Уплотнение манжетного типа для герметизации вращающегося вала

 

Использование: в уплотнительной технике. Сущность изобретения: уплотнение содержит охватывающую герметизируемый вал (В) 1 с зазором эластичную ступенчатую втулку 2, меньший цилиндр которой выполнен в виде Г3, а больший из цилиндров - в виде чулка 4, охватывающее Г3 обжимное кольцо (ОК) 10 и осевой упор для Г3. При установке ОК10 на Г3 последняя деформируется и прижимается в В1. На обращенной к Г3 поверхности ОК10 выполнены равномерно расположенные по окружности в два ряда канавки (К). Параметры профиля нормального сечения К выбраны из условия сохранения под ними локальных зон с радиальным зазором между Г3 и В1, т.е. карманов. Осевое смещение рядов К исключает возможность перекрытия в направлении трения Г3 по В1 карманов под К соседних рядов. Натяг в сопряжении с Г3, площадь трения Г3 и ее материал выбраны из условия неравенств: τ<0,5[τ] и Q < 0,5[Q], где τ и [τ] - фактическая и предельная для усталостного вида изнашивания материала Г3 удельные силы трения Г3 по В1; Q и [Q] - фактическая и предельно допустимая протечки герметизирумой Ж по вращающемуся В1. При работе уплотнения герметизируемая Ж попадет в карманы под одним из рядов К, а охлаждающая Ж - в карманы под соседним рядом К. Из карманов эти Ж поступают в зону трения Г3 и В1, смазывая последние, что обеспечивает увеличение износостойкости Г3. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации вращающихся валов, работающих в условиях, характеризующихся высокой скоростью вращения вала, значительным его динамическим эксцентриситетом, повышенными давлением и температурой герметизируемой жидкости, повышенными требованиями к чистоте окружающей среды.

Известно, что основными характеристиками уплотнений являются герметизирующая способность, оцениваемая количеством герметизируемой жидкости, протекающей через уплотнение в единицу времени, и долговечность, т.е. время, в течение которого герметизирующая способность сохраняется на требуемом уровне. Герметизирующая способность и долговечность обычно задаются нормативными документами, принятыми в той или иной отрасли на основе имеющегося опыта. По мере совершенствования уплотнительной техники и технологии эти нормы могут уточняться. Обе указанные характеристики влияют на затраты тех или иных ресурсов, связанных с эксплуатацией уплотнений: низкая долговечность влечет за собой необходимость частых ремонтов оборудования, а низкая герметизирующая способность приводит к повышенным потерям дефицитной герметизируемой жидкости, к необходимости более интенсивной и тщательной очистки окружающей среды от загрязнений, что в свою очередь увеличивает эксплуатационные расходы.

Широко известно уплотнение манжетного типа для герметизации вращающегося вала, содержащее охватывающую герметизируемый вал эластичную втулку, которая выполнена с губкой, охватывающее губку с натягом обжимное кольцо для деформирования губки в радиальном направлении с формированием между ней и валом замкнутой по периферии вала зоны непосредственного их соприкосновения с контактными напряжениями, выбранными из условия исключения протечки герметизируемой жидкости по невращающемуся валу [1].

Недостаток известного уплотнения состоит в том, что губка выполнена в виде кольца с v-образным сечением, в результате чего она контактирует с валом по узкой кольцевой зоне и ее фрикционное взаимодействие с валом протекает в режиме полусухого трения, что приводит к быстрому износу губки, особенно при повышенных давлениях и температуре герметизируемой жидкости, снижению надежности и долговечности работы уплотнения в целом, а в итоге к повышению эксплуатационных расходов при использовании уплотнения на производстве.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому уплотнению является другое известное уплотнение манжетного типа для герметизации вращающегося вала, содержащее охватывающую герметизируемый вал с зазором эластичную ступенчатую втулку, меньший цилиндр которой выполнен в виде губки, а больший из цилиндров выполнен в виде чулка с буртиком для крепления втулки, охватывающее губку с натягом обжимное кольцо переменного сечения для демпфирования губки в радиальном направлении с формированием между ней и валом замкнутой по периферии вала зоны непосредственного их соприкосновения с контактными напряжениями, выбранными из условия исключения протечки герметизируемой жидкости по невращающемуся валу, с одновременным образованием между губкой и валом кармана, открытого со стороны не связанного с чулком торца губки, и осевой упор для губки, установленный внутри чулка с возможностью одновременного с губкой радиального перемещения относительно буртика, при этом обжимное кольцо герметично связано с чулком своим торцем [2].

