Безманжетное уплотнение штока или вала в гидравлических и пневматических приводах
ROD PACKING WITHOUT SEAL IN HYDRAULIC AND PNEUMATIC DRIVES

Изобретение относится к уплотнительной технике может быть использовано в гидравлических и пневматических приводах поступательного а также вращательного движения при любых отрицательных и положительных температурах.
Из уровня техники известно уплотнение штока гидродемпфера, содержащее направляющую втулку, через которую пропущен шток, и уплотнительный элемент. Направляющая втулка выполнена из двух частей, между которыми установлена жесткая манжета из пластмассы. Между частями направляющей втулки установлено кольцо из термопластичного материала (патент РФ №2324854, МПК F16J 15/56, 20.05.2008).
Недостатком известного уплотнения является то, что применение его ограничено техническими свойствами материала, а именно допустимыми температурными пределами пластмассы, из которой изготовлена манжета, являющаяся главной деталью в уплотнении штока.
Известно уплотнение штока эластичными элементами, которые по мере их износа прижимаются к поверхности штока браслетными пружинами. Главной задачей браслетных пружин в данном уплотнении является отвод тепла от эластичных уплотняющих элементов (патент РФ №1603111, МПК F16J 15/16, 30.10.1990).
Недостатком данного уплотнения является то, что в нем не решается задача применения такого уплотнения штока при низких температурах, а при значительных низких температурах, например в насосах для перекачки жидкого азота, эластичность уплотнительных элементов пропадает.
Известно уплотнение штока компрессоров или насосов, содержащее расположенные в рабочей камере разрезные уплотнительные кольца, на наружной поверхности каждого из которых выполнена кольцевая проточка, и упругих элементов, размещенных в упомянутых кольцевых проточках. Разрезы в уплотнительных кольцах выполнены сквозными и по касательной к внутренней поверхности колец в ее диаметрально противоположных точках и в противоположных направлениях. Каждое разрезное кольцо состоит из двух полуколец сложной формы, при этом полукольца должны смещаться друг относительно друга, обжимая шток по мере износа полуколец, вплоть до истирания их большей части (патент РФ №2124664, МПК F16J 15/56, 10.01.1999).
Недостатком известного уплотнения является то, что при смещениях полуколец их заостренные концы будут выступать относительно скругленных концов. При этом суммарный размер полуколец по заостренным концам будет постоянно увеличиваться, чему будут препятствовать пружины, размещенные в проточках полуколец. В то же время при износе колец образуется диаметральный зазор, который в зонах обоих разрезов не смыкается при радиальном смещении полуколец, что не обеспечивает надежное уплотнение штока.
Из уровня техники известно уплотнение вала, содержащее разрезное многослойное эластичное кольцо и замкнутую браслетную пружину, расположенную в его кольцевой канавке, при этом эластичное кольцо установлено в коническом пазу крышки блока цилиндров и полуобоймы, закрепленной в этой крышке. Эластичное кольцо имеет П-образное поперечное сечение и слой нетканого текстильного материала в месте контакта с валом и установлено с натягом в коническом пазу (патент РФ №2132503, МПК F16J 15/32, 27.06.1999).
Недостатком известного уплотнения является то, что уплотнение вала не может быть использовано при избыточном давлении, т.к. разрезные кольца не герметичны.
Известно уплотнение вала, штока или плунжера гидравлических и пневматических машин, содержащее установленные с притертыми торцами друг к другу в обойме уплотнительные кольца, поджатые к уплотняемой поверхности. Обойма выполнена из металлического, металлокерамического или керамического материала. Уплотнительные кольца выполнены разрезными из материала, что и обойма, и поджаты к уплотняемым поверхностям вала с помощью втулки из упругого эластомерного материала, установленной между обоймой и наружной поверхностью уплотнительных колец. В узлах возвратно - поступательного движения типа шток, плунжер, аналогичная втулка из упругого эластомерного материала установлена между уплотняемой деталью-плунжером - и внутренней поверхностью уплотнительных разрезных колец для поджатая последних к обойме. Зазор между полукольцами одного уплотнительного кольца перекрыт развернуто под углом, установленным последующими полукольцами другого уплотнительного кольца (патент РФ №2321788, МПК F16J 15/26, 10.04.2008).
Недостатком данного известного уплотнения является то, что износ полуколец происходит равномерно по их внутреннему диаметру, а направление сжатия перпендикулярно линии разреза, и поскольку полукольца не обладают эластичностью, в сопряжении «кольцо-вал» появляется зазор, нарушающий герметичность.
Задачей настоящего изобретения является устранение перечисленных выше недостатков уплотнения штока или вала.
Техническим результатом при использовании заявленного изобретения является расширение эксплуатационных свойств и одновременное повышение надежности уплотнения.
