RU2269046C1

RU2269046C1 - Sealing device

Info

Publication number: RU2269046C1
Application number: RU2004114954/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Константинович Машков (RU); Юрий Константинович Машков; Олег Алексеевич Мамаев (RU); Олег Алексеевич Мамаев; Марина Юрьевна Байбарацка (RU); Марина Юрьевна Байбарацкая; бликов Владимир Сергеевич З (RU); Владимир Сергеевич Зябликов
Original assignee: Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2006-01-27
Also published as: RU2004114954A

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: sealing device comprises sealing and guiding members made of a single cylindrical bushing made of a polymeric composition material and interposed between unmovable and movable members of the device and load-bearing member that presses the sealing member to the surface to be sealed and made of a ring which has round cross-section and made of a flexible material. The cylindrical bushing is provided with the sealing jaw whose thickness-length ratio is no more than 1:3. The diameter of the cross-section of the lead-bearing member ranges from 1.0 to 1.2 of the length of the sealing jaw. The ratio of the jaw length to the length of the cylindrical bushing is no more than 1:4. The ratio of the thickness of the jaw to the thickness of the wall of the bushing is no more than 1:2. The load-bearing member and cylindrical bushing are fit in the bore of the movable member with interference.

EFFECT: enhanced reliability.

2 cl, 3 dwg

Description

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

Известно уплотнение поршня газового компрессора (Машков Ю.К., Грязнов Б.Т. Несмазываемые узлы трения машин микрокриогенной техники. - М.: ЦИНТИ ХИМНЕФТЕМАШ, 1989. - 32 с.), содержащее манжету Г-образного сечения, изготовленную из антифрикционного полимерного композиционного материала на основе фторопласта - 4 и установленную в разъемном поршне с упором в металлический эспандер (силовой элемент) и закрепленную неподвижно зажимным винтом. Для снижения силы трения и исключения заедания поршня в металлическом цилиндре нижняя часть поршня армирована (облицована) тонкостенной втулкой из полимерного композиционного материала на основе фторопласта - 4, наклеенной на металлический поршень.A piston seal of a gas compressor is known (Mashkov Yu.K., Gryaznov BT. Non-lubricated friction units of microcryogenic technology machines. - M.: TSINTI HIMNEFTEMASH, 1989. - 32 pp.), Containing a L-shaped cuff made of antifriction polymer fluoroplastic-based composite material - 4 and installed in a detachable piston with emphasis in a metal expander (power element) and fixed motionless with a clamping screw. To reduce the friction force and prevent piston jamming in a metal cylinder, the lower part of the piston is reinforced (lined) with a thin-walled sleeve made of a polymer composite material based on fluoroplastic - 4 glued to a metal piston.

Этому устройству присущи недостатки, снижающие его надежность, ресурс и технологичность конструкции. Установка манжеты с опорой уплотняющей губки на металлический эспандер, неподвижно закрепленный между двумя частями разъемного поршня, значительно ограничивает возможность компенсации погрешностей изготовления и несоосности установки деталей при сборке поршня, а также компенсации износа уплотняющей губки манжеты в процессе эксплуатации.This device has inherent disadvantages that reduce its reliability, resource and manufacturability of the design. Installing the cuff with the support of the sealing lip on a metal expander fixedly fixed between the two parts of the detachable piston significantly limits the possibility of compensating for manufacturing errors and misalignment of the parts during assembly of the piston, as well as compensating for wear of the sealing lip of the cuff during operation.

Второй недостаток устройства заключается в том, что закрепление направляющей полимерной втулки с помощью клея значительно снижает надежность конструкции, поскольку в условиях эксплуатации при значительном изменении температуры и нагрузок возможно разрушение клеевого соединения. Третьим недостатком устройства является его сложность и трудоемкость изготовления, т.к. все детали устройства должны изготавливаться с высокой точностью, что ведет к значительному повышению стоимости изделия.The second disadvantage of the device is that fixing the guide polymer sleeve with glue significantly reduces the reliability of the structure, since under the conditions of operation with a significant change in temperature and loads, the adhesive joint can be destroyed. The third disadvantage of the device is its complexity and the complexity of manufacturing, because all parts of the device must be manufactured with high accuracy, which leads to a significant increase in the cost of the product.

