МЕХАНИЧЕСКОЕ ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ

Полезная модель относится к области гидромашиностроения, а именно к одинарным торцовым уплотнениям вращающихся валов, и может быть использована для создания непроницаемого для жидкости соединения между вращающимися валами и корпусами погружных электродвигателей, предназначенных для привода насосов для откачивания жидкости из скважин, колодцев и т.д.
Известно механическое торцовое уплотнение вала погружного электродвигателя, содержащее невращающееся кольцо трения, неподвижно установленное в корпусе, вращающееся кольцо трения с внутренней кольцевой расточкой, установленное на валу в контакте с невращающимся кольцом трения, кольцевой упорный элемент, зафиксированный на валу стопорным кольцом, цилиндрическую винтовую пружину сжатия, расположенную между упорным элементом и вращающимся кольцом трения, два эластомерных уплотнительных кольца и шайбу с кольцевым выступом. Вращающееся кольцо трения и пружина сжатия установлены в обойме, плотно прижатой отогнутым концом к упорному элементу через одно из эластомерных уплотнительных колец. Другое эластомерное уплотнительное кольцо размещено во внутренней кольцевой расточке вращающегося кольца трения и поджато пружиной сжатия посредством шайбы с кольцевым выступом. (Авт. св-во СССР №1551920, кл. F16J 15/34, опубл. 23.03.1990).
Недостатком известного механического торцового уплотнения является недостаточно надежная фиксация обоймы к валу, вследствие чего обойма вместе с вращающимся кольцом трения вращается с меньшей скоростью, чем скорость вращения вала. Это приводит к проскальзыванию обоих эластомерных уплотнительных колец. Кроме того, может возникать проскальзывание шайбы с кольцевым выступом относительно эластомерного уплотнительного кольца, расположенного в кольцевой расточке вращающегося кольца трения. В результате сокращается срок службы торцового уплотнения.
Известные конструкции механических торцовых уплотнений сильфонного типа обеспечивают более надежное механическое соединение вращающегося кольца трения с валом, что способствует увеличению срока службы и надежности работы механического торцового уплотнения (см. авт. св-ва СССР №№826792, 1272823, патенты Украины №№1260 (U), 508856 (С2), патент Российской Федерации №2179676 (С2)). В известных механических торцовых уплотнениях сильфонного типа необходимое для нормальной работы торцового уплотнения соединение вращающегося вала с вращающимся кольцом трения осуществляется с использованием обжимных втулочных и других элементов, взаимодействующих с цилиндрической пружиной сжатия, установленной между упорным элементом и вращающимся кольцом трения.
Известно механическое торцовое уплотнение вала погружного электродвигателя, содержащее невращающееся кольцо трения, неподвижно установленное в корпусе, вращающееся кольцо трения с внутренней ступенчатой кольцевой расточкой, установленное на валу в контакте с невращающимся кольцом трения, кольцевой упорный элемент в виде шайбы, зафиксированный на валу стопорным кольцом, цилиндрическую винтовую пружину сжатия, расположенную между упорным элементом и вращающимся кольцом трения, и эластичный сильфон. Эластичный сильфон поджат пружиной сжатия одним концом через установленную в ступенчатой кольцевой расточке обжимную шайбу, закрепленную распорным кольцом, к вращающемуся кольцу трения, а другим концом с помощью опорной втулки с заплечиком - к валу. Пружина сжатия взаимодействует одним концом с заплечиком опорной втулки, а другим концом - с обжимной шайбой. Конец эластичного сильфона, контактирующий с вращающимся кольцом трения, выполнен с внешним кольцевым буртом, размещенным в ступенчатой кольцевой расточке в контакте с обжимной шайбой. (Патент Украины №1260 (U), кл. F16J 15/34, опубл. 17.06.2002).
Недостатками известного механического торцового уплотнения являются сложность конструкции крепления эластичного сильфона во вращающемся кольце трения, упорного элемента с заплечиком и установки этого упорного элемента в эластичный сильфон, что снижает технологичность и увеличивает трудоемкость изготовления механического торцового уплотнения. К тому же, недостаточно надежна герметизация соединения концов эластичного сильфона с валом и вращающимся кольцом трения. Механическая прочность крепления эластичного сильфона к валу обеспечивается главным образом его натяжением, которое в процессе эксплуатации постепенно уменьшается и затем пропадает из-за старения эластомера эластичного сильфона. Геометрическая конфигурация эластичного сильфона сложна, что также снижает надежность его функционирования. В связи с этим известное механическое торцовое уплотнение недостаточно надежно в работе, особенно при длительной эксплуатации.
