RU2047799C1

RU2047799C1 - Sealing device

Info

Publication number: RU2047799C1
Authority: RU
Inventors: Ю.К. Машков
Original assignee: Омский государственный университет; ТНПО "Квант"
Priority date: 1992-09-02
Filing date: 1992-09-02
Publication date: 1995-11-10

Abstract

FIELD: hydraulic machines, hydraulic cylinders, pumps and gas compressors. SUBSTANCE: sealing ring with wall and sealing jaw is mounted between movable and immovable members. Round ring made of flexible material presses sealing ring to surface being sealed. Sealing ring is made of antifriction polymer material at ratio of jaw thickness to its length not exceeding 1:2. Diameter of cross section of pressing ring is within 1.5-2.0 of jaw length. Pressing ring is fitted on jaw resting against on one side, adjusting member being fitted on other side. EFFECT: enhanced reliability. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнительной технике, и может быть использовано в герметизирующих устройствах гидравлической и газовой аппаратуры, например в гидромашинах, гидроцилиндрах, насосах, газовых компрессорах и т. п. The invention relates to mechanical engineering, in particular to sealing equipment, and can be used in sealing devices of hydraulic and gas equipment, for example, in hydraulic machines, hydraulic cylinders, pumps, gas compressors, etc.

Известны герметизирующие устройства вращающихся валов, содержащие резиноармированные манжеты с браслетными пружинами на неармированных уплотняющих губках (1). Известно также применение резиновых манжет для уплотнения штоков, совершающих возвратно-поступательное движение (2). Известные устройства обладают существенными недостатками: малой долговечностью при высоких давлениях рабочей среды, прилипанием манжет к металлическим деталям при длительных перерывах в работе, высокими потерями мощности на трение и малым рабочим интервалом температур рабочей среды (от +80 до -30^оС).Known sealing devices of rotating shafts containing rubber-reinforced cuffs with bracelet springs on unreinforced sealing lips (1). It is also known the use of rubber cuffs for sealing rods making reciprocating motion (2). The known devices have substantial disadvantages: low durability at high pressure working medium, attachment cuffs metal parts during long interruptions in operation, a high power loss due to friction and a small operating range of the working medium temperatures (from ^about -30 to +80 C).

Известны герметизирующие устройства, содержащие резиновые кольца круглого сечения, устанавливаемые в канавки штока (вала) или корпуса. Этим уплотнениям присущи все перечисленные выше недостатки, кроме того, в этих устройствах отсутствует компенсация износа [3]
Известны также герметизирующие устройства, содержащие рабочие или защитные кольца из пластмассы-фторопласта и резиновые кольца, устанавливаемые на фторопластовые и поджимающие их к уплотняемой металлической поверхности скольжения [2, 3] При этом кольца из фторопласта выполняют прямоугольного сечения. Названные устройства обладают существенными недостатками, обусловленными конструкцией пластмассовых уплотнительных колец. При прямоугольном сечении колец контакт между сопряженными поверхностями осуществляется по всей цилиндрической поверхности кольца, что приводит к излишнему теплообразованию, а низкая теплопроводность полимера затрудняет отвод тепла из зоны трения, что приводит к чрезмерному повышению температуры, снижению механических и триботехнических свойств полимера и его термодеструкции. В результате возникает повышенный износ полимера и потеря герметичности уплотнения.Known sealing devices containing rubber rings of circular cross-section, installed in the grooves of the rod (shaft) or housing. These seals are inherent to all of the above disadvantages, in addition, in these devices there is no wear compensation [3]
Also known are sealing devices containing working or protective rings of fluoroplastic plastic and rubber rings mounted on the fluoroplastic and pressing them against the metal seal surface to be sliding [2, 3]. The fluoroplastic rings are of rectangular cross-section. These devices have significant drawbacks due to the design of plastic o-rings. With a rectangular section of the rings, contact between the mating surfaces is carried out over the entire cylindrical surface of the ring, which leads to excessive heat generation, and low thermal conductivity of the polymer makes it difficult to remove heat from the friction zone, which leads to an excessive increase in temperature, a decrease in the mechanical and tribological properties of the polymer and its thermal degradation. The result is increased polymer wear and loss of seal tightness.

