торцовое уплотнение вала

Формула изобретения

1. Торцовое уплотнение вала, содержащее вал, корпус, неподвижный и подвижный контактирующие элементы, причем неподвижный элемент установлен на корпусе, а подвижный элемент установлен на валу с возможностью перемещения вдоль оси вала и нагружения в направлении неподвижного элемента с помощью пружины, которая опирается на вал, отличающееся тем, что на валу с возможностью перемещения вдоль его оси установлена втулка, на одну сторону которой опирается пружина, а в другую сторону втулки упирается, по меньшей мере, один рычаг, ось которого установлена на валу.

2. Торцовое уплотнение вала по п.1, отличающееся тем, что рычаг, упирающийся во втулку, выполнен неравноплечим, причем короткое плечо обращено в сторону втулки.

3. Торцовое уплотнение по п.2, отличающееся тем, что на длинном плече рычага установлен груз.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области уплотнительной техники и может быть использовано преимущественно при создании уплотнений вращающихся валов различных силовых агрегатов (двигателей внутреннего сгорания, коробок перемены передач и раздаточных коробок, редукторов и т.д.), к которым предъявляются высокие требования по ресурсу работы и сохраняемости.

Известно торцовое уплотнение вала, содержащее вал, корпус, неподвижный и подвижный контактирующие элементы, причем неподвижный элемент установлен на корпусе, а подвижный элемент установлен на валу [1].

Известно также торцовое уплотнение вала, содержащее вал, корпус, неподвижный и подвижный контактирующие элементы, причем неподвижный элемент установлен на корпусе, а подвижный элемент установлен на валу с возможностью перемещения вдоль оси вала и нагружен в направлении неподвижного элемента с помощью пружины, которая опирается на вал [2].

Недостатком известных конструкций является их сравнительно низкий ресурс работы, связанный с неизбежным износом обоих контактирующих элементов в месте их сопряжения и в первую очередь - более мягкого элемента, изготовленного на основе эластомера (например - резины) или из композита на основе, например, фторопласта (политетрафторэтилена). Это особенно важно при работе в тяжелых условиях (большой перепад давления между уплотняемой и внешней средой, большая разность температуры между ними, высокая частота вращения вала и т.д.). Это наиболее существенно для периодически действующих объектов, в том числе находящихся на длительном хранении, от которых требуется высокая работоспособность в момент снятия с хранения (сельскохозяйственная сезонная техника, боевая техника, оборудование, используемое при чрезвычайных ситуациях, и т.д.).

При длительном хранении (сезон, год или несколько лет) более мягкий контактирующий элемент теряет свою эластичность и, следовательно, уплотняющую способность. Кроме того, находясь при хранении или стоянке при длительном контакте и сравнительно высоких контактных напряжениях, характерных для подобных конструкций, более мягкий материал уплотнения диффундирует в материал контртела, и в начальный момент работы в зоне контакта происходят вырывы менее прочного материала, что может сразу привести уплотнение в полную непригодность.

Задачей изобретения является повышение ресурса работы и сохраняемости торцового уплотнения.

Указанная задача решается тем, что на валу с возможностью перемещения вдоль его оси установлена втулка, на одну сторону которой опирается пружина, а в другую сторону втулки упирается, по меньшей мере, один рычаг, ось которого установлена на валу.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображено торцовое уплотнение при нулевой частоте вращения вала (=0), на рис.2 показано это же уплотнение в том случае, когда вал вращается (0).

Уплотнение (фиг.1, 2) разделяет две полости (А и Б) и состоит из неподвижного элемента (корпус 1) со вставкой 2 из жесткого материала (например, сталь) и подвижным, вращающимся вместе с валом 3 элементом 4, имеющим эластичную вставку 5 (например, из наполненного полимера) и эластичное уплотнительное кольцо 6. Подвижный элемент 4 поджат одним концом цилиндрической витой пружины 7 в направлении контакта между вставками 2 и 5. Другим концом пружина 7 опирается на втулку 8, которая, в свою очередь, упирается в короткий конец рычага 9, ось 10 которого неподвижно закреплена на выступе 12 вала 3. Длинный конец рычага 9 может иметь груз 11, рычаг 9 может свободно поворачиваться вокруг оси 10. Штифт 13 служит для фиксации элемента 4 относительно вала 3 в окружном направлении.

