кольцо уплотнительное для подвижных и неподвижных соединений

Формула изобретения

Кольцо уплотнительное для подвижных и неподвижных соединений, поперечное сечение которого представляет собой два четырехугольника, симметрично расположенных относительно оси кольца, отличающееся тем, что сечение кольца образует собой полый усеченный конус, сечение стенки которого образовано четырьмя сторонами, две из которых параллельны друг другу и оси кольца, одна из оставшихся сторон (третья сторона) расположена к первым двум под углом 0°< <90°, и вторая из оставшихся сторон (четвертая сторона) расположена к первым двум также под углом 0°< <90°, и при = сечение стенки усеченного конуса представляет собой параллелограмм, причем сечение стенки конуса имеет остроугольные уплотнительные кромки, расположенные на концах большой диагонали сечения и тупоугольные кромки, расположенные на концах малой диагонали сечения, при этом все уплотнительные кромки выполнены острыми, скругленными или с фасками, а уплотнительное кольцо выполнено из упругодеформируемого материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для подвижных и неподвижных соединений в гидравлических и пневматических устройствах в качестве поршневых колец, а также в качестве колец для формирования вкладышей подшипников скольжения.

Известны кольца уплотнительные круглого сечения (см. ГОСТ 9833-73. Кольца резиновые уплотнительные круглого сечения для гидравлических и пневматических устройств. Конструкция и размеры.).

Существенным недостатком колец круглого сечения является склонность к скручиванию при монтаже колец на место использования, что приводит к повреждению колец и потере герметичности уплотняемой поверхности за счет уменьшения полосы прилегания. Для надежного уплотнения гидравлических и пневматических устройств необходима достаточно широкая полоса прилегания уплотнительного кольца. Это достигается путем создания натяга, при установке кольца в зазор между уплотняемыми поверхностями, за счет сжатия кольца в зазоре, так как зазор меньше диаметра сечения кольца. Ширина полосы прилегания кольца круглого сечения в деформированном состоянии в зазоре примерно равна радиусу сечения кольца в недеформированном состоянии, то есть натяг кольца круглого сечения находится в пределах от 13% (для больших колец) до 40% (для малых колец) диаметра сечения кольца согласно данным таблиц ГОСТа 9833-73. При использовании такого кольца требуется большое усилие для его перемещения, за счет большого трения по уплотняемой поверхности, что приводит к большому износу кольца. Поэтому такие кольца применяют, преимущественно, в устройствах с возвратно-поступательным движением и меньше - в устройствах с вращательным движением. Существенным недостатком колец круглого сечения является склонность к скручиванию под действием сил трения, ведущая к потере герметичности и повреждениям колец, возрастающая с увеличением их диаметров, а также зависящая от давления и других параметров, поэтому их целесообразно применять только при легких режимах.

Известны также кольца уплотнительные круглого, овального, х-образного и других сечений, предназначенные для устройств, совершающих возвратно-поступательное движение, например штоков компрессоров, задвижек и т.п. («Уплотнения и уплотнительная техника». Справочник под общ. ред. А.И.Голубева и Л.А.Кондакова, М., «Машиностроение», 1986 г., с.160-161, рис.4.12).

Недостатком колец круглого, овального, х-образного и других сечений является низкий ресурс колец, вызванный их износом за счет большого натяга в уплотняемом зазоре. Указанный натяг поддерживается за счет собственной упругости колец, которая быстро уменьшается как за счет износа, так и за счет старения материала колец.

Известны поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания из металлов, пластмасс, углеграфитов или композиционных материалов, которые выполняются разрезными для обеспечения прижатия колец к стенке цилиндра за счет пружинящих свойств колец («Уплотнения и уплотнительная техника». Справочник под общ. ред. А.И.Голубева и Л.А.Кондакова, М., «Машиностроение», 1986 г., с.175-176, рис.4.22).

Основным недостатком указанных колец является их низкая герметичность, вынуждающая устанавливать на поршень от двух до шести колец.

Известны вкладыши и втулки подшипников скольжения, имеющие устройства для регулирования зазора в подшипниках (П.И.Орлов «Основы конструирования», Справочно-методическое пособие. Кн. 2. М., «Машиностроение», 1977 г., с.400-401, рис.388-390).

Недостатком указанных вкладышей и устройств для регулирования зазора является неравномерный износ вкладышей. Цилиндрическая форма отверстия подшипника нарушается, отверстие приобретает овальную форму, которая не исправляется за счет подтяжки крышки подшипника. При этом диапазон регулирования зазора очень мал.

