МЕХАНИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ И ЕГО УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ КОЛЬЦО
MECHANICAL SEAL AND ITS O-RING

Область техники
Настоящее изобретение относится к механическому уплотнению в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения и уплотнительному кольцу в соответствии с ограничительной частью п. 10 формулы изобретения.
Уровень техники
Механические уплотнения получают все большее признание в различных применениях уплотнения валов. Механические уплотнения находят применение в различных насосах, смесителях и мешалках. Механические уплотнения имеют сравнительно простую конструкцию, они выдерживают высокие температуры, а их технический уход и обслуживание относительно просты. Однако их срок службы, как и срок службы уплотнений других типов, трудно прогнозировать. К тому же совершенно невозможно осуществлять какой-либо визуальный контроль состояния уплотнения. Поэтому предшествующий уровень техники включает множество документов, которые описывают текущий контроль состояния механического уплотнения.
В патенте США №6065345 описан способ текущего контроля состояния механического уплотнения в устройстве, содержащем вращающуюся часть, в частности в насосе, которая содержит вращающийся вал для перемещения текучей среды, уровень производимого шума уплотнения непрерывно измеряют в дискретные моменты времени в рабочем состоянии устройства и из акустических сигналов получают по меньшей мере одно статистическое характеристическое значение. Целью вышеупомянутого патента является текущий контроль состояния скольжения уплотнения. Другими словами, если уплотнение начинает высыхать, т.е. по какой-то причине промывка работает ненадлежащим образом, акустическая эмиссия из уплотнения изменяется в зависимости от состояния смазочной пленки. Упомянутый патент США описывает также влияние скорости вращения насоса, температуры промывочной жидкости, давления перекачиваемой текучей среды и др. на акустическую эмиссию уплотнения, при этом акустическая эмиссия может изменяться даже если бы условия скольжения не изменялись.
В патенте США №6360610 описаны система и способ, которые в частности пригодны для текущего контроля зоны контакта двух смазываемых жидкостью поверхностей механического уплотнения. Упомянутая система осуществляет текущий контроль зоны контакта посредством использования источника волн для создания ультразвуковой сдвиговой волны, направления упомянутой волны к упомянутой зоне контакта, обнаружения упомянутой волны после ее взаимодействия в упомянутой зоной контакта и сравнения обнаруженной волны с заданными характеристиками волны. На основе упомянутого сравнения может быть выдан сигнал предупреждения. Упомянутый сигнал предупреждения может означать, что механическое уплотнение выходит из строя. В предпочтительном примере, упомянутый подход включает обнаружение разрушения смазочной пленки между поверхностями уплотнения и обнаружение чрезмерного контакта неровности. Разрушение смазочной пленки и чрезмерный контакт неровности являются предшественниками отказа уплотнения. Ультразвуковой преобразователь размещают за одной из поверхностей уплотнения и используют для создания ультразвуковых сдвиговых волн (с известной чистотой и амплитудой), которые распространяются к зоне контакта между двумя поверхностями уплотнения. Посредством текущего контроля амплитуд волн, передаваемых через или отражаемых зоной контакта, можно определять разрушение пленки и степень контакта между упомянутыми поверхностями.
Еще одним документом, описывающим состояние пленки текучей среды между поверхностями скольжения, является публикация GB 2430034 А. Она раскрывает систему текущего контроля состояния, использующую по меньшей мере одно устройство, чувствительное к акустической эмиссии, для того чтобы опосредованно и/или дистанционно осуществлять текущий контроль технического состояния части вращающегося оборудования, и использование упомянутого устройства применительно, например, к механическому уплотнению или подшипниковому узлу. Упомянутое устройство, чувствительное к акустической эмиссии, может быть размещено в прямом или непрямом контакте с противоположными вращающимися поверхностями. Сигнал, излучаемый упомянутым устройством, чувствительным к акустической эмиссии, может быть усилен, отфильтрован от фонового шума, подвергнут компьютерной обработке, сравнен с контрольными значениями и сохранен в устройстве хранения данных.
