ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ Российский патент 2000 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к уплотнительной технике, а именно к торцовым уплотнениям, и может быть использовано для герметизации вращающихся валов механизмов с высоким давлением уплотняемой жидкости.

Известны уплотнения вращающихся валов, в которых уплотняющий подвижный контакт образован взаимодействующими по уплотнительному пояску вращающимся и неподвижным элементами, по меньшей мере один из которых состоит из опорного кольца, взаимодействующего в радиальном направлении через вторичное уплотнение с корпусом, и антифрикционного кольца, контактирующего с опорным кольцом в осевом направлении (SU, авторское свидетельство, 176471, F 16 J 15/34, 1964).

Наиболее близким техническим решением является конструкция уплотнения, у которого контакт антифрикционного кольца в осевом направлении с опорным кольцом осуществляется по кольцевому пояску, расположенному в диаметральных пределах входной кромки уплотнительного пояска и линии вторичного уплотнения, причем его передняя кромка образована диаметральной стороной кольцевой канавки, в которой расположено уплотнительное кольцо (SU, авторское свидетельство, 542869, F 16 J 15/34, 1974). Такая конструкция уплотнения вращающегося вала в значительной степени повышает надежность его работы в условиях высокого и переменного давления и больших колебаниях температуры уплотняемой жидкости. Благодаря контакту между антифрикционным кольцом и опорным кольцом по кольцевому пояску, окружающие условия (давление и температура уплотняемой жидкости) существенно не влияют на искажение формы уплотняющего контакта, так как уравновешиваются крутящие моменты поперечного сечения колец в деталях уплотнения, возникающие от воздействия переменного давления на их поверхности.

Однако, как показали стендовые испытания уплотнений при высоких значениях параметра 250 ≤ pv ≤ 500 МПа м/с, приведенные ранее конструктивные меры не гарантируют стабильную смазывающую пленку в уплотняющем контакте.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - стабилизация качественных характеристик уплотнения и увеличение его срока службы.

Технический результат от использования изобретения заключается в создании стабильной смазывающей пленки в уплотняющем контакте и уравновешивании гидростатических и гидродинамических сил давления, действующих на антифрикционное кольцо.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в торцовом уплотнении, которое содержит уплотняющий подвижной контакт, образованный взаимодействующими по уплотнительному пояску элементами вращающегося и неподвижного узлов, по меньшей мере один из которых состоит из опорного кольца, взаимодействующего в радиальном направлении через вторичное уплотнение с корпусом, и антифрикционного кольца, взаимодействующего с опорным кольцом в осевом направлении по кольцевому пояску, расположенному в диаметральных пределах входной кромки уплотнительного пояска и линии вторичного уплотнения, при этом передняя кромка кольцевого пояска образована диаметральной стороной кольцевой канавки, в которой расположено уплотнительное кольцо, линия вторичного уплотнения расположена в пределах 0,7-0,75 ширины уплотнительного пояска от его входной кромки, а на антифрикционном кольце выполнены канавки, одна из которых выполнена кольцевой, сообщаемой с полостью уплотняемой среды тангенциальными канавками, причем внутренний диаметр кольцевой канавки образует входную кромку уплотнительного пояска, а ее наружный диаметр и внешний диаметр антифрикционного кольца образуют гидродинамическую ступень шириной B, обеспечивающую угол конфузорности зазора подвижного контакта ϕ, определяемый по формуле:

где F - равнодействующая силы эпюры гидродинамического давления, Н;
L - плечо действия силы F, см;
R - равнодействующая сила давления резинового кольца, Н;
E - модуль упругости антифрикционного кольца, МПа;
I_с - момент инерции сечения антифрикционного кольца, см⁴;
K - плечо действия силы R, см, имеющее значение, в зависимости от места расположения кольцевого пояска, определяемое неравенством:
0,25b + 0,4D ≤ K ≤ b + 0,4D,
где b - ширина уплотнительного пояска, см;
D - диаметр сечения уплотнительного кольца, см.

Тангенциальные канавки выполнены глубиной, меньшей, чем глубина кольцевой канавки, и их количество - от 5 до 8 штук.

На фиг. 1 изображено сечение торцового уплотнения. На фиг. 2 - выносной элемент A фиг. 1. На фиг. 3 - эпюры гидростатических сил, действующих на антифрикционное кольцо. На фиг. 4 - схема действия равнодействующей силы гидродинамического давления. На фиг. 5 - схема действия равнодействующей силы контактного давления резинового кольца. На фиг. 6 - вид с торца на антифрикционное кольцо.

