ДИНАМИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ С НИЗКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ТРЕНИЯ
DYNAMIC SEAL WITH LOW FRICTION COEFFICIENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к уплотнительному устройству для уплотнения радиального зазора между вращающимся внутренним компонентом, таким как вал, и неподвижным наружным компонентом, таким как корпус подшипника. Более конкретно, настоящее изобретение относится к уплотнительному устройству, которое создает малое трение при высоких скоростях вращения.
Описание предшествующего уровня техники
Машинам, содержащим вращающие компоненты, обычно требуются уплотнительные узлы, чтобы предотвратить попадание влаги и загрязняющих веществ, например в подшипник, который является опорой для вращающегося компонента, и чтобы предотвратить утечку смазочного вещества, которым смазан подшипник. Радиальные манжетные уплотнения являются одним примером обычно используемого уплотнения. Уплотнение имеет контактную манжету, которая опирается на противолежащую поверхность, что обеспечивает эффективное уплотнение при статических условиях. При динамических условиях манжета находится в скользящем контакте с противолежащей поверхностью, при котором создается трение и вырабатывается тепло, означая, что традиционные манжетные уплотнения часто непригодны для использования при высоких скоростях вращения.
Применением, при котором эффективное уплотнение является важным при статических условиях и при высоких скоростях, является применение при эксплуатации железнодорожных подшипников. Например, в компактных подшипниковых узлах тяги, которые работают при скоростях выше 200 (km/hr) км/час, избыточное трение и выработка тепла будут быстро приводить к износу и скорому выходу из строя уплотнения. Вследствие этого, в подобных подшипниковых узлах иногда применяют бесконтактные лабиринтные уплотнения. Один пример описан в US 8356941. Однако недостаток лабиринтных уплотнений заключается в том, что они могут не обеспечивать эффективное уплотнение при статических условиях, хотя зазоры между противоположными лабиринтными поверхностями очень малы. Поэтому требования к допускам в подобных уплотнительных устройствах являются более строгими.
Следовательно, есть возможность усовершенствования.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение касается уплотнительного устройства для уплотнения радиального зазора между взаимно вращающимися внутренним и наружным компонентами, в соответствии с чем внутренний компонент выполнен с возможностью вращения вокруг оси вращения, а наружный компонент размещен коаксиально вокруг внутреннего компонента. Уплотнительное устройство содержит статическую часть, выполненную с возможностью установки на наружном компоненте, и динамическую часть, выполненную с возможностью установки на внутреннем компоненте. Уплотнительное устройство содержит первое лабиринтное уплотнение и второе лабиринтное уплотнение, каждое из которых образовано зазором между по меньшей мере одним множеством противоположных поверхностей на статической и динамической частях уплотнения. Уплотнительное устройство дополнительно содержит манжетное уплотнение, которое размещено радиально между первым и вторым лабиринтными уплотнениями. Манжетное уплотнение содержит уплотнительную манжету, соединенную с динамической частью уплотнения, которая упирается в радиально ориентированную противолежащую поверхность на статической части уплотнения. Уплотнительная манжета имеет в радиальном поперечном сечении продольное продолжение, которое продолжается по направлению к оси вращения под углом, находящимся в пределах от 10° до 80°, когда динамическая часть уплотнения неподвижна.
Таким образом, уплотнительная манжета выполнена с возможностью отклонения от противолежащей поверхности под действием центробежной силы, уменьшая за счет этого контактное усилие манжеты по мере увеличения скорости, что в свою очередь минимизирует увеличение трения. При определенной высокой скорости манжета будет отрываться от противолежащей поверхности, но это не будет ухудшать общее уплотнительное действие уплотнительного устройства, поскольку первое и второе лабиринтные уплотнения имеют оптимальный уплотнительный эффект при высокой скорости. Поэтому уплотнительное устройство обеспечивает эффективное уплотнение при статических и низкоскоростных условиях и обеспечивает эффективное уплотнение с низким коэффициентом трения при высоких скоростях. Уплотнительная манжета предпочтительно наклонена в продольном направлении, относительно оси вращения, под углом, находящимся в пределах от 30° до 60°.
В одном примере уплотнительная манжета изготовлена из эластомерного материала, который соединяют с участком радиально продолжающегося фланца динамической части уплотнения, например, в процессе формования. Соединение между продольным продолжением уплотнительной манжеты и фланцевым участком может соответствующим образом содержать шарнирную точку, вокруг которой манжета может поворачиваться под действием центробежной силы. Шарнирная точка может быть образована с помощью относительно тонкой секции эластомерного материала.
