СИСТЕМА ДЛЯ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И СОСТАВНОГО УПЛОТНЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
SYSTEM FOR LINEAR DISPLACEMENT AND COMPOSITE SEALING (VERSIONS)

Область техники
Настоящее изобретение относится, в общем, к уплотнениям и, в частности, к улучшенной системе, способу и приспособлению для эластомерного и полимерного динамического составного уплотнения с поджатой пружиной.
Уровень техники
Динамические уплотнения для применяемых в гидравлике штоков или цилиндров с линейным перемещением предотвращают утечку рабочей жидкости из системы, а также предотвращают попадание инородных частиц между движущимися частями. Взаимно перемещающиеся или динамические поверхности могут быть расположены во внутреннем либо во внешнем диаметре зацепления. Обычные уплотнения как правило содержат эластомеры, которые быстро изнашиваются или склонны к разрывам, или полимеры, которые прочнее эластомеров, но обладают худшей уплотнительной способностью.
Обычные уплотнения как правило также содержат прямые конические контактные поверхности, ограничивающие нагрузку на передний край уплотнения и удаление масла с динамической поверхности. Более того, характеристики обратного движения вала в подобных уплотнениях снижены в отношении сдвиговых напряжений и адгезии прокачиваемого масла. Эти ограничения могут привести к появлению в уплотнениях излишней влаги, которая приведет к увеличению протечек или просачиваний. Кроме этого, обычные уплотнения обладают ограниченным диапазоном эксплуатационных температур, обычно превышающим -40°С. Эти конструкционные ограничения еще больше усиливают физические ограничения уплотнений, связанные с применением, скоростью, давлением, химическим составом и влияющие на практичность уплотнений. Хотя известные решения являются пригодными для некоторых применений, существует потребность в улучшенном линейном динамическом уплотнении.
Раскрытие изобретения
В изобретении раскрыты варианты осуществления динамического составного уплотнения. При использовании в гидравлике, уплотнение предотвращает утечку рабочей жидкости и попадание инородных частиц. В некоторых вариантах осуществления, уплотнительное устройство является узлом из трех кольцевых компонентов. Металлическая пружина соединена с эластомерным телом или крышкой, соединенной с полимерным кольцом. Пружина может быть изготовлена методом штамповки из перекрывающейся металлической полосы и может иметь П-образную консольную конструкцию. Эластомерное тело и полимерное кольцо механически сцеплены друг с другом, так что радиальный элемент расположен в радиальном пазе.
Варианты осуществления эластомерного тела содержат проходящие наружу в радиальном направлении поверхности с большими радиусами контактных и уплотнительных частей по сравнению с обычными прямыми конических поверхностей. Эта конструкция улучшает нагрузку на передний край уплотнения и удаление масла с динамической поверхности. В некоторых вариантах осуществления, обратное движение вала в уплотнении конструктивно улучшено в отношении сдвиговых напряжений и адгезии прокачиваемого масла.
Вышеуказанные и другие цели и преимущества вариантов осуществления изобретения станут очевидны специалистам в настоящей области техники из нижеприведенного подробного описания настоящего изобретения, в сочетании с прилагаемой формулой изобретения и сопроводительными графическими материалами.
Краткое описание графических материалов
Настоящее раскрытие станет более понятным и его многочисленные признаки и преимущества станут очевидны специалистам в настоящей области техники благодаря ссылке на сопроводительные графические материалы.
На фиг.1 представлен вид сбоку в разрезе одного варианта осуществления применения линейного динамического уплотнения, изображенного с составным уплотнением в состоянии покоя и выполненного согласно настоящему изобретению;
на фиг.2 представлен увеличенный вид сбоку одного варианта осуществления составного уплотнения в применении линейного динамического уплотнения, представленного на фиг.1 и выполненного согласно изобретению;
на фиг.3 представлен увеличенный вид сбоку другого варианта осуществления составного уплотнения для применения линейного динамического уплотнения, изображенного с составным уплотнением в состоянии покоя и выполненного согласно настоящему изобретению;
на фиг.4 и 5 представлены изометрические изображения в частичном разрезе составных уплотнений, содержащих альтернативные варианты осуществления пружин и выполненных согласно настоящему изобретению;
на фиг.6 представлен вид сбоку в разрезе варианта осуществления применения линейного динамического уплотнения согласно фиг.3, изображенного в сжатом состоянии и выполненного согласно настоящему изобретению; и
на фиг.7 представлен вид сбоку в разрезе другого варианта осуществления, содержащего торцевое составное уплотнение и выполненного согласно настоящему изобретению.
Использование одинаковых ссылочных обозначений на различных графических материалах обозначает одинаковые или подобные объекты.
Подробное описание изобретения
Рассмотрим фиг.1-7, на которых раскрыты различные варианты осуществления улучшенной системы, способа и устройства для динамического составного уплотнения, например, для практический применений с линейным перемещением. Например, на фиг.1 и 2 представлен один вариант осуществления системы, содержащей корпус 11, содержащий канал 13 с осью 15 и сальник или углубление 17, расположенные в канале 13. Шток 21 расположен в канале 13 на одной оси с ним для аксиального перемещения относительно корпуса 11. Шток 21 содержит внешнюю поверхность 23, содержащую динамическую поверхность относительно канала 13, который содержит статичную поверхность 63 (фиг.2) в представленном варианте осуществления.
Согласно некоторым вариантам осуществления составное уплотнение 31, содержащее радиальное уплотнение (например, на фиг.1-3 и 6), расположено в углублении 17 канала 13. Составное уплотнение 31 образует уплотнение между корпусом 11 и штоком 21. Согласно некоторым вариантам составное уплотнение 31 содержит три кольцевых компонента: полимерное кольцо 33, эластомерное тело 35, присоединенное к полимерному кольцу 33, и пружину 37 установленную в эластомерном теле 35. Как лучше всего видно на фиг.2, пружина 37 смещает определенные радиальные части 39, 41 эластомерного тела 35 для радиального контакта с корпусом 11 и штоком 21 с тем, чтобы создать между ними динамическое уплотнение. Согласно другим вариантам осуществления (например, фиг.4, 5 и 7), составное уплотнение 31 может быть сконфигурировано в виде торцевого уплотнения, обычно применяемого, например, для создания уплотнения между параллельными плоскими поверхностями, вертлюжными соединениями и фланцевыми соединениями.
Эластомерное тело 35 может быть выполнено из упругого материала и плотно прилегает по окружности к полимерному кольцу 33. Согласно некоторым вариантам осуществления, эластомер содержит полимерную смесь (например, заполнен ею), обладающую значительно меньшей твердостью или модулем, чем полимерное кольцо 33. Также могут быть применены другие типы эластомерных соединений, например, такие как частично фторированные эластомеры (FKM) и полностью фторированные перфторэластомеры (FFKM).
Кроме того, полимерное кольцо 33 и эластомерное тело 35 механически сцеплены с помощью радиального элемента в радиальном пазе для дополнительной фиксации их соединения. Например, согласно изображенному варианту осуществления, внешнее квадратное ребро 49 ограничивает полимерное кольцо 33 и находится в зацеплении с внутренним квадратным пазом 57, ограничивающим эластомерное тело 35.
Согласно некоторым вариантам осуществления, полимерное кольцо 33 жестко скреплено в виде блока к эластомерному телу 35, например, посредством изображенного радиального пазового крепления. Данная конструкция позволяет располагать кольцо и эластомер в непосредственном контакте. Фиксирующие элементы позволяют соединять несовместимые материалы, которые не могут быть соединены склеены, такие как фторосиликоновый эластомер и кольцо из фторполимера или фторполимерной смеси.
Согласно представленному варианту осуществления, полимерное кольцо 33 содержит в целом цилиндрическую или трубчатую часть 43 и более крупный борт 45 на одном аксиальном конце части 43. Радиальная внешняя поверхность 47 трубчатой части 43 содержит ребро 49, выступающее из нее в радиальном направлении. Радиальное сужение 51 проходит из трубчатой части 43 и расположено напротив борта 45. Радиальное сужение 51 уменьшает как внутренний, так и внешний диаметр полимерного кольца 33 на аксиальном конце, противоположном борту 45. В целом, полимерное кольцо 33 имеет по существу Г-образный профиль сечения, как показано в изображенном варианте осуществления.
Полимерное кольцо 33 может дополнительно содержать одну или несколько наборов функциональных вогнутых пазов, расположенных на динамической поверхности или рядом с ней. Например, полимерное кольцо 33 может содержать первый набор пазов 53 для отведения частиц, и второй набор пазов 55 для удержания текучей среды и частиц, которые аксиально удалены от первого набора пазов 53. Размеры пазов 55 меньше, а их количество больше, чем размеры и количество пазов 53. Пазы 53 расположены аксиально напротив борта 45 и эластомерного тела 35. Пазы 55 расположены аксиально между пазами 53 и эластомерным телом 35 и напротив ребра 49. Оба набора пазов 53, 55 расположены на внутренней радиальной поверхности полимерного кольца 33, которая, в этом случае, является динамической поверхностью. Пазы 53, 55 на динамической стороне полимера выгодно улавливают инородные частицы и некоторое количество смазочного материала для содействия снижению трения и снижению износа. Пазы также выполняют функцию грязесъемника.
Как лучше всего видно на фиг.2, части 39, 41 на эластомерном теле 35, могут содержать радиально проходящие поверхности, выполненные с вогнутыми радиусами. Вогнутые радиусы расположены в частях, контактирующих с корпусом 11 и штоком 21. Эти части 39, 41 проходят в противоположных направлениях и образуют дугу, смещающую сжимающую нагрузку по отношению к внутренним и внешним элементам конструкции, которые они уплотняют. На фиг 1-3, части 39, 41 представлены проходящими в конструкцию и в недеформированном состоянии, так, как они выглядят перед установкой между корпусом 11 и штоком 21.
Радиальное расстояние 61 между штоком 21 и поверхностью 63 корпуса 11 в углублении 17 меньше значений радиальной толщины 65, 67 наиболее толстых частей в радиальном направлении эластомерного тела 35 и полимерного кольца 33, соответственно. Таким образом, эластомерное тело 35 и полимерное кольцо 33 упруго деформируются и их радиальная толщина сжимается при установке между корпусом 11 и штоком 21. Наиболее толстые радиальные части полимерного кольца 33 и эластомерного тела 35 находятся на их аксиальных торцах или концах и прилегают к поверхностям 39, 41 вогнутых радиусов. Кроме этого, наиболее толстая часть 65 эластомерного тела 35 больше наиболее толстой части 67 полимерного кольца.
Согласно некоторым вариантам осуществления, полимерное кольцо 33 содержит всего приблизительно от 50% до 90% площади 68 поверхности динамического контакта (фиг.2) со штоком 21, как представлено. Эластомерное тело содержит всего приблизительно от 10% до 50% площади 69 поверхности динамического контакта со штоком 21. Согласно другим вариантам осуществления, полимерное кольцо содержит приблизительно от 70% до 80% площади поверхности динамического контакта, и эластомер содержит приблизительно от 20% до 30% площади поверхности динамического контакта.
Согласно некоторым вариантам осуществления, внутренняя радиальная поверхность 41 из двух радиально проходящих поверхностей 39, 41 проходит из обода 71, выступающего радиально вовнутрь из эластомерного тела 35. Обод 71 эластомерного тела 35 проходит над или перекрывает аксиальный конец внутренней радиальной части 73 полимерного кольца 33. Внешняя радиальная поверхность 39 из двух радиально проходящих поверхностей 39, 41 плавно переходит от плоской внешней радиальной поверхности 75 эластомерного тела 35, посредством дугообразной формы, и проходит радиально наружу к аксиальному концу.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, металлическая пружина 37 впрессована и прикреплена (например посредством вулканизации) к эластомерному телу 35. Эта конструкция обеспечивает более жесткий узел и не позволяет пружине прорезать материал. Пружина также стабилизирует эластомер на динамической стороне (например, стороне прилегающего штока 21), тем самым, снижая риск разрыва кромки на границе между полимерами 71, 73.
Эластомерное тело 35 может дополнительно содержать кольцевое отверстие 81 в аксиальном направлении, расположенное напротив борта 45. Пружина 37 установлена и зафиксирована в отверстии 81. Согласно некоторым вариантам осуществления, пружина 37 изготовлена из металла и прикреплена к эластомерному телу 35, а также не контактирует с полимерным кольцом 33. Как представлено на фиг.5, пружина 37 может быть изготовлена методом штамповки из перекрывающейся металлической полосы, и сконфигурирована с П-образными консолями. Далее в настоящем документе приведены описания других вариантов осуществления пружины.
Согласно варианту осуществления, представленному на фиг.2, пружина 37 содержит вершину 83, прилегающую к внутренней вогнутой поверхности 85 кольцевого отверстия 81. Пружина 37 ограничена концами 87, проходящими в пространство радиальной толщины частей 39, 41 эластомерного тела 35 и заключенными в нем. Согласно вариантам осуществления, представленным на фиг.1 и 2, пружина 37 содержит профиль сечения, характеризующийся неоднородной толщиной, который является наиболее толстым в ее вершине 83 и сужается по толщине в направлении к закругленным концам 87. Однако, согласно варианту осуществления, представленному на фиг.3, пружина 37 содержит профиль сечения, характеризующийся однородной толщиной и квадратными концами 89.
Эти варианты осуществления предоставляют много преимуществ по сравнению с обычными конструкциями уплотнений. Поверхности с большими радиусами в частях 39, 41 на внутренней и внешней площадях уплотнительного контакта эластомера 35 улучшают удаление текучей среды с динамической и статической поверхностей. При эксплуатации, эти дугообразные поверхности плотно прижимаются к поверхностям контакта корпуса и штока. Когда эластомер сжимается подобным образом, эластомер прикладывает дополнительную нагрузку на передний край составного уплотнения и на динамическую поверхность. Однако, в несжатом состоянии данная конструкция образует небольшой угол падения 91 (фиг.3) поверхности грязесъемника к конструкции, не превышающий 90°. Задний угол 93 точки контакта, номинальный диапазон которого составляет приблизительно от 93° до 95°, образован частями 39, 41 в несжатом состоянии.
После установки и сжатия (см., например, фиг.6), угол 91 и часть 73 полимерного кольца, становятся плоскими, равными по существу 0° и параллельными оси 15. После установки, поверхности 40, 42 могут деформироваться из плоских поверхностей (см., например, фиг.3) в вогнутые или дугообразные поверхности (например, параболические кривые), представленные на фиг.6. Кроме этого, угол 93 увеличивается примерно до 100° у штока 21. Дополнительная нагрузка, обеспеченная геометрией составного уплотнения 31 (например, углами 91 и 93), обеспечивает превосходную динамику текучих сред и удаление частиц с поверхности. В результате, уплотнение содержит более тонкую масляную пленку и, таким образом, является более сухим по сравнению с обычными уплотнениями, а также снижает риск протечек или просачиваний.
Согласно некоторым вариантам осуществления, применение полимерного кольца 33 с Г-образным профилем сечения также предоставляет несколько преимуществ. Полимер выполняет функцию антиэкструзионного кольца, закрывающего зазор конструкции со стороны низкого давления (например, зазор рядом с корпусом 11). Форма полимера снижает напряжение динамического трения и сдвига эластомера путем замены значительной площади поверхности динамического контакта полимером с низким коэффициентом трения. Чем больше полимера на поверхности контакта или динамической поверхности, тем ниже динамическое трение. Однако, чем меньше эластомера, тем выше удельная нагрузка. Таким образом, эластомер изнашивается быстрее полимера. Согласно некоторым вариантам осуществления, полимер содержит приблизительно от 70% до 80% площади поверхности динамического контакта, а оставшуюся часть содержит эластомер.
Наличие пружины 37 в этих уплотнительных системах позволяет использовать их при температурах ниже обычных -40°С, а при надлежащем выборе пружины и эластомера диапазон применения возрастает до -100°С. Пружина 37 и большие радиусы 39, 41 эластомера 35 помогают справляться с большими значениями вязкости текучих сред в данных температурных диапазонах. Коме этого, при низких температурах полимерное кольцо 33 плотнее обхватывает шток 21, что помогает удалить намерзающий на штоке лед.
Раскрытое в настоящем документе уплотнение 11, содержащее винтовую, обернутую пружину, изготовленную методом штамповки, содержит радиусы на своих ведущих кромках, и намного реже прорезает эластомерную оболочку. Согласно представленному на фиг.4, пружина 37 может содержать полувинтообразную завитую ленту с перекрытием приблизительно 30% на каждом витке. Обычно пружина не содержит зазоров между витками. Тор заготовки пружины помещают в круглый (формообразующий/формующий) штамп с V-образной канавкой, который образует окончательную форму. Пружина может быть изготовлена из материала с высокой эластичностью, который может быть раскатан в лист и перфорирован или профилирован, такого как пружинные металлы, сплавы на основе никеля, железа или меди. Эластомер может быть отлит из материалов, которые пригодны с коммерческой точки зрения для применения в качестве уплотнительных колец, таких как изобутилизопрен.
Согласно некоторым вариантам осуществления, полимерный компонент может содержать изнашиваемый материал с низким коэффициентом трения, такой как твердый нейлон, фторопласты, PBI, PEEK, РАЕК, PFA, FEP, TFM, PI, PAI или любой пластик с модулем от среднего до высокого, совместимый с температурными и химическими условиями, а также давлением и скоростью установки. Согласно некоторым вариантам осуществления, может использоваться металл, дополняющий вал, например, латунь на стальном валу. Однако, из-за применения металла кольцо может утратить некоторые из своих преимуществ. Так как данный компонент не подвергается воздействию растягивающих усилий, его материал выбирается с учетом его применения, температурного диапазона, скорости, давления, химических свойств, обрабатываемости, стоимости или других физических ограничений.
Применения для таких вариантов осуществления включают, например, гидравлические системы и подвески воздушных судов. Уплотнение, изготовленное согласно настоящему изобретению, снижает трение в линейных динамических составных уплотнениях и устраняет недостатки, присущие существующими конструкциями уплотнений.
Это описание использует примеры, включая наилучший вариант осуществления, а также объясняет специалистам в настоящей области техники осуществление и применение настоящего изобретения. Патентоспособный объем определен формулой изобретения и может содержать другие примеры, которые очевидны специалистам в данной области. Предполагается, что такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если они содержат структурные элементы, которые не отличаются от тех элементов, которые буквально указаны в формуле изобретения, или если они содержат эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от тех элементов, которые буквально указаны в формуле изобретения.