КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ДВУХ СРЕД КАШИГИНА (ВАРИАНТЫ)
KASHIGIN'S SEPARATOR OF TWO MEDIA (VERSIONS)

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в широком классе оборудования: аппаратах, насосах, гидроагрегатах, арматуре, уплотнениях, приборах, шлангах, трубопроводах и многих других изделиях, где в конструкции для разделения двух сред используется сильфон.
Известна конструкция для разделения двух сред, в которой сильфон с различной формой гофр не армирован и используется для разделения полостей, заполненных рабочими средами с различными свойствами, смешение которых недопустимо (см. «Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник», Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, Б.В. Овандер и др.: Под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986. - 464 с., ил., с.304, рис.9.15 в; г; д и е; и стр.326, рис.9.31 и 9.32). Недостатками этих конструкций являются невозможность их использования при высоких давлениях и температурах и их низкая надежность.
В каталоге фирмы «John Crane», B2.703A, TYPE 10Т and 10R, PTFE Bellows Seal.  приведены данные по рабочему давлению и температуре для торцовых уплотнений различных фирм с сильфоном из фторопласта. По данным фирмы John Crane торцовое уплотнение с сильфоном из фторопласта типа 10T на вал диаметром 20 мм при +20°C допускает рабочее давление - 1,2 МПа, а при температуре +125°C - всего 0,27 МПа. Торцовое уплотнение типа ЮТ на вал диаметром 80 мм при температуре +20°C допускает давление 0,57 МПа, а при температуре +125°C - всего 0,15 МПа. По данным ГОСТ 21744-83 для многослойных сильфонов с радиусной формой гофр из стали 12X18H10T для сильфона с наружным диаметром 75 мм, числом слоев - 2, толщиной слоя - 0,2 мм, числом гофр - 6, рабочее наружное давление составит 1,0 МПа, при шести слоях - 4,0 МПа при температуре +350°C.
Известна конструкция для разделения двух сред с сильфоном, в которой, для увеличения рабочего внутреннего давления, сильфон армирован по наружному диаметру тонкостенными втулками из металла или полимера, как, например, в уплотнениях 10T или 10R фирмы «John Crane». Недостатками этой конструкции являются значительное ограничение радиальных и угловых отклонений сильфона, что снижает диапазон его использования, надежность и долговечность. При этом не исключается деформация впадин гофра и примыкающих к ним стенок к его наружному диаметру даже при среднем давлении, за счет большой осевой длины впадин гофра и большого шага гофр, что часто наблюдается в практике. При этом сильфон необратимо деформируется и изделие с ним не может быть использовано далее. Кроме того, тонкостенная втулка не защищает сильфон от действия внешнего давления.
Другая конструкция /Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник /Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, Б.В. Овандер и др.: Под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986. - 464 с., ил., с.327, рис.9.33/ торцового уплотнения предусматривает размещение в наружных пазах сильфона армирующих колец из упругого материала, например резины, а наружные полки гофр защищены кольцами из более прочного материала, например металла. Преимуществом этой конструкции является частичная защита внутренней полки и стенок гофра от действия внутреннего давления, которое в этом случае возрастает не более чем на 10-15% из-за низкой прочности резины; а недостатками: значительным сокращением осевого перемещения (более чем на 50%) за счет заполнения наружных пазов сильфона армирующими резиновыми кольцами; резким увеличением осевого усилия, необходимого для сжатия резиновых армирующих колец в пазах сильфона более чем на 50% и не защищает сильфон от внешнего давления, что снижает диапазон его использования по давлению и температуре.
Наиболее близким техническим решением по первому варианту конструкции для разделения двух сред является конструкция торцового уплотнения с армированным сильфоном по патенту РФ №2318151 (опубл. 27.02.2008 г., МПК F16J 15/34). Данная конструкция содержит сильфон, имеющий гофры, выполненные с участками на вершине и впадине, а между ними имеются наружные и внутренние пазы, один конец сильфона подвижен в осевом направлении и закреплен в корпусе оборудования или на валу, а второй конец сильфона неподвижен и закреплен на валу или в корпусе оборудования, над сильфоном или внутри него установлена прорезная пружина, что позволяет сильфону совершать осевые, угловые и радиальные перемещения.
Недостатком этой конструкции с сильфоном является его недостаточная прочность по давлению по внутренней полке гофра при действии высокого внешнего давления из-за малых радиальных размеров толщин полок и стенок гофра и низкой прочности полимера и вследствие недостаточного армирования сильфона по внутреннему диаметру.
