ВРАЩАЮЩЕЕСЯ УПЛОТНЕНИЕ С УЛУЧШЕННОЙ СМАЗКОЙ И СМЫВОМ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится в целом к вращающимся уплотнениям, предназначенным для формирования уплотнения между вращающимся элементом и неподвижным элементом, обеспечивающим удерживание смазки и исключение внешнего воздействия окружения. В частности, данное изобретение относится к упругим уплотнениям вращающегося вала, пригодным для гидродинамической смазки динамической уплотнительной поверхности раздела между упругим уплотнительным элементом и относительно вращаемой поверхностью и отклонения смазки с целью улучшения толщины пленки смазки на уплотнительной поверхности раздела и обеспечивания движения смазки в направлении окружения для смыва поверхности раздела и для обеспечения адекватной смазки всей динамической уплотнительной поверхности.
Уровень техники
Гидродинамически смазываемые уплотнения вращающегося вала, продаваемые фирмой Kalsi Engineering, Inc. of Sugar Land, Тех. под зарегистрированной торговой маркой "Kalsi Seals", используются для удерживания смазки и исключения внешнего воздействия окружения. На фиг.1 показано уплотнение, согласно уровню техники, выполненное в соответствии с принципами патентов США №№4610319 и 5230520, описание которых приводится здесь для пояснения различий между уровнем техники и данным изобретением. На фиг.1 показан разрез, представляющий форму профиля в не сжатом состоянии кольцеобразного упругого гидродинамического уплотнения 2 интерференционного типа, согласно уровню техники, выполненного с возможностью герметизации относительно вращаемой поверхности (не изображена) цилиндрической формы. При работе гидродинамическое уплотнение 2 устанавливается в круговую канавку для уплотнения (не изображена) и сжимается между противоположной поверхностью канавки и относительно вращаемой поверхностью и используется для отделения смазки от окружения. С точки зрения общей ориентации, поверхность 18 ориентирована в направлении смазки, а поверхность 20 ориентирована в направлении окружения. Поверхность 20 расположена так, что круговой динамический уплотнительный выступ 24
большей частью опирается на сторону стенки на стороне окружения для повышения сопротивления к выдавливанию.
Когда гидродинамическое уплотнение 2 установлено в круговую канавку для уплотнения, то статичная уплотнительная поверхность 40 кругового выступающего статичного уплотнительного выступа 22 прижимается к цилиндрической противоположной поверхности канавки. Выступающий круговой динамический уплотнительный выступ 24 задает динамическую уплотнительную поверхность 26, которая прижимается к относительно вращаемой поверхности. Круговая канавка для уплотнения имеет размеры, обеспечивающие удерживание гидродинамического уплотнения 2 прижатым к относительно вращаемой поверхности, с образованием герметизации между противоположной поверхностью канавки и относительно вращаемой поверхностью. При возникновении относительного вращения между круговой канавкой для уплотнения и относительно вращаемой поверхностью, гидродинамическое уплотнение 2 остается неподвижным относительно противоположной поверхности канавки, сохраняя ее статичную герметизацию, в то время как поверхность раздела между круговым динамическим уплотнительным выступом 24 и относительно вращаемой поверхностью становится динамической уплотнительной поверхностью раздела. Сторона окружения кругового динамического уплотнительного выступа 24 постепенно сходится с относительно вращаемой поверхностью за счет гидродинамического входа 32, который проходит по касательной к стороне 30 смазки в месте 68 касания и к динамической уплотнительной поверхности 26 в месте 70 касания. Место 68 касания и место 70 касания представлены пунктирными линиями, которые показывают пределы гидродинамического входа 32. Для целей иллюстрации направление относительного вращения принимается в направлении, указанном стрелкой 42. По отношению к направлению 42 относительного вращения, каждая волна 44 динамической уплотнительной поверхности 26 имеет переднюю кромку 46 и заднюю кромку 48. Положение гидродинамического входа 32 изменяется волнообразно по отношению к направлению 42 относительно вращения в результате прохождения по касательной к волнистой стороне 30 смазки. Гидродинамический вход 32 является простым продольно ориентированным радиусом, который имеет одинаковый размер как на передней кромке 46, так и на задней кромке 48.
Взаимосвязь круговой исключающей геометрии 34 и волнистой стороны 30 окружения кругового динамического уплотнительного выступа 24 обеспечивает динамическую уплотнительную поверхность 26 с изменяющейся шириной, включая максимальную ширину 28А и минимальную ширину 28В, что приводит к тому, что динамическая уплотнительная поверхность 26 имеет последовательности волн 44.
Ширина 38 статичной уплотнительной поверхности 40 приблизительно одинакова со средним значением ширины 28А и 28В для обеспечения приблизительной симметрии сжатия с целью минимизации вызываемого сжатием скручивания уплотнения.
В ответ на относительное вращение между гидродинамическим уплотнением 2 и относительно вращаемой поверхностью, изменяющее положение, постепенно сходящееся соотношение между стороной смазки кругового динамического уплотнительного выступа 24 и относительно вращаемой поверхностью создает гидродинамическое расклинивающий эффект, который вводит пленку смазки между динамической уплотнительной поверхностью 26 и относительно вращаемой поверхностью, и во время работы создает не значительную утечку смазки в окружение.
Резкая круговая исключающая геометрия 34 создает местное увеличение контактного давления между динамической уплотнительной поверхностью 26 и относительно вращаемой поверхностью, и не создает гидродинамического расклинивающего эффекта, что исключает проникновение окружения на динамическую уплотнительную поверхность раздела.
Описание проблемы
Пленка смазки на динамической уплотнительной поверхности раздела является тонкой и неравномерной по толщине по ширине динамической уплотнительной поверхности раздела. Результирующая смазка динамической уплотнительной поверхности 26 является неровной, и происходит шероховатый контакт поверхностей, в результате чего происходит износ истирания между динамической уплотнительной поверхностью 26 и относительно вращаемой поверхностью. Наибольшая толщина пленки возникает в направлении стороны смазки динамической уплотнительной поверхности раздела, а наименьшая - в направлении стороны окружения.
Толщина пленки и получаемая смазка динамической уплотнительной поверхности 26 является наибольшей в области волн 44 динамической уплотнительной поверхности 26, поскольку большая часть смазки, вклиниваемой на динамическую уплотнительную поверхность раздела у передней кромки 46, попросту утекает наружу у задней кромки 48, и лишь небольшая часть принудительно направляется к круговой исключающей геометрии 34. В результате, ширина 28b динамической уплотнительной поверхности 26 смазывается не так хорошо, как волны 44.
Хотя уплотнения, согласно уровню техники, имеют адекватные характеристики во многих областях применения, имеется множество областей применения, где требуется увеличенная толщина пленки смазки и/или утечка смазки. Например, если скорость
вращения относительно небольшая, а ширина 28b динамической уплотнительной поверхности 26 относительно велика, и вязкость смазки относительно мала, то смазка, согласно уровню техники, может быть маргинальной. В других применениях более толстая пленка обеспечивает лучшее охлаждение и позволяет работать с более высокой скоростью и использовать более жидкую смазку, а более высокая скорость утечки увеличивает смывающее загрязнения действие.
