РАДИАЛЬНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ПОДВИЖНОГО СОЕДИНЕНИЯ
DYNAMIC RADIAL SEAL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к уплотнению подвижного соединения, предназначенному для уплотнения радиального зазора между вращающимся компонентом и невращающимся компонентом, при этом уплотнение особенно пригодно для применений при высоких скоростях.
Предпосылки создания изобретения
Одним распространенным применением уплотнений подвижных соединений является уплотнение радиального зазора между валом, который опирается внутри корпуса на подшипник с возможностью вращения. Назначение уплотнения состоит в предотвращении попадания загрязнителей в корпус и в предотвращении утечки, например, консистентной смазки, которая смазывает подшипник. Во многих примерах уплотнение содержит покрывающий элемент, к которому прикреплен эластомерный элемент. Покрывающий элемент может быть прикреплен к корпусу, и эластомерный элемент содержит контактную кромку, которая прилегает к противолежащей поверхности на валу или на изнашиваемой втулке, которая прикреплена к валу. Контактная кромка гарантирует статическое уплотнение. Однако при динамических условиях, в особенности при высоких частотах вращения, трение, создаваемое между контактной кромкой и противолежащей поверхностью, может быть неприемлемо большим.
Одно решение для уменьшения трения при высоких скоростях состоит в использовании бесконтактного лабиринтного уплотнения, такого как раскрытое в US8356941. Описано уплотнение для подшипника вагонной оси, содержащее вращающийся компонент, прикрепленный к оси, и неподвижный компонент, прикрепленный к наружному кольцу подшипника. Вращающийся компонент содержит некоторое число разнесенных в радиальном направлении, аксиальных выступающих частей, которые расположены между разнесенными в радиальном направлении, аксиальными выступающими частями неподвижного компонента для образования лабиринта. Для обеспечения эффективного лабиринтного уплотнения необходимы небольшие зазоры между противоположными поверхностями вращающегося и неподвижного компонентов уплотнения, что означает, что уплотнение может адаптироваться только к небольшим радиальным и аксиальным смещениям между компонентами.
Дополнительное решение для уменьшения трения при высоких скоростях в уплотнении, которое содержит контактную кромку, состоит в размещении контактной кромки так, чтобы она была соединена, например, с вращающимся валом, и в проектировании уплотнения таким образом, чтобы кромка отклонялась от вала под действием центробежной силы. Пример такого решения раскрыт в US6474653.
По-прежнему имеется возможность усовершенствования.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение заключается в уплотнительном устройстве, предназначенном для уплотнения радиального зазора между внутренним компонентом и наружным компонентом, который установлен коаксиально вокруг внутреннего компонента, при этом внутренний компонент выполнен с возможностью вращения вокруг оси вращения. Устройство содержит радиальное уплотнение, которое установлено с обеспечением его соединения с внутренним компонентом, при этом радиальное уплотнение имеет уплотнительную кромку, которая прилегает к противолежащей поверхности, образованной радиально внутренней поверхностью наружного компонента или втулочного элемента, который прикреплен к наружному компоненту. Когда уплотнительное устройство неподвижно, уплотнительная кромка прилегает к противолежащей поверхности с исходным удельным нормальным давлением кромки. В соответствии с изобретением уплотнительная кромка выполнена с возможностью поворота в радиальном сечении вокруг точки поворота и соединена с противовесом. Уплотнительная кромка и противовес расположены в разных зонах, определяемых в аксиальном направлении по отношению к точке поворота, и выполнены таким образом, что во время вращения радиального уплотнения на противовес действует бóльшая центробежная сила, чем на уплотнительную кромку.
Таким образом, при определенной частоте вращения результирующая разность центробежных сил будет достаточной для обеспечения поворота уплотнительной кромки и противовеса вокруг точки поворота, при этом уплотнительная кромка отклоняется в радиальном направлении внутрь, от противолежащей поверхности. Это уменьшает удельное нормальное давление кромки, что означает, что создаваемое трение будет сравнительно меньшим.
