ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
SEAL

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнительной технике, и может быть использовано в герметизирующих устройствах гидравлической и газовой аппаратуры.
Известно уплотнение поршня [а.с. 1364808 СССР, кл. F16J 9/00. Уплотнение поршня / В.Н.Базлов, В.Н.Кулаковский], содержащее манжету Г-образного сечения, установленную в проточке на поршне, опирающуюся уплотнительным лепестком на распорное эластичное кольцо круглого сечения. Этому устройству присущи недостатки, ограничивающие область его применения, снижающие его надежность и ресурс работы. Эти недостатки заложены в конструкции уплотнения. Манжета выполнена из высокоэластичного материала, иначе ее невозможно было бы установить в проточке на поршне. Таким материалом является резина, а она, как известно, отличается плохими антифрикционными свойствами и низкой износостойкостью. Второй существенный недостаток состоит в том, что уплотнение не имеет устройства для компенсации износа уплотняющей части манжеты, что в сочетании с низкой износостойкостью материала манжеты резко снижает ресурс работы уплотнения. Главный недостаток этого устройства состоит в том, что канавка тороидальной формы под эластичное распорное кольцо, а следовательно, и само кольцо расположены со стороны, противоположной подводу рабочей жидкости под высоким давлением. При таком расположении распорного кольца относительно уплотнительного лепестка и расположении самого лепестка (со стороны, противоположной подводу высокого давления) увеличение прижатия лепестка манжеты и уплотняемой поверхности одновременно вызывает равномерное сжатие кольца в направлении центра окружности сечения кольца и уменьшение контактного давления (от начальной деформации кольца) между кольцом и уплотнительным лепестком. По достижении некоторой величины давления жидкости контакт между лепестками и распорным кольцом раскроется, и жидкость потечет между кольцом и лепестком в герметизируемую полость. По мере износа лепестка начальное контактное давление от кольца снижается, и раскрытие контакта произойдет при более низком давлении. Следовательно, уплотнение [а.с. 1364808 СССР, кл. F16J 9/00. Уплотнение поршня / В.Н.Базлов, В.Н.Кулаковский] не обладает достаточной надежностью, так как работоспособность уплотнения обеспечена только при определенном и очень строгом соотношении между степенью начальной деформации распорного кольца и уравнением давления рабочей жидкости и резко снижается при износе уплотняющего лепестка.
Известно герметизирующее устройство [пат. РФ 2047799, МПК F16J 15/32. Герметизирующее устройство / Ю.К.Машков], содержащее уплотнительное кольцо со стенкой и уплотняющей губкой и кольцо круглого сечения из эластичного материала, поджимающее губку уплотнительного кольца к герметизируемой поверхности. Этому устройству присущи недостатки, ограничивающие область его применения и срок службы.
7
Уплотнительное кольцо выполнено из антифрикционного полимерного композиционного материала с соотношением толщины уплотняющей губки и ее длины не более 1:2, что должно обеспечить снижение жесткости губок и усилия их прижатия к уплотняемой поверхности. Эксплуатация герметизирующих устройств [пат. РФ 2047799, МПК F16J 15/32. Герметизирующее устройство / Ю.К.Машков] показала, что устройство обеспечивает надежное уплотнение штоков и поршней гидроцилиндров, а также валов гидромоторов при частоте вращения не более 1000 об/мин при скорости скольжения 1,0-1,5 м/с. Однако при более высокой частоте вращения жесткость уплотняющих губок оказывается слишком высокой, что не позволяет компенсировать колебания контактного давления между уплотняющей губкой и валом или цилиндром вследствие неизбежного радиального биения и отклонения от соосности и правильной геометрии поверхностей вала и цилиндра. Следствием названных причин является ограничение применения устройства в области высокой частоты вращения вала, или возвратно-поступательного движения поршня, снижение степени герметичности и значительное увеличение перетечек рабочего тела в процессе эксплуатации. Вторым недостатком устройства является необходимость деформации резинового кольца не только в радиальном, но и в осевом направлении для надежной фиксации уплотнительного кольца. Это значительно ухудшает условия работы резинового кольца, поскольку вызывает значительное увеличение внутренних напряжений и старение резины с потерей эластичности и невозможность компенсации износа уплотняющих губок. Третьим недостатком устройства является его недостаточная технологичность - сложность сборки и контроля качества сборки устройства.
