УПЛОТНЕНИЕ ШТОКА ГИДРОДЕМПФЕРА

Область техники
Полезная модель относится к уплотнительной технике и может быть использована для уплотнения подвижных соединений в гидравлических устройствах, в частности в гидравлических гасителях колебаний пассажирских железнодорожных вагонов.
Уровень техники
Известны уплотнения для штока гидроцилиндра с массивным гребенчатым сальником, с резиновым гребенчатым сальником, с каркасным сальником, с применением в сальниковом уплотнении компрессионных чугунных колец (Челноков Н.И., Вишняков Б.И., Гарбузов В.М., Эстлинг А.А. Гасители колебаний вагонов. - М.: Трансжелдориздат, 1963, с.12-13, с.16, с.12-13, с.15 - [1]). Недостатками этих технических решений являются недостаточная герметичность и подверженность уплотнения воздействиям внешней среды.
Известно уплотнение для подвижных соединений, размещенное в гнезде неподвижной детали и содержащее чашеобразный вкладыш из антифрикционного материала и упругий элемент в виде, например, резинового кольца (патент США №3663024, Кл.277-165, 16.05.72 - [2]). Такое уплотнение недостаточно надежно вследствие повышенных утечек рабочей жидкости, присущих таким уплотнительным элементам.
Известны штоковые уплотнения (Гидравлический гаситель колебаний. Руководство по эксплуатации 4065.33.000 РЭ - [3]; патент РФ №2235233, F 16 F 5/00, 20.05.2003 - [4]). Недостатками их являются подверженность воздействию абразивных частиц, незащищенность от воздействия внешней среды, и снижение работоспособности при низких температурах, так как направляющая штока расположена ниже манжеты.
Известно уплотнение штока, содержащее внутреннее уплотнение, смазочную полость и внешнее уплотнение, состоящее из сальника, шевронных манжет, опорных и нажимных колец и пружин (патент РФ №2119107, F 16 F 9/18, 20.09.98 - [5]). Это устройство имеет более широкий температурный диапазон использования, но отличается сложностью конструкции.
Недостатки указанных выше аналогов частично устранены в известном решении гидравлического гасителя колебаний (Патент РФ №2075665 C1, F 16 F 5/00, 20.03.97 - [6]). Уплотнение штока по этому патенту является наиболее близким по технической сущности и назначению и выбрано в качестве прототипа. В этом техническом решении уплотнение штока содержит направляющую втулку с пропущенным через нее штоком с поршнем, и уплотнительный элемент, вставленные в обойму и закрепленные прижимной гайкой. Недостатком этого уплотнения является наличие зазора между прижимной гайкой, закрывающей уплотнительный элемент, и штоком, вследствие чего уплотнительный элемент подвержен воздействию внешней среды (проникновение влаги, образование наледи и т.п.), что приводит к снижению надежности узла уплотнения и гидравлического гасителя колебаний в целом.
Раскрытие полезной модели
В основу полезной модели поставлена задача повышения надежности узла уплотнения штока и срока его службы, в том числе при эксплуатации в условиях низких температур.
Это достигается тем, что в уплотнении гидродемпфера, содержащем направляющую втулку, через которую пропущен шток, и уплотнительный элемент, согласно полезной модели введены два направляющих кольца, направляющая втулка выполнена в виде двух частей, установленных соосно относительно штока, плотно примыкающих друг к другу торцами, снабженных кольцевыми канавками для направляющих колец в каждой из них и с возможностью размещения уплотнительного элемента внутри одной из частей
торцем в плоскости стыка двух соосно расположенных и плотно примыкающих друг к другу частей направляющей втулки таким образом, что уплотнительный элемент оказывается размещенным между направляющими кольцами штока, установленными в кольцевых канавках обеих частей направляющей втулки, в качестве уплотнительного элемента установлена жесткая каркасная манжета.
Кроме того, в одной из частей направляющей втулки выполнены опорные поверхности для уплотнительного элемента, например в виде кольцевой выемки со стороны торца, примыкающего к торцу другой части направляющей втулки.
Кроме того, в качестве каркасной манжеты установлено U-образное уплотнение с пружиной, выполненное из пластмассы, сохраняющей рабочие характеристики при температуре до - 70°.
Предусмотрено также, что в плоскости стыка плотно примыкающих друг к другу частей направляющей втулки установлено кольцо, характеристики каркасной манжеты выбраны в соответствии с требованиями по эксплуатации гидродемпфера.
