ГЕРМЕТИЧНОЕ НАПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ВРАЩЕНИЯ
PROOF GUIDING DEVICE OF ROTATION

Изобретение относится к направляющим устройствам вращения, предназначенным для установки между неподвижной и подвижной частями оборудования, подверженного сильным изменениям температуры и давления. Подвижная часть направляется при ее вращении на неподвижной части. Более конкретно, изобретение относится к направляющим устройствам вращения, которые используются для обеспечения герметичного уплотнения оборудования в отношении твердых частиц и/или текучих сред, поступающих снаружи.
Оборудованием является, например, устанавливаемая на воздушное судно гондола 100, схематично показанная в сечении на фиг.1. Гондола содержит неподвижный элемент 110 и подвижный элемент 120, вращающийся вокруг оси 140 вращения. На чертеже также показано два герметичных направляющих устройства 130a, 130b вращения кольцевой конструкции, которые направляют подвижный элемент 120 обтекателя при его вращении вокруг оси 140 вращения. Часть одного из этих направляющих устройств вращения показана крупным планом.
В настоящее время существуют различные типы направляющих устройств вращения.
Пример направляющих устройств вращения с динамическим уплотнением показан на фиг.2. Эти устройства содержат:
опорную конструкцию, содержащую неподвижную опору 11, прикрепленную к неподвижному элементу 110 оборудования, и подвижную опору 12, прикрепленную к подвижному элементу 120 оборудования, и способную вращаться вокруг неподвижной опоры вокруг оси 140 вращения,
средство сопряжение между неподвижной 11 и подвижной 12 опорами, которое содержит гибкое динамическое уплотнение 1, прикрепленное к неподвижной опоре 11 (или к подвижной опоре 12), которое обеспечивает динамическое уплотнение между этими неподвижной и подвижной опорами. Пример герметичного динамического уплотнения показан на фиг.3. Оно в частности содержит:
опорную поверхность 2, которая опирается на неподвижную опору 11,
фрикционную поверхность 3, параллельную опорной поверхности, предназначенную для динамического контакта с фрикционной дорожкой 4, соединенную с подвижной опорой, причем фрикционная поверхность 3 обычно ýже, чем опорная поверхность,
и металлическую пружину 5, расположенную между опорной поверхностью 2, фрикционной поверхностью 3 и промежуточной поверхностью 6, соединяющей опорную поверхность и фрикционную поверхность, и назначение которой заключается в отделении этих двух поверхностей, чтобы гарантировать, что фрикционная поверхность 3 контактирует с фрикционной дорожкой 4 в соответствии с контактным усилием, перпендикулярным фрикционной поверхности. Это контактное усилие также может быть получено без пружины, посредством деформации динамического уплотнения.
Со ссылкой теперь на фиг.2, средство сопряжения также содержит подшипник 135 вращения, который направляет подвижную опору 11 при ее вращении вокруг неподвижной опоры 12 и который содержит ряд шариков 13, расположенных между двумя дорожками, образованными во внутреннем кольце 131 и наружном кольце 132, соответственно прикрепленных к неподвижной 11 и подвижной 12 опорам направляющего устройства вращения.
Применительно, например, к конструкции гондолы воздушного судна необходимо изготавливать оборудование с уменьшенным объемом и весом, способным выдерживать жесткие вибрационные внешние воздействия, динамические нагрузки и изменения давления и температуры, без ухудшения или изменения уровней работы. В случае гондолы воздушного судна изменения давления между внутренним пространством и наружным пространством гондолы могут достигать 1 бар и изменения температуры быть в пределах от -55°C до 80°C. Современные уплотнения обычно выполнены из эластомера, имеющего такой коэффициент теплового расширения, что, когда подвержены падению температуры, они сжимаются, приводя к уменьшению или полному отсутствию герметичного уплотнения. Когда подвержены повышению температуры, они расширяются, неприемлемо увеличивая силу трения. Уровни работы современных направляющих устройств вращения с динамическими уплотнениями являются неподходящими в заданных условиях изменения давления и температуры: их применение ограничено температурами свыше -20°C.