Известно герметизирующее устройство (Патент РФ №2047799, кл. F 16 J 15/32, 1992), содержащее уплотнительное кольцо из антифрикционного материала со стенкой и уплотнительной губкой, установленное между подвижным и неподвижным элементами устройства и кольцо круглого сечения из эластичного материала, поджимающее губку уплотнительного кольца к герметизирующей поверхности. При этом отношение толщины уплотняющей губки и ее длины составляет не более 1:2, а поджимающее кольцо круглого сечения выполнено с диаметром поперечного сечения в пределах 1,5-2,0 длины губки. Этому устройству также присущи недостатки, снижающие надежность уплотнения и степень герметичности соединения. Первый недостаток заключается в том, что при отношении толщины уплотняющей губки к ее длине 1:2 жесткость губки при использовании полимерных композиционных материалов для изготовления уплотнительного кольца оказывается более высокой, чем необходимо для компенсации погрешностей изготовления и сборки деталей устройства. Это приводит к неравномерному прижатию губки и недостаточному уровню контактного давления губки на уплотняемую цилиндрическую поверхности по ее окружности.A sealing device is known (RF Patent No. 2047799, class F 16 J 15/32, 1992), comprising an o-ring made of antifriction material with a wall and a sealing lip installed between the movable and fixed elements of the device and an O-ring of elastic material, which compresses the sponge O-rings to the sealing surface. In this case, the ratio of 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 of the length of the lip. This device also has disadvantages that reduce the reliability of the seal and the degree of tightness of the connection. The first drawback is that when the ratio of the thickness of the sealing sponge to its length 1: 2, the stiffness of the sponge when using polymer composite materials for the manufacture of the sealing ring is higher than necessary to compensate for errors in the manufacture and assembly of parts of the device. This leads to an uneven pressing of the sponge and an insufficient level of contact pressure of the sponge on the sealed cylindrical surface around its circumference.

Второй недостаток устройства заключается в том, что при диаметре поперечного сечения поджимающего кольца в пределах 1,5-2,0 длины губки, т.е. в 1,5-2,0 раза больше длины губки, губка по всей длине при деформации поджимающего кольца плотно прижимается к его поверхности. При таком положении уплотняющего и силового элементов с увеличением давления уплотняемой рабочей среды давление среды не воздействует на уплотняющую губку и повышения контактного давления на уплотняемую поверхность не происходит. Вследствие чего степень герметичности снижается из-за увеличения перепада давлений на уплотняющем кольце.The second disadvantage of the device is that when the diameter of the cross section of the compression ring is within 1.5-2.0 of the length of the sponge, i.e. 1.5-2.0 times the length of the sponge, the sponge along the entire length when the compression ring is deformed tightly pressed to its surface. With this position of the sealing and power elements with increasing pressure of the sealing medium, the pressure of the medium does not affect the sealing sponge and the contact pressure does not increase on the sealing surface. As a result, the degree of tightness is reduced due to an increase in the differential pressure on the sealing ring.

