RU2440527C1

RU2440527C1 - Seal

Info

Publication number: RU2440527C1
Application number: RU2010119762/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Константинович Машков (RU); Юрий Константинович Машков; Олег Алексеевич Мамаев (RU); Олег Алексеевич Мамаев; Олег Витальевич Кропотин (RU); Олег Витальевич Кропотин; Андрей Александрович Байбарацкий (RU); Андрей Александрович Байбарацкий
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2012-01-20
Also published as: RU2010119762A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: proposed device comprises O-ring with sealing jaw and wall, force element from elastic material representing round-section ring, support ring fixed relative to O-ring and adjusting ring fixed between O-ring and force element. Sealing jaw with thickness not exceeding j of its length has taper contact surface with width equal to thickness of said sealing jaw, taper apex facing sealing space side. Device may incorporate another O-ring, second force element and adjusting ring.

EFFECT: higher reliability.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнительной технике, и может быть использовано в герметизирующих устройствах гидравлической и газовой аппаратуры.The invention relates to mechanical engineering, in particular to sealing equipment, and can be used in sealing devices of hydraulic and gas equipment.

Известно уплотнение поршня [а.с. 1364808 СССР, кл. F16J 9/00. Уплотнение поршня / В.Н.Базлов, В.Н.Кулаковский], содержащее манжету Г-образного сечения, установленную в проточке на поршне, опирающуюся уплотнительным лепестком на распорное эластичное кольцо круглого сечения. Этому устройству присущи недостатки, ограничивающие область его применения, снижающие его надежность и ресурс работы. Эти недостатки заложены в конструкции уплотнения. Манжета выполнена из высокоэластичного материала, иначе ее невозможно было бы 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 имеет устройства для компенсации износа уплотняющей части манжеты, что в сочетании с низкой износостойкостью материала манжеты резко снижает ресурс работы уплотнения. Главный недостаток этого устройства состоит в том, что канавка тороидальной формы под эластичное распорное кольцо, а следовательно, и само кольцо расположены со стороны, противоположной подводу рабочей жидкости под высоким давлением. При таком расположении распорного кольца относительно уплотнительного лепестка и расположении самого лепестка (со стороны, противоположной подводу высокого давления) 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 [а.с. 1364808 СССР, кл. F16J 9/00. Уплотнение поршня / В.Н.Базлов, В.Н.Кулаковский] не обладает достаточной надежностью, так как работоспособность уплотнения обеспечена только при определенном и очень строгом соотношении между степенью начальной деформации распорного кольца и уравнением давления рабочей жидкости и резко снижается при износе уплотняющего лепестка.Known piston seal [a.s. 1364808 USSR, cl. F16J 9/00. Piston Seal / V.N. Bazlov, V.N. Kulakovsky], containing an L-shaped cuff mounted in a groove on the piston, supported by a sealing tab on an elastic O-ring. This device has inherent disadvantages that limit its scope, reducing its reliability and service life. These flaws are embedded in the seal design. The cuff is made of highly elastic material, otherwise it could not be installed in a 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 does not 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 main disadvantage of this device is that the toroidal groove under the elastic spacer ring, and therefore the ring itself, is located on the side opposite to the supply of the working fluid under high pressure. 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 pressing of the cuff lobe and the sealing surface simultaneously causes uniform compression of the ring in the direction of the center of the circumference of the ring section and a decrease in contact pressure (from the initial deformation of the ring) between ring and sealing petal. Upon reaching a certain amount of fluid pressure, the contact between the petals and the spacer ring will open, and the fluid will flow between the ring and the petal into the sealed cavity. As the petal wears out, the initial contact pressure from the ring decreases and the contact opens at a lower pressure. Consequently, the seal [a.s. 1364808 USSR, cl. F16J 9/00. Piston sealing / V.N. Bazlov, V.N. Kulakovsky] does not have sufficient reliability, since the seal is operable only with a certain and very strict ratio between the degree of initial deformation of the spacer ring and the pressure equation of the working fluid and decreases sharply with wear of the sealing lobe .

