МЕХАНИЧЕСКОЕ ТОРЦЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ Российский патент 2002 года по МПК F16J15/34 

Настоящее изобретение относится к механическим торцевым уплотнениям, в которых первое уплотняющее кольцо расположено в фиксированном расположении относительно оси и вращения по отношению к первому компоненту, а второе уплотняющее кольцо смонтировано в фиксированном расположении относительно вращения, но с возможностью осевого перемещения по отношению ко второму компоненту, и в особенности, к механическим уплотнителям вышеописанного типа, в которых второе уплотняющее кольцо связано со вторым компонентом посредством эластомерного гофрированного элемента.

Известно механическое торцевое уплотнение (Патент США 3117793, кл. 277-36, опублик. 1964). Механическое торцевое уплотнение для обеспечения непроницаемого для жидкости соединения между парой установленных по отношению друг к другу с возможностью вращения компонентов, содержащее первое уплотняющее кольцо, расположенное в фиксированном расположении относительно оси и вращения по отношению к первому компоненту и соединенное с первым компонентом, и второе уплотняющее кольцо, установленное в фиксированном расположении относительно вращения по отношению ко второму компоненту, причем второе уплотняющее кольцо связано со вторым компонентом посредством эластомерного гофрированного элемента, посредством чего второе уплотняющее кольцо имеет возможность аксиального перемещения по отношению ко второму компоненту.

Мембранное уплотнение, раскрытое в описании патента, имеет недостатки, заключающиеся в том, что, если диафрагма 13 герметизирована изнутри, через конец 40 ее, который находится в уплотняющем соединении с уплотняющим кольцом 14 посредством элемента 11, будет стравливаться давление, таким образом позволяя просочиться загерметизированной жидкости.

Кроме того, при внутренней герметизации раздувание диафрагмы может привести к повреждению и, кроме того, может действовать совместно с осевым перемещением и нагружение кольцевого уплотнителя 14, что приводит к перегрузкам системы.

Была поставлена задача создания механического торцевого уплотнения, лишенного этих недостатков.

Механическое торцевое уплотнение для обеспечения непроницаемого для жидкости соединения между парой установленных по отношению друг к другу с возможностью вращения компонентов, содержащее первое уплотняющее кольцо, расположенное в фиксированном расположении относительно оси и вращения по отношению к первому компоненту и соединенное с первым компонентом, и второе уплотняющее кольцо, установленное в фиксированном расположении относительно вращения по отношению ко второму компоненту, причем второе уплотняющее кольцо связано со вторым компонентом посредством эластомерного гофрированного элемента, посредством чего второе уплотняющее кольцо имеет возможность аксиального перемещения по отношению ко второму компоненту, характеризуется тем, что коаксиально по отношению к гофрированному элементу с осевым зазором по отношению друг к другу смонтирована пара трубчатых приводных ободов, при этом внешний конец одного приводного обода расположен с контактом с одним концом гофрированного элемента и накладывает на него радиальную нагрузку, вовлекая его в приводной и уплотняющий контакт со вторым компонентом и внешним концом другого приводного обода, контактирующим с другим концом гофрированного элемента и накладывающим на него радиальную нагрузку, вовлекая его в приводной и уплотняющий контакт со вторым уплотняющим концом, при этом внутренние концы приводных ободов имеют одинаковый диаметр и аксиально расположенные зубья, причем зубья одного приводного обода находятся в зацеплении с зубьями другого приводного обода (31), посредством чего приводные обода могут выдвигаться, и может оказываться сопротивление усилию закручивания между вторым компонентом и вторым уплотняющим концом посредством концов гофрированного элемента и приводных ободов, между приводными ободами действуют упругие средства, чтобы перемещать их друг от друга и приводить в уплотняющий контакт противоположные уплотняющие поверхности первого и второго уплотняющих колец.

При этом гофрированный элемент может содержать пару концевых частей, связанных между собой относительно тонкой гибкой центральной частью.

