уплотнительное и направляющее устройство для нагнетательного поршня горячекамерного насоса для коррозионных сплавов

Формула изобретения

1. Горячекамерное нагнетательное устройство для коррозионных сплавов, включающее корпус (1), погруженный в жидкий сплав, содержащийся в тигле, имеющем камеру (6) и полость (2) нагнетания, расположенную под ней, в которых нагнетательный поршень (3) выполнен с возможностью коаксиального скольжения с обеспечением возвратно-поступательного движения (V) в вертикальном направлении, причем верхняя часть (18) камеры (6) сообщена с тиглем посредством соответствующих каналов (19), а полость (2) сообщена с тиглем и с формой посредством соответствующих каналов (4, 5), и уплотнительное/направляющее средство для поршня (3), которое проходит между верхней частью (18) и полостью (2), отличающееся тем, что уплотнительное/направляющее средство содержит втулку (8), имеющую наружный диаметр, который меньше диаметра камеры (6), расположенную между верхним и нижним центрирующими элементами, установленными в камере (6), причем втулка (8) выполнена коаксиально с камерой (6) с помощью пары противолежащих поверхностей (12, 13) вращения, образованных на центрирующих элементах, при этом верхняя поверхность (13) и верхний центрирующий элемент образует герметичное уплотнение относительно верхней стороны втулки (8) и боковой стенки камеры (6), причем наружная боковая поверхность (15) втулки (8) сообщена с полостью (2) нагнетания посредством канала (16) в нижнем центрирующем элементе, а верхняя сторона втулки (8) погружена в тигель на глубину (L), измеренную от самого нижнего уровня (23), до которого может дойти жидкий сплав, причем глубина (L) больше максимального хода (С) поршня (3), а внутренняя поверхность (21) втулки (8) представляет собой поверхность вращения с диаметрами, которые больше диаметра поршня (3).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центрирующие элементы выполнены из нижнего кольца (7) и верхнего кольца (9), наружный диаметр которых равен диаметру камеры (6), а внутренний диаметр меньшей наружного диаметра втулки (8).

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что одна или обе из противолежащих поверхностей (12, 13) вращения выполнены коническими.

4. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что внутренняя поверхность (21) втулки (8) при отсутствии напряжений представляет собой коническую поверхность с диаметрами, увеличивающимися в направлении верхней части втулки (8).

5. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что внутренняя поверхность (21) прерывается канавками, перпендикулярными оси.

6. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что оно дополнительно включает, по меньшей мере, одно скребущее кольцо (20), расположенное близко к верхней стороне втулки (8).

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что втулка (8), поршень (3) и скребущее кольцо (20) изготовлены из керамического материала.

8. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что оно содержит стопорные элементы, состоящие из гильзы (10), опирающейся на верхний центрирующий элемент и зажатой сверху стопорной гайкой (11) с резьбой.

9. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что корпус (1), центрирующие элементы (7, 9) и стопорные элементы (10, 11) изготовлены из металлических сплавов, покрытых коррозионно-стойкими материалами.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к уплотнительным устройствам, используемым в насосах для формования металлических деталей под давлением и, в частности, для горячекамерного литья под давлением коррозионных легких сплавов.

Известно, что использование горячекамерных насосов, при котором нагнетательный насос полностью или частично погружен в жидкий сплав, решает большую часть проблем, связанных с холоднокамерными насосами, тем не менее и в этом случае имеет место недостаток, заключающийся в том, что если при температуре плавления сплав является коррозионным для черных металлов, то это приводит к быстрому травлению им элементов насосов.

Пример традиционного горячекамерного насоса, разработка которого датируется 1940 годом, раскрыт в патенте Германии DE-C-745 583, относящемся к усовершенствованной конструкции для выравнивания нагнетательного поршня относительно цилиндра, упирающегося в плоскую верхнюю поверхность детали S-образной формы. Этот традиционный тип насоса не позволяет использовать высокое давление нагнетания и не пригоден для коррозионных сплавов.

