УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА Российский патент 2005 года по МПК F16J15/16 

Изобретение относится к области уплотнительной техники и может быть использовано преимущественно при создании уплотнений валов и штоков различных силовых агрегатов (двигателей внутреннего сгорания, коробок перемены передач и раздаточных коробок, редукторов, гидроцилиндров и т.д.), к которым предъявляются высокие требования по ресурсу работы и сохраняемости.

Известно уплотнение вала, содержащее вал, установленный в корпусе, и закрепленный в последнем уплотнительный элемент, выполненный из эластичного материала [1].

Известно также уплотнение вала, содержащее вал, установленный в корпусе, и закрепленный в последнем уплотнительный элемент, выполненный из эластичного материала и содержащий контактирующий с валом выступ, прижатый по своему внутреннему периметру к валу с помощью упругой кольцевой пружины, размещенной на наружном периметре этого выступа [2].

Недостатком известных конструкций является их сравнительно низкий ресурс работы, связанный с неизбежным износом уплотнительного элемента в месте касания его с подвижной частью уплотнения, особенно в тяжелых условиях работы, а также со старением материала уплотнителя, что снижает сохраняемость уплотнения. Это особенно существенно для периодически действующих объектов, в том числе находящихся на длительном хранении, от которых требуется высокая работоспособность в момент снятия с хранения (сельскохозяйственная сезонная техника, боевая техника, оборудование, используемое при чрезвычайных ситуациях и т.д.). При длительном (сезон, год или несколько лет) хранении уплотнитель теряет свою эластичность и, следовательно, уплотняющую способность. Кроме того, находясь при хранении или стоянке в длительном контакте при сравнительно высоких контактных напряжениях, характерных для подобных конструкций, материал уплотнителя диффундирует в материал контртела (вала, штока), и в начальный момент работы в зоне контакта происходят вырывы менее прочного материала уплотнителя, что может привести уплотнение в полную непригодность.

Задачей изобретения является повышение ресурса работы и сохраняемости уплотнения вала.

Поставленная задача решается тем, что по наружному периметру контактирующего с валом выступа дополнительно установлена витая цилиндрическая пружина, содержащая, по меньшей мере, один полный виток, и, по крайней мере, один свободный конец которой соединен с сердечником электромагнита таким образом, что при срабатывании электромагнита этот конец движется в направлении от оси вала. При этом один свободный конец витой цилиндрической пружины может быть закреплен на корпусе, а другой соединен с сердечником электромагнита, или оба свободных конца витой цилиндрической пружины могут быть соединены с сердечниками электромагнитов, а электрическая цепь питания электромагнита (или электромагнитов) может содержать элемент, позволяющий изменять ток, протекающий по обмотке электромагнита (или электромагнитов), кроме того, вместо электромагнитов могут использоваться пружины со спусковыми устройствами, срабатывающими в момент начала вращения вала, также в устройство введен управляющий элемент, управляющий подачей тока на обмотки электромагнитов в зависимости от сигнала, получаемого с датчика, установленного непосредственно в устройстве и регистрирующего параметры работы устройства, сила тока, подаваемого на обмотки электромагнитов, зависит от сигнала с датчика. Кроме того, материал вала и уплотнения подобраны таким образом, чтобы во время начала вращения вала возникала трибоЭДС, которая служит управляющим сигналом для управляющего элемента.

Суть предложенной конструкции поясняется чертежами. На фиг.1 изображен пример поперечного (вдоль оси вала) сечения уплотнения, в котором использовано два электромагнита, к сердечникам которых прикреплены свободные концы витой цилиндрической пружины, на фиг.2 - вид на уплотнение сбоку по сечению А-А (в плоскости, перпендикулярной оси вала) в том случае, когда электромагниты не включены, на фиг.3 - то же, что и на фиг.2, но при включенных электромагнитах, на фиг.4 - пример электрической схемы включения электромагнитов, в которой предусмотрена установка элемента (переменного резистора), позволяющего изменять величину тока, протекающего по обмоткам электромагнитов.