При всех своих достоинствах, позволяющих, в частности, за счет принудительной смазки и охлаждения трущихся поверхностей повысить давление и температуру герметизируемой жидкости, это известное уплотнение имеет недостаток, заключающийся в том, что расположенный со стороны подачи герметизируемой жидкости торец обжимного кольца выполнен скошенным, тогда как другой его торец перпендикулярен оси вала, в результате чего, во-первых, губка работает как скребок или "дворник" с малым углом атаки и он отбрасывает основную часть герметизируемой жидкости, проникающей в карман под губкой, обратно в полость высокого давления, иными словами, в зону фрикционного взаимодействия губки с валом поступает незначительное количество смазочного материала, в качестве которого в данном случае выступает герметизируемая жидкость, во-вторых, охлаждаемая жидкость, принудительно подаваемая к трубке со стороны полости низкого давления, не проникает под губку и влияет на тепловой режим ее работы практически только за счет воздействия на вал вне зоны его контакта с губкой, в-третьих, в сопряжении губки с валом под обжимным кольцом, где он имеет уменьшенные по площади сечения, контактные напряжения могут значительно превышать средние, из-за чего в эту область поступает еще более ограниченное количество смазочного материала и резко возрастает местная тепловая нагруженность губки, которая мало меняется при изменении общего количества поступаемого в карман смазочного материала, т.е. герметизируемой жидкости. Эти обстоятельства снижают эффективность смазки и охлаждения трущихся поверхностей, в результате чего надежность и долговечность уплотнения остается низкой, а эксплуатационные расходы высокими, особенно при герметизации жидкостей, загрязняющих окружающую среду.

Задачей изобретения является уменьшение эксплуатационных расходов путем повышения износостойкости губки при герметизации находящихся под повышенным давлением и температурой загрязняющей окружающей среду жидкости.

Указанная задача достигается тем, что в уплотнении манжетного типа для герметизации вращающегося вала, содержащем охватывающую герметизируемый вал с зазором эластичную ступенчатую втулку, меньший цилиндр которой выполнен в виде губки, а больший из цилиндров выполнен в виде чулка с буртиком для крепления втулки, охватывающее губку с натягом обжимное кольцо переменного сечения для деформирования губки в радиальном направлении с формированием между ней и валом замкнутой по периферии вала зоны непосредственного их соприкосновения с контактными напряжениями, выбранными из условия исключения протечки герметизируемой жидкости по невращающемуся валу, с одновременным образованием между губкой и валом кармана, открытого со стороны не связанного с чулком торца губки, и осевой упор для губки, установленный внутри чулка с возможностью одновременного с губкой радиального перемещения относительно буртика, при этом обжимное кольцо герметично связано с чулком своим торцем, на обращенной к губке поверхности обжимного кольца выполнены равномерно расположенные по окружности в два ряда канавки, канавки соседних рядов имеют выход на противоположные торцы кольца, а параметры профиля нормального сечения канавок выбраны из условия сохранения под ними зон с радиальным зазором между губкой и валом, при этом осевое смещение рядов выбрано из условия исключения взаимного перекрытия в направлении трения губки по валу расположенных под канавками соседних рядов зон с радиальным зазором, а величина натяга в сопряжении кольца с губкой, ее площадь трения и материал выбраны из условия соблюдения неравенств τ < 0,5[τ] и Q < 0,5[Q], где τ и [τ] - фактическая и предельная для усталостного вида изнашивания материала губки удельные силы трения в подвижном сопряжении губки с валом соответственно; Q и [Q] - фактическая и предельно допустимая протечки герметизируемой жидкости по вращающемуся валу соответственно.