При этом, когда гофрированный элемент сжимается до рабочей длины, центральная часть гофрированного элемента деформируется под действием задней поверхности второго уплотняющего кольца и вступает в контакт со вторым компонентом, образуя ровный профиль без складок и перегибов.

При этом задняя поверхность второго уплотняющего кольца может быть выполнена обработанной по профилю.

В частности, первый компонент может представлять собой кожух, а второй компонент может представлять собой вал.

В частности, гофрированный элемент может содержать первую концевую часть, внутренний диаметр которой контактирует с валом, вторую концевую часть, внутренний диаметр которой контактирует с внешним диаметром второго уплотняющего кольца, и относительно тонкую гибкую центральную часть, причем центральная часть имеет в основном цилиндрическую конфигурацию и расположена от первой концевой части, смежной с внутренним диаметром, а конец центральной части является смежным со вторым концом, обращена выпуклостью наружу и связана со вторым концом у его внутреннего диаметра.

При этом внешние концы приводных ободов могут иметь увеличенный диаметр, который контактирует с внешними диаметрами первой и второй концевых частей гофрированного элемента.

Между концевыми частями приводных ободов может быть расположена спиральная пружина сжатия, отодвигая их друг от друга.

Гофрированный элемент может быть расположен аксиально по отношению к валу с помощью стопорного кольца, контактирующего с кольцевой проточкой на валу, и упорной шайбы выступа, выполненного на валу, или кольца или втулки, установленных на валу.

Когда на внутренний диаметр гофрированного элемента действует жидкость под давлением, центральная часть гофрированного элемента может контактировать с внутренним диаметром выдвинутых приводных ободов.

Концевая поверхность конца, контактирующего со вторым компонентом, может быть снабжена круговой выточкой, причем круговая выточка обеспечивает снятие напряжений при осевом удлинении конца гофрированного элемента, когда он сжимается в радиальном направлении, контактируя со вторым компонентом.

Таким образом, в затворе согласно заявленному изобретению конец мембранного модуля, участвующий в кольцевом уплотнении, нагружен в радиальном направлении, так что внутренняя герметизация мембранного модуля не приведет к повреждениям. Предложенная конструкция ограничивает раздувание мембраны, что повышает надежность конструкции.

Существующее изобретение, следовательно, обеспечивает улучшенное уплотнение, особенно относительно его способности работать в условиях внутренней герметизации.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложено механическое торцевое уплотнение для обеспечения непроницаемого для жидкости соединения между парой установленных по отношению друг к другу с возможностью вращения компонентов, содержащее первое уплотняющее кольцо, расположенное в фиксированном расположении относительно оси и вращения по отношению к первому компоненту и соединенное с первым компонентом, и второе уплотняющее кольцо, установленное в фиксированном расположении относительно вращения по отношению ко второму компоненту, причем второе уплотняющее кольцо связано со вторым компонентом посредством эластомерного гофрированного элемента, посредством чего второе уплотняющее кольцо имеет возможность аксиального перемещения по отношению ко второму компоненту, характеризующееся тем, что коаксиально по отношению к гофрированному элементу с осевым зазором по отношению друг к другу смонтирована пара трубчатых приводных ободов, при этом внешний конец одного приводного обода расположен с контактом с одним концом гофрированного элемента и накладывает на него радиальную нагрузку, вовлекая его в приводной и уплотняющий контакт со вторым компонентом и внешним концом другого приводного обода, контактирующим с другим концом гофрированного элемента и накладывающим на него радиальную нагрузку, вовлекая его в приводной и уплотняющий контакт со вторым уплотняющим кольцом, при этом внутренние концы приводных ободов имеют одинаковый диаметр и аксиально расположенные зубцы, причем зубцы одного приводного обода находятся в зацеплении с зубцами другого приводного обода, посредством чего приводные обода могут выдвигаться, и может оказываться сопротивление усилию закручивания между вторым компонентом и первым уплотняющим концом посредством концов гофрированного элемента и приводных ободов, между приводными ободами действуют упругие средства, чтобы смещать их друг от друга и приводить в уплотняющий контакт противоположные уплотняющие поверхности первого и второго уплотняющих колец.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения концы гофрированного элемента являются относительно толстыми в поперечном сечении и соединены между собой посредством относительно тонкой, гибкой центральной части. В релаксированном по оси состоянии центральная часть является, как правило, цилиндрической, расположенной от ее конца, связанного со вторым компонентом, расположенным рядом с ее диаметром, контактирующим со вторым компонентом, до ее конца, связанного со вторым уплотняющим кольцом, расположенным рядом с его поверхностью, связанным со вторым уплотняющим концом, так что когда она сжата по оси до рабочей длины, центральная часть гофрированного элемента, расположенная рядом со вторым уплотняющим кольцом, будет деформирована до контакта с задней поверхностью уплотняющего кольца и вторым компонентом, образуя гладкий профиль без складок или перегибов.

