ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к торцовым уплотнениям, герметизирующим вращающиеся валы в корпусах аппаратов, машин, механизмов, содержащих рабочую среду под давлением, в частности изобретение касается конструкции пары трения и способа изготовления элементов пары трения торцового уплотнения.

Известны торцовые уплотнения, в которых пара трения состоит из двух колец из износостойких материалов с плоскими кольцевыми поверхностями (шероховатостью Ra = 0,08...0,16 мкм), контактирующими друг с другом выступами микронеровностей, при этом герметичность пары трения зависит от площади контакта микронеровностей и величины зазора в паре трения. При работе уплотнения вследствие приработки, силовых деформаций, нагрева и изнашивания исходные плоские поверхности меняют форму и теряют герметичный контакт, в частности контактирующие рабочие поверхности имеют тенденцию к износу вблизи внутренней и наружной границ плоской кольцевой области контакта колец (где контактные давления резко возрастают в угловых точках, способствуя повышенному износу соприкасающихся поверхностей), что приводит к выходу из строя и необходимости перемонтажа аппарата для замены уплотнения (1).

Известно торцовое уплотнение, используемое в насосах, перекачивающих химически активные и абразивные жидкости, в котором каждое кольцо, образующее трущуюся пару, включает участки различной износостойкости, для чего каждое кольцо составляют из двух коаксиально устанавливаемых и жестко соединяемых между собой колец, наружного металлического и внутреннего, изготовленного из износостойкого керамического или другого материала. Данное торцовое уплотнение износостойко и сохраняет работоспособность длительное время при обеспечении идеальных условий работы (2).

Однако недостатком известного уплотнения является неравномерность распределения контактных давлений по ширине контакта, их концентрация в зонах выхода из контакта. Такое распределение контактных давлений приводит к необходимости изготовления деталей с трущимися поверхностями из дорогих высокотвердых материалов, а также преждевременному износу и разрушению деталей, как в процессе работы, так и при монтаже.

Задачей изобретения является увеличение долговечности (ресурса) работы пары трения торцового уплотнения и, соответственно, снижение эксплуатационных затрат на перемонтаж оборудования для замены уплотнения. Задачей изобретения является также разработка простого способа изготовления долговечной пары трения торцового уплотнения.

Поставленная задача решается тем, что в торцовом уплотнении, содержащем пару трения, в которой рабочая торцевая поверхность ее элементов включает участки различной износостойкости, такие участки выполнены на поверхности хотя бы одного из элементов пары трения в виде системы чередующихся в радиальном направлении концентрических кольцевых замкнутых участков (дорожек), имеющих различную твердость материала, при этом кольцевые участки с более высокой твердостью материала представляют собой закаленные или легированные участки.

Способ изготовления предлагаемого торцового уплотнения, включающий формирование рабочей торцевой поверхности элементов пары трения из участков различной износостойкости, заключается в том, что на рабочей торцевой поверхности хотя бы одного из элементов пары трения образуют систему кольцевых участков с более высокой твердостью материала по сравнению с твердостью основного материала элемента, путем закаливания этих участков или легирования с помощью непрерывного лазерного излучения.

Технический результат предлагаемого конструктивного исполнения торцового уплотнения выражается в повышении долговечности (ресурса) работы пары трения и уплотнения в целом, за счет создания системы износостойких участков на рабочей поверхности и получения в процессе эксплуатации резервных пиков контактного давления в паре трения, обеспечивающих герметичность соприкасающихся торцевых поверхностей в течение длительного периода времени работы уплотнения. Повышение долговечности (ресурса) работы уплотнения обеспечивается также простотой конструкции элементов пары трения (не содержащих сборных частей и дополнительных связей) и их изготовлением предлагаемым способом.

На чертеже показано торцовое уплотнение вращающегося вала (например, компрессора высокого давления), пара трения которого изготовлена предлагаемым способом и по предлагаемому конструктивному решению.

