СИСТЕМА УПЛОТНЕНИЯ НЕСМАЗЫВАЕМЫХ ШАРНИРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
SYSTEM FOR COMPACTION OF NON-GREASED HINGE JOINTS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к шарнирному соединению для механического оборудования. В частности, настоящее изобретение относится системам уплотнения шарнирного соединения для механического оборудования, например, строительного оборудования, землеройного орудия экскаватора и т.п.
Предпосылки создания изобретения
Шарнирные соединения для механического оборудования подразделяются на два вида. Подвижные соединения, когда элементы конструкции перемещаются относительно друг друга и неподвижные соединения, когда отсутствует перемещение элементов конструкции. Подвижные соединения способны перемещаться вперед и назад, совершая колебательное движение. В некоторых случаях это движение приводит к трению и износу, способных ограничить срок службы шарнирного соединения. Следовательно, в отрасли техники, к которой относится данное изобретение, осуществлялась разработка способов, ограничивающих данное трение и продлевающих срок службы шарнирного соединения.
В целях прекращения использования жидкого смазочного вещества в шарнирных соединениях разрабатывались самосмазывающиеся подшипники, однако для защиты данных подшипников отсутствуют надежные системы уплотнения. Также разрабатывались манжетные уплотнения, содержащие оболочку из стали или каркас с одинарной кромкой из уретана для защиты поверхности сопряжения шкворень-подшипник. Однако данные уплотнения неэффективны и не выдерживают длительного срока службы при отсутствии смазки. Это может привести к поломке шарнирного соединения и незапланированному простою машины.
В этой связи требуется разработка более совершенной системы уплотнения для самосмазывающихся подшипников в подвижном шарнирном соединении механического оборудования.
Краткое изложение существа изобретения
Предлагается узел уплотнения, содержащий элемент из пеноматериала и упорную шайбу, которая простирается от элемента из пеноматериала и содержит недеформируемый материал.
Предлагается узел уплотнения, содержащий: внешний недеформируемый элемент, внутренний недеформируемый элемент и элемент из пеноматериала с закрытыми порами, размещенный между внутренним и внешним недеформируемыми элементами.
Предлагается шарнирное соединение для машины, которое содержит: элемент конструкции с отверстием под шкворень; гнездо подшипника с отверстием под подшипник; самосмазывающийся подшипник с отверстием под шкворень; и шкворень, который размещается в отверстиях подшипника и элемента конструкции. Шарнирное соединение дополнительно содержит узел уплотнения, расположенный в отверстии под подшипник гнезда подшипника; узел уплотнения, содержащий элемент из микропористого пеноматериала с закрытыми порами и первый недеформируемый элемент.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, представлен вид спереди узла уплотнения содержащего внутренние и внешние недеформируемые элементы, образующие трехслойную структуру с элементом из пеноматериала.
На фиг. 2 представлен вид в разрезе по линии 2-2 узла уплотнения, изображенного на фиг. 1.
На фиг. 3, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, представлен вид спереди узла уплотнения, содержащего элемент из пеноматериала и недеформируемый элемент, который простирается из элемента, изготовленного из пеноматериала.
На фиг. 4 представлен вид в разрезе по линии 4-4 узла уплотнения, изображенного на фиг. 3.
На фиг. 5 представлен альтернативный вариант узла уплотнения, изображенного на фиг. 4, с полкой.
На фиг. 6 представлен альтернативный вариант узла уплотнения, изображенного на фиг. 4, с полкой и выступом, содержащим плоский свободный конец.
На фиг. 7 представлен альтернативный вариант узла уплотнения, изображенного на фиг. 4, с полкой и выступом, содержащим остроконечный свободный конец.
На фиг. 8 представлен вид в разрезе шарнирного соединения для машины, которая использует узел уплотнения, изображенный на фиг. 1 и 2.
На фиг. 9 представлен вид в разрезе шарнирного соединения для машины, которая использует узел уплотнения, изображенный на фиг. 3 и 4.
Подробное описание изобретения
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, на фиг. 1 представлен узел уплотнения 100, содержащий: внешний недеформируемый элемент 102; внутренний недеформируемый элемент 104; и элемент 106 из пеноматериала, расположенный в радиальном направлении или иным образом помещенный между внутренним и внешним недеформируемыми элементами 104, 102. Элемент 106 из пеноматериала может изготавливаться из любого типа пеноматериала с закрытыми порами, например, микропористого полиуретанового эластомера. Недеформируемые элементы 102, 104 могут содержать армированные ПТФЭ волокна или другой недеформируемый материал, например, нейлон. Как будет показано ниже более подробно, применяемый элемент 106 из пеноматериала, подвергается сжатию между первым и вторым недеформируемыми элементами 102, 104, но остается подвижным относительно этих недеформируемых элементов. Иными словами, элемент 106 из пеноматериала не обязательно соединен с внутренним и внешним недеформируемыми элементами 102, 104.
