RU2227236C2

RU2227236C2 - Valve packing and method for manufacture thereof

Info

Publication number: RU2227236C2
Application number: RU2000123573/06A
Authority: RU
Inventors: О.В. Бусыгин
Original assignee: Государственное предприятие Научно-исследовательский институт машиностроения
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2004-04-20

Abstract

FIELD: locking armature for pneumatic and hydraulic systems. SUBSTANCE: valve packing has poppet valve head. Poppet valve head has coupling rod and iron ring. Packer is placed between coupling rod and iron ring. Packer is in contact with ring-shaped projection of saddle. Surfaces of coupling rod and iron ring are made coaxial and conical and intersecting with each other on the side, distant from the saddle, with cones, vertices of which are both on same side of saddle plane. On the side, oriented towards the saddle, this surfaces become cylindrical. Method for manufacture of valve packing includes embedding packer in poppet valve head between coupling rod and iron ring and then putting packer in stressed state. Packer is made of fluoroplastic. Said stressed state of packer is achieved by deforming packer by conical surfaces between coupling rod and iron ring. EFFECT: stable geometric shape of packer with wide-ranging specific loads and temperatures, increased technological effectiveness of manufacture. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к запорной арматуре пневмо- и гидросистем.The invention relates to valves of pneumatic and hydraulic systems.

Известны клапанные уплотнения (КУ) с фторопластовым уплотнителем, в которых фторопластовый уплотнительный элемент крепится на тарели запрессовкой или завальцовкой (см., например, "Уплотнения и уплотнительная техника" Справочник/ Л.А.Кондаков, А.И.Голубев, В.В.Гордеев и др.; под общ. ред. А.А.Голубева, Л.А.Кондакова - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1994. - 448 с.: ил. [1] стр.225, рис.7.10а).Known valve seals (KU) with a fluoroplastic sealant, in which a fluoroplastic sealing element is mounted on a plate by pressing or rolling (see, for example, "Seals and sealing technique" Reference / L.A. Kondakov, A.I. Golubev, V.V. .Gordeev et al .; Edited by A.A. Golubev, L.A. Kondakova - 2nd ed., Revised and revised - M.: Mechanical Engineering, 1994. - 448 pp., Ill. [ 1] p. 225, fig. 7.10a).

Крепление фторопластового уплотнителя (уплотнительных колец) и контроль качества крепления для КУ данного типа выполняют согласно ОСТ 26-07-2047-82. Для КУ регламентированы допустимые удельные нагрузки при заданном ресурсе. При известной нагрузке на уплотнение по этим зависимостям определяют возможный ресурс ([1]), стр.227, рис.7.11).The fastening of the fluoroplastic sealant (O-rings) and the quality control of the fastening for KU of this type are performed according to OST 26-07-2047-82. For KU regulated allowable specific loads for a given resource. With a known load on the seal, these dependencies determine the possible resource ([1]), p. 227, Fig. 7.11).

Недостатком такого типа КУ является, прежде всего, нестабильность геометрической формы уплотнителя в зоне его контакта с седлом, что ведет к низкому ресурсу КУ, особенно при высоких удельных нагрузках на уплотнителе, возникающих при давлении рабочего тела Р=200-300 кгс/см² и выше. Так, при давлении рабочего тела Р=250 кгс/см², ресурс КУ составляет 8000 включений ([1], стр.227).The disadvantage of this type of KU is, first of all, the instability of the geometric shape of the seal in the area of its contact with the seat, which leads to a low resource KU, especially at high specific loads on the seal, arising at a pressure of the working fluid P = 200-300 kgf / cm ² and higher. So, at a pressure of the working fluid P = 250 kgf / cm ² , the KU resource is 8000 inclusions ([1], p. 227).