Непрерывные исследования, связанные с получением новых коррозионно-стойких материалов, способных обеспечить достаточную долговечность и надежность деталей, контактирующих с коррозионными сплавами, привели к разработке сплавов из различных элементов, таких как титан, бор, кремний, углерод, хром и алюминий, и более редких элементов, таких как иттрий, лантан, скандий, цезий, самарий, цирконий и т.д. Задача получения сплавов с все большей коррозионной стойкостью обусловлена необходимостью увеличения срока службы насоса, главным образом это касается наиболее критических с точки зрения срока службы элементов, таких как поршень и цилиндр, которые не только подвергаются коррозии за счет воздействия жидкого сплава, но также должны обладать стойкостью по отношению к абразивному износу, вызываемому смещением поршня, скользящего в цилиндре с возможностью обеспечения уплотнения между поршнем и цилиндром.

В обычных насосах зазор, который возникает между поршнем и цилиндром как вследствие термического расширения, так и вследствие разъедания поверхностей, наносит значительный вред нормальной работе насоса. Действительно, введение жидкого сплава в цилиндр обычно осуществляется через отверстие в боковой стенке цилиндра, которое закрывается поршнем при его ходе вниз, следовательно, при этом невозможно использовать поршневые кольца, обладающие низкой жесткостью, которые при проходе мимо бокового отверстия могут быть повреждены. В патенте Франции FR-A-1 178 540 раскрывается пример такого насоса, в котором замена элементов, подвергающихся коррозии и износу, осуществляется легко, быстро и экономично. Однако этот насос предназначен для литья магниевых сплавов, которые не являются агрессивными для используемых в настоящее время типов металлических материалов и обеспечивают возможность использования упругих поршневых колец.

В других случаях, например, в конструкциях, раскрытых в патентах Швейцарии CH-625 439, США US-A-3 467 171 и US-A-3 469 621, нижний конец поршня срезан под углом 45^o или механически обработан тем или иным способом для получения в нем загрузочного входного отверстия с тем, чтобы обеспечить возможность прохода жидкого сплава в цилиндр без полного извлечения поршня и без образования отверстия на боковой стенке цилиндра. Тем не менее поршень должен скользить в цилиндре с обеспечением уплотнения между ними, и тем самым проблема допусков соединения между поршнем и цилиндром остается. Даже если в данном случае для улучшения уплотнения могут быть применены металлические поршневые кольца, эти кольца изнашиваются довольно быстро, тем самым необходимость в их замене возникает после нескольких тысяч циклов. Более того, их наличие предполагает ограничение максимального рабочего давления с целью предотвращения чрезмерного трения и износа, и это ограниченное давление в некоторых случаях оказывается недостаточным для получения отливок требуемой плотности.

Существенное ограничение максимального давления также может быть вызвано проблемами уплотнения между наружным цилиндром, в котором скользит нагнетательный поршень, и опорной поверхностью S-образного сифона, в котором размещен цилиндр. Эти проблемы в особенности возникают в том случае, когда элементы изготовлены из различных материалов, как, например, в стандартной ситуации, когда цилиндр изготовлен из коррозионно-стойкого керамического материала, а сифон изготовлен из стали с покрытием. Дополнительные проблемы связаны с хрупкостью керамических материалов, которые чувствительны к напряжениям при изгибе.

Из вышесказанного очевидно, что в насосах по предшествующему техническому уровню необходима специальная обработка поверхностей для критического соединения между поршнем и цилиндром, при этом следует принять во внимание проблемы термического расширения, трения между деталями, коррозии контактирующих поверхностей и возможного образования окалины на поверхностях. Аналогичные проблемы возникают в зоне соединения между цилиндром и сифоном, и все эти проблемы в совокупности приводят к уменьшению срока службы критических элементов насоса, вызывающему дополнительные затраты, связанные с заменой деталей и перерывами в работе машины на осмотр и/или техническое обслуживание.

Заявителю уже выдан патент США N 5 385 456, в котором раскрывается горячекамерный насос с плунжером. В этой конструкции цилиндр выполнен за одно целое с сифоном, и уплотнение осуществляется не путем уплотнения соединения между поршнем и цилиндром, а за счет уплотнений из сжатого податливого материала, расположенных у входного отверстия сифона. Хотя это позволяет решить по существу ряд из вышеуказанных проблем, наличие податливых материалов вызывает ограничение достигаемого давления в насосе и скорости нагнетания. Действительно, необходимо ограничивать давление, чтобы предотвратить чрезмерное расширение материалов в направлении, поперечном к боковой поверхности поршня, а помимо этого необходимо ограничивать максимальную скорость поршня, чтобы предотвратить чрезмерное теплообразование из-за трения.

