УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
SEALING DEVICE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к разделу уплотнительной техники, и может быть применено в качестве уплотнительного устройства для любого подвижного цилиндрического элемента, отслеживающего изменение линейных размеров материалов в диапазоне эксплуатационных температур.
Задачей изобретения является обеспечение уплотнения подвижных деталей конструкции при ее работе в эксплуатационном диапазоне температур.
Из уровня техники известны устройства, направленные на решение данной задачи. Так, например, известно уплотнительное соединение (патент РФ №2335680, F16J 15/10, опубл. 10.10.2008). Уплотнительное соединение включает герметизируемые детали, одна из которых содержит кольцевую канавку прямоугольного сечения и размещенное в ней эластичное уплотнительное кольцо исходно круглого сечения с объемом, меньшим объема кольцевой канавки, и взаимодействующее с контрдеталью. На дне канавки прямоугольного сечения и в контрдетали симметрично стенкам выполнены дополнительные кольцевые канавки с поперечным сечением в виде сегментов эллипса с большей осью, расположенной перпендикулярно стенкам прямоугольной канавки. Изобретение повышает ресурс уплотнительного соединения за счет снижения скорости релаксации контактных напряжений, а также увеличивает площадь контакта уплотнения с герметизируемыми деталями.
Недостатком такого уплотнительного соединения является невозможность использования его при герметизации подвижных элементов конструкции из-за дополнительных кольцевых канавок.
канавки
кольца
Наиболее близким аналогом является уплотнительное устройство (патент РФ №2677434, F16J 15/10, опубл. 16.01.2019). Уплотнительное устройство включает герметизируемые детали, одна из которых содержит кольцевую канавку прямоугольного сечения и размещенное в ней уплотнительное кольцо исходно круглого сечения, при этом объем кольцевой канавки меньше объема уплотнительного кольца и удовлетворяет соотношению V=(0,80÷0,95)⋅V, при этом герметизация в эксплуатационном диапазоне температур обеспечивается за счет системы температурной компенсации.
В уплотнительном устройстве данного типа в качестве материала уплотнительного кольца используется резина. Резиновое уплотнение хорошо работает на любых диаметрах при отсутствии его перемещения. При перемещении из-за большого коэффициента трения резины происходит скручивание резинового уплотнения и его «закусывание», что препятствует перемещению подвижной детали и приводит к потере герметизации. Кроме того, указанный эксплуатационный диапазон температур не обеспечивает корректной работы устройства. Для его расширения требуется усовершенствование устройства.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение надежности устройства путем увеличения рабочего ресурса и расширение эксплуатационного диапазона температур.
Технический результат обеспечивается тем, что в уплотнительном устройстве, включающем кольцевой уплотнительный элемент круглого сечения из резины, размещенный в кольцевой канавке прямоугольного сечения, выполненной в подвижной детали, которая в процессе эксплуатации перемещается за счет взаимодействия с системой температурной компенсации,, согласно изобретению в кольцевой канавке со стороны герметизируемого корпуса дополнительно установлена прокладка из фторопласта, более чем на половину охватывающая кольцевой резиновый элемент, при этом ширина прокладки выбрана в диапазоне от 1,1 до 1,4 от ширины кольцевой канавки.
Установка прокладки со стороны герметизируемого корпуса позволяет устранить контакт корпуса с резиновым элементом, что увеличивает надежность работы последнего.
Выполнение прокладки из фторопласта из-за его низкого коэффициента трения позволяет увеличить ресурс работы и расширить диапазон эксплуатационных температур уплотнительного устройства.
Выполнение прокладки из фторопласта, более чем на половину охватывающей кольцевой резиновый элемент, позволяет оптимизировать их совместную работу без «закусывания» фторопластовой прокладки при обеспечении надежной герметизации.
Выбор ширины прокладки из фторопласта в указанном диапазоне по отношению к ширине кольцевой канавки связан с необходимостью исключения перекоса прокладки вследствие выдавливания резинового элемента за ее пределы. Указанный диапазон был получен расчетно-экспериментальным путем.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого уплотнительного устройства с герметизируемым объемом, на фиг.2 показан комбинированный уплотнительный элемент, на фиг.3 представлена кольцевая канавка для установки уплотнительного элемента, где:
1 - прокладка;
2 - кольцевой резиновый элемент;
3 - комбинированный уплотнительный элемент;
4 - герметизируемый корпус;
5 - система температурной компенсации;
6 - герметизируемый объем;
7 - подвижная деталь;
8 - кольцевая канавка.