Сущность изобретения
Данное изобретение относится к улучшенному упругому кольцеобразному гидродинамическому вращающемуся уплотнению интерференционного типа, которое обеспечивает увеличенную толщину пленки и смывающее действие по сравнению с уровнем техники за счет создания одного или нескольких вызываемых контактным давлением угловых ограничений, образованных с помощью ограничительных отклоняющих средств. Угловые ограничения можно создавать с помощью различных резких ограничительных отклоняющих средств, таких как выступающие гребни, углы у задней кромки волн, или же просто за счет использования сужающейся формы у задней кромки волн, которая является более резкой, чем постепенно сужающаяся форма гидродинамического входа у передней кромки волн. Резкое ограничительное отклоняющее средство выполняет две функции: ограничительную функцию и отклоняющую функцию, как будет описано ниже.
Угловые ограничения, полученные с помощью резкого ограничительного отклоняющего средства, вызывают местное ограничение толщины пленки, что создает динамическое действие, которое предотвращает утечку части смазки из динамической уплотнительной поверхности раздела у задней кромки волны и приводит к большей толщине пленки смазки под волнами. Это способствует большей толщине пленки на остальной динамической уплотнительной поверхности раздела в направлении окружения, поскольку толщина пленки имеет тенденцию к постепенному уменьшению, а не к резкому, за счет относительной жесткости материала уплотнения. За счет угла резкого ограничительного отклоняющего средства по отношению к направлению относительного вращения, в соединении с ограничительным или перегораживающим действием, создается сильное отклоняющее действие, которое нагнетает смазку по динамической уплотнительной поверхности раздела в направлении окружения. Резкое ограничительное отклоняющее средство  отклоняет смазку в направлении окружения, которая бы при отсутствии резкого ограничительного отклоняющего средства просто бы утекала у задней кромки волн. Это отклоняющее действие настолько сильное, что уплотнение может в
действительности действовать в качестве миниатюрного насоса для создания существенного давления в закрытой камере на стороне окружения.
Отклонение смазки вызывается составляющей скорости вращения, касательной к резкому ограничительному отклоняющему средству. Если угол является относительно небольшим, то составляющая скорости почти равна скорости вращения, и поэтому отклоняющее действие является очень сильным. Составляющая скорости вращения, перпендикулярная резкому ограничительному отклоняющему средству, вызывает нагнетание части пленки смазки за резкое ограничительное отклоняющее средство, за счет чего обеспечивается его адекватная смазка.
Не круговая гидродинамическая геометрия и ограничительное отклоняющее средство вызывают утечку пленки смазки из уплотнительной поверхности раздела в окружение, что обеспечивает смывающее действие, которое смывает загрязнения окружения с уплотнительной поверхности раздела.
Изобретение можно применять там, где необходимо герметизировать относительно вращаемую поверхность цилиндрической формы относительно корпуса, при этом любой из них является вращающимся элементом. В таких цилиндрических уплотнительных системах уплотнение сжимается радиально, а волны, включающие резкое ограничительное отклоняющее средство, могут быть по желанию внутри или снаружи уплотнения. В качестве альтернативного решения, волны, включающие резкое ограничительное отклоняющее средство, могут быть на одном конце уплотнения для использования уплотнения торцевого типа для относительно вращаемой поверхности плоской формы. В таких торцевых уплотнительных системах уплотнение сжимается в осевом направлении, а волны, включающие резкое ограничительное отклоняющее средство, могут быть направлены внутрь или наружу, в зависимости от места смазки.
Преимущества изобретения
Улучшение смазки между поверхностями, обеспечиваемое изобретением, делает уплотнение пригодным для широкого диапазона рабочих условий по сравнению с уровнем техники, включая более высокие и более низкие скорости вращения, более высокие разницы давлений и более жидкие смазки. Увеличенная толщина пленки создает значительно меньший крутящий момент чем в уровне техники, что приводит к меньшему самогенерируемому теплу, меньшей чувствительности к высокой окружающей температуре, меньшей остаточной деформации сжатия, вызываемой нагреванием, и к продолжительному сроку службы эластомера. Более низкая температура уплотнения обеспечивает полезное увеличение жесткости уплотнения по сравнению с уровнем
техники, что обеспечивает повышенную стойкость к выдавливанию. Уплотнение, согласно изобретению, является также менее чувствительным к колебаниям крутящего момента, которые могут повреждать статичный уплотнительный выступ и сопряженную противоположную поверхность канавки. Улучшенная смазка позволяет использовать менее стойкие к абразивному износу материалы уплотнения и более жесткие материалы по сравнению с уровнем техники. Изобретение обеспечивает полную гидродинамическую смазку на чрезвычайно широкой динамической уплотнительной поверхности раздела и поэтому менее чувствительно к повреждению за счет выдавливания на конце со стороны окружения.
Увеличенная утечка смазки обеспечивает также более сильное смывающее действие по сравнению с уровнем техники. Испытания показали, что уплотнения, согласно изобретению, лучше работают по сравнению с уровнем техники в условиях, когда давление окружения превосходит давление смазки, в частности, когда окружение содержит абразивные материалы.
Изобретение обеспечивает указанные выше преимущества посредством осуществления простого резкого ограничительного отклоняющего средства. Полученное уплотнение можно размещать в той же канавке, что и существующие гидродинамические уплотнения и не требует модификации существующего оборудования.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания указанных выше признаков, преимуществ и целей данного изобретения, а также других, которые становятся очевидными, ниже приводится подробное описание на примере вариантов выполнения, изображенных на прилагаемых чертежах. Следует однако отметить, что прилагаемые чертежи лишь иллюстрируют типичные варианты выполнения данного изобретения, и поэтому их не следует рассматривать как ограничивающие изобретение, поскольку изобретение может иметь другие одинаково эффективные варианты выполнения, которые отличаются лишь деталями.
