ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА

Полезная модель относится к области гидромашиностроения, более конкретно к уплотнительным устройствам, и может быть использована для герметизации вращающегося вала погружного электродвигателя, применяемого в качестве привода насоса для откачки жидкости из скважин, колодцев и т.д.
Известно торцовое уплотнение вала, содержащее невращающееся кольцо трения и контактирующее с ним вращающееся кольцо трения, размещенное на валу, уплотнительный элемент, поджатый одним концом к вращающемуся кольцу трения, а другим - к валу обжимной втулкой с заплечиками, причем обжимная втулка выполнена составной из частей, соединенных между собой с возможностью осевого перемещения. (См. патент США №4036505, М. кл. 2 F 16 J 15/34, опубл. 1977 г.). Со стороны свободного конца части обжимной втулки, установленной ближе к вращающемуся кольцу, на ее цилиндрической поверхности имеются пазы, в которых располагаются упоры, выполненные на другой части втулки также со стороны свободного конца.
Недостатком известной конструкции можно считать низкую надежность при длительной эксплуатации. В торцовом уплотнении вала механическая прочность крепления уплотнительного элемента обеспечивается его натягом. Натяг в процессе эксплуатации исчезает из-за старения эластомера уплотнительного элемента, что приводит к его перемещению по валу в осевом направлении. Кроме того, при длительной эксплуатации уплотнения под воздействием сил деформации, передаваемых на части обжимной втулки, происходит разрушение пазов и истирание упоров в местах их контакта. При этом также уменьшается поджатие уплотнительного элемента к валу и возможно его повреждение, что приводит к нарушению герметичности. Помимо этого, может произойти
зацепление частей втулки между собой. В этом случае также происходит нарушение герметичности торцового уплотнения.
Известно торцовое уплотнение, описанное в патенте Российской Федерации №20052237, М. кл. 5 F 16 J 15/34, опубл. 1993 г. Устройство содержит установленное в корпусе невращающееся кольцо трения и контактирующее с ним вращающееся кольцо трения, размещенное на валу. Кроме того, устройство содержит уплотнительный элемент, поджатый одним концом посредством обжимного элемента к вращающемуся кольцу, а другим посредством опорной втулки с заплечиком к валу, и упругий элемент, в виде пружины, который взаимодействует одним концом с заплечиком, а другим с обжимным элементом. Обжимной элемент выполнен в виде кольца. Вращающееся кольцо трения установлено в уплотнительном элементе, обжатом кольцом. Кольца трения торцового уплотнения имеют различную износостойкость.
В данной конструкции момент вращения вала передается вращающемуся кольцу кинематически связанными друг с другом опорной втулкой, винтовой пружиной, обжимным кольцом и уплотнительным элементом. Такое взаимодействие предопределяет тяжелые условия работы для уплотнительного элемента, т.к. он подвергается постоянной деформации скручивания, что приводит, в конечном счете, к его разрушению. Следовательно, надежность конструкции при длительной эксплуатации недостаточна. Кроме того, в известном устройстве не может быть достигнута гарантированная надежность места соединения вращающегося кольца трения с уплотнительным элементом, т.к. оно зависит от точности изготовления указанных элементов.
Прототипом заявляемого устройства можно считать торцовое уплотнение вала, описанное в патенте Украины на полезную модель №1260, М. кл. 7 F 16 J 15/34, опуб. 17.02.2002., бюл. №6. Известное торцовое уплотнение вала содержит невращающееся кольцо трения и контактирующее с ним ступенчатое вращающееся кольцо трения, размещенное на валу, поверхность трения которого
выполнена на большей ступени, уплотнительный элемент с наружным кольцевым буртом, расположенном на его конце, который поджат посредством обжимного элемента к упорной поверхности, также имеющейся на большей ступени вращающегося кольца трения. Другой конец уплотнительного элемента посредством опорной втулки с заплечиком поджат к валу. Устройство содержит также упругий элемент, взаимодействующий одним концом с заплечиком, а другим с обжимным элементом. Указанные признаки являются общими с заявляемой конструкцией.
В данной конструкции наружный кольцевой бурт уплотнительного элемента размещен в ступенчатой кольцевой расточке, выполненной во вращающемся кольце трения, и поджат к кольцу упругим элементом через обжимной элемент, также установленный в расточке и закрепленный упорным элементом. Упорной элемент для обжимного элемента выполнен в виде распорного кольца, установленного в кольцевом пазу, имеющемся на большей боковой поверхности расточки вращающегося кольца трения.
Недостатком известной конструкции можно считать ее сложность и низкую надежность, обусловленную недостаточной механической прочностью места соединения вращающегося кольца трения и уплотнительного элемента при осевом перемещении последнего.
