УПЛОТНЕНИЕ Российский патент 1999 года по МПК F16J15/32 

Изобретение относится к уплотнениям, разделяющим зону взаимодействия различных физических сред, относительно подвижной поверхности вала и статически замкнутого базового пространства, способствующего соосному удержанию вала относительно поворотных элементов в течение заданного периода эксплуатации.

Известен аналог-прототип FR, заявка N 2614383, кл. F 16 J 15/32, 1988 г. - (1). Известное уплотнение выполнено из корпуса с элементом жесткости армировки, который имеет оппозитные и параллельные поверхности, а сопряжение "глухого" изгиба элемента жесткости совпадает с началом сегментного окна уплотнения, при этом граница заделки тангенциального участка элемента жесткости с внутренней стороны, нерабочей стороны уплотнения, имеет криволинейный профиль упругой зоны, а уплотнительная рабочая кромка поджата браслетной пружиной.

Известен аналог, кн.: Г.А. Голубев и др. "Контактные уплотнения вращающихся валов", М. , Машиностроение. 1978, с. 85, 65, 98 /рис. 74а - (2), где соответственно известны:
- уплотнения с выполнением на их рабочей поверхности кромки наклонных рифлений, криволинейной формы и проекции на основную плоскость, что способствует возврату жидкой среды в направлении к торцу уплотнения.

- уплотнения с наружной цилиндрической поверхностью, где располагаются кольцевые пазы, выполняемые для удобства запрессовки уплотнения во втулку и др. поверхности деталей,
- условия наклона вспомогательной кромки уплотнения и выполнения ее периметра с большим, нежели у главной кромки диаметром, размер которого предназначен для обеспечения перекрытия зазора при наработке запланированного износа главной кромки уплотнения /2/.

Указанные аналоги представляют определенные достоинства известных технических решений /1, 2/.

Новое конструктивное решение несет в себе более совершенные формы исполнения уплотнений, обеспечивающие прочностные, стойкостные и триботехнические преимущества, при использовании которых решаются задачи повышения долговечности и качества уплотнений.

Технический результат достигается тем, что в уплотнении, выполненном из упругого корпуса, связанного с элементом жесткости армирования, имеющего оппозитные и параллельные поверхности, причем сопряжение "глухого" изгиба упомянутого элемента жесткости совпадает с началом сегментного окна уплотнения, а граница заделки тангенциального участка элемента армирования с внутренней стороны, нерабочей зоны уплотнения, имеет криволинейный профиль упругой зоны, одновременно уплотнительная кромка сжата браслетной пружиной, форма армирующего элемента жесткости состоит из фасонного профиля кольцевой формы, имеющего тангенциально расположенный кольцевой участок, сопрягающийся в сечении с галтельным переходом, который является продолжением цилиндро-конического профиля, при этом коническая часть армирующего элемента жесткости на границе перехода поверхностей вращения перекрывается под уклоном /в сечении уплотнения/ тонким слоем кольцевой поверхности корпусного упругого уплотнения, а напротив места изгиба, с оппозитной в сечении стороны, выполнена вершина кольцевого "трехгранного" относительно поверхности вращения профиля, при этом, относительно главной рабочей кромки уплотнения выполнены наклонные рифления, представляющие собой прямолинейный профиль в проекции на основную плоскость и криволинейный контур в секущей плоскости, проходящей по нормали через продольную ось симметрии каждого отдельного рифления.

На чертеже представлено уплотнение с радиальным разрезом изделия.

Уплотнение представляет собой комбинированный корпус, содержащий упругую основу 1, элемент жесткости армировки 2 и браслетную пружину 3. На цилиндрической периферии 4-5 расположены кольцевые выступы, которые относительно образующей цилиндра (4-5) в сечении представляют собой "трехгранные" профили рифлений 6, служащие компенсаторным размерным звеном, позволяющим надежно установить уплотнение в подшипниковом узле и за счет перераспределения упругой массы корпуса способствовать поджатию изнашиваемой в процессе работы рабочей кромки 7. Рифления 6 облегчают процесс сборки с поверхностью сопрягаемого отверстия подшипникового узла за счет несплошности запрессовываемой поверхности периферии корпуса. Рифления 6 имеют плавные скругления при вершинах, которые образуются при вулканизации резиновой смеси и соответствующей ее вылежке.