Известно герметизирующее устройство [пат. РФ 2047799, МПК F16J 15/32. Герметизирующее устройство / Ю.К.Машков], содержащее уплотнительное кольцо со стенкой и уплотняющей губкой и кольцо круглого сечения из эластичного материала, поджимающее губку уплотнительного кольца к герметизируемой поверхности. Этому устройству присущи недостатки, ограничивающие область его применения и срок службы.Known sealing device [US Pat. RF 2047799, IPC F16J 15/32. Sealing device / Yu.K. Mashkov], containing a sealing ring with a wall and a sealing lip and an O-ring of elastic material, pressing the sealing lip of the sealing ring to the surface to be sealed. This device has inherent disadvantages that limit its scope and service life.

Уплотнительное кольцо выполнено из антифрикционного полимерного композиционного материала с соотношением толщины уплотняющей губки и ее длины не более 1:2, что должно обеспечить снижение жесткости губок и усилия их прижатия к уплотняемой поверхности. Эксплуатация герметизирующих устройств [пат. РФ 2047799, МПК⁷ F16J 15/32. Герметизирующее устройство / Ю.К.Машков] показала, что устройство обеспечивает надежное уплотнение штоков и поршней гидроцилиндров, а также валов гидромоторов при частоте вращения не более 1000 об/мин при скорости скольжения 1,0-1,5 м/с. Однако при более высокой частоте вращения жесткость уплотняющих губок оказывается слишком высокой, что не позволяет компенсировать колебания контактного давления между уплотняющей губкой и валом или цилиндром вследствие неизбежного радиального биения и отклонения от соосности и правильной геометрии поверхностей вала и цилиндра. Следствием названных причин является ограничение применения устройства в области высокой частоты вращения вала, или возвратно-поступательного движения поршня, снижение степени герметичности и значительное увеличение перетечек рабочего тела в процессе эксплуатации. Вторым недостатком устройства является необходимость деформации резинового кольца не только в радиальном, но и в осевом направлении для надежной фиксации уплотнительного кольца. Это значительно ухудшает условия работы резинового кольца, поскольку вызывает значительное увеличение внутренних напряжений и старение резины с потерей эластичности и невозможность компенсации износа уплотняющих губок. Третьим недостатком устройства является его недостаточная технологичность - сложность сборки и контроля качества сборки устройства.The sealing ring is made of antifriction polymer composite material with a ratio of the thickness of the sealing lip and its length not more than 1: 2, which should ensure a decrease in the rigidity of the lips and the force of their pressing against the sealing surface. The operation of sealing devices [US Pat. RF 2047799, IPC ⁷ F16J 15/32. The sealing device / Yu.K. Mashkov] showed that the device provides reliable sealing of the rods and pistons of hydraulic cylinders, as well as the shafts of hydraulic motors at a speed of not more than 1000 rpm at a sliding speed of 1.0-1.5 m / s. However, at a higher speed, the stiffness of the sealing lips is too high, which does not compensate for fluctuations in contact pressure between the sealing lips and the shaft or cylinder due to the inevitable radial runout and deviations from the alignment and the correct geometry of the surfaces of the shaft and cylinder. The consequence of these reasons is the limitation of the use of the device in the field of high shaft rotation speed, or reciprocating motion of the piston, a decrease in the degree of tightness and a significant increase in the flow of the working fluid during operation. The second disadvantage of the device is the need to deform the rubber ring not only in the radial, but also in the axial direction for reliable fixation of the sealing ring. This significantly worsens the working conditions of the rubber ring, since it causes a significant increase in internal stresses and aging of the rubber with loss of elasticity and the inability to compensate for the wear of the sealing lips. The third disadvantage of the device is its lack of manufacturability - the complexity of the assembly and quality control of the assembly of the device.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является герметизирующее устройство [пат. РФ 2265767, МПК⁷ F16J 15/32. Герметизирующее устройство / Ю.К.Машков, О.А.Мамаев, В.Р.Эдгаров]. Оно содержит уплотнительное кольцо со стенкой и уплотняющей губкой, элемент, поджимающий уплотняющую губку к герметизируемой поверхности, снабжено опорным кольцом со стенкой, установленным неподвижно относительно уплотнительного кольца с образованием полости для элемента, поджимающего уплотнительную губку и установленного на ней с упором в стенку опорного кольца, причем уплотняющая губка имеет отношение толщины к длине не более 1:3; уплотняющая губка имеет конические поверхности, обращенные вершинами в сторону уплотняемой полости, и уплотняющую кромку, расположенную на расстоянии 0,8-1,2 толщины губки от стенки опорного кольца; поджимающий губку элемент может быть выполнен в виде браслетной пружины или кольца из эластичного материала с диаметром поперечного сечения пружины или кольца в пределах 0,8-1,2 длины уплотняющей губки; кроме того, устройство может быть снабжено вторым уплотнительным кольцом и вторым элементом, поджимающим уплотнительную губку к уплотняемой поверхности, установленными соосно с упором в первое уплотнительное кольцо. Это устройство наиболее близко по своей технической сущности к предлагаемому изобретению, однако ему также присущи недостатки, ограничивающие срок службы устройства.Of the known technical solutions, the closest in technical essence to the claimed object is a sealing device [US Pat. RF 2265767, IPC ⁷ F16J 15/32. Sealing device / Yu.K. Mashkov, OA Mamaev, V. R Edgarov]. It contains a sealing ring with a wall and a sealing lip, an element pressing the sealing lip against the surface to be sealed is provided with a support ring with a wall fixed motionless relative to the sealing ring to form a cavity for the element pressing the sealing lip and mounted on it with an abutment against the wall of the supporting ring, moreover, the sealing sponge has a ratio of thickness to length of not more than 1: 3; the sealing lip has conical surfaces facing with its vertices in the direction of the cavity being sealed, and a sealing lip located at a distance of 0.8-1.2 of the thickness of the lip from the wall of the support ring; the sponge-pressing element can be made in the form of a bracelet spring or ring of elastic material with a cross-sectional diameter of the spring or ring within 0.8-1.2 of the length of the sealing lip; in addition, the device may be provided with a second sealing ring and a second element, pressing the sealing lip to the sealing surface, mounted coaxially with a stop in the first sealing ring. This device is closest in its technical essence to the proposed invention, however, it also has disadvantages that limit the life of the device.