Другой недостаток заключается в том, что при прямоугольном сечении пластмассового кольца для создания контактного давления, достаточного для запирания зазора и обеспечения требуемой степени герметичности, необходимо сообщить пластмассовому кольцу очень большие усилия вследствие высокой жесткости конструкции такой формы, что весьма проблематично, если учесть, что модуль упругости резин в 10-30 раз меньше, чем из фторопласта-4. Следовательно, для создания требуемого контактного давления при невысоких значениях давления рабочей жидкости или газа необходимо задавать недопустимо высокую степень деформации резинового кольца или задавать значительный предварительный натяг между фторопластовым кольцом и валом. В обоих случаях практически не компенсируется износ фторопластового кольца и уплотнение быстро выходит из строя вследствие износа уплотняющей поверхности и потери герметичности. Кроме того, при создании значительного предварительного натяга неизбежно повышение температуры в зоне трения выше допустимой. Another disadvantage is that with a rectangular section of the plastic ring in order to create a contact pressure sufficient to close the gap and provide the required degree of tightness, it is necessary to report very large forces to the plastic ring due to the high rigidity of such a shape, which is very problematic considering that the module the elasticity of rubber is 10-30 times less than that of fluoroplast-4. Therefore, to create the required contact pressure at low pressure values of the working fluid or gas, it is necessary to set an unacceptably high degree of deformation of the rubber ring or to set a significant preload between the PTFE ring and the shaft. In both cases, wear of the fluoroplastic ring is practically not compensated, and the seal quickly fails due to wear of the sealing surface and loss of tightness. In addition, when creating a significant preload, an inevitable increase in temperature in the friction zone is higher than permissible.

Известно герметизирующее устройство в виде радиально-торцового уплотнения, содержащего уплотнительное кольцо трапецеидального сечения из упругожесткого материала и упругий элемент, установленные в посадочной канавке (авт. св. N 1460497). К недостаткам данного устройства можно отнести невозможность регулирования контактного давления упругого элемента с целью повышения степени герметичности при низких давлениях рабочей жидкости и компенсации износа уплотнительного кольца, а также ограниченные функциональные одностороннего действия, и при изменении направления действия высокого давления или двухсторонней герметизации потребуется устанавливать два уплотнения вместо одного. A sealing device is known in the form of a radial-mechanical seal, containing a trapezoidal sealing ring of elastic material and an elastic element installed in the landing groove (ed. St. N 1460497). The disadvantages of this device include the impossibility of regulating the contact pressure of the elastic element in order to increase the degree of tightness at low pressures of the working fluid and to compensate for the wear of the sealing ring, as well as limited functional single-acting, and when changing the direction of action of high pressure or bilateral sealing, you will need to install two seals instead one.