Центральная часть гофрированного элемента будет, таким образом, поддерживаться напротив второго компонента, чтобы противостоять давлению жидкости на сторону гофрированного элемента, удаленного от второго компонента. Кроме того, если давление приложено между вторым компонентом и гофрированным элементом, выдвинутые приводные обода будут поддерживать центральную часть гофрированного элемента, предохраняя его от раздувания и сохраняя целостность уплотнения.

Далее только как пример описывается вариант выполнения изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
на фиг. 1 изображен частичный боковой разрез механического уплотнения в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.2 показано частичный боковой разрез гофрированного элемента уплотнения, показанного на фиг.1;
на фиг. 3 изображен разрез гофрированного элемента уплотнения, показанного на фиг.1, в релаксированном состоянии;
на фиг.4 изображен разрез гофрированного элемента, аналогичного показанному на фиг.1, где гофрированный элемент находится под внутренним давлением.

Как показано на приложенных чертежах, механическое торцевое уплотнение, герметичное для жидкости, между валом 10 и кожухом 11 содержит первое уплотняющее кольцо 12, смонтированное в угловой полости 13 кожуха 11, зафиксированное, кроме того, по отношению к нему, с помощью эластомерного уплотняющего кольца 14. Уплотняющее кольцо 14 служит также для фиксации уплотняющего кольца 12 относительно вращения по отношению к кожуху 11.

Второе уплотняющее кольцо 20 фиксировано по отношению к валу 10 с помощью гофрированного узла 21. Гофрированный узел 21 содержит эластомерный гофрированный элемент 22, содержащий первый конец 23, относительно тонкую гибкую центральную часть 27 и второй конец 25. Первый конец 23 имеет внутренний диаметр 24, который будет находиться в контакте с периферийной частью вала 10. Второй конец 25 имеет внутренний диаметр 26, который будет контактировать с внешним диаметром уплотняющего кольца 20. Центральная часть 27 имеет, как правило, цилиндрическую конфигурацию, и расположена от области, соседней с внутренним диаметром 24 конца 23, до конца 25, соединяясь с концом 25 у его внутреннего диаметра 26.

Устройство содержит пару трубчатых приводных ободов 30 и 31, каждый из которых содержит концевую часть 32 с большим диаметром и часть 33 с меньшим диаметром. Части 33 приводных ободов 30 и 31 с меньшим диаметром имеют равный диаметр и снабжены аксиально расположенными зубьями 34. Зубья 34 на каждом из приводных ободов 30 и 31 имеют одинаковую ширину, при этом ширина зубьев на каждом из приводных ободов 30, 31 равна или немного меньше, чем зазор 35 между зубьями 34.