На чертежах изображено:
фиг.1 - разрез гидродинамического уплотнения, представляющего уровень техники и осуществляющего предмет патентов США №№4610319 и 5230520;
фиг.2 - частичный разрез кольцеобразного гидродинамического уплотнения, согласно данному изобретению;
фиг.2А - частичный разрез не сжатого гидродинамического уплотнения, согласно данному изобретению, выполненного с возможностью герметизации относительно вращаемой цилиндрической поверхности;
фиг.2В и 2С - частичный вид не сжатых гидродинамических уплотнений, выполненных (посредством скручивания или изготовления) с возможностью герметизации относительно вращаемой плоской поверхности;
фиг.2D - разрез по линии 2D-2D на фиг.2А, 2В и 2С;
фиг.2Е - разрез по линии 2Е-2Е на фиг.2А, 2В и 2С;
фиг.2F - плоская развертка части контура динамической уплотнительной поверхности раздела варианта выполнения уплотнения цилиндрической поверхности, согласно данному изобретению;
фиг.3-8 - разрезы перпендикулярно направлению вращения, представляющие заднюю кромку волны;
фиг.3 - разрез резкого ограничительного отклоняющего средства, принимающего в основном эллиптическую форму, которая имеет более сжатую кривизну, чем гидродинамический вход у передней кромки волны;
фиг.4 - разрез резкого ограничительного отклоняющего средства, принимающего форму наружного угла;
фиг.5 - разрез резкого ограничительного отклоняющего средства, принимающего форму треугольного выступа;
фиг.6 - разрез резкого ограничительного отклоняющего средства, принимающего форму округленного выступа, расположенного на крайней части на стороне смазки динамической уплотнительной поверхности;
фиг.7 - разрез резкого ограничительного отклоняющего средства, принимающего форму округленного выступа, расположенного вне крайней части на стороне смазки динамической уплотнительной поверхности;
фиг.8 - разрез резкого ограничительного отклоняющего средства, принимающего форму ступеньки;
фиг.9 - частичный вид нескольких резких ограничительных отклоняющих средств, принимающих форму перекошенных выступов, распределенных по динамической уплотнительной поверхности и перекошенных относительно направления вращения;
фиг.9А - разрез по линии 9А-9А на фиг.9 нескольких резких ограничительных отклоняющих средств, принимающих форму перекошенных выступов, распределенных по динамической уплотнительной поверхности и перекошенных относительно направления вращения;
фиг.10 - разрез гидродинамического уплотнения, согласно предпочтительному варианту выполнения данного изобретения, в своем не сжатом состоянии и выполненный с возможностью герметизации относительно вращаемой цилиндрической поверхности;
фиг.10А и 10С - виды с торца части гидродинамического уплотнения, согласно предпочтительному варианту выполнения, выполненного с возможностью герметизации относительно вращаемой плоской поверхности;
фиг.10С - часть гидродинамического уплотнения, согласно предпочтительному варианту выполнения;
фиг.10D - разрез по линии 10D-10D на фиг.10С;
фиг.10Е - разрез по линии 10Е-10Е на фиг.10С;
фиг.10F - разрез по линии 10F-10F на фиг.10С;
фиг.11 - разрез гидродинамического уплотнения с двойным модулем упругости, выполненного в соответствии с данным изобретением и представляющего альтернативный вариант выполнения;
фиг.12 - часть гидродинамического уплотнения, согласно предпочтительному варианту выполнения, и геометрия уплотнения по отношению к направлению вращения относительно вращаемой поверхности;
фиг.12А - разрез по линии 12А-12А на фиг.12А, гидродинамического уплотнения, осуществляющего принципы данного изобретения и представляющего альтернативный вариант выполнения, имеющего круговую канавку, образованную в нем для обеспечения управления контактным давлением между поверхностями динамического уплотнительного выступа и относительно вращаемой поверхности;
фиг.13 - часть гидродинамического уплотнения, согласно альтернативному варианту выполнения, и геометрия уплотнения по отношению к двунаправленному вращению относительно вращаемой поверхности;
фиг.13А - разрез по линии 13А-13А на фиг.13;
фиг.13В - разрез по линии 13В-13В на фиг.13;
фиг.13С - разрез по линии 13С-13С на фиг.13;
фиг.13D - разрез по линии 13D-13D на фиг.13.
Подробное описание изобретения
На фиг.2 показана в разрезе конфигурация кольцеобразного гидродинамического уплотнения 202, согласно данному изобретению, при расположении в круговой канавке 204 для уплотнения, образованной машинным компонентом 206, и сжатого между противоположной поверхностью 208 канавки 204 для уплотнения и относительно
вращаемой поверхностью 210, заданной машинным компонентом 212. Относительно вращаемая поверхность 210 может принимать по желанию форму ориентированной наружу или внутрь по существу цилиндрической поверхности, при этом гидродинамическое уплотнение 202 сжимается радиально между противоположной поверхностью 208 канавки и относительно вращаемой поверхностью 210.
В качестве альтернативного решения, относительно вращаемая поверхность 210 может принимать форму по существу плоской поверхности, при этом гидродинамическое уплотнение 202 сжимается в осевом направлении между плоской противоположной поверхностью 208 канавки и относительно вращаемой поверхностью 210. Разрез на фиг.2 представляет заднюю кромку волны.
В случае уплотнений относительно большого диаметра, динамическая уплотнительная поверхность 226 может быть просто изготовлена в виде ориентированной внутрь цилиндрической поверхности, выполненной с возможностью герметизации относительно вращаемой поверхности 210, задающей ориентированную наружу цилиндрическую поверхность. Профиль уплотнения большого диаметр является слабым относительно скручивания и его можно скручивать на 180°, так что динамическая уплотнительная поверхность 226 становится ориентированной наружу цилиндрической поверхностью, выполненной с возможностью герметизации относительно вращаемой поверхности 210, задающей ориентированную внутрь поверхность, или же можно скручивать на 90°, так что динамическая уплотнительная поверхность 226 становится плоской поверхностью, выполненной с возможностью герметизации плоской относительно вращаемой поверхности 210. Относительная торсионная жесткость уплотнений малого диаметра выше, что делает скручивание менее практичным, и предпочтительной является предварительная ориентация динамической уплотнительной поверхности 226 в требуемой цилиндрической или плоской конфигурации во время изготовления.
На фиг.2 показана часть не сжатого гидродинамического уплотнения 202, выполненного с возможностью герметизации относительно вращаемой поверхности цилиндрической формы. На фиг.2А динамическая уплотнительная поверхность 226 принимает цилиндрическую форму, подходящую для герметизации относительно вращаемой поверхности цилиндрической формы. На фиг.2А цилиндрический диаметр динамической уплотнительной поверхности 226 показан в виде расплющенной короткой части уплотнения, или же в виде динамической уплотнительной поверхности 226, имеющей относительно большой или бесконечный диаметр, так что кривизна
динамической уплотнительной поверхности 226 не вызывает значительного укорочения окружной длины.
На фиг.2В и 2С показаны части не сжатого гидродинамического уплотнения 202, выполненного (за счет скручивания или изготовления) с возможностью герметизации относительно вращаемой поверхности плоской формы. Динамическая уплотнительная поверхность 226 и статичная уплотнительная поверхность 240 (не изображена на фиг.2В и 2С) принимают по существу плоскую форму, необходимую для герметизации относительно вращаемой поверхности плоской формы. На фиг.2В динамическая уплотнительная поверхность 226 и круговая исключающая геометрия 234 расположены так, что окружение находится внутри уплотнения, а на фиг.2С они расположены так, что окружение находится снаружи уплотнения.
На фиг.2D показан разрез в плоскости 2D-2D, выполненный на половину длины передней кромки 246 волны, а на фиг.2Е показан разрез в плоскости 2Е-2Е, выполненный на половину длины задней кромки 248 волны. Разрезы, показанные на фиг.2D и 2С применимы к положениям плоскости разреза, указанным на фиг.2А, 2В и 2С.
Как показано на фиг.2 - 2Е, гидродинамическое уплотнение 202 отделяет запас смазки 214 от окружения 216 для предотвращения загрязнения смазки окружением. С точки зрения всеобщей ориентации, поверхность 218 гидродинамического уплотнения 202 ориентирована в направлении запаса смазки 214, а поверхность 220 ориентирована в направлении окружения 216. Гидродинамическое уплотнение 202 может состоять из любого подходящего уплотнительного материала, включая эластомерные или резиноподобные материалы и различные полимерные материалы. Гидродинамическое уплотнение 202 может также включать различные материалы, соединенные друг с другом с образованием композитной структуры, согласно патенту США №5738358.