Следовательно, задачей настоящего изобретения является разработка уплотнительного и направляющего устройства, позволяющего преодолеть вышеупомянутые ограничения рабочих параметров.

Эта задача достигается с помощью устройства, содержащего признаки, приведенные в пункте 1 формулы изобретения.

Первым существенным преимуществом уплотнительного устройства по настоящему изобретению является то, что оно изготовлено из элементов, обладающих высокой жесткостью, которые позволяют использовать высокие давления нагнетания.

Второе существенное преимущество заключается в том, что создается надежная гидродинамическая направляющая при отсутствии прямого контакта между элементами, при этом выбираются радиальные и осевые зазоры и отсутствуют проблемы, связанные с ограничением скорости.

Эти и другие преимущества и признаки устройства в соответствии с настоящим изобретением станут очевидными для специалистов в данной области из нижеприведенного подробного описания варианта осуществления устройства, выполненного со ссылкой только на один чертеж, приложенный к данному описанию, где схематически показано вертикальное поперечное сечение устройства.

Горячекамерный насос для литья под давлением состоит из корпуса 1, погруженного в жидкий сплав, содержащийся в тигле (не показанном), в котором в нижней части образована полость 2 для нагнетания, в которой цилиндрический плунжерный поршень 3 скользит, совершая возвратно-поступательное движение V в вертикальном направлении. Подача жидкого сплава в полость 2 происходит через канал 4, выполненный с соответствующим средством для открытия и закрытия канала, в то время как через вертикальный литник (канал) 5 сплав под давлением подается в форму (не показанную), как указано стрелкой S.

Цилиндрическая камера 6, в которой расположено уплотнительное и направляющее устройство согласно настоящему изобретению, образована в верхней части корпуса 1, имеет диаметр, превышающий диаметр полости 2 для нагнетания, и выполнена коаксиально с данной полостью. Начиная с нижней части, устройство включает нижнее центрирующее кольцо 7, втулку 8, верхнее центрирующее кольцо 9, компрессионную гильзу 10 и стопорную гайку 11 с резьбой. Нижнее кольцо 7 опирается на опору в нижней части камеры 6 и центрируется в ней, поскольку его наружный диаметр равен диаметру камеры 6, то же самое относится к верхнему кольцу 9. Напротив, втулка 8, расположенная между кольцами 7 и 9, имеет наружный диаметр, который меньше диаметра камеры 6, но больше внутреннего диаметра центрирующих колец, и эта втулка 8 установлена коаксиально с камерой 6 и поршнем 3 с помощью пары противолежащих, предпочтительно конических поверхностей 12 и 13 вращения, соответственно образованных на верхней стороне нижнего кольца 7 и на нижней стороне верхнего кольца 9.

Кольцевое пространство 14, образованное между наружной поверхностью 15 втулки 8 и стенкой камеры 6, сообщается с полостью 2 для нагнетания через канал 16, образованный в нижнем кольце 7, или, возможно, посредством просачивания (через места утечек) у нижней опорной поверхности 12. Напротив, верхняя опорная поверхность 13 загерметизирована, и дополнительное уплотнение между верхним кольцом 9 и камерой 6 может быть выполнено с помощью известного устройства, такого, как уплотнительное кольцо 17.

Пространство 18 в камере 6 над втулкой 8 сообщено с тигелем через каналы 19, образованные в стенке корпуса 1, гильзы 10 и кольца 9, или с помощью других соответствующих способов. Таким образом, подача жидкого сплава в полость 2 может также осуществляться с помощью частичного или полного извлечения поршня 3 из втулки 8 в зависимости от того, выполнен ли конец плунжера 3 с загрузочным входным отверстием или нет. В любом случае вдоль края верхнего кольца 9 может быть установлено скребущее кольцо 20 с тем, чтобы предотвратить захват поршнем 3 пудлингового шлака ванны внутрь втулки 8. Диаметр поршня 3 меньше внутреннего диаметра втулки 8, тем самым между внутренней поверхностью 21 втулки 8 и боковой цилиндрической поверхностью поршня 3 остается камера небольшой ширины или канал 22, который на чертеже для ясности показан в увеличенном масштабе. Для уменьшения возможных гидродинамических дисбалансов внутреннюю поверхность 21 можно сделать неровной с помощью канавок, перпендикулярных оси.