Приводные обода 30, 31 смонтированы коаксиально с гофрированной частью 22. Часть 32 приводного обода 30 с большим диаметром контактирует с внешним диаметром конца 23 гофрированной части 22, обжимая радиально конец 23 до уплотняющего контакта с валом 10, а также фиксирует ее в отношении вращения по отношению к нему. Аналогично часть 32 приводного обода 31 контактирует с внешним диаметром конца 25 гофрированной части 22, обжимая радиально конец 25 до уплотняющего контакта с внешним диаметром уплотняющего кольца 20, а также фиксирует уплотняющее кольцо 20 в отношении вращения по отношению к концевой части 25.

Части 33 меньшего диаметра приводных ободов 30 и 31 направлены навстречу друг другу, зубья 34 одного приводного обода находятся в зацеплении с зубьями другого приводного обода телескопическим способом (вдвинуты друг в друга). Крутящая нагрузка, приложенная к уплотняющему кольцу 20, будет, таким образом, передаваться от вала 10 через конец 25 гофрированной части 22, приводной обод 31, приводной обод 30 и конец 23 гофрированной части 22.

Цилиндрическая пружина сжатия 35 действует между частями 32 большего диаметра приводных ободов 30 и 31, заставляя их расходиться врозь, и герметизирующая поверхность 36 герметизирующего кольца 20 вступает в герметизирующий контакт с герметизирующей поверхностью 37 уплотняющего кольца 12.

Гофрированный узел 21 расположен аксиально по отношению к валу 10 с помощью стопорного кольца 40, которое контактирует с круговой проточкой 41 на валу 10, и упорной шайбы 42. На концевой поверхности конца 23 гофрированного элемента 22 имеется круговая выточка 43, делающая возможным аксиальное расширение конца 23 и способствующая более равномерному расположению гофрированной части на валу вдоль радиуса, поскольку она сжата в радиальном направлении между приводным ободом 30 и валом 10.

Задняя поверхность 50 уплотняющего кольца 20 выполнена таким образом, что когда гофрированный узел 21 сжимается до рабочей длины между стопорным кольцом 40 и уплотняющим кольцом 12, центральная часть 27 гофрированного элемента 22 будет деформироваться и контактировать с задней поверхностью 50 уплотнительного кольца 20, и внизу с валом 10, образуя ровный профиль без складок и перегибов, как показано на фиг.1.

Таким образом, гибкая центральная часть 27 гофрированного элемента 22 будет удерживаться у вала 10, когда на внешний диаметр гофрированного элемента 22 будет действовать жидкость под давлением. В дополнение к основной деформации гофрированной части 22 контурно обработанная поверхность 50 уплотнительного кольца 20 исключает образование острых углов, которые могут разрывать или разрезать гофрированный элемент, а также снижает напряжения в гофрированном элементе.

Часть гофрированного элемента 22, которая деформирована у задней поверхности 50 уплотнительного кольца 20, и телескопическое выполнение приводных ободов 30 и 31 дают возможность уплотняющему кольцу 20 двигаться аксиально по отношению к валу 10, чтобы приспособиться к износу уплотняющих поверхностей 36 и 37 уплотняющих колец 20 и 12 соответственно.

Если на внутренний диаметр гофрированного элемента 22 будет воздействовать давление жидкости, то выдвинутые части 33 с меньшим диаметром приводных ободов 30 и 31 будут поддерживать центральную часть 27 гофрированного элемента 22, предохраняя ее от раздувания наружу и сохраняя целостность уплотнения.

Уплотнительные кольца 12 и 20 согласно настоящему изобретению могут быть выполнены из любой подходящей комбинации материалов, обычно используемых в механических торцевых уплотнениях, например углерод/графит против металла, керамика или покрытый керамикой материал, или металл против керамики или керамика против керамики. Для гофрированного элемента может быть использована любая подходящая эластомерная композиция. Приводные обода могут быть преимущественно выполнены из нержавеющей стали, хотя могут быть использованы и другие металлы или жесткие пластики.

