ГЕРМЕТИЧНОЕ СОЕДИНЕНИЕ, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ЖИДКОСТИ, НАХОДЯЩЕЙСЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
TIGHT JOINT, IN PARTICULAR FOR LIQUID UNDER PRESSURE

Настоящее изобретение относится к области герметичных соединений, в частности прокладок, осуществляющих герметичность на уровне и вокруг подвижного конструктивного элемента, такого как вал, ось или т.п., приводимого в движение путем вращения и вытянутого в или через проход, полость, отверстие или т.п. неподвижно установленных корпуса, конструктивного элемента, картера и т.п.
В частности, изобретение относится к герметичному соединению, содержащему, с одной стороны, опорный вкладыш или арматурный вкладыш (обычно выполненный из стального листа) с внешней осевой боковой полкой и внутренней радиальной боковой полкой и, с другой стороны, герметичную прокладку, выполненную из изоляционного материала на базе ПТФЭ (политетрафторэтилен), которая установлена или размещена на упомянутом вкладыше, покрывая, по меньшей мере, частично внешнюю поверхность осевой боковой полки и вытягиваясь за пределы внутренней оконечности радиальной боковой полки таким образом, чтобы образовывать гибкий уплотнительный край. Этот край предназначен для наложения по окружности против или на герметизируемый конструктивный элемент, в частности вращающийся цилиндрический конструктивный элемент, такой как вал или т.п.; причем упомянутый уплотнительный край содержит, таким образом, первый кольцевой участок, в основном опирающийся на герметизируемый конструктивный элемент, и второй изогнутый соединяющий кольцевой участок (соединяет первый экстремальный участок края с частью прокладки, жестко соединенной с радиальной боковой полкой вкладыша).
Такое герметичное соединение известно, в частности, из документов WO 2008/009317 и US 2003/0031828 (фиг. 5a).
Эти соединения обеспечивают вместе с одной и той же прокладкой двойную герметичность, а именно внутреннюю относительно подвижного конструктивного элемента динамическую герметичность (посредством гибкой/не удерживаемой вкладышем оконечности уплотнительного края) и статическую герметичность относительно стенки полости или монтажного отверстия, через которые обычно проходит герметизируемый конструктивный элемент (посредством части прокладки, находящейся на внешней поверхности осевой боковой полки).
Однако герметичные соединения, раскрытые в этих двух документах, имеют, по меньшей мере, два следующих недостатка:
1) отмечается поднятие свободной оконечности уплотнительного края, оказывающее неблагоприятное воздействие, что касается удерживания в наложенном положении и свойств герметичности, в частности, когда этот край вытянут на герметизируемом конструктивном элементе на большую длину (большое осевое расстояние);
2) эти герметичные соединения не приспособлены для того, чтобы противостоять давлению (проблема свойств герметичности на уровне герметизируемого конструктивного элемента, когда в герметизируемом месте содержится жидкость, находящаяся под давлением, как правило, от 1 до 10 бар) ввиду слабой устойчивости к деформации и даже возможному перевертыванию уплотнительного края, когда последний подвергается давлению (например, в случаях применения типа герметизации валов насосов).
Для устранения этих двух недостатков в документе US 2002/0117810 предлагается герметичное соединение, герметизирующий край которого имеет большую толщину и подразделяется в радиальном направлении на первичный герметизирующий край, опирающийся на герметизируемый конструктивный элемент, и вторичный край гибкой опоры.
Этот вторичный край вступает (при отсутствии значительного давления) в контакт со свободной оконечностью (концом), производя опорную реакцию, воздействуя этой оконечностью на герметизируемый конструктивный элемент и противодействуя, таким образом, ее отставанию и подниманию.
Кроме того, когда на герметизируемое место оказывается давление, первичный и вторичный края плотно накладываются друг на друга и вместе образуют единый край, имеющий большую толщину и способный противостоять давлению без перевертывания.
Однако, хотя и получаются удовлетворительные результаты, когда зона контакта края с конструктивным элементом имеет небольшое расстояние, это решение является конструктивно сложным, а его осуществление трудным (требуется точное отрезание края, двойная механическая обработка первичного и вторичного краев).