Известно также уплотнительное устройство (Авторское свидетельство СССР №1198305, кл. 4 F 16 J 15/56, 1983), содержащее корпус поршня, направляющий и уплотняющий элементы, выполненные в одной детали из полимерного композиционного материала в виде гладкой цилиндрической втулки, и упругий металлический эспандер, установленный на корпусе поршня неподвижно. При этом часть втулки, не менее половины ее длины, установлена на корпусе поршня с натягом 0,15-0,30 от диаметра поршня и выполняет функцию направляющего элемента. Меньшая свободная часть цилиндрической полимерной втулки силами упругой деформации эспандера прижимается к уплотняемой поверхности цилиндра и выполняет функцию уплотняющего элемента.Also known is a sealing device (USSR Author's Certificate No. 1198305, class 4 F 16 J 15/56, 1983), comprising a piston body, guide and sealing elements made in one piece of a polymer composite material in the form of a smooth cylindrical sleeve, and an elastic metal an expander mounted on the piston body motionless. Moreover, part of the sleeve, at least half of its length, is mounted on the piston body with an interference fit of 0.15-0.30 from the diameter of the piston and acts as a guide element. The smaller free part of the cylindrical polymer sleeve by the forces of elastic deformation of the expander is pressed against the sealing surface of the cylinder and acts as a sealing element.

Это устройство наиболее близко по своей технической сущности к предлагаемому изобретению, однако ему также присущи недостатки, ограничивающие область его применения, снижающие надежность и ресурс работы. При одинаковой толщине стенки направляющей и уплотняющей частей втулки уплотняющая часть обладает слишком высокой жесткостью из-за относительно большой толщины стенки - не менее 1,5 мм. Более тонкую стенку выполнить нельзя, т.к. прочность соединения полимерной втулки с металлическим поршнем будет недостаточной для сохранения прочности соединения в условиях длительной эксплуатации.This device is closest in its technical essence to the proposed invention, however, it also has inherent disadvantages that limit its scope, reducing reliability and service life. With the same wall thickness of the guide and the sealing parts of the sleeve, the sealing part has too high rigidity due to the relatively large wall thickness of at least 1.5 mm. A thinner wall cannot be made, because the strength of the connection of the polymer sleeve with the metal piston will be insufficient to maintain the strength of the connection in long-term operation.

Второй недостаток устройства заключается в том, что для обеспечения надежного прижатия уплотняющей части втулки к поверхности цилиндра и создания необходимого контактного давления на уплотняемой поверхности требуется значительные упругие силы, которые снижают надежность соединения полимерной втулки с поршнем, стремясь оторвать втулку от поршня и сокращая ресурс уплотнения.The second disadvantage of the device is that to ensure reliable pressing of the sealing part of the sleeve to the surface of the cylinder and to create the necessary contact pressure on the sealing surface, significant elastic forces are required, which reduce the reliability of the connection of the polymer sleeve with the piston, trying to tear the sleeve from the piston and reduce the life of the seal.

Третий недостаток устройства состоит в его сложности, поскольку содержит резьбовое соединение, специальный крепежный винт и шайбу для установки и регулировки положения эспандера.The third disadvantage of the device is its complexity, because it contains a threaded connection, a special mounting screw and a washer for installing and adjusting the position of the expander.

Задачей изобретения является повышение надежности, долговечности и упрощения конструкции устройства, для чего в герметизирующем устройстве, содержащем уплотняющий и направляющий элементы, выполненные в одной детали из полимерного композиционного материала в виде цилиндрической втулки, установленной между неподвижным и подвижным элементами устройства и силовой элемент, поджимающий уплотняющий элемент к герметизируемой поверхности, в виде кольца круглого сечения из эластичного материала, цилиндрическая втулка снабжена уплотняющей губкой с отношением ее толщины к длине не более 1:3, а поджимающий элемент - кольцо из эластичного материала с диаметром поперечного сечения в пределах 1,0-1,2 длины уплотняющей губки и цилиндрическая втулка с отношением длины губок к длине втулок не более 1:4 и толщины губок к толщине стенки втулки не более 1:2 установлены в расточках поршня - подвижного элемента с натягом 0,10...0,15 от посадочного диаметра расточки поршня.The objective of the invention is to increase the reliability, durability and simplify the design of the device, for which a sealing device containing a sealing and guiding elements made in one piece of polymer composite material in the form of a cylindrical sleeve mounted between the stationary and movable elements of the device and the power element, pressing sealing element to the surface to be sealed, in the form of a circular ring of elastic material, the cylindrical sleeve is equipped with a sealing a sponge with a ratio of its thickness to a length of not more than 1: 3, and the pressing element is a ring of elastic material with a cross-sectional diameter within 1.0-1.2 of the length of the sealing sponge and a cylindrical sleeve with a ratio of the length of the sponges to the length of the bushings not more than 1 : 4 and the thickness of the jaws to the wall thickness of the sleeve no more than 1: 2 are installed in the bores of the piston - a movable element with an interference fit of 0.10 ... 0.15 from the bore diameter of the piston bore.