Известно уплотнение поршня [4] содержащее манжету Г-образного сечения, установленную в проточке на поршне, опирающуюся уплотнительным лепестком на распорное эластичное кольцо круглого сечения. Это устройство наиболее близко по своей технической сущности к предлагаемому изобретению, однако ему также присущи недостатки, ограничивающие область его применения, снижающие его надежность и ресурс работы. Эти недостатки заложены в конструкции уплотнения. Из формулы изобретения и фиг. следует, что манжета должна быть выполнена из высокоэластичного материала, иначе ее невозможно будет установить в проточке на поршне. Таким материалом является резина, а она, как известно, отличается плохими антифрикционными свойствами и низкой износостойкостью. Второй существенный недостаток состоит в том, что уплотнение не может иметь устройства для компенсации износа уплотняющей части манжеты, что в сочетании с низкой износостойкостью материала манжеты резко снижает ресурс работы уплотнения. Третий недостаток уплотнения (авт. св. N 1364808) заключается в высокой сложности конструкции, включающей составной поршень с тороидальной внутренней поверхностью канавкой на торце проточки. Наконец, главный недостаток этого устройства состоит в том, что согласно формуле изобретения канавка тороидальной формы под эластичное распорное кольцо, а следовательно, и само кольцо расположены со стороны, противоположной подводу рабочей жидкости под высоким давлением, что подтверждается фиг. При таком расположении распорного кольца относительно уплотнительного лепестка и расположении самого лепестка (со стороны, противоположной подводу высокого давления) увеличение давления жидкости, вызывая увеличение прижатия лепестка манжеты и уплотняемой поверхности, одновременно вызывает равномерное сжатие кольца в направлении центра окружности сечения кольца и уменьшение контактного давления (от начальной деформации кольца) между кольцом и уплотнительным лепестком. По достижении некоторой величины давления жидкости контакт между лепестками и распорным кольцом раскроется и жидкость потечет между кольцом и лепестком в герметизируемую полость. По мере износа лепестка начальное контактное давление от кольца снижается и раскрытие контакта произойдет при более низком давлении. Следовательно, уплотнение (авт. св. N 1364808) не обеспечивает достаточную надежность уплотнения, так как работоспособность уплотнения обеспечена только при определенном и очень строгом соотношении между степенью начальной деформации распорного кольца и уровнем давления рабочей жидкости и резко снижается при износе уплотняющего лепестка. Known piston seal [4] containing a cuff of an L-shaped section mounted in a groove on the piston, supported by a sealing tab on an elastic spacer ring of circular cross section. This device is closest in its technical essence to the proposed invention, however, it also has disadvantages that limit its scope, reducing its reliability and service life. These flaws are embedded in the design of the seal. From the claims and FIG. it follows that the cuff must be made of highly elastic material, otherwise it will not be possible to install it in the groove on the piston. Rubber is such a material, and it is known to have poor antifriction properties and low wear resistance. The second significant drawback is that the seal cannot have a device to compensate for the wear of the sealing part of the cuff, which in combination with the low wear resistance of the material of the cuff sharply reduces the life of the seal. The third drawback of the seal (ed. St. N 1364808) is the high complexity of the design, including a composite piston with a toroidal inner surface with a groove at the end of the groove. Finally, the main disadvantage of this device is that according to the claims, a toroidal groove for an elastic spacer ring, and therefore, the ring itself, is located on the side opposite to the high-pressure fluid supply, which is confirmed by FIG. With this arrangement of the spacer ring relative to the sealing lobe and the location of the lobe itself (from the side opposite to the high pressure supply), an increase in the liquid pressure, causing an increase in the pressing of the cuff lobe and the sealing surface, at the same time causes the ring to uniformly compress in the direction of the center of the circumference of the ring section and decrease the contact pressure ( from the initial deformation of the ring) between the ring and the sealing tab. Upon reaching a certain amount of fluid pressure, the contact between the petals and the spacer ring will open and fluid will flow between the ring and the petal into the sealable cavity. As the petal wears out, the initial contact pressure from the ring decreases and the contact opens at a lower pressure. Therefore, the seal (ed. St. N 1364808) does not provide sufficient sealing reliability, since the sealing performance is ensured only with a certain and very strict ratio between the degree of initial deformation of the spacer ring and the pressure level of the working fluid and decreases sharply when the sealing tab is worn.

