close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент РФ 2335680

код для вставки
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
RU
(19)
(11)
2 335 680
(13)
C1
(51) МПК
F16J 15/10
(2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
(21), (22) За вка: 2007113276/06, 09.04.2007
(72) Автор(ы):
Вод ков Владимир Николаевич (RU),
Кузнецов В чеслав Викторович (RU),
Березин Михаил Александрович (RU),
Борисов Виталий Иванович (RU)
(24) Дата начала отсчета срока действи патента:
09.04.2007
(45) Опубликовано: 10.10.2008 Бюл. № 28
Адрес дл переписки:
430000, Республика Мордови , г.Саранск, ул.
Большевистска , 68, ГОУВПО "МГУ им. Н.П.
Огарева", отдел патентов и стандартов
2 3 3 5 6 8 0
напр жений. 1 з.п. ф-лы, 17 ил.
R U
(57) Реферат:
Изобретение относитс к уплотнительной
технике. Уплотнительное соединение включает
герметизируемые детали, одна из которых
содержит кольцевую канавку пр моугольного
сечени и размещенное в ней эластичное
уплотнительное кольцо исходно круглого сечени с
объемом меньшим объема кольцевой канавки,
взаимодействующее с контрдеталью. На дне
канавки пр моугольного сечени и в контрдетали
симметрично стенкам выполнены дополнительные
кольцевые канавки с поперечным сечением в виде
сегментов
эллипса
с
большей
осью,
расположенной
перпендикул рно
стенкам
пр моугольной канавки. Изобретение повышает
ресурс уплотнительного соединени за счет
снижени скорости релаксации контактных
Страница: 1
RU
C 1
C 1
(54) УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
2 3 3 5 6 8 0
(73) Патентообладатель(и):
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образовани "Мордовский государственный университет им.
Н.П. Огарева" (RU)
R U
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: RU 2230957 C1, 20.06.2004. ГОСТ 983373. SU 1622664 A1, 23.01.1991. RU 2068138 C1,
20.10.1996. SU 456956 A, 15.01.1975. SU
1691632 A1, 15.11.1991. US 2007/0012117 A1,
18.01.2007.
RUSSIAN FEDERATION
(19)
RU
(11)
2 335 680
(13)
C1
(51) Int. Cl.
F16J 15/10
(2006.01)
FEDERAL SERVICE
FOR INTELLECTUAL PROPERTY,
PATENTS AND TRADEMARKS
(12)
ABSTRACT OF INVENTION
(21), (22) Application: 2007113276/06, 09.04.2007
(72) Inventor(s):
Vodjakov Vladimir Nikolaevich (RU),
Kuznetsov Vjacheslav Viktorovich (RU),
Berezin Mikhail Aleksandrovich (RU),
Borisov Vitalij Ivanovich (RU)
(24) Effective date for property rights: 09.04.2007
(45) Date of publication: 10.10.2008 Bull. 28
2 3 3 5 6 8 0
R U
(57) Abstract:
FIELD: mechanics.
SUBSTANCE: sealing joint incorporates sealing
components one of which contains a circular
rectangular-section
groove
accommodating
an
elastic round-section O-ring with its volume
smaller than that of the circular groove in
contact with the said O-ring. The rectangular
section groove bottom and the groove counter part
have additional circular grooves arranged in
symmetry
with
their
walls,
their
sections
representing the segments of an ellipsoid with
its
larger
axis
running
perpendicular
to
rectangular groove walls.
EFFECT: longer life of sealing joint brought
about by reduction in rate of contact strain relaxation.
Страница: 2
EN
2 cl, 17 dwg
C 1
C 1
(54) SEALING JOINT
2 3 3 5 6 8 0
(73) Proprietor(s):
Gosudarstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie
vysshego professional'nogo obrazovanija
"Mordovskij gosudarstvennyj universitet im.
N.P. Ogareva" (RU)
R U
Mail address:
430000, Respublika Mordovija, g.Saransk, ul.
