УСТРОЙСТВО АВТОУПЛОТНЕНИЯ

Полезная модель относится к уплотнениям.
Известно уплотнение, содержащее уплотняемые детали, образующие кольцевую полость, в которой установлено уплотнительное кольцо с возможностью осевого сжатия нажимной крышкой, см.: «Уплотнительное кольцо для вала насоса», патент RU № 2149300, МПК F16J 15/24, приоритет: 22.07.2011. Уплотнительное кольцо образовано навивкой ленты из терморасширенного графита с нанесенными на нее тиснением непрерывными канавками. Канавки на каждой поверхности ленты расположены между канавками противоположной поверхности ленты.
В рабочем состоянии уплотнительное кольцо затянуто нажимной крышкой до уплотняющего давления 10-15 МПа. Благодаря наличию непрерывных канавок кольцо деформировано равномерно без относительного смещения слоев ленты и перекрывает кольцевую полость в радиальном направлении.
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, см.: «Уплотнения». Сборник статей. Под ред. д-ра техн. наук В.К. Житомирского. Москва. Машиностроение. 1964 г., стр. 279. Уплотнительная прокладка установлена между плоскими поверхностями уплотняемых деталей.
В рабочем состоянии уплотнительная прокладка затянута уплотняемыми деталями до уплотняющего давления 100-150 МПа. Под действием усилия затяжки стенки V-образной металлической ленты изогнуты 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 - высокий модуль упругости, достаточный интервал упругих деформаций и высокую выносливость.
Однако высокий модуль упругости препятствует применению известной уплотнительной 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 прокладки.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство автоуплотнения, см.: «Устройство автоуплотнения», патент на полезную модель RU № 111227, МПК F16J 15/48, приоритет: 28.07.2011. Устройство автоуплотнения содержит уплотняемые детали, образующие кольцевую полость, в которой установлены уплотнительное и нажимное кольца с возможностью их автоматического поджатия за счет давления среды внутри уплотняемой полости. Уплотнительное кольцо установлено на посадочной поверхности нажимного кольца и образует с ним сменную сборочную единицу - автоуплотнение. Уплотнительное кольцо предварительно заключено в защитные кольцевые корсеты фасонного сечения из материала более плотного, чем материал уплотнительного кольца.
В рабочем состоянии уплотняемые детали стянуты и сжимают уплотнительное кольцо до начальных уплотняющих давлений 0.1-0.3 МПА, чем обеспечивают уплотнение при малых и нарастающих давлениях.
В устройстве автоуплотнения уплотнительное кольцо работает при переменном уплотняющем давлении и вибрации. В таких условиях соединение уплотнительного материала и кольцевых корсетов подвергается усталостному разрушению и ограничивает ресурс уплотнительного кольца и устройства.
Полезная модель решает задачу повышения надежности соединения уплотнительного материала и кольцевых корсетов в устройстве автоуплотнения.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении ресурса и снижении эксплуатационных затрат устройства автоуплотнения.
1-е основное исполнение устройства автоуплотнения.
Устройство автоуплотнения содержит уплотняемые детали, образующие кольцевую полость, в которой установлены уплотнительное и нажимное кольца с возможностью их автоматического поджатия за счет давления среды внутри уплотняемой полости. Уплотнительное кольцо предварительно сформировано из графитовой ленты. Слои графитовой ленты уложены концентрично оси кольца и заключены в защитные кольцевые корсеты фасонного сечения. Уплотнительное кольцо установлено на посадочной поверхности нажимного кольца и образует с ним сменную сборочную единицу - автоуплотнение.
Для достижения указанного технического результата защитные кольцевые корсеты противоположных торцов соединены упругими стойками, а слои графитовой ленты уложены на внешней и внутренней стороне упругих стоек.
В рабочем состоянии уплотняемые детали стянуты и сжимают уплотнительное кольцо до начальных уплотняющих давлений 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 и упругие стойки образуют поддерживающий каркас для слоев графитовой ленты. При сжатии уплотнительного кольца упругие стойки изгибаются. Слои графитовой ленты повторяют их изгиб. Каркас надежно удерживает слои графитовой ленты и препятствует их смятию.
С изменением размеров устройства автоуплотнения изменяется интервал упругих деформаций уплотнительного кольца, что затрудняет обеспечение начального уплотняющего давления 0,1-0,3 МПА. Для достижения начального уплотняющего давления в устройствах автоуплотнения различных размеров предусмотрено несколько дополнительных исполнений.
2-е исполнение. Устройство автоуплотнения согласно 1-му исполнению, в котором упругие стойки выполнены в форме кольцевых диафрагм.
Упругие стойки в форме кольцевых диафрагм отличаются хорошей технологичностью, так как могут быть выполнены из листа или ленты.
