УЗЕЛ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ОБОЛОЧКИ ИЗ УПРУГОЭЛАСТИЧНОГО МАТЕРИАЛА
SEALING ASSEMBLY OF COVER FROM ELASTIC-FLEXIBLE MATERIAL

Узел герметизации оболочки из упругоэластичного материала устройства для подачи текучего материала относится к области машиностроения и может быть применен в приборах для герметизации различных эластичных тонкостенных камер, оболочек и т.п., работающих под действием давления рабочей среды.
При изучении справочно-информационных и патентных фондов были выделены наиболее близкие аналоги предлагаемого технического решения:
Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Издание 5-е переработанное и дополненное. Машиностроение, 1979 г., том 3.
Представлены устройства крепления резинотканевых рукавов и шлангов из упругоэластичного материала. Герметизация резинотканевых рукавов и шлангов (оболочек из упругоэластичного материала) на корпусном элементе (штуцере) осуществляется за счет их деформации (обжатия) хомутом. Недостатком такой герметизации являются: нерегламентированная степень деформации упругоэластичного материала, что приводит к снижению срока гарантии уплотнения; из-за конструктивных особенностей хомутов происходит неравномерная деформация (обжатие) упругоэластичного материала, что приводит к негерметичности в этих местах при герметизации тонкостенных оболочек, а также материал оболочки подвергается нерегламентированному усилию сдвига; существенно выступающие за габарит хомута элементы уплотнения, что увеличивает общий габарит уплотнения. Такой способ герметизации тонкостенных оболочек из упругоэластичного материала непригоден для применения в малогабаритных устройствах с большим сроком гарантии, что и ограничивает область их применения.
9
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является узел герметизации горловины оболочки из упругоэластичного материала в устройстве для подачи текучего материала, представленый в патенте RU №2334160, МПК F16N 7/30, публикация 20.09.2008., Бюл. №26.
Представленное устройство, работающее с использованием давления газа, содержит корпус с выходным патрубком, камеру из упругоэластичного материала, заполненную текучим материалом и размещенную в корпусе с возможностью образования между ними полости для газа. Камера выполнена в виде стакана с элементом Т-образной формы на внешней поверхности ее открытого торца, служащего для ее закрепления и герметизации бандажом в виде фигурных пазов в корпусе устройства, при этом внутренняя полость камеры соединена с выходным патрубком с возможностью выхода из нее текучего материала.
Узел герметизации камеры из упругоэластичного материала в виде элемента Т-образной формы, примененный в данном устройстве, принят за прототип.
Недостатком такого узла герметизации камеры является низкая его надежность при работе в условиях высокого давления газа и низких температур. Это объясняется тем, что в конструкции устройства изначально заложена вероятность разгерметизации и возможного разрушения камеры выполнением ее в виде стакана с расположением узла герметизации на внешней поверхности ее открытого торца. При воздействии высокого давления на внешнюю поверхность камеры оно сжимает (сплющивает) ее стенку к центральной оси и тем самым создает усилия, направленные на извлечение элемента уплотнения Т-образной формы из места его закрепления.
Силы, направленные на извлечение элемента уплотнения, создают не только напряжения растяжения в месте перехода стенки камеры в элемент уплотнения, но и способствуют снижению сил упругого напряжения сжатия материала камеры, которые и обеспечивают герметизацию элемента ее уплотнения при сборке. При низкой температуре материал камеры, а это в основном различные резиновые смеси, сжимается, снижает свою эластичность и упругость, что влечет за собой вероятность возникновения разгерметизации и даже разрушения камеры при работе с высоким давлением газа, особенно при наличии даже небольших дефектов на стенке камеры в виде царапин и т.п.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности узла герметизации тонкостенной цилиндрической горловины оболочки из упругоэластичного материала в малогабаритных устройствах для подачи текучего материала в условиях действия внутреннего либо внешнего давления рабочей среды (газа, незамерзающей жидкости и т.п.) в любых климатических условиях.
