ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА

Полезная модель относится к области гидромашиностроения, более конкретно к уплотнительным устройствам, и может быть использована для уплотнения вала погружного электродвигателя, предназначенного для привода насоса при откачке жидкости из скважин, колодцев и т.д.
Известно торцовое уплотнение вертикального вала, содержащее неподвижное и контактирующее с ним вращающееся уплотнительные кольца, а также упорный элемент, закрепленный на валу. (См. а.с. СССР №1551920, М. кл. 5 F 16 J 15/34, опубл. 23.03.1990 г., бюл. №11). Устройство дополнительно включает упругий элемент, установленный во вращающемся уплотнительном кольце и поджатый к нему обжимным элементом в виде шайбы. Обжимной элемент контактирует с винтовой пружиной, размещенной на валу, другой конец которой взаимодействует с обоймой. Обойма с одной стороны связана с вращающимся уплотнительным кольцом, а с другой - контактирует со вторым упругим элементом, размещенным на валу между обоймой и упорным элементом. Упругие элементы выполнены в виде эластичных колец. Основным недостатком известной конструкции можно считать сложность процесса ее сборки.
Известна также конструкция торцового уплотнения вала, содержащего неподвижное и контактирующее с ним вращающееся уплотнительные кольца и упругий элемент, поджатый одним концом к вращающемуся уплотнительному кольцу, а другим - к валу обжимной втулкой с заплечиками. Обжимная втулка выполнена из двух частей, соединенных между собой в замок с возможностью осевого перемещения. (См. патент США №4036505, М. кл. 2 F 16 J 15/34, опубл. 19.07.1977 г.).
Со стороны свободного конца части обжимной втулки, ближе расположенной к вращающемуся кольцу, на ее цилиндрической поверхности выполнены сквозные пазы, в которых располагаются упоры, размещенные на другой части втулки.
Надежность известной конструкции, особенно при длительной эксплуатации, недостаточна. Это объясняется тем, что в известном торцовом уплотнении механическая прочность крепления упругого элемента обеспечивается его натягом. А натяг в процессе эксплуатации исчезает из-за старения эластомера упругого элемента. Кроме того, при длительной эксплуатации устройства под воздействием сил деформации, передаваемых на части обжимной втулки, возможно разрушение пазов и истирание упоров в местах их
контакта, что приводит к проскальзыванию упругого элемента и, как следствие, нарушению герметичности.
Наиболее близким заявляемому можно считать выбранное в качестве прототипа торцовое уплотнение вала, представленное в патенте Украины на изобретение №50856, М. кл. 6 F 16 J 15/34, опубл. 15.11.2002 г., бюл. №11.
Известное торцовое уплотнение вала содержит неподвижное и контактирующее с ним вращающееся уплотнительные кольца. В устройство также входят упорный элемент, неподвижно установленный на валу, и обжимная втулка с заплечиками. Кроме того, торцовое уплотнение включает винтовую пружину, которая установлена на обжимной втулке с возможностью взаимодействия с заплечиками, а также упругий элемент, поджатый одним концом к вращающемуся уплотнительному кольцу, а другим - к валу. Обжимная втулка известного устройства состоит из частей, соединенных между собой в замок с возможностью осевого перемещения, а упругий элемент выполнен уменьшающимся в поперечном сечении по направлению к уплотнительным кольцам. Внутренняя поверхность части обжимной втулки и внутренняя поверхность упорного элемента ответны контактирующей с ними наружной поверхности упругого элемента в его части, поджимаемой к валу. Указанные признаки являются общими с заявляемой конструкцией.
В известном торцовом уплотнении вала внутренняя поверхность части втулки, поджимающей упругий элемент к валу, и контактирующая с ней наружная поверхность упругого элемента выполнены в виде усеченных конусов, большим основанием направленных от уплотнительных колец. На внутренней цилиндрической поверхности части втулки, поджимающей упругий элемент к вращающемуся уплотнительному кольцу, по образующей выполнены цилиндрические упоры с возможностью установки в ответных радиусных пазах, выполненных на контактирующей с указанной поверхностью наружной поверхности другой части втулки.
