение защитных корсетов упругими стойками в форме стержней круглого сечения согласно 3-му исполнению, на фиг. 7 - соединение защитных корсетов упругой кольцевой диафрагмой с дугообразным сечением согласно 4-му исполнению, на фиг. 8 - соединение защитных корсетов упругими стержнями в форме дуги согласно 5-му исполнению, фиг. 9 - соединение защитных корсетов упругой кольцевой гофрированной диафрагмой согласно 6-му исполнению, фиг. 10 - соединение защитных корсетов упругой диафрагмой с дугообразным сечением и радиальными отверстиями согласно 7-му исполнению,  фиг. 11 - армирование уплотняющих колец из графитовой ленты резиновыми кольцами,  фиг. 12 - армирование уплотняющих колец из графитовой ленты упругими металлическими гофрированными кольцами.
Пример реализации способа автоуплотнения, см. фиг. 1, 2, 3.
Между уплотняемыми деталями 1, 2 образуют кольцевую полость, в кольцевой полости размещают уплотнительное кольцо 3 и нажимное кольцо 4 с возможностью их автоматического поджатия за счет давления среды внутри уплотняемой полости. Уплотнительное кольцо 3 предварительно формируют из графитовой ленты. Слои графитовой ленты укладывают концентрично оси кольца и заключают в защитные кольцевые корсеты 5. Три корсета выполнены с торцовой и двумя цилиндрическими стенками, а четвертый корсет выполнен с торцовой, цилиндрической и конической стенками. Уплотнительное кольцо 3 устанавливают на посадочной поверхности нажимного кольца 4, образуя сменную сборочную единицу - автоуплотнение.
Кольцевые корсеты противоположных торцов уплотнительного кольца соединяют упругой кольцевой диафрагмой 6, а слои графитовой ленты укладывают на внешней и внутренней стороне диафрагмы.
При сборке уплотняемые детали 1, 2 стягивают и сжимают уплотнительное кольцо 3 до начального уплотняющего давления 0.1-0.3 МПА, чем обеспечивают уплотнение при малых и нарастающих давлениях. Стянутые детали замыкают полукольцами 7. При повышении давления среды внутри уплотняемой полости нажимное кольцо смещается и усиливает сжатие уплотнительного кольца, чем обеспечивает самоуплотнение соединения.
Кольцевые корсеты 5 противоположных торцов и упругие диафрагмы 6 образуют поддерживающий каркас для слоев графитовой ленты. При сжатии упругая кольцевая диафрагма 6 изгибается. Слои графитовой ленты повторяют изгиб упругой кольцевой диафрагмы. Каркас надежно удерживает слои графитовой ленты и препятствует их смятию.
На фиг. 1 показано уплотняемое соединение деталей 1 и 2 в состоянии предварительной сборки.
Детали 1 и 2 разведены. Уплотнительное кольцо 3 установлено на посадочной поверхности нажимного кольца 6, образуя сменную сборочную единицу - автоуплотнение, полукольца 7 не замкнуты.
На фиг. 2 показано уплотняемое соединение в собранном состоянии. Детали 1, 2 стянуты и замкнуты полукольцами 7. Уплотняющее кольцо 3 сжато до начального уплотняющего давления. Кольцевые упругие диафрагмы 6 и слои графитовой ленты изогнуты. Давление уплотняемой среды отсутствует.
На фиг. 3 показано уплотняемое соединение в рабочем состоянии.
Детали 1, 2 стянуты и замкнуты полукольцами 7. Нажимное кольцо 4 сдвинуто и поджимает уплотнительное кольцо 3 за счет давления среды внутри уплотняемой полости. Кольцевые упругие диафрагмы 6 и слои графитовой ленты изогнуты. Кольцевые корсеты 5 предохраняют кромки уплотняющего кольца от выдавливания в зазор между уплотняемыми деталями.
На фиг. 4 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругой кольцевой диафрагмой 6 согласно 1-му, основному, исполнению способа.
На фиг. 5 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругими стойками в виде пластин 8 согласно 2-му исполнению способа.
На фиг. 6 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругими стойками в форме стержней 9 круглого сечения согласно 3-му исполнению способа.
На фиг. 7 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругой кольцевой диафрагмой 10 с дугообразным радиальным сечением согласно 4-му исполнению способа.
На фиг. 8 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругими стойками в форме дугообразных стержней 11 согласно 5-му исполнению способа.
На фиг. 9 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругой кольцевой гофрированной диафрагмой 12 согласно 6-му исполнению способа.
На фиг. 10 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругой кольцевой диафрагмой 13 с дугообразным радиальным сечением и радиальными отверстиями согласно 7-му исполнению способа.
На фиг. 11 показано армирование уплотнительного кольца из графитовой ленты резиновым кольцом 14 согласно 10-му исполнению способа.
На фиг. 12 показано армирование уплотнительного кольца из графитовой ленты упругим металлическим гофрированным кольцом 15 согласно 11-му исполнению способа.
Промышленная применимость предлагаемого изобретения подтверждена испытаниями. Способ автоуплотнения прошел стендовые и полевые испытания на изделиях с размерами до 1, 5 м по уплотняемым поверхностям.
Предлагаемое изобретение повысило ресурс и снизило эксплуатационные затраты уплотнений, действующих за счет давления среды внутри уплотняемой полости. Наибольший эффект достигается при использовании изобретения для люков резервуаров и трубопроводов высокого давления.