Поршень с самокомпенсирующим уплотнительным элементом

 

Поршень предназначен для гидравлических цилиндров, используемых в гидроприводах различных машин и механизмов. Поршень содержит корпус поршня и установленный на нем эластичный уплотнительный элемент, при этом эластичный уплотнительный элемент залит на корпусе поршня в пресс-форме и в статическом состоянии имеет наружную торовую поверхность с радиусом от 1 до 1,5 диаметра гидроцилиндра и ширину от 0,2 до 0,3 того же диаметра, причем уплотнительный элемент залит в установочной канавке Т-образной формы, имеющей в верхней части (наружной) форму ласточкиного хвоста. Технический результат - повышение надежности. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к гидроприводу, и может быть использовано в гидроцилиндрах сельскохозяйственной техники с возвратно-поступательным движением поршня диаметрами от 80 до 140 мм.

Известно авторское свидетельство 1610160 "Сборный поршень", опубликованное 30.11.1990, бюл. 44, включающий в себя двухстороннее опорное кольцо, резиновые манжеты, прижимные шайбы. Недостатками конструкции являются сложное изготовление поршня и при использовании резиновых манжет увеличивается коэффициент трения и износ.

Также известно авторское свидетельство 1590769 "Поршневой узел", опубликованное 07.09.1990, бюл. 33, включающий в себя две части, составляющие поршень, и резиновые уплотнители. Недостатками являются сложность изготовления штока и применение резиновых уплотнительных колец.

Еще наиболее близким было принято за прототип авторское свидетельство 1566140 "Силовой цилиндр", опубликованное 23.05.1990, бюл. 19, включающий в себя поршень, резиновые уплотнительные кольца и сеть каналов для центрирования поршня. Недостатками являются сложность изготовления каналов и использование резины в качестве материала для изготовления уплотнительных элементов, которые при отрицательных температурах и работе в кислотных средах разрушаются, то есть ухудшаются физико-механические свойства.

Задачей изобретения является повышение надежности и работоспособности поршня с уплотнительным элементом и дополнительной сетью каналов для поджатия уплотнения к стенкам при упрощении конструкции поршня и снижении его стоимости и затрат на эксплуатацию.

Задача решается тем, что используют поршень силового гидроцилиндра, содержащий корпус поршня и установленный на нем эластичный уплотнительный элемент, при этом эластичный уплотнительный элемент залит на корпусе поршня в пресс-форме и в статическом состоянии имеет наружную торовую поверхность с радиусом от 1 до 1,5 диаметра гидроцилиндра и ширину от 0,2 до 0,3 того же диаметра, причем уплотнительный элемент залит в установочной канавке Т-образной формы, имеющей в верхней части (наружной) форму ласточкиного хвоста.

Кроме того, к нижней части установочной Т-образной канавки для уплотнительного элемента могут быть подведены компенсационные каналы, соединяющие полости гидроцилиндра, оборудованные разгрузочными каналами с клапанами, причем количество каналов составляет от 2 до 6 и расположены каналы симметрично по поршню.

А также эластичный уплотнительный элемент, установленный на поршне, может быть выполнен из полиамида марки П-610Л по ГОСТ 10581-87 и имеет модуль упругости 1700 МПа, причем чистота наружной поверхности уплотнительного элемента составляет R_a=0,25, при этом максимальный диаметр уплотнительного элемента по вершине больше внутреннего номинального диаметра цилиндра на 1-1,5 мм.

На фиг.1 представлена предложенная конструкция поршня в сборе, на фиг.2 - профиль каналов для подачи масла к уплотнительному элементу, на фиг.3 - график зависимости долговечности уплотнений от давления масла, на фиг.4 - график зависимости коэффициента трения от давления масла.

Конструкция, представленная на фиг.1, включает в себя корпус поршня 1, который установлен на штоке 8 и зафиксирован гайкой 9. Поршень 1 имеет уплотнительные элементы 2, 3, где уплотнительный элемент 2 установлен в наружной проточке шириной 0,2-0,03 и глубиной 0,015-0,02 диаметра поршня, причем уплотнительный элемент залит в установочной канавке Т-образной формы, имеющей в верхней части (наружной) форму ласточкиного хвоста, и выполнен из полимерного материала марки П-610Л по ГОСТ 10581-87. Полученный в результате заливки уплотнительный элемент 2 имеет торовую поверхность с радиусом от 1 до 1,5 диаметра гидроцилиндра и чистоту поверхности R_a=0,25, определенную опытным путем. В поршне 1 в нижней части установочной Т-образной канавки для уплотнительного элемента выполнены компенсационные каналы 4, соединяющие полости гидроцилиндра, оборудованные разгрузочными клапанами 5, 6. Также для того чтобы клапаны не запирали каналы 4 при подаче масла под давлением, он снабжен проточками 7 звездообразной формы (фиг.2). При этом количество каналов 4 составляет от 2 до 6 и расположены симметрично по поршню. Форма ласточкиного хвоста и его угол были подобраны опытным путем и сформированы так, чтобы при работе уплотнительный элемент не выдавило давлением масла, при этом за счет данной формы полиамидный уплотнительный элемент под давлением масла деформируется и поджимается к зеркалу цилиндра. Каналы 4 изготовлены так, чтобы забивание их инородными частицами было минимальным. Диаметр шариков в клапанах 5 и 6 выбраны по результатам практических испытаний так, чтобы при подаче масла было хорошее перекрытие отверстия с обратной стороны давления.