Ресурсные характеристики указанных высоконагруженных КУ обусловлены способом заделки уплотнителя, при котором уплотнитель по своему объему имеет большую неравномерность напряженного состояния после сборки Фторопласт, являясь кристаллическим полимером, под действием нагрузки подвержен обратимой (при изменении температуры) пластической деформации (хладотекучести) (Д.Д.Чегодаев, З.К.Наумова, Ц.С.Дунаевская "Фторопласты", Л., 1960-191 с.[2], стр.47), выражающейся в продавливании уплотнителя в зоне контакта с седлом КУ. Фторопласт благодаря своей высокой химической стойкости является едва ли не единственным материалом, пригодным для уплотнителей КУ, работающих в высокоагрессивных средах (например, компоненты топлива в ракетно-космической технике). Указанные недостатки хладотекучести отрицательно влияют на возможность его применения в запорной арматуре с электромагнитным приводом (электроклапанах). При продавливании уплотнения происходит перераспределение удельных нагрузок в зоне контакта фторопласта с седлом, что может вызвать разгерметизацию КУ. Увеличение перемещения затвора, вызванное продавливанием уплотнения, приводит к уменьшению коэффициента запаса по тяге электромагнита. Необходимость восстановления коэффициента запаса по тяге сопровождается существенным увеличением массы и габаритов электромагнитного привода.The resource characteristics of these highly loaded KUs are determined by the method of sealing the seal, in which the sealant has a large unevenness of the stress state after assembly. The fluoroplastic, being a crystalline polymer, is subject to reversible (when the temperature changes) plastic deformation (cold flow) (D. D. Chegodaev , Z.K. Naumova, C.S. Dunaevskaya "Fluoroplasts", L., 1960-191 p. [2], p.47), expressed in the forcing of the seal in the contact zone with the KU saddle. Due to its high chemical resistance, fluorine plastic is almost the only material suitable for KU compactors operating in highly aggressive environments (for example, fuel components in space rocket technology). The indicated drawbacks of cold flow negatively affect the possibility of its use in shut-off valves with an electromagnetic drive (electrovalves). When the seal is forced through, the specific loads are redistributed in the zone of contact of the fluoroplastic with the saddle, which can cause depressurization of KU. An increase in the displacement of the shutter caused by the forcing of the seal leads to a decrease in the safety factor for the traction of the electromagnet. The need to restore the safety factor for traction is accompanied by a significant increase in the mass and dimensions of the electromagnetic drive.

Изменение геометрической формы уплотнителя при его продавливании приводит также к нестабильности гидравлических параметров КУ в процессе наработки. Перечисленные недостатки наиболее существенно влияют на параметры миниатюрной и быстродействующей запорной арматуры.A change in the geometric shape of the seal during its forcing also leads to instability of the hydraulic parameters of the KU during the operating time. These shortcomings most significantly affect the parameters of miniature and high-speed stop valves.

Дополнительным недостатком КУ с завальцованными уплотнительными элементами является ограниченность их использования в широком температурном диапазоне. Фторопласт не охрупчивается даже при температуре жидкого гелия (минус 269,3°С или 4К), что делает возможным его применение в качестве материала уплотнителя в криогенных КУ ([2], стр.37). Коэффициент линейного расширения фторопласта в 10-20 раз выше, чем у стали. Следовательно, при нагреве КУ разница в расширении пойдет на дополнительную деформацию уплотнителя за счет его псевдотечения ([2], стр.52), а при последующем остывании КУ в месте соприкосновения фторопласта с металлом образуется неплотность (или уменьшение удельных нагрузок), в направлении которой возможны утечки рабочего тела и промятие уплотнителя при наработке.An additional disadvantage of KU with sealed sealing elements is the limited use of them in a wide temperature range. Ftoroplast is not embrittled even at liquid helium temperature (minus 269.3 ° C or 4K), which makes it possible to use it as a sealant material in cryogenic KUs ([2], p. 37). The linear expansion coefficient of fluoroplastic is 10-20 times higher than that of steel. Therefore, when heating KU, the difference in expansion will go to additional deformation of the sealant due to its pseudo-flow ([2], p. 52), and when the KU is subsequently cooled at the point of contact of the fluoroplastic with the metal, leaks (or a decrease in specific loads) are formed, in the direction of which leakage of the working fluid and rinsing of the seal during operation are possible.

Целью изобретения является обеспечение стабильности геометрической формы уплотнителя КУ в широком диапазоне удельных нагрузок и температур. Применительно к запорной арматуре с электромагнитным приводом целью изобретения является расширение диапазона давления рабочего тела (до 400 кгс/см² и выше), расширение диапазона рабочих температур (от минус 200°С и ниже до +50...+100°С), повышение ресурсных характеристик КУ, обеспечение стабильности пневмогидравлических характеристик в течение ресурса КУ.The aim of the invention is to ensure the stability of the geometric shape of the seal KU in a wide range of specific loads and temperatures. With regard to valves with an electromagnetic drive, the purpose of the invention is to expand the pressure range of the working fluid (up to 400 kgf / cm ² and above), expand the range of operating temperatures (from minus 200 ° C and below to +50 ... + 100 ° C), increasing the resource characteristics of the KU, ensuring the stability of the pneumohydraulic characteristics during the life of the KU.

