ДВОЙНОЕ СИЛЬФОННОЕ УПЛОТНЕНИЕ ШТОКОВ
DOUBLE BELLOWS SEAL STOCKS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для уплотнения штоков виброперемешивающих устройств, применяемых для диспергирования газожидкостных систем, в процессах перемешивания жидкостей с целью получения эмульсий, а также может найти применение в уплотнительных узлах машин и механизмов, имеющих движущиеся возвратно-поступательно рабочие органы.
Уровень техники
В патенте SU 752081(МКИ: F16J 3/04, опубл. 30.07.80 представлено сильфонное уплотнение, в котором шток герметично связан с сильфоном, а сильфон с направляющей втулкой. С целью увеличения хода штока между сильфоном и направляющей втулкой установлены дополнительные сильфоны, разобщенные промежуточными втулками, внутри которых установлены сепараторы с телами качения, жестко связанные с промежуточными втулками. В целом система имеет телескопическое соединение.
Общим с предлагаемой нами конструкцией является то, что сильфон герметично связан со штоком и узел соединения сильфона со штоком перемещается возвратно-поступательно с параметрами, диктуемыми приводной системой штока.
Недостатком является сложность предложенной телескопической конструкции, надежность которой зависит прежде всего от работоспособности тел качения.
В патенте RU 2215214 С2 МПК: F16J 3/04, опубл. 27.10.03 дано описание полиобъемного сильфона, содержащего не менее двух расположенных одна в другой сваренных по торцам гофрированных оболочек. В межсильфонной полости, образованной смежными оболочками, создается избыточное давление, что способствует повышению осевой устойчивости конструкции. Задача, решаемая изобретением, заключается в создании такого сильфона, который способен работать при значительном повышении внутреннего давления уплотняемой среды с одновременным улучшением его компенсационной способности.
Общим с предлагаемой конструкцией является то, что при работе внутри сильфона увеличивается давление, способствующее повышению работоспособности уплотнительного устройства.
Но конструкция данного уплотнения не позволяет использовать ее для герметизации штоков с большой частотой и амплитудой колебаний при малой потери мощности приводного устройства в уплотнении.
В патенте RU 2065106 С2 МПК: F16J 3/04, опубл. 10.08.96 дано описание резинового сильфонного чехла для использовании в машиностроении для защиты подвижных элементов. Сильфон выполнен с постоянным шагом и заданными радиусами закругления гофр, отличающийся от подобных конструкций тем, что оболочка каждого гофра выполнена с периодическим изменением толщины по ее образующей и имеет максимальную толщину на внешних и внутренних закруглениях, а минимальную - в средней части боковых сторон гофра. Такая конструкция наиболее долговечна при работе в условиях знакопеременных нагрузок.
Общим является то, что сильфон герметизирует подвижные элементы.
Но данная конструкция не позволит сохранить постоянную форму гофр при резком изменении давления внутри сильфона, что характерно для сильфонных уплотнений штоков, работающих при совместном воздействии резких деформаций, диктуемых перемещением штока, и наружного давления в уплотняемой полости.
Из патента на полезную модель RU 79952(МПК F04B 43/00, опубл. 20.01.2009 известен сильфонный компрессор, содержащий два соосно соединенных между собой сильфона. Сильфоны закреплены своими неподвижными концами на основаниях цилиндра. Другие концы сильфонов соединены с подвижной перегородкой, выполняющей роль поршня. Пространство между сильфонами и стенкой цилиндра заполнено жидкостью, т.е. жидкость занимает наружное пространство сильфонов.
Общим с предлагаемой конструкцией уплотнения являются два герметизирующих сильфона, работающих в противофазе.
Недостатком является то, что сильфоны должны иметь высокую жесткость, чтобы предотвратить необратимую деформацию их при возвратно-поступательном движении. К тому же наружное давление может изменяться при нарушении соотношения с внутренним давлением, что требует исполнение стенок сильфонов повышенной жесткости и прочности. Это обстоятельство приводит к увеличению усилий на перемещение, ограничению частоты и амплитуды колебаний.