Уплотнение (см. фиг.1) состоит из корпуса 1, в котором установлен эластичный уплотнитель 2 с металлической арматурой 3 и выступом 4, внутренняя поверхность которого контактирует с поверхностью вала 5, а на наружной поверхности установлена упругая кольцевая пружина 6, прижимающая выступ 4 к валу 5. У эластичного уплотнителя 2 имеется дополнительный выступ 7, в исходном состоянии не касающийся поверхности вала 5. На наружной поверхности выступа 7 установлена витая цилиндрическая пружина 8, имеющая в данном примере один полный виток. Свободные концы пружины 8 (см. также фиг.2) прикреплены к сердечникам 9 электромагнитов 10, электрические обмотки которых установлены в катушках, установленных на корпусе 1. Электрический ток (см. также фиг.4) подается к обмоткам электромагнитов 10 по проводникам 11, которые соединяют обмотки с источником тока 12 через выключатель 13. С помощью переменного резистора 14 можно регулировать величину тока I в обмотках электромагнитов 10 и, соответственно, силу, с которой сердечники 9 втягиваются в электромагниты 10. Уплотнение разделяет полости Б и В, одна из которых, например. В, частично заполнена жидкой смазкой, необходимой, например, для смазки находящихся в ней механизмов. Управляющий элемент 15, включающий (отключающий) подачу тока на обмотки электромагнитов или спусковых устройств (в случае использования вместо электромагнитов пружин), получающий сигналы в виде трибоЭДС с трущихся уплотнения и вала или с датчика 16 - регистрирующего параметры работы устройства, например температуру, давление, износ трущихся элементов и т.д.

Уплотнение работает следующим образом (фиг.1, 2). Во время стоянки или хранения объекта, в котором установлено описываемое уплотнение, его необходимая герметизирующая способность обеспечивается за счет минимального усилия, оказываемого пружиной 6 на материал уплотнителя 2 в зоне выступа 4. При этом достигается минимально необходимое контактное давление в зоне касания выступа 4 и вала 5, что обеспечивает отсутствие диффузии более мягкого материала уплотнителя 2 в поверхность вала 5 и, соответственно, отсутствие явлений вырыва из поверхности уплотнителя 2 частиц материала в момент начала вращения вала 5.

В это же время на обмотки электромагнитов 10 ток не подается (I=0) и пружина 8 находится в свободном состоянии, не сжимает уплотнитель в зоне выступа 1, в связи с чем между выступом 7 и поверхностью вала 5 существует зазор δ>0.

В таком состоянии уплотнение может находиться длительное время практически без изменения своей уплотняющей способности.

В момент начала вращения вала 5 или непосредственно перед этим моментом происходит замыкание контакта 13 (фиг.4), на обмотки электромагнитов 10 подается ток I>0, в результате чего сердечники 9 втягиваются в электромагниты (фиг.3) с усилием, определяемым параметрами электромагнитов 10, характеристиками источника питания 12 и сопротивлением переменного резистора 14. Это усилие (его направление показано стрелками на фиг.3) стягивает виток пружины 8, в результате чего появляется усилие, прижимающее выступ 7 к поверхности вала 5, зазор δ исчезает, появляется натяг. Это усилие и образовавшийся натяг достаточны для того, чтобы обеспечить высокую герметизирующую способность уплотнения, необходимую для предотвращения попадания жидкой смазки и ее паров из полости В в полость Б практически независимо от состояния уплотнителя 2, эластичность которого меняется как в зависимости от температуры, так и из-за естественного старения его материала.

По мере старения материала уплотнителя 2 изменяются его упругие свойства (материал становится менее эластичным и менее податливым). Эти свойства зависят также от температуры механизма, в котором установлено уплотнение (чем ниже температура, тем менее эластичным становится материал). В связи с этим сопротивление переменного резистора может устанавливаться оператором или автоматически с учетом вышеуказанных факторов, и по мере их изменения в процессе запуска, работы или стоянки может быть уточнено, что обеспечивает максимально возможный по условиям функционирования уплотнения ресурс его работы.

