Профильный уплотнительный элемент для подвижных и неподвижных соединений
Изобретение относится к арматуростроению и машиностроению, к уплотнениям подвижных и неподвижных соединений. Профильный уплотнительный элемент выполнен с объемно-проницаемым и упругим армирующим элементом, поровое пространство которого заполнено изделием-наполнителем. Уплотнительный элемент снаружи полностью покрыт непроницаемой для рабочей среды многослойной оболочкой из слоев разных уплотнительных и армирующих изделий, связанных монолитно друг с другом. Приведены варианты выполнения изделия-наполнителя.
Изобретение позволяет повысить стойкость уплотнительного элемента в агрессивных средах и обеспечить упругую податливость при повышенных и пониженных температурах эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к арматуростроению и машиностроению, к уплотнениям подвижных и неподвижных соединений.
Известно кольцо круглого или профильного сечения для уплотнения подвижных или неподвижных соединений, выполненное из эластичного материала (см. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник под ред. А.Голубева и Л.Кондакова, 2 изд. - М. Машиностроение, 1994 г., с.148).
Недостатком конструкции является подверженность к выдавливанию в зазор сопряжения «поршень-цилиндр» эластичного материала уплотнения и низкая термостойкость, химическая стойкость в агрессивных средах эластичных материалов (резина, полиуретан). Применение более термостойких и химически стойких материалов, например фторопласта, полипропилена, ограничивается их крайне низкими эластичными свойствами.
Известен профильный уплотнительный элемент, выполненный с армирующим объемно-проницаемым и упругим элементом, залитым уплотнительным материалом, например эластомером (патент RU 2236629 БИ №26, 2004). В качестве уплотнительного материала может быть использован фторопласт, который малоэластичен. Данное техническое решение позволяет повысить упругость и эластичность уплотнительного элемента за счет введения вовнутрь уплотнительного элемента объемно-проницаемого и упругого армирующего элемента.
Однако обеспечить свойства высокой эластичности при применении неэластичных уплотнительных материалов невозможно, т.к. уплотнительный материал (неэластичный) механически удерживается в ячейках и препятствует восстановлению измененной формы, что не обеспечивает уплотнение поверхностей при низких перепадах давлениях и при износе рабочей поверхности. Выход на поверхность армирующего элемента, который имеет место здесь, нежелателен, т.к. в большинстве своем материалы металлических проволок армирующего элемента менее стойкие в агрессивных средах, чем уплотнительный материал, что приводит со временем к его коррозии, разрушению и выходу из строя уплотнительного элемента. При более высоких температурах, чем 200...250°С, полимерные материалы невозможно применять из-за их теплового разрушения и снижения механических свойств.
Задачи изобретения - повышение стойкости профильного уплотнительного элемента в агрессивных средах, обеспечение упругой податливости при повышенных и пониженных температурах эксплуатации, расширение функциональных способностей.
Технический результат заключается в том, что в профильном уплотнительном элементе, выполненном с объемно-проницаемым и упругим армирующим элементом, поровое пространство которого заполнено изделием-наполнителем, армирующий элемент с изделием-наполнителем снаружи полностью покрыт непроницаемой для рабочей среды многослойной оболочкой из слоев разных уплотнительных и армирующих изделий, при этом изделие-наполнитель выполнено частично или полностью в виде: эластичного, упругого изделия, жидкости разной вязкости, геля, газа, твердых частиц, размер которых меньше размеров пор армирующего элемента, легкоплавкого вещества, температура плавления которого ниже рабочей температуры уплотнительного элемента; газа, температура конденсации которого выше рабочей температуры уплотнительного элемента или смеси нескольких вышеуказанных веществ, кроме этого:
- твердые частицы выполнены металлическими, неметаллическими или в виде смеси вышеуказанных материалов;
- твердые частицы выполнены с округлыми формами в виде изделий: песка, стеклянных, кварцевых, металлических шариков.
На чертеже показана конструкция профильного уплотнительного элемента.
Профильный уплотнительный элемент (ПУЭ) 1 для подвижных и неподвижных соединений выполнен с объемно-проницаемым и упругим армирующим элементом (АЭ) 2, например, из "металлорезины" МР. Поровое пространство АЭ2 заполнено изделием-наполнителем (ИН)3. АЭ2 с ИНЗ снаружи полностью покрыт непроницаемой для рабочей среды многослойной оболочкой (МО) 4 из разных уплотнительных и армирующих изделий.
МO4 может быть выполнена многослойной в нормальном сечении, из нескольких слоев разных уплотнительных и армирующих изделий, связанных монолитно друг с другом, из термостойких и химически стойких к агрессивным средам изделий, например, фторопласта, полиимида, полипропилена, из износостойкого материала, например, полимерного наполненного стекловолокном, коксом, углеродным, арамидовым волокном, например, фторопласта, полиимида, углепластика, стеклопластика. МO4 может быть выполнена частично или полностью металлической (один слой металлический, другие неметаллические) из тонкого листа, полосы или фольги, например, из коррозионностойкой стали, титанового сплава, сплава хастелоя и других коррозионностойких к агрессивным средам материалов.
