ГЕРМОСОЕДИНИТЕЛЬ ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
SEALED COUPLING DEVICE FOR FLUID MEDIUM

Изобретение относится к ротационным гермосоединениям для текучей среды (жидкости) между двумя взаимно подвижными деталями, одна из которых вращается в процессе работы. Изобретение может использоваться в различных отраслях машиностроения для соединения трубчатых элементов (патрубков) различного назначения, например, в гидравлических и пневматических механизмах, транспортных средствах.
Известны соединители (гермосоединители) для текучей среды: SU 129439, RU №№55904, 72742, 2120078, 2231707, 2290559, 2300027; ЕР 0401069 (В1).
Известен гермосоединитель для текучей среды, содержащий муфту с кольцевой втулкой, охватывающей в соединяемом положении неподвижные патрубки, упруго зафиксированную и радиально уплотненную по концам относительно патрубков (SU 129439).
Известно уплотнение вращающейся и неподвижной частей патрубка высокого давления, состоящее из двух уплотнительных колец с внешним, по отношению к области высокого давления, расположением торцов пары трения, зафиксированных в окружном направлении относительно вращающейся и неподвижной частей патрубка, установленных с возможностью углового поворота и осевого перемещения, и снабженное упругим и уплотнительным элементами, между уплотнительными кольцами расположено промежуточное уплотнительное кольцо из материала пары трения с высоким пределом прочности на сжатие и высокой твердостью. Торец пары трения одного из уплотнительных колец снабжен кольцевыми и радиальными канавками, соединенными с внешней средой, а корпус промежуточного кольца зафиксирован в окружном направлении относительно этого уплотнительного кольца (RU 2231707).
Известно герметичное соединительное устройство для двух вращающихся одна относительно другой магистралей, транспортирующих рабочую среду, в котором выполненная в виде вала вращающаяся магистраль для осевого подвода среды опирается с помощью подшипников в стационарном корпусе, в полости которого приблизительно центрально установлено герметично и без возможности проворота симметричное направляющее кольцо, имеющее на обоих торцах конические кольцевые поверхности. С двух сторон направляющего кольца на его конические кольцевые поверхности опираются поворотные втулки со сферическими поверхностями, которые с противоположных сторон взаимодействуют каждая с гильзой, причем гильзы установлены герметично и с защитой от проворота на выполненной в виде вала магистрали. Недостатками такого устройства являются сложность конструкции и увеличенные массогабаритные характеристики из-за наличия сепаратора с шариками, недопустимость значительных статических смещений и перекосов осей патрубков, а также динамических смещений осей от наличия биений поверхностей патрубков при их вращении (RU 2110726).
Приведенные выше соединители имеют большие массогабаритные характеристики, имеют сложную конструкцию, не способны работать в условиях несоосности и перекоса патрубков, не гарантируют полную герметичность, не смотря на наличие между соединяемыми элементами уплотнения.
Наиболее близким к заявляемому устройству является герметичное соединительное устройство для двух вращающихся одна относительно другой магистралей, транспортирующих рабочую среду, содержащее вращающиеся относительно друг друга патрубки с уплотнением в виде колец круглого сечения, размещенных в гнездах муфты. Для повышения допустимых смещений осей патрубков в таком устройстве обычно повышают зазоры в соединении патрубков с муфтой, однако это ведет к ухудшению герметичности из-за зонного снижения сжатия уплотнений и снижению допустимого давления жидкости вследствие выдавливания уплотнений в эти зазоры. Поэтому допустимые давления жидкости для таких соединений не превышает 1 МПа (SU 1645726, прототип).
Данный известный соединитель имеет увеличенные массогабаритные характеристики, обусловленные необходимостью размещения сепаратора с шариками, имеют сложную конструкцию, так как требуют дополнительной обработки и точной установки без осевого смещения двух параллельных поверхностей под шарики, не гарантируют полную герметичность, не смотря на наличие между соединяемыми элементами уплотнения, особенно при наличии несоосности патрубков.
Техническая проблема, поставленная в настоящем изобретении, заключается в устранении указанных недостатков путем обеспечения самоустанавливаемости элементов муфты в процессе ротационного соединения трубчатых элементов (патрубков) за счет возможности покачивания муфты на патрубках. Настоящее изобретение решает проблемы герметизации соединения патрубков при наличии существенных взаимных смещений (несоосность «Δ» патрубков) и перекоса под углом «α» их осей в условиях давления текучей среды до 30 МПа..