После схематичного описания конструктивных элементов насоса далее будет описана работа насоса, при этом давление на свободной поверхности ванны жидкого сплава обозначено P", а максимальное давление, которое может быть создано двигателем поршня 3 внутри полости 2, обозначено P"".

При входе плунжера 3 в полость 2 давление увеличивается от P" (не учитывая разную высоту различных элементов) до значения P, которое меньше или равно P"". Поскольку насос представляет собой насос объемного типа, значение P может быть равным P"", если скорость потока утечек, возникающих из-за неплотностей стыков, меньше эффективной скорости потока, созданной поршнем 3, это происходит значительно легко, поскольку утечки малы. С учетом того, что было сказано выше об уплотнении между пространством 14 и пространством 18, эти утечки могут происходить только через канал 22 и в зависимости от его характеристик. В частности, утечки увеличиваются при увеличении давления P и ширины канала 22, и они уменьшаются, когда длина канала 22, измеренная вдоль образующей, увеличивается. Для обеспечения хорошей работы насоса важно найти оптимальное компромиссное решение в выборе ширины канала 22. Действительно, канал должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить надлежащий зазор при высокой скорости нагнетания, не вызывая чрезмерного трения, и при этом канал должен быть достаточно малым с тем, чтобы ограничить утечки и создать эффективную направляющую для поршня 3.

Как указано во вступительной части, керамические материалы, которые обладают стойкостью к коррозии и истиранию, хорошо работают при сжимающих усилиях, но плохо выдерживают напряжение при изгибе. Вследствие этого, поршень 3, который подвергается воздействию давления, почти равного давлению Паскаля, может быть изготовлен из керамических материалов, в то время как корпус 1 должен быть изготовлен из металла с соответствующим покрытием. Кроме того, следует принять во внимание значительную разницу между коэффициентами теплового расширения керамических и металлических материалов, которая может вызвать проблемы в местах их соединения, которые могут привести к чрезмерным зазорам или натягам. Следовательно, ясно, что втулка 8 должна быть изготовлена из материала, аналогичного материалу поршня 3, при этом коэффициенты теплового расширения материалов втулки 8 и поршня 3 должны быть аналогичны или равны, что позволяет обеспечить неизменной ширину канала 22 при изменении температуры. При этом предусматривается, что втулка 8 не должна подвергаться растягивающему напряжению и что ее расположение в камере 6 должно быть таким, чтобы предотвратить возникновение зазоров, которые приводят к ухудшению уплотнения, или натягов, которые вызывают опасные напряжения на втулке.

Устройство согласно настоящему изобретению позволяет преодолеть упомянутые выше недостатки за счет того, что выполняют другие уплотнительные и направляющие элементы, помимо поршня 3 и втулки 8, причем эти элементы изготовлены из соответствующих металлических сплавов, имеющих коэффициенты теплового расширения, совместимые друг с другом, и, следовательно, с соединениями, образованными на основе рабочей температуры. Если имеется скребущее кольцо 20, то оно может быть выполнено из керамического материала для поддержания надлежащего зазора относительно поршня 3.

Система центрирования втулки 8, образованная поверхностями 12 и 13 вращения, позволяет получить соединение между материалами с различным тепловым расширением путем одновременного регулирования радиального и осевого зазора между втулкой 8 и корпусом 1, даже при предварительном нагружении втулки 8 в случае необходимости. Это достигается за счет того, что верхнее кольцо 9 прижимают вниз с помощью гильзы 10 путем воздействия на стопорную гайку 11, которая также позволяет при остановке насоса разжать устройство перед началом охлаждения с тем, чтобы предотвратить возможные повреждения, вызываемые термической усадкой.