Впадины между рифлениями способствуют изменению формы "трехгранных" рифлений, превращая их в трапеции с криволинейными сторонами или в примыкающие друг к другу прямоугольные поверхности, создающие осевые и радиальные напряжения в приповерхностном слое периферийной зоны упругой основы 1.

Более высокое качество и точность изготовления уплотнения зависит от знания процесса вылежки резино-технических изделий, что гарантирует отсутствие перенапряжений в структуре материала, снижает затраты на доработку уплотнения. Так, например, после 112-часовой вылежки вулканизата 1287 напряжения по высоте уплотнения и в радиальном направлении уравновешиваются, отчего в течение 48 часов данный материал можно без колебаний использовать с максимальной эффективностью только для изготовления уплотнений данного класса.

Кроме того, качество и точность уплотнения гарантируется надежной изоляцией его элемента армировки 2 в упругой среде уплотнения, причем статический зазор нерабочей кромки 8 при сборке с поверхностью отверстия втулки до размерного зазора, приближенного к посадке движения, образуемой поверхностью вала 9 и кромкой 8.

Сегментные окна 10 являются активными "хладоагентами" разделенных сред и активным вибропоглощающим звеном рабочей и вспомогательной кромок 7 и 8 уплотнения.

Вектор результирующей нагрузки R зависит не только от кинетостатического равновесия статически закрепленной и неработающей втулки, но и от напряжений сжатия и растяжения внутри структуры упругой массы уплотнения, элемента армировки 2 и пружины 3, силы нагружения браслетной пружиной и условий хранения уплотнений после изготовления. Очевидно, что это состояние упругого элемента, изменяющего свои свойства во времени, непросто подогнать под рамки требований статического описания объекта изобретения.

Криволинейные рифления 11 являются винтовыми в пределах частной секущей плоскости, оси симметрии каждого из них. Рифления 11 выполняют специальным накатником с прямолинейной формой строения его формообразующих выступов и впадин. Именно поэтому рифления 11 качественно отличаются от прототипа /1/.

Угол отражения мелкодисперсных частиц рассчитан таким образом, что при рабочей скорости, устанавливаемой для определенного класса коленчатых валов, они возвращаются в исходное положение и циркулируют в общей массе жидкости масла или другого состава жидкости.

Окружная периферийная кромка 14 упругого тела связана с торцем 12, граничащим с внутренней полостью 13 упругого корпуса 1. В рабочем состоянии давление жидкости во внутренней полости 13 приводит периферийную зону 14 к положению вершины 15.

В отличии от прототипа /1/ канавка 16 выполнена конической, а не тороидной, что обеспечивает лучший конструктивный профиль вспомогательной рабочей кромки, образованной трапецеидальным сечением 20 и клином с поверхностями 16 и 17 с вершиной кромки 8.

Вершина 18 кольцевого рифления 6 и граница упругой зоны 19 уплотнения совмещены в радиальной секущей плоскости P_R, т.к. после запрессовки во втулку вершина 18 сжимается в радиальном направлении и передает нагружение в плоскости P_R к основанию упругой зоны 19, оставляя при постоянном нагружении конический участок элемента армировки в строну торца 12 от радиальной плоскости P_R, совмещенной с вершиной 18 рифления 6.

Элемент армировки 19 в конической и тангенциальной зонах закрыт упругим слоем вулканизируемого состава резиновой смеси. От секущей плоскости P_R до зоны запрессовки противоположного окружного изогнутого сечения элемента армировки 2 вся поверхность является открытой для обеспечения визуального контроля и эффективного теплообмена жидкости с внешней средой через массу упругого состава уплотнения и сегментные окна, перекрываемые элементом армировки.