В патенте США №8527214 описано механическое устройство, показывающее степень износа поверхностей скольжения механического уплотнения. Описанное механическое устройство, с одной стороны, представляет собой простое устройство, измеряющее физическое осевое перемещение уплотнительного кольца вследствие износа, но с другой стороны, в большинстве применений на практике его довольно трудно разместить так в соединении с механическим уплотнением. В частности, также трудно разместить следящий элемент так, чтобы он находился в механическом контакте с держателем подвижного уплотнительного кольца, осевое перемещение которого нужно измерять, как описано в данном патенте.
Другими словами, вышеописанный известный уровень техники описывает либо ненормальные рабочие условия, в которых смазка поверхностей механического уплотнения прекратилась или вот-вот прекратится, либо износ в нормальных рабочих условиях. Однако текущий контроль износа в нормальных рабочих условиях требует, в соответствии с известным уровнем техники, такого устройства, которое, хотя и является в принципе простым, трудно сконструировать, и предполагает высокий риск функционального сбоя, поскольку следящий элемент, описанный в упомянутом патенте США №8527214, также подвержен износу.
Таким образом, целью настоящего изобретения является решение по меньшей мере одной из вышеописанных проблем.
Другой целью настоящего изобретения является повышение надежности и возможности прогнозирования работы механического уплотнения.
Другой целью настоящего изобретения является создание механического уплотнения, снабженного надежным и простым средством для текущего контроля износа механического уплотнения в нормальных рабочих условиях.
Сущность изобретения
По меньшей мере одна из упомянутых целей настоящего изобретения достигается по существу, как описано в независимых пунктах формулы изобретения и в других пунктах формулы изобретения, описывающих дополнительные детали других вариантов осуществления изобретения.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения механическое уплотнение, содержащее подвижную часть и неподвижную часть, причем упомянутая подвижная часть образована по меньшей мере из подвижного уплотнительного кольца, содержащего второй торец с площадью и подвижной поверхностью скольжения, и из держателя подвижного уплотнительного кольца, а упомянутая неподвижная часть образована по меньшей мере из неподвижного уплотнительного кольца, содержащего второй торец с площадью и неподвижной поверхностью скольжения, и из держателя неподвижного уплотнительного кольца, причем упомянутое механическое уплотнение содержит элемент, изменяющий упомянутую площадь упомянутого второго торца одного из подвижного уплотнительного кольца и неподвижного уплотнительного кольца, и датчик, предусмотренный в сообщении с упомянутым механическим уплотнением, причем упомянутый датчик представляет собой один из акустического датчика, датчика вибрации и датчика ускорения.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения упомянутое уплотнительное кольцо для механического уплотнения, причем упомянутое уплотнительное кольцо содержит внутреннюю периферийную поверхность, внешнюю периферийную поверхность, первый торец и второй торец с поверхностью скольжения и площадью, и элемент, изменяющий упомянутую площадь упомянутого второго торца уплотнительного кольца, причем упомянутый элемент расположен в или на по меньшей мере упомянутой внутренней периферийной поверхности.
Это обеспечивает механическое уплотнение со значительно повышенной надежностью.
