FR2547636A1

FR2547636A1 - Anti-friction sealing gasket for fluids

Info

Publication number: FR2547636A1
Application number: FR8310088A
Authority: FR
Inventors: John A Burke
Original assignee: Greene Tweed and Co
Current assignee: Greene Tweed and Co
Priority date: 1983-06-17
Filing date: 1983-06-17
Publication date: 1984-12-21

Abstract

This sealing gasket with two pressure levels for fluids is provided for forming a sealed join between two elements which move with respect to one another, for example a piston and a cylinder. It includes a bearing ring 12 made from a hard, inelastic material, for example "teflon" and which forms a seal which is effectively leaktight at high pressures, and a sealing ring 11 made from a softened elastic material, which forms a seal which is effectively leaktight at low pressures. At high pressures, the sealing ring 11 is pushed back by the pressure under the bearing ring 12 and, by acting like a wedge, by virtue of tapered surfaces 24, 34 it tends to press the bearing ring 12 more tightly against the wall of the cylinder.

Description

Les garnitures classiques à un seul niveau de pression, qui forment une barrière unique contre les fuites de fluides, sont généralement mal appropriées pour travailler sur de larges intervalles de pressions. Les garnitures pour hautes pressions, composées d'une seule bague élastique, tendent à s'extruder dans l'espace libre compris entre le piston et le cylindre. Le fluide sous pression peut s'infiltrer entre la garniture d'étanchéité et les éléments avec lesquels cette garniture est en contact. On peut éviter ltextrusion en utilisant des bagues d'étanchéité relativement dures et non élastiques. Conventional single-pressure seals, which form a unique barrier against fluid leakage, are generally unsuitable for working over large pressure ranges. The gaskets for high pressures, composed of a single elastic ring, tend to extrude into the free space between the piston and the cylinder. The pressurized fluid can infiltrate between the seal and the elements with which this seal is in contact. Extrusion can be avoided by using relatively hard, non-elastic sealing rings.

Toutefois, les bagues non élastiques doivent être montes sans jeu pour assurer une bonne efficacité aux pressions élevees. However, non-elastic rings must be fitted without play to ensure good efficiency at high pressures.

Ces bagues sont donc inappropriées pour être utilisées aux basses pressions, parce qutelles donnent lieu à un frottement et une usure excessifs.These rings are therefore unsuitable for use at low pressures, because they give rise to excessive friction and wear.

La solution apportée au problème est constituée par une garniture à deux niveaux comprenant une bague d'étanchéité faite d'une matière élastiquement déformable qui est efficace à basse pression (environ 7 à 21 kg/cni2) et une bague d'appui
2 complémentaire qui répond aux hautes pressions (35 kg/cm ou plus) et qui est composée d'une matière légèrement élastique telle que celle connue sous la marque "Teflon" pur ou chargé.The solution to the problem consists of a two-level packing comprising a sealing ring made of an elastically deformable material which is effective at low pressure (approximately 7 to 21 kg / cni2) and a support ring
2 complementary which responds to high pressures (35 kg / cm or more) and which is composed of a slightly elastic material such as that known under the brand "Teflon" pure or charged.

La bague d'étanchéité entre en contact avec l'élément qui lui fait face, qui est animé d'un mouvement relatif de va-et-vient par rapport à elle, en formant un joint étanche aux basses pressions. Aux pressions plus élevées, la bague d'étanchéité plus élastique S1 écarte de l'élément animé d'un mouvement relatif de va-et-vient par rapport à elle et tend à pousser radialement la bague d'appui pour l'appliquer en contact à joint étanche avec cet élément. Le résultat est la formation d'une garniture d'étanchéité qui est efficace aux basses pressions et aux hautes pressions sans provoquer ni frottement excessif, ni usure excessive aux basses pressions.The sealing ring comes into contact with the element facing it, which is driven in a relative movement back and forth with respect to it, forming a seal that is impervious to low pressures. At higher pressures, the more elastic sealing ring S1 moves away from the animated element with a relative movement back and forth relative to it and tends to push the support ring radially to apply it in contact. seal with this element. The result is the formation of a seal which is effective at low pressures and high pressures without causing excessive friction or excessive wear at low pressures.

Selon l'invention, on réalise une garniture d'étan chéité destinée à être utilisée entre des éléments en mouvement relatif, respectivement intérieur et extérieur. La garniture comprend une bague d'étanchéité annulaire, faite d'une matière élastiquement défornable, et une bague d'appui complémentaire. According to the invention, a sealing gasket intended to be used between elements in relative movement, interior and exterior respectively, is produced. The packing comprises an annular sealing ring, made of an elastically deformable material, and a complementary support ring.

