КОМБИНИРОВАННОЕ КОЛЬЦЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ

Полезная модель относится к контактным уплотнительным устройствам, предназначенным для предотвращения утечек сжимаемой среды в гидравлических и пневматических аппаратах, содержащих соосно расположенные поршень и цилиндр, преимущественно, в аппаратах высокого и сверхвысокого гидростатического давления, в частности, в аппаратах сверхвысокого гидростатического давления (до 700 МПа), используемых для обработки дермального матрикса с целью его децеллюляризации.
В настоящее время в гидравлических и пневматических агрегатах высокого и сверхвысокого давления, содержащих пару поршень-цилиндр, в качестве уплотнений широко применяют антиэкструзионное комбинированое кольцевое уплотнение, включающее упругий уплотнительный и более жесткий антиэкструзионный кольцевые элементы.
Под воздействием высокого давления происходит сдавливание уплотнительного кольцевого элемента, изготовленного из упругого мягкого материала, при этом указанный материал стремится проникнуть в монтажные зазоры, существующие между уплотняемыми деталями. Этому препятствует взаимодействующий с ним и обладающий большей жесткостью защитный кольцевой элемент.
Известно комбинированное кольцевое уплотнение (патент России на полезную модель №18751), предназначенное для уплотнения двух соосных цилиндрических деталей.
Данное уплотнение представляет собой примыкающие друг к другу и установленные в кольцевой канавке, выполненной в одной из цилиндрических деталей, одно за другим в направлении их продольной оси уплотнительный кольцевой элемент, изготовленный из упругого материала, и антиэкструзионный кольцевой элемент, выполненный из более жесткого материала. При этом защитное кольцо имеет форму конической оболочки вращения.
В процессе работы уплотнения под действием давления происходит деформация защитного кольца, что приводит к перекрытию первоначальных монтажных зазоров рабочей пары поршень-цилиндр. Защитное кольцо при этом препятствует выдавливанию материала упругого кольца в зазор между соосными цилиндрическими деталями.
Однако деформация защитного кольца под действием давления ведет к его быстрому износу, что снижает долговечность данного уплотнения.
Известно комбинированное кольцевое уплотнение (см. parker.com/Literature/Praedifa/Catalogs/Catalog_PTFE-Seals_PTD3354-RU.pdf), которое выбрано в качестве ближайшего аналога (прототип).
Рассматриваемое комбинированное уплотнение двух соосно расположенных цилиндрических деталей, одна из которых охватывает другую, содержит примыкающие друг к другу уплотнительный кольцевой элемент и защитный кольцевой элемент.
Указанные кольцевые элементы расположены в кольцевой канавке, выполненной в одной из цилиндрических деталей, один за другим в направлении продольной оси цилиндрических деталей. Уплотнительный кольцевой элемент изготовлен из упругого материала и выполнен в виде сплошного тела, имеющего тороидальную форму (далее уплотнительное кольцо). Защитный кольцевой элемент изготовлен из жесткого материала и выполнен в виде сплошной плоской шайбы с вогнутым основанием (далее защитная шайба), при этом уплотнительное кольцо обращено к вогнутому основанию защитной шайбы.
В процессе работы данного уплотнения кромки вогнутого основания защитной шайбы препятствуют экструзии материала уплотнительного кольца в зазор между цилиндрическими деталями. При этом защитная шайба не подвергается деформации, а вогнутость ее основания способствует снижению напряжений, возникающих в уплотнительном кольце при его взаимодействии с защитной шайбой.
Указанные факторы способствуют повышению долговечности рассматриваемого антиэкструзионного кольцевого уплотнения.
В данном техническом решении не учитывается влияние кривизны поверхностей взаимодействующих друг с другом уплотнительного кольца и защитной шайбы на условия их работы и величины испытываемых ими нагрузок. Между тем, без учета указанных параметров в ряде случаев не удается достигнуть высокой долговечности уплотнения.
Проблемой, решаемой при реализации заявляемой полезной модели, является увеличение срока эксплуатации (снижение износа) кольцевого уплотнения.
Сущность полезной модели характеризуется следующей совокупностью признаков.
Комбинированное кольцевое уплотнение двух соосно расположенных цилиндрических деталей, одна из которых охватывает другую, включает примыкающие друг к другу и расположенные в направлении продольной оси цилиндрических деталей одно за другим уплотнительное кольцо и защитную шайбу, установленные в кольцевой канавке, выполненной в одной из цилиндрических деталей, при этом уплотнительное кольцо выполнено в виде сплошного тела тороидальной формы, защитная шайба выполнена в виде сплошного тела тороидальной формы с вогнутым основанием, причем уплотнительное кольцо обращено к вогнутому основанию защитной шайбы. Согласно полезной модели отношение радиуса кривизны поверхности вогнутого основания защитной шайбы к радиусу кривизны обращенной к ней поверхности уплотнительного кольца составляет величину от 1,3 до 4,0.