Примерные варианты осуществления изобретения, представленные в данной заявке на патент, не следует воспринимать как накладывающие ограничения применимости прилагаемой формулы изобретения. Глагол «содержать» используется в данной заявке на патент как открытое ограничение, которое не исключает наличия также и неупомянутых признаков. Признаки, упомянутые в зависимых пунктах формулы изобретения, могут быть использованы в произвольных комбинациях, если явно не оговорено иное. Новые признаки, которые рассматриваются в качестве характеристики изобретения, изложены в частности в прилагаемой формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Ниже механическое уплотнение и уплотнительное кольцо настоящего изобретения будут описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые примерные схематические чертежи, на которых:
Фиг. 1 - общее изображение известного из уровня техники механического уплотнения;
Фиг. 2 - механическое уплотнение в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 - увеличенный разрез части механического уплотнения, показанного на Фиг. 2;
Фиг. 4 - увеличенный разрез части механического уплотнения в соответствии с вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 5 - увеличенный разрез части механического уплотнения в соответствии с третьим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 6 - увеличенный разрез части механического уплотнения в соответствии с четвертым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 7 - увеличенный разрез части механического уплотнения в соответствии с пятым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 8 - увеличенный разрез части механического уплотнения в соответствии с шестым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения; и
Фиг. 9 - увеличенный разрез части механического уплотнения в соответствии с седьмым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Фиг. 1 схематично и в качестве примера показывает одинарное механическое уплотнение 10, хотя настоящее изобретение, естественно, применимо также к двойному механическому уплотнению. Механическое уплотнение 10 используется для уплотнения вала 12, например, потоковой машины так, что внутреннее пространство потоковой машины с левой стороны от уплотнения отделено от атмосферы с правой стороны от уплотнения. Механическое уплотнение 10 расположено в уплотнительной камере 14, расположенной в специальном корпусе 16 уплотнения или в крышке корпуса потоковой машины.
В соответствии с Фиг. 1 и 2, механическое уплотнение 10 содержит подвижную часть 18 и неподвижную часть 32. Подвижная часть 18 содержит удерживающее кольцо 20, держатель 22 подвижного уплотнительного кольца, подвижное уплотнительное кольцо 24, по меньшей мере один установочный винт 26, одну или более пружин 28 и уплотняющее кольцо 30. Неподвижная часть 32 содержит держатель 34 неподвижного уплотнительного кольца, неподвижное уплотнительное кольцо 36, корпусную часть 38, уплотняющие кольца 40 и 42, направляющий штифт 44, сальниковое кольцо 46 и болты 48. Упомянутое уплотнение собирают на валу 12 так, что удерживающее кольцо 20, включающее упомянутую по меньшей мере одну пружину 28, закрепляют на валу 12 в надлежащем положении посредством упомянутого по меньшей мере одного установочного винта 26. Затем держатель 22 подвижного уплотнительного кольца с подвижным уплотнительным кольцом 24 продвигают на вал так, что держатель 22 подвижного уплотнительного кольца остается плавающим на валу 12 посредством опоры уплотняющего кольца 30. Затем неподвижное уплотнительное кольцо 36 с его держателем 34 и корпусной частью 38 с ее уплотняющими кольцами 40 и 42 устанавливают на валу 12 к опоре корпуса 16 уплотнения и прикрепляют к нему посредством сальникового кольца 46 и болтов 48.
В соответствии с Фиг. 3, подвижное уплотнительное кольцо 24 содержит первый торец 50, который расположен в седле в держателе 22 подвижного уплотнительного кольца (см. Фиг. 2), и второй торец 52 с площадью и поверхностью скольжения, при использовании обращенной к поверхности скольжения неподвижного уплотнительного кольца 36. Кольцевая канавка 54 предусмотрена на внешней периферийной поверхности 56 подвижного уплотнительного кольца 24 на осевом расстоянии d от второго торца 52 подвижного уплотнительного кольца 24. Фиг. 3 показывает также другую, дополнительную кольцевую канавку 58, предусмотренную на внутренней периферийной поверхности 60 подвижного уплотнительного кольца 24. Обе канавки 54 и 58 расположены напротив друг друга, т.е. их осевые расстояния d от второго торца 52 подвижного уплотнительного кольца одинаковые. Держатель 34 неподвижного уплотнительного кольца снабжен одним, предпочтительно, но необязательно пьезоэлектрическим датчиком 62, который находится в проводном или беспроводном сообщении с внешним устройством, осуществляющим текущий контроль, возможно помимо прочего, технического состояния механического уплотнения. Датчик 62 представляет собой одно из датчика акустической эмиссии, датчика ускорения, указанные только в качестве примера без какого-либо намерения ограничить объем патента только перечисленными датчиками. Для осуществления настоящего изобретения могут быть использованы датчики и устройства обработки данных, описанные в публикации GB 2439934 А.