Bol'shevistskaja, 68, GOUVPO "MGU im. N.P.
Ogareva", otdel patentov i standartov
RU 2 335 680 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Изобретение относитс к уплотнительной технике и может быть использовано дл герметизации соединени неподвижных деталей эластичными кольцами круглого сечени .
Известно уплотнительное соединение, включающее герметизируемые детали, одна из
которых содержит кольцевую канавку пр моугольного сечени , и размещенное в ней
эластичное уплотнительное кольцо исходно круглого сечени с объемом меньшим объема
кольцевой канавки, взаимодействующее с контрдеталью (ГОСТ 9833-73. Кольца резиновые
уплотнительные круглого сечени дл гидравлических и пневматических устройств.
Конструкци и размеры).
Недостатком такого соединени вл етс низкий ресурс эксплуатации из-за высокой
скорости релаксации контактных напр жений, обусловленной значительной
неоднородностью их распределени , создаваемой на стадии сборки соединени .
Технический результат заключаетс в повышении ресурса уплотнительного соединени за счет снижени скорости релаксации контактных напр жений.
Сущность изобретени заключаетс в том, что в уплотнительном соединении,
включающем герметизируемые детали, одна из которых содержит кольцевую канавку
пр моугольного сечени , и размещенное в ней эластичное уплотнительное кольцо исходно
круглого сечени с объемом меньшим объема кольцевой канавки, взаимодействующее с
контрдеталью, на дне канавки пр моугольного сечени и в контрдетали симметрично
стенкам выполнены дополнительные кольцевые канавки с поперечными сечени ми в виде
сегментов эллипса с большой осью, расположенной перпендикул рно стенкам
пр моугольной канавки. Геометрические размеры поперечного сечени дополнительных
канавок удовлетвор ют соотношени м:
где а и b - размеры большой и малой полуосей эллипса;
h - высота сегмента эллипса;
d - диаметр сечени уплотнительного кольца;
?=(1 - H/d) - начальна деформаци сжати сечени уплотнительного кольца;
Н - суммарна глубина пр моугольной и дополнительной канавок.
На фиг.1 показано уплотнительное соединение в рабочем состо нии; на фиг.2 уплотнительное соединение до сжати уплотнительного кольца круглого сечени ; на фиг.317 - графические материалы обосновани технического результата.
Уплотнение включает (фиг.1 и 2) герметизируемые детали 1 и 2, одна из которых
содержит кольцевую канавку пр моугольного сечени 3, и размещенное в ней эластичное
уплотнительное кольцо 4 исходного круглого сечени с объемом меньшим объема
кольцевой канавки, взаимодействующее с контрдеталью 2. На дне 5 кольцевой канавки
пр моугольного сечени 3 и в контрдетали 2 симметрично стенкам 6 и 7 выполнены
дополнительные кольцевые канавки 8 и 9 с поперечными сечени ми в виде сегментов
эллипса с большой осью 10, расположенной перпендикул рно стенкам 6 и 7 пр моугольной
канавки. Геометрические размеры поперечного сечени дополнительных канавок
удовлетвор ют соотношени м:
где а и b - размеры большой и малой полуосей эллипса;
h - высота сегмента эллипса;
d - диаметр сечени уплотнительного кольца;
?=(1 - H/d) - начальна деформаци сжати сечени уплотнительного кольца;
Н - суммарна глубина пр моугольной и дополнительной канавок.
Общепризнано (Миненков Б.В. Прочность деталей из пластмасс / Б.В.Миненков,
И.В.Стасенко. М.: Машиностроение. 1977, с.55), что гидростатическое напр жение в
широком диапазоне времен и скоростей нагружени полимеров вл етс функцией только
объемной деформации. Дл непористых полимеров объемна деформаци вл етс чисто
Страница: 3
DE
RU 2 335 680 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
упругой, поскольку ее реализаци предполагает изменение межатомных рассто ний.