Технический результат, служащий для разрешения поставленной проблемы, который может быть достигнут при использовании заявляемого изобретения, заключается в упрощении конструкции и процесса соединения патрубков при обеспечении надежной герметичности соединения, в том числе и при наличии несоосности и перекоса патрубков. Согласно настоящего изобретения муфта гермосоединителя за счет кромочной конфигурации опорных поверхностей ее уступов и клиноформного исполнения уплотнительных колец позволяет занимать наклонное положение на патрубках, сопрягаемых со значительными несоосностью «Δ» патрубков и перекосом под углом «α» осей патрубков.
Сущность изобретения заключается в том, что ротационный гермосоединитель содержит муфту с внутренними уступами по краям, охватывающими соединяемые патрубки своими опорными поверхностями, уплотнительные кольца из эластичной пластмассы, размещенные по краям внутренней канавки муфты, образованной между упомянутыми уступами, и цилиндрическую пружину сжатия, размещенную во внутренней канавке муфты между уплотнительными кольцами, причем опорные поверхности уступов муфты выполнены с кромочной контактной поверхностью, а уплотнительные кольца выполнены клинопрофильного поперечного сечения с наклонной опорной поверхностью для образования внутри каждого из уступов кромочной контактной поверхности на соединяемых патрубках, при этом уплотнительные кольца выполнены каждое с конической и с плоской торцевыми поверхностями, опертыми с одной стороны своей торцевой поверхностью на торцевую поверхность соответствующего уступа муфты и находящееся торцевой поверхностью с другой стороны под воздействием пружины сжатия, установленной во внутренней канавке муфты между уплотнительными кольцами с возможностью формирования на каждом из них радиальной составляющей усилия сжатия по контактной поверхности на соединяемых патрубках.
В частных случаях реализации уступы муфты выполнены каждый с конической торцевой поверхностью со стороны взаимодействия с уплотнительным кольцом, каждое из которых оперто своей конической торцевой поверхностью на торцевую коническую поверхность уступа, а плоские поверхности уплотнительных колец непосредственно подпружинены пружиной сжатия.
В иных частных случаях реализации уступы муфты выполнены каждый с конической торцевой поверхностью со стороны взаимодействия с уплотнительным кольцом, каждое из которых оперто своей конической торцевой поверхностью на торцевую коническую поверхность уступа, а плоские поверхности уплотнительных колец подпружинены пружиной сжатия через дополнительно установленное жесткое кольцо.
Предпочтительно, уплотнительные кольца выполнены одинаковой формы из антифрикционной пластмассы.
В других частных случаях реализации пружина сжатия выполнена в виде прорезной пружины за одно с уплотнительными кольцами, с образованием симметричного вкладыша из эластичной пластмассы, выполненного с поясками клинопрофильного поперечного сечения и коническими боковыми поверхностями по концам для взаимодействия с выполненными коническими торцевыми внутренними поверхностями уступов муфты.
Предпочтительно, муфта выполнена составной из двух концентрично закрепленных друг к другу втулок, причем каждая из этих втулок выполнена с одного конца с кольцевым внутренним уступом, втулки обращены своими уступами в противоположные стороны и установлены каждая внутренней опорной поверхностью своего уступа на один из соединяемых патрубков.
На чертеже фиг. 1 изображен поперечный разрез гермосоединителя для текучей среды, в котором муфта выполнена из двух втулок, а уплотнительные кольца из эластичного материала подпружинены пружиной сжатия через жесткие кольца; на фиг. 2 - поперечный разрез гермосоединителя для текучей среды, в котором муфта выполнена в виде двух втулок, а пружина и уплотнительные кольца - заодно в виде прорезного вкладыша; на фиг. 3 - поперечный разрез гермосоединителя для текучей среды, в котором муфта выполнена монолитной в виде гильзы; на фиг. 4 - поперечный разрез гермосоединителя для текучей среды при наличии взаимного осевого смещения и перекоса патрубков. На фиг. 1-3 приведены выноски с увеличенным изображением места установки уплотнительного кольца.