В соответствии с Фиг. 4, неподвижное уплотнительное кольцо 36' содержит первый торец 64, который расположен в седле в держателе 34 неподвижного уплотнительного кольца, и второй торец 66 с площадью и поверхностью скольжения, при использовании обращенной к поверхности скольжения подвижного уплотнительного кольца 24'. Кольцевая канавка 68 предусмотрена на внешней периферийной поверхности 70 неподвижного уплотнительного кольца 36' на расстоянии d' от второго торца 66 неподвижного уплотнительного кольца 36'. Фиг. 4 показывает также другую, дополнительную кольцевую канавку 72, предусмотренную на внутренней периферийной поверхности 74 неподвижного уплотнительного кольца 36'. Обе канавки 68 и 72 расположены напротив друг друга, т.е. их осевые расстояния d' от второго торца подвижного уплотнительного кольца одинаковые. Держатель 34 неподвижного уплотнительного кольца снабжен датчиком 62, который находится в проводном или беспроводном сообщении с внешним устройством, осуществляющим текущий контроль технического состояния механического уплотнения. Датчик 62 представляет собой один из датчика акустической эмиссии, датчика ускорения и датчика вибрации, указанные только в качестве примера без какого-либо намерения ограничить объем патента только перечисленными датчиками. Для осуществления настоящего изобретения могут быть использованы датчики и устройства обработки данных, описанные в публикации GB 2439934 А.
С учетом вышеописанных вариантов осуществления необходимо понимать, что, во-первых, кольцевая канавка в уплотнительном кольце может быть расположена на внутренней и/или внешней периферийной поверхности уплотнительного кольца, а во-вторых, что упомянутая канавка/канавки могут быть расположены или в подвижном или в неподвижном уплотнительном кольце. Что касается формы канавки, то она имеет несколько практических ограничений. Предпочтительно, но совсем необязательно, упомянутая канавка является V-образной или, во всяком случае, такой, что открывается к огибающей поверхности уплотнительного кольца, т.е. угол β между боковой поверхностью 54' канавки (со стороны второго торца 52 уплотнительного кольца) и периферийной поверхностью 56 уплотнительного кольца 24 (см. Фиг. 3) является тупым. Такое решение объясняется тем, что если вышеупомянутый угол β тупой, то износ уплотнительного кольца не приводит к отделению каких-либо больших частиц от края канавки, когда износ уплотнительного кольца достигает канавки. Очевидно, что если бы вышеупомянутый угол был острым, то кольцевая часть отделялась бы от края канавки, поскольку в таком случае нижняя, или во всяком случае более глубокая часть канавки проходит ближе к второму торцу уплотнительного кольца, чем край канавки.
Вышеописанное уплотнительное устройство функционирует так, что когда уплотнительное кольцо, содержащее вышеупомянутую канавку или канавки, изнашивается до края канавки, дальнейший износ уплотнительного кольца приводит к уменьшению площади (поверхности, перпендикулярной оси уплотнительного кольца) поверхности скольжения, т.е. второго торца уплотнительного кольца. Вследствие этого уменьшение площади второго торца или поверхности скольжения (уплотнительного кольца, содержащего канавку/канавки) приводит к изменению частоты акустической эмиссии из противоположных поверхностей скольжения. В зависимости от площади поверхности скольжения изменяется также частота вибрации уплотнительного кольца. Датчик 62 передает соответствующую информацию, например, данные о частоте, или периодически или непрерывно во внешнее устройство, называемое блоком управления, осуществляющее текущий контроль технического состояния механического уплотнения, которое работает в соответствии с заданной программой. Другими словами, внешнее устройство или блок управления принимает данные о частоте, поскольку механическое уплотнение было установлено и, например, потоковая машина была приведена в действие. Упомянутые данные, т.е. данные из ненормально работающих условий, регистрируются или обрабатываются так, что блок управления снабжается информацией о частоте в допустимом рабочем диапазоне потоковой машины. Теперь, когда блок управления сообщает, что информация, т.е. данные о частоте, принятые из уплотнения, вышла за пределы допустимого рабочего диапазона, и возможно продолжает изменяться в направлении от допустимого рабочего диапазона, блок управления может, например, выполнять одну или более из следующих задач: включить сигнальную лампу, выдать звуковой сигнал, заказать новое уплотнение или послать сообщение обслуживающему персоналу.
