ОПОРНО-НАЖИМНОЙ УЗЕЛ ТОРЦОВОГО УПЛОТНЕНИЯ ВАЛА
SUPPORT-PRESSING UNIT OF FACE SHAFT SEAL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к торцовым уплотнениям вращающихся валов, а именно к уплотнениям между подвижными одна относительно другой поверхностями со скользящим кольцом (кольцом трения).
Уровень техники
Известен опорно-нажимной узел торцового уплотнения вала, включающий располагаемые на валу упорное кольцо и подвижное кольцо трения с цилиндрическими расточками, обращенными друг к другу, размещенную между ними осевую цилиндрическую пружину с поджатыми и нешлифованными крайними витками, передающую крутящий момент от упорного кольца к подвижному кольцу трения и поджимающую его к неподвижному, установленному в корпусе, а также манжеты из эластичного материала, установленные в цилиндрические расточки упорного кольца и подвижного кольца трения с возможностью взаимодействия их с последними и крайними витками осевой пружины (патент RU №2095668 С1, МПК F16J15/34, опубл. 10.11.1997).
Признаки известного торцового уплотнения вала, являющиеся общими с заявленным узлом торцового уплотнения вала, заключаются в наличии упорного кольца, подвижного кольца трения и цилиндрической (осевой) пружины.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении заявленного технического результата, заключается в том, что упомянутая пружина одновременно выполняет три функции: 1) обеспечивает поджатие подвижного кольца трения к неподвижному, 2) обеспечивает передачу крутящего момента подвижному кольцу трения от упорного кольца, 3) обеспечивает необходимую герметизацию по валу путем вдавливания манжет из эластичного материала в цилиндрические расточки упорного кольца и подвижного кольца трения за счет радиальной нагрузки, создаваемой упругосжатыми при сборке поджатыми и нешлифованными крайними витками пружины.
Наиболее близким известным техническим решением (прототипом) является опорно-нажимной узел торцового уплотнения вала, выполненный в виде устанавливаемых на валу ведущего и ведомого элементов и размещенной между ними осевой пружины с нешлифованными крайними витками с направлением навивки, противоположной направлению вращения вала, и поджимающей вращающееся кольцо к неподвижному, установленному в корпусе, при этом поверхности ведущего и ведомого элементов, обращенные к осевой пружине, выполнены в виде прямого геликоида с шагом, соответствующим шагу навивки крайних витков, и сопряжены с последним (см. описание изобретения к патенту RU №2098705 С1, МПК F16J15/34, опубл. 10.12.1997).
Признаки известного узла, являющиеся общими с заявленным техническим решением, заключаются в наличии ведущего и ведомого элементов (т.е. металлических бандажных колец в терминах заявленного технического решения) и размещенной между ними осевой (цилиндрической) пружины.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении заявленного технического результата, заключается прежде всего в том, что вращательный момент от ведущего элемента, жестко связанного с валом, к ведомому элементу передается через пружину, известные упругие свойства которой не обеспечивают жесткость передачи указанного вращательного момента, особенно необходимую в переходные моменты старта и остановки вращения вала. В эти переходные моменты из-за мягкости пружинной передачи вращательного момента имеет место отставание поворота ведомого элемента по отношению к ведущему элементу, и, как следствие, прокручивание уплотнительного элемента относительно вала, обусловливающее его быстрый износ.
Причина недостижения технического результата также заключается в том, что герметизация по валу обеспечивается уплотнительным элементом, имеющим малую площадь контакта с валом, поскольку искомая герметизация обеспечивается заклиниванием уплотнительного элемента усилием пружины в зазор между валом и подвижным кольцом трения.
Раскрытие изобретения
Задача заключается в увеличения срока службы опорно-нажимного узла торцового уплотнения вала за счет повышения надежности работы элемента, непосредственно обеспечивающего уплотнение по валу.
Технический результат, решение указанной задачи заключаются, во-первых, в увеличении площади контакта вала с элементом, непосредственно обеспечивающим уплотнение по валу, а во-вторых, в повышении жесткости передачи вращательного момента от вала на кольцо трения (подвижное кольцо трения).
Достигается технический результат тем, что опорно-нажимной узел торцового уплотнения вала содержит кольцо трения, два бандажных кольца, выполненных из металла, цилиндрическую пружину сжатия, установленную между бандажными кольцами, а также выполненную из эластомера цилиндрическую втулку с осевым отверстием для расположения в нем вала, с двумя кольцевыми буртами на наружной поверхности втулки в области ее торцов и кольцевой выемкой на торце, в которой установлено кольцо трения, при этом бандажные кольца установлены на указанных кольцевых буртах снаружи втулки с аксиально расходящимся поджатием к этим буртам при помощи упомянутой пружины и снабжены зубьями для обеспечения зубчатой передачи вращательного момента от одного бандажного кольца к другому, так что число зубьев одного бандажного кольца равно числу зубьев другого бандажного кольца, а высота каждого зуба указанной зубчатой передачи меньше расстояния между линиями расположения оснований зубьев противоположных бандажных колец.