В отличие от известных герметизирующих устройств (аналога и прототипа) указанные выше соотношения толщины и длины губок, а также длины губок и диаметра поперечного сечения поджимающего кольца обеспечивают минимальную жесткость губок и минимизацию усилия, необходимого для деформации губок и создания контактного давления на уплотняемой поверхности на участке контакта. Минимальная толщина губки определяется конструктивно-технологическими возможностями:Unlike the known sealing devices (analogue and prototype), the above ratios of the thickness and length of the jaws, as well as the length of the jaws and the diameter of the cross section of the compression ring provide the minimum rigidity of the jaws and minimize the force required to deform the jaws and create contact pressure on the sealing surface in the area contact. The minimum thickness of the sponge is determined by the design and technological capabilities:

механической прочностью и жесткостью (предел прочности, модуль упругости) полимерного композиционного материала и технологией изготовления кольца. Длина губок должна составлять не менее трех толщин также из соображений минимальной жесткости губок, а длина всей втулки - не менее четырех длин губок для обеспечения хорошего с минимальным перекосом направления подвижного элемента - поршня в неподвижном цилиндре. Для надежного неподвижного соединения полимерной втулки с поршнем она устанавливается в расточке корпуса с натягом 0,10-0,15 незначительно, превышающим разницу в термическом расширении полимерной втулки и металлического поршня. Это обеспечивает значительное по сравнению с прототипом снижение степени деформации втулки (в 2-3 раза) и исключает появление внутренних дефектов при установке втулки в расточку поршня, когда деформация увеличивается на величину разницы диаметров поршня и расточки.mechanical strength and stiffness (tensile strength, elastic modulus) of the polymer composite material and the ring manufacturing technology. The length of the jaws should be at least three thicknesses also for reasons of minimum stiffness of the jaws, and the length of the entire sleeve should be at least four lengths of jaws to ensure good direction with a minimum skew direction of the movable element - the piston in the fixed cylinder. For reliable fixed connection of the polymer sleeve with the piston, it is installed in the housing bore with an interference fit of 0.10-0.15 slightly exceeding the difference in thermal expansion of the polymer sleeve and the metal piston. This provides a significant reduction in the degree of deformation of the sleeve (2-3 times) compared with the prototype and eliminates the appearance of internal defects when installing the sleeve in the bore of the piston, when the deformation increases by the magnitude of the difference between the diameters of the piston and the bore.

На фиг.1, 2, 3 показана конструкция (варианты исполнения) герметизирующего устройства. Оно содержит неподвижный элемент конструкции - цилиндр 1, опорно-уплотнительную втулку 2, выполненную из антифрикционного полимерного композиционного материала, например, на основе фторопласта-4. Втулка 2 установлена неподвижно с натягом в расточке поршня 3 и имеет уплотняющую губку 4, при этом отношение толщины h губки к ее длине l составляет не более 1/3 и длины губки l к длине втулки Н не более 1/4, а отношение толщины губок к толщине стенки втулки составляет не более 1/2, диаметр поперечного сечения кольца 5 составляет 1,0-1,2 длины губки l. Кольцо 5, поджимающее губку 4 втулки 2 к герметизируемой поверхности цилиндра 1, установлено в канавке поршня 3.Figure 1, 2, 3 shows the design (options) of the sealing device. It contains a fixed structural element - cylinder 1, support and sealing sleeve 2, made of antifriction polymer composite material, for example, based on fluoroplast-4. The sleeve 2 is mounted stationary with an interference fit in the bore of the piston 3 and has a sealing lip 4, while the ratio of the thickness h of the sponge to its length l is not more than 1/3 and the length of the sponge l to the length of the sleeve H is not more than 1/4, and the ratio of the thickness of the jaws to the thickness of the wall of the sleeve is not more than 1/2, the diameter of the cross section of the ring 5 is 1.0-1.2 of the length of the sponge l. The ring 5, pressing the sponge 4 of the sleeve 2 to the sealing surface of the cylinder 1, is installed in the groove of the piston 3.