3-е исполнение. Устройство автоуплотнения согласно 1-му исполнению, в котором упругие стойки образованы пластинами.
При одинаковых ширине и толщине кольцевых диафрагм и пластин, последние обеспечивают больший интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и меньшее начальное уплотняющее давление.
4-е исполнение. Устройство автоуплотнения согласно 1-му исполнению, в котором упругие стойки образованы стержнями круглого или квадратного сечения.
Упругие стойки, образованные стержнями круглого или квадратного сечения, обеспечивают больший интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и меньшее начальное уплотняющее давление относительно упругих стоек в исполнениях 2-3.
5-е исполнение. Устройство автоуплотнения согласно 2-му исполнению, в котором упругие стойки в форме кольцевых диафрагм выполнены с дугообразным радиальным сечением.
Упругие стойки в форме кольцевых диафрагм с дугообразным радиальным сечением обеспечивают больший интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и меньшее начальное уплотняющее давление относительно упругих стоек в исполнении 2.
6-е исполнение. Устройство автоуплотнения согласно 4-му исполнению, в котором упругие стойки образованы стержнями в форме дуги.
Упругие стойки, образованные стержнями в форме дуги, обеспечивают больший интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и меньшее начальное уплотняющее давление относительно стоек в исполнениях 2-4.
7-е исполнение. Устройство автоуплотнения согласно 2-му или 5 исполнениям, в котором упругие стойки выполнены в форме кольцевой гофрированной диафрагмы.
Упругие стойки в форме, кольцевой гофрированной диафрагмы обеспечивают больший интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и меньшее начальное уплотняющее давление относительно упругих стоек в исполнениях 2 или 5.
8-е исполнение. Устройство автоуплотнения согласно 2-му, или 5-му, или 7-му исполнениям, в котором упругие стойки в форме упругой кольцевой диафрагмы, или упругие стойки в форме кольцевой диафрагмы с дугообразным сечением, или упругие стойки в форме кольцевой гофрированной диафрагмы выполнены с радиальными отверстиями.
Упругие стойки в форме кольцевых диафрагм с радиальными отверстиями обеспечивают больший интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и меньшее начальное уплотняющее давление относительно упругих стоек в исполнениях 2, 5, 7.
9-е исполнение. Устройство автоуплотнения согласно 8-му исполнению, в котором интервал упругих деформаций и начальное уплотняющее давление уплотнительного кольца обеспечены числом и размерами радиальных отверстий упругой стойки в форме кольцевой диафрагмы или упругой стойки в форме кольцевой диафрагмы с дугообразным сечением или упругой стойки в форме кольцевой гофрированной диафрагмы.
Изменение числа и размеров радиальных отверстий в кольцевой диафрагме обеспечивает изменение интервала упругих деформаций уплотнительного кольца и необходимое начальное уплотняющее давление до необходимых значений.
10-е исполнение. Устройство автоуплотнения согласно 4-му исполнению, в котором интервал упругих деформаций и начальное уплотняющее давление уплотнительного кольца обеспечены числом и размерами стержней, образующих упругую стойку.
Изменение числа и размеров стержней в упругой стойке обеспечивают изменение интервала упругих деформаций уплотнительного кольца и необходимое начальное уплотняющее давление до необходимых значений.
11-е исполнение. Устройство автоуплотнения согласно 1-му исполнению, в котором уплотнительное кольцо из графитовой ленты армировано резиновыми кольцами.
Резиновое кольцо позволяет менять интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и обеспечивать начальное уплотняющее давление.
12-е исполнение. Устройство автоуплотнения согласно 1-му исполнению, в котором уплотнительное кольцо из графитовой ленты армировано упругими металлическими гофрированными кольцами
Упругое металлическое гофрированное кольцо позволяет менять интервал упругих деформаций уплотнительного кольца и обеспечивать начальное уплотняющее давление.
На фиг. 1, 2, 3 представлен пример устройства автоуплотнения согласно 1-му, основному исполнению.
На фиг. 4 показано соединение защитных корсетов упругой стойкой в форме кольцевой диафрагмы согласно 2-му исполнению. На фиг. 5 показано соединение защитных корсетов упругой стойкой, образованной стержнями в виде пластин согласно 3-му исполнению, на фиг. 6 - соединение защитных корсетов упругой стойкой, образованной стержнями круглого сечения согласно 4-му исполнению, на фиг. 7 - соединение защитных корсетов упругой стойкой в форме кольцевой диафрагмы с дугообразным радиальным сечением согласно 5-му исполнению, на фиг. 8 - соединение защитных корсетов упругой стойкой в форме дуги согласно 6-му исполнению, на фиг. 9 - соединение защитных корсетов упругой стойкой в форме кольцевой гофрированной диафрагмы согласно 7-му исполнению, фиг. 10 - соединение защитных корсетов упругой стойкой в форме кольцевой диафрагмы с дугообразным сечением и радиальными отверстиями согласно 9-му исполнению,  на фиг. 11 - армирование уплотняющих колец из графитовой ленты резиновыми кольцами,  на фиг. 12 - армирование уплотняющих колец из графитовой ленты упругими металлическими гофрированными кольцами.