Через корпус 1 проходит вращающийся вал 2. Неподвижный узел состоит из антифрикционного кольца 3, установленного в опорное кольцо 4 и контактирующего с ним по кольцевому пояску 5. Передняя кромка 6 этого пояска образована стороной кольцевой канавки 7, в которой размещено уплотнительное резиновое кольцо 8. Опорное кольцо 4 контактирует с корпусом 1 через резиновое кольцо 9, расположенное на линии вторичного уплотнения 10. На антифрикционном кольце 3 выполнена кольцевая канавка 11, сообщаемая с полостью уплотняемой жидкости 12 тангенциальными канавками 13, как правило, в количестве от 5 до 8 штук и глубиной, меньшей, чем глубина кольцевой канавки, причем внутренний диаметр кольцевой канавки образует входную кромку 14 уплотнительного пояска 15, а наружный диаметр кольцевой канавки 16 и внешний диаметр антифрикционного кольца 17 образуют гидродинамическую ступень 18, обеспечивающую угол конфузорности зазора подвижного контакта ϕ, определяемый по формуле:

где F - равнодействующая силы эпюры гидродинамического давления, Н;
L - плечо действия силы F, см;
R - равнодействующая сила давления резинового кольца, Н;
E - модуль упругости антифрикционного кольца, МПа;
I_с - момент инерции сечения антифрикционного кольца, см⁴;
K - плечо действия силы R, см, имеющее значение, в зависимости от места расположения кольцевого пояска, определяемое неравенством:
0,25b + 0,4D ≤ K ≤ b + 0,4D,
где b - ширина уплотнительного пояска, см;
D - диаметр сечения уплотнительного кольца, см.

Антифрикционное кольцо 3 контактирует с элементом 19 по уплотнительному пояску 15 с входной 14 и выходной 20 кромками. Вращающийся элемент 19 герметизируется по валу 2 резиновым кольцом 21. Первоначальное поджатие антифрикционного кольца 3 к взаимодействующему с ним элементу 19 обеспечивается пружинами 22.

Уплотнение работает следующим образом. Под действием давления уплотняемой жидкости, заполняющей полость 12, опорное кольцо 4 через кольцевой поясок 5 передает усилие гидравлического нагружения антифрикционному кольцу 3, которое в свою очередь прижимается к элементу 19, образуя герметичный уплотняющий контакт. Резиновое кольцо 8, герметизирующее стык между антифрикционным кольцом 3 и пояском 5 опорного кольца 4, без давления уплотняемой жидкости обеспечивает начальное контактное давление на уплотняемые поверхности
P_к = 1,25•ε•E_σ,
где ε - относительная деформация сжатия,
E_σ - модуль эластичности резины,
1,25 - коэффициент формы кольца.

При этом ширина d плоской уплотняющей поверхности, возникающей от диаметрального сжатия кольца 8, равна 40...50% от диаметра сечения в свободном состоянии. Под давлением жидкости симметричная форма сечения кольца 8 нарушается вследствие прижатия к стенке канавки, ширина d контактной поверхности при этом возрастает до 70...80% от диаметра сечения. ("Уплотнения", Сборник статей, "Машиностроение", 1964, стр. 171).

Эпюры гидростатических сил давления, действующих на торцовые поверхности антифрикционного кольца 3, уравновешивают друг друга, за исключением зоны контакта кольца 3 с резиновым кольцом 8, где эпюра распределения давления имеет параболическую форму с максимумом контактного давления 1,5P_к. Равнодействующая сила R давления P_к находится от передней кромки 6 кольцевого пояска 5 на расстоянии
S = 0,4D,
где D - диаметр сечения резинового кольца.

В процессе вращения элемента 19 относительно антифрикционного кольца 3 на кольцевой поверхности 18 под действием гидродинамического давления возникает равнодействующая сила F, величина которой:
F = f(B•μ•υ)
где B - ширина гидродинамической ступени;
μ - динамическая вязкость жидкости;
υ - средняя окружная скорость ступени.

Благодаря наличию плеча L между силой F и кромкой 6 на кольцо 3 действует момент сил, скручивающий поперечное сечение на угол ϕ с образованием конфузорной формы зазора со стороны входной кромки 14. При этом выходная кромка 20 кольца 3 имеет линейный контакт с элементом 19. Одновременно наличие плеча K между равнодействующей R и кромкой 20 создает момент сил, стремящихся свести к минимуму угол ϕ.

Высокое давление уплотняемой жидкости определяет и расположение линии вторичного уплотнения в пределах 0,7 - 0,75 ширины уплотнительного пояска 15. Это объясняется тем, что при значениях меньше вышеуказанного предела возможно раскрытие уплотнительного контакта. При значениях выше 0,75 ширины уплотнительного пояска усилие гидростатического прижатия антифрикционного кольца 3 к опорному 4 достигает таких значений, которые вызывают рост касательных сил в зоне их контакта по кольцевому пояску 5 и, соответственно, их угловую деформацию и нарушение плоскостности.

С целью стабилизации формы и величины зазора в уплотняющем контакте при воздействии высокого давления значение угла поворота ϕ сечения антифрикционного кольца в зависимости от модуля упругости материала, окружной скорости и вязкости уплотняемой жидкости определяется по формуле:

где F - равнодействующая эпюры гидродинамического давления, Н;
L - плечо действия силы F, см;
R - равнодействующая сила действия резинового кольца, Н;
E - модуль упругости антифрикционного кольца, МПа;
I_с - момент инерции сечения антифрикционного кольца, см⁴;
K - плечо действия силы R, см, имеющее значение, в зависимости от места расположения кольцевого пояска, определяемое неравенством:
0,25b + 0,4D ≤ K ≤ b + 0,4D,
где b - ширина уплотнительного пояска, см,
D - диаметр сечения уплотнительного кольца, см.