При необходимости обеспечить двухстороннее уплотнение поверхности цилиндра опорно-уплотнительная втулка может быть снабжена второй уплотняющей губкой 6 (фиг.2), расположенной симметрично относительно первой и вторым кольцом, поджимающим губку 6 к герметизируемой поверхности.If necessary, to provide two-sided sealing of the cylinder surface, the supporting-sealing sleeve may be provided with a second sealing lip 6 (Fig. 2), located symmetrically with respect to the first and second ring, pressing the lip 6 to the surface to be sealed.

С целью повышения степени герметизации и надежности герметизирующего устройства оно может быть снабжено второй опорно-уплотняющей втулкой с кольцом, поджимающим уплотняющую губку к уплотняемой поверхности, установленными соосно на поршне (фиг.3).In order to increase the degree of sealing and the reliability of the sealing device, it can be equipped with a second supporting-sealing sleeve with a ring that compresses the sealing lip to the sealing surface, mounted coaxially on the piston (figure 3).

В свободном нерабочем состоянии без поджимного кольца 5 между цилиндром 1 и втулкой 2 обеспечивается гарантированный зазор от 0,1 до 0,3 мм в зависимости величины диаметра поршня и цилиндра.In a free non-working state without a compression ring 5 between the cylinder 1 and the sleeve 2, a guaranteed clearance of 0.1 to 0.3 mm is ensured, depending on the diameter of the piston and cylinder.

При работе изделия (гидропневмоаппаратура и другие изделия) на уплотняющую губку 4 опорно-уплотнительной втулки 2 воздействует высокое давление рабочей среды (жидкости, газа) и контактное давление от сил упругой деформации поджимающего кольца 5 суммарное давление обеспечивает необходимую степень деформации уплотняющей губки 4 и ее плотное прижатие к сопряженной поверхности цилиндра 1. Причем при заданном отношении толщины h губки к ее длине l не более 1:3 обеспечивается малая жесткость губок 4. Поэтому под действием давления со стороны поджимного кольца 5 они имеют возможность компенсировать несоосность вследствие погрешностей изготовления и сборки деталей устройства и отслеживать неизбежное колебание радиального зазора между втулкой 2 и цилиндром 1 при работе изделия.During operation of the product (hydropneumatic equipment and other products), the sealing sponge 4 of the supporting-sealing sleeve 2 is affected by high pressure of the working medium (liquid, gas) and the contact pressure from the elastic forces of the pressing ring 5, the total pressure provides the necessary degree of deformation of the sealing sponge 4 and its tight pressing against the mating surface of the cylinder 1. Moreover, for a given ratio of the thickness h of the sponge to its length l of not more than 1: 3, the low rigidity of the jaws is provided 4. Therefore, under pressure from the side of the sponge ring 5 much they have the ability to compensate for misalignment due to manufacturing and assembling errors of parts of the device and to track an inevitable fluctuation radial clearance between the sleeve 2 and the cylinder 1 during operation of the product.

