RU225576U1 - Ленточный пружинный экспандер - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к конструкциям уплотнительных колец для поршневых приводов. Ленточный пружинный экспандер для графитового поршневого кольца (ПК), состоящего из трех сегментов, отличающийся тем, что волны экспандера выполнены высотой h, рассчитанной по формуле: , где h – высота экспандера; В – зазор между ПК и дном поршневой канавки; N·g – амплитуда ускорения воздействующих ударов или вибраций, g = 9,81 м/с²; M_ПК и M_Э – масса ПК и экспандера, соответственно; µ_Ц – коэффициент трения между ПК и цилиндром; µ_Э – коэффициент трения между ПК с экспандером и поршнем; n – число колебаний волн экспандера; b – ширина ленты экспандера; δ – толщина ленты экспандера; Е – модуль упругости материала экспандера; k – коэффициент запаса, k = (1,2 … 2); L – длина одной волны экспандера. 4 ил.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к конструкциям уплотнительных колец для поршневых приводов.

Известны манжетные уплотнения, представляющие собой выполненные из мягкого упругого материала кольца с расширителем. Основной недостаток манжет - низкая надежность при работах на повышенных температурах. Например, полихлорвиниловые манжеты выдерживают температуры до 80°С. Фторопластовые манжеты могут работать при температурах до 300°С. (см. Орлов П.И. «Основы конструирования. Справочное методическое пособие. Книга 3». - М.: «Машиностроение», 1977, стр.92).

Известны уплотнения пружинными кольцами, изготовляемыми из закаленной стали, чугуна, бронзы. Кольца сажают в канавки с осевым зазором 0,0005 … 0,020 мм, зазор между внутренней поверхностью цилиндра и поршнем делают равным 0,5 … 1 мм. Кольцо устанавливается с натягом по отношению к поршню. В процессе работы кольцо стоит неподвижно в поршне или слегка проскальзывает. Под действием перепада давлений кольцо прижимается торцами к стенке канавки в поршне (см. Орлов П.И. «Основы конструирования. Справочное методическое пособие. Книга 3». - М.: «Машиностроение», 1977, стр.98).

Недостатком таких уплотнений является их низкая надежность, низкая герметичность и повышенные силы трения из-за значительных усилий прижатия колец к поверхности цилиндра для устранения просветов между кольцом и цилиндром (В.Я. Гинцбург Теория поршневого кольца. - М., «Машиностроение», 1979, стр.72), вследствие чего такие кольца нельзя использовать в пневматических системах регулирования, например в системах регулирования геометрии компрессора ГТД (для регулирования площади клапана перепуска воздуха из компрессора, для регулирования положения лопаток входного направляющего аппарата компрессора).

Наиболее близким устройством к предлагаемой полезной модели (прототипом) является поршневое кольцо (ПК) с ленточным пружинным экспандером (см. авторское свидетельство №309186, МПК F16j 9/06 от 14.IV.1969г.), в котором экспандер обеспечивает равномерное распределение давлений в контакте между кольцом и корпусом цилиндра, что существенно снижает силы трения и износ (как поршневого кольца, так и цилиндра). При этом кольца могут быть выполнены составными (из нескольких сегментов) и из материала с лучшей характеристикой износа (см. К. Энглиш Поршневые кольца. Том 1. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, Москва, 1962 г., стр. 486-488). Для снижения сил трения в случаях, когда исключено применение смазок, единственно правильным решением является использование самосмазывающихся материалов на основе углерода.

Недостатком прототипа является повышенная сила трения между ПК и цилиндром, что снижает качество (точность) работы системы регулирования с таким исполнительным механизмом. Повышенные усилия прижатия ПК к цилиндру вызывают повышенный износ графитового ПК - снижают ресурс устройства, создают повышенные перетечки по ПК при малых перепадах давлений на поршне.

Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель является создание ленточного пружинного, изогнутого волнообразно, экспандера для поршневых колец, обеспечивающего прижатие ПК к стенке цилиндра с минимально возможном усилием, что повышает надежность и долговечность работы устройства, обеспечивает снижение перетечек по ПК на малых перепадах давления на поршне.

Для достижения указанного технического результата ленточный пружинный экспандер для графитового поршневого кольца, состоящего из трех сегментов, отличающийся тем, что волны экспандера выполнены высотой h, рассчитанной по формуле:

,

где h - высота экспандера;

В - зазор между ПК и дном поршневой канавки;

N·g - амплитуда ускорения воздействующих ударов или вибраций, g = 9,81 м/с²;

M_ПК и M_Э - масса ПК и экспандера, соответственно;

μ_Ц - коэффициент трения между ПК и цилиндром;

μ_Э - коэффициент трения между ПК с экспандером и поршнем;

n - число колебаний волн экспандера;

b - ширина ленты экспандера;

δ - толщина ленты экспандера;

Е - модуль упругости материала экспандера;

k - коэффициент запаса, k = (1,2 … 2);

L - длина одной волны экспандера.

Отличительные признаки заявленного устройства, а именно, выполнение волн экспандера высотой h, рассчитанной по формуле:

,

где h - высота экспандера;

В - зазор между ПК и дном поршневой канавки;

N·g - амплитуда ускорения воздействующих ударов или вибраций, g = 9,81 м/с²;

M_ПК и M_Э - масса ПК и экспандера, соответственно;

μ_Ц - коэффициент трения между ПК и цилиндром;

μ_Э - коэффициент трения между ПК с экспандером и поршнем;

n - число колебаний волн экспандера;

b - ширина ленты экспандера;

δ - толщина ленты экспандера;

Е - модуль упругости материала экспандера;

k - коэффициент запаса, k = (1,2 … 2);

L - длина одной волны экспандера.