В качестве армирующей одной или нескольких оболочек МO4 применены: металлическая и неметаллическая сетки, нити, проволока, перфорированные изделия, спиральные изделия в виде пружин с упругими или неупругими свойствами, объемные упругие проницаемые изделия, например МР.
ИНЗ выполнено частично или полностью в виде: эластичного, упругого изделия, например, в виде резины, полиуретана; жидкости разной вязкости, геля, газа, твердых частиц, размер которых меньше размеров пор армирующего элемента, легкоплавкого вещества, температура плавления которого ниже рабочей температуры уплотнителыюго элемента и температуры плавления АЭ2, МО4; газа, температура конденсации которого выше рабочей температуры уплотнительного элемента (углекислый газ, фреон и др.) или смеси нескольких вышеуказанных веществ или изделий.
Профиль ПУЭ 1 может быть и не круглым, например квадратным, эллиптическим, многогранным, U-, V-, X-, Z-образным, в виде шнура, полосы, листа определенных размеров, при этом АЭ2, МО4 изготавливают подобно наружной поверхности ПУЭ 1.
Твердые частицы ИНЗ могут быть выполнены металлическими, неметаллическими или в виде смеси вышеуказанных изделий, материалов, веществ, причем их наружная форма может быть округлой, например, изделия в виде: песка, стеклянных, кварцевых, металлических шариков. Гранулометрический состав может быть одинаков и различным (но максимальный размер частиц всегда меньше внутреннего размера пор АЭ2) с целью максимального заполнения внутреннего пространства пор АЭ2, т.е. в одном ПУЭ1 частицы разных размеров обеспечивают более полную их упаковку и сводят к минимуму объем свободного, ничем не заполненного, порового пространства АЭ2.
Работа устройства.
ПУЭ1 устанавливают между уплотняемыми поверхностями (в одном изделии может быть углубление в виде канавки для этого). ПУЭ1 обладает большой упругой податливостью в направлении уплотняемой поверхности за счет наличия упругого объемно-проницаемого АЭ2, что позволяет применить низкоэластичные или неэластичные материалы (фторопласт, полиимид, металл) для МО4. В результате в зоне трения или зоне уплотнения неподвижного соединения создаются достаточно высокие начальные контактные напряжения для обеспечения герметичности. При этом неэластичный, неупругий материал М04 приобретает способность выполнять уплотнительную функцию как эластичный и упругий уплотнительный материал, при этом АЭ2 выполняет функцию трансформатора упругости, а МО4 - элемента защиты внутренних ИНЗ, АЭ2 от воздействия агрессивных сред, износа при трении. Выполнение МО4 многослойной позволяет применять жесткие материалы в виде фольги, ленты, при этом их жесткость за счет этого снижается и улучшается уплотняющая способность за счет лучшего прилегания к уплотняемой поверхности, особенно при больших размерах ПУЭ1. Выполнение МО4 из термостойкого и химически стойкого к агрессивным средам изделия, например, фторопласта, полиимида позволяет повысить стойкость ПУЭ1 в агрессивной среде при повышенных температурах, т.к. для применяемых материалов обычно применяют внешние упругие элементы поджима, которые должны быть также коррозионносойкими или должны быть вынесены из зоны воздействия агрессивной среды. В данном случае упругий элемент поджима выполнен в виде размещенного изнутри АЭ2 с упругими свойствами. Выполнение МО4 из износостойкого материала (изделия), например, полимерного наполненного стекловолокном, коксом, углеродным волокном фторопласта, полиимида, стеклопластика, углепластика, позволяет повысить износостойкость ПУЭ1 при трении. А выполнение МО4 металлической, например, из тонкого листа или фольги из коррозионностойкой стали, титанового сплава обеспечивает увеличение термостойкости уплотнения и возможность его длительного использования при температурах выше 250-300°С, при которых полимеры не могут быть использованы.
Использование в МО4 армирующих одной или нескольких оболочек из металлической или неметаллической сетки, перфорированных изделий, спиральных изделий в виде пружин с упругими или неупругими свойствами, которые монолитно связаны с другими уплотнительными и армирующими слоями МО4, позволяет повысить прочность МО4 из полимерных материалов при трении, деформации от перепада давлений на ПУЭ1, придать МО4 и ПУЭ1 дополнительно упругие свойства.
Выполнение ИН3 эластичным и упругим, например, в виде резины, полиуретана обеспечивает высокую эластичность и упругую податливость ПУЭ1. Внутреннее поровое пространство объемно-проницаемого и упругого АЭ2 может должно быть заполнено газом под давлением, который играет роль демпфера, дополнительного упругого элемента, однако при этом должно учитываться, что газ сжимается под давлением. Если применить газ, который при снижении температуры ПУЭ1 перейдет в жидкое состояние (фреон и др.), то образуется жидкость, которая не сжимаема и обеспечит хорошие уплотняющие способности ПУЭ1 при низких температурах (криогенная техника), несжимаемость внутреннего пространства АЭ2 и свободу перемещения АЭ2. При этом точка конденсации газа должна быть выше более высокой (например, 40°С), чем рабочей температуры ПУЭ1 (например, 60°С).