Задачей изобретения является повышение надежности и долговечности устройства, для чего в герметизирующем устройстве, содержащем уплотнительное кольцо, выполненное из антифрикционного полимерного материала, и элементы, поджимающие кольцо к герметизируемым поверхностям, уплотнительное кольцо снабжено уплотняющими губками с отношением их толщины к длине не более 1:2, а поджимающие элементы содержат кольцо из эластичного материала с диаметром поперечного сечения в пределах 1,5-2,0 длины губок, установленное на герметизируемом валу или в корпусе упором в стенку уплотнительного кольца с одной стороны и в регулировочный элемент с другой, выполненный, например, в виде плоских колец различной толщины, закрепленных от осевого перемещения на валу или в корпусе. The objective of the invention is to increase the reliability and durability of the device, for which, in a sealing device containing a sealing ring made of antifriction polymer material, and elements pressing the ring against the sealing surfaces, the sealing ring is equipped with sealing lips with a ratio of their thickness to length not more than 1: 2 and the pressing elements contain a ring of elastic material with a cross-sectional diameter within 1.5-2.0 of the length of the jaws mounted on a sealed shaft or in a sensor body abutment wall of the sealing ring on the one hand and the adjusting element on the other, formed for example in fixed against axial movement of the form of flat rings of different thickness on the shaft or in the housing.

Указанные выше соотношения толщины и длины губок, а также длины губок и диаметра поперечного сечения поджимающего кольца обеспечивают минимизацию усилия, необходимого для деформации губок и их прижатия к герметизируемой поверхности на малом участке уплотняемой поверхности. Минимальная толщина определяется конструктивно-технологическими возможностями: механической жесткостью (модулем упругости) полимерного материала и технологией изготовления кольца. Длина губок должна составлять не менее двух толщин также из соображений минимальной жесткости губок, позволяющей легко их деформировать. The above ratios of the thickness and length of the jaws, as well as the length of the jaws and the cross-sectional diameter of the compression ring, minimize the force required to deform the jaws and press them against the surface to be sealed on a small portion of the surface to be sealed. The minimum thickness is determined by the structural and technological capabilities: mechanical rigidity (elastic modulus) of the polymer material and the ring manufacturing technology. The length of the jaws should be at least two thicknesses also for reasons of minimum rigidity of the jaws, making them easy to deform.

Взаимодействие поджимающих элементов с губками на малой части их длины (примерно 1/4 длины) обеспечивает отсутствие прижатия трех четвертей длины губок к герметизируемой поверхности и, следовательно, исключение трения на большой части длины губок. Это условие реализуется за счет соотношения диаметра поперечного сечения d поджимающих колец и длины l губок: 2l>d>1l, при котором центр сечения поджимающего кольца при упоре в стенку уплотнительного кольца располагается точно на кромке губки или незначительно смещен в сторону высокого давления рабочей жидкости. При таком взаимном расположении поджимающего кольца и кромки уплотняющей губки любое повышение давления рабочей жидкости вызывает увеличение давления на уплотняющую губки через прижимное кольцо и этот контакт не раскрывается, так как увеличение деформации кольца приводит к увеличению площади контакта прижимного кольца с губками и повышению усилия прижима. The interaction of the pressing elements with the jaws on a small part of their length (about 1/4 of the length) ensures that three quarters of the length of the jaws are not pressed against the surface to be sealed and, therefore, friction is eliminated on a large part of the length of the jaws. This condition is realized due to the ratio of the cross-sectional diameter d of the pressing rings and the length l of the jaws: 2l> d> 1l, in which the center of the section of the pressing ring, resting on the wall of the sealing ring, is located exactly on the edge of the sponge or is slightly shifted towards the high pressure of the working fluid. With such a mutual arrangement of the pressing ring and the edge of the sealing lip, any increase in the pressure of the working fluid causes an increase in pressure on the sealing lips through the pressure ring and this contact is not opened, since an increase in the ring deformation leads to an increase in the contact area of the pressure ring with the jaws and an increase in the pressure force.