Кроме того, стоимость материала является высокой, принимая во внимание большую толщину базового края, а силы трения между краем и подвижным конструктивным элементом увеличены.
И, наконец, согласно документу US 2002/0117810, внешняя статическая герметичность (между герметичным соединением и полостью) обеспечивается путем применения второго изоляционного материала.
Задачей настоящего изобретения является устранение, по меньшей мере, основных вышеперечисленных недостатков путем реализации простого, легко осуществимого и экономически выгодного решения.
В связи с этим в изобретении предлагается герметичное соединение вышеупомянутого типа, улучшенное и, в частности, адаптированное для выдерживания давления; причем это соединение отличается тем, что уплотнительныйкрай имеет небольшую толщину, как правило меньше 0,8 мм, и образует, при отсутствии напряжения, по существу, полый цилиндр или кольцо в форме усеченного конуса с углом при вершине 90°-α, где α составляет от 10° до 50°.
Изобретение будет лучше понятно из нижеследующего описания, которое относится к предпочтительным вариантам осуществления, приведенным в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера, приводимых со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг. 1 изображает вид в разрезе герметичного соединения согласно первому варианту осуществления изобретения при отсутствии какого-либо напряжения;
- фиг. 2 - аналогичный вид в разрезе герметичного соединения, представленного на фиг. 1, после его установки в полости и вокруг герметизируемого конструктивного элемента (вала);
- фиг. 3 - частичный вид в разрезе системы герметичности топливного насоса, содержащей герметичное соединение, которое представлено на фиг. 1 и 2;
- фиг. 4 и 5 изображают частичные виды в разрезе герметичного соединения в установленном положении согласно двум другим конструктивным вариантам первого варианта осуществления изобретения;
- фиг. 6-8 - частичные виды в разрезе герметичного соединения в установленном положении согласно трем конструктивным вариантам второго варианта осуществления изобретения;
- фиг. 9 изображает частичный вид в разрезе герметичного соединения, представленного на фиг. 8, при отсутствии напряжения (перед установкой).
На фиг. 1, 2 и 4-8 изображено герметичное соединение 1, в частности, для жидкости, находящейся под давлением. Данное соединение 1 содержит, с одной стороны, опорный вкладыш или арматурный вкладыш 2 с внешней осевой боковой полкой 3 и внутренней радиальной боковой полкой 4 и, с другой стороны, герметичную прокладку 5, выполненную из изоляционного материала на базе ПТФЭ, которая установлена или размещена на упомянутом вкладыше 2, покрывая, по меньшей мере, частично внешнюю поверхность 3' осевой боковой полки 3 и распространяясь за пределы внутренней оконечности 4' радиальной боковой полки 4 таким образом, чтобы образовывать гибкий уплотнительный край 6. Последний предназначен для наложения по окружности против или на герметизируемый конструктивный элемент 7, в частности вращающийся цилиндрический конструктивный элемент, такой как вал или т.п.; причем упомянутый уплотнительный край 6 содержит, таким образом, первый кольцевой участок 6', опирающийся в основном на герметизируемый конструктивный элемент, и второй изогнутый соединяющий кольцевой участок 6''.
В соответствии с изобретением и как это точнее изображено на фиг. 1, уплотнительный край 6 имеет небольшую толщину EL, как правило, меньше 0,8 мм и образует, при отсутствии напряжения, по существу полый цилиндр или кольцо в форме усеченного конуса с углом при вершине 90°-α, где α составляет от 10° до 50° (фиг. 1 и 9).
Иначе говоря и как это показано на фиг. 1, угол при вершине AS=90°-α и составляет от 40° до 80° (где α является углом относительно плоскости, перпендикулярной центральной оси симметрии соединения 1).
Изобретателями неожиданным образом было обнаружено, что герметичное соединение 1 вышеуказанного типа, прокладка 5 которого имеет два вышеупомянутых технологических расположения, не учитывало явления поднимания оконечности края 6, даже когда контактная зона 9 содержит большой осевой размер.