Краткое описание чертежей
Существо предлагаемого технического решения по полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен узел уплотнения штока (принципиальное исполнение), на фиг.2 - пример выполнения уплотнительного элемента, на фиг.3 - пример использования предлагаемого уплотнения в гидравлическом гасителе колебаний пассажирских вагонов.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - корпус
2 - цилиндр
3 - шток
4 - направляющая втулка, первая часть
5 - направляющая втулка, вторая часть
6, 7 - направляющие кольца
8, 9 - кольцевые канавки
10 - кольцевая выемка
11 - уплотнительный элемент
12 - кольцо
13 - прижимная гайка
14 - каркасная манжета
15 - пружина
16 - соединение
17 - грязесъемник
18 - регулируемый дроссель
19, 20 - проходной канал
21, 22 - отводная трубка
23 - упругая манжета
24 - полость цилиндра
25 - компенсационная камера
26 - разгрузочный клапан
Лучший вариант осуществления
Осуществление предлагаемого уплотнения показано на примере его использования в гидравлических гасителях колебаний пассажирских железнодорожных вагонов, преимущественно центрального рессорного подвешивания. Следует отметить, что в центральном рессорном подвешивании пассажирских вагонов "Нормами для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов..." рекомендуется применять именно гидравлические демпферы. В гидравлических гасителях колебаний, имеющих телескопическую конструкцию, содержащих корпус, в котором размещена цилиндропоршневая группа с клапанными устройствами, при установке штока либо имеется зазор и уплотнения не используются, либо шток снабжается штоковым уплотнением. Штоковые уплотнения должны гарантировать, что независимо от рабочих условий и машин, в которых они применяются, утечки не должны происходить
ни в рабочем режиме, ни после остановки. Уплотнения должны быть высокоэффективными, с низким коэффициентом трения. При движении железнодорожных вагонов боковые нагрузки на гидравлический гаситель колебаний передаются на элементы уплотнений штока и приводят к их быстрому изнашиванию. Боковые нагрузки возрастают при проходе кривых малых радиусов, стрелок и с увеличением скорости движения. Большие боковые нагрузки на уплотнения приводят их к быстрому износу и, как следствие, к потере рабочей жидкости. Снижается работоспоспособность указанных гидрогасителей, они недостаточно надежны в эксплуатации. Вследствие этого повышается динамическая нагруженность транспортных средств, ухудшается плавность хода, комфортность проезда пассажиров, увеличивается изнашиваемость транспортных средств и пути. Принцип действия известных гидрогасителей, имеющих телескопическую конструкцию, заключается в последовательном выдавливании жидкости через узкие каналы (дроссельные отверстия) и обратное наполнение этой жидкостью цилиндра через клапаны. Важно, чтобы конструкция уплотнения соответствовала по своим характеристикам требованиям, предъявляемым к гидравлическим демпферам: она должна быть надежной и сохранять свою работоспособность в различных условиях внешней среды, в частности и при низких температурах. На решение этой задачи и направлена предлагаемая полезная модель.
Как видно из фиг.1, в корпусе 1 коаксиально установлен цилиндр 2 и шток 3. Шток 3 пропущен через направляющую втулку, выполненную, согласно полезной модели, в виде двух частей 4 и 5 и снабженную направляющими кольцами 6 и 7. Первая 4 и вторая 5 части установлены соосно относительно штока и плотно прижаты друг к другу внутренними торцами. В каждой из частей 4 и 5 направляющей втулки выполнены кольцевые канавки 8 и 9 для размещения направляющих колец 6 и 7. В одной из частей (как показано на фиг.1, в первой части 4) направляющей втулки выполнена также кольцевая выемка 10 для установки уплотнительного элемента 11. В плоскости стыка плотно примыкающих друг к другу частей 4 и 5 направляющей втулки
установлено кольцо 12, выполненное из термопластичного материала. Направляющие кольца 6 и 7 выполнены, например, из специального ленточного термопластичного материала с соответствующим наполнителем. Направляющее кольцо 6 выполнено таким образом, что после установки в кольцевую канавку 8, за счет специальной разделки концов ленты (ступенчатый срез), образует беззазорное соединение 16 в плоскости перпендикулярной штоку 3. Для фиксирования узла уплотнения в корпусе 1 предусмотрена прижимная гайка 13. Уплотнительный элемент 11 выполнен в виде U-образной манжеты 14 и пружины 15 (фиг.2). Материалы манжеты и пружины выбраны из условий эксплуатации, в частности манжета выполнена из пластмассы с рабочим диапазоном до - 70°С. Кроме того, предусмотрено, что характеристики каркасной манжеты могут быть выбраны в соответствии с требованиями по эксплуатации гидродемпфера.
Как видно из фиг.3 - примера применения указанного уплотнения в гидравлическом гасителе колебаний пассажирских вагонов, первая часть 4 направляющей снабжена дополнительно грязесъемником 17. Во второй части 5 направляющей выполнены проходные каналы 19 и 20, соединенные соответственно с отводными трубками 21 и 22. Последние выведены в компенсационную камеру ниже уровня рабочей жидкости. В проходной канал 19 встроен регулируемый дроссель 18, а проходной канал 20 оборудован разгрузочным клапаном 26. Проходные каналы 19 и 20, регулируемый дроссель 18, разгрузочный клапан 26 и отводные трубки 21 и 22 предназначены для сообщения полости цилиндра 24 с компенсационной камерой 25.