Указанная цель достигается тем, что КУ, состоящее из тарели, содержащей затвор и обойму, между которыми установлен уплотнитель, и седла с кольцевым выступом, контактирующим с уплотнителем, имеет особенности, заключающиеся в том, что поверхности штока и обоймы, между которыми расположен уплотнитель, выполнены соосными коническими, пересекающимися между собой, с конусами, вершины которых находятся по одну сторону от плоскости седла, при этом со стороны, удаленной от седла, конусные поверхности штока и обоймы пересекаются под углом 20-30°, а со стороны, обращенной к седлу, переходят в соосные цилиндрические поверхности. При этом ширина внешнего и внутреннего открытых кольцевых участков уплотнителя на торце тарели, располагаемых между выступом седла и цилиндрическими поверхностями обоймы и штока, не превышает 0,2 мм.This goal is achieved by the fact that KU, consisting of a plate containing a shutter and a holder, between which a seal is installed, and saddles with an annular protrusion in contact with the seal, has the features that the surface of the rod and the holder, between which the seal is located, made of coaxial conical, intersecting with each other, with cones, the vertices of which are located on one side of the plane of the saddle, while on the side remote from the saddle, the conical surface of the rod and cage intersect at an angle of 20-30 °, and with thoron facing the seat, pass into coaxial cylindrical surface. The width of the outer and inner open annular sections of the seal at the end of the plate, located between the protrusion of the saddle and the cylindrical surfaces of the cage and the rod, does not exceed 0.2 mm.

Известен способ сборки затвора клапана с уплотнителем из поликарбоната, заключающийся в термообработке уплотнителя при 130°С в течение 6 часов, монтаже на затвор, охлаждении в жидком азоте, и монтаже на охлажденный затвор обоймы с осевым сжатием уплотнителя [а.с. №648781, F 16 K 1/46, СССР]. Данный способ позволяет обеспечить внутри уплотнителя напряженное состояние, благодаря чему уплотнитель под действием приложенных нагрузок не продавливается внутрь, сохраняя геометрическую форму в ходе наработки. Тем самым достигается стабильность параметров привода (перемещение и коэффициент запаса по тяге) и гидравлических характеристик КУ.There is a method of assembling a valve shutter with a polycarbonate seal, which consists in heat treatment of the seal at 130 ° C for 6 hours, mounting on a shutter, cooling in liquid nitrogen, and mounting on a cooled shutter of a cage with axial compression of the seal [a.s. No. 648781, F 16 K 1/46, USSR]. This method allows you to provide a stress state inside the seal, so that the seal under the action of the applied loads is not forced inside, while maintaining a geometric shape during operation. This ensures the stability of the drive parameters (displacement and safety factor for traction) and hydraulic characteristics of the control unit.

Однако материал уплотнителя - поликарбонат - не пригоден для использования в химически агрессивных средах и, кроме того, данный способ не пригоден для заделки малогабаритных КУ (например, с диаметром седла 0,5 мм) вследствие малой теплоемкости деталей и мгновенного выравнивания поля температур при их соприкосновении. Кроме того, данный способ технологически сложен, т.к. требует обеспечения термических режимов при сборке деталей.However, the sealant material - polycarbonate - is not suitable for use in chemically aggressive environments and, in addition, this method is not suitable for sealing small-sized KUs (for example, with a saddle diameter of 0.5 mm) due to the low heat capacity of the parts and the instantaneous alignment of the temperature field when they come into contact . In addition, this method is technologically complicated, because requires thermal conditions during assembly of parts.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков КУ, а именно возможность миниатюризации КУ и повышение технологичности изготовления.The aim of the invention is to remedy these disadvantages of KU, namely the possibility of miniaturization of KU and improving the manufacturability.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе изготовления клапанного уплотнения, заключающемся в заделке уплотнителя в тарели между штоком и обоймой и получении в нем напряженного состояния, уплотнитель выполняют из фторопласта, а напряженное состояние получают путем деформации уплотнителя коническими поверхностями между штоком и обоймой. При этом значение напряженного состояния составляет предпочтительно 30-50% от разрушающего напряжения фторопласта.This goal is achieved by the fact that in the known method of manufacturing a valve seal, which consists in sealing the seal in the plate between the stem and the cage and obtaining a stress state therein, the seal is made of fluoroplastic, and the stress state is obtained by deforming the seal with conical surfaces between the stem and the cage. The value of the stress state is preferably 30-50% of the destructive stress of the fluoroplastic.

