УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВНЕШНИМИ ВЕЩЕСТВАМИ
SEALING DEVICE, IN PARTICULAR, FOR PROTECTION AGAINST CONTAMINATION WITH EXTERNAL SUBSTANCES

Изобретение относится к области оборудования для установок, машин, транспортных средств или их аналогов, содержащих вращающуюся деталь, такую как вал или ось, которую необходимо герметизировать на уровне отверстия, канала, опорного подшипника и т.д.
В частности, объектом изобретения является усовершенствованное уплотнительное устройство, в частности, для защиты от загрязнения внешними веществами.
В контексте вращающихся деталей, например, таких как вал или ось, выходящая из картера двигателя, или вал, установленный и направляемый в опорном подшипнике, герметичность между предохраняемой внутренней средой, в которой, как правило, находится смазочная жидкость, и внешней средой часто обеспечивают при помощи статической круглой прокладки, по меньшей мере одна кромка которой находится в положении скользящей опоры на вал. Такие прокладки известны, например, из документов FR 2986598, ЕР 2044351, ЕР 2895773 и ЕР 2739885.
Однако в случае окружающей среды, содержащей большое количество загрязняющих веществ и материалов, опасных для предохраняемой внутренней среды, как известно, с устройствами прокладок вышеупомянутого типа объединяют дополнительные уплотнительные элементы или средства защиты с целью предохранения канала вала и находящейся на месте уплотнительной прокладки (герметичность для внутренних текучих сред) от внешних загрязнителей (вода, грязь, пыль…).
В качестве примеров таких известных дополнительных элементов и средств можно указать неподвижные прокладки-пылесборники (без контакта, но при этом присутствует промежуток, пропускающий загрязнители вблизи поверхности вала) и лабиринтные прокладки, как правило, из нетканых волокон (в контакте с вращающимся валом, то есть с большими потерями от трения).
Известны также средства, образующие вентилятор или воздуходувку, в виде специальной крыльчатки, установленной на вращающемся валу на входе и на расстоянии от прокладки, чтобы отталкивать загрязнители за счет создания нагнетающего потока (см., например, GB 2123498, CN 202469005).
В этих вышеуказанных различных случаях речь идет о специальных дополнительных устройствах, которые не взаимодействуют с находящейся на месте прокладкой и выполнение которых связано с повышением расходов и со значительным увеличением габарита, веса и конструктивной сложности.
С учетом вышеупомянутых ограничений известных технических решений изобретение призвано предложить комбинированное решение для уплотнения и защиты против загрязнителей, которое является эффективным, простым, недорогим и которое связано лишь с незначительными потерями.
В связи с вышеизложенным, объектом изобретения является уплотнительное устройство для вращающегося вала или вращающейся оси, содержащее уплотнительную прокладку, установленную неподвижно в канале или отверстии, через которое проходит указанный вал или указанная ось, обеспечивающую герметичный барьер между внутренней средой и внешней средой, и содержащую, с одной стороны, опорную деталь в виде несущего кольца с наружной осевой полкой и с радиальной полкой, предпочтительно имеющего L-образное сечение, и, с другой стороны, уплотнительную шайбу, которая присоединена к несущему кольцу, окружает осевую полку по внешнему контуру указанного кольца и проходит внутрь в направлении уплотняемого вращающегося вала или вращающейся оси вдоль стороны радиальной полки, обращенной к внешней среде, заканчиваясь уплотнительной кромкой, проходящей за пределы внутреннего края радиальной полки и находящейся в положении скользящей опоры на указанный вал или указанную ось, при этом указанное уплотнительное устройство содержит также дополнительное средство защиты от внешних загрязнителей, в частности, пыли, воды или грязи, согласно изобретению, дополнительное средство защиты от внешних загрязнителей содержит дополнительное кольцо, которое неподвижно соединено с вращающимся валом или вращающейся осью, расположено с наружной стороны относительно уплотнительной прокладки и содержит радиальную полку, образующую за счет взаимодействия с радиальной полкой несущего кольца уплотнительной прокладки кольцевую конструкцию с перегородками или лабиринтами, и тем, что сторона радиальной полки дополнительного кольца, обращенная к уплотнительной прокладке, находится в прерывистом или локальном и предпочтительно линейном скользящем контакте с частью уплотнительной шайбы, накрывающей радиальную полку несущего кольца уплотнительной прокладки, при этом вышеуказанная часть уплотнительной шайбы имеет на поверхности по меньшей мере одну структуру в виде выступов и/или выемок, входящую в контакт по меньшей мере с легким давлением с соответствующей плоской зоной стороны напротив радиальной полки дополнительного кольца, и/или рассматриваемая сторона радиальной полки дополнительного кольца имеет на поверхности по меньшей мере одну структуру в виде выступов и/или выемок, входящую в контакт по меньшей мере с легким давлением с соответствующей плоской зоной стороны напротив части шайбы, накрывающей радиальную полку несущего кольца.