Кроме того, особый первоначальный наклон (присущий прокладке 4) уплотнительного края 6, перед его наложением против герметичного соединения 1, относительно центральной оси симметрии соединения 1 (как правило, совмещена с осью X вращения/симметрии конструктивного элемента 7), с одной стороны, и относительно части 5' прокладки 5 при плотном наложении на внутреннюю оконечность 4' радиальной боковой полки 4 (угол α), с другой стороны, приводит одновременно к нормализации края 6, повышая его устойчивость к перевертыванию при оказании давления со стороны, к которой край 6 первоначально наклонен.
Безусловно, соединение между краем 6 и частью 5' прокладки 5 не представляет собой чистую линию сгиба, но скорее изогнутую переходную зону 8.
Если быть более точным, то согласно предпочтительному условию изобретения, уплотнительный край 6, предпочтительно, в форме полого цилиндра, имеющего форму усеченного конуса, со стенкой, по существу плоской, при отсутствии напряжения, соединен с частью 5' прокладки 5, опирающейся и/или жестко соединенной с радиальной боковой полкой 4 посредством предварительно выгнутой или вогнутой кольцевой зоны 8 прокладки 5, размещенной, предпочтительно, непосредственно после внутренней оконечности 4' упомянутой радиальной боковой полки 4, ориентированной в направлении герметизируемого места MLS и являющейся составной частью соединяющего кольцевого участка 6''.
Таким образом, в прокладке 5 образована зона 8 (в форме постоянной локальной деформации ее стенки) во время изготовления герметичного соединения 1 (предпочтительно, путем деформации во время жесткого соединения прокладки 5 с вкладышем 2) и представляет собой начальную стадию для выгибания соединяющего участка 6'' во время установки соединения 1 на конструктивном элементе 7.
Согласно предпочтительному варианту практического осуществления изобретения, позволяющему, по мнению изобретателей, оптимально решить вопрос вышеупомянутых недостатков, ограничивая при этом издержки и не допуская усложнения конструкции, и способу изготовления герметичного соединения 1 (в частности, по сравнению со способом, описание которого приведено в упомянутом документе WO 2008/009317), предпочтительно предусмотрено, чтобы толщина уплотнительного края 6 составляла от 0,4 до 0,7 мм, предпочтительно от 0,45 до 0,65 мм, а угол α составлял от 15° до 45°, предпочтительно от 20° до 40°. Кроме того, предварительно выгнутая зона 8, предпочтительно, согласована путем местной деформации стенки прокладки 5 перед или после установки на несущем вкладыше 2.
Для гарантирования герметичности достаточного качества для обеспечения соответствия предельным применяемым требованиям, в частности под давлением, размеры и относительные расположения опорного вкладыша 2, прокладки 5, выполненной из материала на базе ПТФЭ, и герметизируемого конструктивного элемента 7 могут быть установлены для определения зоны 9 контакта и опоры участка 6' уплотнительного края 6 на упомянутый конструктивный элемент 7 с осевым расстоянием P (в направлении X), составляющим от 1,5 до 5,0 мм, предпочтительно от 2,5 до 3,5 мм от свободного конца 6''' упомянутого края 6.
Несмотря на это большое расстояние, изобретатели отметили, что соблюдение вышеупомянутых геометрических условий позволяет избежать явления поднятия конца 6'' и предоставить повышенную устойчивость к перевертыванию (сгибание края 6 и прохождение под радиальной боковой полкой 4).
Участок 6' края 6 может содержать гладкую опорную поверхность (контактная зона 9) и иметь, как правило, по существу постоянную толщину (хотя может быть рассмотрено изменение толщины в зависимости от условий применения).