В условиях напряженно-деформированного состояния уплотняющей губки под влиянием контактного давления полимерный материал втулки 2 на малой контактной длине упругопластически деформируется на микронеровностях сопряженной металлической поверхности цилиндра 1 и обеспечивает герметизацию подвижного сопряжения. Повышение давления рабочей среды приводит к увеличению давления на торец губки 4 и открытую часть внутренней поверхности губки и поверхности поджимного кольца 5, повышению контактного давления и плотности контакта в зоне уплотнения.Under the conditions of the stress-strain state of the sealing lip under the influence of contact pressure, the polymer material of the sleeve 2 elastically plastically deforms on the microroughnesses of the conjugated metal surface of the cylinder 1 at a small contact length and provides sealing of the movable interface. Increasing the pressure of the working medium leads to an increase in pressure on the end face of the sponge 4 and the open part of the inner surface of the sponge and the surface of the clamping ring 5, an increase in contact pressure and contact density in the sealing zone.

При допустимом износе уплотняющих губок в процессе эксплуатации изделия надежность уплотнения сохраняется за счет сил упругой деформации поджимающих колец и давления рабочей среды. Надежность соединения (закрепления) опорно-уплотняющей втулки 2 на поршне 3 обеспечивается за счет заданного натяга между ними и упора в стенку расточки поршня. Устойчивое структурно-фазовое состояние и свойства полимерного материала обеспечивается благодаря тому, что с целью минимизации интенсивности процессов релаксации производится термообработка собранного поршня при температуре (120-140°С), превышающей максимальную температуру изделия в процессе эксплуатации.With acceptable wear of the sealing lips during operation of the product, the reliability of the seal is maintained due to the forces of elastic deformation of the pressing rings and the pressure of the working medium. The reliability of the connection (securing) of the supporting-sealing sleeve 2 on the piston 3 is ensured by a predetermined interference between them and an abutment against the wall of the piston bore. A stable structural phase state and the properties of the polymer material are ensured due to the fact that in order to minimize the intensity of relaxation processes, the assembled piston is heat treated at a temperature (120-140 ° C) exceeding the maximum temperature of the product during operation.

Таким образом, предлагаемая конструкция герметизирующего устройства обеспечивает наиболее благоприятные условия для надежного соединения с поршнем, для нагружения и деформации уплотняющего элемента и герметизации уплотняемой поверхности. Малая толщина и длина губки, согласованная с диаметром сечения поджимающего кольца, обеспечивают наибольшее значение контактного давления уплотняющей губки на поверхность цилиндра и высокую степень герметизации подвижного сопряжения.Thus, the proposed design of the sealing device provides the most favorable conditions for reliable connection with the piston, for loading and deformation of the sealing element and sealing of the sealing surface. The small thickness and length of the jaw, consistent with the diameter of the compression ring section, provide the greatest value of the contact pressure of the sealing lip on the cylinder surface and a high degree of sealing of the movable interface.

Claims

1. A sealing device containing a sealing and guiding elements made in the form of a single cylindrical sleeve made of a polymer composite material installed between the fixed and movable elements of the device, and a power element, pressing the sealing element to the surface to be sealed, in the form of a circular ring of elastic material, characterized in that the cylindrical sleeve is equipped with a sealing sponge with a ratio of its thickness to a length of not more than 1: 3, and a power element with a cross-sectional diameter I within 1.0-1.2 the length of the sealing lip and the cylindrical sleeve with the ratio of the length of the lip to the length of the sleeve not more than 1: 4 and the thickness of the sponge to the wall thickness of the sleeve not more than 1: 2 are installed in the bore of the movable element with an interference fit of 0.10 -0.15 from the bore diameter of the piston bore.

2. The sealing device according to claim 1, characterized in that the cylindrical sleeve is provided with a second sealing lip arranged symmetrically with respect to the first, and a second O-ring of elastic material placed in the bore of the movable element is installed underneath to compress the second sealing lip.

3. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a second cylindrical sleeve with a sealing lip and a second O-ring, pressing the sealing lip, located coaxially with the first sleeve and the ring in the bore of the movable element.