Эластомеры относ т к слабосжимаемым в зкоупругим средам с модулем сдвига более чем
в 1000 раз меньшим модул объемного сжати , имеющего пор док 10 3 МПа (Черных К.Ф.
Теори больших упругих деформаций / К.Ф.Черных, З.Н.Литвиненкова. Л.: Изд-во ЛГУ.
1988, с.85). В св зи с этим в механике эластомеров определ ющие уравнени ,
отражающие зависимость напр жений от деформаций и скоростей деформаций,
формулируют с раздельным описанием деформаций формы и объема, причем реакци на
деформацию формоизменени полагаетс в зкоупругой, а на деформацию изменени объема - чисто упругой. Данные факты позвол ют использовать услови объемного
деформировани дл повышени ресурса уплотнительных соединений при
соответствующем изменении конфигурации посадочного места в уплотн емых детал х.
Очевидно, что дл неподвижных кольцевых уплотнителей круглого сечени идеальным
посадочным гнездом вилось бы гнездо, образованное двум симметричными канавками в
уплотн емых детал х с поперечным сечением в виде круга с диаметром на 0,05-0,1%
меньшим диаметра поперечного сечени кольца. При монтаже уплотнител в гнездо
обеспечивались бы услови , близкие к объемному сжатию, с величиной гидростатических
напр жений пор дка 2-3 МПа. Такое уплотнительное соединение ввиду существенного
преобладани однородных гидростатических напр жений над напр жени ми
формоизменени и незначительной скорости релаксации напр жений в уплотнителе имело
бы ресурс эксплуатации, ограниченный только длительностью разложени эластомера от
агрессивного воздействи температуры и рабочей жидкости в гидросистеме.
В то же врем наличие предельных отклонений диаметра поперечного сечени уплотнител (обычно ± (3...4) % от номинального значени ) не позвол ет реализовать на
практике эту идею. В случае применени уплотнител , выполненного с верхним
предельным размером, часть массива будет разрушатьс из-за выдавливани в зазор
между уплотн емыми детал ми. При использовании уплотнител с нижним предельным
отклонением невозможно создать контактные напр жени и тем самым обеспечить
герметичность соединени . При этом следует учитывать также увеличение объема
уплотнител из-за набухани в рабочей жидкости и наличие предельных отклонений
посадочных мест в уплотн емых детал х.
Реальным способом устранени данного противоречи вл етс повышение доли
гидростатических напр жений только в локальных област х массива уплотнител ,
примыкающих к поверхност м контакта, что достигаетс в предлагаемой конструкции. При
этом создание начальных контактных напр жений обеспечиваетс сжатием сечени уплотнител на 20-25% в соответствии с требовани ми ГОСТа 9833-73.
Если прин ть, что деформирование уплотнител при создании начальных контактных
напр жений св зано из-за слабой сжимаемости эластомера только с изменением формы
его поперечного сечени , то при образовании контактных поверхностей только в области
дополнительных канавок в рамках прин тых обозначений справедливы следующие
соотношени :
S=?d 2/4=?ab; отсюда
поскольку b=(1-?)d/2,
где S - площадь поперечного сечени эллиптического тора, форму которого принимает
уплотнительное кольцо при образовании контактных поверхностей в дополнительных
канавках.
В цел х обеспечени необходимого свободного объема в посадочном гнезде дл компенсации вышеотмеченной размерной неточности и набухани уплотнител целесообразно глубину дополнительной канавки h прив зать к фокальному параметру
эллипса р:
р=b2/a; тогда h=b-р=b(1-b/a).
Страница: 4
RU 2 335 680 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
При этом, кроме того, по сравнению с известным решением увеличиваетс почти в 2
раза площадь поверхности контакта уплотнител с уплотн емыми детал ми, что
увеличивает гидродинамическое сопротивление микроканалов, возникающих на
определенной стадии эксплуатации соединени (Березин М.А. Прогнозирование ресурса
гидросистем сельскохоз йственной техники / М.А.Березин, В.В.Кузнецов, В.Н.Вод ков //
Тракторы и сельскохоз йственные машины. 2006. №10. С.36-414), снижа тем самым
утечки рабочей жидкости.