Ротационный гермосоединитель для соединения патрубков 1, 2 содержит муфту, состоящую на фиг. 1, 2, 4 из втулок 3, 4, а на фиг. 3 - из гильзы 13. Муфта имеет внутренние уступы 5, 6, соответственно, по краям внутренней канавки муфты. Уступы 5, 6 охватывают соединяемые патрубки 1, 2 своими опорными поверхностями «В». Уплотнительные кольца 8, 9 (фиг 1, 3, 4) и вкладыш 12 (фиг. 2) из эластичной антифрикционной пластмассы (например, из фторопласта), размещены по краям внутренней канавки муфты, образованной между упомянутыми уступами 5, 6 втулок 3, 4 (фиг. 1, 2, 4) или гильзы 13 (фиг. 3)..
На фиг. 1, 3, 4 цилиндрическая проволочная пружина 7 сжатия размещена во внутренней канавке муфты между уплотнительными кольцами 8, 9, а на фиг. 2 цилиндрическая пружина сжатия, уплотнительные кольца, выполненные заодно в виде крайних поясков 11 вкладыша 12, размещены функционально идентично во внутренней канавке муфты.
Обращенные к патрубкам 1, 2 опорные поверхности уступов 5, 6 муфты выполнены с кромочной контактной поверхностью «В» и установлены с зазором «с». Предпочтительно уступы 5, 6 выполнены с наружными краями расширяющимися наружу, т.е. с радиусным плавным скруглением или с фаской (на выноске фиг. 1, 2 угол «δ») от внутренней канавки муфты, т.е наружу от зазора «с». Уплотнительные кольца 8, 9 выполнены четырехгранными, клинопрофильного четырехугольного поперечного сечения с наклонной (на выноске фиг. 2 угол «β») опорной поверхностью для образования внутри каждого из уступов кромочной контактной поверхности (на выноске фиг. 1, 2 обозначена поверхность «А») на соединяемых патрубках 1, 2.
При этом (фиг. 1, 3, 4) уплотнительные кольца 8, 9 выполнены каждое с конической и с плоской торцевыми поверхностями, опертыми с одной стороны своей торцевой поверхностью на торцевую поверхность соответствующего уступа 5, 6, соответственно, муфты и находящееся торцевой поверхностью с другой стороны под воздействием пружины 7 сжатия, установленной во внутренней канавке муфты между уплотнительными кольцами 8, 9 с возможностью формирования пружиной 7 на каждом из них радиальной составляющей усилия сжатия по кромочной контактной поверхности (поверхность «А») на соединяемых патрубках 1, 2.
В частных случаях реализации (фиг. 3, 4) уступы 5, 6 муфты выполнены каждый с конической торцевой поверхностью со стороны взаимодействия с уплотнительным кольцом 8, 9 клинопрофильного поперечного сечения, или (фиг. 2) - с крайними поясками 11 вкладыша 12, также выполненного с поясками 11 клинопрофильного поперечного сечения и коническими боковыми поверхностями по концам, каждый из которых оперто своей конической торцевой поверхностью на торцевую коническую поверхность уступа 5, 6, а плоские поверхности уплотнительных колец 8, 9 непосредственно подпружинены пружиной 7 сжатия, имеющей плоские шлифованные торцы, или прорезным вкладышем 12, соответственно.
В иных частных случаях (фиг. 1) реализации уступы 5, 6 муфты выполнены каждый с конической торцевой поверхностью со стороны взаимодействия с уплотнительным кольцом 8, 9, каждое из которых оперто своей конической торцевой поверхностью на торцевую коническую поверхность уступа 5, 6, а плоские поверхности уплотнительных колец 8, 9 подпружинены пружиной 7 сжатия через дополнительно установленное стальное жесткое кольцо 10, соответственно.
Предпочтительно, уплотнительные кольца 8, 9 выполнены одинаковой формы из антифрикционной пластмассы, например, фторопласта.