7
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является герметизирующее устройство [пат. РФ 2265767, МПК F16J 15/32. Герметизирующее устройство / Ю.К.Машков, О.А.Мамаев, В.Р.Эдгаров]. Оно содержит уплотнительное кольцо со стенкой и уплотняющей губкой, элемент, поджимающий уплотняющую губку к герметизируемой поверхности, снабжено опорным кольцом со стенкой, установленным неподвижно относительно уплотнительного кольца с образованием полости для элемента, поджимающего уплотнительную губку и установленного на ней с упором в стенку опорного кольца, причем уплотняющая губка имеет отношение толщины к длине не более 1:3; уплотняющая губка имеет конические поверхности, обращенные вершинами в сторону уплотняемой полости, и уплотняющую кромку, расположенную на расстоянии 0,8-1,2 толщины губки от стенки опорного кольца; поджимающий губку элемент может быть выполнен в виде браслетной пружины или кольца из эластичного материала с диаметром поперечного сечения пружины или кольца в пределах 0,8-1,2 длины уплотняющей губки; кроме того, устройство может быть снабжено вторым уплотнительным кольцом и вторым элементом, поджимающим уплотнительную губку к уплотняемой поверхности, установленными соосно с упором в первое уплотнительное кольцо. Это устройство наиболее близко по своей технической сущности к предлагаемому изобретению, однако ему также присущи недостатки, ограничивающие срок службы устройства.
Первый недостаток состоит в том, что выполнение уплотняющей губки с отношением толщины к длине 1:3 не обеспечивает достаточно малой жесткости губки, необходимой для полной компенсации радиальных колебаний уплотняемой поверхности и обеспечения контактного давления (вследствие радиального биения вала), что приводит к значительному снижению степени герметичности, особенно при высокой частоте вращения вала (более 1000 об/мин). Второй недостаток заключается в том, что уплотняющая кромка, образованная пересечением конической поверхности с торцовой плоскостью уплотняющей губки, в процессе эксплуатации постоянно изнашивается, особенно интенсивно в начальный период, так как площадь контакта очень мала. По мере изнашивания площадь контакта увеличивается, но при этом уменьшается контактное давление, что также приводит к снижению степени герметичности и ограничению срока службы герметизирующего устройства. Кроме того, необходимость расположения уплотняющей кромки на расстоянии 0,8-1,2 толщины уплотняющей губки от стенки опорного кольца вызывает очень большие затруднения в производстве. Это связано с тем, что положение уплотняющей кромки зависит от фактического диаметра поперечного сечения силового элемента (резинового кольца) и величины его деформации при сборке герметизирующего устройства. При этом, если учесть, что силовой и уплотняющий элементы изготавливаются из маложестких материалов (резина, полимерный композиционный материал) и имеют довольно большие допуски на изготовление, становится понятно, что выполнить условие о расположении уплотняющей кромки на расстоянии 0,8-1,2 толщины губки от стенки опорного кольца чрезвычайно сложно без специального регулирующего элемента.
Задачей изобретения является повышение надежности, долговечности и технологичности изготовления герметизирующего устройства. Для решения названной задачи герметизирующее устройство, содержащее уплотнительное кольцо со стенкой и уплотняющей губкой, силовой элемент из эластичного материала, опорное кольцо со стенкой, установленное неподвижно относительно уплотнительного кольца, снабжено регулировочным элементом - кольцом, установленным неподвижно между стенкой уплотнительного кольца и силовым элементом, причем уплотняющая губка имеет коническую контактную поверхность шириной, равной толщине уплотняющей губки, толщина которой не более ¼ ее длины.
В отличие от известных устройств названное соотношение толщины и длины уплотняющей губки обеспечивает существенное уменьшение жесткости уплотняющей губки и контактного давления, необходимого для надежной герметизации уплотняемой поверхности вала даже при высокой частоте вращения последнего. Минимальная толщина уплотняющей губки определяется прочностью полимерного композиционного материала (ПКМ) и технологией изготовления кольца и может составлять 0,6-1,0 мм, если кольцо изготавливается из ПКМ на основе ПТФЭ. При этом длина уплотняющей губки должна быть не менее четырех ее толщин.