Однако согласно дополнительной отличительной особенности изобретения, которая детально не изображена на прилагаемых фигурах чертежа (только схематически на фиг. 2), уплотнительный край 6 может содержать, на уровне контактной поверхности участка 6' этого края 6, предназначенного для того, чтобы опираться на герметизируемый конструктивный элемент 7, структуру 10 уплотнения, имеющую винтообразную форму или форму винтовой резьбы, предпочтительно, в виде канавки с противоположными боковыми сторонами, которые имеют различные углы наклона или крутизны, предпочтительно, с формой асимметричного треугольного сечения или профиля.
Такая структура 10, например, может быть структурой, описание которой приведено в заявке на патент PCТ № PCT/FR2012/050239 и во французской заявке на патент № 1251011 от 3 февраля 2012 г. от имени заявителя.
Кроме того, как это изображено на фиг. 1-4 и 6-8, также может быть предусмотрено, что герметичная прокладка 5 выходит за пределы свободного конца 3'' осевой боковой полки 3 и образует выступающую часть 11, наклоненную или изогнутую внутрь и покрывающую, по меньшей мере, внешнюю кромку упомянутого свободного конца 11.
Выступающая часть 11 образует, таким образом, скошенный край, который накладывается на фронтальную кромку введения герметичного соединения 1 в его полость 14, облегчая его центрирование и не допуская какого-либо отставания прокладки 5 относительно осевой боковой полки 3 во время установки при помощи нажимного приспособления или регулируемой установки герметичного соединения 1.
Для гарантированного сохранения динамической герметичности в случае сильного давления, для предотвращения повреждения уплотнительного края 6 в случае пиковых значений давления (в частности, неоднократных) и исключения какого-либо перевертывания упомянутого края 6 соединение 1 может, кроме того, содержать или включать в себя специальную опорную и поддерживающую кольцевую структуру 12 для уплотнительного края 6, расположенную со стороны, противоположной к герметизируемому месту MLS, и вытянутую на уровне выгнутого кольцевого участка 6" упомянутого края 6, частично принимая форму данного участка 6" и находясь на удалении от последнего.
Как это вытекает из прилагаемых чертежей, край 6 не соединен жестко с данной структурой 12, не упирается в нее в случае отсутствия достаточного давления на упомянутый край 6 (присутствие клиновидного промежутка 12'' между цифровыми позициями 12 и 6, за исключением фиг. 3, ввиду наличия достаточного давления). Такое отсутствие жесткого соединения позволяет обеспечить краю 6 большую гибкость и хорошую способность приспосабливаться к возможным радиальным движениям или несимметричностям герметизируемого подвижного конструктивного элемент 7.
Вместе с тем, сравнивая, например, фиг. 1 и 2, отмечается, что размер этого промежутка 12'' увеличивается, когда край 6 опирается на конструктивный элемент 7, ввиду усиленного выгибания участка 6'', результатом чего является более ярко выраженное выгибание и, таким образом, более сильное разъединение между цифровыми позициями 6'' и 12 (при отсутствии давления на край 6 из герметизируемого места).
Из этого следует хорошая приспособляемость края 6 (к относительным перемещениям между вкладышем 2 и конструктивным элементом 7), несмотря на существование жесткой структуры 12.
Согласно предпочтительному практическому осуществлению изобретения, опорная и поддерживающая кольцевая структура 12 заключается в выгнутой круговой боковой полке; причем радиус выгибания упомянутой боковой полки 12 больше радиуса выгибания, при отсутствии давления, соединяющего кольцевого участка 6'' уплотнительного края 6 после установки герметичного соединения 1 вокруг герметизируемого конструктивного элемента 7, предпочтительно, больше радиуса выгибания предварительно выгнутой кольцевой зоны 8 прокладки 5 в случае отсутствия напряжения на уплотнительном крае 6.
Предпочтительно, опорная и поддерживающая кольцевая структура 12, имеющая форму круговой боковой полки, вытянута на небольшое расстояние D от герметизируемого конструктивного элемента 7; причем свободный конец 12' боковой полки 12 находится на расстоянии от упомянутого конструктивного элемента 7, которое меньше толщины EL уплотнительного края 6, предпочтительно, меньше, по меньшей мере, половины упомянутой толщины EL и даже порядка одной четвертой или одной третьей этой толщины (зависит также от однородности поверхности и движения конструктивного элемента 7).