После остановки вращения вала 5 контакт 13 размыкается, ток в обмотках электромагнитов 10 исчезает, силы со стороны сердечников 9 становятся равными нулю, и, благодаря упругим свойствам пружины 6 она расправляется, переходя в положение, показанное на фиг 1 и 2, контакт между выступом 7 и валом 5 исчезает, восстанавливается зазор δ>0.

В том случае, когда используется один электромагнит 10 с сердечником 9, один свободный конец пружины 6 соединяется с сердечником 9, а другой закрепляется на корпусе 1. Такая конструкция работает аналогично вышеописанной и специального пояснения не требует. Также вместо электромагнитов могут использоваться пружины со спусковыми устройствами, срабатывающими в момент начала вращения вала. Кроме того, в устройство может быть введен управляющий элемент 16, управляющий подачей тока на обмотки электромагнитов. В зависимости от параметров работы устройства, регистрируемых датчиком 16, таких как давление смазочной жидкости, температуру, износ трущихся элементов устройства и т.д., сигнал поступает на управляющий элемент, который производит включение (отключение) контакта 13 и, соответственно, подачу тока на обмотки электромагнитов или спусковых устройств. Сила тока, подаваемого на обмотки электромагнитов, зависит от величины сигнала, поступающего с датчика 16 на управляющий элемент 15. Также материал вала и уплотнения могут быть подобраны таким образом, что при начале вращения вала возникает трибоЭДС между уплотнением и валом, которое регистрируется датчиком и, соответственно, служит сигналом для подачи тока на обмотки электромагнитов 10.

Кроме того, описанная конструкция уплотнения без изменения может использоваться для уплотнения штоков и осей. Данный аспект также не требует пояснений.

Таким образом, предложенная конструкция позволяет исключить влияние окружающей температуры и явление старения и износа материала уплотнителя на работоспособность уплотнения, что повышает его ресурс, работоспособность и сохраняемость.

Источники информации

1. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник/ Л.А.Кондаков, А.И.Голубев, В.Б.Овандер и др.; под общ. ред. А.И.Голубева, Л.А.Кондакова." М.: Машиностроение, 1986. 464 с, - С.16, рис.1.6 "б".

2. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн. 1/ Под ред. П.Н.Учаева. М.: Машиностроение, 1988. 560с. - С.477, рис.617.

Изобретение относится к области уплотнительной техники. Уплотнение содержит вал (или шток), установленный в корпусе, и закрепленный в последнем уплотнительный элемент, выполненный из эластичного материала и содержащий контактирующий с валом (или штоком) выступ, прижатый по своему внутреннему периметру к валу (или штоку) с помощью упругой кольцевой пружины, размещенной на наружном периметре этого выступа. По наружному периметру выступа дополнительно установлена витая цилиндрическая пружина, содержащая, по меньшей мере, один полный виток, и, по крайней мере, один свободный конец которой соединен с сердечником электромагнита таким образом, что при срабатывании электромагнита этот конец движется в направлении от оси вала (или штока). Изобретение повышает надежность уплотнения. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Уплотнение вала, содержащее вал, установленный в корпусе, и закрепленный в последнем уплотнительный элемент, выполненный из эластичного материала и содержащий контактирующий с валом выступ, прижатый по своему внутреннему периметру к валу с помощью упругой кольцевой пружины, размещенной на наружном периметре этого выступа, отличающееся тем, что по наружному периметру выступа дополнительно установлена витая цилиндрическая пружина, содержащая, по меньшей мере, один полный виток, и, по крайней мере, один свободный конец которой соединен с сердечником электромагнита таким образом, что при срабатывании электромагнита этот конец движется в направлении от оси вала.2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что оба свободных конца витой цилиндрической пружины соединены с сердечником дополнительного электромагнита.3. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено управляющим элементом, управляющим подачей тока на обмотки электромагнитов, и датчиком, регистрирующим параметры работы устройства, например температуру, давление смазки, износ трущихся элементов устройства, и подающим сигналы на управляющий элемент.4. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что электрическая цепь питания электромагнита содержит элемент, позволяющий изменять ток, протекающий по обмотке электромагнита.