При скоростях ниже скорости отрыва уплотнительная манжета находится в скользящем контакте с противолежащей поверхностью. Для того чтобы еще дополнительно уменьшить трение, этот скользящий контакт предпочтительно смазывают смазкой для уплотнений, которая специально адаптирована для применения в уплотнениях. Обычно, пространство, уплотняемое с помощью уплотнительного устройства по изобретению, будет содержать роликовый подшипник, в частности, двухрядный конический роликовый подшипник для применений в железнодорожной отрасли. Подшипник смазывают смазкой, применяемой для контактов качения. Если используется разная смазка для уплотнений, то важно держать разные смазки отделенными. Эту функцию выполняет первое лабиринтное уплотнение.
Первое лабиринтное уплотнение лежит радиально направленным внутрь манжетного уплотнения и по меньшей мере частично образовано кольцевым зазором между цилиндрическим установочным участком динамической части уплотнения и противоположным цилиндрическим участком статической части уплотнения. В предпочтительном примере динамическая часть уплотнения дополнительно содержит радиальное расширение на аксиально направленной внутренней стороне (сторона подшипника), это расширение радиально перекрывает кольцевой зазор первого лабиринтного уплотнения. Радиальное расширение образует дополнительный барьер между манжетным уплотнением и пространством, которое уплотняют с помощью уплотнительного устройства в целом.
Радиальное расширение может быть выполнено из того же самого материала, что и уплотнительная манжета, и может быть соединено с динамической частью уплотнения в том же процессе. В альтернативном варианте, радиальное расширение может быть образовано секцией цилиндрического установочного участка динамической части уплотнения, эта секция изогнута радиально наружу после того как статическая и динамическая части уплотнения были собраны.
Первое лабиринтное уплотнение, манжетное уплотнение и второе лабиринтное уплотнение предпочтительно размещены по существу на одном и том же осевом месте расположения. Это обеспечивает компактную конструкцию. Три упомянутых уплотнительных элемента расположены таким образом один над другим в радиальном поперечном сечении.
Второе лабиринтное уплотнение лежит радиально наружу от манжетного уплотнения, и его первичной функцией является предотвращение попадания загрязнений в уплотнительное устройство. В одном примере второе лабиринтное уплотнение имеет U-образную геометрию, образованную с помощью осевого зазора между противоположными аксиально ориентированными поверхностями статической и динамической частей уплотнения, и с помощью первого и второго кольцевых зазоров между первым множеством и вторым множеством противоположных радиально ориентированных поверхностей на статической и динамической частях уплотнения.
Соответствующим образом, статическая часть уплотнения содержит U-образный элемент, имеющий радиально внутреннюю ножку и радиально наружную ножку. Динамическая часть уплотнения соответствующим образом содержит наружный цилиндрический участок, который проходит между радиально внутренней и радиально наружной ножками, с целью создания вышеупомянутых зазоров второго лабиринтного уплотнения.
Таким образом, согласно настоящему изобретению уплотнительное устройство имеет комплексное лабиринтное уплотнение, чтобы предотвратить попадание загрязнения к уплотнительной манжете, при этом данная манжета выполнена с возможностью отклонения от противолежащей поверхности на статической части уплотнения под действием центробежной силы. Таким образом уплотнительное устройство обеспечивает эффективное уплотнение с низким коэффициентом трения при высоких скоростях вращения. Кроме того, лабиринтное уплотнение предотвращает попадание смазки из уплотняемого пространства в уплотнительное устройство, делая возможным использование специальной смазки в уплотнении.
Эти и другие преимущества изобретения будут понятны из нижеследующего подробного описания и сопровождающих чертежей.
Краткое описание чертежей
На чертеже показан вариант осуществления настоящего изобретения. На единственной фигуре показано радиальное поперечное сечение уплотнительного устройства, которое установлено на железнодорожном подшипниковом узле.
Подробное описание изобретения
На фигуре показано уплотнительное устройство, которое составляет часть железнодорожного подшипникового узла. Уплотнительное устройство 1 герметизирует устройство 2 двухрядного сужающегося роликового подшипника (подробно не показано) от воздействия окружающей среды Е. Устройство 2 подшипника несет вал 3 вращения в неподвижном корпусе 4 (корпус может быть также наружным кольцом подшипника). Вал 3 вращается вокруг оси а.
Уплотнительное устройство 1 содержит три уплотнительных элемента, а именно: первое лабиринтное уплотнение 5 и второе лабиринтное уплотнение 6, а также манжетное уплотнение 7, которое размещено радиально между двумя лабиринтными уплотнениями 5 и 6.
