Ущільнююча поршнева деталь для фрикційної пари поршень-циліндр

Ущільнююча поршнева деталь для фрикційної пари поршень-циліндр, яка містить коаксіальну кільцеву стінку, що деформується, і яка прикріплена до кінця поршневої деталі, яка відрізняється тим, що вказана ущільнююча поршнева деталь виготовлена із металу, значно м'якшого за стрижень поршня, і за допомогою різьбового з'єднання жорстко прикріплена до його кінця, кільцева стінка має зовнішній радіус, приблизно однаковий з внутрішнім радіусом каналу циліндра, і встановлена з можливістю радіального розширення до повного замикання поперечного перерізу каналу, ущільнююча поршнева деталь має тефлоновий насадок, який контактує з середовищем, що передає тиск, і розміщений в концентричній порожнині кру гового глухого отвору, обкресленому кільцевою стінкою, а величина радіального розширення кільцевої стінки, її товщина і глибина порожнини глухого отвору визначаються наступним рівнянням: Корисна модель належить до ущільнювальної техніки поршневих систем, головним чином, до поліпшеного способу ущільнювання кільцевого зазору поршневої пари, і може бути застосована в камерах ультрависокого тиску типу поршеньциліндр. Отримання високого гідростатичного тиску в апаратах типу поршень-циліндр пов'язане з усуненням двох основних небажаних ефектів - витоки передаючої тиск рідини і тертя між поршнем і стінкою каналу поршневої пари. Конструктивно ці ефекти зв'язані між собою таким чином, що, наприклад, при усуненні кільцевого зазору між поршнем і стінкою циліндра з метою зменшення витоку рідини зростає тертя поршневої пари. На практиці, в першу чергу, усувають витік, використовуючи різні варіанти ущільнень Амага, Поултера і Бріджмена в комбінації з різними перерізами ущільнювальних і антиекструзивних кілець. При цьому збільшені фрикційні сили долаються збільшенням прикладеного навантаження. Проте використову вання посадки з натягом для збільшення досяжного тиску, який використовується в згаданих ущільненнях, має ряд побічних шкідливих ефектів. Це, в першу чергу, вимога великої осьової сили при вставці поршня в канал циліндра та витягання його з каналу, а також витрата великої частки енергії в процесі пресування, на подолання фрикційних сил між поршнем і стінкою каналу поршневої пари. В результаті відбувається швидке зношування поршневої пари, що різко зменшує кількість пресувань в камері високого тиску. Основною проблемою в ущільненні поршневої пари є той факт, що під дією високого тиску ступінь деформації поршня і циліндра різний - радіальне розширення каналу циліндра більше, ніж поршня. Гідростатичний тиск рідини безпосередньо діє на стінку каналу циліндра, а радіальне розширення поршня відбувається за рахунок осьового стиснення. При цьому зазор між поршнем і стінкою каналу зростає у декілька разів. Ясно, що звичне  4u( x) x 4 де k       k q ux  1  2  1  2 , EJz EJz E r2 - коефіцієнт пружної основи; 3 - осьовий момент інерції одиничної прямо12 кутної смужки кільцевої стінки; q  p1  - інтенсивність навантаження, діючого на кільцеву стінку; u - переміщення оболонки кільцевої коаксіальної стінки;  - товщина кільцевої коаксіальної стінки; r - радіус кільцевої коаксіальної стінки; E - модуль пружності кільцевої стінки;  - коефіцієнт Пуассона кільцевої стінки; p - тиск в порожнині кільцевої стінки. (19) UA (11) 59909 (13) U Jz  3 О-кільцеве ущільнення із збільшенням тиску перестає працювати. Свого часу Бріджмен запропонував використовувати для гідростатичного тиску ущільнення з некомпенсованою площею у вигляді кільця квадратного перерізу з твердого матеріалу (П.В. Бриджмен, Физика высоких давлений, ОНТИ, М., 1935). Основною вимогою для такого ущільнення є вибір початкової твердості кільця, щоб досягти максимальної твердості в деформованому стані. На практиці це зробити украй важко, тому ущільнювальні кільця при значній деформації часто руйнуються. Для зменшення внутрішніх напруг, і тим самим забезпечення можливості отримання максимального тиску, була модифікована форма ущільнювального кільця у вигляді клину (D.H. Newhall, "Packed Piston for High-Pressure Cylinders", US Pat. 2,663,600, 22 Dec. 1953). Під дією різниці контактного тиску на бічних поверхнях клину, ущільнювальне кільце розширяється так, що забезпечує необхідний контакт із стінкою каналу. Проте такі кільця при достатньо високому тиску зазнають пластичну деформацію, стають твердіше і розмір площі, що не компенсується, зменшується (Е. Whalley, A. Lavergne. Rev. Sci. Instrum. 