Другими примерами недеформируемых материалов, которые могут быть использованы в качестве недеформируемых элементов 104, 102 являются: стеклонаполненный ПТФЭ, ненаполненный ПТФЭ, промасленный нейлон (PA), POM (полиоксиметилен), PEEK, PAI, PPS, PI, PPA, стеклокомпозит, углеволокнистый композит, сталь, бронза, сталь с алмазоподобным покрытием, сталь с покрытием из бора-алюминия-магния, сталь с покрытием из нитрида хрома, жесткий полиуретан, промасленный порошкообразный металл и т.д. В некоторых случаях, материал также может представлять собой самосмазывающийся материал, но не обязательно. Для этой цели может использоваться любой подходящий недеформируемый материал, способствующий созданию соответствующего уплотнения.
Как показано на фиг. 2, в элементе 106 из пеноматериала образована первая выемка 108, способная вмещать первый недеформируемый элемент 102, и дополнительно образована вторая выемка 110, способная вмещать второй недеформируемый элемент 104. В этом варианте осуществления, весь узел симметричен относительно радиальных плоскостей вдоль радиального направления R (см. фиг. 1) и радиальной плоскости AP, выровненной по центру относительно узла вдоль продольной оси A узла уплотнения 100 и перпендикулярен этой оси (см. фиг. 2). Вообще, узел уплотнения 100 имеет в целом кольцевой профиль, образованный вращением тела с поперечным сечением, изображенным на фиг. 2, относительно продольной оси A. Возможны и другие несимметричные варианты.
Как показано на фиг. 2, выемкам 108, 110 придан дополнительный профиль внутренних поверхностей 112 на внутреннем и внешнем недеформируемых элементах 102, 104, который образует кольцевую канавку в направлении вдоль продольной оси А, предотвращающую отделение элемента 106 из пеноматериала и недеформируемых элементов 102, 104 друг от друга после сборки. Представлена криволинейная поверхность сопряжения, но возможны и другие поверхности сопряжения, которые обсуждаются ниже в отношении других вариантов осуществления. Как будет описано ниже, криволинейная внутренняя поверхность 112 каждого из недеформируемых элементов 102, 104 оканчивается цилиндрической внешней поверхностью 114, которая сопрягается с конструктивными компонентами шарнирного соединения или шкворневого соединения. Профили данных поверхностей могут изменяться по желанию или при необходимости. Элемент 106 из пеноматериала несколько утоплен вдоль продольной оси А относительно недеформируемых элементов 102, 104, что способствует защите элемента 106 из пеноматериала при смещении элементов конструкции и подшипника, часто возникающих в шкворневых соединениях.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, узел уплотнения 200 представлен на фиг. 3. Узел уплотнения 200 имеет радиальное направление и продольную ось. Узел уплотнения 200 содержит элемент 202 из пеноматериала и упорную шайбу 204, которая простирается в радиальном направлении от элемента 202 из пеноматериала, а элемент из пеноматериала, по меньшей мере, частично размещается между упорной шайбой и радиальным направлением вдоль продольной оси. Упорная шайба 204 также может рассматриваться как недеформируемый элемент, поскольку она может содержать недеформируемый материал, например, стекловолокно и эпоксидную композицию.
Другими примерами недеформируемых материалов, которые могут быть использованы для упорной шайбы 204 являются: стеклонаполненный ПТФЭ, ненаполненный ПТФЭ, промасленный нейлон (PA), POM (полиоксиметилен), PEEK, PAI, PPS, PI, PPA, стеклокомпозит, углеволокнистый композит, сталь, бронза, сталь с алмазоподобным покрытием, сталь с покрытием из бора-алюминия-магния, сталь с покрытием из нитрида хрома, жесткий полиуретан, промасленный порошкообразный металл и т.д. В некоторых случаях материал также может представлять собой самосмазывающийся материал, но не обязательно. Для этой цели может использоваться любой подходящий недеформируемый материал, способствующий созданию соответствующего уплотнения.
