торцевое уплотнение вращающегося вала

Формула изобретения

Торцовое уплотнение вращающегося вала, уплотняющий подвижный контакт которого образован 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 базовой деталью, и антифрикционного кольца, взаимодействующего с опорным кольцом в осевом направлении по кольцевому пояску, расположенному в диаметральных пределах входной кромки уплотнительного пояска и вторичного уплотнения, отличающееся тем, что антифрикционное кольцо взаимодействует с опорным кольцом через промежуточное кольцо, изготовленное из материала с более высоким пределом прочности, чем антифрикционное кольцо, причем контактирующие торцы антифрикционного и промежуточного колец изготовлены с плоскостностью и шероховатостью, аналогичными поверхностям уплотняющего подвижного контакта, и на одном из этих торцов выполнена концентрическая кольцевая канавка, соединенная радиальными канавками с полостью высокого давления, а вышеупомянутый кольцевой поясок, расположенный в диаметральных пределах входной кромки уплотнительного пояска и вторичного уплотнения, выполнен на одном из контактирующих между собой торцов промежуточного или опорного кольца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации вращающихся валов и механизмов.

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 базовой деталью, и антифрикционного кольца, контактирующего с опорным кольцом в осевом направлении [1].

Однако при традиционных методах соединения опорного и антифрикционного колец склеиванием, сваркой и т.п. форма уплотнительного подвижного контакта в значительной степени подвержена искажению от влияния окружающих условий, таких как давление, температура и т.п., что снижает надежность уплотнения.

Известно также уплотнение аналогичной конструкции, у которого контакт антифрикционного кольца в осевом направлении с опорным кольцом осуществляется по узкому кольцевому пояску, расположенному в диаметральных пределах входной кромки уплотнительного пояска и вторичного уплотнения [2]. Такая конструкция уплотнения вращающихся валов 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 (ширина которого значительно меньше ширины уплотнительного пояска), расположенному в диаметральных пределах входной кромки уплотнительного пояска и линии действия вторичного уплотнения, окружающие условия (давление и температура уплотняемой среды) существенно не влияют на искажение формы уплотняющего контакта, т. к. уравновешиваются крутящие моменты поперечного сечения колец в деталях уплотнения, возникающие от воздействия переменного давления на их поверхности.

Однако при проведении испытаний последующих модификаций таких уплотнений, в которых кольцевой поясок осевого контакта антифрикционного и опорного колец был выполнен на опорном кольце шириной в 1 мм (а в условиях повышенных осевых вибраций 3 мм), при увеличении скорости вращения вала до 3000 об./мин и давлении уплотняемой среды до 180-200 кг/см² было обнаружено, что на поверхности антифрикционного кольца от воздействия кольцевого пояска развивается износ.

Темп износа составил 5 - 10 мкм за 1000 ч. Хотя такой износ за периоды испытаний в 2000 - 3000 ч и не нарушал работы уплотнений, при работе в течение 10000 - 20000 ч его увеличение может привести к выходу уплотнения из строя, особенно при неравномерном износе в указанном месте.

Увеличение же ширины кольцеобразного пояска свыше 1 - 2 мм нецелесообразно, т. к. нарушает эффект уравновешивания крутящих моментов, возникающих от воздействия давления уплотняемой среды на поверхности деталей уплотнения. Это получило подтверждение в экспериментах предприятия-заявителя.

Так в одном уплотнении контакт антифрикционного кольца с базовой деталью был осуществлен по кольцевому пояску 6 мм, выполненному на опорном кольце. Уплотнение было включено в работу на 3500 ч (уплотняемая среда - минеральное масло) при температуре уплотняемой среды 75 - 80^oC. После остановки вала и снижении температуры уплотняющих элементов и уплотняемой среды до 25 - 30^oC появились протечки величиной до 30 см³/ч в месте стыка антифрикционного кольца и кольцевого 6 мм пояска на базовой детали.

При последующих пусках и разогревах уплотняемой среды до 75 - 80^oC протечки прекращались (снижались до нуля), но при остановках и охлаждениях появлялись вновь.