В иных частных случаях реализации (фиг. 2) пружина сжатия выполнена в виде прорезной пружины заодно с уплотнительными кольцами, с образованием симметричного монолитного вкладыша 12 из эластичной антифрикционной пластмассы, например, фторопласта марки «Рафлон», с прорезями и с коническими боковыми поверхностями по концам для взаимодействия с выполненными коническими торцевыми внутренними поверхностями уступов 5, 6 муфты. Пояски 11 клинопрофильного поперечного сечения, имеющиеся по концам вкладыша 12, выполняют функции, идентичные функциям уплотнительных колец 8, 9. клинопрофильного поперечного сечения и выполнены также с наклонной (на выноске фиг. 2 угол «β») опорной поверхностью для образования внутри каждого из уступов 5, 6 кромочной контактной поверхности (на выноске фиг. 2 поверхность «А») на соединяемых патрубках 1, 2.. Таким образом, исполнение по фиг. 2 представляет собой реализацию той же совокупности признаков, как и по фиг. 1, 3, 4, при этом функции уплотнительных колец выполняют пояски 11, имеющие конфигурацию идентичную кольцам 8, 9, а функции пружины выполняет «тело» самого цилиндрического вкладыша 12, который благодаря наличию прорезей обладает пружинными механическими характеристиками.
Уплотнительные кольца 8, 9 и вкладыш 12 установлены в муфте с зазором по наружной поверхности.
Как правило, муфта выполнена в соответствии с фиг. 1, 2, 4 составной из двух концентрично закрепленных неподвижно друг к другу втулок 3, 4, причем каждая из этих втулок 3.4 выполнена с одного конца с кольцевым внутренним уступом 5, 6, соответственно, причем втулки 3, 4 обращены своими уступами 5, 6 в противоположные стороны и оперты каждая внутренней опорной поверхностью своего уступа 5, 6 на один из соединяемых патрубков 1, 2.
Муфта может быть выполнена с диаметром ее внутренней канавки между уступами 5, 6 большим или равным сумме наружного диаметра пружины 7 с разностью ее наружного и внутреннего диаметров. При этом муфта может быть выполнена монолитной (фиг. 3) в виде симметричной гильзы 13 с уступами 5, 6 по краям.
Патрубки 1, 2 могут располагаться (фиг. 4) со значительными несоосностью «Δ» патрубков и перекосом под углом «α» продольных осей патрубков 1, 2.
Каждый из патрубков (2 или 1) может быть установлен в подшипнике 14.
Гермосоединитель для текучей среды монтируется следующим образом.
В исполнении по фиг. 1, 4 во втулку 4 на упор 6 вкладывается и сопрягается конической поверхностью с конической поверхностью упора 6 уплотнительное кольцо 9. Если торец пружины 7 плоский, например, сошлифован на весь виток, то он может устанавливаться непосредственно на плоскую поверхность уплотнительного кольца 9 (фиг. 3). В иных случаях реализации между торцем пружины 7 и уплотнительным кольцом 9 устанавливается жесткое кольцо 10 (фиг. 1, 4).
Затем с другой стороны на торец пружины 7 устанавливается (с помощью вязкого вещества, например, тавота) уплотнительное кольцо 8 и, в соответствующем случае, в паре с жестким кольцом 10. На такую сборку, с помощью технологического приспособления монтируется с натягом втулка 3.
В исполнении по фиг. 2 вкладыш 12 монтируется сначала в одну втулку, например, втулку 4, на которую с помощью технологического приспособления монтируется с натягом втулка 3.
В исполнении по фиг. 3 уплотнительные кольца 8, 9 и пружина 7 монтируются в гильзу 13 муфты с помощью специального технологического приспособления.
В результате пружина 7, уплотнительные кольца 8, 9 собраны во внутренней канавке муфты между упорами 5, 6. и не могут самопроизвольно выпасть.
После этого гермосоединитель монтируется на соединяемые патрубки 1, 2 для чего он надевается муфтой с одного конца уступом 5 на патрубок 1, а патрубок 2 заводится с другого конца муфты под опорную поверхность уступа 6
В процессе монтажа собранная муфта может в достаточно широких пределах компенсировать несоосность «Δ» осей патрубков 1, 2 и/или перекос под углом «α» осей патрубков 1, 2. При этом, например, за счет поворота одного уступа 5 (фиг. 4) и односторонней выборки сверху зазора «с» его опорной поверхности и односторонней выборки снизу угла «β» уплотнительного кольца 8, а также поворота уступа 6 в противоположном направлении, т.е. одновременной односторонней выборки снизу зазора «с» его опорной поверхности и односторонней выборки сверху угла «β» уплотнительного кольца 9 (направления сверху и снизу по чертежам фиг. 1-4).