Как показано на фиг. 4, в элементе 202 из пеноматериала выполнена первая выемка 206, способная вмещать упорную шайбу 204. В этом варианте осуществления, весь узел 200 симметричен относительно радиальных плоскостей вдоль радиального направления R (см. фиг. 3) и радиальной плоскости AP, выровненной по центру относительно узла 200 вдоль продольной оси A узла уплотнения 200 (см. фиг. 4). Вообще, узел уплотнения 200 имеет в целом кольцевой профиль, образованный вращением тела с поперечным сечением относительно продольной оси A, изображенный на фиг. 4. Возможны и другие несимметричные варианты. В этом варианте осуществления, выемка 206 имеет прямоугольный профиль и заполняется путем наложения элемента 202 из пеноматериала на упорную шайбу 204. Эти два компонента могут соединяться вместе. При ручной сборке компонентов это необязательно.
На фиг. 5-7 представлено поперечное сечение различных вариантов конструкций узлов уплотнения 200’, 200’’, 200’’’, аналогичные описанным на фиг. 3 и 4. Для данных вариантов осуществления, элемент 202’, 202’’, 202’’’ из пеноматериала не имеет выемки для вмещения упорной шайбы, а взамен содержит компрессионный участок 208’, 208’’, 208’’’ и соединительный участок 210’, 210’’, 210’’’. Компрессионный участок 208’, 208’’, 208’’’ подвержен сжатию между структурными элементами и подшипником, в то время как соединительные участки 210’, 210’’, 210’’’ простираются от участка 208’, 208’’, 208’’’ и соединяют поверхность сопряжения 212’, 212’’, 212’’’ с упорной шайбой 204’, 204’’, 204’’’. В вариантах осуществления, представленных на РИС. 5-7, отсутствует соединение между элементом из пеноматериала и упорной шайбой.
Показанная на фиг. 5 поверхность сопряжения 212’ представляет собой цилиндрическую поверхность. Показанная на фиг. 6 поверхность сопряжения 212’’ содержит выступ 214’, простирающийся от соединительного участка 210’’, и имеющий прямоугольный профиль с цилиндрическим свободным концом 216. Показанная на фиг. 7 поверхность сопряжения 212’’’ содержит выступ 214’’, простирающийся от соединительного участка 210’’’, и имеющий остроконечный кольцеобразный свободный конец 218. Для сопряжения с соединительным участком 210’’’, присоединяемой поверхности сопряжения 212’’’, упорной шайбе 204’’’может быть придан дополнительный профиль. При наличии выступа 214’, 214’’ в упорной шайбе 204’’, 204’’’ выполняется выемка 220’, 220’’, способная вмещать выступ 214’, 214’’.
На фиг. 5-7 также показано, что полка 222’, 222’’, 222’’’ создается с помощью соединительного участка 210’, 210’’, 210’’’, который простирается от подвергаемого сжатию участка 208’, 208’’, 208’’’ элемента 202’, 202’’, 202’’’ из пеноматериала. В результате усилия, действующие в поперечном направлении вдоль продольной оси А узла уплотнения 200’, 200’’, 200’’’, создаются исключительно упорной шайбой 204’, 204’’, 204’’’, способствуя предотвращению смещения элемента 202’, 202’’, 202’’’ из пеноматериала. Это верно, поскольку полка 222’, 222’’, 222’’’' отстоит вдоль продольной оси А от осевых крайних точек 224’, 224’’, 224’’’ подвергаемого сжатию участка 208’, 208’’, 208’’’. В результате соединительный участок не взаимодействует с элементом конструкции или подшипником шкворневого соединения. Это станет яснее, при обсуждении шкворневого соединения со ссылкой на фиг. 9.
Как показано на фиг. 4-7 элемент 202, 202’, 202’’, 202’’’ из пеноматериала образует подвергаемые сжатию поверхности, предназначенные для контакта с различными компонентами шкворневого соединения. Подвергаемая сжатию внутренняя поверхность 226, 226’, 226’’, 226’’’ имеет цилиндрический профиль, а левая 228, 228’, 228’’, 228’’’ и правая 230, 230’, 230’’, 230’’’ сжимаемые поверхности имеют кольцеобразный профиль. Подвергаемый сжатию участок 208’, 208’’, 208’’’ также имеет внешнюю сжимаемую поверхность 232, 232’, 232’’, 232’’’ с цилиндрическим профилем. Упорная шайба 204, 204’, 204’’, 204’’’, изображенная на фиг. 4-7, содержит поверхность сопряжения 234, 234’, 234’’, 234’’’, радиальную внешнюю поверхность 236, 236’, 236’’, 236’’’ с цилиндрическим профилем и левую 238, 238’, 238’’, 238’’’ и правую 240, 240’, 240’’, 240’’’ упорные поверхности, которые имеют кольцевую форму для контакта с различными деталями шкворневого соединения.