Пример устройства автоуплотнения, см. фиг. 1, 2, 3.
Устройство автоуплотнения содержит уплотняемые детали 1, 2, образующие кольцевую полость, в которой установлены уплотнительное 3 и нажимное 4 кольца с возможностью их автоматического поджатия за счет давления среды внутри уплотняемой полости. Уплотнительное кольцо 3 предварительно сформировано из графитовой ленты. Слои графитовой ленты уложены концентрично оси кольца и заключены в защитные кольцевые корсеты 5 фасонного сечения. Уплотнительное кольцо 3 установлено на посадочной поверхности нажимного кольца 4 и образует с ним сменную сборочную единицу - автоуплотнение.
Защитные кольцевые корсеты 5 противоположных торцов уплотнительного кольца 3 соединены упругими стойками 6, а слои графитовой ленты уложены на внешней и внутренней стороне упругих стоек.
В рабочем состоянии уплотняемые детали стянуты и сжимают уплотнительное кольцо до начальных уплотняющих давлений 0,1-0,3 МПА, чем обеспечивают уплотнение при малых и нарастающих давлениях. Стянутые детали 1, 2 замкнуты полукольцами 7.
При повышении давления среды внутри уплотняемой полости нажимное кольцо 4 смещается и усиливает сжатие уплотнительного кольца 3, чем обеспечивает самоуплотнение соединения.
Кольцевые корсеты 5 противоположных торцов и упругие стойки 6 образуют поддерживающий каркас для слоев графитовой ленты. При сжатии упругие стойки 6 изгибаются. Слои графитовой ленты повторяют изгиб упругих стоек. Каркас надежно удерживает слои графитовой ленты и препятствует их смятию.
На фиг. 1 показано устройство автоуплотнения в состоянии предварительной сборки.
Детали 1 и 2 разведены. Уплотнительное кольцо 3 установлено на посадочной поверхности нажимного кольца 4 и образует с ним сменную сборочную единицу - автоуплотнение, упругие стойки 6 и слои графитовой ленты находятся в исходном состоянии, полукольца 7 не замкнуты.
На фиг. 2 показано устройство автоуплотнения в собранном состоянии. Детали 1, 2 стянуты и замкнуты полукольцами 7. Уплотняющее кольцо 3 сжато до начального уплотняющего давления. Упругие стойки 6 и слои графитовой ленты изогнуты предварительно. Давление уплотняемой среды отсутствует.
На фиг. 3 показано устройство автоуплотнения 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. Упругие стойки 6 и слои графитовой ленты изогнуты силой давления уплотняемой среды. Кольцевые корсеты 5 предохраняют кромки уплотняющего кольца от выдавливания в зазор между уплотняемыми деталями.
На фиг. 4 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругой стойкой 6 в форме кольцевой диафрагмы согласно 2-му, основному, исполнению.
На фиг. 5 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругой стойкой, образованной пластинами 8 согласно 3-му исполнению.
На фиг. 6 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругой стойкой, образованными стержнями 9 круглого сечения согласно 4-му исполнению.
На фиг. 7 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругой стойкой в форме кольцевой диафрагмы 10 с дугообразным радиальным сечением согласно 5-му исполнению.
На фиг. 8 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругой стойкой, образованной дугообразными стержнями 11 согласно 6-му исполнению.
На фиг. 9 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругой стойкой в форме кольцевой гофрированной диафрагмы 12 согласно 7-му исполнению.
На фиг. 10 показано соединение кольцевых корсетов 5 упругой стойкой в форме кольцевой диафрагмы 13 с дугообразным радиальным сечением и радиальными отверстиями согласно 8-му исполнению.
На фиг. 11 показано армирование уплотнительного кольца из графитовой ленты резиновым кольцом 14 согласно 11-му исполнению.
На фиг. 12 показано армирование уплотнительного кольца из графитовой ленты упругим металлическим гофрированным кольцом 15 согласно 12-му исполнению.
Промышленная применимость предлагаемой полезной модели подтверждена испытаниями. Устройство автоуплотнения прошло стендовые и полевые испытания на изделиях с размерами до 1, 5 м по уплотняемым поверхностям.
Предлагаемая полезная модель повысила ресурс и снизило эксплуатационные затраты устройства автоуплотнения.
Наибольший эффект достигается при использовании полезной модели для люков резервуаров и трубопроводов высокого давления.