Более точно, устройство содержит динамическую часть 12 уплотнения, которая установлена на валу 3, и содержит статическую часть 10 уплотнения, которая установлена на корпусе 4. Статическая часть уплотнения содержит фланцевый участок 10', который продолжается в радиальном направлении внутрь от наружного цилиндрического установочного участка. В дополнение, статическая часть уплотнения содержит внутренний цилиндрический участок 9, который продолжается от статического фланцевого участка 10' в осевом направлении наружу. Соответствующим образом, эти участки являются частью деформированного трубчатого элемента, который изготовлен, например, из металлического листа.
Динамическая часть 12 уплотнения содержит цилиндрический установочный участок 12' (установленный на валу 3) и фланцевый участок 12'', который продолжается от установочного участка в радиальном направлении наружу. В дополнение, наружный цилиндрический участок 12''' продолжается от участка 12'' динамического фланца в осевом направлении внутрь, по направлению к участку 10' статического фланца статической части уплотнения. Кроме того, вышеупомянутые участки динамической части уплотнения соответствующим образом образуют часть деформированного трубчатого элемента, который изготовлен, например, из металлического листа.
Первое лабиринтное уплотнение 5 образовано по меньшей мере частично с помощью кольцевого зазора 11 между радиально внутренней поверхностью цилиндрического участка 9 статической части 10 уплотнения и радиально наружной поверхностью цилиндрического установочного участка 12' динамической части 12 уплотнения.
Динамическая часть уплотнения дополнительно содержит эластомерную уплотнительную манжету 8, которая продолжается в продольном направлении L манжеты по направлению к оси вращения а. Уплотнительная манжета 8 соединена с участком 12'' динамического фланца и имеет корпус продольной формы, который продолжается по углом α по отношению к оси вращения а. Контактная поверхность уплотнительной манжеты 8 опирается на противолежащую поверхность на статической части 10 уплотнения, образованную с помощью радиально наружной поверхности цилиндрического участка 9. В показанном примере угол α составляет приблизительно 45 градусов. Кроме того, эластомерная уплотнительная манжета 8 соединена с фланцевым участком 12'' динамической части 12 уплотнения посредством относительно тонкой секции эластомерного материала. Эта относительно тонкая секция работает как шарнирная точка 19, вокруг которой может поворачиваться уплотнительная манжета 8. Таким образом, под действием центробежной силы во время вращения динамической части уплотнения уплотнительная манжета 8 будет отжата от противолежащей поверхности (в направлении необозначенной стрелки, показанной на фигуре).
Соответственно, контактное усилие между уплотнительной манжетой 8 и противолежащей поверхностью на цилиндрическом участке 9 уменьшается во время вращения вала 3. При достаточной скорости вращения уплотнительная манжета 8 будет отрываться от цилиндрического участка, обеспечивая уплотнение с низким коэффициентом трения при высоких скоростях вращения, превышающих, например, 200 (km/hr) км/час, которые являются обычными для железнодорожных подшипниковых узлов. Как будет понятно, уплотнительная манжета может быть спроектирована, чтобы отрываться при заданной скорости вращения в зависимости от применения.
Преимущественно, манжетное уплотнение 7 снабжено консистентной смазкой для уменьшения трения при скоростях ниже скорости трогания с места. Соответствующим образом, смазка уплотнения специально адаптирована для скользящих контактов и может быть смазкой, отличающейся от смазки подшипника, которой смазано устройство 2 подшипника. При динамических условиях первое лабиринтное уплотнение 5 обеспечивает, чтобы две разные смазки оставались отделенными друг от друга.
Для того чтобы обеспечить разделение при статических условиях, динамическая часть уплотнения предпочтительно содержит второй радиальный выступ 18, который продолжается от установочного участка 12' вала на внутренней в аксиальном направлении стороне (сторона подшипника) и который слегка перекрывает в радиальном направлении фланцевый участок 10' статической части уплотнения. В показанном варианте осуществления настоящего изобретения второй радиальный выступ 18 выполнен из того же самого эластомерного материала, который соединяют с динамической частью 12 уплотнения для создания уплотнительной манжеты 8. Эластомерный выступ 18 имеет некоторую гибкость, позволяя собирать динамическую и статическую части уплотнения в осевом направлении с помощью упругого деформирования выступа 18. В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения (не показан) по меньшей мере радиально внутренняя поверхность на установочном участке вала динамической части 12 уплотнения покрыта слоем эластомерного материала для снижения напряжения на валу 3.