Cette garniture est par exemple logée dans une gorge circonférentielle ménagée dans l'élément intérieur. La bague d'étanchéité possède une face latérale disposée radialement qui définit le côté pression de la garniture, et une surface périphérique extérieure définie par quatre parties contiguës. La première partie est grossièrement semi-circulaire. La deuxième partie est une surface inclinée qui part de la première partie en formant un angle de 10 à 400 avec un rayon de la bague d'étanchéité.This lining is for example housed in a circumferential groove formed in the interior element. The sealing ring has a radially disposed side face which defines the pressure side of the seal, and an outer peripheral surface defined by four contiguous parts. The first part is roughly semi-circular. The second part is an inclined surface which starts from the first part at an angle of 10 to 400 with a radius of the sealing ring.

La troisième partie est un collet s'étendant axialement. Le bord radial de ce collet coopère avec une paroi radiale de la gorge pour définir un espace grossièrement rectangulaire. La quatriè- me partie de la surface périphérique extérieure de la bague d'étanchéité est une surface courbe située à l'intersection entre la deuxième partie et la troisième partie.The third part is an axially extending collar. The radial edge of this collar cooperates with a radial wall of the groove to define a roughly rectangular space. The fourth part of the outer peripheral surface of the sealing ring is a curved surface located at the intersection between the second part and the third part.

La bague d'appui est de section trapézoldale et elle est disposée radialement à l'extérieur par rapport à la troisième partie de la bague d'étanchéité. Une face latérale de la bague d'appui est inclinée vers l'intérieur en formant un angle compris entre 50 et 700 avec l'axe de la bague d'appui. Cette face latérale de la bague d'appui coopère avec la deuxième et la quatrième parties de la surface périphérique extérieure de la bague d'étanchéité pour définir un espace triangulaire. Le sommet du triangle se trouve sur une périphérie de la garniture d'étanchéité. The support ring is of trapezoidal section and it is arranged radially on the outside with respect to the third part of the sealing ring. A lateral face of the support ring is inclined inwards at an angle between 50 and 700 with the axis of the support ring. This lateral face of the support ring cooperates with the second and the fourth parts of the outer peripheral surface of the sealing ring to define a triangular space. The apex of the triangle is on a periphery of the seal.

Un but de l'invention est de réaliser une garniture d'étanchéité qui soit aussi efficace aux hautes pressions et aux basses pressions. An object of the invention is to provide a seal which is also effective at high pressures and at low pressures.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple,
- la Fig. 1 est une vue en perspective des deux ba gues complémentaires séparées, une partie étant découpée pour montrer la section
- la Fig. 2 est une vue en coupe axiale de la garniture d'étanchéité montée dans-une gorge d'un piston
- la Fig. 3 est une vue analogue à la Fig. 2 mais qui montre l'orientation des éléments lorsque la surface périphérique extérieure de la bague d'étanchéité est en contact avec la paroi du cylindre qui l'entoure
- la Fig. 4 est une vue analogue å la Fig. 2 mais qui montre la disposition des éléments constitutifs lorsque la pleine pression a été appliquée au piston
- la Fig. 5 est un graphique représentant le frottement linéaire en fonction de la pression du fluide pour diver- ses garnitures d'étanchéité pour fluides
Comme on le voit en se reportant en détail aux dessins annexés, sur lesquels les éléments analogues sont désignés par les mêmes numéros de référence, la Fig. 2 montre la garniture d'étanchéité 10 montée dans un presse-étoupe ou dans la gorge 16 d'un piston 144 Cette garniture d'étanchéité 10 comprend une bague d'étanchéité 11 et une bague d'appui 12 La bague d'étanchéité ll possède une face latérale 18 orientée radialement, sur le côté pression de la garniture. La surface 18 est la surface qui sera exposée à la pression appliquée au pis- ton 14.Un collet axial 20 est prévu sur le côté pression de la garniture, dans une position adjacente à la face latérale 18, et disposé perpendiculairement å cette face latérale 18. Other characteristics and advantages of the invention will emerge during the description which follows. In the accompanying drawings, given solely by way of example,
- Fig. 1 is a perspective view of the two separate complementary bars, a part being cut out to show the section
- Fig. 2 is an axial sectional view of the seal mounted in a groove of a piston
- Fig. 3 is a view similar to FIG. 2 but which shows the orientation of the elements when the outer peripheral surface of the sealing ring is in contact with the wall of the cylinder which surrounds it
- Fig. 4 is a view similar to FIG. 2 but which shows the arrangement of the components when full pressure has been applied to the piston
- Fig. 5 is a graph showing the linear friction as a function of the fluid pressure for various seals for fluids
As can be seen by referring in detail to the appended drawings, in which similar elements are designated by the same reference numbers, FIG. 2 shows the seal 10 mounted in a cable gland or in the groove 16 of a piston 144 This seal 10 comprises a seal ring 11 and a support ring 12 The seal ring ll has a side face 18 oriented radially, on the pressure side of the gasket. The surface 18 is the surface which will be exposed to the pressure applied to the piston 14. An axial collar 20 is provided on the pressure side of the seal, in a position adjacent to the side face 18, and arranged perpendicular to this side face 18.