Дл обосновани возможности достижени за вленной цели была выполнена сери расчетов на ЭВМ при помощи разработанной программы моделировани процессов
нагружени уплотнительных соединений, базирующейс на методе конечных элементов.
Описание математической модели и принципов построени программы дл ЭВМ
представлено в работах (Березин М.А. Прогнозирование ресурса гидросистем
сельскохоз йственной техники / М.А.Березин, В.В.Кузнецов, В.Н.Вод ков // Тракторы и
сельскохоз йственные машины. 2006. № 10. С.36-41; Вод ков В.Н. Математическое
моделирование процессов формовани и нагружени эластомерных уплотнителей
автотракторной техники / В.Н.Вод ков. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005, 216 с.).
Расчеты проведены дл уплотнительного кольца с номинальным диаметром круглого
сечени 3 мм из эластомера шифра 7-В-14-1. Физико-механические константы эластомера
прин ты по работе (Березин М.А. Прогнозирование ресурса гидросистем
сельскохоз йственной техники / М.А.Березин, В.В.Кузнецов, В.Н.Вод ков // Тракторы и
сельскохоз йственные машины. 2006. №10. С.36-41) дл условий старени в среде
минерального масла И-20А. Массив уплотнител во всех вариантах был разбит на 2000
конечных элементов, что обеспечило достаточную точность вычислений.
В качестве объекта дл сравнени получаемых результатов было использовано
известное уплотнительное соединение с размерами, рекомендуемыми ГОСТ 9833-73.
Рассчитанные конечно-элементные конфигурации известного уплотнительного соединени до и после сжати уплотнител на 20% представлены на фиг.3 и 4.
При численном исследовании размер b=1,2 мм задавалс посто нным, отвечающим
рекомендуемым значени м сжати уплотнителей ?=20% согласно ГОСТ 9833-73 дл большинства соединений подобного типа, при вариации размера большой полуоси а и
высоты h.
Рассчитанные конечно-элементные конфигурации за вленного уплотнительного
соединени с полным заполнением объема дополнительной канавки при а=1,875 мм, b=1,2
мм, h=0,43 мм до и после сжати уплотнител на 20% представлены на фиг.5 и 6.
При уменьшении глубины дополнительной канавки имеет место выдавливание части
массива уплотнител в канавку пр моугольного сечени . При этом контактна поверхность
образуетс как в дополнительной канавке, так и в канавке пр моугольного сечени (фиг.7: а=1,875 мм, b=1,2 мм, h=0,2 мм). При увеличении размера большой полуоси
эллипса имеет место неполное заполнение объема дополнительной канавки (фиг.8: а=3
мм, b=1,2 мм, h=0,43 мм).
На фиг.9 представлены графики распределени начальных контактных напр жений по
полуширине контакта дл известного (крива 1, фиг.4) и за вленного решени (крива 2,
фиг.6). Из анализа характера кривых следует, что выполнение в уплотн емых детал х
дополнительных канавок с поперечным сечением в виде сегмента эллипса повышает
однородность распределени начальных контактных напр жений. На фиг.10 представлены
аналогичные графики по истечении 10000 часов эксплуатации при температуре 80°С дл известного (крива 1, фиг.4) и за вленного решени (крива 2, фиг.6). Как следует из
кривых, наличие дополнительной канавки обеспечивает более высокий уровень контактных
напр жений по истечении указанного времени эксплуатации, что объ сн етс повышением
доли нерелаксирующих гидростатических напр жений в област х массива уплотнител ,
располагающихс в дополнительных канавках.