Когда гидродинамическое уплотнение 202 установлено в круговую канавку 204 для уплотнения, то круговая статичная уплотнительная поверхность 240 прижимается к противоположной поверхности 208 канавки. Выступающий динамический уплотнительный выступ 224 задает динамическую уплотнительную поверхность 226, которая прижимается к относительно вращаемой поверхности 210. Круговая канавка 204 для уплотнения имеет размеры, обеспечивающие удерживание гидродинамического уплотнения 202 с прижиманием к относительно вращаемой поверхности 210, инициируя тем самым неподвижное герметизирующее отношение с противоположной поверхностью 208 канавки и относительно вращаемой поверхностью 210 так же, как любое обычное уплотнение интерференционного типа, такое как кольцо с круглым поперечным сечением.
Когда отсутствует относительное вращение, то сохраняется герметичное относительно жидкости уплотнение на поверхности раздела между статичной уплотнительной поверхностью 240 и противоположной поверхностью 208 канавки и на поверхности раздела между круговым динамическим уплотнительным выступом 224 и относительно вращаемой поверхностью 210. Когда происходит относительное вращение между машинным компонентом 206 и машинным компонентом 212, то гидродинамическое уплотнение остается неподвижным относительно противоположной поверхности 208 канавки и сохраняет с ней неподвижное уплотнительное отношение, в то время как поверхность раздела между круговым динамическим уплотнительным выступом 224 и относительно вращаемой поверхностью 210 становится динамической уплотнительной поверхностью раздела. Направление относительного вращения нормально (перпендикулярно) плоскости разреза, показанного на фиг.2, и приблизительно концентрично поверхности 220.
Резкая круговая исключающая геометрия 234 создает местное повышение контактного давления между динамической уплотнительной поверхностью 226 и относительно вращаемой поверхностью 210 и не создает гидродинамического расклинивающего действия и тем самым исключает окружение от динамической уплотнительной поверхности раздела между динамической уплотнительной поверхностью 226 и относительно вращаемой поверхностью 210, согласно патенту США №4610319. Поверхность 220 расположена так, что круговой динамический уплотнительный выступ 224 опирается большей частью на стенку 236 канавки на стороне окружения с целью сопротивления искажению и выдавливанию материала уплотнения в круговой зазор 215 вытеснения, когда на уплотнение действует гидростатическая сила, вызываемая давлением смазки, воздействующим на площадь между противоположной поверхностью 208 канавки и относительно вращаемой поверхностью 210. На фиг.2 показано уплотнение, прижатое к стенке 236 канавки на стороне окружения указанной гидростатической силой.
Взаимосвязь круговой исключающей геометрии 234 и волнистой стороной 230 окружения кругового динамического уплотнительного выступа 224 обеспечивает динамическую уплотнительную поверхность 226 с изменяемой шириной, включающую места максимальной ширины, обозначенные позицией 228а, и места минимальной ширины, обозначенные позицией 228b, что обуславливает наличие на динамической уплотнительной поверхности 226 последовательностей волн 244.
По отношению к направлению 242 относительного вращения каждая из волн 244 динамической уплотнительной поверхности 226 имеет переднюю кромку 246 и заднюю
кромку 248. Там, где динамическая уплотнительная поверхность 226 кругового динамического уплотнительного выступа 224 прижимается к относительно вращаемой поверхности, создается динамическая уплотнительная поверхность раздела (показана на фиг.2F), которая имеет волнистую кромку на стороне смазки и не волнистую кромку на стороне окружения.
Передняя кромка 246 волн 244 включает гидродинамический вход 232, который проходит по касательной к волнистой стороне 230 смазки в месте 268 касания и к динамической уплотнительной поверхности 226 в месте 270 касания. Гидродинамический вход 232 может принимать форму отрезка окружности или другую специальную форму, такую как часть эллипса, без отхода от идеи или объема данного изобретения.
После установки передняя кромка 246 на стороне смазки кругового динамического уплотнительного выступа 224 постепенно сходится с относительно вращаемой поверхностью 210 за счет гидродинамического входа 232, который выполнен с возможностью исключения резкого нарастания контактного давления между поверхностями у передней кромки 246 волны для обеспечения эффективного гидродинамического расклинивающего действия. Положение гидродинамического входа 232 изменяется по отношению к относительно вращаемой поверхности 242 за счет прохождения по касательной к волнистой стороне 230 смазки. В ответ на относительное вращение между гидродинамическим уплотнением 202 и относительно вращаемой поверхностью 210 в направлении 242 относительного вращения, изменяющееся по положению, постепенно сходящееся соотношение между стороной смазки кругового динамического уплотнительного выступа 224 и относительно вращаемой поверхностью 210 создает гидродинамическое расклинивающее действие, которое вводит пленку смазки на динамическую уплотнительную поверхность раздела между динамической уплотнительной поверхностью 226 и относительно вращаемой поверхностью 210.
Задняя кромка 248 волн 244 включает по меньшей мере один резкий ограничительный отклоняющий элемент 250 и динамическую уплотнительную поверхность 226. Ограничительный отклоняющий элемент или элементы имеют прерывистый, т.е. не круговой характер, так что они не воспрещают гидродинамическое вклинивание смазки из запаса смазки на динамическую уплотнительную поверхность раздела уплотнения. После установки задняя кромка 248 стороны смазки кругового динамического уплотнительного выступа 224 имеет резкую взаимосвязь с относительно вращаемой поверхностью 210 за счет резкого ограничительного отклоняющего средства 250, которое выполнено с возможностью создания резкого подъема контактного давления между поверхностями для обеспечения ограничительного действия, которое ограничивает
утечку смазки у задней кромки 248 волны и поэтому улучшает толщину пленки для улучшения смазки уплотнения.
Положение резкого ограничительного отклоняющего средства 250 или его поворотная ориентация изменяется по отношению к относительно вращаемой поверхности 242. В ответ на относительное вращение между гидродинамическим уплотнением 202 и относительно вращаемой поверхностью 210 изменяющееся по положению резкое соотношение между резким ограничительным отклоняющим средством 250 и относительно вращаемой поверхностью 210 отклоняет смазку в направлении круговой исключающей геометрии 234 для улучшения смазки уплотнения.
На фиг.2А, 2В и 2С место 268 касания и место 270 касания представлены пунктирными линиями, которые показывают границы гидродинамического входа 232. Размер гидродинамического входа 232 может быть сначала небольшим у самой узкой ширины 228b динамической уплотнительной поверхности 226, может увеличиваться у средней ширины и затем может уменьшаться у наибольшей ширины 228а. Изменяющийся размер гидродинамического входа 232 может обеспечивать постепенный переход между постепенно сужающейся геометрией передней кромкой 246 и резким ограничительным отклоняющим средством 250 задней кромки 248. Форма гидродинамического входа 232 и форма, положение и специальная геометрия резкого ограничительного отклоняющего средства 250 может  принимать другую специальную форму без отхода от идеи или объема данного изобретения. Резкое ограничительное отклоняющее средство 250 не должно присутствовать на каждой волне уплотнения; например, включение резкого ограничительного отклоняющего средства 250 лишь в каждую вторую волну будет сдерживать скорость утечки и обеспечивать улучшенную переносимость двунаправленного вращения. Резкая круговая исключающая геометрия 234 на стороне окружения кругового динамического уплотнительного выступа 224 выровнена с направлением 242 относительного вращения и поэтому не создает гидродинамического расклинивающего действия по отношению окружения 216 в ответ на относительное вращательное движение, и поэтому исключает проникновение окружения на динамическую уплотнительную поверхность раздела между динамической уплотнительной поверхностью 226 и относительно вращаемой поверхностью 210. Резкая круговая исключающая геометрия 234 создает также повышение местного контактного давления между динамической уплотнительной поверхностью 226 и относительно вращаемой поверхностью 210, что приводит к исключению загрязнений окружения с поверхности раздела уплотнения.