Le collet 20 a pour fonction de stabiliser la bague dsétancheio té 11. Un espace 40 est délimité par la face latérale 18, le collet 20 et la paroi de la gorge 16.The collar 20 has the function of stabilizing the sealing ring 11. A space 40 is delimited by the lateral face 18, the collar 20 and the wall of the groove 16.

La périphérie extérieure de la bague d'étanchéité 11 est définie par quatre surfaces contigus7 à savoir les surfaces 22, 24, 46 et 30. La surface 22 est à profil semiecirculaire et elle forme l'extrémité la plus extérieure de la bague d'étanchéité 11. La surface 24 est contiguë à la surface 22 et diver- ge de cette surface 22 en formant un angle compris entre 10 et 40a avec le rayon.de la bague d'étanchéité 11. L'angle préféré est de 150. La surface 24 est contiguë à la surface courbe 46 qui, à son tour, est contiguë a la surface 30. La surface 30 définit la surface périphérique externe d'un collet 26 de la bague d'étanchéité ll qui s'étend axialement en partant du côté libre de pression de la garniture d'étanchéité.Le collet 26 est beaucoup plus grand que le collet 20, qui est situé sur le coté pression de la garniture. The outer periphery of the sealing ring 11 is defined by four contiguous surfaces 7, namely the surfaces 22, 24, 46 and 30. The surface 22 is of semi-circular profile and it forms the outermost end of the sealing ring 11. The surface 24 is contiguous with the surface 22 and diverges from this surface 22 by forming an angle between 10 and 40a with the radius of the sealing ring 11. The preferred angle is 150. The surface 24 is contiguous with the curved surface 46 which, in turn, is contiguous with the surface 30. The surface 30 defines the external peripheral surface of a collar 26 of the sealing ring ll which extends axially from the side The seal 26 is much larger than the collar 20, which is located on the pressure side of the seal.

L'épaisseur axiale de la garniture d'étanchéité 10 estainférieure à la largeur de la gorge lg, en laissant de cette façon un espace rectangulaire 42 sur le côté libre de pression de la garniture d'étanchéité, cet espace étant défini par la surface radiale 48 du collet 26 et la paroi de la gorge 16. The axial thickness of the seal 10 is less than the width of the groove lg, thereby leaving a rectangular space 42 on the pressure-free side of the seal, this space being defined by the radial surface. 48 of the collar 26 and the wall of the groove 16.

Les angles inférieurs de la gorge 16 peuvent eAtre arrondis.The lower angles of the groove 16 can be rounded.

La bague d'appui 12 est disposée radialement à ltex- térieur du collet 26, sur le co*é libre de pression de la garniture. La bague d'appui 12 est de section trapézoidale et pré- sente des faces latérales non parallèles. Une paroi latérale 32 orientée radialement s'appuie contre la paroi de la gorge 16. Une face latérale inclinée 34 est inclinée vers l'intérieur en formant un angle compris entre 200 et 40Q avec le rayon de la bague d'appui 12 L'angle préféré est de 300. Un espace 36 de forme triangulaire est défini par les surfaces 24 et 46 de la bague d'étanchéité ll et par la face latérale inclinée 34 de la bague d'appui 12. The support ring 12 is arranged radially outside the collar 26, on the pressure free side of the gasket. The support ring 12 is of trapezoidal section and has non-parallel lateral faces. A radially oriented side wall 32 bears against the wall of the groove 16. An inclined side face 34 is inclined inward at an angle of between 200 and 40 ° with the radius of the support ring 12 The angle preferred is 300. A space 36 of triangular shape is defined by the surfaces 24 and 46 of the sealing ring 11 and by the inclined lateral face 34 of the support ring 12.