Первый недостаток состоит в том, что выполнение уплотняющей губки с отношением толщины к длине 1:3 не обеспечивает достаточно малой жесткости губки, необходимой для полной компенсации радиальных колебаний уплотняемой поверхности и обеспечения контактного давления (вследствие радиального биения вала), что приводит к значительному снижению степени герметичности, особенно при высокой частоте вращения вала (более 1000 об/мин). Второй недостаток заключается в том, что уплотняющая кромка, образованная пересечением конической поверхности с торцовой плоскостью уплотняющей губки, в процессе эксплуатации постоянно изнашивается, особенно интенсивно в начальный период, так как площадь контакта очень мала. По мере изнашивания площадь контакта увеличивается, но при этом уменьшается контактное давление, что также приводит к снижению степени герметичности и ограничению срока службы герметизирующего устройства. Кроме того, необходимость расположения уплотняющей кромки на расстоянии 0,8-1,2 толщины уплотняющей губки от стенки опорного кольца вызывает очень большие затруднения в производстве. Это связано с тем, что положение уплотняющей кромки зависит от фактического диаметра поперечного сечения силового элемента (резинового кольца) и величины его деформации при сборке герметизирующего устройства. При этом, если учесть, что силовой и уплотняющий элементы изготавливаются из маложестких материалов (резина, полимерный композиционный материал) и имеют довольно большие допуски на изготовление, становится понятно, что выполнить условие о расположении уплотняющей кромки на расстоянии 0,8-1,2 толщины губки от стенки опорного кольца чрезвычайно сложно без специального регулирующего элемента.The first disadvantage is that the implementation of the sealing jaw with a thickness to length ratio of 1: 3 does not provide a sufficiently low stiffness of the sponge necessary to completely compensate for radial vibrations of the sealing surface and provide contact pressure (due to radial runout of the shaft), which leads to a significant reduction in the degree tightness, especially at a high frequency of rotation of the shaft (more than 1000 rpm). The second disadvantage is that the sealing lip formed by the intersection of the conical surface with the end face of the sealing lip constantly wears out during operation, especially intensively in the initial period, since the contact area is very small. As the wear and tear, the contact area increases, but the contact pressure decreases, which also leads to a decrease in the degree of tightness and limited service life of the sealing device. In addition, the need to arrange the sealing lip at a distance of 0.8-1.2 times the thickness of the sealing lip from the wall of the support ring causes very great difficulties in production. This is due to the fact that the position of the sealing lip depends on the actual diameter of the cross section of the power element (rubber ring) and the magnitude of its deformation during assembly of the sealing device. Moreover, if we take into account that the power and sealing elements are made of non-rigid materials (rubber, polymer composite material) and have rather large manufacturing tolerances, it becomes clear that the condition on the location of the sealing edge at a distance of 0.8-1.2 thickness sponges from the wall of the support ring are extremely difficult without a special regulating element.