В основу полезной модели поставлена задача создания такой конструкции торцового уплотнения вала, в которой исключается влияние осевого перемещения уплотнительного элемента на место соединения его с вращающимся кольцом трения за счет использования специального замкового соединения.
Поставленная задача решается тем, что в торцовом уплотнении вала, содержащем невращающееся кольцо трения и контактирующее с ним ступенчатое вращающееся кольцо трения, размещенное на валу, поверхность трения которого выполнена на большей ступени, уплотнительный элемент с наружным кольцевым буртом, расположенном на его конце, который поджат посредством обжимного
элемента к упорной поверхности, имеющейся на большей ступени вращающегося кольца трения, при этом другой конец уплотнительного элемента посредством опорной втулки с заплечиком поджат к валу, а также упругий элемент, взаимодействующий одним концом с заплечиком, а другим с обжимным элементом, согласно полезной модели, на наружной боковой поверхности меньшей ступени вращающегося кольца со стороны, противоположной контактирующей с упорной поверхностью, выполнен кольцевой поясок, к которому прилегает внутренняя поверхность уплотнительного элемента.
При этом на торце бурта уплотнительного элемента может быть выполнен кольцевой паз, а внутренняя поверхность уплотнительного элемента может прилегать к кольцевому пояску с натягом. Такое соединение вращающегося кольца трения с уплотнительным элементом конструктивно является замковым и обеспечивает достаточную механическую прочность без усложнения конструкции.
Предложенное торцовое уплотнение вала иллюстрируется чертежом, где представлен его продольный разрез.
Торцовое уплотнение содержит вращающееся кольцо 1 трения, расположенное на валу 2, и контактирующее с ним невращающееся кольцо 3 трения, а также уплотнительный элемент 4, который выполнен в виде сильфона и поджат одним концом к вращающемуся кольцу 1 посредством обжимного элемента 5, а другим к валу 2 посредством опорной втулки 6 с заплечиком. Поджимается уплотнительный элемент 4 упругим элементом 7, например, в виде пружины.
Вращающееся кольцо 1 трения выполнено ступенчатым, на большей его ступени находится поверхность трения. С другой стороны большей ступени параллельно поверхности трения расположена упорная поверхность, которая контактирует с наружным кольцевым буртом 8, расположенным на конце
уплотнительного элемента 4. Кольцевой бурт 8 элемента 4 поджат к кольцу 1 через обжимной элемент 5 упругим элементом 7.
Обжимной элемент 5 выполнен, например, в виде ступенчатой втулки. Его большая ступень прижимает бурт 8 уплотнительного элемента 4, а меньшая прилегает к уплотнительному элементу 4 в части, охватывающей кольцевой поясок 9, который имеется на наружной боковой поверхности меньшей ступени вращающегося кольца 1 трения со стороны, противоположной контактирующей с упорной поверхностью. Уплотнительный элемент 4 на кольцевом пояске 9 кольца 1 может быть установлен с натягом. Опорная втулка 6 также выполнена ступенчатой. Ступень большего диаметра образует заплечико, ступень меньшего диаметра установлена в кольцевой канавке, имеющейся на наружной боковой поверхности части уплотнительного элемента 4, непосредственно охватывающей вал 2, а средняя цилиндрическая часть опорной втулки связывает ступени. Длина средней цилиндрической части опорной втулки 6 выбрана из условия получения площади контакта сильфона с валом, достаточной для достижения заданного сцепления указанных элементов. На торце бурта 8 уплотнительного элемента 4, прилегающем к упорной поверхности кольца 1, может быть выполнен кольцевой паз 10, обеспечивающий более надежное соединение элементов 1 и 4. Невращающееся кольцо 3 трения уплотнено при установке в корпусе (не показан) уплотнением 11.
В процессе работы крутящий момент от вала 2 через уплотнительный элемент 4 передается вращающемуся кольцу 1 трения. Упругий элемент 7, упираясь в заплечико втулки 6 и элемент 5, растягивается и, тем самым, осуществляет постоянный прижим вращающегося кольца 1 трения к неподвижному кольцу 3 трения. Одновременно через взаимодействие меньшей ступени втулки 6 и элемента 4 поверхность последнего прижимается к валу 2, обеспечивая герметичность уплотнения по валу. При этом благодаря надежному обжиму этого конца элемента 4 с помощью опорной втулки 6, имеющей
достаточную длину, обеспечивающую необходимое механическое сцепление, исключается его проворот и ограничивается осевое перемещение. Соединение кольцевого бурта 8 на конце элемента 4 с вращающимся кольцом трения 1 во время работы не подвергается изменениям при осевых перемещениях элемента 4, т.к. определяется замковым соединением элементов 1 и 4, образованным с помощью бурта 8, пояска 9 и обжимного элемента 5.