Кроме того, с целью минимизации эксплуатационных расходов величина натяга в сопряжении кольца с губкой, ее площадь трения и материал выбраны из условия соблюдения тождества τ/[τ] = Q/[Q].

Дополнительно обжимное кольцо выполнено в виде вкладыша с охватывающим его бандажом, при этом канавки выполнены в виде закрытых внутренней поверхностью бандажа прорезей вкладыша, что позволяет упростить изготовление канавок.

Сравнение предложения с прототипом дает основание полагать, что оно соответствует критерию "новизна". Кроме того, анализ других известных решений из области уплотнительной техники дает основание полагать, что изобретение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлен продольный разрез предложенного уплотнения, на фиг. 2 - общий вид обжимного кольца с канавками, на фиг. 3 - вид на уплотнение со стороны полости с герметизируемой жидкостью, на фиг. 4 - увеличенная зона с зазором между губкой и валом, на фиг. 5 - совмещенные развертки контактных зон двух сопряжений: губка - обжимное кольцо и губка - вал, на фиг. 6 - результаты измерений герметизирующей способности и удельных сил трения, на фиг. 7 - изменение герметизирующей способности и удельной силы трения при наработке на ресурс, на фиг. 8 - развертка внутренней поверхности кольца с наклонными канавками, на фиг. 9 - вариант исполнения обжимного кольца.

Уплотнение содержит выполненную из эластомера, например маслобензостойкой резины, охватывающую герметизируемый вал 1 тонкостенную ступенчатую втулку 2, меньший цилиндр которой выполнен в виде губки 3, а больший из цилиндров - в виде чулка 4, внутри которого с радиальным зазором относительно вала установлены кольца 5. Эти кольца установлены в осевом зазоре между торцами губки и фланца 6. Фланец снабжен отверстиями 7, имеющими выход в кольцевую полость A, образованную втулкой, фланцем и валом.

С помощью указанного фланца центрирующий буртик 8 чулка, а следовательно, эластичная ступенчатая втулка в целом крепится к корпусу 9, в котором имеется полость Б для герметизируемой жидкости. Таким корпусом может быть, например, напорная крышка центробежного насоса. В этом случае роль вала 2 выполняет ротор насоса.

Обжимное кольцо 10 с натягом установлено на губке, а своим торцем оно герметично связано с чулком. Герметичность соединения достигнута в данном случае за счет клеевого соединения соответствующих торцев кольца и чулка. Однако оно может быть достигнуто и за счет механического соединения, например посадкой кольца с напуском на чулок, как это имеет место в прототипе. Кроме того, кольцо изготовлено из материала, имеющего коэффициент линейного расширения, близкий к материалу губки.

При снятом с губки обжимном кольце она охватывает вал с зазором. В процессе сборки уплотнения, а точнее при установке кольца на губку оно деформирует цилиндр чулка в радиальном направлении, и при монтаже уплотнения в сборе на вал губка сопрягается с ним уже с натягом. Величина этого натяга обеспечивает отсутствие протечки герметизируемой жидкости по невращающемуся валу.

На внутренней поверхности обжимного кольца 10 выполнены канавки 11, которые не видны на фиг. 1, но видны на общем виде обжимного кольца, представленном на фиг. 2. Эти канавки несквозные, т.е. любая из них имеет выход лишь на один из торцев кольца. Расположены канавки равномерно по окружности в два ряда I и II. Канавки смежных рядов имеют выход на противоположные торцы кольца. Из-за этих канавок губка уплотнения в сборе не по всей своей внутренней поверхности прилагает к валу. Это обстоятельство иллюстрируется фиг. 3, где показан вид на уплотнение со стороны полости Б. Видно, что в области расположения канавок имеются зоны, где кольцо 10 не прижимает губку 3 к валу 1. Естественно, что на чертеже видны только зоны, которые расположены под канавками одного, а точнее I ряда канавок.