На фиг.1 показана конструктивная схема КУ, вершины конических поверхностей в которой обращены вниз, а на фиг.2 - вверх. На фиг.3 показана схема сборки.In Fig.1 shows a structural diagram of KU, the tops of the conical surfaces in which are facing down, and in Fig.2 - up. Figure 3 shows the assembly diagram.

КУ содержит шток 1, обойму 2 и уплотнитель 3, составляющие тарель и седло 4.KU contains the rod 1, the cage 2 and the seal 3, comprising a plate and a saddle 4.

Герметичность КУ обеспечивается созданием необходимых удельных нагрузок в зоне контакта уплотнителя с выступом седла. Механизм герметизации КУ состоит в заполнении микронеровностей выступа седла деформированным материалом уплотнителя. Удельные нагрузки в зоне контакта уплотнителя с седлом при этом должны превышать давление рабочего тела на некоторую величину. Для КУ типа "фторопласт-металл" это значение составляет около 40 кгс/см².The tightness of the KU is ensured by the creation of the necessary specific loads in the contact zone of the sealant with the protrusion of the saddle. The sealing mechanism of KU consists in filling the microroughnesses of the protrusion of the saddle with a deformed sealant material. In this case, the specific loads in the contact zone of the sealant with the seat must exceed the working fluid pressure by a certain amount. For KU type "fluoroplast-metal" this value is about 40 kgf / cm ² .

Таким образом, для обеспечения герметичности КУ с фторопластом с давлением рабочего тела 300 кгс/см² необходимо в контактной зоне КУ обеспечить удельные нагрузки около 350 кгс/см². При открытии-закрытии КУ, например, в быстродействующих электроклапанах возникают дополнительные нагрузки на уплотнитель за счет движущейся массы затвора и гидроударов столба рабочего тела. Удельные нагрузки в контактной зоне КУ при этом значительно превышают предел псевдотекучести фторопласта (предел псевдотекучести фторопласта-4 при t=25°C составляет 142 кгс/см²) [2].Thus, to ensure the tightness of KU with fluoroplastic with a working fluid pressure of 300 kgf / cm ^2, it is necessary to provide specific loads of about 350 kgf / cm ² in the contact zone of KU. When opening and closing KUs, for example, in high-speed solenoid valves additional loads arise on the sealant due to the moving mass of the shutter and hydraulic shock of the working medium column. In this case, the specific loads in the KU contact zone significantly exceed the pseudo-fluidity limit of the fluoroplastic (the pseudo-fluidity limit of fluoroplast-4 at t = 25 ° C is 142 kgf / cm ² ) [2].

Для того чтобы уплотнитель из фторопласта не продавливался внутрь тарели, необходимо, чтобы напряжения внутри уплотнителя по всему его объему превышали напряжения, возникающие в зоне его контакта с седлом.In order for the fluoroplastic sealant not to squeeze inside the plate, it is necessary that the stresses inside the sealant over its entire volume exceed the stresses arising in the zone of its contact with the seat.

Известно, что тонкий слой фторопласта (менее 0,2 мм) не выдавливается из щелевого зазора при очень высоких давлениях и при очень больших перепадах температуры ([2], стр.53). Внутренняя структура фторопласта такова, что участки упорядоченных макромолекул составляют кристаллиты, а пространство между ними заполнены неупорядоченными макромолекулами, аморфной фазой.It is known that a thin fluoroplastic layer (less than 0.2 mm) is not squeezed out of the gap gap at very high pressures and at very large temperature differences ([2], p. 53). The internal structure of the fluoroplastic is such that the regions of ordered macromolecules are crystallites, and the space between them is filled with disordered macromolecules, an amorphous phase.

При сборке тарели предлагаемого КУ величина и равномерность напряженного состояния уплотнителя по всему объему обеспечивается:When assembling the plates of the proposed KU, the value and uniformity of the stress state of the sealant throughout the volume is ensured by:

- его одинаковым относительным сжатием в каждом слое коническими поверхностями штока и обоймы;- its identical relative compression in each layer by the conical surfaces of the rod and cage;

- выбором натяга посадки уплотнителя на шток и обойму;- the choice of the interference fit of the seal on the rod and clip;

- предварительной формой заготовки уплотнителя, обеспечивающей это одинаковое относительное сжатие в каждом слое.- a preliminary form of the sealant blank providing this same relative compression in each layer.

