Уплотнительное устройство

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к разделу уплотнительной техники, и может быть применено в качестве уплотнительного устройства для любого подвижного цилиндрического элемента, отслеживающего изменение линейных размеров материалов в диапазоне эксплуатационных температур.

Известно уплотнительное устройство с функциями компенсатора температурного расширения смазывающей жидкости (патент РФ N 2177571, F16J 15/34, опубл. 27.12.2001), содержащее установленные в зазоре между статором и ротором два контактных кольца пары трения и прорезную втулку. Статор выполнен с неподвижной осью, а ротор - с внешним корпусом. Прорезная втулка выполнена из двух частей с прямоугольными выступами на одной из них, повторяющими форму впадин на другой. Первая часть прорезной втулки зафиксирована на оси, а вторая установлена с возможностью осевого перемещения и содержит упорный буртик, в который упираются пружинки, взаимодействующие другими своими концами с неподвижным контактным кольцом пары трения торцового уплотнения. Торцовое уплотнение размещено внутри полого поршня, установленного, в свою очередь, с возможностью осевого перемещения внутри внешнего корпуса и подпружиненного в сторону заполненной смазывающей жидкостью полости, а полость, в которой размещена пружина, сообщена с рабочей средой.

Недостатком такого уплотнительного устройства является нетехнологичность и трудоемкость изготовления и сборки уплотнительного устройства. В уплотнительном устройстве используется три уплотнительных кольца, при чем в описании не приведены их размеры. Одно уплотнительное кольцо находится на большом расстояние от края детали, в которую он установлен. В связи с этим при выборе размеров данного кольца возникают два противоречия:

- если объем уплотнительного кольца будет соизмерим с объемом проточки, возникнет трудность в его установке;

- если объем уплотнительного кольца будет меньше объема проточки, то оно легко устанавливается, но при этом возможно нарушение герметизации при снижении температуры эксплуатации до отрицательных значений за счет разницы коэффициентов линейных расширений уплотнительных колец и сопрягающихся с ним деталей, образовываются зазоры, что приводит, в конечном счете, к снижению рабочих характеристик конструкции.

Наиболее близким аналогом является уплотнительное соединение (патент РФ №2335680, F16J 15/10, опубл. 10.10.2008). Уплотнительное, соединение включает герметизируемые детали, одна из которых содержит кольцевую канавку прямоугольного сечения и размещенное в ней эластичное уплотнительное кольцо исходно круглого сечения с объемом, меньшим объема кольцевой канавки, и взаимодействующее с контрдеталью. На дне канавки прямоугольного сечения и в контрдетали симметрично стенкам выполнены дополнительные кольцевые канавки с поперечным сечением в виде сегментов эллипса с большей осью, расположенной перпендикулярно стенкам прямоугольной канавки. Изобретение повышает ресурс уплотнительного соединения за счет снижения скорости релаксации контактных напряжений, а также увеличивает площадь контакта уплотнения с герметизируемыми деталями.

Недостатком такого уплотнительного соединения является невозможность использования его при герметизации подвижных элементов конструкции из-за дополнительных кольцевых канавок.

Задачей изобретения является повышение надежности уплотнительного устройства уплотнения подвижных элементов конструкциипри его работе в эксплуатационном диапазоне температур.

Техническим результатом предлагаемого решения является создание надежного уплотнительного устройства, работающего при отрицательных и положительных температурах эксплуатации и обеспечивающего герметизацию подвижных деталей.

Технический результат достигается тем, что в уплотнительном устройстве, включающем герметизируемые детали, одна из которых содержит кольцевую канавку прямоугольного сечения и размещенное в ней уплотнительное кольцо исходно круглого сечения, объем кольцевой канавки меньше объема уплотнительного кольца и удовлетворяет соотношению V_{канавки}=(0,80÷0,95)⋅V_кольца, при этом герметизацию производят за счет системы температурной компенсации. Геометрические размеры поперечного сечения канавки удовлетворяют соотношению (А, Б)_{канавки}=(0,75÷0,90)⋅D_кольца, где А - ширина канавки, В - глубина канавки, D_кольца - диаметр, уплотнительного кольца.