Уплотнение штока работает следующим образом.
При низком давлении или при отсутствии давления, V-образная металлическая пружина 15 обеспечивает силу уплотнения. При повышении давления в системе, основная сила уплотнения образуется самим давлением в системе. Под действием давления в полости цилиндра 2 рабочая жидкость
воздействует на манжету 14. Давление рабочей жидкости передается в кольцевую полость манжеты 14. Благодаря этому центральная часть манжеты 14 дополнительно к усилию предварительного поджатия за счет пружины 15, осуществляемого при ее монтаже, поджимается давлением рабочей жидкости в радиальном направлении к уплотняемой поверхности штока 3, тем самым способствуя сохранению высокого давления в цилиндре 2 и не допуская утечки рабочей жидкости.
При движении вагона колебательные движения передаются на гидравлический гаситель колебаний (демпфер) - шток 3 приходит в движение. При растяжении демпфера (ход поршня вверх) рабочая жидкость находится под давлением. Давление рабочей жидкости передается в кольцевую полость манжеты 14, прижимая ее к штоку, исключая возможность просачивания жидкости. Под действием давления рабочая жидкость из штоковой полости 24 поступает также в проходной канал 19, с усилием продавливается через регулируемый дроссель 18 и далее через отводную трубку 21 перетекает в компенсационную камеру 25. Благодаря этому происходит гашение колебаний. Если в штоковой полости 24 возникает избыточное давление жидкости, то открывается разгрузочный клапан 26, и жидкость сбрасывается по отводной трубке 22 вниз в компенсационную камеру 25, предохраняя демпфер от перегрузок. Скорость перетока жидкости может меняться регулировкой дросселя 18 и разгрузочного клапана 26. При сжатии демпфера (ход поршня вниз) срабатывают впускной клапан из компенсационной камеры и поршневой (на чертеже не показаны) - в результате давление в полостях (поршневой и штоковой 24) цилиндра 2 выравнивается, демпфер приходит в исходное состояние и готов гасить следующие колебания. Так как уплотнение не допускает утечек рабочей жидкости требуемые силовые характеристики гидрогасителя сохраняются.
Выполнение направляющей втулки разъемной позволяет разместить уплотнение между направляющими кольцами 6 и 7, которые защищают ее от механического абразивного воздействия частиц, а также от температурного воздействия среды и воздействия влаги, снега, наледи, кроме того, обеспечивает
технологичность сборки узла уплотнения и гидрогасителя в целом. Направляющие кольца 6 и 7 устанавливаются в соответствующие кольцевые канавки 8 и 9 частей 4 и 5 направляющей втулки, жесткая подпружиненная манжета 14 устанавливается в кольцевую выемку 10. Части 4 и 5 направляющей втулки устанавливаются соосно относительно штока 3 и фиксируются прижимной гайкой 13. В результате жесткая манжета 14 уплотнения легко установлена между направляющими кольцами 6 и 7 штока 3, которые защищают ее от механического абразивного воздействия частиц. Благодаря расположению внутри направляющей втулки между направляющими кольцами 6 и 7 уплотнение защищено также от температурного воздействия среды и воздействия влаги, снега, наледи. Кроме того, расположение направляющих колец 6 и 7 в не связанных между собой частях направляющей втулки 4 и 5 позволяет им самоцентрироваться по штоку 3, что приводит к их меньшему износу и повышает надежность устройства уплотнения и гидрогасителя в целом. Все вышеуказанное в целом позволяет повысить надежность уплотнения за счет снижения утечки рабочей жидкости, повышения износостойкости манжеты и сохранения ее работоспособности в условиях низких температур.
Таким образом, благодаря введению новых отличительных признаков достигнут технический результат - повышены надежности узла уплотнения штока и срок его службы, в том числе при эксплуатации в условиях низких температур, тем самым поставленная задача решена.
Промышленная применимость
Разработана техническая документация, проведены успешные испытания, осваивается серийное производство.
Источники информации
1. Челноков Н.И., Вишняков Б.И., Гарбузов В.М., Эстлинг А.А. Гасители колебаний вагонов. - М.: Трансжелдориздат, 1963, с.12-13, с.16, с.12-13, с.15
2. Патент США №3663024, Кл.277-165, 16.05.72
3. Гидравлический гаситель колебаний. Руководство по эксплуатации 4065.33.000 (4065.33.100, 4065.33.200) РЭ, 2003
4. Патент Российской Федерации №2235233, F 16 F 5/00, 20.05.2003
5. Патент Российской Федерации №2119107, F 16 F 9/18, 20.09.98
6. Патент РФ №2075665 RU, F 16 F 5/00, 20.03.97, прототип