Уплотнительная кромка и противовес предпочтительно образуют часть уплотнительного элемента, который может быть выполнен из эластомерного материала. Соответственно, уплотнительный элемент прикреплен к несущему элементу или отформован на несущем элементе, который прикреплен к вращающемуся внутреннему компоненту. Несущий элемент может иметь с-образный профиль, содержащий внутреннюю цилиндрическую часть, которая прикреплена к внутреннему компоненту, и наружную цилиндрическую часть, которая соединена с внутренней цилиндрической частью посредством фланцевой части несущего элемента. Таким образом, уплотнение содержит полость между внутренней и наружной цилиндрическими частями несущего элемента, которая предпочтительно создает дополнительное пространство для размещения смазочного материала.
Уплотнительный элемент присоединен к несущему элементу на радиально наружной поверхности наружной цилиндрической части. Таким образом, уплотнительный элемент содержит соединительную часть в зоне сопряжения с наружной цилиндрической частью несущего элемента. В предпочтительном примере точка поворота образована узкой зоной в уплотнительном элементе, которая соединяет уплотнительную кромку и противовес с соединительной частью.
Соответственно, масса (то есть инерция) уплотнительной кромки до точки поворота меньше массы противовеса до точки поворота. Протяженность уплотнительной кромки в аксиальном направлении от точки поворота предпочтительно составляет от 50% до 200% от протяженности противовеса в аксиальном направлении от точки поворота.
В некоторых примерах уплотнительное устройство содержит втулочный элемент, прикрепленный к наружному компоненту. Соответственно, втулочный элемент имеет цилиндрическую внутреннюю поверхность, которая образует противолежащую поверхность для уплотнительной кромки и может быть образована из металла.
В дополнительном усовершенствованном варианте уплотнительный элемент содержит неконтактирующую кромку, расположенную в аксиальном направлении снаружи относительно уплотнительной кромки. Неконтактирующая кромка выступает в радиальном направлении наружу и образует небольшой радиальный зазор относительно противолежащей поверхности, при этом указанный зазор служит в качестве лабиринтного уплотнения. Кроме того, радиальная выступающая часть неконтактирующей кромки служит во время динамического режима в качестве отражателя, который активно отталкивает влагу и загрязнители. Таким образом, неконтактирующая кромка защищает уплотнительную кромку, что обеспечивает повышение эффективности уплотнения, создаваемого устройством в целом.
Уплотнительное устройство в соответствии с изобретением особенно подходит для использования в железнодорожных подшипниковых узлах. Наружный компонент может представлять собой наружное кольцо подшипника или корпус, к которому прикреплено наружное кольцо. Внутренний компонент может представлять собой внутреннее кольцо подшипника или ось, к которой прикреплено внутреннее кольцо. Подшипники могут эксплуатироваться при скоростях свыше 200 км/ч, что обуславливает высокие требования к уплотнительному устройству.
Как упомянуто, конструкция противовеса, уплотнительной кромки и точки поворота означает, что давление контакта, действующее со стороны уплотнительной кромки на противолежащую поверхность уменьшается при увеличении скорости. В результате трение не становится чрезмерно большим. В одном примере противовес, уплотнительная кромка и точка поворота выполнены с такой конструкцией, что уплотнительная кромка отрывается от поверхности при заданной частоте вращения, соответствующей, например, 150 км/ч. При этом уплотнительная кромка фактически образует часть лабиринтного уплотнения, которое обеспечит эффективное уплотнение при таких высоких частотах вращения, само собой разумеется, без создания трения.