Некоторые из направляющих устройств вращения, используемых в настоящее время для обеспечения улучшенных характеристик, используют технологию, основанную на ферромагнитных жидкостях, для обеспечения динамического уплотнения между неподвижной и подвижной частями устройства. Однако эта технология дорогостоящая и включает большие моменты вязкого сопротивления при низких температурах. Этот недостаток может быть компенсирован системой подогрева ферромагнитной жидкости в ущерб стоимости, размеров и сложности устройства. Пример ферромагнитного жидкостного направляющего устройства вращения представлен на фиг.4. Оно содержит подвижную опору 12, неподвижную опору 11, подшипник 135, уплотнительный элемент 1', образованный масляной пленкой, удерживаемой на месте магнитным полем, воздействующим на проводящие частицы, находящиеся внутри масляной пленки.
Задачей изобретения является создание направляющего устройства вращения, которое обеспечивает хорошие характеристики, не имея вышеупомянутых недостатков.
А именно, объектом изобретение является направляющее устройство вращения, которое содержит неподвижную опору и подвижную опору, выполненную с возможностью вращения вокруг оси вращения, и средство сопряжения между неподвижной и подвижной опорами, которое содержит:
подшипник, выполненный с возможностью направления подвижной опоры при ее вращении вокруг неподвижной опоры,
гибкое динамическое уплотнение, выполненное с возможностью обеспечения герметичного уплотнения между неподвижной опорой и подвижной опорой, установленной между фрикционной дорожкой, прикрепленной к одной из указанных опор, и механической конструкцией, прикрепленной к другой опоре, которое включает в себя металлическую пружину, выполненную с возможностью обеспечения контактного усилия уплотнения между фрикционной дорожкой и механической конструкцией.
Оно главным образом отличается тем, что динамическое уплотнение установлено параллельно оси вращения так, что контактное усилие прикладывается параллельно оси вращения.
Неподвижная опора предпочтительно содержит прокладки, а уплотнение содержит удлиненные элементы, распределенные по уплотнению и предназначенные для вмещения прокладок для обеспечения звездообразного направления уплотнения.
Предпочтительно, подшипник содержит два ряда шариков, а внутреннее и наружное кольца подшипника установлены соответственно в неподвижной и подвижной опорах.
Согласно одному варианту осуществления изобретения оно содержит фрикционную дорожку, контактирующую с динамическим уплотнением, покрытую посредством углеродной поверхностной обработки в виде аморфного алмаза.
Другим объектом изобретения является оборудование, которое содержит неподвижный элемент, подвижный элемент и вышеописанное направляющее устройство вращения, при этом неподвижная опора прикреплена к неподвижному элементу оборудования, а подвижная опора прикреплена к подвижному элементу оборудования.
Оборудование, например, представляет собой гондолу, устанавливаемую на воздушное судно.
Другие признаки и преимущества изобретения станут понятны после прочтения следующего подробного описания, приведенного в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой схематичный вид уже описанной гондолы воздушного судна, снабженной направляющим устройством вращения,
фиг.2 представляет собой схематичный вид уже описанного направляющего устройства вращения согласно уровню техники,
фиг.3 представляет собой схематичный вид приведенного в качестве примера гибкого динамического уплотнения с металлической пружиной,
фиг.4 представляет собой схематичный вид уже описанного другого направляющего устройства вращения согласно уровню техники,
фиг.5a и 5b представляет собой схематичный вид расширения гибкого динамического уплотнения в случаях установки в осевом и радиальном направлениях,
фиг.6a представляет собой схематичный вид сверху динамического уплотнения, установленного в направляющем устройстве согласно изобретению, а фиг.6b представляет собой увеличенное изображение части фиг.6a,
фиг.7 представляет собой схематичный вид приведенного в качестве примера направляющего устройства вращения согласно изобретению.
Одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями на всех чертежах.