Таким образом, в предлагаемой конструкции схема нагружения и деформации уплотняющей губки (губок) принципиально отличается от условий нагружения и деформации в известных конструкциях. Наличие тонкой уплотняющей губки на порядок тоньше основной части кольца, свободной от защемления, позволяет обеспечить контакт между губками кольца и сопряженной металлической поверхностью на незначительной части длины кольца (доли миллиметра) и здесь необходимое контактное давление при малой степени деформации нагружающего элемента, которая легко регулируется и за счет увеличения степени деформации обеспечивает компенсацию износа уплотняющих губок. Изменением контактного давления от нагружающих элементов можно также управлять тепловыделением в зоне трения, задавая его на минимальном уровне, обеспечивающем необходимую степень герметичности, и достигая максимальной износостойкости уплотняющего кольца и долговечности герметизирующего устройства. Thus, in the proposed design, the loading and deformation pattern of the sealing lip (s) is fundamentally different from the loading and deformation conditions in known structures. The presence of a thin sealing lip is an order of magnitude thinner than the main part of the ring, which is free from pinching, which makes it possible to ensure contact between the ring lips and the conjugated metal surface on a small part of the ring length (fractions of a millimeter), and here the necessary contact pressure with a small degree of deformation of the loading element, which is easily adjustable and by increasing the degree of deformation provides compensation for wear of the sealing jaws. The change in contact pressure from the loading elements can also control the heat in the friction zone, setting it at a minimum level that provides the necessary degree of tightness, and achieving maximum wear resistance of the sealing ring and the durability of the sealing device.

На фиг. 1, 2, 3, 4 показана конструкция (варианты исполнения) герметизирующего устройства. Оно содержит корпус 1, уплотнительное кольцо манжету 2, выполненное из антифрикционного полимерного материала, например фторопласта. Кольцо 2 размещено в расточке корпуса 1 и имеет T-образное (фиг. 1, 2, 5) или L-образное (фиг. 3) поперечное сечение за счет выполнения уплотняющих губок, причем отношение толщины h губок к их длине составляет не более 1:2. Элементы, поджимающие кольцо 2 к герметизируемым поверхностям, упираются в стенку уплотнительного кольца 2 и представляют собой кольцо 3 из эластичного материала, например резины, и имеют круглое поперечное сечение с диаметром d= (1,5-2)l, где l длина губок, что обеспечивает расположение центра сечения поджимающего кольца 3 над кромкой губки или с некоторым смещением в сторону высокого давления рабочей жидкости. Для регулирования контактного давления имеются сменные кольца 4, взаимодействующие с поджимающим кольцом 3 со стороны высокого давления и стопорное кольцо 5 для фиксации герметизирующего устройства на валу 6 (фиг. 1) или в корпусе (фиг. 2, 3). In FIG. 1, 2, 3, 4 shows the design (options) of the sealing device. It contains a housing 1, an o-ring cuff 2, made of an antifriction polymer material, for example fluoroplastic. Ring 2 is placed in the bore of the housing 1 and has a T-shaped (Fig. 1, 2, 5) or L-shaped (Fig. 3) cross-section due to the implementation of the sealing lips, and the ratio of the thickness h of the jaws to their length is not more than 1 : 2. The elements pressing ring 2 to the surfaces to be sealed abut against the wall of the sealing ring 2 and are a ring 3 made of an elastic material, for example rubber, and have a circular cross section with a diameter d = (1,5-2) l, where l is the length of the lips, which ensures that the center of the section of the pressing ring 3 is located above the edge of the sponge or with some displacement towards the high pressure of the working fluid. To regulate the contact pressure, there are interchangeable rings 4 interacting with the pressing ring 3 on the high pressure side and a retaining ring 5 for fixing the sealing device on the shaft 6 (Fig. 1) or in the housing (Fig. 2, 3).