Второй радиальный выступ 18 может быть также выполнен путем осевого продолжения установочного участка 12' вала, который изогнут в радиальном направлении наружу, после того как динамическая и статическая части уплотнения были собраны в осевом направлении.
Уплотнительное устройство 1 спроектировано также с возможностью предотвращения попадания загрязнений из окружающей среды Е в герметизируемое пространство, где расположено устройство 2 подшипника. Второе лабиринтное уплотнение 6 играет важную роль в этой уплотнительной функции, особенно при высоких скоростях, когда уплотнительная манжета 8 отрывается от противолежащей поверхности. Второе лабиринтное уплотнение предпочтительно образовано с помощью U-образного зазора, образованного из первого и второго кольцевых зазоров и осевого зазора.
В показанном варианте осуществления настоящего изобретения статическая часть уплотнения содержит по существу U-образный элемент 13, установленный на наружной стороне в осевом направлении участка 10' статического фланца. Элемент 13 имеет первую и вторую ножки 13', 13'', которые в осевом направлении перекрывают противоположные радиальные поверхности наружного цилиндрического участка 12''' динамической части уплотнения. Первый кольцевой зазор 14 образован между радиально внутренней поверхностью первой ножки 13’ и радиально наружной поверхностью наружного цилиндрического участка 12'''. Второй кольцевой зазор 15 образован между радиально наружной поверхностью второй ножки 13'' и радиально внутренней поверхностью наружного цилиндрического участка 12'''. Осевой зазор образован между противоположными осевыми боковыми сторонами U-образного элемента 13 и наружным цилиндрическим участком.
Соответствующим образом, радиальный размер первого кольцевого зазора 14, который открыт в сторону окружающей среды Е, является очень маленьким, например 0,5 (mm) мм, для того чтобы ограничить попадание загрязнения. Осевой зазор предпочтительно шире в осевом размере, например 1,5 (mm) мм, для того чтобы вмещать осевые смещения между валом 3 и корпусом 4.
В показанном варианте осуществления настоящего изобретения второй кольцевой зазор 15 второго лабиринтного уплотнения 6 является непостоянным в радиальном размере. Вторая ножка 13'' U-образного элемента имеет маленький радиальный выступ 16, который определяет пространство 17 для сбора влаги и других загрязнений. Выступ 16 помогает предотвратить попадание загрязнений в уплотнительное устройство.
Фланцевый участок 10' статической части уплотнения может быть изготовлен из металлического листа и, в показанном примере, содержит S-форму в своей радиальной средней области. U-образный элемент может быть изготовлен из полимерного материала, который соединен или отформован с участком 10' статического фланца на S-образной секции. Поступая таким образом, соответствующее определение места расположения U-образного элемента 13 устанавливают с помощью выточки в радиальном направлении, которая образована с помощью «S». Выточка создает осевое продолжение для радиально расположенного U-образного элемента (13). В других вариантах осуществления настоящего изобретения участок 10' статического фланца является прямым в радиальном направлении.
Таким образом, изобретение не ограничено показанным вариантом осуществления настоящего изобретения, но должно быть интерпретировано в пределах объема нижеследующей формулы изобретения.
Ссылочные позиции
1 Уплотнительное устройство
2 Устройство подшипника
3 Вращающаяся часть машины (вал)
4 Неподвижная часть машины (корпус)
5 Первое лабиринтное уплотнение
6 Второе лабиринтное уплотнение
7 Манжетное уплотнение
8 Уплотнительная манжета
9 Цилиндрический участок статической части уплотнения
10 Статическая часть уплотнения
10' Фланцевый участок статической части уплотнения (участок статического фланца)
11 Кольцевой зазор первого лабиринтного уплотнения
12 Динамическая часть уплотнения
12' Установочный участок динамической части уплотнения
12'' Фланцевый участок динамической части уплотнения (участок динамического фланца)
12''' Наружный цилиндрический участок динамической части уплотнения
13 U-образный элемент
13' Первая ножка U-образного элемента
13'' Вторая ножка U-образного элемента
14 Первый кольцевой зазор второго лабиринтного уплотнения
15 Второй кольцевой зазор второго лабиринтного уплотнения
16 Радиальный выступ на U-образном элементе
17 Пространство сбора (коллектор воды) внутри U-образного элемента
18 Радиальный выступ на динамической части уплотнения
19 Поворотная точка уплотнительной манжеты
Е Окружающая среда
а Ось вращения
α Угол между уплотнительной манжетой и осью вращения
L Продольное продолжение уплотнительной манжеты