способ герметизации соединения взаимно подвижных охватывающего и охватываемого металлических элементов и уплотнение

Формула изобретения

1. Способ герметизации соединения взаимно подвижных охватывающего и охватываемого металлических элементов путем их установки с посадочным зазором и сжатия расположенного между ними уплотнения, отличающийся тем, что охватываемый элемент с установленным на нем упругим сплошным или полым уплотнением, диаметр которого равен или больше диаметра охватываемого элемента, вставляют или запрессовывают в охватывающий элемент, после чего центрируют охватываемый элемент в охватывающем с зазором по периметру соединения и производят окончательное сжатие уплотнения путем перемещения частей охватываемого элемента до упора друг в друга.

2. Уплотнение, содержащее теплостойкий элемент, отличающееся тем, что оно выполнено в виде упругого металлического стержня или кольца, расположенного эксцентрично внутри полой упругой оболочки, например, из тугоплавкой металлической сетки, наружная поверхность которой покрыта слоем пластичного металла или сплава с низким коэффициентом трения скольжения, причем упругий металлический стержень или кольцо установлен или установлено со смещением эксцентриситета от зоны скольжения уплотнения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а точнее к способам герметизации соединения взаимно подвижных и неподвижных элементов оборудования для текучих сред, и может найти применение, например, в гидроприводе, а также для герметизации систем с жидкометаллическим теплоносителем, в том числе герметизации газа при высоких температурах.

Известен способ герметизации соединения элементов высокого давления текучих сред (жидкости, газа, жидкометаллических теплоносителей) с помощью упругих уплотнений, расположенных в паре трения скольжения по схеме цилиндр-поршень, в какой-то степени компенсирующих неточности обработки поверхностей деталей [1]

В результате износа трущихся поверхностей деталей (цилиндр-поршень, шток-втулка) интенсивно изнашиваются уплотнения. Повышение давления в гидросистемах сопровождается, как правило, повышением класса точности подвижных соединений гидрооборудования. Например, в гидросистемах летательных аппаратов для улучшения герметизации при давлении до 200 бар (кг/см²) пару скольжения гидроцилиндр поршень исполняют по второму кл. точности.

Известен также способ герметизации соединения элементов высокого давления до 20 кбар с помощью упругих уплотнений, включающий сжатие уплотнений при сборке соединения, что позволяет повысить их герметичность [2]

Однако материал уплотнений подвергается слишком большому сжатию, отрицательно влияющему на ресурс подвижного соединения.

Известен способ герметизации соединения высокого давления с неуплотненным поршнем при давлении жидкости до 25 кбар [3] Это соединение работает по схеме трения скольжения цилиндр уплотнительная среда, т.е. жидкость. В этой конструкции одной из деталей пары цилиндр-поршень придается вращательное движение. В результате между поршнем и цилиндром создается зазор по периметру. Градиент (перепад) давления на длине зазора зависит от вязкости, сочетающейся с тангенциальными усилиями, возникающими при истечении жидкости в зазор. Это позволяет определять параметр давления рабочей жидкости с высокой точностью.

Недостатками способа неуплотненного поршня являются наличие вращательного привода и значительные утечки жидкости.

Известны также металлические уплотнения различной конструкции полые, в том числе спеченные из композиционных материалов [4] Уплотнения из композиционных материалов спечены из кусков тугоплавкой проволоки с определенной пористостью, пропитаны пластичным тугоплавким металлом или сплавом, применяются для работы при температурах свыше 1000^оС.

Известные металлические уплотнения не обеспечивают требуемое для герметизации изменение формы уплотнения.

Задачей изобретения является повышение надежности ресурса подвижных соединений посредством уменьшения износа от трения (путем устранения "схватывания" взаимно подвижных элементов), например, цилиндра-поршня при необходимом диапазоне температур.

Технический результат достигается тем, что по способу охватываемый элемент (поршень) с установленным на нем упругим сплошным или полым уплотнением с низким коэффициентом трения скольжения, диаметр которого равен или больше диаметра поршня, вставляют или запрессовывают в охватывающий элемент (цилиндр), после чего центрируют охватываемый элемент в охватывающем с зазором по периметру соединения и осуществляют окончательное сжатие упругого уплотнения путем перемещения частей (поршня), между которыми помещено упругое уплотнение, до упора друг в друга.

В данном способе в качестве упругих уплотнений необходимо использовать фторопласты и их образующие, которые обладают достаточным модулем упругости и низким коэффициентом трения скольжения, который под давлением около 150 кг/см² имеет значение 0,02-0,03 с уплотняемой деталью без смазки, и за счет сил упругой деформации уплотнения сохраняется предварительно выставленный зазор по периметру, надежно обеспечивая новую схему трения скольжения цилиндр-уплотнение и шток-уплотнение в диапазоне температур примерно от -200 до +300^оС.