Известно механическое торцовое уплотнение для валов, содержащее невращающееся кольцо трения, неподвижно установленное в корпусе, вращающееся кольцо трения, установленное на валу в контакте с невращающимся кольцом трения, кольцевой упорный элемент в виде шайбы, зафиксированный на валу стопорным кольцом, цилиндрическую винтовую пружину сжатия, составную обжимную втулку и эластичный сильфон. Эластичный сильфон содержит тонкую гибкую центральную часть и два расширенных присоединительных конца, один из которых служит для соединения с валом, другой - для соединения с вращающимся кольцом трения. Конец эластичного сильфона, служащий для соединения с валом, установлен вплотную к валу и упорной шайбе. Противоположный расширенный конец эластичного сильфона расположен вокруг наружной поверхности вращающегося кольца трения вплотную к ней. Конец тонкостенной гибкой центральной части эластичного сильфона, смежный с этим расширенным концом эластичного сильфона, расположен в контакте с торцом вращающегося кольца трения. Составная обжимная втулка выполнена из двух взаимно подвижных в осевом направлении ступенчатых тонкостенных втулок, каждая из которых содержит ступень большего диаметра и ступень меньшего диаметра, соединенных друг с другом своими ступенями меньшего диаметра шлицевым соединением с зазором в осевом направлении. Расширенные присоединительные концы эластичного сильфона охвачены с их наружной стороны ступенями большего диаметра обеих втулок и охвачены с их торцов переходными участками втулок от ступени одного диаметра к ступени другого диаметра. Цилиндрическая пружина сжатия установлена вокруг тонкостенной гибкой центральной части эластичного сильфона и упирается противоположными торцами в переходные участки втулок. (Патент Российской Федерации №2179676 (С2), кл. F16J 15/34, опубл. 20.02.2002).
Одним из недостатков известного механического торцового уплотнения является отсутствие гофра в центральной тонкостенной гибкой части эластичного сильфона, что ограничивает осевое перемещение вращающегося кольца трения, тем самым ограничивая области применения, а при значительной выработанности поверхностей трения вращающегося и невращающегося колец пары трения скольжения торцового уплотнения приводит к снижению надежности уплотнения. Кроме того, выполнение цилиндрической пружины сжатия с таким наружным диаметром и такое ее расположение, что она охватывает только центральную тонкостенную гибкую часть эластичного сильфона, приводит к значительному увеличению усилия пружины при незначительном осевом перемещении витков, вызывая резкое увеличение удельных нагрузок на поверхности трения в паре трения скольжения, а значит возникает перегрев и преждевременный выход торцового уплотнения из строя. Наличие составной обжимной втулки, состоящей из двух ступенчатых втулок, работающих в режиме взаимного зацепления шлицевым соединением, увеличивает трудоемкость изготовления и сборки, снижает технологичность конструкции в целом.
В качестве наиболее близкого аналога заявляемой полезной модели выбрано механическое торцовое уплотнение для вала погружного электродвигателя (патент Украины №50856 (С2), кл. F16J 15/34, опубл. 15.11.2002), содержащее невращающееся кольцо трения, неподвижно установленное в корпусе, вращающееся кольцо трения, выполненное в виде втулки с заплечиком, установленное на валу в контакте с невращающимся кольцом трения, кольцевой упорный элемент в виде шайбы, зафиксированный на валу стопорным кольцом, цилиндрическую винтовую пружину сжатия, составную обжимную втулку с заплечиками, образованную из двух втулочных частей, соединенных между собой с возможностью осевого перемещения, и эластичный сильфон, поджатый одним концом к валу, а другим концом к вращающемуся кольцу трения составной обжимной втулкой. Эластичный сильфон содержит центральную тонкостенную гибкую часть, выполненную с гофром, и два присоединительных расширенных конца, один из которых герметично установлен на валу, а другой, выполненный с заплечиком и цилиндрической наружной боковой поверхностью, установлен на вращающемся кольце трения в контакте с его заплечиком и наружной боковой поверхностью. Цилиндрическая пружина сжатия установлена вокруг обжимной втулки, эластичного сильфона и вращающегося кольца трения в контакте с заплечиками обжимной втулки. Внутренняя поверхность той части составной обжимной втулки, которая поджимает эластичный сильфон к валу, и контактирующая с ней наружная поверхность эластичного сильфона выполнены в виде усеченных конусов, большим основанием направленных от колец трения. На внутренней цилиндрической поверхности той части составной обжимной втулки, которая поджимает эластичный сильфон к вращающемуся кольцу трения, по образующей выполнены цилиндрические упоры, с возможностью установки в соответствующих радиусных пазах, имеющихся на контактирующей с ней наружной поверхности другой части втулки. На конической поверхности части обжимной втулки, контактирующей с эластичным сильфоном, выполнены насечки, равномерно расположенные по образующей конической поверхности.