1976, v.47, P. 136-137). Повторно використовувати ці кільця можна після деякої їх переробки, наприклад, після підрізування меншого торця. Більш того, висота і товщина таких ущільнювальних кілець багато менше радіусу поршня, що ускладнює технологію виготовлення таких кілець, особливо для поршнів з діаметром в декілька міліметрів. US Pat. 3,266,095, 16 Aug. 1966 (R.P. Levey, Jr., Oak Ridge, and R.L. Huddleston, "Pressure vessel seal") пропонує рішення проблеми ущільнення поршневої пари за допомогою спеціального металевого поршня, на кінці якого виготовлена кільцева порожниста деталь, що має зовнішній діаметр на декілька тисячних часток дюйма менший внутрішнього діаметру каналу камери високого тиску. Ця ущільнююча поршнева деталь має коаксіальну кільцеву стінку, яка із збільшенням тиску в циліндричному каналі камери повинна радіально розширятися в тому ж ступені, що і стінка каналу камери, тим самим зберігаючи мінімальним зазор між поршнем і стінкою каналу. Для ущільнення цього мінімального зазору на кінці поршневої деталі, що примикає до передаючого тиск рідкого середовища, змонтоване неопренове Окільце. Щоб О-кільцеве ущільнення працювало при високому тиску потрібно належним чином вибрати товщину кільцевої стінки поршневої деталі. Для оцінки товщини стінки була запропонована спрощена формула, яка звичайно на практиці використовується для простої порожнистої циліндричної деталі. Ця наближена формула не враховує жорстке прикріплення деталі до поршня і виникаючі, в цьому випадку, згинаючий момент і поперечну силу. Така оцінка мало ефективна і практично неможливо підібрати належну товщину кільцевої стінки ущільнюючої поршневої деталі, особливо для малих розмірів ущільнювальних поверхонь. Іншим недоліком згаданого способу є те, що поршень і поршнева деталь виготовлені з матері 59909 4 алу однієї і тієї ж міцності, тоді як для задоволення граничної стійкості поршня при високому і ультрависокому тиску необхідно мати матеріал з максимальним значенням модуля Юнга, а для ущільнюючого контакту радіальним підтисканням кільцевою стінкою поршневої деталі неопрінового О-кільця - з меншими значеннями міцності. Як прототип корисної моделі, що заявляється, обрано ущільнюючу поршневу деталь (US Pat. 4,165,880, 28 Aug., 1979, Н.О. Olsson, "Sealing device"), яка виготовлена окремо від поршня з твердої пластмаси типу поліаміду, що деформується, вищої якості торгової марки "Erlaton", або іншого полімеру, що має відповідні властивості. Пластмасова кільцева порожниста деталь жорстко прикріплена до кінця металевого поршня. Ущільнююча поршнева деталь містить коаксіальну кільцеву стінку, на якій із сторони, що примикає до передаючого тиск рідкого середовища, в круговому пазу, зверненому до стінки каналу циліндра, розміщено О-кільцеве ущільнення, а також тіло деталі, що власне і деформується. Тут використовуються поєднання двох ущільнюючих функцій, одна з яких при низькому і помірно високому тиску реалізується О-кільцевим ущільненням, яке підтискається коаксіальною кільцевою стінкою, тоді як інша функція реалізується тілом деталі, яке при високому тиску радіально розширяється і повністю перекриває початковий зазор між поршнем і стінкою каналу. Недоліки цього способу ущільнення ті ж, що і в розглянутому вище способі - невизначеність щодо товщини коаксіальної кільцевої стінки. До них додається невизначеність у виборі товщини тіла деталі, яка радіально розширяється при осьовому стисненні. Зрозуміло, що із зміною цієї товщини, ущільнюючі функції конкуруватимуть між собою. Ущільнення, обумовлене підтисканням Окільця до стінки каналу коаксіальною кільцевою стінкою, що радіально розширяється під тиском, коли-небудь переважатиме, якщо