С целью повышения эффективности работы вспомогательной кромки 8 уплотнения вершина 18 рифления 6 расположена в секущей радиальной плоскости перехода форм поверхностей вращения, что создает благоприятные дополнительные условия не только поджима вершины 8 в радиальном направлении, но и создает предпосылки к микрометрическому сжатию галтельного узла сопряжения /21 - 24/ детали 2 в направлении, уменьшающем угол между плоскостями P_к-P_к и P_о-P_о, защитное от трения триботехническое покрытие в пределах 50 - 300 мкм не только вытерпит истирание, но и распределит эту зону по плавной переходной кривой в сечении вершины 8, а это условие также справедливо и для кромки 7 и рифлений 11, чего также не обнаружено в прототипе (1).

Усилие сжатия статического нагружения от браслетной пружины вершины 7 колеблется от минимального значения P нагружения в пределах 0,5 г/мм.

Вершина 18 кольцевого рифления и граница упругой зоны уплотнения, наряду с условным консольным вылетом зоны конической поверхности элемента армировки 2 создают условие постоянного нагружения и взаимодействия с внутренней поверхностью сопрягаемой поверхности подшипникового узла и периферийной зоны 4. Участок консольного вылета элемента армировки от секущей радиальной плоскости P_R-P_R в направлении к основанию конуса дет. 2 принимает динамические нагружения мелкодисперсных частиц и помогает сохранить оголенную полость элемента армировки 2 от истирания.

Упругие зоны 10 /сегментное окно, граничащее с элементом армировки 2/ и зона 20 /канавка с трапецеидальным сечением/ позволяют произвести монтаж уплотнения за счет соответствующих сжатий формы изделия в подшипниковом гнезде, ось которого совпадает с рабочей осью коленчатого вала.

Впадина 21 кольцевого рифления 6, последнего на цилиндрической поверхности 5 в плоскости P_K /кинематической плоскости нагружения элемента армировки 2/ совпадает с точкой 22, освобождая гибкий участок для самоориентации при установке, до вступления в действие зоны сжатия от последней вершины 23 рифления 6, являющегося запирающим слоем фрикционного контактного взаимодействия уплотнения в целом.

Защита радиусного участка уплотнения и элемента армировки 2 в тангенциальном направлении в кольцевом сечении P₀-P₀ указывает на гарантированную силовую статическую нагрузку зоны (21 - 24). Торец 25 занижен относительно торца 12 на величину запланированного изменения размеров уплотнения после запрессовки и установленного срока эксплуатации или вылежки материала при хранении его в собранном виде.

Изменение размеров между поверхностями 12 и 25 может достигать размеров, связанных с упругими зонами взаимодействия уплотнения после сборки, структуры напряженного состояния.

Конструктивное решение, предложенное для защиты патентом, позволяет снизить массу вулканизата на 15% минимум, что благоприятно влияет на изменение цены на изделие в целом.

Отсутствие упругого покрытия в пределах НХ-65% на металлическом профиле элемента армировки 3 делает возможным выполнение визуального контроля годности оболочкового строения дет. 2.

В новом изделии создаются условия структурного и силового характера, обеспечивающие равнопрочность У-образных тождественных сечений: 26-27, 28-29, 30-31 /относящихся к наклонному сечению дет.1/, связанных прочным соединением с кольцевой частью элемента армировки 2.

Гарантированное замыкание рабочей кромки 7 осуществляется с помощью браслетной пружины 3, которая обеспечивает силовое замыкание соединения ее торцев.

Термическая, эстетическая и конструктивно-технологическая сторона вопроса изготовления упругого и жестких элементов (1, 2 и 3) имеет свои особенности и НХ, обладающие отдельным направлением комплексных научных исследований.