Обсуждение теории
Плоская развертка части контура динамической уплотнительной поверхности 252 раздела цилиндрического уплотнения, показанного на фиг.2А, показана на фиг.2F. Кромка 254 контура на стороне окружения, которая задана круговой исключающей геометрией 234 уплотнения, выровнена с направлением 242 относительного вращения. Кромка 256 контура на стороне смазки является волнистой. Пограничное определение волн на стороне смазки может изменяться без отхода от идеи или объема данного изобретения. (Геометрию контура, согласно фиг.2F, можно использовать также для визуализации теории вариантов выполнения торцевого уплотнения, согласно фиг.2В и 2С, если диаметр уплотнения представить очень большим или бесконечным).
Каждая волна на кромке смазки контура имеет переднюю кромку 246 и заднюю кромку 248 по отношению к направлению 242 относительного вращения и в соответствии с передней кромкой 246 и задней кромкой 248 волн уплотнения. Как указывалось выше, местная геометрия кругового динамического уплотнительного выступа 224 выполнена в форме постепенного сужения, так что контактное давление между поверхностями постепенно повышается в зоне 258 передней кромки вблизи передней кромки 246. В результате постепенно сужающейся формы и постепенного повышения контактного давления между поверхностями возникает гидродинамическое расклинивающее действие, которое вводит пленку смазки на динамическую уплотнительную поверхность раздела при относительном вращении за счет нормальной составляющей Vn скорости V вращения. Путь смазки на поверхность раздела схематично показан пунктирной линией 260. Гидродинамическое расклинивающее действие вызывает управляемое нагнетающее действие от кромки 256 контура смазки до кромки 254 контура на стороне окружения, что приводит к утечке смазки с динамической уплотнительной поверхности 252 раздела в окружение 216. Не вся смазка, нагнетаемая в динамическую зону между поверхностями у зоны 258 передней кромки, выходит у кромки 254 контура на стороне окружения; часть смазки выходит у задней кромки 248.
Как указывалось выше, местная геометрия кругового динамического уплотнительного выступа 224 у задней кромки 248 выполнена с резкой формой, так что контактное давление между поверхностями резко повышается в зоне 262 задней кромки вблизи задней кромки 248. Зона 262 между поверхностями задней кромки перекошена по отношению к направлению 242 относительного вращения. Результатом резкого повышения контактного давления между поверхностями является соответствующее местное уменьшение толщины пленки на или вблизи зоны 262 задней кромки, которое приближает динамическую уплотнительную поверхность 226 к относительно вращаемой
поверхности 210 и создает эффект сдерживания смазки. Ограничительный или сдерживающий эффект вызывает увеличение толщины пленки в области между передней кромкой 246 и задней кромкой 248 и минимизирует утечку смазки в направлении запаса 214 смазки. Увеличенная толщина пленки не заканчивается резко у нижних точек волны; вместо этого она медленно уменьшается в направлении кромки 254 контура на стороне окружения за счет жесткости кругового динамического уплотнительного выступа 224. Этот эффект улучшает вызванное утечкой смывающее загрязнения действие и обеспечивает усиленную смазку динамической уплотнительной поверхности раздела вблизи кромки 254 контура на стороне окружения.
Часть пленки смазки на динамической уплотнительной поверхности 252 раздела, которая ближе всего к относительно вращаемой поверхности, движется примерно в направлении 242 относительного вращения. При приближении пленки смазки к зоне 262 между поверхностями задней кромки, значительная часть смазки отклоняется в направлении кромки 254 контура на стороне окружения за счет параллельной составляющей Fp скорости F пленки. Отклонение заставляет смазку, которая в противном случае выходила бы у задней кромки 248, увеличивать толщину пленки в зоне между поверхностями вблизи кромки 254 контура на стороне окружения, и увеличивает полную скорость утечки и действие смывания загрязнений в окружение 216. Путь смазки, отклоняемой в направлении кромки 254 контура на стороне окружения, схематично представлен точечной линией 265.
Смазка не вся отклоняется в направлении кромки 254 контура на стороне окружения. Часть смазки выходит за заднюю кромку 248 за счет нормальной составляющей Fn скорости F пленки. Этот путь смазки схематично показан точечной линией 266. Смазка, выходящая у задней кромки 248 служит для смазки зоны 262 между поверхностями задней кромки.
Кромка 254 контура на стороне окружения выровнена с направлением 242 относительного вращения и не вызывает гидродинамического расклинивающего действия, согласно патенту США №4610319, и за счет этого исключает окружение. Резкая круговая исключающая геометрия 234, которая задает кромку 254 контура на стороне окружения, создает местное увеличение контактного давления между поверхностями, которое также стремится исключить окружение.
Описание альтернативных вариантов выполнения резкого ограничительного отклоняющего средства применительно к фиг.3 - 9А
Резкое ограничительное отклоняющее средство, описание которого было приведено выше, может иметь множество подходящих альтернативных вариантов выполнения без отхода от идеи или объема данного изобретения, как показано в качестве примера в разрезе, представляющем заднюю кромку волны гидродинамического уплотнения 202, на фиг.3 - 9А.
Для лучшей ориентации читателя ниже перечисляются некоторые признаки, показанные на фиг.3 - 9А: статичная уплотнительная поверхность 240, круговой динамический уплотнительный выступ 224, динамическая уплотнительная поверхность 226, круговая исключающая геометрия 234, поверхность 218, которая может быть ориентирована в направлении смазки, и поверхность 220, которая может быть ориентирована в направлении окружения. Принципиальным признаком геометрии, согласно данному изобретению, является резкое ограничительное отклоняющее средство 250 одной или другой формы, которое обычно перекошено по отношению к направлению относительного вращения.
На фиг.3-8 показаны разрезы, выполненные перпендикулярно направлению вращения, задней кромки волны. На фиг.3 резкое ограничительное отклоняющее средство 250 имеет в основном эллиптическую форму, которая имеет более компактную кривизну и является более резкой, чем гидродинамический вход (не изображен) у передней кромки волны, и поэтому обеспечивает более резкое нарастание контактного давления между поверхностями по сравнению с передней кромкой волны.
На фиг.4 резкое ограничительное отклоняющее средство 250 имеет форму наружного угла.
На фиг.5 резкое ограничительное отклоняющее средство 250 имеет форму углового выступа, такого как треугольный выступ.
На фиг.6 резкое ограничительное отклоняющее средство 250 имеет форму округленного выступа, расположенного на крайней части на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности 226.
На фиг.7 резкое ограничительное отклоняющее средство 250 имеет форму округленного выступа, расположенного вне крайней части на стороне окружения динамической уплотнительной поверхности 226.
На фиг.8 резкое ограничительное отклоняющее средство 250 имеет форму ступеньки или полки, перекошенной по отношению к направлению относительного вращения.
На фиг.9 и 9А резкое ограничительное отклоняющее средство 250 имеет форму нескольких перекошенных выступов, распределенных по динамической уплотнительной
поверхности 226, которые перекошены относительно направления 242 относительного вращения. Как показано на фиг.9 и 9А, перекошенные выступы могут проходить на часть передней кромки волны.