Другой задачей изобретения является сохранение полезных свойств способа в новой схеме трения скольжения при повышении рабочей температуры в зоне подвижного соединения до 1000^оС и выше с более расширенным изменением формы металлического уплотнения при заданных условиях упругой деформации полого металлического уплотнения.

Для этого уплотнение выполнено в виде упругого металлического стержня или кольца, расположенного эксцентрично внутри полой упругой оболочки, например, из тугоплавкой металлической сетки, наружная поверхность которой покрыта слоем пластичного металла или сплава с низким коэффициентом трения скольжения, причем эксцентричное смещение в каркасе находится вне зоны скольжения.

На фиг. 1 показано соединение, например, в поршневой полости, в которой фторопластовое уплотнение 1, размещенное в цилиндре 2 между неподвижной втулкой 3, посаженной через уплотнение 4 на поршень 5, и втулкой 6 удерживает поршень 5 в цилиндре 2 с радиальным зазором. Соединение фиксируется болтом через подвижную втулку 6 и шайбу 7.

Осуществление этого способа может быть различным.

Вначале на поршень 5 устанавливают втулку 3 с уплотнением 4. Затем устанавливают уплотнение 1 на проточку втулки 3, а через втулку 6 и шайбу 7 уплотнение 1 слегка поджимают болтом до увеличения диаметра, незначительно превышающего диаметр цилиндра 2. Затем через фаску под углом 15-20^оС цилиндра 2 собранный поршень 5 с уплотнением 1 запрессовывают в цилиндр 2, в результате чего образуется радиальный зазор между цилиндром 2 и втулками 3 и 6 поршня 5, после чего окончательно дожимают втулку 6 до расчетного упора втулки 3 болтом. В результате за счет сил упругой деформации уплотнения 1 обеспечивается практически концентрическое положение поршня 5 (с втулками) в цилиндре 2 с постоянным радиальным зазором, сохраняющимся в течение определенного ресурса уплотнения 1. После монтажа такого соединения (зависит от расчетных факторов) шток в цилиндре не всегда можно переместить усилием руки, надо перемещать посредством гидропривода.

Этот способ можно осуществить другим вариантом сборки. Поршень 5 в сборе (но не с затянутым болтом) заводят в цилиндр 2, затем выставляют с заданным радиальным зазором в цилиндре 2 либо на трех щупах, либо технологической втулкой, посаженной в радиальный зазор между цилиндром и поршнем. После этого болт 8 закручивают до расчетного упора, а щупы или технологическую втулку убирают.

Уплотнение 1 может иметь по краям (либо с одной стороны) тонкие цилиндрические кромки, которые центрируют поршень 5 с втулками 3 и 6 в цилиндре 2. Такое соединение может быть и для давления рабочей жидкости до 400 бар, имея радиальный зазор около 1 мм, что обусловлено лишь прочностными свойствами материала уплотнения, например фторопласта. При этом варианте сборки соединения не требуются ни щупы, ни технологическая втулка, их функции выполняют бурты уплотнения.

На фиг. 2 показано высокотемпературное уплотнение перед сборкой соединения; на фиг. 3 уплотнение в сборе для герметизации поршневой полости цилиндра; на фиг. 4 уплотнение в сборе для герметизации штоковой полости цилиндра.

Уплотнение состоит из металлического стрежня 8, помещенного в полый каркас 9, выполненный из тугоплавкой металлической сетки, наружная часть которой покрыта слоем пластичного металла или сплава с низким коэффициентом трения скольжения. Стержень расположен эксцентрично в каркасе 9, причем эксцентричное смещение стержня в каркасе должно находиться вне зоны скольжения.

На фиг. 3 в цилиндре 10 расположен поршень 11, на котором находится металлическое уплотнение, заключенное между втулками 12 и 13. Втулка 12 аналогично фиг. 1 поджимается через шайбу болтом.

На фиг. 4 показана втулка 14, в которой находится кольцо 15, уплотнение, кольцо 16, расположенное на штоке 17, зафиксированное фланцем 18.

При сборке в цилиндр 10 заводится поршень в предварительно собранном виде. Затем через фланец и подвижную втулку 12 посредством болта сжимают уплотнение так, чтобы оно было несколько больше диаметра втулки 12. Затем поршень 11 заводят в цилиндр 1 и, например, щупами выставляют его концентрично отверстию, т. е. с радиальным зазором по периметру соединения. Затем болтом через втулку 12 сжимают уплотнение до упора, и за счет сил упругой деформации сохраняется схема трения скольжения цилиндр-уплотнение. Это уплотнение обладает повышенным изменением формы и значительно улучшает герметичность по всему ходу гидроцилиндра. Данные металлические уплотнения могут применяться при температурах от 300 до 2000^оС.