Цилиндропоршневое уплотнение
CYLINDER-PISTON SEAL

Заявленное техническое решение относится к области уплотнительной техники, в частности к узлам уплотнения механизмов для герметизации кольцевого зазора между цилиндром и поршнем в устройствах, работающих в условиях возвратно-поступательного движения, преимущественно, для поршневых компрессоров без смазки проточной части цилиндра.
Технической задачей заявленного изобретения является снижение пиковых нагрузок, действующих на цилиндропоршневое уплотнение, тем самым уменьшить его износ и увеличить ресурс работы, не уменьшая производительность компрессорного агрегата.
Известен «Поршень для холодильно-газовой машины» [Основы теории уплотнений и создание поршневых компрессоров без смазки: диссертация доктора технических наук: 05.04.03. - Санкт-Петербург, 2001. - 50-51 с.: ил. Захаренко, Валентин Петрович], который содержит стержень и установленные на нем уплотнительные и проставочные кольца, стянутые гайкой, размещенной в зоне головки поршня, законтренной шайбой. Стержень имеет радиальные и осевой каналы и на нем со стороны, противоположной головке, установлены манжета и втулка с калиброванными отверстиями.
Данное техническое решение имеет следующий недостаток. Наличие радиальных и осевых каналов, приводит к утечкам рабочей среды, тем самым, уменьшает производительность компрессорного агрегата.
Наиболее близким техническим устройством того же назначения является «Поршень» [Основы теории уплотнений и создание поршневых компрессоров без смазки: диссертация доктора технических наук: 05.04.03. - Санкт-Петербург, 2001. - 220-221 с.: ил. Захаренко, Валентин Петрович], [Захаренко А.В. О расчете нагрузок в многокольцевом поршневом
уплотнении компрессоров без смазки высокого давления / Захаренко А.В., Захаренко В.П. // Холод: Техника и технологии, вестник МАХ № 2, 2012. стр. 29-32], который содержит корпус, на котором со стороны подачи давления установлена дросселирующая втулка, за которой выполнена аккумулирующая камера, ограниченная манжетным уплотнением. Объем аккумулирующей камеры выполнен большим, чем объем газа, который перетекает через дросселирующую втулку в течение одного рабочего цикла. При малых диаметрах и высоких давлениях аккумулирующую камеру выполняют в корпусе в виде заглушенных каналов, чтобы не снизить прочность самого поршня и не увеличились его габариты.
Данное техническое решение имеет следующий недостаток. Объем газа находящийся в зазоре между дроссельной втулкой и стенкой цилиндра, и в аккумулирующем объеме является мертвым объемом (мертвым пространством), соответственно, в процессе обратного расширения данный газ расширяется и мешает новой порции газа поступать в рабочую камеру при всасывании, что в значительной мере уменьшает производительность компрессорного агрегата.
Задачей заявленного изобретения является снижение пиковых нагрузок действующих на цилиндропоршневое уплотнение, тем самым, уменьшить его износ и увеличить ресурс работы, не уменьшая производительность  компрессорного агрегата.
Предложенная конструкция поясняется чертежом, где на:
Фиг. 1 показано цилиндропоршневое уплотнение в сборе, стянутое шайбой.
Предложено цилиндропоршневое уплотнение, которое состоит из поршня 1, на который надеты посадочные шайбы 2 с комплектом манжетных уплотнений 3 и экспандерами 4, а также, шайба 5 с аккумулирующей камерой 6. В верхней части поршня 1 расположено обратное манжетное уплотнение 7, весь комплект стягивается шайбой 8 и устанавливается с натягом в цилиндр 9.
1
Цилиндропоршневое уплотнение работает следующим образом: в процессе сжатия и нагнетания (когда нагрузка действующая на цилиндропоршневое уплотнение имеет пиковое значение), газ под давлением (P) попадает в зазор между обратной манжетой 7 и зеркалом цилиндра 9, вследствие  чего дросселируется и расширяется в аккумулирующей камере 6, давление газа перед комплектом манжетных уплотнений 3 снижается, до давления (P).
В процессе обратного расширения и всасывания, сжатый газ, находящийся в объеме аккумулирующей камеры 6 разожмет манжетное уплотнение 7, камера 6 будет изолирована и не будет являться дополнительным мертвым объёмом. Это, по сравнению с прототипом увеличит производительность.
Нагрузка на поверхности трения цилиндропоршневого уплотнения работающего без смазки рассчитывается по следующей формуле [Поршневые компрессоры: Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Холодильные и компрессорные машины и установки» / Б.С. Фотин, И. Б. Пирумов, И. К. Прилуцкий, П. И. Пластинин. – Л. Машиностроение. Ленинград. отд-ние, 1987. – 227 с.]:
где - давление до манжетного уплотнения, Па; - давление после манжетного уплотнения, Па.
где k - экспериментально определяемый коэффициент, учитывающий свойства материала, его шероховатость, характер контактирования между цилиндром и уплотнением и режимы работы ступени компрессора (для фторопластовых композиций k=2,5-3); h - высота уплотнения, мм.
Из формулы 1 видно, что уменьшая давление газа до давления   перед комплектом манжетных уплотнений 3 по сравнению с давлением газа перед поршнем 1 мы значительно уменьшает нагрузку, действующую на манжетное уплотнение, тем самым увеличивает ее ресурс работы.
Предложенное цилиндропоршневое уплотнение позволяет снизить пиковые нагрузки, действующие на него, тем самым, уменьшает его износ и увеличивает ресурс работы, не уменьшая производительность компрессорного агрегата.