Контактное уплотнение цилиндрической пары

 

Использование: изобретение может быть использовано в технике высоких давлений. Сущность изобретения: уплотнительные элементы включают манжету и защитные кольца, состоящие из ряда антиэкструзионных колец и подкладного кольца. При этом зазоры относительно уплотняемой поверхности ступенчато уменьшаются от подкладного кольца до антиэкструзионного кольца, расположенного рядом с манжетой, где зазор равен нулевому. При этом изменение зазоров пропорционально изменению жесткости материалов антиэкструзионных колец с возможностью обеспечения взаимной защиты уплотнительных элементов. Антиэкструзионные кольца в радиальном направлении нагружены экспандерами различной жесткости, величины которых изменяются пропорционально изменению жесткости антиэкструзионных колец. 2 с.п. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к контактным уплотнениям высокого давления, преимущественно в компрессорах.

Известна манжета, опорная часть которой выполнена с переменной жесткостью за счет включения в ее опорную часть колец различных (жесткостей) размеров (1).

Недостатком является недостаточная антиэкструзионная защита на высокое давление, поскольку уплотнительный элемент выполнен с возможностью контакта с контртелом по всей своей поверхности. При повышении давления среды циклическая прочность сопряжений элементов значительно уменьшается, что существенно снижает ресурс работы уплотнения.

Известно уплотнение рабочих поверхностей гидроцилиндра, содержащее V-образную манжету и разрезное защитное кольцо, состоящее из двух соприкасающихся под углом 45^o частей, высота каждой из которых меньше высоты манжеты (2).

Недостатками являются значительное изнашивание металлического защитного кольца при высоких нагрузках за счет механических нагрузок контактирующих поверхностей и повышенная температура в зоне трения, обусловливающая повышение интенсивности износа.

Наиболее близким по технической сущности является контактное уплотнение цилиндрической пары, включающее уплотнительный элемент в виде манжеты, защитное средство и подкладное кольцо, установленное с радиальным зазором (3).

Недостатком является то, что подкладное кольцо сглаживает влияние перекосов плунжера (относительно цилиндра) на работу защитного средства, но не учитывает другие погрешности: параллельное и угловое смещение осей цилиндра и плунжера, неидеальную круговую форму их поперечного сечения, а также изменение геометрических размеров цилиндрической пары под нагрузкой. В результате повышаются тепловыделение и износ, ухудшающие работу и сокращающие ресурс уплотнения.

Задачей изобретения является увеличение ресурса уплотнения при работе в загрязненной среде за счет повышения эффективности взаимной защиты уплотнительных элементов в условиях обедненной смазки.

Поставленная задача достигается контактным уплотнением цилиндрической пары (и его вариантом), содержащим уплотнительный элемент в виде манжеты, защитное средство и подкладное кольцо, установленное с радиальным зазором, в котором подкладное кольцо установлено с радиальным зазором относительно подвижной уплотняемой поверхности цилиндрической пары, а величина его равна максимальному возможному смещению уплотняемой поверхности, при этом защитное средство выполнено из нескольких антиэкструзионных колец различной жесткости и с различными зазорами относительно уплотняемой поверхности, величина изменений которых пропорциональна изменению жесткости материалов антиэкструзионных колец и увеличивается в сторону подкладного кольца с возможностью соблюдения взаимной защиты, при этом антиэкструзионные кольца радиально нагружены экспандерами различной жесткости, величины которых пропорциональны жесткости колец защитного средства.

Целесообразно экспандеры выполнить из эластичного материала.

При этом экспандеры могут быть объединены между собой в одно кольцо переменного сечения.

Вариант контактного уплотнения цилиндрической пары содержит уплотнительный элемент в виде манжеты, защитное средство и подкладное кольцо, установленное с радиальным зазором, в котором, согласно изобретению, подкладное кольцо установлено с радиальным зазором относительно уплотняемой поверхности цилиндрической пары, а величина его равна максимально возможному смещению уплотняемой поверхности, при этом защитное средство выполнено из нескольких антиэкструзионных колец различной жесткости и с различными зазорами относительно уплотняемой поверхности, величина изменений которых пропорциональна изменению жесткости материалов антиэкструзионных колец и увеличивается в сторону подкладного кольца с возможностью соблюдения взаимной защиты, при этом антиэкструзионные кольца радиально нагружены экспандерами различной жесткости, величины которых пропорциональны жесткости колец защитного средства, кроме того, со стороны высокого давления установлены дополнительное антиэкструзионное кольцо с ластом, направленным в сторону манжеты, экспандер из эластичного материала между манжетой и дополнительным антиэкструзионным кольцом с возможностью одновременного нагружения ластов манжеты и дополнительного антиэкструзионного кольца и сборочное кольцо.

На фиг. 1 изображено уплотнение в общем виде; на фиг. 2 вариант уплотнения с дополнительным антиэкструзионным кольцом со стороны высокого давления.

