Патент на изобретение №2331810

(54) УПЛОТНЕНИЕ ШТОКА ГИДРОЦИЛИНДРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к уплотнениям штоков гидроцилиндров. Уплотнение штока гидроцилиндра содержит размещенные в канавке штоковой втулки гидроцилиндра поджимное резиновое кольцо и расположенное внутри его пластмассовое кольцо пилообразного профиля, вершина зуба которого находится под равнодействующей упругих сил от поджимного кольца. Передняя грань зуба, обращенная к штоковой полости гидроцилиндра, имеет угол наклона к штоку 45°-90°, а задняя грань зуба выполнена прямой линией с меньшим, чем передняя, углом наклона к штоку. Задняя грань зуба выполнена с нулевым углом наклона к штоку и сопряжена с задним торцом кольца дугой с радиусом, равным 0,4-0,8 от расстояния между вершиной зуба и задним торцом кольца. Изобретение повышает надежность уплотнения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться в гидроцилиндрах (ГЦ), плунжерных насосах, гидромультипликаторах, гидромолотах и гидроамортизаторах.

Известно уплотнение штока ГЦ, содержащее поджимное резиновое кольцо круглого или прямоугольного сечения и размещенный внутри его скользящий по штоку элемент прямоугольного профиля из пластмассы (см. справочник Л.А.Кондакова, А.И.Голубева, В.Б.Овандера и др. “Уплотнения и уплотнительная техника”. М: Машиностроение, 1986 г., стр.171, рис.4.19г). По сравнению с традиционными резиновыми кольцами и манжетами такое уплотнение имеет многократно увеличенный ресурс работы при высоких давлениях масла, малые силы трения и работоспособно при высоких скоростях скольжения.

Основным недостатком такого уплотнения является низкая герметичность при движении штока, связанная с симметричным эпюром контактного давления, создаваемым поджимным кольцом, и, соответственно, неспособностью эффективно соскребать масло со штока при его выходе наружу из ГЦ и пропускать назад в штоковую полость пленку масла, увлекаемую штоком при его обратном ходе.

Известно принятое за прототип уплотнение штока ГЦ, содержащее размещенные в канавке штоковой втулки ГЦ поджимное резиновое кольцо круглого или прямоугольного сечения и расположенное внутри его пластмассовое кольцо пилообразного профиля, вершина зуба которого находится под равнодействующей упругих сил от поджимного кольца, причем передняя грань зуба, обращенная к штоковой полости ГЦ, имеет угол наклона к штоку 45÷90°, а задняя грань зуба выполнена прямой линией с меньшим, чем передняя, углом 1÷10° наклона к штоку (см. рис.4.19е, стр.171 вышеуказанного справочника).

Преимуществом такого уплотнения является повышенная герметичность, определяемая наличием насосного эффекта, т.е. способностью нагнетать масляную пленку, вынесенную штоком за уплотнение, назад в штоковую полость ГЦ при обратном ходе штока (см. стр.159 вышеуказанного справочника).

Этот эффект обеспечивается неравенством углов наклона граней зуба к штоку, приводящих к несимметричной форме эпюра контактных давлений, создаваемых упругими силами поджимного кольца.

Недостатки прототипа состоят в следующем:

– герметичность уплотнения резко ухудшается с ростов давления масла, т.к. насосный эффект исчезает из-за поворота сечения пластмассового кольца вокруг вершины зуба под действием давления и вступления в контакт со штоком кромки заднего торца кольца, соскребающей масляную пленку со штока при его обратном ходе;

– недостаточной надежности из-за ухудшения герметичности при изменении начальных углов наклона граней зуба вблизи его вершины от ее смятия, износа и поворота под давлением масла;

– большой чувствительности к микродефектам поверхности штока, определяемой малой шириной контакта остроконечного зуба;

– снижении герметичности при высокой частоте пульсации давления масла, характерной для ГЦ вибраторов и гидромолотов, из-за вибрации пластмассового кольца при поворотах его сечения;

– больших габаритах сечения уплотнения, вызванных необходимостью обеспечения достаточно высокого сопротивления повороту сечения пластмассового кольца и наличия у него перед передней гранью зуба вспомогательного выступа, большая длина которого определена центральным расположением равнодействующей упругих сил в поджимном кольце круглого или прямоугольного сечения.