В качестве примера конкретного выполнения заявленного устройства может служить конструкция уплотнительного устройства (фиг.1) с герметизируемым объемом 6 с материалом, коэффициент линейного расширения которого больше, чем у стали. Комбинированный уплотнительный элемент 3 в увеличенном виде представлен на фиг.2. Он состоит из прокладки 1, изготовленной из фторопласта Ф-4 ТУ 6-05-810-88 с диаметром прокладки большим либо равным 255,6 мм, шириной прокладки 4 мм, толщиной прокладки 0,5 мм, и кольцевого резинового элемента 2 из смеси ИРП 1266 НТА ТУ 38 005 1166-2015 диаметром 3 мм. Фторопласт обладает низким коэффициентом трения и тем самым обеспечивает исключение «закусывания» прокладки, а исключение потери натяга на уплотняемых поверхностях обеспечивается за счет упругих свойств резины. Комбинированный уплотнительный элемент 3 установлен в кольцевую канавку прямоугольного сечения 8 с шириной канавки 3,4 мм и высотой 3,25 мм, образованную подвижной деталью 7 и системой температурной компенсации 5. Для равномерного обжатия комбинированного уплотнительного элемента 3 по всей окружности и обеспечения герметизации во всем диапазоне эксплуатационных температур предусмотрена система температурной компенсации 5. Она позволяет отслеживать перемещение подвижной детали 7 с комбинированным уплотнительным элементом 3 от единиц до десятков миллиметров. Систему температурной компенсации 5 подбирают для каждого устройства индивидуально, так как она зависит от температуры эксплуатации устройства, материала заполняющего герметизируемый объем 6 и герметизируемый корпус 4.
Сборка уплотнительного устройства происходит в следующей последовательности. На герметизируемый объем 6 устанавливают подвижную деталь 7. В образовавшуюся кольцевую канавку 8 равномерно устанавливают комбинированный уплотнительный элемент 3, состоящий из прокладки 1 и кольцевого резинового элемента 2, после этого размещают систему температурной компенсации 5.
Уплотнительное устройство работает следующим образом. При изменении температуры эксплуатации с отрицательной до положительной, и наоборот, происходит изменение линейного размера материала, находящегося в герметизируемом объеме 6 за счет разницы коэффициентов линейных расширений материалов в герметизируемом объеме 6 и герметизируемом корпусе 4 уплотнительного устройства. При этом комбинированный уплотнительный элемент 3 перемещается одновременно с материалом в герметизируемом объеме 6 за счет постоянно действующего усилия от системы температурной компенсации 5.
Экспериментальная отработка уплотнительного устройства показала, что если диаметр прокладки 1 будет меньше диаметра герметизируемого корпуса 4, то невозможно обеспечить герметизацию внутренней полости по цилиндрической поверхности. Также герметизация внутренней полости в течение всего срока эксплуатации не будет обеспечена, если высота кольцевой канавки меньше суммы диаметра кольцевого резинового элемента 2 и толщины прокладки 1, а также, если соотношение ширины прокладки 1 к ширине канавки будет меньше 1,1 из-за «хладотекучести» фторопласта. При увеличении соотношение ширины прокладки 1 к ширине канавки более 1,4 происходит разгерметизация внутренней полости на конец гарантийного срока, за счет перекоса прокладки 1 из фторопласта и более интенсивного ее износа. Перекос возникает вследствие выдавливания кольцевого резинового элемента 2 за торцевую поверхность прокладки 1.
Оценка положительного эффекта от добавления в уплотнительное устройство прокладки 1 из фторопласта произведена на описанном выше примере конкретного выполнения. Уплотнительное устройство подвергалось циклическому воздействию температуры от -50°С до +50°С. Результаты испытаний положительные (отсутствуют воздушные зазоры и «закусывание уплотнительного элемента»).
Заявляемая конструкция позволяет решить поставленную задачу по обеспечению уплотнения подвижных деталей конструкции при ее работе в эксплуатационном диапазоне температур и получить новый технический результат, заключающийся в повышении надежности устройства путем увеличения рабочего ресурса и расширении эксплуатационного диапазона температур.