Описание предпочтительного варианта выполнения применительно к фиг.10-10F
На фиг.10 показан полный разрез предпочтительного варианта выполнения не сжатого гидродинамического уплотнения 202, согласно данному изобретению, выполненного с возможностью герметизации относительно вращаемой поверхности по существу цилиндрической формы. Как показано на фиг.10, динамическая уплотнительная поверхность 226 и статичная уплотнительная поверхность 240 имеют цилиндрическую форму, подходящую для герметизации относительно вращаемой поверхности цилиндрической формы. Поверхность 218 и поверхность 220 показаны плоскими, однако, могут принимать другие специальные формы без отхода от идеи или объема данного изобретения.
На фиг.10А и 10В показан частично на виде с торца предпочтительный вариант выполнения не сжатого гидродинамического уплотнения 202, выполненного с возможностью герметизации относительно вращаемой поверхности плоской формы. На фиг.10А динамическая уплотнительная поверхность 224 и круговая исключающая геометрия 234 расположены так, что окружение 216 находится внутри уплотнения, а на фиг.10В динамическая уплотнительная поверхность 224 и круговая исключающая геометрия 234 расположены так, что окружение 216 находится снаружи уплотнения.
На фиг.10А и 10В динамическая уплотнительная поверхность 226 и статичная уплотнительная поверхность 240 (не изображена) имеют по существу плоскую форму, подходящую для герметизации относительно вращаемой плоской поверхности. Поверхность 218 и поверхность 220 имеют цилиндрическую форму, однако могут иметь другую специальную форму без отхода от идеи или объема данного изобретения.
Для ориентации читателя ниже перечисляются некоторые признаки, показанные на фиг.10, 10А и 10В: гидродинамический вход 232, статичная уплотнительная поверхность 240, круговой динамический уплотнительный выступ 224, динамическая уплотнительная поверхность 226, круговая исключающая геометрия 234, поверхность 218, которая может быть ориентирована в направлении смазки, и поверхность 220, которая может быть ориентирована в направлении окружения. Принципиальным признаком геометрии, согласно данному изобретению, является резкое ограничительное отклоняющее средство 250. Резкое ограничительное отклоняющее средство 250 пересекает срезанную
поверхность 274 в месте 276 пересечения, как показано сплошной линией на фиг.10, 10А, 10В и 10С, и проходит по касательной к динамической уплотнительной поверхности 226 в месте 271 касания, как показано пунктирной линией.
Для лучшего описания и иллюстрации уникальных и комплексных признаков предпочтительного варианта выполнения, показанного на фиг.10, 10А и 10С, часть предпочтительного варианта выполнения показана в увеличенном масштабе на фиг.10С, а также в разрезе на фиг.10D, 10Е и 10F. На фиг.10С показано уплотнение относительно большого или даже бесконечного диаметра, так что  можно пренебречь кривизной уплотнения, и так что показанные уплотнения подходят для герметизации цилиндрической или плоской относительно вращаемой поверхности. Небольшое уплотнение с конфигурацией для торцевой герметизации будет выглядеть как показано на фиг.10С, если часть уплотнения принудительно распрямить, а небольшое уплотнение с конфигурацией для цилиндрической герметизации будет выглядеть как показано на фиг.10С, если часть уплотнения принудительно расплющить. Некоторые обозначенные на фиг.10С-10F цифровыми позициями признаки для ясности обозначены также на фиг.10-10В.
Как показано на фиг.10С-10F, с точки зрения общей ориентации, поверхность 218 гидродинамического уплотнения 202 ориентирована в направлении запаса смазки 214, а поверхность 220 ориентирована в направлении окружения 216. Когда гидродинамическое уплотнение 202 установлено в круговую канавку для уплотнения, то статичная уплотнительная поверхность 240 прижимается к противоположной поверхности канавки и образует с ней соотношение неподвижной герметизации. Направление относительного вращения показано стрелкой 242. передняя кромка волны включает гидродинамический вход 232, который проходит по касательной к динамической уплотнительной поверхности 226 в месте 270 касания, которое показано на фиг.10-10С показано пунктирной линией. Гидродинамический вход 232 пересекает срезанную поверхность 274 в месте 282 пересечения, которое показано на фиг.10-10С сплошной линией.
После установки передняя кромка на стороне смазки кругового динамического уплотнительного выступа 224 постепенно сходится с сопряженной относительно вращаемой поверхностью в результате гидродинамического входа 232, который выполнен с возможностью исключения резкого нарастания контактного давления между поверхностями у передней кромки волны для обеспечения эффективного гидродинамического расклинивающего действия. В ответ на относительное вращение между гидродинамическим уплотнением 202 и относительно вращаемой поверхностью, изменяющее положение, постепенно сходящееся соотношение между стороной смазки
кругового динамического уплотнительного выступа 224 и относительно вращаемой поверхностью создает гидродинамическое расклинивающее действие, которое вводит пленку смазки на динамическую уплотнительную поверхность раздела между динамической уплотнительной поверхностью 226 и относительно вращаемой поверхностью. В уплотнениях, согласно уровню техники, гидродинамический вход был ограничен радиусом 1/8 дюйма (3 мм) или меньше за счет ограничений волнистой геометрии и ограничений изготовления литейной формы, связанных с размером фрезы и кривизной литейной формы, связанных с явлением верхней вырезки. В предпочтительном варианте выполнения эти ограничения преодолеваются с помощью утла 280 радиуса перекоса, который показан на фиг.10С. Поэтому гидродинамический вход 232 может быть намного больше, чем в уровне техники, для создания более плавно сходящегося соотношения между круговым динамическим уплотнительным выступом 224 и относительно вращаемой поверхностью, которое создает более сильное гидродинамическое расклинивающее действие по сравнению с уровнем техники. Изобретатель успешно сконструировал и изготовил уплотнения, согласно предпочтительному варианту выполнения, с диаметром в диапазоне от 0,438 дюйма до 42,375 дюйма (11-1076 мм), которые включают гидродинамический вход с радиусом 1,95 дюйма (50 мм), который более чем в 15 раз больше, чем в уровне техники. Изобретатель также успешно сконструировал и изготовил уплотнения, согласно предпочтительному варианту выполнения, с гидродинамическим входом с небольшим радиусом 0,49 дюйма (13 мм). Технология использована для изготовления уплотнений, имеющих радиусы, большие или меньшие указанного радиуса. Большой радиус гидродинамического входа 232, согласно предпочтительному варианту выполнения, создает намного более сильное гидродинамическое расклинивающее действие по сравнению с уровнем техники за счет более постепенного схождения между уплотнением и относительно вращаемой поверхностью, которая снабжена большим радиусом. Гидродинамический вход 232 ориентирован под углом 280 перекоса и поэтому почти выровнен с направлением 242 относительного вращения, что является преимуществом по сравнению с уровнем техники, согласно которому радиус всегда ориентирован под прямым углом к направлению относительного вращения. В предпочтительных вариантах выполнения данного изобретения также используется очень короткий шаг волн, что улучшает гидродинамическую смазку посредством введения смазки во многих местах по окружности уплотнения. Испытания, проведенные изобретателем и его сотрудниками, показали, что использование короткого шага волн в уплотнениях, согласно уровню техники, может приводить к уменьшению гидродинамической смазки.