Направляющее устройство согласно изобретению примечательно тем, что динамическое уплотнение 1 установлено в осевом направлении в направляющем устройстве, другими словами, так, чтобы контактное усилие уплотнения (показано полужирной двунаправленной стрелкой) было приложено параллельно оси 140 вращения, как показано на фиг.5a. В случае установки в радиальном направлении уплотнение 1 расположено так, чтобы контактное усилие уплотнения (показано полужирной двунаправленной стрелкой) было приложено перпендикулярно оси 140 вращения, как показано на фиг.3 и 5b. Установка уплотнения 1 в осевом направлении является способом преодоления проблем его расширения.
Практически, в случае установки в осевом направлении, как показано на фиг.5a, расширение пропорционально:
ΔT × толщина уплотнения × ,
где ΔT - изменение температуры,  - коэффициент теплового расширения уплотнения, выраженный в м/°C. В этом случае расширение уплотнения является свободным в радиальном направлении: влияние расширения уплотнения на его предварительное напряжение, таким образом, мало.
В случае установки в радиальном направлении, как показано на фиг.5b, расширение пропорционально:
ΔT × толщина уплотнения × .
В этом случае расширение уплотнения ограничено радиальным направлением: следовательно, влияние расширения уплотнения на его предварительное напряжение велико.
При условии, что толщина уплотнения намного меньше радиуса уплотнения, расширение уплотнения в направлении контактного усилия значительно снижается в случае установки в осевом направлении по сравнению со случаем установки в радиальном направлении. В отношении гондолы воздушного судна типичны следующие размеры:
радиус уплотнения = 75 мм
толщина уплотнения = 7 мм.
Установка в осевом направлении, таким образом, значительно снижает температурные влияния на уплотнение.
Изменения температуры могут также вызвать смещение уплотнения. Таким образом, звездообразное направление обеспечено для уплотнения в устройстве согласно изобретению, причем это направляющее устройство обеспечивает то, что уплотнение 1 центрировано независимо от температуры. На фиг.6a показан вид сверху динамического уплотнения 1, расположенного в направляющем устройстве вращения: это вид вдоль оси 140 вращения, показанной на фиг.1, описанного направляющего устройства. Звездообразное направление, изображенное осевыми линиями, достигается посредством прокладок 19, распределенных равномерно по неподвижной опоре 11 направляющего устройства, контактирующих с опорной поверхностью уплотнения 1; эти прокладки 19 входят в зацепление в удлиненных элементах 14, предусмотренных для этой цели в опорной поверхности уплотнения 1. Удлиненные элементы 14 преимущественно расположены по внешней периферии уплотнения 1, как показано на фиг.6b. Согласно другому варианту осуществления изобретения они образуют отверстия или углубления внутри уплотнения. Прокладки предпочтительно одинаковы, как и удлиненные элементы. Например, предусмотрены 24 прокладки и столько же удлиненных элементов для уплотнения с радиусом приблизительно 75 мм. Диаметр прокладок, например, составляет 5 мм.
Качество работы направляющего устройства также основывается на качестве изготовления механизмов. Многократное использование в указанных условиях ведет к деформации подшипника 135, снижению его жесткости и отсутствию точности направления вращения. Другой примечательный элемент устройства согласно изобретению, который позволяет уменьшить эту проблему, заключается в установке колец подшипника в направляющее устройство, как показано на фиг.7. Внутреннее кольцо подшипника установлено в неподвижной опоре 11 направляющего устройства. Наружное кольцо, в общем, содержит две части, что позволяет регулировать подшипник при установке; одна из этих частей установлена в подвижной опоре 12. Согласно другому варианту осуществления изобретения наружное кольцо является отдельным элементом, установленным в неподвижной опоре. Это объединение уменьшает количество элементов и, следовательно, средств сопряжения, способных вносить деформацию подшипника при его работе. Более того, подшипник содержит два ряда шариков 13', 13'' одинакового диаметра, что позволяет получить малое изменение момента трения подшипника и, таким образом, улучшить точность направления вращения; две внутренние дорожки затем образованы на неподвижной опоре 11, а наружные дорожки образованы на подвижной опоре 12, причем вторая наружная дорожка образована в элементе 15 наружного кольца, которое установлено в подвижной опоре 12. Согласно вышеописанному варианту две наружных дорожки затем образованы на подвижной опоре, а внутренняя дорожка образована на неподвижной опоре, причем вторая внешняя дорожка образована в элементе 15 внутреннего кольца, которое не установлено в неподвижной опоре 12. Это объединение также позволяет обеспечить уплотнение со стабильной основой несмотря на многократное использование и довести до оптимума качество фрикционной поверхности с динамическим уплотнением.