В известном механическом торцевом уплотнении, выбранном в качестве наиболее близкого аналога заявляемой полезной модели, частично устранены недостатки предыдущего вышеописанного аналога. Так, выполнение эластичного сильфона с гофром в центральной гибкой тонкостенной его части обеспечивает возможность осевого смещения вращающегося кольца трения на достаточное расстояние при выработке поверхностей трения вращающегося и невращающегося колец трения. Кроме того, уменьшается величина удельных нагрузок на поверхности трения колец трения, что увеличивает срок службы торцового уплотнения. Однако конструкция торцового уплотнения является трудоемкой в изготовлении, что снижает ее технологичность, и недостаточно надежной в работе при длительной эксплуатации из-за недостаточного, для обеспечения герметичности между валом и эластичным сильфоном, радиального усилия, создаваемого цилиндрической пружиной сжатия через обжимную втулку на поверхность эластичного сильфона, выполненного в виде усеченного конуса, для прижатия эластичного сильфона к валу, следствием чего является нарушение взаимного соединения элементов торцового уплотнения, приводящее к преждевременному выходу из строя торцового уплотнения.
В основу полезной модели поставлена задача создания такого механического торцового уплотнения, в которым бы новая форма исполнения эластичного сильфона и вращающегося кольца трения, новое расположение цилиндрической пружины сжатия относительно присоединительных расширенных концов эластичного сильфона и новая форма взаимосвязи с ними обеспечили повышение надежности работы торцового уплотнения и его срока службы одновременно с повышением технологичности и уменьшением поперечных габаритных размеров за счет повышения надежности и стабильности во времени соединения вала с эластичным сильфоном и вращающимся кольцом трения при сохранении герметичности уплотнения по валу и за счет уменьшения количества составляющих элементов в конструкции торцового уплотнения.
Поставленная задача решается тем, что в механическом торцовом уплотнении, содержащем невращающееся кольцо трения, неподвижно установленное в корпусе, вращающееся кольцо трения, выполненное в виде втулки с заплечиком, установленное на валу в контакте с невращающимся кольцом трения, кольцевой упорный элемент в виде шайбы, зафиксированный на валу стопорным кольцом, эластичный сильфон, включающий центральную тонкостенную гибкую часть, выполненную с гофром, и два присоединительных расширенных конца, один из которых герметично установлен на валу, а другой, выполненный с заплечиком и цилиндрической наружной боковой поверхностью, установлен на вращающемся кольце трения в контакте с его заплечиком и наружной боковой поверхностью, и цилиндрическую винтовую пружину сжатия, расположенную вокруг эластичного сильфона и вращающегося кольца трения, согласно полезной модели, присоединительный конец эластичного сильфона, установленный на валу, выполнен с заплечиком и цилиндрической наружной боковой поверхностью, присоединительный конец эластичного сильфона, установленный на вращающемся кольце трения, выполнен с радиальным выступом, на наружной боковой поверхности вращающегося кольца трения выполнена кольцевая канавка, радиальный выступ присоединительного конца эластичного сильфона, установленного на вращающемся кольце трения, расположен в кольцевой канавке вращающегося кольца трения, цилиндрическая винтовая пружина сжатия расположена в непосредственном контакте с заплечиками эластичного сильфона и наружными боковыми поверхностями его присоединительных концов.
Кроме того, согласно полезной модели, торцовые поверхности трения скольжения вращающегося и невращающегося колец трения выполнены из композиционных материалов на основе твердых сплавов.