Изобретение будет более понятно из нижеследующего описания предпочтительных вариантов осуществления, представленных в качестве неограничивающих примеров со ссылками на прилагаемые схематичные чертежи.
На фиг. 1 показан частичный вид в разрезе по плоскости, содержащей ось вращения, вала, проходящего через отверстие, при этом заявленное уплотнительное устройство (показано схематично) расположено между валом и каналом отверстия;
на фиг. 2А показан вид спереди в направлении Х, параллельном оси вращения, объекта, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 2В показан частичный вид в разрезе и в перспективе в другом масштабе уплотнительного устройства, изображенного на фиг. 1 и 2А;
на фиг. 3А и 3В представлены виды в разном масштабе детали А фиг. 1, иллюстрирующие две версии первого варианта осуществления заявленного уплотнительного устройства;
на фиг. 4А и 4В представлены виды в разном масштабе детали А фиг. 1, иллюстрирующие второй вариант осуществления заявленного уплотнительного устройства, соответственно спереди (фиг. 4А) и в перспективе (фиг. 4В);
на фиг. 5А и 5В показаны виды в разном масштабе детали А фиг. 1, иллюстрирующие третий вариант осуществления заявленного устройства прокладки, соответственно спереди (фиг. 5А) и в перспективе (фиг. 5В);
на фиг. 6А и 6В представлены виды спереди детали А фиг. 1, иллюстрирующие разные версии четвертого варианта осуществления заявленного уплотнительного устройства (при этом герметизированный канал не показан);
на фиг. 7А и 7В представлены схематичные и частичные виды в плоской проекции структурированной стороны двух версий осуществления уплотнительной шайбы, предназначенной для установки на опорном кольце заявленного уплотнительного устройства.
На фиг. 1-6 показано уплотнительное устройство 1 для вращающегося вала или вращающейся оси 2, содержащее уплотнительную прокладку 3, установленную неподвижно в канале или отверстии 4, через который(ое) проходит указанный вал или указанная ось, и создающую герметичный барьер между внутренней средой и внешней средой (см. фиг. 1).
Это разграничение между внутренней средой MI и внешней средой МЕ происходит, например, за счет присутствия стенки 1' картера, в которой выполнен канал 4.
Эта прокладка 3 содержит, с одной стороны, опорную деталь 5 в виде несущего кольца с наружной осевой полкой 6 и с радиальной полкой 6', то есть предпочтительно имеющего L-образное сечение, и, с другой стороны, уплотнительную шайбу 7, которая присоединена к несущему кольцу 5, окружает осевую полку 6 по внешнему контуру указанного кольца 5 и проходит внутрь вдоль обращенной наружу стороны радиальной полки 6', заканчиваясь уплотнительной кромкой 8, находящейся в положении скользящей опоры на указанный предохраняемый вал или указанную предохраняемую ось 2.
Это уплотнительное устройство 1 содержит также средство защиты от внешних загрязнителей, в частности, пыли, воды или грязи.
Согласно изобретению, указанное средство 9 защиты от внешних загрязнителей содержит дополнительное кольцо, которое неподвижно соединено с вращающимся валом или вращающейся осью 2, расположено с наружной стороны относительно уплотнительной прокладки 3 и содержит радиальную полку 10, образующую за счет взаимодействия с радиальной полкой 6' несущего кольца 5 уплотнительной прокладки 3 кольцевую конструкцию с перегородками или лабиринтами.