При скоростях ниже скорости «отрыва» трение и выделение тепла неизбежны вследствие контакта при скольжении между уплотнительной кромкой и противолежащей поверхностью. Дополнительным преимуществом уплотнительного устройства в соответствии с изобретением является улучшенное рассеяние тепла. В обычных радиальных кромочных уплотнениях, в которых уплотнительная кромка находится в контакте при скольжении с противолежащей поверхностью, которая соединена с вращающимся внутренним компонентом или образует часть вращающегося внутреннего компонента, выделяющееся тепло передается внутреннему компоненту. Это нежелательно особенно в случае конического роликового подшипника. Внутреннее кольцо конического роликового подшипника имеет фланец с поверхностью, контактирующей в аксиальном направлении с наружной в аксиальном направлении, торцевой поверхностью конических роликов. В результате большее трение создается между роликами и внутренним кольцом, чем между роликами и наружным кольцом. Следовательно, дополнительное тепло от трения в уплотнении нежелательно.
В уплотнительном устройстве в соответствии с изобретением контакт при скольжении имеет место между эластомерной уплотнительной кромкой и противолежащей поверхностью на наружном компоненте (например, на наружном кольце подшипника) или на металлической втулке. Следовательно, выделяющееся тепло отводится к металлической противолежащей поверхности и к сравнительно более холодному наружному компоненту, от которых тепло может легче рассеиваться.
Другие преимущества уплотнительного устройства станут очевидными из нижеприведенного подробного описания и сопровождающей фигуры.
Краткое описание чертежа
Фиг. 1 показывает один вариант осуществления изобретения. Чертеж показывает радиальное сечение уплотнительного устройства в соответствии с изобретением, которое установлено в железнодорожном подшипниковом узле.
Подробное описание изобретения
Уплотнительное устройство 1 установлено в железнодорожном подшипниковом узле и уплотняет подшипниковый узел 2 (не показанный подробно) относительно окружающей среды Е. Подшипниковый узел 2 обеспечивает опору для вращающегося вала 3 в неподвижном корпусе 4 (корпус также может представлять собой наружное кольцо подшипника). Вал 3 вращается вокруг оси а.
Уплотнительное устройство содержит втулочный элемент 7, который прикреплен к неподвижному корпусу 4. Втулочный элемент выполнен из металла и имеет цилиндрическую внутреннюю поверхность 10. Уплотнительное устройство дополнительно содержит радиальное уплотнение, имеющее эластомерный уплотнительный элемент 5, который присоединен к несущему элементу 11, при этом указанный несущий элемент прикреплен к валу 3. Таким образом, радиальное уплотнение вращается вместе с валом.
Несущий элемент имеет С-образный профиль в показанном варианте осуществления и содержит внутреннюю цилиндрическую часть 11', которая прикреплена к валу 3. С обращенной к окружающей среде Е стороны уплотнительного устройства несущий элемент дополнительно содержит радиальную фланцевую часть 11'', от которой наружная цилиндрическая часть 11''' несущего элемента проходит по направлению к обращенной к подшипнику стороне уплотнительного устройства 1. Эластомерный уплотнительный элемент 5 присоединен к несущему элементу 11 на радиально наружной поверхности наружной цилиндрической части 11'''.
Эластомерный элемент 5 содержит уплотнительную кромку 6, которая во время вращения вала находится в контакте при скольжении с внутренней цилиндрической поверхностью 10 втулочного элемента, которая будет названа противолежащей поверхностью 10.
Когда уплотнительное устройство находится в состоянии покоя, то есть в условиях статического уплотнения, уплотнительная кромка обеспечивает приложение определенного давления контакта к противолежащей поверхности 10. В условиях динамического уплотнения центробежная сила, действующая на радиальное уплотнение, будет обуславливать тенденцию к увеличению давления контакта, что очевидно будет отрицательным в том, что касается увеличения трения, создаваемого в зоне контакта при скольжении.
Для избежания данного недостатка предложена нижеописанная конструкция:
1
2
Уплотнительная кромка 6 выполнена с возможностью поворота в радиальном сечении вокруг точки 8 поворота (таким образом, на фигуре ось поворота перпендикулярна к плоскости чертежа). Кроме того, эластомерный уплотнительный элемент 5 содержит противовес 9, соединенный с уплотнительной кромкой 6. Как можно видеть на фигуре, уплотнительная кромка 6 и противовес 9 расположены в разных зонах а и а, определяемых в аксиальном направлении относительно точки 8 поворота. Эластомерный уплотнительный элемент 5 дополнительно содержит соединительную часть 12, которая присоединена к наружной цилиндрической части 11''' несущего элемента. Эластомерный уплотнительный элемент 5 может быть соединен с несущим элементом 11 посредством вулканизации, адгезионного соединения или любого другого соответствующего процесса соединения.
