Поршень качения

(12) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Закрытое акционерное общество Золотой талер и К(73) Патентообладатель Закрытое акционерное общество Золотой талер и К(57) Поршень для перекрытия поперечного сечения цилиндрического объема с формой замкнутой направляющей, соответствующей форме замкнутой направляющей поршня, содержащий цилиндрический корпус,параллельно основаниям которого выполнена по крайней мере одна канавка с неизменной формой сечения по всей длине направляющей, в которую без деформации растяжения уложен эластичный тор, обжатый внутренней поверхностью цилиндрического объема и поверхностью упомянутой канавки поршня, отличающийся тем, что величина коэффициента трения скольжения эластичного тора по внутренней поверхности цилиндрического объема превосходит величину коэффициента трения скольжения тора по поверхности канавки настолько, что момент пары трения качения, образующийся при движении поршня и равномерно распределенный по площади обжатия эластичного тора внутренней поверхностью цилиндрического объема,всегда меньше равномерно распределенного по всей длине эластичного тора момента пары сил, образованного силой, приложенной к корпусу поршня, и силой трения скольжения эластичного тора по внутренней поверхности цилиндрического объема. Фиг. 1 Полезная модель относится к конструкции поршня, предназначенного для перекрытия поперечного сечения цилиндрического объема и возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси последнего. Поршень предназначен для использования в объемных приводах возвратно-поступательного действия, в гидравлических и пневматических цилиндрах, гидропневматических аккумуляторах и амортизаторах как 270 элемент передачи механической энергии, а также в качестве разделителя холодных и горячих газовых и/или жидких сред. В практике машиностроения широко известны поршни с одной или несколькими канавками, в которые уложены эластичные уплотнительные кольца, обжатые внутренней поверхностью цилиндра при нахождении поршня в его полости 1, 2. Основной недостаток известных конструкций поршней - это скольжение уплотнительных колец по внутренней поверхности цилиндра, их деформация, увеличение давления обжатия в процессе перемещения поршня и, как следствие, значительные энергетические потери. Скольжение уплотнительных колец обусловливает жесткие требования к шероховатости и твердости внутренней поверхности цилиндров, к технологии их изготовления (овальность, прямолинейность, длина), предполагает наличие смазывающей среды, ограничивает эксплуатационную надежность по износу и герметичности уплотнительных колец. Наиболее близким аналогом предлагаемого поршня является поршень, содержащий цилиндрический корпус с двумя параллельными основаниями, ограниченными замкнутой кривой, называемой в элементарной геометрии направляющей, которая соответствует по форме направляющей цилиндра, для герметичного перекрытия поперечного сечения полости которого предназначен поршень. Параллельно основаниям поршня выполнена канавка с неизменной формой поперечного сечения, в которую без деформации растяжения уложено эластичное уплотнительное кольцо в виде тора (называемое в дальнейшем тором), обжатое внутренней поверхностью цилиндра (прототип) 3. Эта конструкция поршня отличается от аналогов тем, что ее уплотнительное кольцо выполнено в виде тора. Но поскольку в прототипе тор скользит по внутренней поверхности цилиндра, то этот поршень повторяет недостатки приведенных аналогов 1, 2, а именно увеличение давления обжатия торового кольца при движении поршня и, как следствие, значительные энергетические потери, жесткие требования к шероховатости и твердости внутренней поверхности цилиндров, к технологии их изготовления (овальность, прямолинейность, длина), необходимость смазывающей среды, интенсивный износ и возможность невосстанавливаемых деформаций уплотнительных колец с ухудшением герметичности. Задачей данной полезной модели является полное устранение скольжения торообразных эластичных поршневых колец (торов) по внутренней поверхности цилиндра путем обеспечения их качения (перекатывания) по упомянутой поверхности. Техническим результатом решения поставленной задачи является повышение коэффициента полезного действия поршневых систем и существенное улучшение их герметичности, снижение требований к чистоте обработки и твердости внутренней поверхности цилиндров, к технологии их изготовления (овальность, прямолинейность, длина). Техническим результатом является также возможность работы поршня без применения смазывающих сред и значительное уменьшение износа торообразных эластичных поршневых колец. Для достижения указанных технических результатов используется поршень для герметичного перекрытия поперечного сечения полости цилиндра, содержащий цилиндрический корпус с основаниями, ограниченными замкнутой кривой, называемой в элементарной геометрии направляющей. Параллельно основаниям поршня выполнена канавка с неизменной формой поперечного сечения, в которую без деформации растяжения уложено эластичное уплотнительное кольцо в виде тора (называемое в дальнейшем тором). Тор выступает из канавки на величину обжатия внутренней поверхностью цилиндра и гарантированного зазора между боковой поверхностью поршня и внутренней поверхностью цилиндра. В соответствии с данной полезной моделью коэффициент трения скольжения тора по внутренней поверхности цилиндра больше коэффициента трения скольжения тора по поверхности канавки поршня настолько, что момент пары трения качения, равномерно распределенный по площади обжатия эластичного тора внутренней поверхностью цилиндра, образующийся при движении поршня, всегда меньше равномерно распределенного по длине тора момента пары сил, образованного силой, приложенной к корпусу поршня, и силой трения скольжения тора по внутренней поверхности цилиндра. Достижению приведенных отличительных параметров данной полезной модели содействует прежде всего упомянутое существенное