УПЛОТНЕНИЕ ШТОКА
ROD SEALING

Изобретение относится к облаете машиностроения, а именно к разделу уплотнительная техника, и может быть применено в качестве уплотнительного устройства для уплотнения штока поршня или любого другого выдвигающегося цилиндрического элемента или детали, находящихся под давлением жидкой или пастообразной среды, вытекание которой необходимо предотвратить при движении поршня.
Известно гидравлическое манжетное уплотнение поступательной пары (патент РФ 2023922, опубл. 30.11.1994 г.). Манжетное уплотнение представляет собой уплотнительную манжету с защитным выступом и уплотнительными выступами по рабочим поверхностям манжеты. На торцевой стороне со стороны действия рабочего давления выполнена кольцевая аксиальная канавка. В зависимости от условий применения уплотнения манжета может выполняться с двумя или большим количеством кольцевых уплотнительных выступов. Техническим результатом изобретения является повышение ресурса и надежности уплотнения за счет введения в манжетном уплотнении со стороны действия рабочего давления перед кольцевым уплотнительным выступом, по меньшей мере, одного защитного выступа.
Уплотнительные манжеты данного типа выполняются из материалов с низкими коэффициентами трения (типа фторопласта) или из материалов с большим коэффициентом трения и высокими упругими свойствами (типа резины).
Недостатком такого уплотнения является следующее:
1. Данная конструкция манжетного уплотнения при изготовлении из материала с большим коэффициентом трения и высокими упругими свойствами не позволяет использовать ее для конструкции с малыми рабочими ходами (до 10 мм) и небольшими усилиями, действующими на шток.
2
2. Применение материала с низкими коэффициентами трения позволят обеспечить герметизацию и работу с малыми рабочими ходами. Однако у данных материалов при воздействии нагрузки более 33 кгс/см (менее рабочего давления) в течение суток возникает остаточная деформация, составляющая порядка 6%. При снижении температуры эксплуатации до отрицательных значений за счет разницы коэффициентов линейных расширений манжеты и сопрягающихся с ним деталей образуются зазоры, через которые возможно вытекание рабочих жидкостей, что приводит, в конечном счете, к снижению рабочих характеристик конструкции.
Наиболее близким аналогом является уплотнение штока (патент РФ №2124664, опубл. 10.01.1999 г.). Уплотнение штока состоит из расположенных в рабочей камере разрезных уплотнительных колец, на наружной поверхности каждого из которых выполнена кольцевая проточка, в которых размещены упругие элементы. Для обеспечения постоянной компенсации износа уплотнительных колец, вплоть до истирания их большей части, каждое уплотнительное кольцо имеет, по меньшей мере, одну пару сквозных параллельных друг другу разрезов, причем разрезы каждой пары выполнены по касательным к внутренней поверхности уплотнительных колец в ее диаметрально противоположных точках и в противоположных направлениях. Изобретение повышает надежность устройства.
Недостатком такого уплотнения штока является следующее:
1. При снижении температуры эксплуатации до отрицательных значений за счет разницы коэффициентов линейных расширений уплотнения штока и сопрягающихся с ним деталей образуются зазоры, через которые возможно вытекание рабочих жидкостей, что приводит, в конечном счете, к снижению рабочих характеристик конструкции.
2. В конструкциях с малым ходом и усилием перемещения штока данное техническое решение практически невозможно применить из-за постоянно действующего усилия на шток от упругих элементов, размещенных в кольцевой проточке уплотнительных колеи и затрудняющих перемещение штока.
Задачей изобретения является создание уплотнение штока с повышенной надежностью и повышенными несущими свойствами.
Техническим результатом предлагаемого решения является создание уплотнения штока, работающего при отрицательных и положительных температурах эксплуатации, а также применение его в конструкциях с различными ходами и усилиями перемещения штока.
Технический результат достигается тем, что в уплотнении штока, состоящем из обжимных колец, на поверхности каждого из которых выполнена кольцевая проточка, и упругих элементов, размещенных в кольцевых проточках, упругие элементы установлены в обжимных кольцах с зазором по цилиндрической поверхности и имеют внутренние пазы, обращенные друг к другу и образующие полость, в каждой из которых установлен упругий упор, ось сжатия которого параллельна оси штока. Наружные боковые поверхности упругих элементов выполнены под углом, соответствующим сопрягаемым поверхностям обжимных колен, при этом обжимное кольцо со стороны герметизирующей камеры на своей конической поверхности имеет выступ, входящий в имеющийся паз упругого элемента, а поверхности смыкания последних выполнены в виде замка. Упругие упоры выполнены в виде вставок из упругого неметаллического материала или в виде металлических пружин сжатия. Упругие элементы имеют не менее трех внутренних пазов, в полости которых установлен упругий упор.