Задачей изобретения является повышение надежности, долговечности и технологичности изготовления герметизирующего устройства. Для решения названной задачи герметизирующее устройство, содержащее уплотнительное кольцо со стенкой и уплотняющей губкой, силовой элемент из эластичного материала, опорное кольцо со стенкой, установленное неподвижно относительно уплотнительного кольца, снабжено регулировочным элементом - кольцом, установленным неподвижно между стенкой уплотнительного кольца и силовым элементом, причем уплотняющая губка имеет коническую контактную поверхность шириной, равной толщине уплотняющей губки, толщина которой не более ¼ ее длины.The objective of the invention is to increase the reliability, durability and manufacturability of the manufacture of a sealing device. To solve the aforementioned problem, a sealing device containing a sealing ring with a wall and a sealing sponge, a power element made of elastic material, a support ring with a wall mounted motionless relative to the sealing ring, is equipped with an adjustment element — a ring mounted motionless between the wall of the sealing ring and the power element, the sealing lip has a conical contact surface with a width equal to the thickness of the sealing lip, the thickness of which is not more than ¼ of its length.

В отличие от известных устройств названное соотношение толщины и длины уплотняющей губки обеспечивает существенное уменьшение жесткости уплотняющей губки и контактного давления, необходимого для надежной герметизации уплотняемой поверхности вала даже при высокой частоте вращения последнего. Минимальная толщина уплотняющей губки определяется прочностью полимерного композиционного материала (ПКМ) и технологией изготовления кольца и может составлять 0,6-1,0 мм, если кольцо изготавливается из ПКМ на основе ПТФЭ. При этом длина уплотняющей губки должна быть не менее четырех ее толщин.Unlike the known devices, the said ratio of the thickness and length of the sealing lip provides a significant reduction in the rigidity of the sealing lip and the contact pressure necessary for reliable sealing of the sealing surface of the shaft even at a high rotational speed of the latter. The minimum thickness of the sealing lip is determined by the strength of the polymer composite material (PCM) and the ring manufacturing technology and can be 0.6-1.0 mm if the ring is made from PCM based on PTFE. At the same time, the length of the sealing lip should be at least four of its thicknesses.

Наличие регулировочного кольца позволяет при сборке герметизирующего устройства обеспечить необходимое взаимное расположение силового элемента и контактной поверхности уплотняющей губки путем подбора и установки регулировочного кольца необходимой толщины.The presence of the adjusting ring allows the assembly of the sealing device to provide the necessary mutual arrangement of the power element and the contact surface of the sealing lip by selecting and installing the adjusting ring of the required thickness.