Первоначальный объем уплотнителя 3 превышает объем полости определяемой конечным положением обоймы 2 и штока 1. При запрессовке происходит уменьшение объема уплотнителя с возникновением внутри него напряжений. Напряженное состояние уплотнителя сохраняется за счет трения об ограничивающие поверхности металла и сил взаимодействия кристаллитов внутри самого материала уплотнителя. Ширина полости между обоймой 2 и штоком 1 при этом должна быть минимальной с точки зрения конструктивно-технологических соображений.The initial volume of the seal 3 exceeds the volume of the cavity determined by the final position of the holder 2 and the rod 1. When pressing in, the volume of the seal decreases with the occurrence of stresses inside it. The stress state of the seal is maintained due to friction against the bounding surfaces of the metal and the forces of crystallite interaction within the seal material itself. The width of the cavity between the holder 2 and the rod 1 should be minimal from the point of view of structural and technological considerations.

Для исключения явления выдавливания уплотнителя в направлении навстречу седлу 4 необходимо обеспечить зазоры между выступом седла 4 и цилиндрическими поверхностями обоймы 2 и штока 1 менее 0,2 мм. Для предотвращения перемещения обоймы 2 и штока 1 относительно друг друга и ослабления запрессовки уплотнителя они крепятся между собой, например, завальцовкой.To eliminate the phenomenon of extrusion of the seal in the direction towards the seat 4, it is necessary to provide gaps between the protrusion of the seat 4 and the cylindrical surfaces of the casing 2 and the rod 1 less than 0.2 mm To prevent the movement of the cage 2 and the rod 1 relative to each other and to weaken the mounting of the seal, they are fastened together, for example, by rolling.

Предлагаемая схема КУ обеспечивает равномерное по объему напряженное состояние уплотнителя из фторопласта в заделке на затворе и удержание этого состояния силами трения и взаимодействия кристаллитов между собой и с ограничивающими уплотнитель поверхностями. Благодаря этому предлагаемое КУ работоспособно при высоких давлениях рабочего тела (до 400 кгс/см² и выше) и в широком диапазоне температур (от температур жидкого гелия до +200°С), обладает высокой герметизирующей способностью, имеет высокий ресурс и стабильность в ходе наработки. Отсутствие необходимости использования термических операций для сборки КУ значительно упрощает технологию его изготовления и делает возможным создание миниатюрных КУ. Благодаря использованию в качестве уплотнителя фторопласта он может применяться практически для любых рабочих тел, в том числе и химически агрессивных.The proposed KU scheme provides a uniformly stressed tension state of the fluoroplastic sealant in the seal on the gate and the retention of this state by the forces of friction and the interaction of crystallites with each other and with the surfaces bounding the sealant. Due to this, the proposed KU is operable at high pressures of the working fluid (up to 400 kgf / cm ² and above) and in a wide temperature range (from liquid helium temperatures to + 200 ° C), has a high sealing ability, has a high resource and stability during operation . The absence of the need to use thermal operations for assembling KU greatly simplifies the technology of its manufacture and makes it possible to create miniature KU. Due to the use of fluoroplastic as a sealant, it can be used for almost any working fluid, including chemically aggressive ones.

Claims

1. Valve seal, consisting of a plate containing a rod and a cage, between which a seal is installed, and seats with an annular protrusion in contact with the seal, characterized in that the surface of the stem and cage, between which the seal is located, are made coaxial conical, on the side remote from the saddle, intersecting with each other, with cones, the vertices of which are on one side of the plane of the saddle, and from the side facing the saddle, go into cylindrical surfaces.

2. The valve seal according to claim 1, characterized in that the conical surfaces of the stem and cage intersect at an angle of 20-30 °.

3. A method of manufacturing a valve seal, which consists in sealing the seal in the plate between the stem and the holder and obtaining a stress state therein, characterized in that the seal is made of fluoroplastic, and the stress state is obtained by deforming the seal with conical surfaces between the stem and the holder.

4. The method according to claim 3, characterized in that the value of the stress state is 30-50% of the destructive stress of the fluoroplastic.