Промышленная применимость
Данные узлы уплотнения применяются в шкворневых соединениях или шарнирных соединениях, которые используются для перемещения стрелы или рукояти ковша экскаватора или гусеничных лент на строительных или землеройных машинах и т.п., хотя и другие типы машин могут с успехом использовать данные шкворневые соединения.
На фиг. 8 представлено такое шкворневое соединение 300 для машины. Шкворневое соединение 300 содержит: элемент конструкции 302 с отверстием 304 под шкворень; гнездо 306 подшипника с отверстием 308 под подшипник; самосмазывающийся подшипник 310 с отверстием 312 под шкворень; шкворень 314, который размещается в отверстиях подшипника и элемента конструкции; и узел уплотнения 100, размещенный в отверстии 308 под подшипник гнезда 306 подшипника. Узел уплотнения 100 содержит элемент 106 из микропористого пеноматериала с закрытыми порами и первый и второй недеформируемые элементы 104, 102. Как показано, узел уплотнения 100 подобен узлу уплотнения, изображенному на фиг. 1 и 2, на котором элемент 106 из пеноматериала, размещен между первым и вторым недеформируемыми элементами 104, 102.
В частности, первый недеформируемый элемент представляет собой внутренний элемент 104, который напрессован на шкворень 314, и второй недеформируемый элемент 102, который запрессован в отверстие 308 под подшипник и контактирует с гнездом 306 подшипника. Для удержания узла уплотнения 100, на боковой стороне выполняется прессовая посадка. В качестве альтернативы, предполагается выполнение скользящей посадки между внутренним диаметром внутреннего недеформируемого элемента и шкворнем, и выполнение прессовой посадки между внешним диаметром внешнего недеформируемого элемента и гнездом подшипника. В случае отсутствия соединения между этими различными компонентами, и при выполнении прессовой посадки по внутреннему диаметру внутреннего жесткого элемента может иметь место смещение между пеноматериалом и внутренними и внешними недеформируемыми элементами.
Как показано, шкворневое соединение 300 симметрично относительно средней плоскости M. Следовательно, по обе стороны от средней плоскости M находятся два элемента конструкции 302, 302’ и уплотнительные узлы 100, 100’. Для других вариантов осуществления допускается другое исполнение. Предлагается пластина 316 с флажковым держателем, которая неподвижно прикреплена к элементу конструкции 302’ и шкворню 314, что способствует предотвращению любого смещения шкворня. Неподвижное крепление пластины 316 с флажковым держателем к шкворню осуществляется сваркой, а неподвижное крепление пластины к элементу конструкции осуществляется крепежным элементом (не показано). Возможны и другие способы удержания шкворня для предотвращения вращения. Предполагаются другие варианты осуществления, в которых имеет место некоторое смещение шкворня 314 во время поворота шкворневого соединения 300. В других дополнительных вариантах осуществления, недеформируемые элементы 102, 104 узла уплотнения 100 и самосмазывающийся подшипник 310 изготавливаются из одного и того же материала.
Для этого варианта осуществления, выполняется неподвижным элемент конструкции 302, а гнездо 306 подшипника подвижным относительно элемента конструкции. Для других вариантов осуществления может применяться обратное исполнение. Кроме того, узлы уплотнения 100, 100’ выполняются заподлицо или утопленными по сравнению с боковыми стенками 318 гнезда 306 подшипника вдоль продольной оси А, что способствует защите узла уплотнения 100, 100’ от повреждения. Создается препятствие проникновению мусора, воды, грязи и т.д. в отверстие 312 под шкворень подшипника 310 и приемное отверстие 308 подшипника гнезда 306 подшипника, что способствует продлению срока службы шкворневого соединения 300 без технического обслуживания. Однако не исключено притирание друг о друга гнезда 306 подшипника и элемента конструкции 302 во время перемещения шкворневого соединения 300.