При работающей гидромашине или другой гидроаппаратуре (пневмоаппаратуре) на уплотняющие губки кольца 2 воздействует давление рабочей среды и контактное давление от поджимающих элементов эластичных колец 3. Суммарное давление обеспечивает необходимую степень деформации уплотняющих губок и их плотное прижатие к сопряженной поверхности. Причем при указанных соотношениях между размером поджимающих колец 3 и губок кольца 2 элементы взаимодействуют с уплотняющими губками на участке не более 1/4 их длины, что приводит к исключению трения на 3/4 длины губок и остальной поверхности кольца. When the hydraulic machine or other hydraulic equipment (pneumatic equipment) is operating, the sealing lips of the ring 2 are affected by the pressure of the working medium and contact pressure from the pressing elements of the elastic rings 3. The total pressure provides the necessary degree of deformation of the sealing lips and their tight pressing against the mating surface. Moreover, with the indicated ratios between the size of the pressing rings 3 and the lips of the ring 2, the elements interact with the sealing lips in the area of no more than 1/4 of their length, which eliminates friction by 3/4 of the length of the lips and the rest of the ring surface.

Под воздействием контактного давления полимерный материал в условиях упруго пластического деформирования заполняет микронеровности сопряженной уплотняемой поверхности и обеспечивает надежную герметизацию подвижного соединения. Любое повышение давления рабочей жидкости вызывает увеличение давления на уплотняющую губку через прижимное кольцо 3 и этот контакт не раскрывается, так как увеличение деформации кольца приводит к увеличению площади контакта режимного кольца 3 с губками и повышению усилия прижима. Under the influence of contact pressure, the polymer material under conditions of elastically plastic deformation fills the microroughness of the mating sealing surface and provides reliable sealing of the movable joint. Any increase in pressure of the working fluid causes an increase in pressure on the sealing sponge through the clamping ring 3 and this contact is not opened, since an increase in the deformation of the ring leads to an increase in the contact area of the regime ring 3 with the jaws and an increase in the clamping force.

Первоначально сменные кольца 4 и стопорное кольцо 5 устанавливаются с расчетом обеспечения нормального режима работы в заданных диапазонах рабочих давлений. При незначительном износе уплотняющих губок их контакт с поверхностью вала обеспечивается за счет уменьшения степени упругости деформации поджимающих резиновых колец при некотором снижении величины контактного давления. Этим обеспечивается автоматическая компенсация износа. При увеличении износа в процессе длительной работы уплотнения для поддержания начального контактного давления на заданном уровне увеличивают степень деформации поджимающих колец путем замены регулирующих колец на кольца большей толщины. Таким образом обеспечивается регулирование контактного давления на уплотняющие губки и высокая надежность и долговечность герметизирующего устройства. Initially, interchangeable rings 4 and retaining ring 5 are installed with the expectation of ensuring normal operation in predetermined operating pressure ranges. With a slight wear of the sealing lips, their contact with the shaft surface is ensured by reducing the degree of elasticity of deformation of the pressing rubber rings with a slight decrease in the contact pressure. This ensures automatic wear compensation. With increased wear during prolonged operation of the seal to maintain the initial contact pressure at a predetermined level, the degree of deformation of the pressing rings is increased by replacing the control rings with rings of greater thickness. This ensures the regulation of contact pressure on the sealing lips and high reliability and durability of the sealing device.

Claims

1. A SEALING DEVICE comprising a sealing ring with a wall and a sealing sponge installed between the movable and fixed elements of the device, and an O-ring of elastic material, pressing the sealing ring to the surface to be sealed, characterized in that the sealing ring is made of antifriction polymer material with a ratio the thickness of the sealing lip and its length is not more than 1: 2, and the compression ring is made with a cross-sectional diameter in the range of 1.5-2.0 the length of the sponge and is placed on the sealing lip with an emphasis on the wall of the sealing ring on the one hand, and on the other hand an adjustment element is installed.

2. The device according to claim 1, characterized in that the o-ring of antifriction polymer material with a sealing lip is provided with an additional sealing lip placed symmetrically with respect to the main one, and to tighten the additional sealing lip, an additional O-ring of elastic material with an emphasis in it is installed a symmetrical wall of the o-ring on one side and an adjusting element on the other.

3. The device according to claim 1 and 2, characterized in that the adjusting element is made, for example, in the form of flat rings mounted on a movable or fixed element.