Таким образом, благодаря простому техническому решению, изобретение позволяет получить вращающийся защитный экран 9, закрывающий снаружи прокладку 3 и эффективно защищающий ее от загрязнителей, в частности, твердых и жидких, не только за счет простого присутствия в виде препятствия, но также за счет тесного взаимодействия его формы с прокладкой 3 и каналом 4.
Предпочтительно дополнительное кольцо 9, образующее кольцевой отражатель, герметично установлено на вращающемся валу или вращающейся оси 2. Кроме того, его радиальная полка 10 предпочтительно проходит радиально наружу, чуть-чуть не доходя до внутренней стороны 4' канала отверстия 4, предпочтительно в плоскости Р, параллельной относительно плоскости P', содержащей радиальную полку 6' уплотнительной прокладки 3.
Такая конструкция значительно уменьшает распространение внешних загрязнителей в сторону прокладки 3, препятствуя любому прохождению загрязнителей вдоль поверхности вала или оси 2 и значительно ограничивая и даже активно противодействуя прохождению таких загрязнителей вдоль внутренней стороны 4' канала или круглого отверстия 4 (при этом расстояние между этой стороной и внешним окружным контуром кольцевой полки 10 предпочтительно меньше 1 мм и предпочтительно составляет от нескольких сотых до нескольких десятых миллиметра).
Разумеется, сторона 10' радиальной полки 10 может находиться на незначительном расстоянии от прокладки 3 без контакта с радиальной полкой 6' кольца 5, накрываемой шайбой 7.
При этом образуется кольцевой промежуточный объем 15, заключающий в себя воздушный слой.
Вместе с тем, согласно изобретению, как показано на фиг. 3-6, сторона 10' радиальной полки 10 дополнительного кольца 9, обращенная к уплотнительной прокладке 3, находится в прерывистом или локальном и предпочтительно линейном скользящем контакте с частью 7' уплотнительной шайбы 7, накрывающей радиальную полку 6' несущего кольца 5 уплотнительной прокладки 3.
Благодаря этому признаку, между дополнительным кольцом 9 и уплотнительной прокладкой 3 получают дополнительное уплотнение, которое блокирует доступ к критической области динамического уплотнения, образованного зоной скользящего контакта между уплотнительной кромкой 8 и поверхностью вращающегося вала или вращающейся оси 2, на которую она опирается.
Кроме того, в контексте вышеупомянутой прокладки 3, раскрытой, например, в заявках FR 2 986 598, ЕР 2 044 351 и ЕР 2 739 885, поданных на имя заявителя, этот признак изобретения предпочтительно позволяет использовать часть 7' шайбы 7, которая до этого не использовалась в контексте герметизации или выполнения функции барьера в известных решениях.
Кроме того, предусматривая зону контакта, предпочтительно линейного или по крайней мере прерывистого, ограничивают потери от трения, в частности, когда входящие в контакт материалы имеют низкий коэффициент трения.
Согласно первой версии выполнения изобретения, представленной, например, на фиг. 6А и 6В, рассматриваемая часть 7' уплотнительной шайбы 7 содержит на поверхности по меньшей мере одну структуру 11 в виде выступов и/или выемок, входящую в контакт по меньшей мере с легким давлением с соответствующей плоской зоной стороны 10' напротив радиальной полки 10 дополнительного кольца 9.
Согласно второй версии выполнения изобретения, две альтернативы которой представлены на фиг. 4 и 5, рассматриваемая сторона 10' радиальной полки 10 дополнительного кольца 9 имеет на поверхности по меньшей мере одну структуру 12 в виде выступов (фиг. 5) и/или выемок (фиг. 4), входящую в контакт по меньшей мере с легким давлением с плоской зоной стороны 7” напротив части 7' шайбы 7, накрывающей радиальную полку 6' несущего кольца 5.
Эту структуру или эти структуры можно получить посредством литья или формовки или штамповки.