Le diamètre extérieur de la bague d'étanchéité 11 est plus grand que celui de la bague d'appui 12, de sorte que la saillie 44 de la bague d'étanchéité 11, qui est définie par la surface semi-circulaire 22, s'étend au-delà de la surface périphérique extérieure 13 de la bague d'étanchéité 12. Le vo- lume de la saillie 44 doit être inférieur å la somme des volumes de espace triangulaire 36 et de l'espace rectangulaire 42. The outer diameter of the sealing ring 11 is larger than that of the support ring 12, so that the projection 44 of the sealing ring 11, which is defined by the semicircular surface 22, s' extends beyond the outer peripheral surface 13 of the sealing ring 12. The volume of the projection 44 must be less than the sum of the volumes of triangular space 36 and rectangular space 42.

Lorsque le piston 14 est monté, de sorte que la garniture d'étanchéité 10 est en contact avec la paroi 38 du cylindre, la bague d'étanchéité 11 se déforme pour prendre la forme représentée sur la Fig. 3. La bague d'étanchéité 11 a été déformée de telle manière que sa surface 24 se bombe dans l'espace triangulaire 36. L'espace triangulaire 36 se rétrécit mais conserve une forme triangulaire. La face latérale 18 de la bague d'étanchéité se bombe dans l'espace 40. When the piston 14 is mounted, so that the packing 10 is in contact with the wall 38 of the cylinder, the sealing ring 11 is deformed to take the shape shown in FIG. 3. The sealing ring 11 has been deformed in such a way that its surface 24 bulges in the triangular space 36. The triangular space 36 shrinks but retains a triangular shape. The lateral face 18 of the sealing ring bulges in the space 40.

2
Lorsqu'unie pression d'environ 35 kg/cm est appli- quée au piston 14, la bague d'étanchéité 11 se déforme pour prendre la forme représentée à la Fig. 4. La bague d'étanchéité 11 se bombe dans les espaces 36 et 40. Cette déformation de la bague d'étanchéité 1ï tend à repousser la bague d'appui 12 radialement vers ltextérieur pour l'appliquer à joint étanche contre la paroi cylindrique 38. L'espace triangulaire 36 a disparu tandis que espace 40 situé sur le côté pression de la garniture a été très élargi. L'espace 42 est maintenant très petit. Lorsque la basse pression est rétablie, la garniture d'étanchéité revient à la configuration représentée sur la Fig.3.
2
When a pressure of about 35 kg / cm is applied to the piston 14, the sealing ring 11 is deformed to take the form shown in FIG. 4. The sealing ring 11 bulges in the spaces 36 and 40. This deformation of the sealing ring 11 tends to push the support ring 12 radially inwards to apply it with a tight seal against the cylindrical wall 38 The triangular space 36 has disappeared while space 40 located on the pressure side of the gasket has been greatly enlarged. Space 42 is now very small. When the low pressure is restored, the seal returns to the configuration shown in Fig. 3.

La bague d'étanchéité peut être composée d'une matière beaucoup plus tendre que celle de la bague d'appui. L'intervalle de dureté pouvant être adopté s'étend d'environ 600 à environ 900 au duromètre. La matière préférée pour la bague d'étanchéité 11 est un caoutchouc élastique. La bague d'appui 12 doit être composée d'une matière à faible coefficient de frottement qui ntest pas dure et rigide mais au contraire légèrement élastique. Le polytrifluoroéthylène pur ou chargé, vendu sous la marque commerciale "TEFLON" est particulièrement bien approprié pour la bague d'étanchéité 12. The sealing ring can be made of a much softer material than that of the support ring. The hardness range that can be adopted ranges from about 600 to about 900 on the durometer. The preferred material for the sealing ring 11 is elastic rubber. The support ring 12 must be made of a material with a low coefficient of friction which is not hard and rigid but on the contrary slightly elastic. Pure or charged polytrifluoroethylene, sold under the trade name "TEFLON" is particularly well suited for sealing ring 12.

