УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована для уплотнения различных узлов машин и механизмов. Известны различные уплотнительные устройства, выполненные на базе сильфона. Их преимущество - возможность компенсации износа, а также разброса допусков различных рабочих органов, поскольку сильфон обладает подпружинящим эффектом и определенной подвижностью как в продольном, так и в поперечном направлениях. Сильфонные уплотнения пытались использовать в водяных насосах жидкостной системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания. Однако до настоящего времени они не нашли широкого применения, что было связано с неравномерностью испытываемой нагрузки гофрами сильфона со стороны корпуса и вращающегося рабочего органа. В большинстве стран до настоящего времени в водяных помпах используются сальниковые уплотнения, которые обладают невысокой надежностью. Нарушение герметичности сальникового уплотнения приводит к попаданию охлаждающей жидкости в полость расположения подшипников. Вымывается смазка подшипников, усиливается износ обоймы подшипников, что приводит к выходу из строя всего насоса. Известно уплотнительное устройство, содержащее сильфон, выполненный из гофр и из патрубков, расположенных по обе стороны от гофр, уплотнительные элементы, расположенные по обе стороны от гофрированной поверхности сильфона, причем один из уплотнительных элементов предназначен для сопряжения с неподвижным корпусом, а второй из уплотнительных элементов предназначен для сопряжения с вращающимся рабочим органом (Патент США № 2402995, н.п.к. 103-103, опубл. 1944 г.). В этом техническом решении сильфон выполнен из резины, а уплотнительные элементы выполнены в виде втулок, большего диаметра, чем диаметр сильфона, которые установлены непосредственно на валу. Кроме того, устройство имеет пружину, установленную снаружи сильфона для подпружиниF 16 л 5/52 ч вания втулок, и набор дополнительных шайб, которые установлены на валу со стороны рабочего органа. Подшипники в этом устройстве выполнены в виде подшипников скольжения. В этом техническом решении основную нагрузку несет пружина, гофры сильфона выполнены с небольшой высотой, по существу не работают на растяжение-сжатие, а сильфон практически выполняет лишь функпию зашитного чехла. Ограничениями устройства являются: недостаточно высокая надежность, поскольку резиновый сильфон практически не выполняет функцию компенсатора, эту функцию выполняет пружина; недостаточно высокое качество уплотнения, т.к. патрубки сильфона расположены между втулками, а уплотняющие втулки расположены непосредственно на валу, что приводит к быстрому, износу их поверхностей, сопряженных с валом, и нарушению герметичности уплотнения, особенно при использовании подшипников скольжения; сложность конструкции из-за использования пружины и дополнительных шайб. Наиболее близким является уплотнительное устройство, содержашее сильфон, выполненный из гофр и из патрубков, расположенных по обе стороны от гофр, уплотнительный элемент, предназначенный для сопряжения с вращающимся рабочим органом и выполненный из колец, сопряженных между собой своими плоскими поверхностями, одно из которых установлено на одном из патрубков сильфона, а второе сопряжено с вращающимся рабочим органом (Патент РФ № 2180063, F 16 J 15/52, опубл. 2002 г.). В этой конструкции одна из гофр сильфона выполнена широкой, выпуклые поверхности и вогнутые поверхности гофр выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей, отношение радиуса R выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу г выпуклой поверхности узкой гофры выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, отношение высоты Н между выпуклой поверхностью широкой гофры и сопряженной с ней вогнутой поверхностью узкой гофры к высоте h между выпуклой поверхностью и вогнутой поверхностью узкой гофры - в диапазоне от 0,5 до 1,5, отношение радиуса R i вогнутой поверхности между широкой гофрой и узкой гофрой к радиусу Г вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне от 1,0 до 2,2. За счет указанного выполнения узких и широких гофр сильфона удается достичь равномерности хода гофр, улучшить технико-эксплуатационные характеристики устройства.
В одном из вариантов его выполнения устройство снабжено цилиндрообразным корпусом, расположенным снаружи сильфона, один край этого корпуса выполнен загнутым внутрь поперечно относительно продольной оси сильфона и отогнутым наружу продольно, а отогнутый наружу продольно край закреплен на наружной поверхности второго из патрубков сильфона.
Ограничениями конструкции являются: необходимость использования для обеспечения герметизации достаточно больших усилий сжатия (больших 120 Н); применение уплотнительных колец разных диаметров, что приводит к неравномерному их износу. Кроме того, при достаточном усилии сжатия для обеспечения герметизации вращаюш1ихся рабочих органов кольца имеют высокий коэффициент трения, что ухудшает технико-эксплуатационные характеристики конструкции.
Решаемая полезной моделью задача - повышение надежности и качества.
Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства, - улучшение технико-эксплуатационных характеристик, упрощение конструкции и уменьшение ее габаритов при обеспечении высокого качества уплотнения при небольших усилиях сжатия и при высокой частоте вращения рабочего органа.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в уплотнительном устройстве, содержащем сильфон, выполненный из гофр и из патрубков, расположенных по обе стороны от гофр, уплотнительный элемент, предназначенный для сопряжения с врашающимся рабочим органом и выполненный из колец, сопряженных между собой своими плоскими поверхностями, одно из которых установлено на одном из патрубков сильфона, а второе сопряжено с вращающимся рабочим органом, согласно заявленной конструкции отнощение максимального наружного диаметра Вн2 сильфона к его длине L выбрано в диапазоне 1,4  DH/L  13, отношение внутреннего диаметра DBH сильфона к его длине L выбрано в диапазоне 0,94  DBH /L  7,3, а ширина В колец в радиальном направлении выбрана удовлетворяющей условиям В  0,5L и 0,0375 В„2  В  0,2 Он2, при этом количество гофр сильфона выбрано обеспечивающим усилие сжатия в продольном направлении в интервале от 30 до 120 Н.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
-кольца были выполнены керамическими, была введена опорная втулка, одно кольцо было становлено внутри одного из патрубков сильфона, а второе кольцо было сопряжено с вращающимся рабочим органом через опорную втулку и установлено на ней, опорная втулка выполнена с, по меньщей мере, одним фланцем и установлена с возможностью перемещения с натягом по валу вращающегося рабочего органа, фланец опорной втулки был выполнен выступающим в радиальном направлении сильфона с возможностью упора его плоской поверхности к плоской поверхности второго кольца;
-одно кольцо было выполнено графитовым, а второе - стальным, одно кольцо было установлено внутри одного из патрубков сильфона, а второе кольцо было выполнено с, по меньщей мере, одним фланцем и установлено с возможностью перемещения с натягом по валу вращающегося рабочего органа, фланец второго кольца был выполнен выступающим в радиальном направлении сильфона с возможностью упора его плоской поверхности к плоской поверхности одного кольца, установленного внутри патрубка;
-сильфон был выполнен металлическим.
-был введен цилиндрообразный корпус, расположенный снаружи сильфона и один край которого выполнен загнутым внутрь поперечно относительно продольной оси сильфона и отогнутым наружу продольно, а отогнутый наружу продольно край был закреплен на наружной поверхности второго из патрубков сильфона;
Для решения поставленной задачи, прежде всего, пришлось использовать кольца из одного материала и или кольца из материалов с близкими величинами коэффициентов трения. Например, кольца могут быть выполнены керамическими или графитовыми, или из графита и стали. Для функционирования их при усилиях сжатия от 30 до 120 Н, при рабочей частоте вращения рабочего органа от 1900 до 3500 мин   и при максимальной частоте вращения до 4000 мин   необходимо использовать кольца из керамики, наиболее неподдающиеся износу рабочих поверхностей. В то же время керамика имеет достаточно высокий коэффициент трения, поэтому при более высоких частотах вращения рабочего органа целесообразно использовать графитовые кольца или из графита и стали. В заявленной конструкции решалась задача оптимизации поперечных и продольных размеров сильфона и улучшения техникоэксплуатационных характеристик устройства в целом.
Указанные преимущества, а также особенности настоящей полезной модели поясняются лучшими вариантами ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 - изображает схематично продольное сечение устройства; Фиг. 2 - то же, что фиг. 1, другой вариант исполнения. Уплотнительное устройство (фиг. 1) содержит сильфон 1, выполненный из гофр 2 и из патрубков 3, 4, расположенных по обе стороны от гофр 2. Уплотнительный элемент 5 предназначен для сопряжения с вращающимся рабочим органом (например, с валом и крыльчаткой центробежного насоса) и выполнен из колец 6 и 7. Одно из колец 6 установлено на одном из патрубков 3 сильфона 1, а второе кольцо 7 сопряжено с вращающимся рабочим органом. Кольца 6 и 7 сопряжены между собой своими плоскими поверхностями.