Новизна технического решения заключена в:
- форме элемента армировки, имеющего тангенциально расположенный участок кольцевой зоны, перекрываемый упругим корпусом с определенными конструктивными профилями, описанными в материалах заявленного решения,
- винтовые поверхности рифлений выполнены прямолинейно и под углом при сохранении криволинейности профиля, охватывающей коническую поверхность перед рабочей кромкой 7 изделия,
- периферийные окружные рифления рассчитаны таким образом, что их смятие при установке уплотнения в гнездо подшипника влияет на силовое нагружение не только рабочей кромки 7, но конического участка элемента армировки 2,
- перекрытие конического участка элемента армировки 2 тонким коническим слоем вулканизата способствует не только его защите от расслоения уплотнения, но и механической защите его поверхности от воздействия мелкодисперсных частиц, истирающих материал вулканизата в процессе работы изделия.

Промышленная полезность предлагаемого технического решения заключается в определенной экономии вулканизата, а строение элемента армировки создает предпосылки к более длительному использованию упругих свойств материала упругого корпуса. Кроме того, эстетические нормы восприятия изделия отличают его от аналогов отсутствием специфических запахов, а бледно-кофейный цвет внешней упругой оболочки делает его более привлекательным для потенциального потребителя, что на сегодняшний день немаловажно для конкурентоспособности изделий.

Уплотнение применяется в устройствах, разделяющих зону взаимодействия жидких сред. Уплотнение выполнено из упругого корпуса, связанного элементом жесткости армирования, имеющего оппозитные и параллельные поверхности. Сопряжение "глухого" изгиба упомянутого элемента жесткости совпадает с началом сегментного окна уплотнения. Граница заделки тангенциального участка элемента армирования с внутренней стороны, нерабочей зоны уплотнения, имеет криволинейный профиль упругой зоны, одновременно уплотнительная рабочая кромка сжата браслетной пружиной. Форма армирующего элемента жесткости состоит из фасонного профиля кольцевой формы, имеющего тангенциально расположенный кольцевой участок, сопрягающийся в сечении с галтельным переходом, который является продолжением цилиндроконического профиля. Коническая часть армирующего элемента жесткости на границе перехода поверхностей вращения перекрывается под уклоном тонким слоем кольцевой поверхности корпусного упругого уплотнения. Напротив места изгиба, с оппозитной, в сечении стороны, выполнена вершина кольцевого "трехгранного", относительно поверхности вращения, профиля, при этом относительно главной рабочей кромки уплотнения выполнены наклонные рифления, представляющие собой прямолинейный профиль в проекции на основную плоскость и криволинейный контур в секущей плоскости, проходящей по нормали через продольную ось симметрии каждого отдельного рифления. Изобретение повышает долговечность и качество уплотнения. 1 ил.

Уплотнение, выполненное из упругого корпуса, связанного элементом жесткости армирования, имеющего оппозитные и параллельные поверхности, причем сопряжение "глухого" изгиба упомянутого элемента жесткости совпадает с началом сегментного окна уплотнения, а граница заделки тангенциального участка элемента армирования с внутренней стороны, нерабочей зоны уплотнения, имеет криволинейный профиль упругой зоны, одновременно уплотнительная рабочая кромка сжата браслетной пружиной, отличающееся тем, что форма армирующего элемента жесткости состоит из фасонного профиля кольцевой формы, имеющего тангенциально расположенный кольцевой участок, сопрягающийся в сечении с галтельным переходом, который является продолжением цилиндрического профиля, при этом коническая часть армирующего элемента жесткости на границе перехода поверхностей вращения перекрывается под уклоном тонким слоем кольцевой поверхности корпусного упругого уплотнения, а напротив места изгиба с оппозитной в сечении стороны выполнена вершина кольцевого "трехгранного" относительно поверхности вращения профиля, при этом относительно главной кромки уплотнения выполнены наклонные рифления, представляющие собой прямолинейный профиль в проекции на основную плоскость и криволинейную контур в секущей плоскости, проходящей по нормали через продольную ось симметрии каждого отдельного рифления.