Использование для упругих элементов материала с низким коэффициентом трения позволяет обеспечить работу уплотнения штока при различных ходах и усилиях перемещения штока. Дополнительно для обеспечения работы уплотнения штока при действии больших усилий в конструкцию упругих элементов введен замок для ограничения вращательного перемещения упругих элементов относительно друг друга.
Введенный в конструкцию штока упругий упор, работающий параллельно штоку, позволяет исключить образование зазора между упругими элементами и обжимными кольцами, через который возможно вытекание рабочих жидкостей. Образование зазора между упругими элементами и обжимными кольцами происходит из-за уменьшения размера упругих элементов относительно обжимных колец за счет разницы их коэффициента линейных расширений в условиях изменения температуры от положительных до отрицательных значений. Количество упругих упоров должно быть не менее трех для исключения перекосов упругих элементов при отрицательных температурах эксплуатации, когда возможно появление зазоров.
Герметизация по цилиндрической поверхности осуществляется за счет подбора необходимых диаметров штока и упругих элементов (посадка с небольшим натягом).
Таким образом, уплотнение штока, состоящее из обжимных колец, упругих элементов и упругих упоров, приводит к гарантированной герметизации штока и рабочего объема. Данное техническое решение позволяет разрабатывать уплотнение штока, работающего при отрицательных и положительных температурах эксплуатации, а также применять его в конструкциях с различными ходами и усилиями перемещения штока.
На фиг. 1 представлено предлагаемое уплотнение штока. Оно содержит упругие элементы 1 и 2, установленные на шток поршня 3. Для обдавливания упругих элементов предусмотрены два непосредственно с ними взаимодействующих подвижных обжимных кольца 4 и 5. Кольцо 4 устанавливается со стороны герметизируемого объема 8, а обжимное кольцо 5 вворачивается в корпус устройства 6 и давит на обращенную к ней коническую поверхность упругого элемента 1, сжимая упругие элементы 1, 2 в замкнутом объеме между коническими поверхностями обжимных колец 4, 5. Упругие элементы за счет наличия гарантированного зазора X равномерно обдавливаются вокруг штока и герметизируют таким образом соединение.
Для повышения надежности герметизации на соприкасающихся поверхностях упругих элементов 1, 2 предусмотрена проточка, выполненная в виде цилиндрических пазов в количестве от 3 и более в зависимости от диаметра штока и размеров упругих элементов, в которые устанавливаются упругие упоры 7. При уменьшении размеров упругих элементов 1, 2 относительно обжимных колец 4, 5 (при изменении температуры эксплуатации) герметизацию штока 3 обеспечивает упругий упор 7 за счет обеспечения постоянно поджатия упругих элементов и обжимных колец по коническим поверхностям.
Для фиксации упругих элементов 1, 2 в первоначальном положении и исключения их перемещения при установке на шток и проворота при завинчивании обжимного кольца 5 на конической поверхности обжимного кольца 4 выполнен прерывистый выступ, идентичный пазам в упругом элементе 2, а на поверхностях смыкания упругих элементов 1, 2 выполнен замок Б, позволяющий ограничить поступательное и вращательное перемещения упругих элементов 1, 2 относительно друг друга.
Уплотнение штока работает следующим образом.
При возникновении давления внутри объема устройства при выдвижении поршня 3 рабочая среда 8 удерживается внутри объема устройства за счет прижатия конических поверхностей упругого элемента 2 и обжимного кольца 4 в процессе обжатия упругих элементов 1, 2 обжимным кольцом 5.
При эксплуатации за счет возможного проявления необратимой деформации упругих элементов (слеживаемости) под нагрузкой (данное свойство присуще практических всем «резиноподобным» герметизирующим материалам) и изменения температуры эксплуатации с положительной на отрицательную расслабления упругих элементов 1, 2 и потери герметичности за счет упругих упоров 7 не происходит.
Заявляемая конструкция позволяет решить поставленную задачу по созданию уплотнение штока с повышенной надежностью и повышенными несущими свойствами и получить новый технический результат, заключающийся в возможности работы уплотнения штока при отрицательных и положительных температурах эксплуатации, а также применения его в конструкциях с различными ходами и усилиями перемещения штока.
Проведенные испытания на моделях подтвердили заявляемый технический результат.