Уплотнение между подвижными одна относительно другой поверхностями цилиндрической пары смонтировано в расточке 1, например, цилиндра 2 (или поршня) и содержит уплотнительный элемент в виде манжеты 3 из эластичного материала, защитное средство, состоящее из ряда антиэкструзионных колец 4 из пластмасс различной жесткости и металлического подкладного кольца 5. Манжета 3 выполнена такой формы, которая обеспечивает предварительную нагрузку на эластичную уплотняющую кромку 6. Подкладное кольцо 5 установлено со стороны низкого давления и выполнено с зазором 7 со стороны подвижной уплотняемой поверхности, например, плунжера 8. Величина зазора 7 равна и складывается из перекоса осей, несоосности плунжера 8 относительно цилиндра 2 и других погрешностей в изготовлении цилиндрической пары, а также изменения размеров плунжера и цилиндра под нагрузкой в процессе сжатия рабочей среды.

Защитное средство состоит из ряда антиэкструзионных колец 4, выполненных из материалов различной жесткости (например, самосмазывающихся пластмасс). Зазор колец 4 изменяется от нулевого (или беззазорная установка, или с небольшим натягом) со стороны манжеты 3 до такого, при котором антиэкструзионное кольцо, стоящее рядом с подкладным кольцом 5, сохраняет необходимый ресурс. Другими словами, подкладное кольцо 5 выполняет защитную функцию по отношению к рядом стоящему кольцу из защитного средства. Кольца 4 защитного средства снабжены экспандерами 9 различной жесткости: пропорционально жесткости колец. Кольца 4 в защитном средстве, имеющие меньший зазор (по сравнению с соседним кольцом со стороны низкого давления), должны иметь возможность больших радиальных смещений: под воздействием смещений уплотняемой поверхности и обратного смещения под воздействием в основном экспандера. Оптимизация радиальной нагрузки от кольца к кольцу (увеличивается износостойкость) достигнута переменной жесткостью экспандеров 9.

Повышение эффективности уплотнения, например, при работе на сухое трение достигается вариантом контактного уплотнения, где предусмотрена задержка продуктов износа уплотнительных элементов в пределах уплотнения. Для этого со стороны давления устанавливают дополнительное антиэкструзионное кольцо 10 с ластом 11, направленным в сторону манжеты, снабженной ластом. Направленные навстречу друг другу ласты манжеты и антиэкструзионного кольца нагружают к уплотняемой поверхности поджимным кольцом 12 из эластичной резины. Постановка уплотнения с натягом осуществляется с помощью сборочного кольца 13.

Работает уплотнение следующим образом. Сжатие рабочей среды производится при движении плунжера 8 относительно цилиндра 2, при этом проявляются неточности изготовления цилиндрической пары, изменение ее геометрических размеров под нагрузкой, что наблюдается в радиальном смещении уплотняемой поверхности плунжера. Кольца, установленные на плунжере с различными зазорами, испытывают при этом различные радиальные напряжения, деформации и смещения относительно друг друга. Кольцо, стоящее рядом с манжетой 3, подвергается наибольшей деформации, а рядом с подкладным кольцом 5 минимальной. Чем меньше деформация кольца из защитного устройства, чем более жесткий материал для кольца применен, тем оно износоустойчивое. Кроме радиальных нагрузок на кольца действуют осевые нагрузки от давления сжимаемой среды. Нагрузка на кольцевую площадь, равную разности площадей двух соседних колец, обусловливает возможность экструзионного износа при недостаточной жесткости материала. Поэтому щель между нулевым зазором манжеты 3 и максимальным зазором 7 разделена кольцами 4 на оптимальные зазоры, соответствующие жесткости материалов колец из условия предотвращения экструзионного износа их. В процессе износа предварительные контактные давления колец 4 на уплотняемую поверхность осуществляют экспандерами.

В работе уплотнения подкладное кольцо 5 не имеет контакта с движущейся уплотняемой поверхностью, например, плунжера, вследствие чего оно не имеет радиальных смещений.

Например, при работе на газообразной среде между контактирующими поверхностями уплотнительных элементов и плунжера существует газовая прослойка, заполняющая микронеровности поверхности плунжера. Эта газовая прослойка обусловливает утечки газа, уменьшение контакта манжеты с плунжером и перепад давления на каждом кольце. Под влиянием этой нагрузки, температуры и трения между контактирующими поверхностями происходит износ уплотнительных элементов. Один из видов разрушения обусловлен экструзией материала кольца, например, манжеты, в зазор между последующим (в сторону низкого давления) кольцом и плунжером. Интенсивность экструзии зависит также от трения и температуры уплотнительных элементов. Следовательно, воздействием на величину микронеровностей уплотняемой поверхности, трение между кольцами и на температуру уплотнения можно снизить износ элементов уплотнения. Манжета 3 установлена с нулевым зазором, а минимально возможный зазор (из условия предотвращения контакта) подкладного кольца 5 определяется теоретически возможным радиальным смещением уплотняемой поверхности в работе цилиндрической пары, в том числе и под нагрузкой. Радиальные перемещения колец 4 под воздействием смещения уплотняемой поверхности уменьшаются в сторону подкладного кольца 5. Одновременно с уменьшением деформаций колец 4 применяется более жесткий полимерный материал. Это объясняется тем, что радиальные механические нагрузки уменьшаются, а эрозионные нагрузки этот полимер лучше переносит. Ввиду небольшого радиального смещения возможна постановка экспандера.