Отношение максимального наружного диаметра В„2 сильфона 1 к его длине L выбрано в диапазоне 1,4  В„  13, отношение внутреннего диаметра DBH сильфона 1 к его длине L выбрано в диапазоне 0,94  DBH /L  7,3. Ширина В колец 6 и 7 в радиальном направлении выбрана удовлетворяющей условиям В  0,5L и 0,0375 В„2  В  0,2 В„2. Количество гофр 2 сильфона выбрано обеспечивающим усилие сжатия в продольном направлении в интервале от 30 до 120 Н. Для обеспечения усилий сжатия в указанном интервале целесообразно, чтобы сильфом 1 был выполнен металлическим, например, из нержавеющей стали. Для того чтобы сильфон 1 эффективно выполнял функции компенсации в условиях агрессивных сред также желательно, чтобы сильфон 1 был выполнен из металла. Однако при использовании заявленного устройства для различных машин и механизмов сильфон 1 может быть выполнен и из различных материалов, например, из пластмассы или жесткой резины, удовлетворяющих техническим требованиям к условиям эксплуатации. В варианте на фиг. 1 кольца выполнены керамическими. Введена опорная втулка 8. Одно кольцо 6 установлено внутри одного из патрубков 3 сильфона 1. Второе кольцо 7 сопряжено с вращающимся рабочим органом через опорную втулку 8 и установлено на ней. Опорная втулка 8 выполнена с, по меньшей мере, одним фланцем 9 и установлена с возможностью перемещения с натягом по валу 10 вращающегося рабочего органа внутри одного из патрубков 3 сильфона 1. Фланец 9 опорной втулки 8 выполнен выступающим в радиальном направлении сильфона 1 с возможностью упора его плоской поверхности к плоской поверхности второго кольца 7. В варианте на фиг. 2 одно кольцо 6 выполнено графитовым, а второе кольцо 7- стальным. Одно кольцо 6 установлено внутри одного из патрубков 3 сильфона 1. Второе кольцо 7 выполнено с, по меньшей мере, одним фланцем Ни установлено с возможностью перемещения с натягом по валу 10 вращающегося рабочего органа. Фланец И второго кольца 7 выполнен выступающим в радиальном направлении сильфона 1 с возможностью упора его плоской поверхности к плоской поверхности одного кольца 6, установленного внутри патрубка 3. Опорой кольца 6 (фиг. 1, 2) со стороны сильфона 1 служит часть гофры 2. 6 линдрообразного корпуса 12 выполнен загнутым внутрь поперечно относительно продольной оси сильфона 1 и отогнутым наружу продольно. Отогнутый наружу продольно край закреплен на наружной поверхности второго из патрубков 4 сильфона 1. Кроме того, как и в ближайшем аналоге, высота и/или ширина одной из гофр 2 сильфона 1 может быть выполнена большей, чем остальные гофры 2 (Вн2 и DH наружный диаметр высокой и низкой гофры 2 на фиг. 1), однако, как показали указанные пределы соотношений размеров для конструкции сохраняются и при выполнении гофр 2 с одинаковыми размерами. Как и в ближайшем аналоге выполнение одной из гофр 2 с большей высотой и/или шириной позволяет дополнительно повысить устойчивость сильфона 1 и одинаковый ход в.сех гофр 2 в продольном направлении. Работает уплотнительное устройство следующим образом (фиг. 1, 2). При врашении вала 10, распложенного внутри сильфона 1 и опорной втулки 8 и/или второго кольца 6, сильфон 1 компенсирует биения вала 10 и вращающегося рабочего органа (на фиг. 1 не показан). Одно и второе кольцо 6 и 7 имеют высокую степень прилегания по плоскостям, поскольку ход гофр 2 сильфона 1 равномерен под воздействием осевых нагрузок. Кольца 6 и 7 не допускают проникновения рабочей среды от рабочего органа к вращающимся элементам конструкции. В качестве рабочей среды может быть использована жидкость, например, антифриз или любая другая рабочая жидкость. Надежность герметизации обеспечивается постоянным осевым усилием нагруженного сильфона 1 на уплотнительный элемент 5. По мере износа трущихся поверхностей колец 6 и 7 все гофры 2 сильфона 1 разжимаются с одинаковой величиной своего хода, обеспечивается соответствующее поджатие уплотнительных элементов, что увеличивает надежность и долговечность устройства. Опорная втулка 8 (фиг. 1) или кольцо 7 (фиг. 2) устанавливаются на валу 10 с натягом для обеспечения возможности регулировки прижима колец 6 и 7 при введении в эксплуатацию уплотнительного устройства или для проведения ремонтных работ при эксплуатации. Величина натяга выбирается в
конструкции большей, чем конкретная величина усилия сжатия в продольном направлении из интервала от 30 до 120 Н.
Как показали испытания, указанные соотношения размеров сильфона 1 и колец 6 и 7 позволяют обеспечить улучшение технико-эксплуатационных характеристик, упрошение конструкции и уменьшение ее габаритов при обеспечении высокого качества уплотнения при небольших усилиях сжатия и при высокой частоте вращения рабочего органа. Для использования заявленного уплотнительного устройства в водяных насосах жидкостной системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания могут быть использованы следующие размеры основных конструктивных элементов:
Длина L сильфона 1 от 3 до 18 мм, максимальный наружный диаметр Вн2 сильфона 1 от 25 до 40 мм, диаметр внутренний Вв„ сильфона 1 от 17 до 22 мм, ширина В колец 6, 7 в радиальном направлении от 1,5 до 5 мм, толщина колец 6, 7 в зависимости от прикладываемого усилия сжатия от 2 до 6 мм, длина опорной втулки 8 от 8 до 14 мм, количество гофр 2 сильфона 1 - от 3 до 18, диаметр вала dg - 16 мм. В конструкции уплотнительного элемента используются материалы, допускающие его работу всухую.
Наиболее успешно заявленное уплотнительное устройство промышленно применимо в машинах и механизмах при их функционировании в различных агрессивных средах или с агрессивными рабочими жидкостями, и преимущественно может быть использовано в центробежных насосах различных типов, например, в жидкостной системе охлаждения двигателей внутреннего сгорания автомобилей.