Наиболее близкой конструкцией (прототипом) к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является патент RU 2298127 С1 МПК: F16K 3/24, F16K 41/10 опубл. 27.04.2007, в котором описаны уплотнительные элементы клапана, выполненные в виде двух одинаковых сильфонов, установленных последовательно соосно друг за другом. Верхняя часть верхнего сильфона герметично зафиксирована. Нижняя часть нижнего сильфона герметично соединена с верхней частью вкладыша, перекрывающего проходные отверстия клапана. Верхняя часть нижнего сильфона и нижняя часть верхнего сильфона герметично соединены с плунжером, регулирующим положение вкладыша. При открытом положении клапана нижний сильфон находится в разгруженном состоянии, а верхний сжат на величину рабочего хода поршня.
Технический результат заключается в обеспечении высокой герметичности клапанной системы относительно внешней среды.
Общим с предлагаемой конструкцией является наличие двух соосно установленных сильфонов для уплотнения, поочередное сжатие и растяжение их.
Но в данной конструкции к штоку прикреплены нижняя часть верхнего сильфона и верхняя часть нижнего сильфона, внутренние полости не сообщаются между собой. Конструкция данного уплотнения должна иметь достаточно высокую жесткость стенок сильфонов, чтобы предотвратить необратимую деформацию их при возвратно-поступательном движении. В свою очередь высокая жесткость требует больших усилий на перемещение, что обуславливает увеличение мощности приводного устройства, а также делает маловероятной перемещение штока с частотой, характерной для виброперемешивания.
Задачей изобретения является создание нового уплотнения, обеспечивающего высокий уровень герметичности с малыми потерями мощности в уплотнении при работе штока виброперемешивающего устройства, применяемого для диспергирования газожидкостных систем, в процессах перемешивания жидкостей с целью получения эмульсий. Также предлагаемое устройство может найти применение в уплотнительных узлах машин и механизмов, имеющих движущиеся возвратно-поступательно рабочие органы.
Технический результат
Технический результат изобретения заключается в:
- снижении энергозатрат в аппаратах с виброперемешивающими устройствами;
- обеспечении высокой степени герметичности рабочих объемов, в которых подвижным элементом является шток.
Перечень фигур:
фиг. 1 - двойное сильфонное уплотнение штока;
фиг. 2 - схема экспериментального аппарата с двойным сильфонным уплотнением штока
В фиг. 1 приводится конструкция двойного сильфонного уплотнения штока. Позиции: 1 - верхний сильфон; 2 - нижний сильфон; 3 - крышка уплотняемого сосуда; 4 - шток кривошипно-шатунного механизма привода; 5 - крепежные элементы сильфонов к штоку; 6 - крепежные элементы сильфонов к крышке; 7 - рабочая полость для проведения требуемого процесса. На фиг. 2 приводится схема экспериментального аппарата с двойным сильфонным уплотнением штока. Позиции: 1, 2, 3, 4 и 7 соответствуют позициям фиг. 1; 8 - вентиль, используемый при подаче воды в рабочую полость аппарата; 9 - вентиль, используемый при подаче воды в рабочую полость аппарата.
Раскрытие изобретения
Устранение указанных недостатков и достижение заявляемого технического результата от реализации двойного сильфона, предназначенного для уплотнения штоков в аппаратах с виброперемешивающими устройствами, применяемых для диспергирования газожидкостных систем, в процессах перемешивания жидкостей с целью получения эмульсий, а также возможно применение в уплотнительных узлах машин и механизмов, имеющих движущиеся возвратно-поступательно рабочие органы. Достижение заявляемого технического результата происходит благодаря тому, что используются сильфоны с малой жесткостью стенок, при этом сильфоны устанавливаются зеркально и закрепляется каждый на штоке и крышке, представляя собой сообщающиеся через зазор между штоком и крышкой две полости (Фиг. 1). В зависимости от положения штока нижний и верхний сильфоны поочередно сжимаются и растягиваются. В нижний сильфон заливается определенный объем жидкости, с помощью которого благодаря возвратно-поступательному движению штока, при сжатии сильфона вследствие сжатия воздуха повышается давление внутри него, что предотвращает деформацию гофр сильфона и способствует качественному уплотняющему эффекту. Расчет объема заливаемой жидкости можно произвести согласно зависимости:
возд.н.