После доработки уплотнения (уменьшении ширины пояска до 1,5 мм) протечки при остановке вала и снижении температуры до 25 - 30^oC прекратились. Это позволило сделать вывод, что причиной протечек послужила тепловая деформация базовой детали, которая не могла быть скомпенсирована в достаточной степени из-за увеличения ширины кольцевого пояска. Таким образом увеличение ширины пояска, решая проблему износа антифрикционного кольца, создает другие нежелательные проблемы.

Целью изобретения является повышение надежности и увеличение срока службы уплотнения путем предотвращения износа антифрикционного кольца по опорному торцу, а также снижение стоимости за счет уменьшения толщины антифрикционного кольца.

Достигается поставленная цель тем, что между антифрикционным и опорным кольцами устанавливается промежуточное кольцо, изготовленное из материала с более высоким пределом прочности, чем у материала антифрикционного кольца, причем на одном из контактирующих торцов промежуточного или антифрикционного кольца выполняется концентричная кольцевая канавка, соединенная с полостью высокого давления радиальными канавками. Для устранения протечек эти торцы притираются. Таким образом, антифрикционное кольцо будет опираться на широкую базу промежуточного кольца, будет разгружено с последним посредством концентричной кольцевой канавки и радиальных каналов и защищено от износа вследствие контактирования с твердым узким кольцевым пояском, расположенным на торце опорного кольца.

Такая конструкция уплотнения, предохраняя от износа антифрикционное кольцо, не только сохранит равновесие всех крутящих моментов, воздействующих на его поперечное сечение, но и позволит уменьшить толщину дорогостоящего антифрикционного кольца, а, следовательно, и габариты всего уплотнительного узла, снизит его стоимость.

На фиг. 1 показан продольный разрез, в котором уплотнительный узел, содержащий антифрикционное кольцо, выполнен невращающимся; на фиг. 2 - то же, вращающимся; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2.

Чертеж корпус 1 проходит вал 2. Комбинированный уплотнительный узел включает антифрикционное кольцо 3, выполненное из хрупкого с невысоким пределом прочности материала. Кольцо 3, взаимодействуя с уплотнительным элементом 4, образует подвижный уплотнительный контакт. Противоположным плоским широким торцом кольцо 3 опирается на торец промежуточного кольца 5, на котором выполнена кольцевая концентрическая канавка 6, соединенная радиальными канавками с полостью высокого давления (см. фиг. 3).

Плоскости соприкосновения (контакта) колец 3 и 5 изготовляются с плоскостностью и шероховатостью, аналогичной поверхностям уплотняющего подвижного контакта.

Кольцо 5, в свою очередь, контактирует с опорным кольцом 7. Контакт между ними происходит по узкому кольцевому пояску 8, который может быть выполнен либо на промежуточном кольце 5, либо на опорном кольце 7.

Протечки между кольцами 5 и 7 предотвращаются с помощью эластичного уплотнительного кольца 9. Вторичное уплотнение 10 предотвращает протечки между уплотнительным узлом, подвижным в осевом направлении, и корпусом.

Уплотнительный элемент 4 на фиг. 1 и опорное кольцо 7 на фиг. 2 уплотняются эластичным кольцом 11.

Для обеспечения первоначального прижатия подвижное в осевом направлении кольцо прижимается пружинами 12.

При вращении вала 2 между уплотнительными элементами 3 и 4 образуется уплотняющий подвижный контакт.

Благодаря контакту между кольцами 5 и 7 по кольцевому пояску 8, ширина которого значительно меньше уплотнительного пояска антифрикционного кольца (а расположен он в диаметральных пределах входной кромки уплотнительного пояска и вторичного уплотнения 10), окружающие условия (высокие переменные температура и давление) существенно не влияют на форму уплотняющего подвижного контакта.

Кольцевой поясок 8, выполненный на опорном или промежуточном кольце, не соприкасается с антифрикционным кольцом 3, выполненным из относительно хрупкого материала с невысоким пределом прочности, что предохраняет последнее от преждевременного износа.

Кольцевая канавка 6 с радиальными каналами, соединяющими ее с емкостью высокого давления, разгружает кольца 3 и 5, создавая свободу их радиального расширения.

Таким образом, не нарушая стабильности работы уплотнения, данное техническое решение значительно увеличивает надежность и срок службы последнего, одновременно снижая его стоимость.