Могут быть применены различные модификации без отхода от настоящего изобретения. Например, уплотняющее кольцо 12 может быть посажено на кожух 11 любым другим обычным способом, например с использованием кольца "О" или кольца PTFE. Кроме того, вместо использования трения для вращательной фиксации уплотняющего кольца 12 по отношению к кожуху 11 могут быть использованы один или несколько штифтов, которые контактируют с уплотняющим кольцом 12 и кожухом 11, предотвращая вращение между ними.

Тогда как в вышеописанном варианте выполнения изобретения гофрированный элемент расположен аксиально по отношению к валу 10 посредством круговой проточки 41, могут быть использованы другие обычные методы установки гофрированного узла 21. Например, гофрированный узел 21 может опираться на выступ, выполненный на валу, или на кольцо, или втулку, связанные с валом подходящим способом.

Тогда как в вышеописанном варианте выполнения изобретения гофрированный узел 21 смонтирован на валу 10, а уплотняющее кольцо 12 смонтировано на кожухе 11, гофрированный узел 21 может быть альтернативно смонтирован на кожухе 11, а уплотняющее кольцо 12 смонтировано на валу.

Изобретение относится к уплотнительной технике. Механическое торцевое уплотнение содержит первое уплотняющее кольцо, расположенное в фиксированном положении относительно оси и вращения по отношению к первому компоненту и соединенное с первым компонентом. Второе уплотняющее кольцо смонтировано в фиксированном положении относительно вращения, но с возможностью аксиального перемещения по отношению к валу. Второе уплотняющее кольцо посажено на вал с помощью гофрированного элемента. Один конец гофрированного элемента контактирует с первым приводным ободом, который прилагает радиальное усилие к концу гофрированного элемента, вовлекая его в приводной и уплотняющий контакт с валом. Другой конец гофрированного элемента контактирует со вторым приводным ободом, который прикладывает радиальное усилие к концу гофрированного элемента, вовлекая его в приводной и уплотняющий контакт со вторым уплотняющим концом. Внутренние концы приводных ободов имеют одинаковые диаметры и аксиально расположенные зубья. Зубья одного приводного обода находятся в зацеплении с зубьями другого приводного обода, посредством чего приводные обода могут выдвигаться. Усилия закручивания между валом и вторым уплотняющим кольцом могут вызывать реакцию гофрированного элемента и приводных ободов. Между приводными ободами действует пружина, раздвигая их друг от друга и вовлекая противоположные уплотняющие поверхности первого и второго уплотняющих колец в уплотняющий контакт. Изобретение повышает надежность уплотнения. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Механическое торцевое уплотнение для обеспечения непроницаемого для жидкости соединения между парой установленных по отношению друг к другу с возможностью вращения компонентов (10, 11), содержащее первое уплотняющее кольцо (12), расположенное в фиксированном расположении относительно оси и вращения по отношению к первому компоненту (11) и соединенное с первым компонентом (11), и второе уплотняющее кольцо (20), установленное в фиксированном положении относительно вращения по отношению ко второму компоненту (10), причем второе уплотняющее кольцо (20) связано со вторым компонентом (10) посредством эластомерного гофрированного элемента (22), посредством чего второе уплотняющее кольцо (20) имеет возможность аксиального перемещения по отношению ко второму компоненту (10), характеризующееся тем, что коаксиально по отношению к гофрированному элементу (22) с осевым зазором по отношению друг к другу смонтирована пара трубчатых приводных ободов (30, 31), при этом внешний конец (32) одного приводного обода (30) расположен с контактом с одним концом (23) гофрированного элемента (22) и накладывает на него радиальную нагрузку, вовлекая его в приводной и уплотняющий контакт со вторым компонентом (10) и внешним концом (32) другого приводного обода (31), контактирующим с другим концом (25) гофрированного элемента (22) и накладывающим