Цель изобретения – устранение недостатков прототипа, т.е. повышение надежности и герметичности при высоких давлениях масла, снижение чувствительности к микродефектам поверхности штока и частоте пульсаций давления масла, уменьшение габаритов профиля сечения уплотнения.

Поставленная цель достигается тем, что в уплотнении штока ГЦ, содержащем размещенные в канавке штоковой втулки ГЦ подземное резиновое кольцо и расположенное внутри его пластмассовое кольцо пилообразного профиля, вершина зуба которого находится под равнодействующей упругих сил от поджимного кольца, причем передняя грань зуба, обращенная к штоковой полости ГЦ, имеет угол наклона к штоку 45÷90°, а задняя грань зуба выполнена прямой линией с меньшим, чем передняя, углом наклона к штоку, согласно изобретению задняя грань зуба выполнена с нулевым углом наклона к штоку и сопряжена с задним торцом кольца дугой с радиусом, равным 0,4÷0,6 от расстояния между вершиной зуба и задним торцем кольца, поджимное резиновое кольцо выполнено трапецеидальной формы сечения с большим основанием трапеции на переднем торце, обращенном к штоковой полости, пластмассовое кольцо на заднем торце снабжено фланцевой частью.

Заявленная конструкция уплотнения обладает повышенной герметичностью и надежностью при высоких давлениях масла благодаря тому, что предложенная форма зуба пластмассового кольца имеет многократно увеличенную ширину контакта со штоком и плавно скругленный с оптимальным радиусом переход между внутренней цилиндрической и плоской торцовой поверхностями кольца. При этом достигается рациональное распределение контактного давления на скользящей поверхности кольца и увеличенный насосный эффект, препятствующий утечке при движении штока. Одновременно исключаются поворот и вибрация сечения кольца под действием давления масла, смятие вершины зуба и ее быстрый износ, а также соскребание масла со штока кромкой заднего торца пластмассового кольца. Широкая контактная поверхность уплотнения улучшает перекрытие микродефектов на поверхности штока, снижая чувствительность уплотнения к их величине. Высокая устойчивость нового профиля пластмассового кольца к повороту сечения, достигнутая за счет развитий опорной поверхности по штоку, позволяет уменьшить его радиальную высоту, а применение поджимного кольца трапецеидальной формы со сдвинутой к переднему торцу равнодействующей упругих сил дает возможность сократить длину вспомогательного опорного выступа на пластмассовом кольце и, соответственно, осевую протяженность уплотнения. Наличие фланцевой части на заднем торце пластмассового кольца над радиусом округления дополнительно снижает радиальный размер уплотнения.

На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого уплотнения с поджимным кольцом круглого сечения. На фиг.2 – вариант уплотнения с поджимным кольцом трапецеидального сечения. На фиг.3 – вариант уплотнения с пластмассовым кольцом, имеющим фланцевую часть.

Уплотнение штока 1 содержит размещенное в канавке 2 высотой h штоковой втулки 3 ГЦ поджимное резиновое кольцо 4 и пластмассовое кольцо 5 пилообразного профиля высотой S и шириной L, с вершиной зуба 6 под равнодействующей 7 упругих сил поджимного кольца. Передняя грань 8 зуба 6, обращенная к штоковой полости 9 ГЦ, имеет угол наклона к штоку =45÷90°, а задняя грань 10 выполнена прямой линией с нулевым наклоном к штоку и сопряжена с задним торцом 11 кольца дугой 12 с радиусом R=0,4÷0,6 от расстояния l между вершиной зуба 6 и задним торцем 11 кольца 5. Центр радиуса R удален от грани 10 и торца 11 на длину R этого радиуса. Перед передней гранью зуба расположен упорный выступ 13. Поджимное резиновое кольцо 4 может быть выполнено трапецеидальной формы, фиг.2, с больший основанием 14 трапеции на переднем торце, обращенном к итоговой полости 5. Пластмассовое кольцо 5 может снабжаться на заднем торце 11 фланцевой частью 15, фиг.3. В этом случае высота S пластмассового кольца 5 над зубом 6 может быть меньше радиуса R, что необходимо для снижения радиального размера h всего уплотнения. Пунктиром показан профиль поджимных резиновых колец до монтажа и обжатия в посадочной канавке. Треугольный эпюр 16 контактных давлений Р_К на задней грани 10 зуба 6 в контакте со штоком 1 создается действием упругих сил от поджимного кольца 4 круглого или трапецеидального сечения. Под действием давления Р масла в штоковой полости пластмассовое кольцо деформируется так, что дуга 12 прогибается до положения 17, а эпюр контактного давления приобретает форму линии 18.