ж
возд.min
ж
max
o
(V-V)/(V-V)=Р/P,
возд.н.
возд.min
ж
max
о
где V - объем воздушного пространства в сильфонах без жидкости, находящихся в нейтральном, т.е. в нерабочем состоянии; V - минимальный объем воздушного пространства в сильфонах без жидкости, находящихся в рабочем состоянии при максимальном сжатии одного из сильфонов; V - объем жидкости, заливаемой в нижний сильфон; Р - значение внутреннего давления в сильфонах при максимальном сжатии одного из них, соответствующее определенному объему залитой жидкости; Р - атмосферное давление.
Малая жесткость стенок сильфонов позволяет значительно снизить потери мощности в уплотнении и соответственно снизить общие затраты энергии приводного механизма, передаваемого возвратно-поступательные перемещения необходимой частоты и амплитуды рабочему органу, например виброперемешивающему устройству.
Сопоставительный анализ прототипа и заявленного изобретения показывает, что общим конструктивным признаком является наличие двух соосно установленных и поочередно выполняющих сжатие и растяжение сильфонов в уплотнении.
Отличительной особенностью заявленного изобретения является то, что в нижний сильфон залита жидкость и внутренние полости сильфонов сообщаются между собой с помощью зазора между штоком и крышкой.
Сущность предлагаемого устройства уплотнения показана на фиг. 1. В уплотнении используются два зеркально установленных относительно крышки сильфона, поз. 1, 2. Верхняя часть верхнего сильфона и нижняя часть нижнего сильфона закреплены на штоке, поз. 4, с помощью крепежных элементов, поз. 5. Нижняя часть верхнего сильфона и верхняя часть нижнего сильфона закреплены соответствующими крепежными элементами, поз. 6, на крышке, поз. 3, закрывающей рабочую полость, поз. 7. На фиг. 1 также показан зазор между штоком и крышкой. В нижний сильфон заливается жидкость, объем которой определяется в зависимости от внутреннего давления в рабочей полости и размеров применяемого сильфона. Жидкость во внутренней полости уплотнения позволит снизить нагрузки на стенки сильфонов от воздействия внутреннего давления в уплотняемой полости, а также от деформационных усилий при возвратно-поступательном движении штока.
Осуществление изобретения
-1
Предлагаемая конструкция уплотнения была испытана на лабораторной установке, изображенной на фиг. 2 (номера позиций 1, 2, 3, 4 и 7 соответствуют фиг. 1). В установке использовался аппарат с виброперемешивающим устройством объемом 3 л. В приводе мешалки установлен кривошипно-шатунный механизм с диаметром штока 8 мм. Шток уплотнен предлагаемым двойным сильфонным уплотнением с наружным диаметром сильфонов 26 мм. Сильфоны выполнены из резины и в свободном состоянии имеют высоту рабочей части 40 мм, внутренний диаметр гофр 16 мм. В качестве рабочей среды использовались вода и воздух. Перед началом работы в рабочую полость аппарата при открытом вентиле, поз.8, заливалось 2 л воды, после чего вентиль закрывался. Затем включалась в работу вибромешалка с приводом постоянного тока мощностью 40 Вт, позволяющим развивать частоту возвратно-поступательных перемещений от 0 до 5 с, амплитудой колебаний 10 мм, т.е. с максимальным перемещением штока 20 мм. При этом в нижний сильфон была залита вода объемом 10 мл. Далее через вентиль, поз. 9, подавался воздух с давлением 0,2 МП . При работающем аппарате проводилось визуальное наблюдение за работой уплотнения через прозрачную стенку обечайки, выполненную из оргстекла.
Проведенные эксперименты подтвердили принципиальную возможность работы предлагаемого уплотнительного устройства, доказали, что сильфоны, имеющие малую жесткость, благодаря несжимаемости жидкости, перемещающейся внутри сильфонов, сохраняют форму гофр и эффективно уплотняют аппарат при сравнительно больших перемещениях штока и малых затратах энергии.