Снабжение уплотняющей губки кольцевой конической контактной поверхностью с заданной шириной обеспечивает постоянство площади контакта с уплотняемой поверхностью в течение всего периода эксплуатации, а следовательно, и постоянство контактного давления и степени герметичности в отличие от прототипа, где площадь контакта увеличивается пропорционально износу уплотняемой губки.The supply of the sealing lip with an annular conical contact surface with a predetermined width ensures a constant contact area with the sealing surface during the entire period of operation, and therefore, the contact pressure and degree of tightness are constant, in contrast to the prototype, where the contact area increases in proportion to the wear of the sealing lip.

Целесообразность выполнения конической контактной поверхности объясняется тем, что в начальный период работы (приработка) традиционно цилиндрическая контактная поверхность изнашивается неравномерно. Износ увеличивается в соответствии с законом распределения контактного давления на уплотняющую губку. Поэтому, как показано в исследовании известных трибологов, целесообразно сопряженной поверхности изнашиваемого тела заранее задавать геометрическую форму, соответствующую форме изношенной поверхности. Это также способствует постоянству контактного давления на уплотняемой поверхности, включая начальный период эксплуатации, повышению надежности и долговечности герметизирующего устройства.The feasibility of making a conical contact surface is explained by the fact that in the initial period of operation (running-in), the traditionally cylindrical contact surface wears unevenly. Wear increases in accordance with the law of distribution of contact pressure on the sealing lip. Therefore, as shown in a study of well-known tribologists, it is advisable to mate the wear surface of the body in advance to set the geometric shape corresponding to the shape of the worn surface. It also contributes to the constancy of contact pressure on the sealing surface, including the initial period of operation, to increase the reliability and durability of the sealing device.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где на фигурах 1, 2 приведена конструкция (варианты исполнения) герметизирующего устройства.The invention is illustrated by the accompanying drawings, where in figures 1, 2 shows the design (options) of the sealing device.

Герметизирующее устройство содержит неподвижный элемент конструкции - корпус 1, уплотнительное кольцо 2, выполненное из антифрикционного полимерного материала, например из наполненного фторопласта. Кольцо 2 установлено неподвижно (с натягом) в корпусе 1 или на валу 3 и имеет уплотняющую губку 4, при этом отношение толщины h губки к ее длине l составляет не более 1:4. Силовые элементы 5, поджимающие губку 4 уплотнительного кольца 2 к герметизируемой поверхности вала 3 и/или корпуса 1, упираются в стенку опорного кольца 6 с одной стороны и в регулировочное кольцо 7 - с другой, и выполнены в виде эластичного кольца круглого сечения с диаметрами поперечного сечения d=(0,6-0,8)l, что обеспечивает расположение контактной площадки 8 непосредственно под силовым элементом.The sealing device contains a fixed structural element - the housing 1, the sealing ring 2, made of antifriction polymer material, for example, filled with fluoroplastic. Ring 2 is mounted stationary (with an interference fit) in the housing 1 or on the shaft 3 and has a sealing lip 4, while the ratio of the thickness h of the lip to its length l is not more than 1: 4. The power elements 5, pressing the sponge 4 of the sealing ring 2 to the sealing surface of the shaft 3 and / or the housing 1, abut against the wall of the support ring 6 on the one hand and in the adjusting ring 7 on the other, and are made in the form of an elastic circular ring with cross-section diameters section d = (0.6-0.8) l, which ensures the location of the contact pad 8 directly below the power element.

С целью повышения степени герметизации и надежности герметизирующего устройства оно может быть снабжено вторым уплотнительным кольцом с силовым элементом и регулировочным кольцом, установленными соосно с упором в первое кольцо.In order to increase the degree of sealing and reliability of the sealing device, it can be equipped with a second sealing ring with a power element and an adjusting ring mounted coaxially with an emphasis in the first ring.