Предложенная конструкция работает следующим образом. При подаче рабочей жидкости с той или иной стороны поршня срабатывают клапаны 5 или 6 и по дополнительной сети каналов 4 производится дополнительное поджатие уплотнительного элемента 2, а также при работе создается смазывающая пленка между зеркалом цилиндра и уплотнительным элементом 2, что снижает износ уплотнительного элемента. Проведенные сравнительные испытания при статистическом и динамическом режиме серийных резиновых манжет и опытного полиамидного уплотнения на испытательном стенде в экспериментальной лаборатории кафедры графики и деталей машин Уральской Государственной Сельскохозяйственной Академии показали, что в течение 5 часов давление масла у резины упало на 3%, у полиамида на 2%. Также проведенные испытания показали, что полиамид марки П-610Л по ГОСТ 10581-87 по своим физико-механическим и эксплуатационным свойствам не уступает серийным резиновым манжетам, а по некоторым параметрам их даже превосходит. Дополнительно были проведены длительные испытания полиамидного уплотнения на гидроцилиндр диаметром 80 мм в АОЗТ "Форлекс", где были поставлены опытные образцы на бульдозер (трактор Т-130), и испытания показали, что срок службы у поршней с полиамидным покрытием по сравнению с поршнями, на которых были установлены серийные резиновые манжеты, в 4-5 раз больше. График долговечности уплотнений представлен на фиг.3.

Преимущества данной конструкции заключаются в следующем. Так как уплотнительный элемент имеет незначительную толщину и расположен на металлической основе, то влияние усадочных явлений сведено к минимуму. Во вторых, снижается трудоемкость и понижается себестоимость деталей за счет исключения дополнительных деталей. Обеспечивается простой монтаж и демонтаж неразборного поршня. Оптимальные размеры уплотнительного элемента будут зависеть от рабочего давления жидкости, физико-механических свойств полимерного материала. Расчет этих параметров производится на основе гидродинамической теории смазки. При высоком давлении жидкости и упругом поджатии уплотнительного элемента необходимо обеспечить надежную смазочную пленку в условиях граничного трения. В условиях смазки коэффициент трения между полиамидом и металлом будет минимальным, поэтому износ будет незначителен. Зависимость коэффициента трения от давления представлена на фиг.4.

В процессе эксплуатации под высоким давлением полиамидный уплотнительный элемент будет насыщаться смазочным маслом, увеличиваясь в объеме, за период времени 1 месяц на 0,15%, что будет компенсировать появляющийся износ. При расчете размеров уплотнительного элемента учитывались силы его поджатия за счет упругой деформации и гидравлического давления, а также достаточная толщина смазочной пленки между трущимися поверхностями. Слой полиамидной заливки деформируется и плотно поджимается к зеркалу цилиндра и является не только уплотнителем, но и одновременно является направляющей поверхностью поршня с малым коэффициентом трения.

Проведенные лабораторные и производственные испытания показали, что предложенная конструкция работоспособна, проста в эксплуатации, надежна в работе и может быть рекомендована на производство для установки в гидроцилиндры сельскохозяйственных машин.

Формула изобретения

1. Поршень силового гидроцилиндра, содержащий корпус поршня и установленный на нем эластичный уплотнительный элемент, отличающийся тем, что эластичный уплотнительный элемент залит на корпусе поршня в прессформе и в статическом состоянии имеет наружную торовую поверхность с радиусом от 1 до 1,5 диаметра гидроцилиндра и ширину от 0,2 до 0,3 того же диаметра, причем уплотнительный элемент залит в установочной канавке Т-образной формы, имеющей в верхней части (наружной) форму ласточкиного хвоста.

2. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что к нижней части установочной Т-образной канавки для уплотнительного элемента подведены компенсационные каналы, соединяющие полости гидроцилиндра, оборудованные разгрузочными каналами с клапанами, причем количество каналов составляет от 2 до 6 и расположены каналы симметрично по поршню.

3. Поршень по п.1 или 2, отличающийся тем, что эластичный уплотнительный элемент, установленный на поршне, выполнен из полиамида марки П-610Л по ГОСТ 10581-87 и имеет модуль упругости 1700 МПа, причем чистота наружной поверхности уплотнительного элемента составляет R_a= 0,25, при этом максимальный диаметр уплотнительного элемента по вершине больше внутреннего номинального диаметра цилиндра на 1-1,5 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4