на него радиальную нагрузку, вовлекая его в приводной и уплотняющий контакт со вторым уплотняющим кольцом (20), при этом внутренние концы (33) приводных ободов (30, 31) имеют одинаковый диаметр и аксиально расположенные зубья (34), причем зубья (34) одного приводного обода (30) находятся в зацеплении с зубьями (34) другого приводного обода (31), посредством чего приводные обода (30, 31) могут выдвигаться, и может оказываться сопротивление усилию закручивания между вторым компонентом (10) и вторым уплотняющим кольцом (20) посредством концов (23, 25) гофрированного элемента (22) и приводных ободов (30, 31), между приводными ободами (30, 31) действуют упругие средства (35), чтобы перемещать их друг от друга и приводить в уплотняющий контакт противоположные уплотняющие поверхности (36, 37) первого и второго уплотняющих колец (12, 20). 2. Механическое торцевое уплотнение по п. 1, характеризующееся тем, что гофрированный элемент (22) содержит пару концевых частей (23, 25), связанных между собой относительно тонкой, гибкой центральной частью (27). 3. Механическое торцевое уплотнение по п. 2, характеризующееся тем, что когда гофрированный элемент (22) сжимается до рабочей длины, центральная часть (27) гофрированного элемента (22) деформируется под действием задней поверхности (50) второго уплотняющего кольца (20) и вступает в контакт со вторым компонентом (10), образуя ровный профиль без складок и перегибов. 4. Механическое торцевое уплотнение по любому из предшествующих пунктов, характеризующееся тем, что задняя поверхность (50) второго уплотняющего кольца (20) выполнена обработанной по профилю. 5. Механическое торцевое уплотнение по любому из предшествующих пунктов, характеризующееся тем, что первый компонент (11) представляет собой кожух, а второй компонент (10) представляет собой вал. 6. Механическое торцевое уплотнение по п. 5, характеризующееся тем, что гофрированный элемент (22) содержит первую концевую часть (23), внутренний диаметр (24) которой контактирует с валом (10), вторую концевую часть (25), внутренний диаметр которой контактирует с внешним диаметром второго уплотняющего кольца (20), и относительно тонкую гибкую центральную часть (27), причем центральная часть (27) имеет в основном цилиндрическую конфигурацию и расположена от первой концевой части (23), смежной с внутренним диаметром (24), а конец центральной части (27) является смежным со вторым концом (25), обращена выпуклостью наружу, и связана со вторым концом (25) у его внутреннего диаметра. 7. Механическое торцевое уплотнение по п. 6, характеризующееся тем, что внешние концы (32) приводных ободов (30, 31) имеют увеличенный диаметр, который контактирует с внешними диаметрами первой и второй концевых частей (23, 25) гофрированного элемента (22). 8. Механическое торцевое уплотнение по п. 7, характеризующееся тем, что между концевыми частями (33) приводных ободов (30, 31) расположена спиральная пружина сжатия (35), отодвигая их друг от друга. 9. Механическое торцевое уплотнение по любому из пп. 6-8, характеризующееся тем, что гофрированный элемент (22) расположен аксиально по отношению к валу (10) с помощью стопорного кольца (40), контактирующего с кольцевой проточкой (41) на валу (10), и упорной шайбы (42), выступа, выполненного на валу (10), или кольца или втулки, установленных на валу (10). 10. Механическое торцевое уплотнение по любому из пп. 6-9, характеризующееся тем, что когда на внутренний диаметр гофрированного элемента (22) действует жидкость под давлением, центральная часть (27) гофрированного элемента (22) контактирует с внутренним диаметром выдвинутых приводных ободов (30, 31). 11. Механическое торцевое уплотнение по любому из предшествующих пунктов, характеризующееся тем, что концевая поверхность конца (23), контактирующего со вторым компонентом (10), снабжена круговой выточкой (42), причем круговая выточка (43) обеспечивает снятие напряжений при осевом удлинении конца (23) гофрированного элемента (22), когда он сжимается в радиальном направлении, контактируя со вторым компонентом (10).