Благодаря наличию расположенных в описанной выше кольцевой канавке и примыкающих друг к другу уплотнительного кольца, изготовленного из упругого материала, и защитной шайбы, выполненной в виде сплошного тела тороидальной формы с вогнутым основанием, изготовленной из жесткого материала, заявляемое комбинированное уплотнение обеспечивает герметичное соединение уплотняемых цилиндрических деталей и при этом обладает антиэкструзионными свойствами и повышенной износостойкостью.
Криволинейная поверхность основания защитной шайбы охватывает часть криволинейной поверхности уплотнительного кольца, которое под действием давления заполняет выемку в защитной шайбе и плотно прилегает к стенкам цилиндрических деталей, обеспечивая надежное перекрытие зазоров между ними.
При этом кромки вогнутого основания защитной шайбы препятствуют экструзии материала уплотнительного кольца в зазор между цилиндрическими деталями, обеспечивая антиэкструзионные свойства уплотнения.
При этом, благодаря криволинейной форме взаимодействующих поверхностей основания защитной шайбы и уплотнительного кольца, увеличивается площадь их контакта в рабочем состоянии, что способствует снижению возникающих в уплотнительном кольце напряжений, и, как следствие, повышению его износостойкости.
Принципиально важным в заявляемой полезной модели является то, что отношение радиусов кривизны взаимодействующих поверхностей вогнутого основания защитной шайбы и уплотнительного кольца выбрано из диапазона от 1,3 до 4,0.
Указанный диапазон отношений подобран авторами в ходе расчетно-экспериментальных исследований, которые показали следующее.
В случае, когда отношение радиусов кривизны поверхностей вогнутого основания защитной шайбы и уплотнительного кольца составляет величину более 4,0, существенно возрастают напряжения, возникающие в уплотнительном кольце при приложении давления, особенно на участках, расположенных вблизи кромок вогнутого основания защитной шайбы. Это приводит к сильной деформации уплотнительного кольца, что снижает долговечность уплотнения.
В случае, когда отношение радиусов кривизны поверхностей вогнутого основания защитного шайбы и уплотнительного кольца составляет величину менее 1,3 (радиусы кривизны указанных поверхностей отличаются незначительно), площадь охвата вогнутым основанием защитной шайбы и уплотнительного кольца увеличивается, что положительно влияет на снижение возникающих в нем напряжений. Однако в указанном случае основание защитной шайбы имеет очень высокие и тонкие кромки, которые подвержены разрушению под действием возникающих при работе уплотнения сил трения. Это приводит к быстрому износу защитного элемента, что снижает долговечность уплотнения.
Проведенные исследования показывают, что диапазон отношения радиуса R кривизны поверхности вогнутого основания защитной шайбы к радиусу r уплотнительного кольца на участке, который обращен к вогнутому основанию защитной шайбы, составляющий величину от 1,3 до 4,0, является оптимальным с точки зрения достижения высокой долговечности заявляемого антиэкструзионного комбинированного кольцевого уплотнения.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации полезной модели, является повышение долговечности антиэкструзионного комбинированного кольцевого уплотнения.
На фиг. 1 схематично представлен общий вид заявляемого устройства при отношении радиусов R/r, равном 1,3, в статическом состоянии уплотнения;
На фиг. 2 - то же в рабочем состоянии уплотнения;
На фиг. 3 схематично представлен общий вид заявляемого устройства при отношении радиусов R/r, равном 4,0, в статическом состоянии уплотнения;
На фиг.4 - то же в рабочем состоянии уплотнения.
Заявляемое комбинированное кольцевое уплотнение двух соосно расположенных цилиндрических деталей 1 и 2, одна из которых охватывает другую с зазором 6, содержит расположенные в кольцевой канавке 3, выполненной в охватываемой детали 2, уплотнительное кольцо 4 и защитную шайбу 5. Уплотнительное кольцо и защитная шайба, расположенные в канавке 3, примыкают друг к другу.
Уплотнительное кольцо 4 выполнено в виде сплошного тела, имеющего тороидальную форму, и изготовлено из упругого материала, например, из резины.
Защитная шайба 5 выполнена в виде сплошного тела тороидальной формы с вогнутым основанием, изготовленного из жесткого материала, в частности, из фторопласта с углеродным наполнителем.
Уплотнительное кольцо 4 обращено к вогнутому основанию защитной шайбы 5.
Отношение радиуса R кривизны поверхности вогнутого основания защитной шайбы 5 к радиусу r кривизны поверхности уплотнительного кольца 4, обращенной к указанному вогнутому основанию, составляет величину от 1,3 до 4,0.
Устройство использовалось в аппарате сверхвысокого гидростатического давления, применяемом для обработки дермального матрикса с целью его децеллюляризации. В результате указанной обработки получен ацеллюлярный дермальный матрикс, в котором подавлена жизнеспособность клеток кожи при сохранении коллагеновых структур.