Таким образом, боковая полка 12 может также выполнять функцию пылезащитного экрана или другую функцию в сочетании с составным компонентом 2 или 13, составной частью которого она является.
Согласно первому способу практического осуществления изобретения, различные варианты которого изображены на фиг. 1-5 чертежа, опорная и поддерживающая структура 12 является составной частью второго вкладыша 13 и содержит, по меньшей мере, одну радиальную боковую полку 13', продолжением которой с внутренней стороны является участок выгнутой кольцевой боковой полки 12, образующей упомянутую структуру.
Второй вкладыш 13 может быть соединен различными способами (механически, адгезионно, физически или путем сочетания некоторых способов жесткого соединения) с вкладышем 2 и/или прокладкой 5 и образует, таким образом, вместе с последними герметичное соединение 1, состоящее из трех конструктивных составных элементов.
Второй вкладыш 13 также содержит, предпочтительно, осевую боковую полку 13'' для его монтирования с удерживанием в полости 14 одновременно с вкладышем 2 (вкладыши 13 и 2, предпочтительно, выполнены из одного материала).
Хотя он и не изображен, изоляционный материал, в случае необходимости, может быть размещен на этой боковой полке 13'' (на ее поверхности, контактирующей с полостью 14).
Предпочтительным образом, по меньшей мере, часть 5' прокладки 5, размещенная на радиальной боковой полке 4 опорного вкладыша 2, зажата между последней и радиальной боковой полкой 13' второго вкладыша 13 с возможным осуществлением механического зажатия упомянутой части прокладки 5'.
Второй вкладыш 13 может даже вступать в эластичное прижимающее раструбное соединение на опорном вкладыше 2 с зажатием прокладки 5 (фиг. 4).
Как это показано на фиг. 1-5, боковая полка 12 сопровождает край 6 за пределами конца 4' радиальной боковой полки 4 и может даже участвовать в или поддерживать предварительное выгибание зоны 8 на уровне ее сопряжения с частью 5' прокладки 5, не находясь, однако, в жестком соединении с этим краем 6.
Согласно второму способу практического осуществления изобретения, множество вариантов которого изображено на фиг. 6-8, опорная и поддерживающая структура 12 является неотделимой составной частью опорного вкладыша 2 и представляет собой участок выгнутой боковой полки, являющейся продолжением с внутренней стороны радиальной боковой полки 4.
Таким образом, получается простая конструкция соединения 1, не требующая дополнительного компонента, предоставляющая при этом вышеупомянутые преимущества.
Опорный вкладыш 2 может иметь различные формы. В частности, одна и та же базовая форма может быть отклонена во многих вариантах в зависимости от размеров полости 14, требуемой жесткости, имеющегося габаритного объема или местной конфигурации (фиг. 6-8).
Согласно варианту практического осуществления, адаптированному, в частности, к применениям, связанным с химически агрессивными жидкостями, структура вкладыша 2 и относительное расположение прокладки на этом вкладыше могут быть предусмотрены таким образом, чтобы упомянутая прокладка покрывала все поверхности опорного вкладыша 2, направленные, с одной стороны, к месту MLS, находящемуся под давлением,и, с другой стороны, к стенке 14' монтажной полости 14 герметичного соединения 1, на которое герметично опирается осевая боковая полка 3 опорного вкладыша 2.
И, наконец, для обеспечения монтажной устойчивости соединения 1 в полости 14, даже в случае сильных термических изменений, изобретением может быть предусмотрено, чтобы опорный вкладыш 2 и, в случае необходимости, второй вкладыш 13 был (были) выполнен (выполнены) из листового металла марки HLE, как это точно определено в заявках на патент PCT и французской заявке на патент заявителя.
Безусловно, изобретение не ограничено описанными и представленными на прилагаемых чертежах способами практического осуществления. Остаются возможными видоизменения, в частности, с точки зрения создания различных конструктивных элементов или замены технических эквивалентов, не выходя при этом за рамки области защиты изобретения.