Одна из этих зон в увеличенном масштабе представлена на фиг. 4. Профиль канавки кольца 10 выполнен в данном случае круговым. Параметры сечения канавки (высота, ширина, радиус R) при заданной толщине б стенки цилиндра губки 3 обеспечивают формирование под губкой карманов В. Зазор между валом и губкой в кармане плавно изменяется по его ширине а. Следует отметить, что, во-первых, эта ширина всегда немного меньше ширины в канавки, что обусловлено в первую очередь конечной радиальной жесткостью цилиндра эластичной губки, а во-вторых, по причине все той же жесткости, но при любых значениях б и в карманы В формируются.

Соответствие параметров нормального сечения канавки обжимного кольца конкретного уплотнения требованию сохранения в областях их расположения зон с радиальным зазором между губкой и валом, т.е. формированию карманов В, устанавливается экспериментальным путем, а точнее специальными измерениями. Для этого, например, на внутреннюю поверхность губки наносят краску, например лазурь, ступенчатую втулку надевают на вал. Так как при снятом обжимном кольце диаметр губки больше диаметра вала, т.е. между ними имеется радиальный зазор, то краска в этот момент не переносится с губки на вал. Затем на губку устанавливают обжимное кольцо. Оно деформирует губку и прижимает ее к валу. В местах их плотного прилегания краска переносится с губки на вал, а в местах, где формируются карманы, переноса краски нет. Далее обжимное кольцо снимают с губки, а вал удаляют из ступенчатой втулки. Производят осмотр места взаимодействия вала с губкой. О наличии карманов в существовавшем до этого момента сопряжении губки с валом, а также о размерах этих карманов судят по наличию и размерам зон, в которых краска с губки не перенеслась на вал. Отметим, что вместо вала в этих измерениях можно использовать и гладкую технологическую оправку, являющуюся копией шейки вала, с которым будет работать уплотнение. Кроме того, рассмотренные измерения могут быть выполнены и другими известными методами оценки площадей контакта твердых тел, например оптическим.

Картина в отношении формирования зон с радиальным зазором между губкой и валом, аналогичная приведенной на фиг. 3, будет наблюдаться и при рассмотрении уплотнения со стороны полости А. Однако ответственными за эти зоны будут канавки обжимного кольца, расположенные не I, а во II ряду, а соответствующие карманы будут сообщаться не с полостью для герметизируемой жидкости, а с полостью А.

В расположении карманов В в направлении трения вала по губке также имеется специфика. Она иллюстрируется фиг. 5, на которой представлены совмещенные развертки контактных зон двух различных сопряжений: губка - обжимное кольцо и губка - вал.

Развертка, относящаяся к первому сопряжению, показана сплошной линией, а ко второму - пунктирной, при этом она заштрихована. Кроме того, на рисунке стрелкой показано направление скорости v скольжения вала на губке и приведены некоторые геометрические параметры элементов сопряжения: H - ширина губки, H₁ - ширина обжимного кольца, H₂ - ширина зоны контакта губки с валом, t - шаг канавок в рядах, L₁ и L₂ - длина канавок в I и II рядах соответственно, l₁ и l₂ - осевая протяженность карманов В под канавками соответствующих рядов, C - расстояние между рядами карманов В.

Из чертежа видно, что L₁>l₁ и L₂>l₂, что связано с упомянутой ранее конечной жесткостью цилиндра губки, карманы В под смежными рядами канавок не перекрываются в направлении скорости скольжения v, а точнее здесь соблюдено условие C≥0. Площадь трения S_в для вала, если его диаметр d, определяется выражением S_в= πdH₂ , а площадь трения S_г губки, равная площади контакта ее с валом, меньше площади S_в на суммарную величину площадей карманов В. Кроме того, можно отметить, что канавки в I ряду смещены относительно канавок II ряда в направлении скорости скольжения v на величину t/2. Далее, зона контакта с валом имеет зигзагообразную форму. Ширина дорожки, формирующей зигзагообразный контакт по всей ее длине, приблизительно постоянна, что обеспечивает и близкое к равномерному распределение контактных давлений по поверхности взаимодействия губки с валом.

В связи с тем что при посадке обжимного кольца на губку ее материал может достаточно легко вытесняться в канавки, натяг в соединении кольца с губкой практически целиком переходит на сопряжение губка-вал. От этого натяга и от величины площади трения (S_г) губки зависят и контактные напряжения в паре губка - вал, а от них и фрикционных характеристик материала губки (коэффициент трения) в свою очередь зависят удельные силы трения в этой паре.