поступово зменшувати товщину тіла деталі. Встановити оптимальне співвідношення між товщиною кільцевої стінки і товщиною тіла ущільнюючої деталі, що власне деформується, для конкретної області тиску вельми складно, до того ж така ущільнююча деталь, виготовлена з пластмаси, придатна для одноразового використовування при високому і ультрависокому тиску. Загальними ознаками контактного ущільнення фрикційної пари поршень-циліндр прототипу і корисної моделі є ущільнююча поршнева деталь, яка виготовлена окремо від поршня і включає коаксіальну кільцеву стінку, що деформується, цілком прикріплену до кінця поршневої деталі. В основу корисної моделі поставлено задачу забезпечення якісного примикання поршня до стінки каналу поршневої пари в широкому діапазоні тиску в камері високого тиску без перешкоди між поршнем і каналом при низькому тиску, при цьому ущільнення поршню повинно мати низьке фрикційне зчеплення з стінкою робочого каналу та забезпечити в камері високого тиску типу поршеньциліндр, здатної до дії при тисках, більших ніж 10кбар, можливість ручного збирання і демонтажу поршня і циліндричного каналу. 5 59909 Поставлена задача вирішуються тим, що ущільнююча поршнева деталь виготовлена окремо від поршня з металу типу берилієвої бронзи, який значно м'якіший за стрижень поршня і за допомогою різьбового з'єднання жорстко прикріплена до його кінця. Ущільнююча поршнева деталь має вигляд тонкостінного циліндру з круговим глухим отвором, містить коаксіальну кільцеву стінку, що деформується, та тефлоновий насадок, який примикає до передаючого тиск рідкого середовища і розміщений в круговому глухому отворі і, згідно корисної моделі вказана кільцева стінка має зовнішній радіус приблизно однаковий з внутрішнім радіусом каналу камери, щоб забезпечити ручну вставку і витягання поршня з каналу камери, з можливістю радіального розширення кільцевої стінки до повного замикання нею поперечного перерізу каналу, а згаданий тефлоновий насадок виконує ущільнюючу функцію перш, ніж коаксіальна кільцева стінка радіально розшириться так, щоб повністю замкнути поперечний переріз каналу камери. Величина радіального розширення кільцевої стінки, її товщина і глибина порожнини глухого отвору визначаються наступним рівнянням:  4u( x) x 4 де k   E r2     k q ux  1  2  1  2 , EJz EJz - коефіцієнт пружної основи; 3 - осьовий момент інерції одиничної пря12 мокутної смужки кільцевої стінки; q  p1  - інтенсивність навантаження, діючого на кільцеву стінку; u - переміщення оболонки кільцевої коаксіальної стінки;  - товщина кільцевої коаксіальної стінки; r - радіус кільцевої коаксіальної стінки; E - модуль пружності кільцевої стінки;  - коефіцієнт Пуассона кільцевої стінки; р - тиск в порожнині кільцевої стінки. Це рівняння описує крайовий ефект в області з'єднання кільцевої стінки з твердою частиною поршня, де необхідно враховувати згинаючий момент і перерізуючу силу (S. Timoshenko, Strength of Materials., v.2). Без такого з'єднання під дією тиску діаметр коаксіальної кільцевої стінки зростав би по всій її довжині. Однак в області з'єднання радіус коаксіальної стінки не змінюється і через це її оболонка вигинається. Глибина порожнини, утвореної кільцевою стінкою, вибирається такою, щоб величина згину стінки була найбільшою, тобто в області максимального крайового ефекту. Це є основною відмінною ознакою від попередніх відомих рішень, де порожнина була достатньо глибокою, щоб знехтувати крайовим ефектом. Оскільки розмір кільцевого ущільнюючого контакту коаксіальної стінки з каналом камери найменший в області крайового ефекту, це дозволяє суттєво знизити їх фрикційне зчеплення. Рішення, що заявляється, відрізняється від прототипу, його відмінні ознаки зв'язані єдиним змістом і воно відповідає критерію "новизна". Jz  6 Виявлені в рамках науково-технічного пошуку ознаки відомих рішень в області ущільнювальної техніки поршневих систем у повному обсязі не збігаються з ознаками, що заявляються. Пропоноване рішення відповідає критерію, що забезпечує інший позитивний ефект, дає підставу вважати його промислово застосовним. Перелік