Передняя кромка волны проходит по круто изогнутой траектории с радиусом 294, что обеспечивает очень крутой угол передней кромки волны по отношению к направлению относительного вращения, заканчивающийся углом 296 передней кромки по отношению к направлению относительного вращения. Как указывалось выше применительно к фиг.2F, гидродинамическое расклинивающее действие возникает за счет нормальной составляющей Vn скорости V вращения. В предпочтительном варианте выполнения составляющая Vn является относительно большой за счет относительно крутого наклона передней кромки волны. Траектория передней кромки может принимать другую специальную форму без отхода от идеи или объема данного изобретения.
Задняя кромка волны включает резкое ограничительное отклоняющее средство 250, которое ориентировано под углом 272 задней кромки относительно круговой исключающей геометрии 234 и направления 242 относительного вращения. После установки уплотнения задняя кромка имеет резкое соотношение с сопряженной относительно вращаемой поверхностью за счет резкого ограничительного отклоняющего средства 250, которое выполнено с возможностью создания резкого подъема контактного давления между поверхностями, приводящего к обеспечению ограничительного действия, которое ограничивает утечку смазки у задней кромки и поэтому улучшает толщину пленки. Для обеспечения оптимальных рабочих характеристик уплотнений диаметром от 7/16 дюйма до 42,375 дюйма (11-1076 мм), угол 272 задней кромки обычно находится в диапазоне 7-11 градусов, а общий шаг волн обычно находится в диапазоне 0,45-0,65 дюйма (11,5-16,5 мм).
Положение резкого ограничительного отклоняющего средства 250 или перекос ориентации изменяется по отношению к направлению 242 относительного вращения вследствие угла 272 задней кромки. В ответ на относительное вращение между гидродинамическим уплотнением 202 и относительно вращаемой поверхностью, меняющееся по положению, резкое соотношение между резким ограничительным отклоняющим средством 250 и относительно вращаемой поверхностью отклоняет смазку в направлении круговой исключающей геометрии 234 для улучшения смазки уплотнения. Предпочтительный вариант выполнения резкого ограничительного отклоняющего средства 250 делает также контур уплотнения менее чувствительным к изменениям ширины (расширению контура) в зависимости от сжатия, что уменьшает вероятность изменения крутящего момента в результате изменений сжатия по сравнению с уровнем техники. На фиг.10D показана резкая природа резкого ограничительного отклоняющего средства 250 при рассмотрении в разрезе, выполненном перпендикулярно направлению 242 относительного вращения. На фиг.10Е показано, что резкое ограничительное
отклоняющее средство 250 при рассмотрении в разрезе, выполненном под углом 280 перекоса радиуса, может иметь ту же кривизну, что и гидродинамический вход 232, и проходить по касательной к динамической уплотнительной поверхности 226 в месте 271 касания, которое показано пунктирной линией на фиг.10С. Резкое ограничительное отклоняющее средство 250 пересекает срезанную поверхность 274 в месте 276 пересечения, а гидродинамический вход 232 пересекает срезанную поверхность 274 в месте 282 пересечения.
Резкое ограничительное отклоняющее средство 251 передней кромки образовано наружным углом, образованным посредством пересечения гидродинамического входа 232 и резкого ограничительного отклоняющего средства 250 под углом 280 перекоса радиуса. Когда уплотнение установлено, то часть ограничительного отклоняющего средства 251 передней кромки расположена внутри контура динамической уплотнительной поверхности раздела, и работает аналогично резкому ограничительному отклоняющему средству 250 и дополняет его для воспрещения утечки со стороны смазки динамической уплотнительной поверхности раздела в направлении круговой исключающей геометрии 234, за счет чего увеличивается толщина пленки между поверхностями и смывающее действие.
Предпочтительный способ машинной обработки инструмента для формирования уплотнений, согласно данному изобретению, может обеспечивать при желании создание двух отдельных параллельных шероховатых зернистых структур, состоящих из множества микроскопических выступов и канавок, которые представлены стрелкой 284 зернистой структуры, ориентированной под углом 280 перекоса радиуса у передней кромки и стрелкой 285 зернистой структуры, ориентированной под углом 272 задней кромки у задней кромки. Шероховатая зернистая структура служит за счет своей перекошенной ориентации по отношению к направлению 242 относительного вращения для помощи в направлении смазки к круговой исключающей геометрии 234. Для обеспечения оптимальных рабочих характеристик в уплотнениях диаметром от 7/16 дюйма до 42,375 дюйма угол 280 перекоса радиуса обычно находится в диапазоне 12-18 градусов. Чем меньше становится угол 280 перекоса радиуса, тем более резким становится резкое ограничительное отклоняющее средство 250, и если угол 280 перекоса радиуса равен углу 272 задней кромки, то резкое ограничительное отклоняющее средство 250 и ограничительное отклоняющее средство 251 передней кромки становятся прямыми наружными углами.
Резкая круговая исключающая геометрия 234 на стороне окружения кругового динамического уплотнительного выступа 224 не создает гидродинамического
расклинивающего действия с окружением в ответ на относительное вращательное движение, и поэтому исключает окружение с динамической уплотнительной поверхности раздела между динамической уплотнительной поверхностью 226 и относительно вращаемой поверхностью. Круговая исключающая геометрия 234 также создает местное увеличение контактного давления между динамической уплотнительной поверхностью 226 и относительно вращаемой поверхностью, которое стремится исключить загрязнения окружения с уплотнительной поверхности раздела. Сторона окружения кругового динамического уплотнительного выступа 224 может принимать другую специальную форму без отхода от идеи или объема данного изобретения.
Предпочтительный вариант выполнения включает гибкую переходную геометрию 286 для улучшения сопротивления к выдавливанию и исключающей функции, а также регулирования местной толщины пленки, согласно патенту США №5738358, так что минимизируется тенденция выдавливания материала уплотнения в круговой зазор вытеснения. Однако, улучшенная смазка, согласно данному изобретению, делает гибкую переходную геометрию 286 функциональной и практичной в конструкции уплотнения с единственным модулем упругости без сложностей, связанных с конструкцией с несколькими модулями упругости, согласно патенту США №5738358, поскольку данное изобретение обеспечивает работу с меньшим нагреванием, чем уплотнения с единой жесткость, согласно уровню техники, и за счет этого сохраняет модуль упругости в гибкой переходной геометрии 286 на относительно высоком и доказуемо полезном уровне по сравнению с уровнем техники. Относительно большой модуль упругости требуется локально у упругой переходной геометрии 286, так чтобы она была способна сохранять функциональную форму и не расплющиваться, выдавливаться в круговой зазор вытеснения и повреждаться давлением смазки, действующим на ее не поддерживаемую площадь. Гибкая переходная геометрия 286 улучшает исключающую функцию круговой исключающей геометрии 234 и может использоваться для регулирования утечки смазки за круговую исключающую геометрию 234 материала 288 тела уплотнения с помощью гидравлического усилия, создаваемого давлением смазки (если оно имеется), действующего на не поддерживаемую площадь гибкой переходной геометрии 286.
Предпочтительный вариант выполнения включает также круговой статичный уплотнительный выступ 222, противоположный круговому динамическому уплотнительному выступу 224, согласно патенту США №5 230 520, для воспрещения скручивания уплотнения, улучшения исключающих характеристик круговой исключающей геометрии 234 и минимизации сплющивания гидродинамического входа 232. Форма статичного уплотнительного выступа 222 предпочтительно является
компромиссной геометрией, основанной на усредненном приближении формы профиля сжатой части кругового динамического уплотнительного выступа 224.