При выполнении в виде выемок (фиг. 4) зоны контакта образованы частями структур 11, 12, которые доходят до поверхности полки 10 или шайбы 7 (при этом предпочтительно они находятся на одном уровне с зонами контакта, не имеющими структуры и тоже входящими в контакт).
Вышеуказанные два признака можно также применять одновременно или совокупно.
В этом случае, согласно варианту осуществления изобретения, в котором скомбинированы две вышеупомянутые версии и который показан на фиг. 3А, можно, например, предусмотреть на рассматриваемой части 7' уплотнительной шайбы 7 и на радиальной полке 10 дополнительного кольца 9 структуры 11, 12 в виде выступов и/или выемок, при этом обе структуры 11 и 12 находятся в разных кольцевых окружных областях, которые не перекрывают друг друга и которые находятся на разных расстояниях вокруг вращающегося вала или вращающейся оси 2.
Разумеется, для обоих типов структур 11 и 12 в виде выступов можно предусмотреть различные конфигурации и формы.
Так, можно предусмотреть структуру в виде единой детали или несколько отдельных структур, расположенных в виде определенного набора. Точно так же, поперечное сечение элемента (нервюры, канавки) структуры может быть постоянным или нет (например, полукруглым, треугольным, прямоугольным, квадратным небольшой ширины).
Согласно практической версии осуществления, структура или по меньшей мере одна из структур 11, 12 в виде выступов и/или выемок выполнена в виде спирали (является геликоидальной). Направление закручивания снаружи внутрь этой спирали соответствует направлению вращения вращающегося вала или вращающейся оси 2 для структуры 12 на кольце 9 и направлению против часовой стрелки для структуры 11 на шайбе 7.
Таким образом, направление вращения спирали структуры 11, являющейся частью шайбы 7, изнутри наружу идентично направлению вращения вала или оси 2. Для структуры 12 направление меняется на противоположное.
Во время вращения такая структура 11 или 12 производит центробежное действие выталкивания в дополнение к своей функции многослойного барьера.
Согласно другой версии осуществления, соответствующей фрагментарному построению структур 11 и/или 12, структура или по меньшей мере одна из структур 11, 12 в виде выступов и/или выемок представляет собой кольцевую компоновку отдельных стенок или канавок, ориентированных и частично перекрывающих друг друга, между соседними стенками или канавками компоновки.
Согласно еще одной практической версии осуществления, которая не приводит к получению выталкивающего действия, структура или по меньшей мере одна из структур 11, 12 в виде выступов и/или выемок выполнена в виде набора по меньшей мере из двух концентричных круговых нервюр или канавок (получение нескольких последовательных барьеров в радиальном направлении).
В дополнение к вышеупомянутой структуре или структурам 11, 12 или альтернативно этой(им) структуре(ам), радиальная полка 10 дополнительного кольца 9 может содержать на стороне 10', находящейся напротив и на расстоянии от радиальной полки 6' несущего кольца 5, накрытой уплотнительной шайбой 7, одно или несколько образований 16 в виде выступов и/или выемок, выполненных с возможностью создавать во время вращения вала 2 и, следовательно, дополнительного кольца 9 центробежный воздушный поток в промежуточном пространстве 15 между уплотнительной прокладкой 1 и указанным дополнительным кольцом 9 (см. фиг. 3В). Это образование или эти образования 16 могут, например, иметь форму, аналогичную форме структур 11 и 12 (стенки, спирали…).
Можно также предусмотреть структуры 11, 12, выполняющие обе функции (барьера и создания воздушного потока), то есть частично входящие в контакт с находящейся напротив стороной.
Кроме того, часть 7' шайбы 7 может содержать находящиеся на разных расстояниях от оси или вала 2 по меньшей мере два отдельных образования одного типа или разного типа. В варианте сторона 10' радиальной полки 10 кольца 9 может содержать по меньшей мере два отдельных образования одного типа или разного типа, имеющие разные кольцевые диаметры.
Для обеспечения динамического уплотнения уплотнительная кромка 8 обычно напрямую прилегает к вращающемуся валу или вращающейся оси 2 предпочтительно стороной своего свободного конца, оснащенной нагнетающей структурой (см. пример выполнения из документа FR 2 986 598), как показано на фиг. 3, 5 и 6А.