Величина натяга в сопряжении кольца с губкой, ее площадь трения и материал выбраны в рассматриваемом уплотнении из условия соблюдения неравенств τ < 0,5[τ] и Q<0,5[Q], где τ и [τ] - фактическая и предельная для усталостного вида изнашивания материала губки удельная сила трения в паре губка - вал соответственно; Q и [Q] - фактическая и предельно допустимая протечки герметизируемой жидкости по вращающемуся валу соответственно.

Соответствие конкретного уплотнения данному требованию также устанавливается экспериментальным путем, а точнее специальными измерениями на стенде, например предназначенном для приемки готовой продукции (уплотнений) на производстве. На этом стенде измеряют фактическую герметизирующую способность Q и фактическую удельную силу трения τ в уплотнении. Измерения выполняют при номинальных режимах работы уплотнения, характеризующихся соответствующими параметрами герметизируемой жидкости (тип жидкости, ее давление и температура), скорость вращения вала, параметрами окружающей среды и охлаждающей жидкости.

Можно отметить, что упомянутый стенд целесообразно использовать и для оценки соответствия конкретного уплотнения требованию отсутствия протечки через него герметизируемой жидкости при невращающемся вале.

Предельные величины для удельной силы трения [τ] и герметизирующей способности [Q] берут из справочной литературы по триботехнике и нормативных документов для уплотнений [3, 4]. В случае отсутствия справочных данных они должны быть получены опытным путем. В частности, для определения величины [τ] проводят лабораторные испытания на трение и износ образцов, выполненных из материалов пары трения губка - вал уплотнения, при полусухом их трении с использованием в качестве смазочного материала соответствующей герметизируемой жидкости. В процессе испытаний регистрируют силы трения и оценивают вид изнашивания образца из материала губки, например анализируя частицы износа и шероховатость трущейся поверхности этого образца. При небольших нормальных нагрузках на испытуемые образцы изнашивание протекает по усталостному механизму. Скорость износа образца из материала губки при этом невелика, частицы износа однородны и мелки, а поверхность трения остается гладкой. С ростом нагрузки усталостный износ переходит в более жесткий. Для резин он трансформируется в "износ в скатку", при этом резко возрастает интенсивность износа образца, частицы износа становятся неоднородными и их средний размер также возрастает, а поверхность трения существенно загрубляется. Величина удельной силы трения в испытаниях, соответствующая моменту изменения механизма изнашивания, и принимается в качестве величины [τ] .

Работает уплотнение следующим образом.

Полость Б заполняется герметизируемой жидкостью под рабочим давлением и температурой (фиг.1). Она проникает и под губку 3 в местах, где имеется зазор между ней и валом 1. Поскольку кольцо 10 своим торцем плотно связано с чулком 4, герметизируемая жидкость не может сдеформировать губку в тех ее областях, где под канавками кольца имеются сообщающиеся с полостью А зоны с радиальным зазором между губкой и валом. В полость А подают, в частности, самотеком, охлаждающуюся жидкость, например воду. Она подается через одно из отверстий 7 фланца 6. После омывания стенок кольцевой полости А охлаждающая жидкость вытекает из нее через другое отверстие 7 фланца 6 в сборник (на чертеже не показан), где она очищается, а затем вновь подается в полость А. Направление тока охлаждающей жидкости показано на чертеже стрелками.

При прохождении через полость А охлаждающая жидкость также проникает и под губку 3 в сообщающиеся с этой полостью зоны, где в свою очередь имеется зазор между губкой и валом. Герметизируемая и охлаждающая жидкости при этом остаются разъединенными, так как заполненные ими зоны, т.е. карманы В, разобщены поверхностью неподвижного контакта губки с валом (заштрихованной зоной на фиг. 3).

При вращении вала герметизируемая и охлаждающая жидкости увлекаются в зону непосредственного соприкосновения губки с валом (в заштрихованную зону на фиг. 3). Здесь эти жидкости выполняют уже роль смазочно-охлаждающей жидкостей.