Описание варианта выполнения с двойным модулем упругости применительно к фиг.11
Как показано на фиг.11, предпочтительный вариант выполнения изобретения может включать также средство, согласно патенту США №5738358, имеющее меньший модуль упругости первой круговой кольцеобразной секции 290 уплотнения по сравнению с модулем упругости второй круговой кольцеобразной секции 292 уплотнения, которое улучшает сопротивление к выдавливанию, и которое управляет гидродинамическим вклиниванием пленки смазки посредством управления силой контакта между динамической уплотнительной поверхностью 226 и относительно вращаемой поверхностью посредством минимизации сжатия, вызванного искажением гидродинамического входа (не изображен), и посредством минимизации сжатия, вызванного искажением кругового динамического уплотнительного выступа 224. Для ориентации читателя ниже приводится перечисление нескольких признаков, показанных на фиг.11: статичный уплотнительный выступ 222, статичная уплотнительная поверхность 240, круговой динамический уплотнительный выступ 224, динамическая уплотнительная поверхность 226, круговая исключающая геометрия 234, резкое ограничительное отклоняющее средство 250, гибкая переходная геометрия 286, поверхность 218, которая может быть ориентирована в направлении смазки, и поверхность 220, которая может быть ориентирована в направлении окружения. При конструкции с несколькими модулями упругости в соединении с резким ограничительным отклоняющим средством 250, получаемая улучшенная смазка обеспечивает меньший крутящий момент, работу с меньшим нагреванием, улучшенное сопротивление к выдавливанию и улучшенное смывающее действие по сравнению с уплотнениями с несколькими модулями упругости, согласно уровню техники.
Описание варианта выполнения с канавкой применительно к фиг.12 и 12А
Низкий крутящий момент, небольшое самогенерируемое тепло и большое смывающее действие с помощью утечки, согласно изобретению, можно дополнительно улучшить с помощью канавки на стороне окружения, сформированной в соответствии с патентом США №5678829, как показано на частичном виде гидродинамического уплотнения 202 на фиг.12 и в разрезе на фиг.12А. Для ориентации читателя ниже приводится перечисление нескольких признаков, показанных на фиг.12 и 12А: статичная
уплотнительная поверхность 240, направление 242 относительного вращения, круговой динамический уплотнительный выступ 224, динамическая уплотнительная поверхность 226, круговая исключающая геометрия 234, резкое ограничительное отклоняющее средство 250, место 270 касания, место 271 касания, поверхность 218, которая может быть ориентирована в направлении смазки, и поверхность 220, которая может быть ориентирована в направлении окружения.
В основном круговая канавка 297 задает в основном круговые обода 298 и 299 гибкого тела, которые могут отклоняться в направлении в основном круговой канавки 297 для управления контактным давлением между динамической уплотнительной поверхностью 226 и относительно вращаемой поверхностью и тем самым регулирования гидродинамической толщины пленки и смывающего действия до очень высокого уровня. Для оптимального смывающего действия глубина 295 в основном круговой канавки 297 изменяется в соответствии с местной шириной 228 динамической уплотнительной поверхности 226, но не превышает местную ширину 228, так что резкое ограничительное отклоняющее средство 250 находится в прямой противоположности по сжатию статичной уплотнительной поверхности 240 и за счет этого сохраняет предусмотренный резкий подъем контактного давления между поверхностями, ведущий к обеспечению ограничительного действия, которое ограничивает утечку смазки на задней кромке и тем самым увеличивает толщину пленки за счет действий ограничения и отклонения, указанные выше применительно к предпочтительному варианту выполнения. Канавка имеет максимальную ширину 295а и минимальную ширину 295b, которые синхронизованы с максимальной шириной 228а и минимальной шириной 228b динамической уплотнительной поверхности 226. Изобретатель и его сотрудники провели испытания версий с канавкой гидродинамических уплотнений вращающегося вала, согласно данному изобретению, с использованием воды в качестве смазки, и установили скорости утечки свыше 100 сс на один дюйм окружности в час, что значительно превышает смывающее действие, обеспечиваемое гидродинамическими уплотнениями с канавкой, согласно уровню техники, изготовленные в соответствии с патентом США №5678829.
Описание двунаправленного варианта выполнения применительно к фиг.13-13D
Хотя варианты выполнения, описание которых приведено выше, все относятся к уплотнениям по существу однонаправленной конфигурации, изобретение допускает также двунаправленные конфигурации, как показано на фиг.13-13D, где показан вариант выполнения на основе геометрии фиг.10, но в варианте спина к спине. Для ориентации
читателя ниже приводится перечисление нескольких признаков, показанных на фиг.13-13D: статичный уплотнительный выступ 222, статичная уплотнительная поверхность 240, круговой динамический уплотнительный выступ 224, динамическая уплотнительная поверхность 226, круговая исключающая геометрия 234, направление 242 относительного вращения, резкое ограничительное отклоняющее средство 250, ограничительное отклоняющее средство 251 передней кромки, гидродинамический вход 232, место 270 касания, место 271 касания, срезанная поверхность 274, место 276 пересечения, гибкая переходная геометрия 286, поверхность 218, которая может быть ориентирована в направлении смазки, и поверхность 220, которая может быть ориентирована в направлении окружения.
В двунаправленном варианте выполнения, показанном на фиг.13-13D, первичное отклоняющее действие обеспечивается с помощью ограничительного отклоняющего средства 251 передней кромки, которое образовано наружным углом, сформированным при пересечении гидродинамического входа 232 и резкого ограничительного отклоняющего средства 250. Когда уплотнение установлено, то часть ограничительного отклоняющего средства 251 передней кромки расположена внутри динамической уплотнительной поверхности раздела и выполняет функции ограничения и отклонения смазки и тем самым увеличения толщины пленки между поверхностями. Ограничительное отклоняющее средство 251 передней кромки перекошено относительно направления 242 относительного вращения на угол 280 перекоса радиуса. Резкое ограничительное отклоняющее средство 250 имеет небольшой перекос или не имеет перекоса, но все еще ограничивает утечку с динамической уплотнительной поверхности раздела обратно в смазку и тем самым улучшает толщину пленки.
Большой радиус гидродинамического входа 232, ориентированного под углом 280 перекоса радиуса, создает более сильное гидродинамическое расклинивающее действие по сравнению с уровнем техники за счет более постепенного схождения между уплотнением и относительно вращаемой поверхностью, которое обеспечивается за счет большего радиуса, почти выровненного с направлением 242 относительного вращения.
С учетом вышесказанного очевидно, что данное изобретение является изобретением, хорошо приспособленным для достижения всех указанных выше целей и признаков, совместно с другими целями и признаками, которые присущи раскрытому здесь устройству.
Как очевидно для специалистов в данной области техники, данное изобретение можно легко выполнять в других специальных формах без отхода от идеи или существенных характеристик. Поэтому данный вариант выполнения следует
рассматривать как имеющий иллюстративный характер и не ограничивающий данное изобретение, при этом объем изобретения указывается формулой изобретения, а не предшествующим описанием, и поэтому все изменения, которые находятся внутри значения и диапазона эквивалента формулы изобретения, охватываются ею.