Уплотнение работает следующим образом. При неподвижном штоке и низком давлении Р масла в штоковой полости герметичный контакт зуба пластмассового кольца со штоком создается силами упругости поджимного резинового кольца. При этом эпюр 16 контактного давления пластмассового кольца на шток имеет примерно треугольный вид, с вершиной около передней грани зуба под равнодействующей упругих сил поджимного кольца. Необходимая для герметичности величина контактного давления достигается предусмотренным в конструкции сжатием поджимного кольца в посадочном месте. Развитая вдоль штока контактная поверхность грани 10 обеспечивает надежное перекрытие микродефектов поверхности штока. С ростом давления масла в штоковой полости оно через резиновое кольцо дополнительно поджимает пластмассовое кольцо к штоку, автоматически повышая контактное давление по штоку согласно линии 18 эпюра, что исключает утечки масла. При этом поворот сечения пластмассового кольца отсутствует, т.к. без опоры на шток находится только его малая скругленная часть 12, которая из-за одинаковой осевой и радиальной протяженности равномерно деформируется до кривой 17.

При прямом ходе штока наружу из ГЦ масляная пленка увлекается им под зуб уплотнения со стороны резко нарастающего контактного давления, поэтому она хорошо соскребается зубом 6 и ее толщина минимальна. При обратном ходе штока эта пленка возвращается в штоковую полость без образования подтеков и капель на выходном конце штока до тех пор, пока давление масла не вызовет такой деформации пластмассового кольца, что его скругленная часть 16 начнет соскребать масляную пленку, препятствуя ее возврату в штоковую полость. Оптимальное соотношение между начальным радиусом скругления перехода к торцу 11 и расстоянием l от вершины зуба до торца 11 обеспечивает наилучшее сочетание насосного эффекта и устойчивости профиля пластмассового кольца.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого уплотнения по сравнению с базовым объектом, за который принят прототип, заключается в следующем:

– увеличении примерно в 1,5 раза максимального давления масла, при котором сохраняется практически полная герметичность уплотнения при движущемся штоке;

– повышении надежности работы;

– снижении чувствительности к микродефектам поверхности штока;

– обеспечении работы при высокой частоте пульсации давления масла, характерной для гидромолотов и вибраторов;

– повышении компактности профиля сечения по линейным размерам L и h более чем в 1,5 раза и соответственно по площади сечения более 2-х раз, что в свою очередь ведет к более чем 2-кратному снижению расхода материалов для элементов уплотнения и облегчению монтажа в неразъемные посадочные канавки, а также уменьшает габариты и вес ГЦ.

Формула изобретения

1. Уплотнение штока гидроцилиндра, содержащее размещенные в канавке штоковой втулки гидроцилиндра поджимное резиновое кольцо и расположенное внутри его пластмассовое кольцо пилообразного профиля, вершина зуба которого находится под равнодействующей упругих сил от поджимного кольца, причем передняя грань зуба, обращенная к штоковой полости гидроцилиндра, имеет угол наклона к штоку 45-90°, а задняя грань зуба выполнена прямой линией с меньшим, чем передняя углом наклона к штоку, отличающееся тем, что задняя грань зуба выполнена с нулевым углом наклона к штоку и сопряжена с задним торцом кольца дугой с радиусом, равным 0,4-0,8 от расстояния между вершиной зуба и задним торцом кольца.

2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что поджимное резиновое кольцо выполнено трапецеидальной формы сечения с большим основанием трапеции на переднем торце, обращенным к штоковой полости.

3. Уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем, что пластмассовое кольцо на заднем торце снабжено фланцевой частью.

РИСУНКИ