Выполнение присоединительного конца эластичного сильфона, установленного на валу, с заплечиком и цилиндрической наружной боковой поверхностью дает возможность разместить цилиндрическую винтовую пружину сжатия в непосредственном контакте с заплечиками эластичного сильфона и наружной боковой поверхностью его присоединительных концов. При этом пружина упирается торцами в заплечики эластичного сильфона, прижимая их соответственно к упорной шайбе и заплечику вращающегося кольца трения, что обеспечивает фиксацию осевого положения эластичного сильфона. Наличие гофра в центральной части эластичного сильфона обеспечивает постоянное прижатие друг к другу торцовых поверхностей трения скольжения вращающегося и невращающегося колец трения за счет растяжения эластичного сильфона в осевом направлении по мере износа трущихся поверхностей. Крайние витки пружины опираются своей внутренней поверхностью на цилиндрические наружные боковые поверхности присоединительных концов эластичного сильфона, прикладывая к ним радиальное усилие, препятствующее их радиальному смещению. При этом, благодаря исключению промежуточных обжимных конструктивных элементов между эластичным сильфоном и цилиндрической винтовой пружиной сжатия, становится возможным применить пружину меньшего диаметра и тем самым увеличить, по сравнению с наиболее близким аналогом, усилие прижатия эластичного сильфона к валу и к вращающемуся кольцу трения, вследствие чего увеличивается герметичность соединения сильфона с валом и надежность сцепления вала с эластичным сильфоном и с вращающимся кольцом трения через эластичный сильфон, без увеличения создаваемого пружиной удельного контактного давления на трущиеся контактные поверхности колец трения. Благодаря этому повышается надежность работы торцового уплотнения. Выполнение присоединительного конца эластичного сильфона, установленного на вращающемся кольце трения, с радиальным выступом, выполнение на наружной боковой поверхности вращающегося кольца трения кольцевой канавки и размещение радиального выступа присоединительного конца эластичного сильфона в кольцевой канавке вращающегося кольца трения обеспечивает надежную фиксацию положения эластичного сильфона на вращающемся кольце трения от осевого смещения. При таком конструктивном исполнении торцового уплотнения исключение обжимных элементов позволяет упростить конструкцию и за счет этого дополнительно повысить ее надежность, а также технологичность, и уменьшить поперечные габаритные размеры. Таким образом, обеспечивается повышение надежности работы торцового уплотнения и его срока службы одновременно с уменьшением его поперечных габаритных размеров и повышением технологичности.
Кроме того, выполнение торцовых поверхностей трения скольжения вращающегося и невращающегося колец трения из композиционных материалов на основе твердых сплавов позволяет уменьшить износ этих поверхностей под действием твердых механических примесей и тем самым повысить надежность работы и срок службы механического торцового уплотнения, работающего в контакте с окружающей жидкостью с высоким содержанием твердых механических примесей.
Сущность полезной модели поясняется конкретным примером ее осуществления и фигурой чертежа, на которой показан общий вид сбоку в разрезе механического торцового уплотнения в сборе согласно полезной модели, установленного на вращающемся валу.
Механическое торцовое уплотнение в сборе содержит невращающееся кольцо трения 1, вращающееся кольцо трения 2, кольцевой упорный элемент, выполненный в виде упорной шайбы 3, стопорное кольцо 4, эластичный сильфон 5, цилиндрическую винтовую пружину 6 сжатия и эластичное уплотнительное кольцо 7.
Невращающееся кольцо трения 1 неподвижно установлено в корпусе 8, причем его неподвижное соединение с корпусом 8 герметизировано уплотнительным кольцом 7, например резиновым уплотнительным кольцом. Вращающееся кольцо трения 2, выполненное в виде втулки с заплечиком 9, установлено на валу 10 с зазором (на фигуре чертежа не показан) в контакте с невращающимся кольцом трения 1. Упорная шайба 3 зафиксирована на валу 10 стопорным кольцом 4.