Ближайшим аналогом (прототипом) к предлагаемому изобретению является кольцо уплотнительное из эластичного материала (см. «Кольцо уплотнительное из эластичного материала и пресс-форма для его изготовления», патент РФ №2249136, МПК F16J 15/00, приор. от 17.10.2002 г., опубл. 27.03.2005 г.).

Недостатком известной конструкции кольца является его форма, т.е. сечение кольца, приводящее при работе устройств, в результате возникновения давления среды и несимметричности опоры кольца на стенку канавки, к недостаточному вращающему моменту, поворачивающему кольцо вокруг его центра. При этом максимальный размер плеча приложения силы от давления среды на кольцо равен половине внутреннего диаметра кольца, т.е. половине размера сечения кольца, а опорная точка поворота сечения находится в точке проекции центра сечения кольца на опорную стенку канавки. Тем самым, герметизирующая способность кольца используется недостаточно полно.

Задача заявляемого изобретения заключается в повышении надежности уплотнения подвижных и неподвижных соединений и расширении области использования заявляемого кольца уплотнительного для подвижных и неподвижных соединений.

Поставленная задача решается за счет того, что кольцо уплотнительное для подвижных и неподвижных соединений, поперечное сечение которого представляет собой два четырехугольника, симметрично расположенных относительно оси кольца, которые образуют собой полый усеченный конус, сечение стенки которого образовано четырьмя сторонами, две из которых параллельны друг другу и оси кольца, одна из оставшихся сторон (третья сторона) расположена к первым двум под углом 0°< <90° и вторая из оставшихся сторон (четвертая сторона) расположена к первым двум также под углом 0°< <90° и при = сечение стенки усеченного конуса представляет собой параллелограмм, причем сечение стенки конуса имеет остроугольные уплотнительные кромки, расположенные на концах большой диагонали сечения, и тупоугольные кромки, расположенные на концах малой диагонали сечения, кроме того, все кромки могут быть выполнены острыми, скругленными или с фасками, при этом материал, из которого выполнено кольцо уплотнительное, должен быть упругодеформируемым.

Технический результат достигается за счет выполнения поперечного сечения кольца в виде полого усеченного конуса, сечение стенки которого образовано четырьмя сторонами, две из которых параллельны друг другу и оси кольца, а две другие стороны расположены к первьм под углами 0°-90°, и материал, из которого выполнено кольцо уплотнительное - упругодеформируемый.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где: на фиг.1 представлен пример выполнения кольца уплотнительного для подвижных и неподвижных соединений, в разрезе; на фиг.2 - чертеж набора колец для уплотнения штока компрессора, разрез; на фиг.3 - чертеж поршневых колец в ДВС, разрез; на фиг.4 - увеличенный чертеж в круге 1 на фиг.3; на фиг.5 - набор колец, формирующих вкладыш подшипника скольжения, разрез; на фиг.6 - разрез по А-А подшипника на фиг.5; на фиг.7 - пример конкретного выполнения кольца уплотнительного.

На фиг.1 кольцо уплотнительное 1 с осью 2 представляет собой в сечении усеченный конус 3, образованный двумя четырехугольниками, расположенными зеркально относительно оси кольца 2. Две стороны кольца 1 - 4 и 5 параллельны его оси 2, а стороны 6 и 7 расположены под углами и , равными 0°-90°. На фиг.1 изображен частный случай, когда = , т.е. сечение кольца 1 - параллелограмм, у которого 8 и 9 - уплотнительные кромки, 10 - большая диагональ параллелограмма, 11 и 12 - тупоугольные кромки, 13 - малая диагональ сечения, а 14 - центр сечения кольца 1.

На фиг.2 показан уплотняемый шток компрессора, включающий позиции 1-12, как на фиг.1, а также грундбуксу 15, кольцо для подвода смазки 16, большой 17 и малый 18 масляные карманы и 19 - шток. Кроме того, остроугольные кромки кольца 1 выполнены с фасками 20.

На фиг.3 изображен чертеж поршневых колец в ДВС, где показано кольцо уплотнительное 1 с осью 2, внутренний d и внешний D диаметры кольца, а также опорные стенки канавки 21 и поршень 22, и выделена область 1, которая увеличена на фиг.4, где: увеличенное кольцо ДВС 1, параллельные стороны его 4 и 5, углы и , и центр сечения кольца 14.

Набор колец, формирующих вкладыш подшипника (см. фиг.5), включает позиции 1 - кольцо уплотнительное, 14 - центр сечения кольца 1, углы и , 15 - грундбукса, 17 и 18 - масляные карманы и 23 - вал, а также внутренний d и внешний D диаметры кольца.