Торцовое уплотнение содержит корпус высокого давления 1 с установленной в его отверстии ввода вала упорной металлической втулкой 2, являющейся неподвижным элементом пары трения торцового уплотнения. На рабочей торцевой плоской поверхности втулки имеется ряд (не менее двух) кольцевых участков (дорожек) 3, твердость материала которых выше твердости основного материала втулки, таким образом, на рабочей трущейся поверхности образована система концентрических кольцевых участков повышенной и пониженной твердости, чередующихся в радиальном направлении. Торцовое уплотнение содержит кольцевой герметизирующий элемент 4, расположенный между корпусом 1 и втулкой 2, а также фиксирующий элемент 5, препятствующий вращению втулки 2 относительно корпуса 1. На уплотняемом валу 6 предусмотрены упорный выступ 7, выполняющий функцию подвижного (вращающегося) элемента пары трения торцового уплотнения, в рабочем положении упорный выступ 7 соприкасается своим плоским торцем с плоской торцевой поверхностью упорной втулки 2, образуя при этом герметичное подвижное соединение. Вал 6 удерживается в рабочем поджатом положении прижимным устройством 8, например пружиной.

Торцовое уплотнение работает следующим образом. Под действием пружины 8 упорный выступ 7 вала торцевой поверхностью соприкасается с торцевой поверхностью втулки 2, деформируя ее, при этом в паре трения возникает контактное давление. При вращении упорного выступа 7 на входной кромке участка трения втулки 2 и выступа 7 контактные давления резко возрастают по сравнению с контактным давлением этой кольцевой области (что соответствует известному в механике деформируемого тела свойству контактного давления, когда на поверхности контактного взаимодействия имеется угловая точка одного из контактирующих тел). Возникающий пик контактного давления является барьером на пути истечения рабочей среды уплотняемого аппарата и определяет герметичность данного подвижного соединения. В процессе эксплуатации уплотнения эти же пики контактного давления способствуют повышенному износу соприкасающихся поверхностей торца выступа 7 и торца втулки 2 вблизи угловых точек контакта, аналогичные пики контактного давления поочередно возникают вблизи кольцевых участков 3, имеющих твердость, более высокую, чем твердость основного материала упорной втулки. Таким образом, наличие на контактной поверхности системы кольцевых участков с повышенной твердостью резервирует пики контактного давления или барьеры, препятствующие истечению рабочей среды уплотняемого аппарата, и способствует увеличению ресурса работоспособности пары трения и торцового уплотнения в целом. Описанная выше система кольцевых участков с повышенной твердостью материала может быть также выполнена на торцевой поверхности вращающегося элемента пары трения, т. е. на втулке 7 в описываемом примере.

Кольцевые участки повышенной твердости на торцевой поверхности втулки 2 выполняют закаливанием этих участков с помощью непрерывного лазерного излучения или легированием с использованием лазерного излучения.

ЛИТЕРАТУРА
1. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник, под редакцией А.И. Голубева и Л.А. Кондратьева, Москва, "Машиностроение", 1986 г, стр. 246-248.

2. Заявка РФ на изобретение N92005101, МПК (6) F 16 J 15/54, опубл. в Официальном Бюллетене "Изобретения" N 15, 1995 г., стр. 25.

Изобретение предназначено для пар трения торцовых уплотнений. Изобретение позволит увеличить долговечность (ресурс) работы пары трения и уплотнения в целом, а также упростить конструкцию и изготовление элементов пары трения. Торцовое уплотнение содержит пару трения из вращающегося и невращающегося элементов, контактирующих друг с другом торцевыми поверхностями, одна из которых имеет участки различной износостойкости, которые, в свою очередь, представляют собой систему чередующихся в радиальном направлении концентрических кольцевых участков (дорожек) повышенной и пониженной твердости, при этом участки с более высокой твердостью материала представляют собой закаленные или легированные участки торцевой поверхности, полученные с помощью лазерного излучения. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Торцовое уплотнение, содержащее пару трения из вращающегося и невращающегося элементов, контактирующих друг с другом торцевыми поверхностями, одна из которых имеет участки различной износостойкости, отличающееся тем, что участки различной износостойкости выполнены в виде системы чередующихся в радиальном направлении концентрических кольцевых участков (дорожек) повышенной и пониженной твердости, при этом участки с более высокой твердостью материала представляют собой закаленные или легированные участки торцевой поверхности элемента пары трения. 2. Торцовое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что на рабочей поверхности неподвижного элемента пары трения имеется, как минимум, два концентрично расположенных кольцевых участка, твердость материала которых выше твердости материала элемента. 3. Способ изготовления торцового уплотнения, включающий формирование на торцевой поверхности элементов пары трения участков различной износостойкости, отличающийся тем, что на рабочей поверхности хотя бы одного из элементов пары трения создают концентрично расположенные кольцевые участки повышенной твердости, например, путем закаливания этих кольцевых участков с помощью непрерывного лазерного излучения.