Уступы 5, 6 могут взаимодействовать при этом своими кромочными контактными поверхностями «В» с поверхностями патрубков 1, 2 в пределах зазора «с», а неразрывный контакт уплотнительных колец 8, 9 с поверхностями патрубков 1, 2 надежно сохраняется кромочными контактными поверхностями «А» уплотнительных колец 8, 9 под воздействием радиальной составляющей усилия сжатия пружины 7.
Тем самым муфта гермосоединителя за счет кромочной (радиусной или конусной с углом «δ») с зазором «с» конфигурации опорных поверхностей ее уступов 5, 6 и кромочной (конусной с углом «β») поверхности уплотнительных колец 8, 9 может занимать наклонное рабочее положение на патрубках 1, 2 с значительным углом α перекоса осей муфты и патрубков 1, 2.
Клинопрофильная форма сечения уплотнительных колец 8, 9 и поясков 11 с узкой контактной поверхностью по патрубкам 1, 2 обеспечивает минимальную их деформацию при наклонах муфты, что позволяет сохранить высокую герметичность, трансформируя осевое усилие пружины 7 в радиальный поджим кромок «А» уплотнительных колец 8, 9 или вкладыша 12 к патрубкам 1, 2.
Величина максимального допустимого смещения (несоосности) Δ осей патрубков 1, 2 определяется по формуле Δ=L⋅sinα, где L - расстояние между опорными уступами 5, 6 муфты. При α=8°, sinα=0,14 и, соответственно, Δ=0,14L, это достаточная величина для компенсации обычных производственных допусков на неточность расположения патрубков 1, 2 и на биение поверхностей вращающихся патрубков 1, 2.
Величина зазора «с» из условия отсутствия выдавливания уплотнительных колец 8, 9 или вкладыша 12 определяется соотношением прочности их материала и давления жидкости, например для фторопласта 4 и давления 30 МПа допустимое значение «с» max составляет - 0,2 мм. То есть величина зазора «с» выбирается из условия исключения экструзии материала подпружиненных уплотнительных колец 8, 9 или вкладыша 12 в зазоры «с» уступов 5, 6 муфты под действием давления жидкости.
Максимальный допустимый угол α поворота (перекоса) зависит от соотношения максимального зазора «с» и угла «β» по уступу 5, 6 муфты и диаметра D патрубка 1, 2 по формуле , например, при c/D=0,01 допустимый угол α перекоса составляет ~ 8°.
Гермосоединитель для текучей среды эксплуатируется следующим образом.
В результате соединения патрубков 1, 2 гермосоединителем, один из них (патрубок 1 и/или 2) приводится во вращение. Текучая среда от источника давления поступает из одного патрубка 1 или 2 в другой патрубок 2 или 1 потребителю (в исполнительный механизм).
Благодаря обеспеченной, как изложено выше, компенсации несоосности «Δ» осей патрубков 1, 2 и/или перекоса под углом «α» осей патрубков 1, 2 кромочными контактными поверхностями «А» уплотнительных колец 8, 9 или вкладыша 12 внутренняя канавка муфты между упорами 5, 6 сохраняет герметичность при вращении одного или двух из патрубков 1 и/или 2. Следовательно, движение текучей среды происходит таким же образом, как и при отсутствии несоосности «Δ» осей патрубков 1, 2 и/или перекоса под углом «α» осей патрубков 1, 2.
Одновременно обеспечиваются:
- надежная герметизация соединения подвижных соединений с помощью конструктивно простого устройства (с минимальным количеством деталей);
- расширение диапазона несовпадения осей сопрягаемых патрубков 1, 2 подвода и отвода текучей среды;
- снижение требований по точности и качеству изготовления, а также и трудоемкости сборки сопрягаемых частей тракта текучей среды;
- повышение допустимого давления до 30 МПа;
- снижение трения скольжения в процессе работы (т.к. фторопласт имеет самый низкий коэффициент трения);
- увеличение срока службы (нет старения резины).
Тем самым при использовании заявляемого изобретения упрощаются конструкция и технология операции соединения патрубков при обеспечении надежной герметичности соединения, в том числе, в различных случаях несоосности и/или перекоса соединяемых патрубков.