УПРУГИЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ТАРЕЛЬЧАТОГО ТИПА
RESILIENT DISK-TYPE SEALING ELEMENT

Изобретение относится к области изготовления стальных упругих уплотнительных элементов тарельчатого типа с повышенной конструкционной прочностью и энергоемкостью, которое может быть использовано для упругого уплотнения узлов технологического оборудования, работающего в агрессивной технологической среде.
Из существующего уровня техники известны различные упругие элементы тарельчатого типа со значительным спектром упругих и уплотнительных характеристик или особо выносливые, но с низкими упругими и уплотнительными свойствами во времени. Данные элементы, как правило, обладают повышенной конструкционной сложностью и склонны к широкой вариативности геометрических параметров и силовой характеристики изделия с низкой устойчивостью к внешним факторам технологической среды.
Одним из близких технических решений, выбранных в качестве ближайшего аналога к заявляемому объекту, является упругий элемент (по авторскому свидетельству №1551865 «Тарельчатая пружина», F16F 1/32, C21D 7/06, опубл. 23.03.1990). Радиальное сечение тарельчатой пружины представляет собой выпуклый четырехугольник, а отношение минимальной и максимальной толщин пружины равно отношению диаметра отверстия к наружному диаметру пружины в ее срединной поверхности, что позволяет существенно повысить удельную энергоемкость пружины.
К существенным недостаткам данного технического решения, следует отнести «точечный» контакт в местах соприкосновения с прижимными поверхностями, и как следствие резкое возрастание напряжения в точке контакта с прижимными поверхностями при возникновении нагрузки на пружину. Все это приводит в свою очередь к снижению сопротивляемости пружины против сил усталости, коррозии под нагрузкой и износу.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве ближайшего аналога-прототипа к заявляемому объекту, является упругий элемент (по авторскому свидетельству №1201580 «Тарельчатая пружина», F16F 1/32, опубл. 30.12.1985). Где, при наружном диаметре пружины - D, ширина опорных площадок выбрана равной в 0,04D, а радиус галтелей - 0,015D, что позволяет увеличить долговечность и грузоподъемность пружины.
К существенным недостаткам данного технического решения, следует отнести форму радиального сечения при постоянстве толщин по всей длине конической поверхности, что не обеспечивает при нагрузке постоянства величин напряжения по ее образующим, а это приводит к достижению меньших значений удельной энергоемкости тарельчатых пружин.
Технической задачей, решаемой изобретением, является разработка упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа с повышенной конструкционной прочностью и энергоемкостью, обеспечивающего наряду с повышенными упругими свойствами уплотнение соприкасающихся поверхностей, за счет снижения и распределения напряжения, а также увеличения площади соприкосновения в местах контакта с прижимными поверхностями.
Для решения поставленной задачи предлагается упругий уплотнительный элемент тарельчатого типа, выполненный в виде конусообразного кольца, отличающийся тем, что наружная и внутренняя конические поверхности упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа, в радиальном сечении с формой в виде трапеции, содержат в местах контакта с опорной и прижимной поверхностями опорные плоскости, линейные размеры ширины которых соответственно равны  длин оснований трапеции, при их соотношении верхнего к нижнему, равным 1: 2, а кромки конических поверхностей притуплены с радиусным скруглением от 0,05 до 0,1 толщины упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа по внутреннему и внешнему диаметру соответственно.
Указанная в предлагаемом изобретении совокупность признаков, а именно:
- придание в радиальном сечении упругому уплотнительному элементу тарельчатого типа формы в виде трапеции, при соотношении длин ее оснований верхнего к нижнему 1: 2, позволяет повысить его эластичность, а следовательно, увеличить статистическую прочность и энергоемкость;
- наличие на наружной и внутренней конической поверхности упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа в местах контакта с опорной и прижимной поверхностями опорных плоскостей, линейные размеры ширины которых соответственно равны  длин оснований трапеции, позволяет распределить по всей опорной плоскости и снизить напряжения сжатия, действующие на упругий уплотнительный элемент тарельчатого типа при возникновении нагрузок, а также избежать пластических деформаций, возникающих при длительных статистических нагрузках. Наличие опорных плоскостей также позволяет повысить уплотнительные свойства упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа и как следствие обеспечить его использование в агрессивной технологической среде;
- выполнение кромок конических поверхностей с радиусным скруглением от 0,05 до 0,1 толщины упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа по внутреннему и внешнему диаметру соответственно позволяет снизить концентрации напряжений сжатия и растяжения у кромок конических поверхностей и как следствие повысить эксплуатационный ресурс.