Подача жидкого сплава в форму по существу происходит в три этапа. Во время начального этапа вытеснения воздуха из формы поршень 3 медленно опускается и создает в полости нагнетания давление P, близкое к P". Во время промежуточного этапа заполнения формы поршень 3 опускается очень быстро и создает высокое давление P в течение очень короткого промежутка времени. Во время последнего этапа питания мест усадки затвердевающей отливки давление становится и остается очень высоким, но поршень 3 опускается медленно в соответствии со скоростью, допускаемой небольшими скоростями потока при сжатии и утечке.

Когда давление в полости 2 и тем самым также и в кольцевом пространстве 14 достигает определенной величины P, наружная поверхность 15 втулки 8 подвергается воздействию постоянного давления P вдоль ее образующей, как схематично показано с помощью эпюры K. Напротив, внутренняя поверхность 21 подвергается воздействию уменьшающегося давления, при перемещении вверх по образующей, а именно от величины P в полости 2 до величины P" в пространстве 18, как показано в качестве примера с помощью эпюры D. Точный характер изменения давления вдоль поверхности 21 зависит от достижения соответствия формы канала 22. Следовательно, давления, действующие на боковые поверхности втулки 8, создают равнодействующие усилия, направленные к продольной оси, значения которых могут быть получены из разности между эпюрой K и эпюрой D.

Кроме того, следует отметить, что втулка 8 также подвергается воздействию осевого сжимающего усилия вследствие наличия давления P>P", действующего на нижнюю сторону, и соответствующей силы реакции опорной поверхности 13, действующей на верхнюю сторону. Это усилие давления P вызывает расширение кольца 9 и, следовательно, создает герметичное уплотнение кольца 9 относительно стенки камеры 6.

Поскольку поршень 3 и втулка 8 изготовлены из материалов с аналогичными свойствами, воздействие центростремительного давления, возрастающего вдоль образующей, приводит к тому, что втулка 8 сжимается в большей степени по сравнению с поршнем 3, это происходит также и потому, что давление, действующее на поршень, уменьшается, что приводит к уменьшению ширины канала 22. За счет выполнения втулки 8 с надлежащими размерами можно ограничить увеличение ширины канала 22 в осевом направлении в соответствии с характеристиками сплава, отливку из которого надлежит получить, тем самым обеспечивается возможность достижения высоких скоростей нагнетания и небольших потерь из-за утечек. В частности, внутренний диаметр втулки 8 предпочтительно увеличивается в направлении пространства 18 при отсутствии напряжений с тем, чтобы получить внутреннюю цилиндрическую поверхность 21 во время последующего этапа питания, когда втулка находится в напряженном состоянии. Действительно, наибольшие скорости утечек имеют место на последней стадии вследствие сочетания высокого давления и большой продолжительности данной стадии, в то время как в течение двух предшествующих этапов скоростью потока можно пренебречь, поскольку давление (на первом этапе) или время (на втором этапе) очень малы.

Вышесказанное справедливо при предложении, что поршень 3 остается по существу цилиндрическим; следовательно, необходимо предотвратить ситуацию, при которой во время его возвратно- поступательного движения в вертикальном направлении изменения температуры вдоль образующей таковы, что они вызывают существенные различия диаметральных размеров в активной части поршня, то есть части, которая осуществляет уплотнение относительно втулки 8. С этой целью скребущее кольцо 20, при его наличии, или верхний край втулки 8 в любом случае погружают в жидкий сплав на глубину L, превышающую максимальный ход поршня, причем глубину L измеряют от самой нижней свободной поверхности 23, до которой может дойти ванна жидкого сплава. Таким образом, активная часть поршня 3 постоянно находится при температуре ванны, поскольку она оказывается погруженной в ванну даже при максимальном ходе, благодаря чему остается цилиндрической.

Вышеописанный и проиллюстрированный вариант осуществления изобретения представляет собой лишь пример, который можно модифицировать различными методами. В частности, характер изменения внутренней поверхности 21 втулки 8 может быть определен в соответствии с определенными требованиями конкретного случая применения, и то же самое справедливо для углов наклона поверхностей 12 и 13. Кроме того, втулка 8 также может проходить за поверхность 13.