На практике расчетная форма зазора в уплотняющем подвижном контакте оценивается величиной раскрытия уплотняющего пояска со стороны входной кромки h, определяемой по формуле
h = 2ϕ•b
где b - ширина уплотняющего пояска.

Так, например, для материала с модулем упругости E = 0,7•10⁶ МПа при давлении 10,2 МПа расчетная величина раскрытия уплотняющего зазора h = 6,7 мкм подтвердилась стабильными характеристиками, полученными при испытаниях.

Промышленная применимость очевидна. Предлагаемое решение может быть выполнено любым предприятием, изготавливающим торцовые уплотнения без дополнительных специальных инструментов.

Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения.

Торцовое уплотнение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации вращающихся валов механизмов с высоким давлением уплотняемой жидкости. Торцовое уплотнение содержит уплотняющий подвижной контакт, образованный взаимодействующими по уплотнительному пояску элементами вращающегося и неподвижного узлов. По меньшей мере один из узлов состоит из опорного кольца, взаимодействующего в радиальном направлении через вторичное уплотнение с корпусом, и антифрикционного кольца, взаимодействующего с опорным кольцом в осевом направлении по кольцевому пояску, расположенному в диаметральных пределах входной кромки уплотнительного пояска и вторичного уплотнения. При этом передняя кромка кольцевого пояска образована диаметральной стороной кольцевой канавки, в которой расположено уплотнительное кольцо. Линия вторичного уплотнения расположена в пределах 0,7 - 0,75 ширины уплотнительного пояска от его входной кромки, а на антифрикционном кольце выполнены канавки, одна из которых выполнена кольцевой, сообщаемой тангенциальными канавками с полостью уплотняемой жидкости. Причем внутренний диаметр кольцевой канавки образует входную кромку уплотнительного пояска, а ее наружный диаметр и внешний диаметр антифрикционного кольца образуют гидродинамическую ступень, обеспечивающую угол конфузорности зазора подвижного контакта, определяемый по формуле

где F - равнодействующая силы эпюры гидродинамического давления, Н; L - плечо действия силы F, см; R - равнодействующая сила действия резинового кольца, Н; Е - модуль упругости антифрикционного кольца, МПа; I_c - момент инерции сечения антифрикционного кольца, см⁴ ; К - плечо действия силы R, см, имеющее значение, в зависимости от места расположения кольцевого пояска, определяемое неравенством 0,25 b + 0,4 D ≤ К ≤ b + 0,4 D, где b - ширина уплотнительного пояска, см; D - диаметр сечения уплотнительного кольца, см. Изобретение стабилизирует качественную характеристику уплотнения и увеличивает срок его службы. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Торцовое уплотнение, содержащее уплотняющий подвижной контакт, образованный взаимодействующими по уплотнительному пояску элементами вращающегося и неподвижного узлов, по меньшей мере один из которых состоит из опорного кольца, взаимодействующего в радиальном направлении через вторичное уплотнение с корпусом, и антифрикционного кольца, взаимодействующего с опорным кольцом в осевом направлении по кольцевому пояску, расположенному в диаметральных пределах входной кромки уплотнительного пояска и вторичного уплотнения, при этом передняя кромка кольцевого пояска образована диаметральной стороной кольцевой канавки, в которой расположено уплотнительное кольцо, отличающееся тем, что линия вторичного уплотнения расположена в пределах 0,7 - 0,75 ширины уплотнительного пояска от его входной кромки, а на антифрикционном кольце выполнены канавки, одна из которых выполнена кольцевой, сообщаемой тангенциальными канавками с полостью уплотняемой жидкости, причем внутренний диаметр кольцевой канавки образует входную кромку уплотнительного пояска, а ее наружный диаметр и внешний диаметр антифрикционного кольца образуют гидродинамическую ступень, обеспечивающую угол конфузорности зазора подвижного контакта, определяемый по формуле

где F - равнодействующая силы эпюры гидродинамического давления, Н;
L - плечо действия силы F, см;
R - равнодействующая сила действия резинового кольца, Н;
Е - модуль упругости антифрикционного кольца, МПа;
I_с - момент инерции сечения антифрикционного кольца, см⁴;
K - плечо действия силы R, см, имеющее значение, в зависимости от места расположения кольцевого пояска, определяемое неравенством
0,25 b + 0,4 D ≤ K ≤ b + 0,4 D,
где b - ширина уплотнительного пояска, см;
D - диаметр сечения уплотнительного кольца, см. 2. Торцовое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что тангенциальные канавки выполнены меньшей глубиной, чем кольцевая канавка. 3. Торцовое уплотнение по п.2, отличающееся тем, что тангенциальные канавки выполнены в количестве от 5 до 8 штук.