La Fig. 5 est un graphique représentant le frottement linéaire en fonction de la pression du fluide pour divers joints à fluides. Le frottement est exprimé en Kg de traînée axiale pour une tige de 41,175 mm de diamètre, degré de finition 8/16 moyenne quadratique. Les valeurs représentées sont calculées à partir de formules connues et publiées. La courbe
A représente le cas d'une bague torique standard en caoutchouc de la taille -326. La courbe B représente le cas de la même bague torique, en supposant qu'elle perd progressivement son con tact avec la tige au fur et à mesure de l'accroissement de la pression intérieure, comme ce serait le cas avec la garniture d'étanchéité pour fluides selon l'invention. Cette courbe est 2 hypothétique, et elle arrive à zéro à 35 kg/cm2. La courbe C est la courbe de frottement en fonction de la pression publiée pour une garniture d'étanchéité composée d'une bague torique à coiffe en "TEFLON" par la Société Shamban Company, pour sa garniture connue sous la désignation de "glyd ring". La courbe
D est la résultante calculée des courbes B et C et représente le cas de la présente invention.Fig. 5 is a graph showing the linear friction as a function of the fluid pressure for various fluid seals. The friction is expressed in kg of axial drag for a rod 41.175 mm in diameter, degree of finish 8/16 quadratic mean. The values shown are calculated using known and published formulas. The curve
A represents the case of a standard rubber O-ring of size -326. Curve B represents the case of the same O-ring, assuming that it gradually loses contact with the rod as the internal pressure increases, as would be the case with the seal for fluids according to the invention. This curve is hypothetical, and it reaches zero at 35 kg / cm2. Curve C is the friction curve as a function of the pressure published for a seal composed of an O-ring with a cap in "TEFLON" by the Shamban Company, for its seal known under the designation "glyd ring" . The curve
D is the calculated result of curves B and C and represents the case of the present invention.

Bien que la garniture d'étanchéité soit décrite et représentée montée dans la gorge d'un piston 14, cette garniture d'étanchéité pourrait être placée dans une gorge ménagée dans la paroi 38 du cylindre. Although the seal is described and shown mounted in the groove of a piston 14, this seal could be placed in a groove in the wall 38 of the cylinder.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S

1 - Sealing gasket intended to be used between an internal element (14) and an external element (38) movable with respect to each other, one (14) of the elements having a circumferential groove (16) defined by spaced radial walls intended to retain the seal (10), this seal being characterized in that it comprises: a) an annular seal ring (11) made of an elastically deformable material having a hardness in the range of about 600 to about 900 on the durometer, to make a seal at low pressures and an additional support ring (12), made of a material with low coefficient of friction, having a low elasticity so as to form a seal at high pressures; b) -said sealing ring (11) having two radially disposed lateral surfaces (18, 48), a first lateral surface (18) defining the pressure side of the seal and the second lateral face (48) being located from the other side of the gasket, this second lateral face (48) being defined by the radial surface of an axial collar (26) of said ring of ~ etanX cheity (11), said radial surfaces being adapted to cooperate with the walls of the groove for defining spaces of generally rectangular shape (40, 423, c) said sealing ring (11) having one of its peripheral surfaces defined by four contiguous parts (22, 24, 30, 46) the first part (22) being of generally semi-circular shape, the second part (24) being an inclined surface which starts from said first part (22) m forming an angle between 100 and 400 with a radius of said sealing ring (11), the third part (30) being an axial surface of said collar (26) e t the fourth part (46) being a curved surface located at the intersection between the second part (24) and the third part (30); d) said sealing ring having, in the relaxed state, a radial thickness greater than the radial thickness of said support ring (12), said sealing ring (11) having a projection which extends beyond a radial edge of said support ring (12), this projection (44) being defined by the semi-circular part (22) of the peripheral surface of said sealing ring (11); e) said support ring (12) being of trapezoidal section and being arranged radially outside the third part (26) of said sealing ring (11), a lateral face (34) of the ring support being a surface inclined inwards at an angle of between 500 and 700 with the axis of the support ring and cooperating with the second and fourth parts (24, 46) of the peripheral surface of said ring d sealing (11) to define a triangular space (36), the top of this triangular space being at the periphery of said gasket sf) said projection (44) of said sealing ring (11) having a volume less than the sum. volumes of said rectangular space (42) and said triangular space (36).

2 - Packing according to claim 1, characterized in that the pressure side of the sealing ring (11) is defined by two contiguous parts, the first part being arranged radially and the second part being constituted by a small collar axial (20), much smaller than the axial collar (26) located on the pressure-free side of the seal.

3 - Packing according to claim 1, characterized in that a piston (14) cooperates with a cylindrical wall (38) under a pressure bar, said piston (14) having a circumferential groove (16) which withdraw said packing (10), said sealing ring (11) deforming in the direction of the pressure applied so as to almost completely fill said rectangular space (42) and to completely fill said triangular space (36), making dis appear the latter, and so as to tend to push said support ring radially outward to apply it with a seal against said wall (38) of the cylinder.

4 - Seal according to claim 1, characterized in that said seal ring (11) is made of rubber and that the support ring (12) is composed of "TEFLON".

5 - Packing according to claim 1, characterized in that the pressure level at which the low pressure part of the packing is effective is less than

2 approximately 21 kg / cm and the pressure level at which the high pressure part of the packing is effective is at least

2 about 35 kg / cm