Эластичный сильфон 5 содержит центральную тонкостенную гибкую часть 11, выполненную с гофром 12, и два присоединительных расширенных конца 13, 14. Конец 13 эластичного сильфона 5, герметично установленный на валу 10, выполнен с заплечиком 15 и цилиндрической наружной боковой поверхностью 16. Конец 14 эластичного сильфона 5, установленный на вращающемся кольце трения 2, выполнен с заплечиком 17, цилиндрической наружной боковой поверхностью 18 и радиальным выступом 19, при этом он расположен в контакте с заплечиком 9 и наружной боковой поверхностью 20 вращающегося кольца трения 2. Конец 14 эластичного сильфона 5 выполнен с плоской торцовой поверхностью 21, причем эта поверхность плотно прилегает к плоской торцовой поверхности 22 кольца трения 2. Радиальный выступ 19 расположен в кольцевой канавке 23, выполненной на наружной боковой поверхности 20 вращающегося кольца трения 2.
Пружина 6 расположена вокруг эластичного сильфона 5 и вращающегося кольца трения 2 в непосредственном контакте с заплечиками 15, 17 эластичного сильфона 5 и наружными боковыми поверхностями 16, 18 его концов 13, 14.
Торцовая поверхность 24 трения скольжения кольца трения 1 и торцовая поверхность 25 трения скольжения кольца трения 2 выполнены из композиционных материалов на основе твердых сплавов, например, карбида вольфрама, карбида титана и др.
Механическое торцовое уплотнение, заявляемое согласно полезной полезной модели, работает следующим образом.
В процессе работы крутящий момент от вращающегося вала 10 передается к вращающемуся кольцу трения 2. При этом пружина 6, находясь в сжатом положении, своими торцами постоянно оказывает контактное давление на заплечики 15, 17 концов 13, 14 эластичного сильфона 5, плотно прижимая их, соответственно, к упорной шайбе 3 и к заплечику 9 кольца трения 2. Осевое положение упорной шайбы 3 фиксировано стопорным кольцом 4, поэтому через заплечик 17 и плоскую торцовую поверхность 21 конца 14 эластичного сильфона 5 контактное давление пружины 6 прикладывается к кольцу трения 2 через его плоскую торцовую поверхность 22. Под действием контактного давления пружины 6 на кольцо трения 2 торцовая поверхность 25 трения скольжения кольца трения 2, вращающегося вместе с валом 10, плотно прижимается к торцовой поверхности 24 трения скольжения кольца трения 1, неподвижно закрепленного в корпусе 8. Герметичность неподвижного соединения кольца трения 1 с корпусом 8 обеспечивается эластичным уплотнительным кольцом 7. По мере износа торцовых поверхностей 24, 25 в процессе работы механического торцового уплотнения постепенно происходит небольшое смещение кольца трения 2 в направлении к кольцу трения 1 в результате растяжения центральной тонкостенной гибкой части 11 сильфона 5, благодаря наличию в ней гофра 12.
Радиальное усилие, прикладываемое со стороны внутренней поверхности полутора - двух крайних витков пружины 6 с ее противоположных концов к цилиндрическим наружным боковым поверхностям 16, 18 концов 13, 14 эластичного сильфона 5 обеспечивает достаточно плотное прижатие к валу 10 внутренней поверхности конца 13 эластичного сильфона 5 и достаточную степень герметичности его соединения с валом, а также достаточно плотное, обеспечивающее герметичность соединения, прижатие внутренней поверхности радиального выступа 19 конца 14 эластичного сильфона 5 к наружной боковой поверхности 20 кольца трения 2 в кольцевой канавке 23.
Благодаря расположению радиального выступа 19 конца 14 эластичного сильфона 5 в кольцевой канавке 23 обеспечивается надежная фиксация осевого положения конца 14 эластичного сильфона 5 на кольце трения 2 при вращении вала 10.
Таким образом, в механическом торцовом уплотнении согласно полезной модели обеспечивается надежное герметичное соединение эластичного сильфона 5 с валом 10 и вращающимся кольцом трения 2 одновременно с уменьшением поперечных габаритных размеров и уменьшением количества элементов в конструкции торцового уплотнения. При этом торцовые поверхности 24, 25 колец трения 1, 2 постоянно плотно прижаты друг к другу, создавая большое гидравлическое сопротивление, препятствующее прохождению разделяемых жидкостей между этими поверхностями.
Выполнение торцовых поверхностей 24, 25 колец трения 1, 2 из композиционных материалов на основе твердых сплавов, например из карбида вольфрама, карбида титана или других твердых сплавов, позволяет уменьшить износ этих поверхностей под действием твердых механических примесей и тем самым повысить надежность работы и срок службы механического торцового уплотнения, работающего в контакте с окружающей жидкостью с высоким содержанием твердых механических примесей.