Для обеспечения постоянного поджатая уплотнительного кольца в уплотнительном устройстве введена система температурной компенсации, которая позволяет отслеживать перемещение подвижной детали уплотнительного элемента и обеспечивать герметизацию во всем диапазоне эксплуатационных температур.

На фиг. представлено предлагаемое уплотнительное устройство с герметизируемым объемом 1 из материала с большим коэффициентом линейного расширения по сравнению со сталью. Оно содержит уплотнительное кольцо 2, установленное в кольцевую проточку между подвижной 3 и неподвижной 4 деталью уплотнительного устройства. Для обдавливания уплотнительного кольца предусмотрена система температурной компенсации 5. Уплотнительное кольцо 2 равномерно обжимается по всей поверхностиза счет наличия системы температурной компенсации с равномерно действующим усилием по окружности. Система температурной компенсации 5 подбирается для каждого устройства индивидуально и зависит от его температуры эксплуатации, материала заполняющего объем 1 и корпуса 4. Система температурной компенсации позволяет отслеживать перемещение детали 3 с уплотнительным кольцом 2 от единиц до десятков миллиметров и тем самым обеспечивать постоянное поджатие уплотнительного кольца 2.

Экспериментальная отработка уплотнительного кольца показала, что если объем канавки будет меньше 0,8⋅V_кольца, а ширина А и глубина Б будет меньше 0,75 D_кольца, то установка уплотнительного кольца в канавку невозможна, при увеличении объема канавки более 0,95⋅V_кольца, а ширины А и глубины Б более 0,9 D_кольца происходит разгерметизация при создании в полости 1 избыточного давления более 10 кПа.

Сборка уплотнительногоустройствапроисходит в следующей последовательности. На материал 1 устанавливается подвижная деталь 3 в образовавшейся цилиндрический паз, равномерно устанавливается, уплотнительное кольцо 2, после этого заворачивается система температурной компенсации.

Уплотнительное устройство работает следующим образом.

При изменении температуры эксплуатации с отрицательных до положительных, и наоборот, происходит изменение линейного размера материала 1 за счет разницы коэффициентов линейных расширений материалов 1 и корпуса 4 уплотнительного устройства. При этом уплотнительное кольцо 2 перемещается одновременно с материалом 1 за счет постоянно действующего усилия от системы температурной компенсации.

Для отработки конструкции был изготовлен макет с кольцевой канавкой объемом V_{канавки}=8,74 см³(А=3,4 мм, Б=3,25 мм, D_{вн.канавки}=248,5 мм), в который устанавливались уплотнительные кольца изготовленные из резиной смеси ИРП 1266 НТА ТУ 38 005 1166-2015. Конструкция проверялась на герметичность избыточным давлением 19,6 кПа и отрабатывалась в диапазоне эксплуатационных температур от -50°С до +50°С. Для отработки использовались кольца с объемом:

- V_кольца=9,71 см³(D_кольца=4 мм) (положительные испытания);

- V_кольца=10,85 см³(D_кольца=4,3 мм) (положительные испытания);

- V_кольца=11,23 см³(D_кольца=4,5 мм) (уплотнение не установилось);

- V_кольца=7,63 см³(D_кольца=3,5 мм) (отрицательные испытания);

- V_кольца=8,53 см³(D_кольца=3,7 мм) (отрицательные испытания);

Заявляемая конструкция позволяет решить поставленную задачу по созданию уплотнительного устройства с повышенной надежностью герметизации подвижных деталей и повышенными несущими свойствами и получить новый технический результат, заключающийся в возможности работы уплотнительного устройства при отрицательных и положительных температурах эксплуатации за счет системы температурной компенсации, обеспечивающей постоянное поджатие уплотнительного кольца во всем эксплуатационном диапазоне температур.