Для предотвращения этого предлагается шкворневое соединение 400, изображенное на фиг. 9. Данное шкворневое соединение 400 выполнено аналогично соединению, описанному на фиг. 8, за исключением следующих отличий. Вместо используемого узла уплотнения, изображенного на фиг. 1 и 2, используется узел уплотнения 200, изображенный на фиг. 3-7. В этом варианте осуществления, элемент 202 из пеноматериала устанавливается между элементом конструкции 302 и подшипником 310. В частности, шкворень 314 определяет продольную ось А и радиальное направление R, а элемент 202 из пеноматериала преимущественно подвержен сжатию в радиальном направлении, но также может подвергаться сжатию в осевом направлении вдоль продольной оси А между элементом 302 конструкции и подшипником 310.
Более того, предлагается один недеформируемый элемент, выполняющий функцию упорной шайбы 204, которая присоединена к элементу 202 из пеноматериала и простирается между гнездом 306 подшипника и элементом конструкции 302. Это способствует предотвращению любого контакта между подвижным элементом и неподвижным элементом, способного вызвать шум или наволакивание метала при трении и т.д. Элемент 202 из пеноматериала также подвержен сжатию в радиальном направлении между гнездом 306 подшипника и шкворнем 314. Создается препятствие для проникновения мусора, воды, грязи и т.д. в отверстие 312 под шкворень подшипника 310 и приемное отверстие 308 подшипника гнезда 306 подшипника, что способствует продлению срока службы шкворневого соединения 400 без технического обслуживания. В частности, мусор не сможет проникать в участки, окружающие подшипник, или во внутренние участки подшипника 310 сквозь отверстие 304 под шкворень элемента конструкции 302 и зазор 320, расположенный между гнездом 306 подшипника и элементом 302 конструкции. В других дополнительных вариантах осуществления, упорная шайба 204 узла уплотнения 200 и самосмазывающийся подшипник 310 изготавливаются из одного и того же материала.
Хотя большинство обсуждаемых здесь вариантов осуществления представляют собой несмазываемые системы, однако и системы с жидкой смазкой, например, маслом, в определенных обстоятельствах совместимы с обсуждаемыми здесь узлами уплотнения и поэтому входят в объем настоящего изобретения. Кроме того, предполагается, что особенности исполнения узла уплотнения, изображенного на фиг. 3, могут быть использованы в узле уплотнения, изображенном на фиг. 1, например, применение упорной шайбы, которая простирается от внешнего недеформируемого элемента 102, для создания амортизации между элементом конструкции и гнездом подшипника.
Следует понимать, что приведенное выше описание содержит примеры конструкций и способов. Тем не менее, предполагается, что другие варианты реализации изобретения могут отличаться в деталях от вышеприведенных примеров. Все ссылки на раскрытие или примеры подразумевают ссылку на конкретный пример, обсуждаемый в этот момент, и не подразумевает каких-либо ограничений в отношении объема изобретения в более общем смысле. Все формулировки отличительных особенностей и пренебрежение определенными признаками предназначаются для указания на отсутствие предпочтения для данных признаков, а не для их полного исключения из объема изобретения, если не указано иное.
Перечисление диапазонов значений в основном служит для условного обозначения индивидуальной ссылки на каждое отдельное значение, попадающее в данный диапазон, если здесь не указано иное, а каждое отдельное значение включается в описание, как если бы оно было указано здесь отдельно.
Специалистам в данной области техники очевидно, что согласно изобретению, могут быть сделаны различные модификации и варианты устройств и способов сборки без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Другие варианты осуществления данного изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники в результате рассмотрения спецификации и практики использования различных вариантов осуществления, раскрытых в данном документе. Например, некоторое оборудование конструируется и функционирует иначе, чем описанное здесь, и определенные этапы любого метода могут пропускаться, выполняться в другом порядке, отличном от упомянутого, а в некоторых случаях выполняться одновременно или разбиваться на дополнительные стадии. Более того, могут осуществляться изменения или модификации некоторых аспектов или особенностей различных вариантов осуществления с созданием дополнительных вариантов осуществления, а особенности и аспекты различных вариантов осуществления могут добавляться или замещаться другими особенностями или аспектами других вариантов осуществления, предлагая дальнейшие варианты осуществления.
Соответственно, данное изобретение включает все модификации и эквиваленты предмета изобретения, изложенные в формуле изобретения, приложенной к данному документу в соответствии с действующим законодательством. Кроме того, любая комбинация вышеописанных элементов во всех их возможных вариантах охватывается настоящим описанием, если не указано иное или иным образом явно не противоречит контексту.