При использовании заявляемого узла герметизации достигается следующий технический результат:
2
2
2
- тонкостенная оболочка (толщина стенки 1,5 мм) с диаметром горловины 20,5 мм и диаметром оболочки 42 мм из маслобензостойкой резины при работе с внешним давлением газа азота 180 кгс/см, а также при работе с внутренним давлением газа азота 17 кгс/см в интервале температур от -40°С до +50°С показала высокую надежность с текучим материалом различной консистенции с вязкостью 2,2…1500 мм/с;
- нарушение герметичности и разрушений стенок горловины не наблюдалось.
Для решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата в узле герметизации оболочки из упругоэластичного материала устройства для подачи текучего материала, включающем оболочку из упругоэластичного материала, установленную на корпусном элементе и бандаж, согласно изобретению оболочка из упругоэластичного материала установлена на внешней поверхности корпусного элемента, на которой выполнен, по крайней мере, один кольцевой выступ, на оболочке установлен бандаж, содержащий разрезную втулку с прорезями вдоль образующей, на внутренней и внешней поверхностях которой выполнены, по крайней мере, по одному кольцевому бурту, и установленную на ней наружную втулку с кольцевым пазом на внутренней поверхности. Внутренний кольцевой бурт разрезной втулки предназначен для взаимодействия в рабочем положении через оболочку с кольцевым выступом на внешней поверхности корпусного элемента, а внешний кольцевой бурт предназначен для взаимодействия в рабочем положении с кольцевым пазом на внутренней поверхности наружной втулки. Прорези на разрезной втулке выполнены с двух торцов со смещением относительно друг друга и с перекрытием по длине, а ширина прорезей меньше толщины стенки уплотняемой оболочки.
Суммарная ширина прорезей на каждом торце разрезной втулки выбирается из условия соприкосновения стенок прорезей при установленной наружной втулке.
Кольцевые бурты на внешней и внутренней поверхностях разрезной втулки расположены со смещением относительно друг друга.
На одном из торцов наружной втулки выполнен заходный конус для облегчения обжатия разрезной втулки и прохождения через кольцевой бурт на внешней поверхности разрезной втулки.
Диаметр горловины оболочки выполнен меньше диаметра оболочки.
На внешней поверхности наружной втулки выполнен кольцевой паз для технологического приспособления, используемого при сборке устройства.
Выполнение на внешней поверхности корпусного элемента, по крайней мере, одного кольцевого выступа обеспечивает герметичность соединения путем взаимодействия в рабочем положении через оболочку с внутренней поверхностью разрезной втулки, установленной на оболочке. Разрезная втулка имеет множественные прорези вдоль образующей, выполненные с двух торцов со смещением относительно друг друга и с перекрытием по длине. Ширина прорезей меньше толщины стенки уплотняемой оболочки. Их количество и ширина обеспечивают величину обжатия упругоэластичного материала горловины оболочки и исключение его «закусывания» при обжатии. Суммарная ширина прорезей на каждом торце разрезной втулки выбирается из условия соприкосновения стенок прорезей при установленной наружной втулке.
Наружная втулка обеспечивает расчетную степень деформации упругоэластичного материала оболочки, обжимая разрезную втулку на требуемую величину. Соприкосновение стенок прорезей разрезной втулки при обжатии упругоэластичного материала оболочки обуславливается расчетной шириной и количеством прорезей разрезной втулки для конкретной степени деформации упругоэластичного материала оболочки.
Наружная втулка обеспечивает сжатие разрезной втулки до соприкосновения стенок прорезей, при этом перемычки между прорезями деформируются (упруго либо пластически). При этом разрезная втулка обеспечивает равномерное, вследствие большого количества прорезей, обжатие упругоэластичного материала оболочки за счет равномерного смещения частей разрезной втулки относительно друг друга, что исключает травмирование упругоэластичного материала оболочки. Взаимодействие кольцевого бурта, выполненного на внешней поверхности разрезной втулки, с кольцевым пазом на внутренней поверхности наружной втулки предотвращает самопроизвольное разъединение этих деталей. Кольцевой бурт на внутренней поверхности разрезной втулки также предотвращает самопроизвольное смещение бандажа с корпусного элемента.
Выполнение горловины оболочки диаметром меньшим, чем диаметр тела оболочки, обеспечивает минимизацию возникновения напряжений растяжения в месте перехода стенки тела оболочки в горловину (элемент уплотнения горловины), так как воздействие давления рабочей среды (газа или жидкости) на наружную поверхность оболочки направлено на ее радиальное сжатие (сплющивание) и сводит до минимума возможность возникновения сил, направленных на извлечение горловины из места ее закрепления, т.е. сил растяжения, что способствует снижению вероятности разрушения оболочки в этом месте.