Среди антиэкструзионных колец 4 то, которое рядом с манжетой 3, имеет наибольшее радиальное смещение, поэтому используется меньший по жесткости полимерный материал. Для компенсации износа этого кольца и создания необходимого контактного давления на уплотняемую поверхность комэкспандер выполняется менее жестким или для экспандера берется менее жесткий материал (по сравнению с остальными экспандерами) и в то же время обеспечивается необходимое радиальное перемещение.

Экспандер в виде одного кольца переменного сечения из эластичного материала (и отчасти собственная упругость антиэкструзионного кольца) позволяет компенсировать износ и обеспечить оптимальное контактное давление на уплотняемую поверхность каждому антиэкструзионному кольцу ввиду его (экспандера) переменной жесткости.

Разница давлений с той и другой стороны защитного средства воспринимается не одним кольцом, вследствие чего каждое антиэкструзионное кольцо работает на планируемый перепад давления, соответствующий примененному материалу каждого кольца. При этом трение между кольцами 3, 4, 5 минимальное ввиду незначительности взаимных смещений. Защитное средство не только предотвращает экструзию манжеты, но и снижает утечки среды, что улучшает условия работы ее и повышает ресурс.

В случае установки перед манжетой со стороны высокого давления антиэкструзионного кольца 10 под уплотнительными элементами, в том числе и подвижным кольцом 12, остаются продукты износа их. Находясь между уплотнительными элементами и плунжером, эти продукты износа измельчаются и заполняют микронеровности поверхности плунжера, а также частично удерживаются, внедряясь в поджимное кольцо 12. В результате этого уменьшаются утечки среды, уменьшается трение и как следствие снижается износ уплотнительных элементов.

На антиэкструзионном кольце 10 целесообразно со стороны высокого давления выполнить фаску (или всю поверхность выполнить конической), что даст возможность вернуться продуктам износа элементов уплотнения, захваченных поверхностью плунжера, обратно в зону уплотнения при обратном ходе плунжера. Это обеспечивает уменьшение износа элементов уплотнения и повышение ресурса его работы даже при недостаточной (обедненной) смазке.

Формула изобретения

1. Контактное уплотнение цилиндрической пары, содержащее уплотнительный элемент в виде манжеты, защитное средство и подкладное кольцо, установленное с радиальным зазором, отличающееся тем, что подкладное кольцо установлено с радиальным зазором относительно подвижной уплотняемой поверхности цилиндрической пары, а величина его равна максимальному возможному смещению уплотняемой поверхности, при этом защитное средство выполнено из нескольких антиэкструзионных колец различной жесткости и с различными зазорами относительно уплотняемой поверхности, величина изменений которых пропорциональна изменению жесткости материалов антиэкструзионных колец и увеличивается в сторону подкладного кольца с возможностью соблюдения взаимной защиты, при этом антиэкструзионные кольца радиально нагружены экспандерами различной жесткости, величины которых пропорциональны жесткости колец защитного средства.

2. Уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что экспандеры выполнены из эластичного материала.

3. Уплотнение по п.2, отличающееся тем, что экспандеры объединены между собой в одно кольцо переменного сечения.

4. Контактное уплотнение цилиндрической пары, содержащее уплотнительный элемент в виде манжеты, защитное средство и подкладное кольцо, установленное с радиальным зазором, отличающееся тем, что подкладное кольцо установлено с радиальным зазором относительно подвижной уплотняемой поверхности цилиндрической пары, а величина его равна максимальному возможному смещению уплотняемой поверхности, при этом защитное средство выполнено из нескольких антиэкструзионных колец различной жесткости и с различными зазорами относительно уплотняемой поверхности, величина изменений которых пропорциональна изменению жесткости материалов антиэкструзионных колец и увеличивается в сторону подкладного кольца с возможностью соблюдения взаимной защиты, при этом антиэкструзионные кольца радиально нагружены экспандерами различной жесткости, величины которых пропорциональны жесткости колец защитного средства, кроме того, со стороны высокого давления установлены дополнительное антиэкструзионное кольцо с ластом, направленным в сторону манжеты, экспандер из эластичного материала между манжетой и дополнительным антиэкструзионным кольцом с возможностью одновременного нагружения ластов манжеты и дополнительного антиэкструзионного кольца и сборочное кольцо.

РИСУНКИ

Рисунок 1