Выполнение ИНЗ жидким обеспечивает минимальную фиксацию им каркаса АЭ2, что позволяет в полной мере использовать его упругие начальные свойства, которые в значительной степени теряются при заливке его неэластичным материалом. Использование в качестве ИНЗ малотекучей с высокой вязкостью жидкости облегчает технологию изготовления при наполнении внутреннего пространства ПУЭ1 (например, с помощью иглы шприца) и не позволяет вытекать жидкости при наличии микропор и микроповреждений на поверхности МО4 при эксплуатации. Выполнение ИНЗ гелеобразным еще более повышает надежность работы профильного уплотнительного элемента 1, т.к. гели обладают очень высокой вязкостью и при этом могут изменять свою форму и не снижать упругие свойства АЭ2.
Выполнение ИН3 легкоплавким, например металлическим (сплав Вуда, припои на основе свинца, олова и др.), температура плавления которого ниже температуры, при которой работает ПУЭ1, и температуры плавления АЭ2 и МО4, позволяет использовать ПУЭ1 при высоких температурах эксплуатации, более 300...400°С, при которых использовать другие жидкости невозможно по причине перехода их в газообразное (пар) состояние, при котором они становятся сжимаемыми под давлением и создают большое давление изнутри ПУЭ1 при переходе в парообразное состояние, что может разрушить его или деформировать, если внешнее давление отлично от внутреннего.
Наличие в ИН3 твердых частиц, например, в виде стеклянных, кварцевых (металлических) шариков, размер которых меньше наименьшего размера пор АЭ2, позволяет свести к минимуму (1...10%) или избавиться вообще от наличие жидкой фазы или эластичного изделия для обеспечения свободы упругой деформации каркаса АЭ2. Шарики могут быть различных фракций и занимать до 95...99% свободного внутреннего порового пространства, при этом они легко перекатываются «переливаются» при деформации АЭ2 и МО4, проявляя квазитекучие свойства, как жидкость, принимая новую форму тонкостенной оболочки 4. ИНЗ может быть полностью выполнено в виде шариков (стеклянных, металлических) различных размеров(их смеси), что обеспечивает высокую термостойкость и упругую податливость АЭ2 и ПУЭ1. Это важно при использовании ПУЭ1 при очень высоких рабочих температурах, когда применение жидких сред (неметаллических) невозможно по причине их разложения или парообразования. Выполнение АЭ2 с различной жесткостью позволяет изготавливать ПУЭ1, которые обеспечивают заданный коэффициент трансформации рабочего давления среды, действующего на поверхность уплотнительного элемента в давление направленное нормально к уплотнительной поверхности.
Выполнение твердых частиц ИНЗ из металла позволяет лучше отводит тепло от поверхности трения и дешевле, а из неметаллов (кварца, стекла) - повышает их износостойкость, термостойкость. Округлая наружная форма частиц в виде: песка, стеклянных, кварцевых, металлических шариков улучшает их способность перекатываться внутри каркаса АЭ2, ПУЭ1 и работоспособность ПУЭ1.
Профильный уплотнительный элемент позволяет повысить стойкость уплотнительного элемента в агрессивных средах за счет применения коррозионно- и эрозионностойкой, прочной многослойной оболочки и обеспечить значительную упругую податливость при повышенных и при пониженных температурах эксплуатации, при которых все эластичные материалы ее теряют. Это достигается наличием внутреннего АЭ2 и ИН3, который обеспечивает относительную свободу упругой деформации АЭ2. Это расширяет функциональные возможности ПУЭ.
Данный уплотнительный элемент может быть использован для уплотнения подвижных и неподвижных соединений в пневматических, гидравлических устройствах, насосах, компрессорах, буровой технике, трубопроводной арматуре для АЭС, ТЭС, работающих при больших давлениях в условии повышенных температур и агрессивных сред, а также в криогенной технике.
1. Профильный уплотнительный элемент для подвижных и неподвижных соединений, выполненный с объемно-проницаемым и упругим армирующим элементом, поровое пространство которого заполнено изделием-наполнителем, отличающийся тем, что армирующий элемент с изделием-наполнителем снаружи полностью покрыт непроницаемой для рабочей среды многослойной оболочкой из слоев уплотнительных и армирующих изделий, связанных монолитно друг с другом, при этом изделие-наполнитель выполнено в виде твердых частиц, размер которых меньше размеров пор армирующего элемента.
2. Профильный уплотнительный элемент по п.1, отличающийся тем, что твердые частицы выполнены металлическими или неметаллическими, одного или разного гранулометрического состава в виде смеси вышеуказанных материалов.
3. Профильный уплотнительный элемент по п.2, отличающийся тем, что твердые частицы выполнены из песка с округлыми формами.
4. Профильный уплотнительный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве армирующей одной или нескольких оболочек применены металлическая или неметаллическая сетки, или перфорированные изделия, или спиральные в виде пружин изделия с упругими или неупругими свойствами, или объемные упругие проницаемые изделия в виде металлорезины.