Недостатком известной конструкции можно считать низкую надежность из-за возможности снижения прижима упругого элемента к валу в процессе длительной эксплуатации. Такая ситуация может возникнуть, когда, в результате сборки торцового уплотнения, выпуклая часть упругого элемента будет находиться максимально близко к уплотнительным кольцам. В этом случае, возможно, что упругий элемент не будет контактировать с упорным элементом. При этом если произошло старение эластомера упругого элемента, его прижим к валу будет недостаточным. Кроме того, возможно повреждение выпуклой части упругого элемента частями обжимной втулки в процессе их осевого перемещения.
В основу создания полезной модели поставлена задача разработки такой конструкции торцового уплотнения вала, в котором выбор новой формы частей обжимной втулки, упругого элемента, а также новое выполнение упорного элемента обеспечивают постоянство прижима к валу конца упругого элемента при длительной работе. Это достигается путем создания замкнутого объема с постоянным усилием сжатия части упругого элемента и постоянным контактом последнего с упорным элементом.
Поставленная задача решается тем, что усовершенствуется известное торцовое уплотнение вала, которое содержит неподвижное и контактирующее с ним вращающееся уплотнительные кольца, а также упорный элемент, неподвижно установленный на валу. Известное устройство также включает обжимную втулку с заплечиками и винтовую пружину, установленную на обжимной втулке с возможностью взаимодействия с заплечиками, а также упругий элемент, поджатый одним концом к вращающемуся уплотнительному кольцу, а другим - к валу. Обжимная втулка известного устройства состоит из частей, соединенных между собой в замок с возможностью осевого перемещения. При этом упругий элемент выполнен уменьшающимся в поперечном сечении по направлению к уплотнительным кольцам. Внутренняя поверхность части обжимной втулки и внутренняя поверхность упорного элемента ответны контактирующей с ними наружной поверхности упругого элемента, в его части, поджимаемой к валу.
Согласно полезной модели наружная поверхность упругого элемента в его части, поджимаемой к валу, выполнена ступенчатой и образована двумя скосами, расположенными навстречу, и двумя цилиндрическими поверхностями. Из цилиндрических поверхностей большая в поперечном сечении выполнена между скосами, а вторая, меньшего поперечного сечения, выполнена от скоса, ближе расположенного к уплотнительным кольцам, в сторону последних.
Ответная внутренняя поверхность части обжимной втулки, которая поджимает упругий элемент к валу, может быть образована двумя цилиндрическими поверхностями и расположенным между ними скосом.
Упорный элемент может быть выполнен в виде втулки, внутренняя поверхность которой включает цилиндрическую часть, прилегающую к валу, и скос, выполненный непосредственно со стороны свободного конца втулки, расположенного ближе к уплотнительным кольцам, с возможностью взаимодействия с ответным скосом на упругом элементе.
Такая конструкция обеспечивает получение постоянно сжатого замкнутого объема для конца упругого элемента, чем обеспечивается его прижим, как к валу, так и к упорному элементу даже при длительной эксплуатации.
Заявляемая конструкция иллюстрируется чертежом, где показано предлагаемое торцовое уплотнение в продольном разрезе.
Торцовое уплотнение вала содержит неподвижное 1 и контактирующее с ним вращающееся 2 уплотнительные кольца, обжимную втулку, выполненную составной из частей 3, 4 с заплечиками 5, 6, соответственно. Части 3, 4 обжимной втулки соединены между собой в замок с возможностью осевого перемещения. Устройство включает также винтовую пружину 7, установленную на обжимной втулке концентрично с возможностью взаимодействия с заплечиками 5, 6. Упорный элемент 8 уплотнения неподвижно установлен на валу 9, а упругий элемент 10 поджат одним концом к вращающемуся уплотнительному кольцу 2, а другим - к валу 9 частями 3 и 4 обжимной втулки, соответственно. Упругий элемент 10 выполнен уменьшающимся в поперечном сечении по направлению к уплотнительному кольцу 2. Внутренняя поверхность части 4 обжимной втулки и внутренняя поверхность упорного элемента 8 ответны контактирующей с ними наружной поверхности упругого элемента 10 в его части, поджимаемой к валу 9.