креслень. На фіг. 1 схематично показана ущільнююча поршнева деталь для фрикційної пари поршеньциліндр. Графіки числового розрахунку переміщення u(х) оболонки кільцевої стінки (в см), згинального моменту М(х) та перерізуючої сили Q(x) по довжині стінки показано на фіг. 2. Приклад реалізації. Ущільнююча поршнева деталь 1, кінець якої вставлений в центральний канал камери, оснащена коаксіальною кільцевою стінкою 2, яка обкреслює концентричну порожнину глухого отвору 3. В порожнину глухого отвору вміщується тефлоновий насадок 6, який примикає до передаючого тиск рідкого середовища і виконує ущільнюючу функцію при помірних тисках. З протилежного боку ущільнююча поршнева деталь 1 має зовнішнє різьблення 4 для жорсткого з'єднання її з поршнем. В окружному напрямку на кільцевій коаксіальній стінці були виконані дві виїмки 5 для зменшення фрикційного зчеплення з робочим каналом камери. Для находження товщини коаксіальної кільцевої стінки і глибини порожнини глухого отвору використаємо згадане рівняння, що описує крайовий ефект в області з'єднання кільцевої стінки з твердою частиною поршня. Розв'язання цього рівняння при умовах, що в області з'єднання кільцевої стінки з твердою частиною поршневої деталі переміщення оболонки стінки та згинальний момент дорівнюють нулю, u(0)=0, М(0)=0, а на видаленій відстані L перерізуюча сила та згинальний момент також дорівнюють нулю, Q (L)=0, M(L)=0, дозволяє визначити величину згину оболонки кільцевої коаксіальної стінки. Ми вирішили це диференціальне рівняння четвертого ступеню в системі Mathcad за допомогою функції odesolve. Результат числового розрахунку переміщення и(х) (крива 1) оболонки кільцевої стінки діаметром Ø3 мм, товщиною стінки 0,2 мм, виготовленої з берилієвої бронзи Е=140 ГПа, згинального моменту М(х) (крива 2) та перерізуючої сили Q(x) (крива 3) по довжині стінки при тиску 10 кбар показано на фіг. 2. Звернемо увагу на те, що оболонка стінки вигинається на деякій конкретній відстані від її жорсткого закріплення і далі її переміщення по довжині стінки не змінюється. Це є важливим результатом для конструювання ущільнення поршню високого тиску. Для нашої розрахованої кільцевої коаксіальної стінки ця відстань дорівнює 0,82 мм до максимального згину оболонки (крива 1) і 1,5 мм до максимуму згинального моменту (крива 2). При максимальному тиску 10 кбар радіус нашої оболонки зростає на u=0,06 мм. Цього достатньо для надійного ущільнення. В цьому способі виконується ефект самоущільнення, бо величина згину оболонки зростає під впливом тиску. 7 59909 Для зменшення фрикційного зчеплення з робочим каналом ми вибрали глибину порожнини глухого отвору рівною 1,6 мм і на кільцевій коаксіальній стінці в окружному напрямку були зроблені дві виїмки 5 глибиною 0,025 мм і шириною 0,3 мм з нанесенням лудінням тонкої плівки припою ПОС 61. Ущільнююча поршнева деталь була виготовлена із берилієвої бронзи, загартованої до 35-36 одиниць міцності, яка значно м'якіша за стрижень поршню із сталі ХНЮ. Для ущільнення при тисках до 1-2 кбар в порожнину глухого отвору деталі вставляється тефлоновий насадок. Експериментальне тестування роботи поршню високого тиску показало гарне ущільнення на всьому інтервалі тисків до 10 кбар. Тефлоновий насадок витримує 4-5 циклів навантаженнярозвантаження. Стрижень поршню не має залиш Комп’ютерна верстка В. Мацело 8 кової деформації, а радіус кільцевої коаксіальної стінки при знятті високих та ультрависоких (510кбар) тисків зріс всього-лише на 0,01 мм. Фрикційні затрати вимірювались по різниці показань між тиском, створеним на поршні зовнішнім пресом та тиском, який показував манганіновий манометр внутрішній робочій камері. При тиску 5 кбар така різниця склала 200 бар, при 8 кбар 500бар, тобто, 4-6 %. Таким чином, пропоноване конструктивне рішення забезпечує рішення поставленої задачі і досягнення необхідного технічного результату. Контактне ущільнення для фрикційної пари поршень-циліндр (корисна модель) може бути використане в камерах ультрависокого тиску типу поршень-циліндр. Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601