Наличие регулировочного кольца позволяет при сборке герметизирующего устройства обеспечить необходимое взаимное расположение силового элемента и контактной поверхности уплотняющей губки путем подбора и установки регулировочного кольца необходимой толщины.
Снабжение уплотняющей губки кольцевой конической контактной поверхностью с заданной шириной обеспечивает постоянство площади контакта с уплотняемой поверхностью в течение всего периода эксплуатации, а следовательно, и постоянство контактного давления и степени герметичности в отличие от прототипа, где площадь контакта увеличивается пропорционально износу уплотняемой губки.
Целесообразность выполнения конической контактной поверхности объясняется тем, что в начальный период работы (приработка) традиционно цилиндрическая контактная поверхность изнашивается неравномерно. Износ увеличивается в соответствии с законом распределения контактного давления на уплотняющую губку. Поэтому, как показано в исследовании известных трибологов, целесообразно сопряженной поверхности изнашиваемого тела заранее задавать геометрическую форму, соответствующую форме изношенной поверхности. Это также способствует постоянству контактного давления на уплотняемой поверхности, включая начальный период эксплуатации, повышению надежности и долговечности герметизирующего устройства.
Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где на фигурах 1, 2 приведена конструкция (варианты исполнения) герметизирующего устройства.
Герметизирующее устройство содержит неподвижный элемент конструкции - корпус 1, уплотнительное кольцо 2, выполненное из антифрикционного полимерного материала, например из наполненного фторопласта. Кольцо 2 установлено неподвижно (с натягом) в корпусе 1 или на валу 3 и имеет уплотняющую губку 4, при этом отношение толщины h губки к ее длине l составляет не более 1:4. Силовые элементы 5, поджимающие губку 4 уплотнительного кольца 2 к герметизируемой поверхности вала 3 и/или корпуса 1, упираются в стенку опорного кольца 6 с одной стороны и в регулировочное кольцо 7 - с другой, и выполнены в виде эластичного кольца круглого сечения с диаметрами поперечного сечения d=(0,6-0,8)l, что обеспечивает расположение контактной площадки 8 непосредственно под силовым элементом.
С целью повышения степени герметизации и надежности герметизирующего устройства оно может быть снабжено вторым уплотнительным кольцом с силовым элементом и регулировочным кольцом, установленными соосно с упором в первое кольцо.
В процессе работы изделия (гидропневмоаппаратура и другие изделия) на уплотняющую губку 4 уплотнительного кольца 2 воздействует давление рабочего тела и контактное давление от поджимающего элемента 5. Суммарное давление обеспечивает необходимую степень деформации уплотняющей губки 4 и ее плотное прилегание к сопряженной поверхности вала 3 или корпуса 1. Причем при заданных соотношениях между толщиной и длиной губок они имеют минимальную жесткость и благодаря этому имеют возможность отслеживать неизбежное радиальное биение уплотняемой цилиндрической поверхности при высокой частоте вращения вала без раскрытия контакта, а коническая форма контактной поверхности уплотняющей губки 4 обеспечивает контактное взаимодействие на постоянной заданной длине вала 3 (равной толщине уплотняющей губки) минимальный равномерный износ.
В условиях упругопластического деформирования под влиянием контактного давления полимерный материал кольца 2 (контактная площадка 8) деформируется на микронеровностях сопряженной металлической поверхности вала 3 или корпуса 1, этому способствует малая площадь контакта уплотняющей губки 4, и обеспечивает герметизацию подвижного соединения. При допустимом износе уплотняющих губок герметичность соединения сохраняется за счет упругих сил силовых элементов и давления рабочего тела.
Предлагаемая конструкция герметизирующего устройства создает наиболее благоприятные условия нагружения и деформации уплотняющего элемента и герметизации уплотняемой поверхности. Малая величина отношения толщины к длине уплотняющей губки (менее 1/4) и наличие у нее уплотняющей кромки, контактной поверхности, обеспечивает минимальную жесткость губки, равномерное определение контактного давления и надежное уплотнение цилиндрической поверхности вала, вращающегося с высокой частотой. Это в свою очередь определяет незначительное тепловыделение в зоне контакта, максимальную износостойкость полимерного кольца и долговечность герметизирующего устройства.