Отличительные признаки заявленного технического решения заключаются в наличии выполненной из эластомера цилиндрической втулки с осевым отверстием для расположения в нем вала, с двумя кольцевыми буртами на наружной поверхности втулки в области ее торцов и кольцевой выемкой на торце, в которой установлено кольцо трения, а также в том, что бандажные кольца установлены на указанных кольцевых буртах снаружи втулки и снабжены зубьями для обеспечения зубчатой передачи вращательного момента от одного бандажного кольца к другому, так что число зубьев одного бандажного кольца равно числу зубьев другого бандажного кольца, а высота каждого зуба указанной зубчатой передачи меньше расстояния между линиями расположения оснований зубьев противоположных бандажных колец.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 в продольном разрезе показан опорно-нажимной узел торцового уплотнения вала (при этом сам вал не показан); на фиг.2 схематично показана зубчатая передача вращательного момента между бандажными кольцами, являющимися конструктивными элементами указанного узла.
Осуществление изобретения
Опорно-нажимной узел торцового уплотнения вала (фиг.1) содержит выполненную из эластомера втулку 1 с осевым сквозным отверстием 2 для расположения в нем вала (вал не показан). На наружных поверхностях втулки 1 в области ее торцов выполнены два кольцевых бурта 3 и 4, а на одном торце втулки 1 выполнена кольцевая выемка 5, в которой установлено кольцо трения 6 (подвижное кольцо трения).
Узел также содержит два бандажных кольца 7 и 8, выполненных из металла, и цилиндрическую (осевую) пружину сжатия 9, установленную между бандажными кольцами 7 и 8. Данные бандажные кольца установлены на буртах 3 и 4 снаружи втулки 1 с аксиально расходящимся поджатием к этим буртам при помощи упомянутой пружины 9.
Бандажные кольца 7 и 8 снабжены зубьями соответственно 10 и 11 (фиг.2). При этом линии 12 и 13 оснований указанных зубьев расположены на обращенных друг к другу торцах бандажных колец 7 и 8 на расстоянии L друг от друга. Зубья 10 и 11 имеют одинаковую высоту h и ориентированы параллельно оси бандажных колец 7 и 8 навстречу друг другу так, что h<L (т.е. высота h каждого зуба меньше расстояния L между линиями 12 и 13 расположения оснований зубьев 10 и 11 соответствующих бандажных колец 7 и 8). Кроме того, число зубьев 10 одного бандажного кольца равно числу зубьев 11 другого бандажного кольца. Указанные зубья обеспечивают зубчатую передачу вращательного момента от одного бандажного кольца к другому (т.е. от бандажного кольца 7 к бандажному кольцу 8 и от бандажного кольца 8 к бандажному кольцу 7), а условие h<L обеспечивает работоспособность данной зубчатой передачи при уменьшении L в процессе установки узла на вал.
Установка и работа опорно-нажимного узла заключается в следующем.
Установку узла на вал осуществляют в два этапа (вал не показан). Сначала узел устанавливают на вал путем размещения вала в отверстии 2 втулки 1 так, чтобы кольцо трения 6 (т.е. подвижное кольцо трения) непосредственно упиралось в предварительно установленное в корпусе неподвижное кольцо трения (корпус и неподвижное кольцо не показаны). Затем осуществляют силовое осевое воздействие на торец втулки 1 со стороны бурта 4 в направлении кольца трения 6, осуществляя тем самым уменьшение расстояния L, что оказывается возможным благодаря отношению h<L. Вследствие уменьшения расстояния L происходит сжатие пружины 9 и радиальное деформирование стенки втулки 1. При этом данное новое положение указанного торца втулки 1, характеризующееся уменьшенным расстоянием L, фиксируют от осевого обратного перемещения. В результате сжатия пружины 9 происходит поджатие кольца трения 6 (т.е. подвижного кольца) к неподвижному кольцу трения, обеспечивая тем самым необходимую герметизацию по плоскости их контакта. В результате радиального деформирования стенки втулки 1 диаметр отверстия 2 уменьшается, обеспечивая тем самым, во-первых, необходимую герметизацию по валу на длине L+2z, где z – толщина бандажного кольца 7 (или 8), а во-вторых, необходимое сцепление втулки 1 с валом для передачи крутящего момента от вала к кольцу трения 6.
Таким образом, предлагаемый узел имеет увеличенную площадь герметизации по валу (L+2z), что повышает его надежность и продолжительность безотказной работы. Кроме того, в предлагаемом узле благодаря наличию упомянутой зубчатой передачи с одинаковым числом зубьев полностью исключается возможность крутильной деформации втулки 1 в переходных процессах вращения вала, ведущей к разрушению втулки. При этом упомянутое условие одинакового числа зубьев 10 и 11 гарантированно обеспечивает при повороте одного бандажного кольца на некоторый угол поворот другого бандажного кольца на тот же угол, что увеличивает срок службы втулки 1, непосредственно обеспечивающей передачу крутящего момента от вала к кольцу трения 6.