На фиг.6 изображен разрез по А-А подшипника на фиг.5, где показано расположение масляных карманов 18.

На фиг.7 изображено заявляемое кольцо уплотнительное упругодеформируемое, например резиновое. Указаны позиции - кольцо 1, его ось 2, которая совпадает с осью уплотняемой пары типа цилиндр-поршень, параллельные стороны 4 и 5, а также 6 и 7, углы и , причем они равны в данном случае, конус 3 сечения кольца, внутренний d и внешний D диаметры кольца, а также указана пара сил F. Сечение стенки кольца 1 расположено под углом 90° - к опорной стенке 24 канавки 25 поршня 26. Давление среды поступает в канавку 25 со стороны ее торца 27. Под действием давления уплотняемой среды образуется вращающий момент, т.е. пара сил F, приложенных к плечу. Размер плеча равен D-d/2, где - D - наружный диаметр кольца, a d - внутренний диаметр кольца (фиг. 7).

Рассмотрим работу пары цилиндр-поршень, показанной на фиг.7. Под действием указанной пары сил происходит поворот кольца 1 вокруг центра сечения кольца 14 и большая диагональ сечения 10 стремится встать в распор поперек канавки 25, повышая тем самым герметизирующую способность заявляемого кольца уплотнительного упругодеформируемого.

При уплотнении, например, движущихся возвратно-поступательных штоков компрессоров используется набор заявляемых колец уплотнительных (фиг.2). Кольцо 1 служит для подачи смазки в большие масляные карманы 17 между кольцами 1, а затем в малые масляные карманы 18. Под действием давления уплотняемой среды или под давлением грундбуксы 15 кольцо 1 поворачивается вокруг центров их сечения 14, увеличивая герметизирующую способность колец и, одновременно, уменьшая суммарную площадь прилегания колец к штоку 19 и цилиндру и уменьшая тем самым усилие, необходимое для перемещения штока 19. После уменьшения давления среды кольца 1 под действием сил собственной упругости возвращаются в исходное положение, при этом герметичность сохраняется за счет увеличения площади прилегания колец 1 к штоку 19 и цилиндру.

На фиг.3 и 4 заявляемое кольцо 1 может использоваться в качестве поршневого кольца для ДВС, поршневых компрессоров, вакуумных насосов и т.п. Кольцо 1 выполнено не разрезным, а в виде полого усеченного конуса, сечение стенки которого имеет две стороны 4 и 5 параллельные друг другу и оси 2 кольца 1 поршня 22. При возрастании давления среды, например воспламенившегося газа, кольцо 1 поворачивается относительно центра 2 и обеспечивает надежное запирание (герметизацию) камеры сгорания, что повышает КПД двигателя и не требует использования нескольких уплотнительных колец. Кольцо 1 может монтироваться в канавку поршня с помощью его нагревания или применения составного поршня.

На фиг.5 и 6 заявляемое кольцо 1 может использоваться в виде набора колец для создания вкладыша подшипника скольжения для вращающегося вала 23. Кроме крайних колец, кольца набора имеют на внутренней поверхности полукруглые канавки 18, создающие масляный клин в подшипнике. Масло поступает через отверстия вала в масляный карман 17 между средними кольцами, а затем в указанные канавки 18. Кольца в наборе подвергаются осевому сжатию грундбуксой 15 или давлением внешней среды (при наличии). Крайние кольца 1 в данном случае служат для уплотнения и удерживают смазку в подшипнике.

Таким образом, преимущества заявляемого изобретения заключаются в повышении надежности уплотнения подвижных и неподвижных соединений за счет выполнения кольца из упругодеформируемого материала заявляемого сечения, т.к. максимальный размер плеча приложения силы F от давления среды на кольцо равен D-d/2, а не d/2 как в прототипе, т.е. опорная точка поворота сечения кольца находится в центре его сечения и кольцо встает в распор поперек уплотняемой поверхности, увеличивая надежность уплотнения.

Заявляемое кольцо уплотнительное охватывает всю область применения колец уплотнительных круглого, овального, х-образного и других сечений, но имеет существенные преимущества при использовании, т.е. обеспечивает высокую герметичность уплотняемой поверхности, таким образом, является более универсальным и качественным.

Применение заявляемых колец уплотняемых охватывает и другие области использования, включая уплотнение штоков компрессоров и задвижек, колец в ДВС, подшипников скольжения и др.

Преимущества заявляемого изобретения заключаются в повышении надежности уплотнения подвижных и неподвижных соединений за счет выполнения кольца из упругодеформируемых материалов и заявляемого сечения, а также в расширении области использования заявляемого кольца уплотнительного для подвижных и неподвижных соединений.