Так как герметизируемая жидкость находится под большим давлением, чем охлаждающая, то проникновение первой из них в зону трения облегчено по сравнению с той же возможностью для второй. Кроме того, движение этих жидкостей, показанное на фиг. 5 стрелками W₁ и W₂ соответственно, происходит не в чисто окружном к валу направлении, а с некоторым смещением в осевом к валу направлении, в результате чего герметизируемая жидкость постепенно просачивается из полости высокого давления в полость с низким давлением, смазывая при этом, когда C≠0, и узкую кольцевую поверхность контакта, расположенную между соседними рядами карманов В. При C = 0, что в уплотнениях по прототипу принципиально невозможно, а в рассматриваемом уплотнении будет наблюдаться при некотором перекрытии в направлении трения I и II канавок обжимного кольца, не будет риска возникновения в уплотнении режима работы, близкого к сухому трению, которое может наступить в уплотнении по прототипу, например при сбросе давления герметизируемой жидкости при вращающемся вале. В зависимости от количества жидкости, проникающей в зону трения, меняется не только величина протечки герметизируемой жидкости, но и удельная сила трения в паре губка - вал.

На протечку и удельную силу трения в общем случае оказывают влияние многие факторы, например давление и температура герметизируемой и охлаждающей жидкостей, натяг в сопряжении губки с обжимным кольцом, материалы губки и кольца, площадь и конфигурация площади трения губки, шероховатость взаимодействующих поверхностей и пр. Влияние относительной площади трения губки (S_г/S_в) на относительную протечку (Q/[Q] ) и относительную удельную силу трения (τ/[τ]) при прочих постоянных параметрах уплотнений, а прежде всего при постоянных размерах уплотнений, материалах губки и охлаждающей жидкости, натяге в паре губка - кольцо, иллюстрируется графиками, приведенными на фиг. 6.

Кривые 1 и 2 показывают, что от уплотнения к уплотнению с увеличением коэффициента K_вз =S_г/S_в протечки в них уменьшаются, а удельные силы трения растут. Естественно, что когда фактическая протечка (Q) или удельная сила трения (τ) имеет запредельное значение, т.е. Q>[Q] и τ > [τ] , то такое уплотнение не является работоспособным. Результаты оценки герметичности и удельной силы трения этих уплотнений располагаются в заштрихованной области чертежа.

Кривая 3 иллюстрирует эксплуатационные расходы для тех же уплотнений, связанные с их использованием на производстве. Кривая 3 имеет минимум, который совпадает с абсциссой точки пересечения 1 и 2. Объясняется это тем, что уплотнительные устройства оборудования с большим, чем в точке пересечения кривых 1 и 2, коэффициентом K_вз требуют более частых ремонтов, обусловленных повышенной скоростью изнашивания губки. Уплотнительные устройства с меньшим, чем в точке пересечения кривых 1 и 2, коэффициентом K_вз имеют несколько более высокую долговечность, но протечки через них увеличены, что приводит к росту эксплуатационных расходов, но по иной причине, а именно по причине повышенных потерь дефицитной герметизируемой жидкости и необходимости более интенсивной и тщательной очистки охлаждающей и окружающей сред от загрязнений этой жидкостью.

Кривые 1 и 2 получены, как это отмечалось выше, при измерениях герметизирующей способности, т.е. в кратковременных испытаниях. На фиг. 7 приведены результаты оценки величин τ и Q для тех же уплотнений, но при ресурсных их испытаниях. Кривые, представленные сплошными линиями, характеризуют изменения во время наработки на ресурс протечки Q, а пунктирными - удельной силы трения τ.

Из графиков видно, что изначально неработоспособные по критерию τ уплотнения, которые при кратковременных испытаниях на герметичность имели наименьшие протечки Q, при наработке на ресурс очень быстро выходят из строя. При наработке на ресурс из-за "износа в скатку" их губка практически сразу изнашивается катастрофически, происходят необратимые загрубления рабочей поверхности губки, в результате чего протечки через уплотнения резко возрастают и выходят за рамки допустимых, а удельные силы трения в связи с этим резко падают. Изначально неработоспособные по критерию 0 уплотнения, которые при кратковременных испытаниях на герметичность имели низкие показатели по величине τ , при наработке на ресурс своих исходных характеристик практически не меняются, т.е. они остаются и далее неработоспособными по параметру Q. Наибольшую долговечность в данных испытаниях показали уплотнения с коэффициентом K_вз, близким к абсциссе точки пересечения кривых 1 и 2.