В варианте эта кромка 8 может также прилегать к элементу, присоединенному к указанному валу или оси 2.
Как показано на фиг. 6В и на фиг. 4, осевая полка 13, герметично прилегающая по окружности к вращающемуся валу или вращающейся оси 2, может образовать в осевом направлении ограниченную наружную оболочку, при этом указанная осевая полка 13 проходит вдоль указанного вала или оси 2 за пределами плоскости Р', содержащей радиальную полку 6' несущего кольца 5, и образует поверхность скользящей опоры для уплотнительной кромки 8 уплотнительной прокладки 1.
В обеих вышеуказанных версиях может быть предусмотрено, чтобы по меньшей мере сторона части уплотнительной кромки 8, находящаяся в положении гибкой опоры на вал 2 или на осевую полку 13 дополнительного кольца 9, содержала нагнетающую структуру 8', например, с пилообразным профилем в сечении и с геликоидальным расширением вокруг внутреннего контура уплотнительной шайбы 8.
Направление закручивания спирали 8', образованной нагнетающей структурой, идентично направлению закручивания образований 11 шайбы 7.
Чтобы дополнительно получить динамическое действие нагнетания или отталкивания на входе средства 9 защиты и обеспечить активное уплотнение за счет циркуляции воздуха между этим средством и каналом или отверстием 4, дополнительное кольцо 9 может содержать, - предпочтительно на стороне своей радиальной полки 10, противоположной уплотнительной прокладке 7 или обращенной наружу, и/или на наружном контуре этой полки 10, - несколько элементов 14 в виде выступов и/или выемок, предпочтительно равномерно распределенных в окружном направлении.
Эти элементы 14, показанные, например, на фиг. 2, 3 и 5, выполнены с возможностью создавать воздушный поток во время вращения вала или оси 2, предпочтительно вихревой поток, ориентированный таким образом, чтобы препятствовать попаданию внешних загрязнителей в промежуток между указанным дополнительным кольцом 9 и внутренней стороной 4' стенки канала или отверстия 4.
Как следует из фиг. 2, 3 и 5 прилагаемых чертежей, эти элементы 14 могут быть выполнены, например, в виде ребер. Вместе с тем, можно также предусмотреть единый элемент, такой как геликоидальная спираль, выполненный с возможностью создания отталкивающего воздушного потока. Кроме того, входной край отверстия или канала 4, обращенный к внешней среде, может, в случае необходимости, иметь специальную форму или конфигурацию, участвующую в формировании или в ориентации создаваемого воздушного потока.
Изобретение относится также к выполнению устройства 1 с комбинацией двух или нескольких из вышеупомянутых и совместимых между собой версий или вариантов осуществления, хотя это и не показано на прилагаемых чертежах.
Предпочтительно уплотнительная шайба 7 выполнена из ПТФЭ (политетрафторэтилен), обеспечивающего скользящий контакт с очень слабым трением и не требующего никакой смазки (то есть адаптированного к повышенным скоростям вращения), и несущее кольцо 5 выполнено из листового материала с высоким пределом текучести HLE.
Например, как показано на фигурах, дополнительное кольцо 9 может включать в себя две части, а именно металлическое (листовой прокат) кольцевое основание, образующее осевую полку 13 и плотно посаженное на вал 2, и кольцевой диск из пластического материала, образующий радиальную полку 10, выполненный посредством поверхностного литья на основании и, возможно, содержащий структуры 12 и элементы 14, предпочтительно выполненные за одно целое с ним во время литья.
Лист, образующий каждое из колец 5 и 9, может быть выполнен из стали, подвергнутой механической обработке, или может быть выполнен посредством штамповки из разных сортов полосового проката (например, DC04 или HLE), из листовой нержавеющей стали или из листового проката, подвергнутого антикоррозийной обработке.
Разумеется, изобретение не ограничивается вариантами осуществления, представленными в описании и на прилагаемых чертежах. Не выходя за рамки объема защиты изобретения, в них можно вносить изменения, в частности, с точки зрения состава различных элементов или их замены на технические эквиваленты.