позволяют снизить силы трения, воздействующие на поршневое кольцо, повысив тем самым точность работы устройства, уменьшить перетечки по поршневому кольцу, одновременно снизить износ графитового кольца - повысить надежность и ресурс устройства.

Предлагаемое устройство представлено на чертежах и описано ниже. На фиг.1 представлен ленточный пружинный экспандер, содержащий 6 волн длиной 1 равной L, толщиной ленты 2, равной δ, высотой 3, равной h. На фиг.2 представлен ленточный пружинный экспандер 4, установленный в поршневой канавке поршня 5, в зазоре 6 между дном поршневой канавки и графитовым поршневым кольцом 7, которое прижимается к стенке цилиндра 8. На фиг.3 представлена схема поршневой канавки в поршне 5, в которой установлено поршневое кольцо 7, прижимаемое экспандером 4 к внутренней поверхности цилиндра 8.

Дополнительно, на графике фиг.4 представлены зависимости величин перетечек воздуха по поршневому кольцу от перепада давлений на поршне, поджатому экспандером, и по поршневому кольцу, не поджатому к стенке цилиндра экспандером.

Устройство работает следующим образом.

Изначально экспандер помещается в зазор шириной В между ПК и дном поршневой канавки. При этом экспандер поджат на величину (h-В). Такая величина поджатия экспандера формирует каждой волной экспандера усилие давления на ПК в сторону поджатия его к цилиндру. При этом n волн экспандера увеличивают усилие в n раз.

Величину усилия, создаваемого одной волной экспандера, определим, используя зависимость прогиба λ балки длиной L, шириной b, толщиной δ от величины усилия R, приложенного к центру балки (см. Краткий физико-технический справочник. Том второй. -М., 1960 г., стр.211, 195):

Создаваемое экспандером усилие R прижмет ПК к внутренней поверхности цилиндра лишая возможности смещения сегментов ПК при радиальных воздействиях (удары, вибрации) амплитудой N⋅g⋅(Mпк + Mэ) < R и при осевых воздействиях (удары, вибрации) амплитудой N⋅g⋅(Mпк + Mэ) / ( μ_Ц + μ_Э ) < R силы трения между ПК и цилиндром, между ПК и поршнем так же будут препятствовать перемещениям ПК относительно цилиндра, препятствуя износу ПК.

Проведенные нами исследования показали, что сегменты графитовых ПК, установленные без экспандера, самоустанавливаются в рабочее (уплотняющее) положение при небольших перепадах на поршне (для поршневого привода с D_ц=65мм величина этого перепада менее 0,001 кгс/см²). При этом также отмечено, что перетечки по ПК, установленным без экспандера, при малых перепадах на поршне до 0,5 кгс/см² меньше, чем по ПК с экспандером, что связано с тем, что силы трения, вызванные прижатием ПК к поверхности цилиндра и к поршню, препятствуют прижатию ПК к боковой поверхности кольцевой канавки, в которую установлено ПК.

Из этого следует, что в системах регулирования с пневматическими поршневыми приводами возможно применение графитовых ПК без экспандеров, а введение экспандера производить только лишь для обеспечения защиты ПК от механических ударов и вибраций. Что возможно обеспечить таким выполнением экспандера, чтобы при его деформациях при установке обеспечивались бы усилия трения, достаточные для предотвращения смещений ПК при заданных амплитудах ускорений ударов и вибраций. Что и позволяет достичь ленточный волнообразно изогнутый пружинный экспандер, для графитового поршневого кольца, состоящего, например, из трех сегментов, выполненный так, что волны экспандера имеют высоту h, рассчитанную по формуле:

,

где h - высота экспандера;

В - зазор между ПК и дном поршневой канавки;

N·g - амплитуда ускорения воздействующих ударов или вибраций, g = 9,81 м/с² ;

M_ПК и M_Э - масса ПК и экспандера, соответственно;

μ_Ц - коэффициент трения между ПК и цилиндром;

μ_Э - коэффициент трения между ПК с экспандером и поршнем;

n - число колебаний волн экспандера;

b - ширина ленты экспандера;

δ - толщина ленты экспандера;

Е - модуль упругости материала экспандера;

k - коэффициент запаса, k = (1,2 … 2);

L - длина одной волны экспандера.

Здесь коэффициент k - это коэффициент запаса на выполнение геометрии экспандера, поршня и цилиндра, на отклонение упругих свойств экспандера от расчетных.

Таким образом, выполнение поршневого уплотнения с зазором между ПК и дном поршневой канавки согласно предложенной полезной модели снизит силы трения (поршень-цилиндр) до минимально возможной величины, что повысит точность регулирования данным пневмоприводом, повысит герметичность ПК. Одновременно обеспечит стойкость графитового поршневого кольца к возможным в эксплуатации ударам и вибрациям - обеспечит устройству высокую надежность.

Claims (14)

1. Ленточный пружинный экспандер для графитового поршневого кольца (ПК), состоящего из трех сегментов, отличающийся тем, что волны экспандера выполнены высотой h, рассчитанной по формуле:
2. ,
3. где h – высота экспандера;
4. В – зазор между ПК и дном поршневой канавки;
5. N·g – амплитуда ускорения воздействующих ударов или вибраций, g = 9,81 м/с²;
6. M_ПК и M_Э – масса ПК и экспандера, соответственно;
7. µ_Ц – коэффициент трения между ПК и цилиндром;
8. µ_Э – коэффициент трения между ПК с экспандером и поршнем;
9. n – число колебаний волн экспандера;
10. b – ширина ленты экспандера;
11. δ – толщина ленты экспандера;
12. Е – модуль упругости материала экспандера;
13. k – коэффициент запаса, k = (1,2 … 2);
14. L – длина одной волны экспандера.