На фиг.11 представлены графики релаксации среднеинтегральных контактных
дл известного (крива 1, фиг.4) и за вленного решени (крива 2,
напр жений
Страница: 5
RU 2 335 680 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
фиг.6). Из кривых следует, что за вленное решение обеспечивает существенно более
низкую скорость релаксации контактных напр жений, что обусловлено вышеупом нутым
изменением соотношени гидростатических и девиаторных компонент тензора напр жений
в област х массива уплотнител , располагающихс в дополнительных канавках.
Предельно допустимым уровнем снижени среднеинтегральных контактных напр жений,
при котором уплотнитель сохран ет способность к самоуплотнению, а тем самым и
(Аврущенко Б.Х.
герметизации соединени , прин то считать
Резиновые уплотнители / Б.Х.Аврущенко. Л.: Хими . 1978, с.65). Исход из этого, можно
сделать очевидный вывод, что за вленное решение обеспечивает существенно более
высокий ресурс эксплуатации по сравнению с известной конструкцией.
На фиг.12 представлены результаты исследовани вли ни кривизны дополнительной
канавки, определ емой размером большой полуоси эллипса, при размере малой полуоси
b=1,2 мм=const и глубине h=0,43 мм=const на скорость изменени относительной величины
при температуре 80°С (
среднеинтегральных контактных напр жений
среднеинтегральна величина начальных контактных напр жений). Обозначение кривых:
1 - а=1,8 мм; 2 - а=1,84 мм; 3 - а=1,875 мм; 4 - а=1,956 мм; 5 - а=2,135 мм; 6 известное решение с канавкой пр моугольного сечени .
Неэквидистантность кривых вл етс доказательством того, что с ростом кривизны
дополнительной канавки возрастает дол гидростатических напр жений в област х
массива, располагающихс в дополнительных канавках, и соответственно снижаетс скорость релаксации контактных напр жений.
На фиг.13 представлены результаты исследовани вли ни глубины дополнительной
канавки h при b=1,2 мм=const на величину среднеинтегральных контактных напр жений
через 10000 часов эксплуатации при температуре 80°С: 1 - а=1,8 мм; 2 - а=1,84 мм; 3 а=1,875 мм; 4 - а=1,956 мм; 5 - а=2,155 мм.
При глубине дополнительной канавки меньшей значени , отвечающего выходу
среднеинтегральных контактных напр жений на асимптотические значени (кривые 3-5),
имеет место выдавливание части массива уплотнител в канавку пр моугольного сечени с образованием в ней поверхностей контакта (фиг.7). При этом величина напр жений
относительно мала. Наибольшие значени контактных напр жений обеспечиваютс в
пределах указанной группы кривых дл за вленного решени (крива 3) с равенством
объемов уплотнительного кольца и эллиптического тора, сегменты которого образуют
объемы дополнительных канавок.
Если объем уплотнительного кольца превышает объем эллиптического тора (кривые 12), то при любой глубине канавки имеет место выдавливание части массива уплотнител в
канавку пр моугольного сечени с образованием поверхностей контакта (фиг.14). Однако
в отличие от рассмотренных выше случаев здесь имеет место весьма резкий рост
среднеинтегральных контактных напр жений с ростом глубины канавки, сопровождаемый
перенапр жением массива уплотнител в област х стыка дополнительных канавок с
канавкой пр моугольного сечени . Несмотр на большую величину контактных
напр жений, такое соединение обеспечивает, тем не менее, более низкий ресурс по
сравнению с за вленным решением из-за меньшего значени площади поверхности
контакта.