Вышеописанная функция может быть осуществлена с использованием нескольких дополнительных устройств, как будет описано в приведенных ниже чертежах.
Фиг. 5 показывает увеличенный разрез части механического уплотнения в соответствии с третьим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. В данном случае неподвижное уплотнительное кольцо 76 снабжено внутренним ребром 78 на его внутренней периферийной поверхности. Признаком, существенны для работы данного варианта осуществления настоящего изобретения, является то, что внутренняя периферийная поверхность подвижного уплотнительного кольца 80 проходит ближе к оси уплотнения, чем внутренняя периферийная поверхность неподвижного уплотнительного кольца, так что когда неподвижное уплотнительное кольцо изнашивается до ребра, ребро также начинает изнашиваться. В данном случае увеличение площади второго торца неподвижного уплотнительного кольца вызывает изменение частоты акустической эмиссии или вибрации из противоположных поверхностей скольжения. Конечно, очевидно, что упомянутое ребро может быть также расположено на внешней периферийной поверхности неподвижного уплотнительного кольца, при условии, что внешняя периферийная поверхность подвижного уплотнительного кольца проходит дальше от оси, чем внешняя периферийная поверхность неподвижного уплотнительного кольца. Кроме того, упомянутое ребро может быть размещено на обеих сторонах неподвижного уплотнительного кольца, точно так же как канавка в вышеописанных вариантах осуществления. Кроме того, очевидно, что упомянутое ребро может быть размещено на внутренней и/или внешней периферийной поверхности подвижного уплотнительного кольца, при этом внутренняя и/или внешняя периферийная поверхность неподвижного уплотнительного кольца должна проходить дальше от оси, чем внутренняя и/или внешняя периферийная поверхность подвижного уплотнительного кольца.
Фиг. 6 показывает увеличенный разрез части механического уплотнения в соответствии с четвертым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. В данном случае подвижное уплотнительное кольцо 82 снабжено на своей внутренней периферийной поверхности по меньшей мере одним выступом или выпуклостью 84, которая, когда неподвижное уплотнительное кольцо изношено до некоторой степени, сходится с поверхностью подвижного уплотнительного кольца 80 и вызывает изменение частоты акустической эмиссии из противоположных поверхностей скольжения. В случае использования множества выпуклостей, упомянутое множество выпуклостей предпочтительно размещается на одной окружности, т.е. на одинаковом расстоянии от поверхности скольжения. Конечно, очевидно, что выпуклость/выпуклости могут быть расположены также на внешней периферийной поверхности неподвижного уплотнительного кольца, при условии, что внешняя периферийная поверхность подвижного уплотнительного кольца проходит дальше от оси, чем внешняя периферийная поверхность неподвижного уплотнительного кольца. Кроме того, выпуклость/выпуклости могут быть размещены на обеих сторонах неподвижного уплотнительного кольца, точно так же как канавки в вышеописанных вариантах осуществления. Кроме того, очевидно, что выпуклость/выпуклости могут быть также размещены на внутренней и/или внешней периферийной поверхности подвижного уплотнительного кольца, при этом внутренняя и/или внешняя периферийная поверхность неподвижного уплотнительного кольца должна проходить дальше от оси, чем внутренняя и/или внешняя периферийная поверхность подвижного уплотнительного кольца.