Достигаемым техническим результатом, обеспечиваемым указанной совокупностью признаков, является повышение конструкционной прочности и энергоемкости, повышение усталостной прочности и как следствие эксплуатационного ресурса, а также повышение уплотнительных свойств соприкасающихся поверхностей упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен упругий уплотнительный элемент тарельчатого типа, продольное сечение.
1
1
Упругий уплотнительный элемент тарельчатого типа 1 представляет собой тело вращения с диаметром D изготовленный из пружинной стали с конической срединной поверхностью с формой в радиальном сечении в виде трапеции 2 с отверстием 3 по центру диаметра d, наружная 4 и внутренняя 5 конические поверхности которого содержат в местах контакта с опорной и прижимной поверхностями опорные плоскости 6 и 7 заданной ширины b и b соответственно, а внутренняя 8 и внешняя 9 стороны заданной толщины  соответственно упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа 1 представлены соответственно верхним и нижним основанием трапеции 2, кромки конических поверхностей 4 и 5 притуплены заданным радиусным скруглением R и R.
В соответствии с выше заявленным, заданные линейные размеры упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа соотносятся между собой следующим образом:
Упругий уплотнительный элемент тарельчатого типа работает следующим образом.
При возникновении внешней силы в местах контакта упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа с опорной и прижимной поверхностями, на опорных плоскостях происходит распределение концентраций напряжения сжатия, а за счет радиусного скругления конических поверхностей обеспечивается снижение напряжений сжатия и растяжения у их кромок, что в целом позволяет при возникшей, приложением внешней нагрузки, деформации упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа увеличить его жесткость, компенсация величины возникающего в его сечении изгибающего момента обеспечивается формой конической поверхности в виде трапеции в радиальном сечении с заданными величинами размеров ее оснований, увеличение поверхности контакта упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа с опорной и прижимной поверхностями за счет наличия опорных плоскостей на конической поверхности позволяет повысить прижимные и уплотнительные свойства упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа, а следовательно обеспечить его использование в агрессивной технологической среде. Таким образом, при работе упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа обеспечивается изменение его характеристик, отвечающих заявленной в данном изобретении совокупности признаков с достижением поставленного результата.
При осуществлении изобретения получен технический результат, заключающийся в разработке стальных упругих уплотнительных элементов тарельчатого типа с повышенной конструкционной прочностью и энергоемкостью, которые могут быть использованы для упругого уплотнения узлов технологического оборудования, работающего в агрессивной технологической среде.
Из патентной литературы не известны конструкции стальных упругих уплотнительных элементов тарельчатого типа с повышенной конструкционной прочностью и энергоемкостью, которые могут быть использованы для упругого уплотнения узлов технологического оборудования, работающего в агрессивной технологической среде, что говорит о его новизне и соответствию этому критерию для изобретения.
Совокупность изложенных выше существенных признаков необходима и достаточна для реализации задачи заявляемого решения. При этом между совокупностью существенных признаков и задачей, поставленной и решаемой изобретением, существует причинно-следственная связь, при которой сама совокупность признаков является причиной, а решаемая ими задача является следствием. Исходя из этих доводов, правомерен вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует установленному критерию - изобретательский уровень (неочевидность).
Заявляемое техническое решение может быть неоднократно реализовано с получением указанного выше технического результата.
Предлагаемое решение в качестве изобретения применяется в промышленных масштабах для собственных нужд в Газопромысловом управлении ООО «Газпром добыча Астрахань» при производстве ремонтных работ по восстановлению работоспособного состояния шаровых кранов от 4'' до 6'' ANSI 900 RTJ производства фирмы «MAPEGAZ» (Франция), связанных с заменой разрушенной тарельчатой пружины на упругий уплотнительный элемент тарельчатого типа с повышенной конструкционной прочностью и энергоемкостью, изготовленный в соответствии с предлагаемым изобретением из материала ХН70МВЮ согласно разработанной спецификации.
Решение, таким образом, соответствует критерию «промышленная применимость».
Технико-экономическое преимущество заявляемого изобретения заключается в изготовлении упругого уплотнительного элемента тарельчатого типа, не уступающих по своим технико-эксплуатационным свойствам оригинальным импортным аналогам тарельчатой пружины, при значительно меньших производственных затратах.