Наконец, фрикционная дорожка 4, соединенная с подвижной опорой 12 и контактирующая с уплотнением 1, предпочтительно покрыта посредством обработки поверхности, что улучшает качество фракционной поверхности, главным образом, посредством снижения ее износа. Одним примером обработки поверхности, которая может использоваться, является углеродная обработка в виде аморфного алмаза, также называемым «DLC», аббревиатура для «алмазоподобного углерода».
Приведенное в качестве примера направляющее устройство вращения согласно настоящему изобретению описано со ссылкой на фиг.7, причем направляющее устройство вращения установлено между неподвижным 110 и подвижным 120 элементами оборудования. На чертеже показаны две разделительные линии. Одна линия 16 изображает раздел между неподвижной и подвижной частями направляющего устройства; другая линия 17 изображает герметичный барьер, на пути которого расположено динамическое уплотнение 1, которое обеспечивает динамическое герметичное уплотнение и статические уплотнения 18a, 18b, 26, 24, которые обеспечивают статическое герметичное уплотнение между механическими элементами, прикрепленными друг к другу.
Неподвижная часть направляющего устройства содержит:
неподвижную опору 11, прикрепленную к неподвижному элементу 110 оборудования и соединенную с динамическим уплотнением 1. Эта неподвижная опора 11 подвергнута механической обработке для образования двух внутренних дорожек подшипника. Дорожки обычно отделены друг от друга приблизительно на 6 мм. Шарики 13', 13'', расположенные в этих дорожках, имеют диаметр, например, 4 мм. Два статических уплотнения расположены в неподвижной опоре 11, причем одно 18a контактирует с неподвижным элементом 110 оборудования, а другое 18b - с опорной поверхностью динамического уплотнения 1. Прокладки 19, которые введены в зацепление с удлиненными элементами опорной поверхности уплотнения, расположены на неподвижной опоре 11;
динамическое уплотнение 1, которое обеспечивает герметичное уплотнение по ее фрикционной поверхности. Динамическое уплотнение 1 прикреплено к подвижной опоре 11 посредством фланца 20 для прикрепления уплотнения, которое частично приложено к свободной части опорной поверхности, другими словами, части, которая не контактирует с пружиной 5. Этот фланец 20 прикреплен посредством винта 21, который введен в зацепление до неподвижной опоры 11 посредством удлиненного элемента и прокладки 19. Чтобы обеспечить расширение уплотнения обеспечен зазор 22 между уплотнением (снаружи опорной поверхности и фрикционной поверхности) и механическими частями.
Подвижная часть подшипника содержит:
подвижную опору 12, прикрепленную к подвижному элементу 120 оборудования. Подвижная опора 12 подвергнута механической обработке для образования одной из двух наружных дорожек подшипника для вмещения первого ряда шариков 13'. Сепараторы 23 шариков предпочтительно установлены на дорожках. Статическое уплотнение 24, контактирующее с подвижным элементом 120 оборудования, расположено в подвижной опоре 12.
Другая часть 15 наружного кольца подвергнута механической обработке для образования другой наружной дорожки подшипника и согласована с подвижной опорой 12 для вмещения второго ряда шариков 13''.
Фрикционная дорожка 4 прикреплена к подвижной опоре 12 посредством, например, винта 25. Статическое уплотнение 26, контактирующее с подвижной опорой 12, расположено в фрикционной дорожке 4; более того, эта фрикционная дорожка 4 контактирует с фрикционной поверхностью динамического уплотнения 1.