Наружная поверхность части упругого элемента 10, поджимаемой к валу 9, выполнена ступенчатой и образована двумя скосами 11 и 12, расположенными навстречу, и двумя цилиндрическими поверхностями. Из указанных цилиндрических поверхностей большая в поперечном сечении выполнена между скосами 11 и 12, а вторая, меньшего поперечного сечения, выполнена от скоса 12, ближе расположенного к уплотнительным кольцам 1, 2, в сторону последних.
Ответная внутренняя поверхность части 4 обжимной втулки, которая поджимает упругий элемент 10 к валу 9, образована, например, двумя цилиндрическими поверхностями и расположенным между ними скосом, выполненным с возможностью взаимодействия с двумя цилиндрическими поверхностями и скосом 12 на упругом элементе 10.
Упорный элемент 8 выполнен, например, в виде втулки, внутренняя поверхность которой включает цилиндрическую часть 13, прилегающую к валу 9, и скос, выполненный непосредственно со стороны свободного конца втулки, расположенного ближе к уплотнительным кольцам 1, 2, с возможностью взаимодействия с ответным скосом 11 на упругом элементе 10.
Для обеспечения осевого перемещения частей 3, 4 обжимной втулки, на внутренней цилиндрической поверхности части 3 обжимной втулки, поджимающей упругий элемент 10 к вращающемуся уплотнительному кольцу 2, как и в известном устройстве, по образующей выполнены цилиндрические упоры (не показаны). Упоры расположены с возможностью установки в ответных радиусных пазах, выполненных на
контактирующей с указанной поверхностью наружной поверхности другой части 4 обжимной втулки.
В процессе работы крутящий момент от вала 9 через обжимную втулку, состоящую из частей 3, 4, передается вращающемуся кольцу 2. Винтовая пружина 7, упираясь в заплечики 5, 6 обжимной втулки, благодаря подвижному в осевом направлении соединению ее частей 3, 4, растягивает указанные части и тем самым осуществляет постоянный прижим поверхности упругого элемента 10 к вращающемуся кольцу 2. При этом происходит прижим самого вращающегося кольца 2 к неподвижному кольцу 1. Одновременно через взаимодействие ступенчатой поверхности части 4 обжимной втулки и ей ответной на упругом элементе 10 происходит его прижим к валу 9, обеспечивая герметичность. Часть 4 обжимной втулки совместно с упорным элементом 8 зажимает конец упругого элемента 10, прилегающий к валу, в замкнутом объеме, благодаря ступенчатой форме части 4 обжимной втулки и скосам, аналогичным скосам 12, 11, на последней и упорном элементе 8. Даже при износе рабочих поверхностей колец 1, 2 осевое перемещение частей 3, 4 обжимной втулки обеспечивает требуемый прижим элемента 10 к валу 9 и кольцу 2, а замковое соединение обеспечивает надежность соединения частей 3 и 4 обжимной втулки. Цилиндрические упоры на части 3 обжимной втулки, перемещаясь по ответным радиусным пазам в части 4 обжимной втулки, создают минимальное трение в месте контакта элементов 3 и 4. Перемещение упругого элемента 10 по валу 9 в осевом направлении ограничивается с одной стороны упорным элементом 8, а с другой стороны - ступенчатой поверхностью на части 4 обжимной втулки и ответной поверхностью упругого элемента 10. Радиальное перемещение частей втулки 3 и 4 возможно лишь на величину зазора в месте контакта цилиндрических поверхностей упоров на части 3 обжимной втулки и ответных пазов на части 4 обжимной втулки, а он минимален.