Для удобства сборки бандажа на наружной втулке сделан заходный конус, обеспечивающий первоначальное сжатие разрезной втулки и облегчающий прохождение наружной втулки через кольцевой бурт на внешней поверхности разрезной втулки, а также кольцевой паз под приспособление для сборки и разборки соединения.
Заявляемая совокупность признаков узла герметизации оболочки из упругоэластичного материала обеспечивает высокую надежность уплотнения и минимизирует вероятность ее разрушения при работе с высоким давлением рабочей среды в любых климатических условиях.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется на чертежах, где
на фиг.1 изображен узел герметизации горловины оболочки из упругоэластичного материала в устройстве для подачи текучего материала (диаметры оболочки и горловины оболочки равны);
на фиг.2 изображен узел герметизации горловины оболочки из упругоэластичного материала в устройстве для подачи текучего материала (диаметр оболочки больше диаметра горловины оболочки);
на фиг.3 приведено увеличенное изображение узла герметизации горловины оболочки из упругоэластичного материала;
на фиг.4 изображена разрезная втулка в исходном состоянии (отдельный вид);
на фиг.5 изображена разрезная втулка после обжатия (отдельный вид).
1
2
Узел герметизации оболочки (фиг.1-3) из упругоэластичного материала в устройстве для подачи текучего материала включает корпус 1 устройства, корпусной элемент 2 с выходным патрубком 3, оболочку 4 с горловиной 5, которая закреплена на корпусном элементе 2 бандажом, состоящим из разрезной втулки 6 и установленной на ней наружной втулки 7. Эластичная оболочка 4 заполнена текучим материалом с возможностью выхода последнего в выходной патрубок 3 корпусного элемента 2. Горловина 5 может быть выполнена диаметром Д, меньшим, чем диаметр Д оболочки 4 (фиг.2).
3
4
1
2
3
1
Горловина 5 оболочки 4 выполнена в виде гладкого тонкостенного цилиндра. Корпусной элемент 2 имеет торцевую поверхность А и один или более кольцевой выступ 8 (фиг.3) с внешней поверхностью Б, диаметром Д, большим, чем внутренний диаметр Д горловины 5, на величину требуемой степени деформации упругоэластичного материала оболочки. На внутренней поверхности В разрезной втулки 6, на расстоянии 1, равном не более толщины b стенки горловины 5, расположен кольцевой бурт 9, а с наружной поверхности Г - кольцевой бурт 10. Расположение прорезей на разрезной втулке 6 в исходном состоянии приведено на фиг.4. Для равномерного обжатия разрезной втулки 6 и сохранения целостности детали прорези выполнены с обоих ее торцов и суммарная длина каждой пары прорезей больше длины разрезной втулки 6 на расчетную величину a (перекрытие прорезей). Ширина прорези а выбирается из условия исключения «закусывания» упругоэластичного материала оболочки 4. Ширина перемычки а и длина перекрытия прорезей a выбираются из условия возможности деформации перемычек сборочным усилием для наружной втулки 7. Расположение прорезей на разрезной втулке 6 после обжатия приведено на фиг.5. На внутренней поверхности Ж (фиг.3) наружной втулки 7 расположен кольцевой паз 11 и заходный конус 12, а на наружной поверхности И - технологический кольцевой паз 13. Расположение по длине горловины 5 кольцевого бурта 10 на разрезной втулке и соответствующего ему кольцевого паза 11 на наружной втулке 7, а равно и технологического кольцевого паза 13, определяется конструктивно.
При выполнении горловины 5 диаметром меньше диаметра оболочки 4 стенка горловины 5 (фиг.2) соединена со стенкой оболочки 4 переходным элементом 14, имеющим толщину стенки, равную толщине стенки горловины 5 и толщине стенки оболочки 4, т.е. все эти составные части оболочки являются продолжением друг друга, соединяясь плавно с радиусом округления, как минимум, равным толщине их стенок.
Сборка узла герметизации оболочки из упругоэластичного материала (фиг.1-3) производится следующим образом.