Одна из полостей, например А, может быть частично заполнена жидкой смазкой, необходимой для смазки механизмов и деталей, установленных в этой полости и кинематически связанных с валом 3. В этом случае полость Б, например, является атмосферой. Количество рычагов 9 (соответственно и выступов 12 с осями 10) может быть больше одного.

Торцовое уплотнение работает следующим образом (фиг.1 и 2). В том случае, если вращение вала 3 отсутствует (фиг.1, режим стоянки или хранения), подвижный элемент 4 и втулка 8 также не вращаются, относительного перемещения вставок 2 и 5 не происходит. Втулка 8 упирается в короткий конец рычага 9, который, в свою очередь, опирается на тело вала 3. Через цилиндрическую витую пружину 7 втулка 8 с минимально необходимым усилием давит на элемент 4, прижимая закрепленную на нем вставку 5 к ответной вставке 2 корпуса 1, чем и создается минимальный необходимый при неподвижном валу 3 уплотнительный эффект. В этом случае даже при длительной стоянке механизма, в котором установлено уплотнение, не происходит деформация уплотнительных элементов (вставок 2 и 5) и взаимная диффузия их поверхностных слоев. Кроме того, минимальная деформация витков пружины 7 позволяет сохранять длительное время ее упругие характеристики.

При запуске механизма, в котором установлено уплотнение, и начале вращения вала 3 (фиг.2) вместе с этим валом вращается элемент 4, выступ 12 и, соответственно, рычаг 9. За счет сил трения между элементом 4 и пружиной 7, а также между коротким концом рычага и втулкой 8 последняя также вращается с частотой вала 3.

В связи с тем, что во время длительной стоянки или в процессе хранения контактные давления в стыке вставок 2 и 5 минимальны и диффузии их поверхностных контактирующих слоев не происходит, при страгивании с места во время запуска механизма не происходит и вырывов материала более мягкого материала одной из вставок 2 и 5.

При вращении вала 3 на рычаг 9 действуют центробежные силы, а поскольку его масса распределена неравномерно относительно оси 10, более массивный длинный конец рычага поворачивает его таким образом, что короткий конец этого рычага своим плечом нажимает на втулку 8 в направлении, показанным на фиг. 2 стрелкой. При этом пружина 7 сжимается, и происходит увеличение усилия, действующего на элемент 4 со вставкой 5 в сторону контакта последней со вставкой 2 корпуса 1, что приводит к увеличению контактного давления в стыке вставок 5 и 2 и повышению герметизирующей способности уплотнения. Это обстоятельство позволяет компенсировать снижение вязкости и увеличение проникающей способности смазки, находящейся в полости А, температура которой повышается при работе механизма, в котором установлено уплотнение.

Причем, чем выше частота вращения вала 3, т.е. чем в более нагруженном режиме работает этот механизм, тем выше температура смазки, тем выше давление ее паров, ниже ее вязкость и больше проникающая способность и тем большие центробежные силы действуют на рычаг 9 и, соответственно, тем выше контактное давление в уплотнительном стыке между вставками 2 и 5. Этим достигается положительная обратная связь между герметизирующей способностью уплотнения и проникающей способностью смазки. Зависимость между частотой вращения вала и давлением в контакте поверхностей вставок 2 и 5 может корректироваться соотношением плеч рычага 9, массой и положением груза 11.

Таким образом, предложенная конструкция торцового уплотнения позволяет за счет снижения контактного давления между уплотняющими поверхностями и исключения их диффузии в процессе длительной стоянки или хранения при обеспечении высокой герметичности во время работы повысить работоспособность уплотнения и его сохраняемость.

Источники информации:

1. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник /Л.А.Кондаков, А.И.Голубев, В.Б.Овандер и др.; под общ. ред. А.И.Голубева, Л.А.Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986. - 464 с. - С.16, рис.1.6.

2. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн. I /Под ред. П.Н.Учаева. - М.: Машиностроение, 1988. - 560 с. - С.486-487, рис.654, 655.