Выполненные по прототипу уплотнения также подвергались аналогичным испытаниям на герметичность и ресурс. Было установлено, что эти уплотнения в сравнении с уплотнениями предложенной конструкции имеют меньший ресурс, так как для них точке пересечения соответствующих кривых 1 и 2 отвечают большие значения начальных величин τ/[τ] и Q/[Q].

Подобные результаты были получены и при сравнительных испытаниях уплотнений с другими герметизируемыми жидкостями, в частности с водой и индустриальным маслом, чьи смазочные свойства полярны. Экспериментальным путем установлено, что эксплуатационные расходы во всех случаях остаются в них при прочих равных параметрах натяг в паре губка - обжимное кольцо, площадь трения губки и ее материал выбраны из условия соблюдения неравенства τ < 0,5[τ] и Q < 0,5[Q]. Эксплуатационные расходы минимальны, если при этом имеет место тождество τ/[τ] = Q/[Q], что очевидно, поскольку в данном случае это уплотнения, отвечающие точке пересечения кривых 1 и 2.

Из-за близости коэффициентов линейного расширения материалов ступенчатой втулки 2 и обжимного кольца 10 (фиг. 1) при изменении температуры герметизируемой жидкости параметры уплотнения, в частности контактные напряжения в зоне непосредственного соприкосновения губки с валом, не меняются, что, как и для прототипа, позволяет предложенному уплотнению работать при повышенной температуре герметизируемой жидкости.

Плавающие кольца 5 и фланец 6 при работе уплотнения, с одной стороны, препятствуют выдавливанию герметизируемой жидкостью материала губки в полость А низкого давления, а с другой - обеспечивает беспрепятственное отслеживание губкой (без смятия ее) радиальных биений вала 1. Крайнее левое кольцо 5 в данном случае выполняет роль самоустанавливающегося осевого упора для губки. Вместо колец 5 в этом осевом ограничителе хода губки может быть использована и цилиндрическая пружина, что также предусмотрено в уплотнении по прототипу. Благодаря этому упору предложенное уплотнение надежно работает при повышенных давлениях герметизируемой жидкости.

Канавки 11 в любом из рядов I и II обжимного элемента 10 выполнены одинаковыми (фиг. 2). При этом из-за разных давлений герметизируемой и охлаждающей жидкости первая более легко проникает в зону трения губки, чем вторая. Для выравнивания этих возможностей и повышения эффективности охлаждения губки канавки ряда целесообразно выполнять более широкими с наклонной набегающей кромкой. На фиг. 8 представлен фрагмент развертки внутренней поверхности обжимного кольца с такими канавками. При указанном стрелкой направлении скорости v скольжения вала по губке набегающими являются кромки Е. Условия для затекания охлаждающей жидкости в зону трения губки при этом улучшаются, так как охлаждающая жидкость затягивается внутрь губки ее наклонной набегающей кромкой. Однако изготовление таких канавок на внутренних поверхностях колец затруднено.

Упростить изготовление канавок, в том числе и сложной конфигурации, а следовательно, облегчить изготовление уплотнения в целом позволяет сборная конструкция кольца. На фиг. 9 представлен общий вид обжимного кольца, составленного из вкладыша 12 со сквозными торцевыми прорезями 13 и бандажа 14. Канавки такого обжимного кольца получаются выполненными в виде закрытых внутренней поверхностью бандажа прорезей вкладыша. При массовом производстве уплотнений вкладыша целесообразно выполнять из перфорированной ленты. В этом случае он представляет собой разрезную втулку, полученную сверткой отрезка перфорированной ленты в кольцо требуемого диаметра. Обрезку ленты для кольца необходимо выполнять по перфорированным окнам из II ряда, что обеспечивает исключение воздействия герметизируемой жидкости через зазор "е" между сведенными концами отрезка (на чертеже показаны пунктирными линиями) на губку, где под ней формируются карманы для охлаждающей жидкости.