Другими словами, в третьем и четвертом вариантах осуществления настоящего изобретения поверхность скольжения уплотнительного кольца, обращенная к уплотнительному кольцу, содержащему ребро/ребра или выпуклость/выпуклости, изменяющие площадь второго торца уплотнительного кольца, должна иметь радиальное удлинение в том же направлении, внутрь или наружу, в котором проходит ребро/ребра или выпуклость/выпуклости. Упомянутое радиальное удлинение должно быть по меньшей мере равно радиальной высоте ребра/ребер или выпуклости/выпуклостей.
Фиг. 7 показывает увеличенный разрез части механического уплотнения в соответствии с пятым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. В данном случае неподвижное уплотнительное кольцо 36', содержащее канавку/канавки 72, хотя наличие канавки/канавок или любого другого элемента, изменяющего поперечное сечение неподвижного уплотнительного кольца, в неподвижном уплотнительном кольце 36' не является обязательным признаком для работы изобретения, причем канавка или канавки могут быть также предусмотрены в подвижном уплотнительном кольце, снабжено датчиком 86 акустической эмиссии, ускорения или вибрации с его проводкой 88, проходящей через просверленное отверстие в держателе 34 неподвижного уплотнительного кольца.
Фиг. 8 показывает увеличенный разрез части механического уплотнения в соответствии с шестым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. В данном случае датчик 86 акустической эмиссии, ускорения или вибрации предусмотрен на торце держателя 34 неподвижного уплотнительного кольца, а не на его внешней периферийной поверхности, как показано на Фиг. 3-6.
Фиг. 9 показывает увеличенный разрез части механического уплотнения в соответствии с седьмым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. В данном случае держатель неподвижного уплотнительного кольца и неподвижное уплотнительное кольцо 90 выполнены из одного и того же материала, вследствие чего отдельный держатель уплотнительного кольца отсутствует, и уплотнительное кольцо способно выполнять задачи как уплотнительного кольца, так и его держателя. Датчик 86 акустической эмиссии, ускорения или вибрации прикреплен к торцу уплотнительного кольца 90, однако упомянутый датчик может быть также размещен на внешней периферийной поверхности неподвижного уплотнительного кольца 90.
Что касается материала подвижного и неподвижного уплотнительных колец, предпочтительным, но необязательным признаком настоящего изобретения, является то, что материал уплотнительного кольца, содержащего канавку/канавки, ребро/ребра или выпуклость/выпуклости, более мягкий, чем материал противоположной поверхности скольжения. Таким образом, в большей степени изнашивается материал уплотнительного кольца, содержащего канавку/канавки, ребро/ребра или выпуклость/выпуклости, а не материал противоположного уплотнительного кольца.
Необходимо также понимать, что датчик акустической эмиссии, датчик ускорения или датчик вибрации может быть расположен в любом таком участке или месте, где он способен собирать информацию от износа уплотнительного кольца/колец. Другими словами, такой датчик может быть размещен не только в непосредственном соединении с уплотнительным кольцом или держателем уплотнительного кольца, но также и в стенке корпуса уплотнения, в крышке насоса или корпусе смесителя или во фланце, используемом для прикрепления уплотнения к потоковой машине, указанных только в качестве примеров без какого-либо намерения ограничить объем изобретения перечисленными вариантами. Другими словами, выражение «в сообщении с механическим уплотнением» в п. 1 формулы относится ко всем таким положениям в потоковой машине, где акустическая эмиссия, ускорение или вибрация уплотнительного кольца может быть зарегистрирована посредством соответствующего датчика.
Хотя изобретение описано в данном документе посредством примеров со ссылкой на варианты осуществления, рассматриваемые на данный момент как наиболее предпочтительные, необходимо понимать, что изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, и включает различные комбинации или модификации его признаков и некоторые другие применения, включенные в объем изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения. Детали, упомянутые в связи с любым вышеописанным вариантом осуществления, могут быть использованы в соединении с другим вариантом осуществления, если такая комбинация технически осуществима.