Наружная втулка 7 надевается на оболочку 4 и размещается в непосредственной близости от горловины 5. На горловину 5 оболочки 4 надевается разрезная втулка 6. Горловина 5 оболочки 4, с установленной на нее разрезной втулкой 6, надевается с предварительным натягом на кольцевые выступы 8 корпусного элемента 2 до упора в торцевую поверхность А. При помощи технологического приспособления, установленного в кольцевой паз 13, наружная втулка 7 надвигается на разрезную втулку 6 и фиксируется в собранном положении при совмещении кольцевого бурта 10 с кольцевым пазом 11. Заходный конус 12 наружной втулки 7 обеспечивает обжатие разрезной втулки 6, а также плавное прохождение через ее кольцевой бурт 10. Кольцевой бурт 9 обжатой разрезной втулки 6 деформирует стенку горловины 5, обеспечивая фиксацию уплотнения на корпусном элементе 2. При перемещении наружной втулки 7 по разрезной втулке 6 стенка горловины 5 упруго деформируется на расчетную величину и плотно прилегает к поверхностям Б (фиг.3) кольцевых выступов 8 корпусного элемента 2, тем самым обеспечивая герметичность узла герметизации оболочки из упругоэластичного материала.
1
5
3
Герметизация обеспечивается силой упругой деформации стенки горловины 5 в пределах допустимой упругой деформации упругоэластичного материала оболочки 4, которая ограничивается величинами: толщиной стенки разрезной втулки 6 b, внутренним диаметром втулки наружной Д и диаметром кольцевых выступов 8 Д корпусного элемента 2 (фиг.3).
Корпусной элемент 2 и закрепленная на ней оболочка 4 с горловиной 5 герметично устанавливаются в корпусе 1 при помощи элементов уплотнения 15. После сборки внутренняя полость оболочки 4 заполняется текучим материалом через выходной патрубок 3 корпусного элемента 2.
Узел герметизации горловины оболочки из упругоэластичного материала для подачи текучего материала работает следующим образом.
2
1
Под воздействием давления рабочей среды, поступающей в полость между корпусом 1 (фиг.2 и 3) и оболочкой 4, последняя сжимается (сплющивается), вытесняя текучий материал в выходной патрубок 3 корпусного элемента 2, при этом ввиду наличия разности размеров между диаметром Д оболочки 4 и диаметром Д ее горловины 5 стенка оболочки 4 совместно со стенкой переходного элемента 14 свободно складывается в фигуру типа ромашки, а места перехода стенки горловины 5 в переходный элемент 14 практически не испытывают воздействия сил растяжения, направленных на извлечение стенки горловины 5 из мест ее закрепления на корпусном элементе 2.
Степень деформации упругоэластичного материала оболочки 4 в местах герметизации не превышает предельно допустимых для него значений и сохраняется в течение всего срока службы соединения за счет применения деталей уплотнения с фиксированными (заранее рассчитанными) размерами.
Работоспособность предлагаемого технического решения была проверена при отработке устройства путем подачи газа (азота) высокого давления в условиях как положительных, так и отрицательных температур. Нарушений герметизации или разрушений горловины оболочки из упругоэластичного материала (резины) не наблюдалось.
2
Результаты отработки узла герметизации (фиг.2), выполненного согласно предлагаемому техническому решению, показали высокую его надежность при работе с применением газа азота высокого давления (180 кгс/см) в различных климатических условиях (-40°С-+50°С) и могут быть рекомендованы для применения его в различных устройствах, использующих давление газа или незамерзающих жидкостей для деформации (сжатия) упругоэластичных оболочек, камер и т.п., при транспортировке текучего материала в любых климатических условиях даже без армирования упругоэластичного материала различными тканями для повышения его прочности. Причем при определенном соотношении диаметров оболочки и ее горловины согласно предлагаемому техническому решению возможна реализация полного отсутствия действия сил растяжения на горловину при работе с давлением газовой среды, сжимающей оболочку для вытеснения текучего материала, что позволяет минимизировать габаритные размеры и вес устройства. Уплотнение горловины оболочки по предлагаемому техническому решению можно использовать для оболочек, имеющих две горловины, аналогичные по конструкции, что упростит технологию изготовления оболочек различной длины и конфигурации.