Таким образом, благодаря тому, что в уплотнении манжетного типа для герметизации вращающегося вала, содержащем охватывающую герметизируемый вал с зазором эластичную ступенчатую втулку, меньший цилиндр которой выполнен в виде губки, а больший из цилиндров выполнен в виде чулка с буртиком для крепления втулки, охватывающее губку с натягом обжимное кольцо переменного сечения для деформирования губки в радиальном направлении с формированием между ней и валом замкнутой по периферии вала зоны непосредственного их соприкосновения с контактными напряжениями, выбранными из условия исключения протечки герметизируемой жидкости по невращающемуся валу, с одновременным образованием между губкой и валом кармана, открытого со стороны не связанного с чулком торца губки, и осевой упор для губки, установленный внутри чулка с возможностью одновременного с губкой радиального перемещения относительно буртика, при этом обжимное кольцо герметично связано с чулком своим торцем, на обращенной к губке поверхности обжимного кольца выполнены равномерно расположенные по окружности в два ряда канавки, канавки соседних рядов имеют выход на противоположные торцы кольца, а параметры профиля нормального сечения канавок выбраны из условия сохранения под ними зон с радиальным зазором между губкой и валом, при этом осевое смещение рядов выбрано из условия исключения взаимного перекрытия в направлении трения губки по валу расположенных под канавками соседних рядов зон с радиальным зазором, а величина натяга в сопряжении кольца с губкой, ее площадь трения и материала выбраны из условия соблюдения неравенства τ < 0,5[τ] и Q<0,5[Q], где τ и [τ] - фактическая и предельная для усталостного вида изнашивания материала губки удельные силы трения вы подвижном сопряжении губки с валом соответственно: Q и [Q] - фактическая и предельно допустимая протечки герметизируемой жидкости по вращающемуся валу соответственно, уменьшаются эксплуатационные расходы путем повышения износостойкости губки при герметизации находящейся под повышенными давлением и температурой загрязняющей окружающую среду жидкости.

Эксплуатационные расходы становятся минимальными, если величина натяга в сопряжении кольца с губкой, ее площадь трения и материал выбраны из условия соблюдения тождества τ/[τ] = Q/[Q]. Опытно-промышленными испытаниями установлено, что эксплуатационные расходы уменьшаются на 30 - 50% при использовании уплотнений конструкции взамен уплотнений, выполненных по прототипу.

Формула изобретения

1. Уплотнение манжетного типа для герметизации вращающегося вала, содержащее охватывающую герметизируемый вал с зазором эластичную ступенчатую втулку, меньший цилиндр которой выполнен в виде губки, а больший из цилиндров выполнен в виде чулка с буртиком для крепления втулки, охватывающее губку с натягом обжимное кольцо переменного сечения для деформирования губки в радиальном направлении с формированием между ней и валом замкнутой по периферии вала зоны непосредственного их соприкосновения с контактными напряжениями, выбранными из условия исключения протечки герметизируемой жидкости по невращающемуся валу, с одновременным образованием между губкой и валом кармана, открытого со стороны не связанного с чулком торца губки, и осевой упор для губки, установленный внутри чулка с возможностью одновременного с губкой радиального перемещения относительно буртика, при этом обдимное кольцо герметично связано с чулком своим торцем, отличающееся тем, что на обращенной к губке поверхности обжимного кольца выполнены равномерно расположенные по окружности в два ряда канавки, канавки соседних рядов имеют выход на противоположные торцы кольца, а параметры нормального сечения канавок, например их ширина и глубина, выбраны из условия сохранения под любой из них зоны с радиальным зазором между губкой и валом, при этом осевое смещение рядов выбрано из условия исключения взаимного перекрытия в направлении трения губки по валу расположенных под канавками соседних рядов зон с радиальным зазором.

2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что обжимное кольцо выполнено в виде вкладыша с охватывающим его бандажом, при этом канавки выполнены в виде закрытых внутренней поверхностью бандажа прорезей вкладыша.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9