снижение требований к шероховатости внутренней поверхности цилиндра. Другими средствами достижения отличительных параметров могут быть ужесточение требований к шероховатости поверхности канавки поршня и соответствие ее профиля профилю обжатого цилиндрического тора. На фиг. 1 изображен общий вид поршня, размещенного в цилиндре (разрез вдоль оси цилиндра) на фиг. 2 - корпус поршня без эластичного тора на фиг. 3, 4, 5 - варианты конфигурации оснований поршня,ограниченные замкнутыми линиями, которые в элементарной геометрии называются направляющими фиг. 3 - окружность, фиг. 4 - овал, фиг. 5 - произвольная замкнутая кривая линия на фиг. 6 - узелна фиг. 1 со схематичным изображением векторов сил моментов, обусловливающих достижение технического результата. Поршень 1 содержит корпус 2, ограниченный по торцам основаниями 3 и 4. Конструкция поршня может быть штоковой или бесштоковой. В плоскости, перпендикулярной продольной оси 5, корпус 2 опоясан по крайней мере одной канавкой 6 (фиг. 2) с неизменной формой поперечного сечения. В канавке 6 размещен 2(без деформации растяжения) эластичный тор 7, выполненный из эластика, например из твердой резины. При этом поверхность канавки 6 имеет высокую чистоту поверхности (12 - 13 класс шероховатости) и может быть покрыта слоем антифрикционного (самосмазывающегося) материала 8, например фторопласта. Поршень 1 предназначен для перекрытия поперечного сечения полости цилиндра 9, внутренняя (рабочая) поверхность которого обозначена цифрой 10. Цилиндр 9 представляет собой полое цилиндрическое тело, имеющее,предпочтительно, форму прямого кругового цилиндра с основаниями, ограниченными окружностями (фиг. 3), хотя основания цилиндра и его полость могут быть ограничены овалом 13 (фиг. 4) или любой другой замкнутой кривой линией 14 (фиг. 5), называемой в элементарной геометрии направляющей цилиндрической поверхности, и это не скажется на работоспособности предлагаемого поршня 1 при условии, что конфигурация его направляющей 11 соответствует конфигурации направляющей 12, ограничивающей полость цилиндра 9. Для уплотняющего сопряжения поршня 1 с поверхностью 10 цилиндра 9 тор 7 выступает из канавки 6 за пределы наружного диаметра поршня на величину обжатия тора 7 поверхностью 10 в сумме с величиной зазора между поршнем 1 и поверхностью 10. Предпочтительной формой профиля поперечного сечения канавки 6 является кривая линия, близкая по конфигурации к профилю поперечного сечения тора 7 после его обжатия цилиндром 9 (это овал, близкий к окружности). Площадь поперечного сечения канавки 6 должна соответствовать площади поперечного сечения обжатого тора 7, поскольку эластик (в частном случае резина), из которого изготовлен тор 7, является практически несжимаемым. Особенностями данной конструкции по сравнению с аналогами являются а) существенно сниженные требования к чистоте внутренней поверхности 10 цилиндров б) повышенные требования к антифрикционным свойствам поверхности канавки 6 поршня, несущей эластичный тор, при высоких требованиях к чистоте поверхности этой канавки в) увеличенная по сравнению с аналогами твердость материала эластика, из которого изготовлен тор 7. Перечисленные особенности конструкции поршня 1 обеспечивают ему существенные отличия, указанные в формуле полезной модели и соответствующем разделе описания полезной модели, а также графически поясненные на фиг. 6, где стрелкой А указано направление перемещения поршня, при котором появляются сила 1 - равномерно распределенная по всей длине эластичного тора, то есть сила перемещения, приложенная к поршню- сила трения скольжения эластичного тора по внутренней поверхности цилиндрического объема, который (тор) катится по упомянутой поверхности при условии, что его коэффициент трения скольжения по внутренней поверхности канавки поршня меньше, чем его же коэффициент трения скольжения по внутренней поверхности цилиндрического объема- реакция сил обжатия эластичного тора внутренней поверхностью цилиндрического объема и поверхностью канавки поршня- плечо момента пары сили 1 к - коэффициент трения качения (плечо момента пары трения качения, образованного реакциейи плечом к ). Работает поршень следующим образом. Если в цилиндре 9 на поршень 1 со стороны, например, его основания 4 будет действовать повышенное давление жидкости или газа или механическая сила, то (при обеспечении отличительных параметров данной полезной модели) движение поршня будет сопровождаться обкатыванием тором 7 поверхности 10 цилиндра. Поверхность канавки 6 при этом будет выполнять функцию герметичного подшипника скольжения, в котором будет вращаться тор 7. При изменении силы, действующей на поршень 1, на обратную поршень 1 будет двигаться в обратном направлении и тор 7 будет также вращаться в обратном направлении, обкатывая поверхность 10 цилиндра 9 и вращаясь в канавке 6. Учитывая, что тор 7 имеет обязательное и существенное предварительное обжатие между поверхностью 10 цилиндра и поверхностью канавки 6, поперечное сечение полости цилиндра 9 будет надежно перекрыто,износ тора 7 будет меньшим, чем у аналогов со скользящим по поверхности цилиндра уплотнительным кольцом, а требования к чистоте обработки (шероховатости) цилиндра должны быть существенно снижены(например, с 12-13 класса шероховатости до 5-6 класса по ГОСТ 2789-73). Кроме того, соблюдение в конструкции предложенных параметров обеспечит длительную работоспособность устройства в несмазывающей среде. Технология изготовления и сборки поршня не отличается от традиционной. Применимость поршня аналогична применимости поршней-аналогов с существенными преимуществами при использовании его в длинномерных цилиндрах, в которых трудно обеспечить высокое качество обработки, например в длинномерных конструкциях гидропневматических аккумуляторов, в том числе при их работе с горячими средами, или при использовании поршня в качестве разделителя сред в трубопроводах. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4