Наиболее близким техническим решением по второму варианту принята конструкция торцового уплотнения с армированным сильфоном по патенту РФ №2318151 (опубл. 27.02.2008 г., МПК F16J 15/34). Конструкция, являющаяся частью оборудования, имеющего рабочую полость, и содержащая сильфон, имеющий гофры, выполненные с участками на вершине и впадине, а между ними имеются наружные и внутренние пазы, с образованной внутри или снаружи герметичной полостью.
Недостатком этой конструкции является его недостаточная прочность по давлению по внутренней полке гофра сильфона, при действии высокого внешнего давления, из-за малых радиальных размеров толщин полок и стенок гофра и низкой прочности полимера.
Наиболее близким техническим решением по третьему варианту, принята конструкция торцового уплотнения с армированным сильфоном по патенту РФ №2318151 (опубл. 27.02.2008 г., МПК F16J 15/34). Конструкция, являющаяся частью оборудования, имеющего рабочую полость, и содержащая сильфон имеющий гофры, выполненные с участками на вершине и впадине, а между ними имеются наружные и внутренние пазы, с образованной внутри или снаружи герметичной полостью, заполненной жидкой средой.
Недостатками этой конструкции являются невозможность совершения сильфоном осевых ходов из-за практической несжимаемости заполняющей изолированную полость сильфона жидкости и его недостаточная прочность по давлению по внутренней полке гофра сильфона, при действии высокого внешнего давления, из-за малых радиальных размеров толщин полок и стенок гофра и низкой прочности полимера.
Задачей изобретения по первому, второму и третьему вариантам является значительное повышение диапазона использования конструкции с сильфоном при действии внутреннего и наружного давлений, расширения диапазона рабочих температур, при сохранении его осевого, углового и радиального перемещений, осевой жесткости, повышение ремонтопригодности, работоспособности и надежности.
Технический результат от использования изобретения по первому, второму и третьему вариантам заключается в значительном расширении диапазона использования конструкции с сильфоном при действии внутреннего и наружного давлений, расширения диапазона рабочих температур, сохранении его осевого, углового и радиального перемещений, осевой жесткости, повышение ремонтопригодности, работоспособности и надежности конструкций для разделения двух сред с сильфоном.
Указанный технический результат по первому варианту, пунктам 1-4 формулы изобретения, достигается за счет того, что в конструкции для разделения двух сред, содержащей сильфон, имеющий гофры, выполненные с участками на вершине и впадине, а между ними имеются пазы, один конец сильфона подвижен в осевом направлении и закреплен в корпусе или на валу, а второй конец сильфона неподвижен и закреплен на валу или в корпусе оборудования, над сильфоном или внутри него установлена прорезная пружина, согласно изобретению в наружные или внутренние пазы гофр сильфона установлены армирующие малогабаритные разрезные пружинные с замковым фиксированным запиранием кольца, с формой поперечного сечения, определяемой профилем гофра сильфона, выполненные из более прочного материала, чем материал сильфона.
В конструкции для разделения двух сред армирующие малогабаритные разрезные пружинные с замковым фиксированным запиранием кольца могут быть выполнены призматической или каплевидной в поперечном сечении формы, не препятствующей осевым, угловым и радиальным перемещениям сильфона и не изменяющие его осевую жесткость.
В конструкции для разделения двух сред в армирующих малогабаритных разрезных пружинных с замковым фиксированным запиранием кольцах могут быть выполнены наклонные параллельные площадки под углом 45-70° к плоскости их разреза.
В конструкции для разделения двух сред, армирующие малогабаритные разрезные пружинные с замковым фиксированным запиранием кольца могут быть выполнены из двух частей, соединенных осью и поворачивающихся относительно друг друга.
Технический результат по второму варианту, пятому и шестому пунктам формулы достигается за счет того, что в конструкции для разделения двух сред, являющейся частью оборудования, состоящей из сильфона, имеющего гофры, выполненные с участками на вершине и впадине, а между ними имеются наружные и внутренние пазы, с образованной внутри или снаружи герметичной полостью, согласно изобретению герметичная полость частично заполнена жидкой средой, в соотношении, определяемом осевым ходом сильфона, а оставшаяся часть заполнена газом с давлением на 0,1-1,5 МПа выше атмосферного.
В конструкции для разделения двух сред, в наружные и внутренние пазы гофров сильфона могут быть установлены армирующие малогабаритные разрезные пружинные с замковым фиксированным запиранием кольца с формой поперечного сечения, определяемой профилем гофра сильфона, выполненные из более прочного материала, чем материал сильфона.
Технический результат по третьему варианту седьмому пункту формулы достигается за счет того, что в конструкции для разделения двух сред, являющейся частью оборудования, содержащей сильфон, имеющий гофры, выполненные с участками на вершине и впадине, а между ними имеются пазы, с образованной внутри или снаружи герметичной полостью, согласно изобретению герметичная полость частично заполнена жидкой средой, в соотношении, определяемом осевым ходом сильфона, а оставшаяся часть заполнена газом с давлением на 0,1-1,5 МПа выше атмосферного, и она снабжена герметичным сосудом, имеющим разделительную мембрану или поршень, делящим его на две полости, одна из которых соединена каналом с герметичной полостью сильфона, а другая полость соединена каналом с рабочей полостью оборудования
На фиг.1 изображено продольное сечение конструкции для разделения двух сред по первому варианту по первому пункту формулы.
На фиг.2 изображено поперечное сечение конструкции армирующего малогабаритного разрезного пружинного с замковым фиксированным запиранием кольца с призматической формой сечения для установки во внутренние пазы гофров сильфона по первому варианту по второму пункту формулы.
На фиг.3 изображено поперечное сечение конструкции армирующего малогабаритного разрезного пружинного с замковым фиксированным запиранием кольца с призматической формой сечения, предназначенного для установки в наружные пазы гофр по первому варианту по второму пункту формулы.
На фиг.4 изображено поперечное сечение конструкции армирующего малогабаритного разрезного пружинного с замковым фиксированным запиранием кольца с каплевидной формой поперечного сечения, предназначенного для установки во внутренние пазы гофр с радиусными вершиной и впадиной по первому варианту по второму пункту формулы.
На фиг.5 изображена конструкция замка армирующих малогабаритных разрезных пружинных с замковым фиксирующим запиранием колец с формой поперечного сечения, определяемой профилем гофра сильфона, предназначенная для установки в пазы гофр по первому варианту по третьему пункту формулы.
На фиг.6 изображена конструкция общего вида армирующего малогабаритного разрезного пружинного с замковым фиксированным запиранием кольца, выполненного из двух частей, соединенных осью, и поворачивающихся относительно друг друга, по первому варианту по четвертому пункту формулы.
На фиг.7 изображено продольное сечение конструкции для разделения двух сред, по второму варианту по пятому пункту формулы.
На фиг.8 изображено продольное сечение конструкции для разделения двух сред, по второму варианту по шестому пункту формулы.
На фиг.9 изображено продольное сечение конструкции для разделения двух сред, по второму варианту пятому пункту формулы.
На фиг.10 изображено продольное сечение конструкции для разделения двух сред, по третьему варианту по седьмому пункту формулы
Конструкция для разделения двух сред по первому варианту, первому-четвертому пунктам формулы, являющаяся, например, частью клапана для агрессивных сред, представленная на фиг.1, содержит сильфон 1, имеющий гофры 2, выполненные с участками на вершине 3 и впадине 4, а между ними имеются наружные 5 и внутренние 6 пазы, установленный одним концом на вал 7 и закрепленный на нем втулкой 8, а другим концом - в корпус оборудования 9 клапана и герметизированный относительно вала 7 и корпуса оборудования 9 кольцами и прокладками 10. Сильфон крепится к корпусу оборудования 9 крышкой 11. Сильфон 1 армирован по наружному диаметру гофров прорезной пружиной 12, а по наружным пазам гофр малогабаритными разрезными пружинными с замковым фиксированным запиранием кольцами 13, защищающими сильфон от действия внутреннего давления. Сильфон 1 армирован по внутренним пазам малогабаритными разрезными пружинными с замковым фиксированным запиранием кольцами 14 и втулкой 8 для защиты от действия внешнего давления 15 в оборудовании. Армирующие малогабаритные разрезными пружинными с замковым фиксированным запиранием кольца могут быть выполнены призматической или каплевидной в поперечном сечении формы (см. фиг.2-4), не препятствующей осевым, угловым и радиальным перемещениям сильфона и не меняющих его осевую жесткость, а форма замка представлена на фиг.5. Формы армирующих колец, представленные на фиг.2 и 3, предназначены для сильфонов с прямоугольной формой гофр, а представленные на фиг.4 - для сильфонов с радиусной формой гофр. Общий вид армирующего малогабаритного разрезными пружинными с замковым фиксированным запиранием кольца представлен на фиг.6. Сильфон в этой конструкции не имеет изолированной полости ни внутри, ни снаружи. Кроме того, на армирующих малогабаритных разрезных пружинных с замковым фиксированным запиранием кольцах выполнены наклонные параллельные площадки 16 под углом 45-70° к плоскости разреза, образующие полости 17, служащие для их демонтажа инструментом 18 (см. фиг.6), а сами кольца выполнены из двух или более частей 19 и 20, соединенных осью 21 и поворачивающихся относительно друг друга.
Конструкция для разделения двух сред, являющаяся частью оборудования 10, по второму варианту пятому и шестому пунктам формулы, представленные на фиг.7-9, содержит сильфон 1, имеющий гофры 2, выполненные с участками на вершине 3 и впадине 4, а между ними имеются наружные 5 и внутренние 6 пазы, с образованной внутри или снаружи герметичной полостью 7. Герметичная полость 7 частично заполнена жидкой средой, в соотношении, определяемом осевым ходом L сильфона 1, а оставшаяся часть полости заполнена газом с давлением на 0,1-1,5 МПа выше атмосферного. Сильфон установлен одним концом на вал 8 и закрепленный на нем втулкой 9, а другим концом - в корпус оборудования 10 и герметизированный относительно вала 8, втулки 9 и корпуса оборудования 10 кольцами и прокладками 11. Сильфон 1 крепится к корпусу оборудования 10 крышкой 12. Таким образом, внутри сильфона создана изолированная герметичная полость 7 (см. фиг.7 и 8), а пример конструкции с изолированной герметичной полостью 7 снаружи изображен на фиг.9. Для противодействия давлению в оборудовании полость 7 заполнена жидкостью через канал 13. Это позволяет снизить напряжения в материале гофров сильфона 1 и повысить выдерживаемое им давление. Одновременно сильфон 1 сохраняет возможность осевых, угловых и радиальных перемещений и первоначальную осевую жесткость, что является серьезным преимуществом перед другими конструкциями с сильфоном. Для значительного увеличения выдерживаемого давления в оборудовании 14, в наружные и внутренние пазы гофров сильфона 1 (см. фиг.8), соответственно, установлены армирующие малогабаритные разрезные пружинные с замковым фиксированным запиранием кольца 15 и 16 с формой поперечного сечения, определяемой профилем гофра сильфона.
Конструкция для разделения двух сред, являющаяся частью оборудования 10, по третьему варианту седьмому пункту формулы, представленная на фиг.10, содержит сильфон 1, имеющий гофры 2, выполненные с участками на вершине 3 и впадине 4, а между ними имеются наружные 5 и внутренние 6 пазы, с образованной внутри или снаружи герметичной полостью 7.
Герметичная полость 7 частично заполнена жидкой средой, в соотношении, определяемом осевым ходом сильфона, а оставшаяся часть заполнена газом с давлением на 0,1-1,5 МПа выше атмосферного в зависимости от материала сильфона, и конструкция снабжена герметичным сосудом 15, имеющим разделительную мембрану или поршень 16, делящих его на две полости 17, 18, одна из которых 17 соединена каналом 13 с герметичной полостью 7 сильфона 1, а другая полость 18 соединена каналом 19 с рабочей полостью оборудования 10, что позволяет снизить напряжения в материале гофров сильфона и повысить выдерживаемое им давление.
Конструкция для разделения двух сред, содержащая сильфон по первому варианту (см. фиг.1), не имеющий внутренней или внешней изолированной полости, например, в составе клапана, работает следующим образом: давление в оборудовании 15 действует с внешней стороны сильфона 1 и стремится деформировать наружные 3 и внутренние 4 полки гофров, уменьшая их диаметр, но этому препятствуют армирующая втулка 8, надетая на вал 7, и армирующие малогабаритные разрезные пружинные с замковым фиксированным запиранием кольца 14 с формой поперечного сечения, определяемой профилем гофра сильфона, выполненные из более прочного материала, чем материал сильфона (см. фиг.2 и 4) и установленные во внутренние пазы гофров. Боковые стенки гофров при действии как внешнего, так и внутреннего давлений смыкаясь опираются друг на друга и армирующие кольца 13 и 14 (см. фиг.2-4), уравновешивая сжимающие их усилия и повышая выдерживаемое давление. Армирующие малогабаритные разрезные пружинные с замковым фиксированным запиранием кольца выполнены призматической (см. фиг.2 и 3) или каплевидной (см. фиг.4) формы, не препятствующей осевым, угловым и радиальным перемещениям сильфона и не изменяющих его осевую жесткость, что повышает его циклическую долговечность и надежность. Для упрощения демонтажа армирующих малогабаритных разрезных пружинных с замковым фиксированным запиранием колец в них выполнены наклонные параллельные площадки 16 (см. фиг.5) под углом 45-70° к плоскости их разреза. В образованные в углах полости 17 заводятся штифты 18 (см. фиг.6), при встречном движении которых происходит раскрытие замка и демонтаж колец. Эти же наклонные плоскости при сжатии колец, скользя друг по другу, сначала разжимают, а затем запирают их за счет упругих свойств материала. Поперечное сечение этих колец не более 2-3 мм, что обеспечивает: во первых - компактность конструкции и низкую стоимость и ,во вторых - не препятствует осевым, угловым и радиальным перемещениям сильфона, не изменяют его осевую жесткость, т.е. полностью сохраняет технические характеристики сильфона. Кроме того, армирующие малогабаритные разрезные пружинные с замковым фиксированным запиранием кольца выполнены из двух или более частей 19 и 20, соединенных осью 21 (см. фиг.6) и поворачивающихся относительно друг дуга. Эта конструкция предназначена для сильфонов с большой глубиной гофра, когда обычные малогабаритные разрезные пружинные с замковым фиксированным запиранием кольца невозможно вставить в пазы гофров.
Конструкция для разделения двух сред с сильфоном по второму варианту (см. фиг.7) пятому пункту формулы в составе клапана работает следующим образом: давление из оборудования 14 действует с внешней стороны сильфона 1 и стремится деформировать наружные 3 и внутренние 4 полки гофры 2, уменьшая их диаметр, но этому препятствует армирующая втулка 9, надетая на вал 8, и частичное заполнение изолированной полости 7 жидкостью в соотношении, определяемом осевым ходом сильфона и заполнением оставшейся части полости 7 газом с давлением на 0,1-1,5 МПа выше атмосферного. Это обеспечивает повышение выдерживаемого сильфоном 1 давления на 0,1-1,5 МПа и снижение деформации стенки гофров за счет увеличения доли заполнения изолированной полости сильфона жидкостью, так как несжимаемая жидкость в полости 7 препятствует этому. Для еще большего увеличения выдерживаемого давления в оборудовании 14, сильфон армирован малогабаритными разрезными пружинными с замковым фиксированным запиранием кольцами 15 и 16 (см. фиг.8), что в разы повышает выдерживаемое сильфоном давление и расширяет диапазон температур использования конструкций с сильфонами в различном оборудовании.
Конструкция для разделения двух сред на примере торцового уплотнения с сильфоном с внешней изолированной полостью, приведенной на фиг.9, работает следующим образом. Давление рабочей среды в оборудовании 14 действует на сильфон 1 изнутри. С наружной стороны сильфона образована изолированная полость 7, заполняемая смазочно-охлаждающей жидкостью с давлением, противодействующим давлению рабочей среды 14. В этой конструкции сильфон работает при перепаде давления между полостями 14 оборудования 10 и изолированной внешней полостью сильфона 7. Армирование малогабаритными разрезными пружинными с замковым фиксированным запиранием кольцами необходимо в случаях значительной величины перепада и в аварийных ситуациях, например при разгерметизации изолированной полости сильфона или аппарата или скачке давления в одной из указанных полостей.
Отличительной особенностью работы конструкции для разделения двух сред, по третьему варианту (см. фиг.10) седьмому пункту формулы, в составе клапана, является то, что конструкция снабжена герметичным сосудом 15, имеющим разделительную мембрану или поршень 16, делящим его на две полости 17 и 18, одна из которых 17 соединена каналом 13 с герметичной полостью сильфона 7, а другая 18 соединена каналом 19 с рабочей полостью оборудования 14. При поступлении давления из оборудования 14 в сосуд 15 происходит перемещение мембраны или поршня и уравновешивание давления в обеих полостях, что позволяет более чем в 10 раз повысить выдерживаемое сильфоном давление вплоть до половины предела прочности материала, из которого он изготовлен. Например, для фторопласта до 3,0 МПа при толщине стенки гофра сильфона 1,5 мм, а для стали 12X18H10T до 20 МПа при толщине стенки гофра сильфона 0,2 мм.
Промышленная применимость заявляемых технических решений очевидна и не представляет сложности как в уже эксплуатируемом, так и во вновь проектируемом оборудовании.
Введение в конструкцию отличительных признаков по трем вариантам конструкции не потребует специального оборудования и новых технологий для их реализации.