В процессе работы изделия (гидропневмоаппаратура и другие изделия) на уплотняющую губку 4 уплотнительного кольца 2 воздействует давление рабочего тела и контактное давление от поджимающего элемента 5. Суммарное давление обеспечивает необходимую степень деформации уплотняющей губки 4 и ее плотное прилегание к сопряженной поверхности вала 3 или корпуса 1. Причем при заданных соотношениях между толщиной и длиной губок они имеют минимальную жесткость и благодаря этому имеют возможность отслеживать неизбежное радиальное биение уплотняемой цилиндрической поверхности при высокой частоте вращения вала без раскрытия контакта, а коническая форма контактной поверхности уплотняющей губки 4 обеспечивает контактное взаимодействие на постоянной заданной длине вала 3 (равной толщине уплотняющей губки) минимальный равномерный износ.During the operation of the product (hydropneumatic equipment and other products), the sealing sponge 4 of the sealing ring 2 is affected by the pressure of the working fluid and contact pressure from the pressing element 5. The total pressure provides the necessary degree of deformation of the sealing sponge 4 and its tight fit to the mating surface of the shaft 3 or housing 1 Moreover, for given ratios between the thickness and length of the jaws, they have minimal rigidity and due to this they have the ability to track the inevitable radial runout of the sealed a cylindrical surface at a high frequency of rotation of the shaft without opening the contact, and the conical shape of the contact surface of the sealing lip 4 provides contact interaction on a constant predetermined length of the shaft 3 (equal to the thickness of the sealing lip) minimum uniform wear.

В условиях упругопластического деформирования под влиянием контактного давления полимерный материал кольца 2 (контактная площадка 8) деформируется на микронеровностях сопряженной металлической поверхности вала 3 или корпуса 1, этому способствует малая площадь контакта уплотняющей губки 4, и обеспечивает герметизацию подвижного соединения. При допустимом износе уплотняющих губок герметичность соединения сохраняется за счет упругих сил силовых элементов и давления рабочего тела.Under conditions of elastoplastic deformation under the influence of contact pressure, the polymer material of the ring 2 (contact pad 8) is deformed on the microroughness of the conjugated metal surface of the shaft 3 or the housing 1, this is facilitated by the small contact area of the sealing lip 4, and provides sealing of the movable joint. With acceptable wear of the sealing lips, the tightness of the connection is maintained due to the elastic forces of the power elements and the pressure of the working fluid.

Предлагаемая конструкция герметизирующего устройства создает наиболее благоприятные условия нагружения и деформации уплотняющего элемента и герметизации уплотняемой поверхности. Малая величина отношения толщины к длине уплотняющей губки (менее 1/4) и наличие у нее уплотняющей кромки, контактной поверхности, обеспечивает минимальную жесткость губки, равномерное определение контактного давления и надежное уплотнение цилиндрической поверхности вала, вращающегося с высокой частотой. Это в свою очередь определяет незначительное тепловыделение в зоне контакта, максимальную износостойкость полимерного кольца и долговечность герметизирующего устройства.The proposed design of the sealing device creates the most favorable conditions for loading and deformation of the sealing element and sealing of the sealing surface. The small ratio of the thickness to the length of the sealing lip (less than 1/4) and the presence of a sealing edge, contact surface, provides minimum sponge rigidity, uniform determination of contact pressure and reliable sealing of the cylindrical surface of the shaft rotating with high frequency. This in turn determines a slight heat release in the contact zone, the maximum wear resistance of the polymer ring and the durability of the sealing device.

Claims

1. A sealing device containing a sealing ring with a wall and a sealing sponge made of antifriction polymer composite material, installed between the movable and fixed elements of the device, a power element made of elastic material, pressing the sealing sponge against the surface to be sealed, a support ring with a wall mounted motionless relative to the sealing ring characterized in that it is provided with an adjusting ring mounted motionlessly between the sealing ring and ovym element and the sealing lip has a conical contact surface facing towards the vertex of the sealing cavity width equal to the thickness of the sealing jaws, the thickness of the sealing jaws is not more than 1/4 of its length.

2. The device according to claim 1, characterized in that the power element is made in the form of a ring of circular cross section with a diameter in the range of 0.6-0.8 of the length of the sealing lip.

3. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a second sealing ring, a second power element and an adjusting ring mounted coaxially with a stop in the first sealing ring.