Точка 8 поворота образована сравнительно узкой зоной уплотнительного элемента 5, которая соединяет противовес 9 и уплотнительную кромку 6 с соединительной частью 12. Изгибная жесткость уплотнительной кромки 6 вместе с соединительной частью 12 относительно оси поворота является более высокой (по меньшей мере, в два раза большей), чем изгибная жесткость уплотнительной кромки вместе с противовесом 9. Таким образом, существует возможность поворота противовеса 9 и уплотнительной кромки 6 вокруг точки 8 поворота.
Подобный поворот обеспечивается во время вращения вала 3 и радиального уплотнения за счет того, что противовес и уплотнительная кромка выполнены с такой конструкцией, что центробежная сила, действующая на противовес 9, будет больше, чем центробежная сила, действующая на уплотнительную кромку 6. Соответственно, масса противовеса больше массы уплотнительной кромки. Вследствие большей центробежной силы, действующей на противовес 9, происходит поворот, который обозначен на фигуре двумя стрелками без ссылочных позиций. Таким образом, давление контакта, действующее со стороны уплотнительной кромки 6 на противолежащую поверхность 10, уменьшается по мере увеличения частоты вращения, в результате чего минимизируется соответствующее увеличение трения скольжения. Кроме того, при высоких частотах вращения уплотнительная кромка будет отрываться от противолежащей поверхности 10, в результате чего трение скольжения устраняется. Таким образом, уплотнительное устройство 1 пригодно для использования в железнодорожном подшипниковом узле, который вращается при скоростях, превышающих 200 км/ч.
Для обеспечения дополнительной защиты от влаги и загрязняющих частиц из окружающей среды Е уплотнительное устройство 1 дополнительно содержит лабиринтное уплотнение 13, расположенное со стороны устройства, наружной в аксиальном направлении. Лабиринтное уплотнение образовано небольшим радиальным зазором между противолежащей поверхностью 10 и неконтактирующей кромкой 14, которая проходит в радиальном направлении от соединительной части 12 эластомерного уплотнительного элемента. Во время динамического уплотнения радиальная выступающая часть неконтактирующей кромки 14 служит в качестве отражателя, который активно отталкивает загрязнители. Следовательно, неконтактирующая кромка 14 способствует предотвращению попадания загрязнителей в зону контакта между уплотнительной кромкой 6 и противолежащей поверхностью 10, что еще более затрудняет проникновение загрязнителей из окружающей среды Е в подшипниковый узел 2.
Изобретение не ограничено показанным вариантом осуществления, но его следует толковать в пределах объема нижеследующей формулы изобретения.
Ссылочные позиции
:
1
Уплотнительное устройство
2
Подшипниковый узел
3
Внутренний компонент (вал)
4
Наружный компонент (корпус подшипника)
5
Эластомерный элемент радиального уплотнения
6
Уплотнительная кромка радиального уплотнения
7
Втулочный элемент
8
Точка поворота
9
Противовес
10
Противолежащая поверхность
11
Несущий элемент радиального уплотнения
11'
Внутренняя цилиндрическая часть несущего элемента
11''
Радиальная фланцевая часть несущего элемента
11'''
Наружная цилиндрическая часть несущего элемента
12
Соединительная часть эластомерного уплотнительного элемента
13
Лабиринтное уплотнение
14
Неконтактирующая кромка
15
Зазор (лабиринтное уплотнение)
Е
Окружающая среда
а
Ось
а<sub>1</sub>
Зона уплотнительной кромки, определяемая в аксиальном направлении относительно точки поворота
а<sub>2</sub>
Зона противовеса, определяемая в аксиальном направлении относительно точки поворота