Указанный технический результат достигается тем, что в безманжетном уплотнении штока или вала в гидравлических или пневматических приводах, содержащем корпус, внутри которого установлен уплотнитель с прижимным кольцом, поджатым тарельчатыми пружинами и стопорным кольцом, а также направляющую втулку для штока или вала, уплотнитель представляет собой замкнутую зигзагообразную браслетную пружину, охватывающую и упруго обжимающую шток или вал своей внутренней цилиндрической поверхностью, зигзаги которой расположены вдоль поверхности штока или вала и беззазорно сопряжены с ней, а наружная поверхность пружины выполнена конусообразной по оси штока или вала, зигзаги которой беззазорно сопряжены с внутренней конической поверхностью корпуса, причем продольные по оси штока плоские части пружины размещены радиально к штоку, а продольные по оси вала плоские части пружины размещены тангенциально к валу, навстречу к направлению вращения вала, при этом браслетная пружина выполнена из равнопрочного на изгиб профиля.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображен продольный разрез А-А безманжетного уплотнения штока или вала, общий вид;
- на фиг. 2 изображен вид Б на фиг. 1;
- на фиг. 3 изображена браслетная пружина в 3D исполнении, работающая в уплотнении штока;
- на фиг. 4 изображена браслетная пружина в 3D исполнении, работающая в уплотнении вращающегося вала.
Безманжетное уплотнение штока или вала гидравлических или пневматических приводов (фиг. 1, 2) содержит корпус 1, имеющий ступенчатую внутреннюю поверхность, одна из которых выполнена конической. Внутри корпуса 1 установлен уплотнитель 2 с прижимным кольцом 3. Уплотнитель 2 и прижимное кольцо 3 поджаты тарельчатыми пружинами 4. Тарельчатые пружины 4 в сжатом состоянии заперты стопорным кольцом 5. Соосно уплотнителю 2 установлена направляющая втулка 6 для обеспечения движения штока или вала 7 и предотвращения возникновению радиальных колебательных движений штока 7 при работе.
Уплотнитель 2 представляет собой преимущественно металлическую замкнутую зигзагообразную браслетную пружину (фиг. 3, 4), выполненную, например, из стали, чугуна, бронзы, латуни, а также из пластика или углерода, охватывающую и упруго обжимающую шток или вал 7 своей внутренней цилиндрической поверхностью, зигзаги 8 которой расположены вдоль поверхности штока или вала 7 и беззазорно сопряжены с ней. Наружная поверхность пружины выполнена конусообразной по оси штока или вала 7, зигзаги 9 которой беззазорно сопряжены с внутренней конической поверхностью корпуса 1.
Продольные по оси штока 7 плоские части 10 пружины размещены радиально к штоку 7 (фиг. 3), а продольные по оси вала плоские части 11 пружины (фиг. 4) размещены тангенциально к валу 7 навстречу к направлению вращения вала. Браслетная пружина выполнена из равнопрочного на изгиб профиля. Момент сопротивления изгибу рассчитывается по формуле , где: h - высота плоской части пружины, b - толщина плоской части пружины и W является величиной постоянной в любом сечении профиля пружины.
Работа безманжетного уплотнения на вращающемся валу аналогична работе уплотнения на штоке.
Сборку безманжетного уплотнения штока или вала осуществляют в три этапа следующим образом.
В первом этапе производится подготовка исполнительного механизма поступательного действия со штоком, например гидроцилиндра, или вращательного действия с валом, например выходного вала редуктора.
В крышку исполнительного механизма устанавливают направляющую втулку 6, крепят шлицевой гайкой и фиксируют стопорной шайбой (на чертежах не показаны). Затем крышку с направляющей втулкой 6 крепят на исполнительном механизме.
На втором этапе производят сборку безманжетного уплотнения на технологической оправке - имитаторе (не показана) штока или вала 7. Сначала на оправку устанавливают уплотнитель 2, представляющий собой замкнутую зигзагообразную пружину. Зигзаги 8 внутренней поверхности пружины охватывают и упруго обжимают имитатор штока или вала 7, беззазорно сопрягаясь с ним, обеспечивая уплотнение сопряжения «шток или вал - уплотнитель».
Затем уплотнитель 2 с технологической оправкой устанавливают в корпус 1, одна из ступеней внутренней поверхности которого является конической. Зигзаги 9 наружной конической поверхности уплотнителя 2 сопрягаются с упомянутой выше внутренней поверхностью корпуса 1, обеспечивая беззазорное сопряжение «уплотнитель - корпус».
Далее к уплотнителю 2 поочередно примыкают прижимное кольцо 3 и тарельчатые пружины 4, которые в сжатом состоянии запирают стопорным кольцом 5.
На третьем этапе собранное на технологической оправке безманжетное уплотнение устанавливают на рабочий шток или вал 7. Для этого технологическую оправку плотно примыкают к рабочему штоку или валу 7 и перемещают безманжетное уплотнение в осевом направлении на рабочий шток или вал 7. Затем заворачивают до упора корпус 1 в крышку исполнительного механизма. При этом упругое обжатие штока или вала 7 уплотнителем 2 сохраняется и обеспечивается уплотнение сопряжения «шток или вал - уплотнитель».
По мере износа уплотнителя 2 уплотнение штока или вала 7 обеспечивается прижатием уплотнителя 2 к штоку или валу 7 внутренним напряжением браслетной пружины, а уплотнение по корпусу 1 достигается прижатием уплотнителя 2 к внутренней конической поверхности корпуса 1 прижимным кольцом 3 и тарельчатыми пружинами 4 со стопорным кольцом 5.
Заявленное безманжетное уплотнение штока или вала, помимо своей высокой надежности, позволяет без разборки устройства контролировать величину износа уплотнителя путем прямого измерения штангенциркулем величины заглубления уплотнителя в корпусе. Чем меньше заглубление, тем больше износ уплотнителя.