ПЛАВАЮЩЕЕ УПЛОТНЕНИЕ ОВАНДЕРА
OVANDER'S FLOATING SEAL

Изобретение относится к уплотнительной технике и может использоваться для герметизации подвижных соединений валов, штоков и цилиндров в гидропневмосмазочных системах, паровых машинах и двигателях внутреннего сгорания.
Известны « Устройства уплотнительные для радиальных соединений с возвратно-поступательным движением» ГОСТ 23823-79, содержащие упругий уплотнитель из высокоэластичного материала - резины, установленный в посадочной канавке одной из деталей гермосоединения (поршня или штоковой буксы) с натягами по дну этой канавки и по скользящей по нему поверхности другой детали гермосоединения (цилиндру или штоку). Их недостатками являются невысокие допустимые перепады давления герметизируемых сред (при отсутствии дополнительных защитных колец из более жестких материалов), большие силы трения, низкие допустимые скорости скольжения, часто недостаточный ресурс работы и высокая чувствительность к радиальным смещениям уплотняемых деталей, ослабляющим натяг уплотнителей. Эти недостатки связаны с необходимостью применения в этой конструкции большого сжатия уплотнителя по его поперечному сечению, которое допускают только высокоэластичные материалы, имеющие низкие прочность и износостойкость, а также высокий коэффициент трения.
Известны принятые за прототип плавающие уплотнения, содержащие уплотнитель из упругого материала, размещенный с зазорами по дну посадочной канавки и ее торцам в одной из деталей гермосоединения (поршне, штоковой буксе или крышке вала) и натягом по скользящей по нему другой детали гермосоединения (цилиндру, штоку или валу). При этом благодаря зазору по дну канавки уплотнитель может радиально смещаться (плавать) внутри канавки вслед за радиальными смещениями скользящей детали. Уплотнитель выполняется из резины (см. книгу «УПЛОТНЕНИЯ» Под редакцией В.К.Житомирского, М., Машиностроение 1964 г., стр.180, рис.9) или из металла (см. книгу «Теория поршневого кольца» Б.Я. Гинцбурга М., Машиностроение 1979 г. стр.246, рис.140). В такой конструкции за счет перехода от сжатия кольцевого уплотнителя по его поперечному сечению в радиальном направлении к его сжатию или растяжению по диаметру стало возможным применение для него более жестких материалов - пластмасс и металлов, обладающих повышенной прочностью, износостойкостью и антифрикционностью. Поэтому такие уплотнения работоспособны при высоких скоростях скольжения и перепадах давления, имеют увеличенный ресурс работы и минимальные силы трения и нагрев от этих сил. Наличие зазора между уплотнителем и дном канавки делает уплотнение не чувствительным к радиальным смещениям уплотняемых деталей. Уход от сжатия уплотнителя по сечению к его сжатию по диаметру снижает силы трения даже при выполнении уплотнителя из резины (см. вышеуказанную книгу «УПЛОТНЕНИЯ» стр.180).
Недостатки прототипа - повышенные утечки, возникающие при низких перепадах давления герметизируемой среды, при реверсах направления скольжения уплотнителя и при реверсах перепада давления. Эти недостатки вызваны отсутствием в уплотнителе собственных сил поджима к торцам посадочной канавки. Силы поджима уплотнителя к торцам канавки возникают только под воздействием на уплотнитель сил трения или сил от перепада давления. При малости этих сил или их реверсе уплотнитель теряет герметичный контакт с торцем канавки и уплотнение дает повышенную утечку.
Цель изобретения - исключение утечек в уплотнении при малых перепадах давления, их реверсах и реверсах направления скольжения уплотнителя.
Поставленная цель достигается тем, что в плавающем уплотнении, содержащем уплотнитель из упруго материала, размещенный с зазором по дну посадочной канавки в одной из деталей гермосоединения (поршне, штоковой буксе или крышке вала) и натягом по скользящей по нему другой детали гермосоединения (цилиндру, штоку или валу) согласно изобретению уплотнитель выполнен в виде тарельчатой пружины, высота которой в свободном состоянии больше ширины посадочной канавки.
Заявленная конструкция за счет применения уплотнителя в виде тарельчатой пружины, имеющей нормируемые натяги по поверхности скользящей детали гермосоединения (цилиндра, штока или вала) и по торцам посадочной канавки в другой детали (поршне, штоковой буксе или крышке вала), обеспечивает их герметичное соединение на всех режимах эксплуатации, включая низкие перепады давления и их реверсы, а также реверсы направления скольжения, т.к. сохраняет уплотнителю герметичный контакт с хотя бы одним из торцев посадочной канавки.
На чертеже представлена конструкция плавающего уплотнения с уплотнителем в виде тарельчатой пружины 1, состоящей из двух тарелок. Число тарелок может назначаться в зависимости от требований к габаритам, силам трения и надежности уплотнения от одной до десяти. Пружина установлена в посадочную канавку 2 поршня 3, штоковой буксы или крышки вала с зазором 4 по дну 5 этой канавки и натягом 6 по скользящему по ней цилиндру 6, штоку или валу. Высота S пружины в свободном состоянии, изображенном на чертеже пунктиром, больше ширины L посадочной канавки, поэтому в посадочной канавке она находится в сжатом состоянии. Упругим материалом тарельчатой пружины могут быть как высокоэластичные резины, так и жесткие пластмассы и металлы. В случае применения жестких материалов, не выдерживающих монтажных деформаций при установке пружин в неразъемные канавки, посадочная канавка может выполняться разъемной со съемной деталью 7, образующей торец канавки.
Уплотнение работает следующим образом. Сжатая в осевом направлении тарельчатая пружина за счет сил упругости герметично прилегает к торцам посадочной канавки, а ее натяг по цилиндру, штоку или валу обеспечивает герметичный контакт и по этим деталям. Благодаря этому обе герметизируемые детали оказываются герметично соединены между собой. При воздействии высоких перепадов давления один из торцев пружины может быть отжат от торца канавки, однако ее второй торец сохранит герметичное соединение пружины с деталью, где расположена канавка, а проникшее в зазор у дна канавки давление герметизируемой среды дополнительно прижмет пружину в зонах ее контактов, обеспечив эффект самоуплотнения. При использовании для пружины материалов с низкими коэффициентами трения обеспечивается малое влияние сил трения на ее торцах на контактные давления по скользящей детали, поэтому радиальные смещения герметизируемых деталей, ведущие к проскальзыванию торцов пружины по торцам канавки, не снижают герметичности уплотнения. В случае работы уплотнения по вращающемуся валу механизм его действия отличается лишь возможностью проворота уплотнителя в канавке при его вращении вместе с валом. Однако такой проворот не снижает герметичности и ресурса уплотнения, если торцы канавки имеют необходимое качество обработки.
Технический результат предлагаемого уплотнения по сравнению с базовым уплотнением, за который принят прототип, заключается в сохранении высокой герметичности на всех режимах работы, включая низкие перепады давления и их реверсы, а также реверсы направления скольжения.