На фиг.16 показана дл исследованных случаев рассчитанна зависимость изменени относительной площади контакта А/А0 с течением времени эксплуатации соединени (А0 площадь контакта деталей и уплотнител после монтажа последнего в соединение, А площадь контакта деталей и уплотнител с течением времени tэ эксплуатации
соединени ). Из полученных результатов следует, что с течением времени эксплуатации
из-за протекани релаксационных процессов на части контактной поверхности,
отличающейс большей величиной контактных напр жений, происходит смена их знака и,
как следствие, отрыв локальных участков поверхности уплотнител от поверхности
Страница: 6
RU 2 335 680 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
контртела с образованием микрополостей и снижением общей площади контакта
уплотнител . Ресурс соединени при этом будет определ тьс началом проникновени рабочей жидкости в микрополости, поскольку ее расклинивающее воздействие приводит к
сли нию микроканалов, полному отрыву поверхности уплотнител от поверхности
контртела и, как следствие, ликвидации способности соединени к самоуплотнению. На
фиг.15 в качестве примера показан рассчитанный фрагмент контактной зоны дл соединени 1 (а=1,8 мм) при tэ=7500 часов. На фиг.17 показана зависимость площади
контакта уплотнител и уплотн емых деталей от размера большой полуоси эллипса по
окончании стадии монтажа (крива 1) и через 10000 часов эксплуатации соединени (крива 2).
Можно сделать вывод, что наибольшие значени площади контакта как после монтажа
уплотнител , так и через 10000 часов эксплуатации обеспечивает за вленное решение.
Уплотнительное соединение работает следующим образом.
При монтаже эластичное кольцо 4 упруго деформируетс , заполн только объем
дополнительных кольцевых канавок 8 и 9 в детал х 1 и 2. При этом выдавливание части
массива кольца в канавку пр моугольного сечени 3 отсутствует, что обеспечиваетс соответствующим выбором размеров дополнительных канавки 8 и 9 по указанным
формулам. Начальна деформаци , определ ема суммарной глубиной канавки
пр моугольного сечени 3 и дополнительных канавок 8 и 9 и диаметром сечени эластичного кольца 4, обеспечивает требуемое значение начального контактного
напр жени между эластичным кольцом 4 и детал ми 1 и 2.
Достигнутое при монтаже значение контактного напр жени в процессе эксплуатации
непрерывно снижаетс , достига критического значени , при котором тер етс способность соединени к самоуплотнению, и происходит его разгерметизаци . В
предлагаемом уплотнительном соединении с дополнительными кольцевыми канавками 8 и
9, имеющими в поперечном сечении форму сегмента эллипса, релаксаци контактных
напр жений происходит с существенно меньшей скоростью, что вызвано повышением доли
нерелаксирующих гидростатических напр жений в област х массива уплотнител ,
располагающихс в дополнительных канавках.
Таким образом, предлагаемое уплотнительное соединение обеспечивает повышение
ресурса эксплуатации за счет существенного снижени скорости релаксации контактных
напр жений.
Формула изобретени 1. Уплотнительное соединение, включающее герметизируемые детали, одна из которых
содержит кольцевую канавку пр моугольного сечени и размещенное в ней эластичное
уплотнительное кольцо исходно круглого сечени с объемом меньшим объема кольцевой
канавки, взаимодействующее с контрдеталью, отличающеес тем, что на дне канавки
пр моугольного сечени и в контрдетали симметрично стенкам выполнены
дополнительные кольцевые канавки с поперечным сечением в виде сегментов эллипса с
большей осью, расположенной перпендикул рно стенкам пр моугольной канавки.
2. Уплотнительное соединение по п.1, отличающеес тем, что геометрические размеры
поперечного сечени дополнительных канавок удовлетвор ют соотношени м
45
50
где а и b - больша и мала полуоси эллипса;
h - высота сегмента эллипса;
d - диаметр сечени уплотнительного кольца;
?=(1-H/d) - начальна деформаци сжати сечени уплотнительного кольца;
H - суммарна глубина пр моугольной и дополнительной канавок.
Страница: 7
CL
RU 2 335 680 C1
Страница: 8
DR
RU 2 335 680 C1
Страница: 9
RU 2 335 680 C1
Страница: 10
RU 2 335 680 C1
Страница: 11
RU 2 335 680 C1
Страница: 12
RU 2 335 680 C1
Страница: 13
RU 2 335 680 C1
Страница: 14
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 144 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа