Торцеве ущільнення вала

Винахід стосується галузі гідромашинобудування, а саме одинарних торцевих ущільнень обертових валів, і може бути застосований для ущільнення обертових валів заглибних електродвигунів, призначених для приводу насосів для відкачування рідини із свердловин, колодязів і т.д. Відоме торцеве ущільнення вала, що містить нерухоме ущільнююче кільце тертя, установлене у корпусі, пружно установлене на валу обертове ущільнююче кільце тертя та розташований на валу опорнонатискний вузол, виконаний у вигляді ведучого і веденого елементів та розміщеної між ними осьової пружини з нешліфованими крайніми витками з напрямком навивки, протилежним напрямку обертання вала, причому поверхні ведучого і веденого елементів, повернуті до осьової пружини, виконані у вигляді прямого гелікоїда з кроком, що відповідає кроку навивки крайніх витків, і спряжені з останніми. Ведучий елемент являє собою кільцевий упорний елемент, зафіксований на валу шти фтом. Ведений елемент передає момент обертання обертовому ущільнюючому кільцю тертя крізь еластомірний кільцевий ущільнюючий елемент, виконаний у вигляді манжети. [Патент Російської Федерації №2098705, кл. F16J15/34, опубл. 10.12.1997]. Недоліком відомого торцевого ущільнення вала є прокручування пружини відносно обертового вала, яке спричиняє провертання поверхні вала відносно поверхні манжети, що призводить до втрати герметичності та передчасного виходу з ладу торцевого ущільнення. Крім того, через велику площину поверхні контакту манжети з навколишнім середовищем, що містить абразивні частки, строк служби манжети малий. Ці фактори не дозволяють забезпечити потрібну надійність торцевого ущільнення вала. Крім того, кріплення кільцевого упорного елемента до вала за допомогою штифта ускладнює монтаж торцевого ущільнення вала на посадочне місце, наприклад, у заглибному електродвигуні. Відоме торцеве ущільнення вала переважно заглибного електродвигуна, що містить установлене у корпусі нерухоме ущільнююче кільце тертя, пружно установлене на валу обертове ущільнююче кільце тертя, ущільнюючий елемент у вигляді сильфона, підтиснутий одним кінцем крізь обтискну шайбу до обертового ущільнюючого кільця тертя, а другим кінцем за допомогою опорної втулки із заплечиком - до вала, і циліндричну гвинтову пружину стиснення, яка взаємодіє одним кінцем із заплечиком, а другим - з обтискною шайбою. В обертовому ущільнюючому кільці тертя виконана ступінчата кільцева розточка. На тому кінці ущільнюючого елемента, який контактує з обертовим ущільнюючим кільцем тертя, виконаний зовнішній кільцевий бурт, розміщений в ступінчатій кільцевій розточці та підтиснутий до обертового ущільнюючого кільця тертя крізь обтискну шайбу, також установлену в ступінчатій кільцевій розточці та закріплену розпірним кільцем. Упорний елемент виконаний у вигляді шайби, зафіксованої на валу стопорним кільцем. [Патент України на корисну модель №1260, кл. F16J15/34, опубл. 17.06.2002]. Ме ханічна міцність кріплення сильфона забезпечується його натягом, який в процесі експлуатації зникає через старіння еластоміра сильфона, і опорною втулкою з підтиснутим пружиною заплечиком, установленою на тій частині сильфона, яка прилягає до вала, впритул до сильфона та шайби, зафіксованої стопорним кільцем. Крім того, з часом надійність роботи сильфона знижується через велику поверхню його контакту з навколишнім середовищем, яке містить абразивні частки. Ці фактори, а також складна геометрична конфігурація сильфона обумовлюють низьку надійність відомого торцевого ущільнення вала при довгочасній експлуатації. Відоме також торцеве ущільнення вала переважно заглибного електродвигуна, що містить установлене у корпусі нерухоме ущільнююче кільце тертя, пружно установлене на валу обертове ущільнююче кільце тертя, еластомірний кільцевий ущільнюючий елемент у вигляді сильфона, підтиснутий циліндричною гвинтовою пружиною стиснення одним кінцем до обертового ущільнюючого кільця тертя, а другим кінцем до вала обтискною втулкою із заплечиком, виконаною з частин, з'єднаних між собою з можливістю осьового переміщення. Внутрішня поверхня тієї частини обтискної втулки, яка підтискує сильфон до вала, і зовнішня поверхня сильфона, яка контактує з нею, виконані у вигляді зрізаних конусів, більшою основою направлених від ущільнюючих кілець тертя. Упорний елемент виконаний у вигляді шайби і зафіксований на валу стопорним кільцем. Циліндрична гвинтова пружина стиснення розташована навкруги обтискної втулки. На внутрішній циліндричній поверхні тієї частини обтискної втулки, яка підтискує сильфон до обертового ущільнюючого кільця тертя, по твірній виконані циліндричні упори, з можливістю установлення у відповідних радіусних пазах, які є на контактуючій з нею зовнішній поверхні другої частини обтискної втулки. На конічній поверхні частини обтискної втулки, що контактує з сильфоном, виконані насічки, рівномірно розташовані по твірній конічної поверхні. [Патент України №50856, кл. F16J15/34, опубл. 15.11.2002]. Відоме торцеве ущільнення вала частково усуває недоліки попереднього аналога. Підтиснута пружиною складена обтискна втулка вищеописаного конструктивного виконання забезпечує надійніше зчеплення сильфона з валом і обертовим ущільнюючим кільцем тертя, ніж у попередньому аналогу. Однак застосування сильфона, через властиві сильфону недоліки, не дозволяє забезпечити високу надійність роботи торцевого ущільнення протягом тривалого строка експлуатації за умов впливу абразивомісткого навколишнього середовища та високих температур. Найближчим аналогом технічного рішення, що заявляється, є торцеве ущільнення вала переважно заглибного електродвигуна, що містить нерухоме ущільнююче кільце тертя, установлене в корпусі, пружно установлене на валу обертове ущільнююче кільце тертя з кільцевою розточкою, в якій розміщений еластомірний кільцевий ущільнюючий елемент круглого перерізу, кільцевий упорний елемент, зафіксований на валу стопорним кільцем, і циліндричну гвинтову пружину стиснення, розташовану між упорним елементом і обертовим ущільнюючим кільцем тертя. Обертове ущільнююче кільце тертя і пружина установлені в обоймі. Упорний елемент виконаний у вигляді кільця трикутного перерізу і з'єднаний з обертовим ущільнюючим кільцем тертя за допомогою фіксаторного еластомірного кільця круглого перерізу та обойми. Під дією пружини відігнутий кінець обойми щільно притиснутий до упорного елемента крізь фіксаторне еластомірне кільце, утворюючи постійний натяг, що виключає змінення зчеплення з валом з часом. Еластомірний кільцевий ущільнюючий елемент круглого перерізу, установлений в кільцевій розточці обертового ущільнюючого кільця тертя, підтиснутий пружиною за допомогою шайби з кільцевим виступом, який заходить у кільцеву розточку. Стінка кільцевої розточки виконана зі скосом з боку шайби. [Авт св-во СРСР №1551920, кл. F16J15/34, опубл. 23.03.1990]. Недоліком відомого торцевого ущільнення вала є недостатньо надійне кріплення обойми до вала, через яке обойма разом з обертовим ущільнюючим кільцем тертя обертається з меншою швидкістю, ніж швидкість обертання вала. Це призводить до виходу з ладу ущільнюючого елемента, установленого в кільцевій розточці обертового ущільнюючого кільця тертя, і кінець кінцем до виходу з ладу торцевого ущільнення вала. Крім того, може виникати проковзування шайби з кільцевим виступом відносно ущільнюючого елемента, установленого в кільцевій розточці обертового ущільнюючого кільця тертя, що спричиняє додатковий нагрів та ви хід з ладу торцевого ущільнення вала. В основу винаходу поставлена задача створення такої конструкції торцевого ущільнення вала, в якій нова форма виконання і нове взаємне розташування упорного елемента та обертового ущільнюючого кільця тертя, нова форма виконання елементів зв'язку упорного елемента з валом і обертовим ущільнюючим кільцем тертя та нове розташування пружини відносно елементів торцевого ущільнення вала забезпечують можливість підвищення надійності торцевого ущільнення вала без збільшення його поперечних габаритних розмірів за рахунок підвищення надійності зчеплення елементів торцевого ущільнення вала під час його експлуатації та запобігання механічному пошкодженню ущільнюючого елемента під час його установлення в кільцевій розточці обертового ущільнюючого кільця тертя. Поставлена задача вирішується тим, що в торцевому ущільненні вала, яке містить нерухоме ущільнююче кільце тертя, установлене у корпусі, пружно установлене на валу обертове ущільнююче кільце тертя з кільцевою розточкою, в якій розміщений еластомірний кільцевий ущільнюючий елемент круглого перерізу, кільцевий упорний елемент, зафіксований на валу стопорним кільцем, і циліндричну гвинтову пружину стиснення, розташовану між кільцевим упорним елементом і обертовим ущільнюючим кільцем тертя, згідно з винаходом, кільцевий упорний елемент виконаний у вигляді фасонної упорної втулки із заплечиками, закріпленої до вала принаймні одним кріпильним гвинтом, розташованим похило до вала, і такої, що вона містить циліндричну частину, розташовану в кільцевій розточці обертового ущільнюючого кільця тертя, спорядженого заплечиками. Циліндрична частина упорної втулки за допомогою радіально установленого в ній принаймні одного штифта рухомо з'єднана з обертовим ущільнюючим кільцем тертя. Циліндрична гвинтова пружина стиснення розташована навкруги обертового ущільнюючого кільця тертя між його заплечиками і заплечиками упорної втулки. Кільцева розточка обертового ущільнюючого кільця тертя на ділянці його з'єднання з штифтом виконана ширшою, ніж на решті її осьової довжини, з повільним переходом від широкої частини кільцевої розточки до її вузької частини. Кінець циліндричної частини упорної втулки розташований у вузькій частині кільцевої розточки впритул до її бічної стінки. До того ж, згідно з винаходом, у кільцевій розточці обертового ущільнюючого кільця тертя з двох боків кільцевого еластомірного ущільнюючого елемента круглого перерізу впритул до бічної поверхні вала і бічної стінки кільцевої розточки установлені захисні шайби. Виконання кільцевого упорного елемента у вигляді фасонної упорної втулки із заплечиками, закріпленої до вала принаймні одним кріпильним гвинтом, розташованим похило до вала, забезпечує підвищення надійності зчеплення упорного елемента з валом по-перше, за рахунок збільшення осьової сили підтиснення упорного елемента до стопорного кільця під дією циліндричної гвинтової пружини стиснення, по-друге, за рахунок збільшення радіального сили притиснення упорного елемента до вала та, по-третє, за рахунок розміщення циліндричної частини упорного елемента в кільцевій розточці обертового ущільнюючого кільця тертя так, що кінець циліндричної частини розміщений у вузькій частині кільцевої розточки впритул до її бічної стінки. Безпосереднє з'єднання упорного елемента з обертовим ущільнюючим кільцем тертя за допомогою принаймні одного штифта, радіально установленого в циліндричній частині упорного елемента, розташованій в кільцевій розточці обертового ущільнюючого кільця тертя, запобігає прокручуванню пружини та обертового ущільнюючого кільця тертя відносно упорного елемента. Підвищенню надійності зчеплення сприяє розміщення кінця циліндричної частини упорного елемента у вузькій частині кільцевої розточки впритул до її бічної стінки та охоплення штифта витками циліндричної гвинтової пружини стиснення, розташованої між заплечиками упорного елемента та обертового ущільнюючого кільця тертя з охопленням обертового ущільнюючого кільця тертя. Таким чином, забезпечується надійне передавання моменту обертання від вала до обертового ущільнюючого кільця тертя. Швидкості їх обертання однакові. Оскільки еластомірний кільцевий ущільнюючий елемент круглого перерізу установлений із стисненням по діаметру поперечного перерізу в кільцевій розточці обертового ущільнюючого кільця тертя впритул до цього кільця тертя і до вала, цей ущільнюючий елемент не прокручується відносно вала та обертового ущільнюючого кільця тертя, що запобігає зносу ущільнюючого елемента. Ме ханічне пошкодження ущільнюючого елемента під час його установлення в торцевому ущільненні вала відвернуте завдяки виконанню кільцевої розточки обертового ущільнюючого кільця тертя на ділянці його з'єднання із штифтом ширшою, ніж на решті її осьової довжини, з повільним переходом від широкої частини кільцевої розточки до її вузької частини. Таке виконання кільцевої розточки запобігає зрізанню частини ущільнюючого елемента під час його установлення в кільцевій розточці із стисненням по діаметру поперечного перерізу. Установлення захисних шайб у кільцевій розточці обертового ущільнюючого кільця тертя з двох боків кільцевого еластомірного ущільнюючого елемента круглого перерізу впритул до бічної поверхні вала та бічної стінки кільцевої розточки запобігає механічному пошкодженню ущільнюючого елемента у моменти його стикання з кінцем циліндричної частини упорного елемента та основою кільцевої розточки під час осьового переміщення ущільнюючого елемента у вузькій частині кільцевої розточки. Таким чином, забезпечується довгочасне надійне ущільнення між обертовим ущільнюючим кільцем тертя та валом без збільшення поперечних габаритних розмірів торцевого ущільнення вала. Суть винаходу пояснюється кресленням, де зображене торцеве ущільнення вала в поздовжньому розрізі. Торцеве ущільнення вала 1 містить нерухоме ущільнююче кільце тертя 2, установлене в корпусі 3, пружно установлене на валу 1 обертове ущільнююче кільце тертя 4, кільцевий упорний елемент, виконаний у ви гляді фасонної упорної втулки 5, і циліндричну гвинтову пружину стиснення 6. З'єднання нерухомого кільця тертя 2 з корпусом 3 герметизоване еластомірним кільцевим ущільнюючим елементом 7 круглого перерізу, переважно гумовим кільцем. Обертове кільце тертя 4 виконане з кільцевою розточкою 8, в якій розміщений еластомірний кільцевий ущільнюючий елемент 9 круглого перерізу, переважно гумове кільце. Упорна втулка 5 зафіксована на валу 1 стопорним кільцем 10. Пружина 6 розташована між упорною втулкою 5 і обертовим кільцем тертя 4. Упорна втулка 5 споряджена заплечиками 11 і закріплена до вала 1 одним кріпильним гвинтом 12, розташованим похило до вала 1. У прикладі здійснення винаходу, що пояснюється кресленням, кріпильний гвинт 12 розташований під кутом 45° до осі вала 1, що є переважним варіантом. Однак, залежно від умов монтажу торцевого ущільнення вала 1, кріпильний гвинт 12 може бути установлений і під іншим кутом до вала 1, переважно під кутом 30...60°, як установлено експериментальним шляхом. Кріплення до вала 1 упорної втулки 5 може бути здійснене також двома або більшою кількістю кріпильних гвинтів 12, залежно від конкретного застосування. Упорна втулка 5 містить циліндричну частину 13, розташовану в кільцевій розточці 8 обертового кільця тертя 4. Циліндрична частина 13 упорної втулки 5 за допомогою радіально установленого в ній одного штифта 14 рухомо з'єднана з обертовим кільцем тертя 4. Штифт 14 розміщений у відповіднім йому пазу 15 обертового кільця тертя 4 із зазором, який забезпечує можливість осьового переміщення обертового кільця тертя 4. Можливе виконання торцевого ущільнення вала з декількома шти фтами 14 і відповідними їм пазами 15,залежно від конкретного застосування. Пружина 6 розташована навкруги обертового кільця тертя 4 між його заплечиками 16 і заплечиками 11 упорної втулки 5. Кільцева розточка 8 на ділянці з'єднання обертового кільця тертя 4 із штифтом 14 виконана ширшою, ніж на решті її осьової довжини, з повільним переходом від широкої частини кільцевої розточки 8 до її вузької частини, як видно з креслення. Кінець 17 циліндричної частини 13 упорної втулки 5 розташований у вузькій частині кільцевої розточки 8 впритул до її бічної стінки 18. У кільцевій розточці 8 з двох боків ущільнюючого елемента 9 впритул до бічної поверхні вала 1 і бічної стінки кільцевої розточки 8 установлені захисні шайби 19. Зазор між циліндричною частиною 13 упорної втулки 5 і розташованою напроти неї захисною шайбою 19 забезпечує можливість осьового переміщення обертового кільця тертя 4. Після того як проведений монтаж торцевого ущільнення вала 1 у виробі, наприклад у заглибному електродвигуні, провадиться затягання кріпильних гвинтів 12 до упору в вал 1 з натягом. Торцеве ущільнення вала працює таким чином. Крутний момент від вала 1 крізь упорну втулку 5 і штифт 14 передається на обертове кільце тертя 4, яке зусиллям пружини 6 підтискується до нерухомого кільця тертя 2. Герметизація з'єднання кільця тертя 2 з корпусом 3 забезпечується еластомірним ущільнюючим елементом 7. Ущільнення по валу 1 забезпечується еластомірним ущільнюючим елементом 9. Упирання пружини 6 у заплечики 11, 16 та її розташування навкруги обертового кільця тертя 4 забезпечують постійне притиснення одне до одного кілець тертя 2, 4, які утворюють пару тертя, що запобігає витоку рідини крізь мікрозазор між контактними поверхнями цих кілець тертя. Штифт 14 охоплений витками пружини 6, що запобігає зниженню надійності фіксації цього штифта в циліндричній частині 13 упорної втулки 5 з часом та його випаданню. Під час експлуатації торцевого ущільнення вала виключена можливість провертання пружини 6 та обертового кільця тертя 4 відносно упорної втулки 5 завдяки безпосередньому з'єднанню кільця тертя 4 з упорною втулкою 5 шти фтом 14, розміщеним у пазу 15 кільця тертя 4. Зберіганню надійного зчеплення упорної втулки 5 з кільцем тертя 4 сприяє розміщення кільця 17 циліндричної частини 13 упорної втулки 5 у вузькій частині кільцевої розточки 8 впритул до її бічної стінки. Таким чином, кільце тертя 4 обертається, разом з пружиною 6, з такою же швидкістю, як і упорна втулка 5. Упорна втулка 5 обертається з тією же швидкістю, що і вал 1, за рахунок надійного зчеплення її з цим валом, яке зберігається протягом тривалого періода експлуатації. Це досягається завдяки підтисненню упорної втулки 5 пружиною 6 до стопорного кільця 10, а також завдяки жорстокому закріпленню упорної втулки 5 до вала 1 кріпильним гвинтом 12 і розміщенню циліндричної частини 13 упорної втулки 5 в кільцевій розточці 8 кільця тертя 4 так, що кінець 17 циліндричної частини 13 розміщений у вузький частині кільцевої розточки 8 впритул до її бічної стінки. Розташування кріпильного гвинта 12 похило до вала 1 сприяє надійному зчепленню упорної втулки 5 з валом 1 крізь стопорне кільце 10 за рахунок дії осьового зусилля, яке збільшує силу натиснення пружини 6 на упорну втулку 5, тобто силу підтиснення цієї упорної втулки до стопорного кільця 10, в порівнянні з розташуванням кріпильного гвинта 12 перпендикулярно до вала 1. Крім того, пропонована установка гвинта 12 забезпечує створення радіальної сили притиснення упорної втулки 5 до вала 1. Ущільнюючий елемент 9, установлений між кільцем тертя 4 і валом 1 з діаметральним натягом у вузькій частині кільцевої розточки 8, обертається із швидкістю, що дорівнює швидкості обертання вала 1 і кільця тертя 4, тобто не прокручується, що запобігає його зносу та виходу з ладу торцевого ущільнення вала. Зрізання частини ущільнюючого елемента 9 під час його установлення в кільцевій розточці 8 запобігається тим, що під час уведення ущільнюючого елемента 9 в кільцеву розточку 8 в процесі монтажу торцевого ущільнення вала цей ущільнюючий елемент спочатку уводиться в широку частин у кільцевої розточки 8, поперечний розмір якої більший за діаметр поперечного перерізу ущільнюючого елемента 9, а потім крізь частину кільцевої розточки 8, яка сходиться на конус, уводиться у вузьку частину цієї розточки. За рахунок наявності зазора між кінцем 17 циліндричної частини 13 упорної втулки 5 і ущільнюючим елементом 9 і зазора між широкою частиною упорної втулки 5 і основою паза 15 кільця тертя 4 ущільнюючий елемент 9 може переміщатися разом з кільцем тертя 4 уздовж осі вала 1. Механічному пошкодженню ущільнюючого елемента 9 під час його осьового переміщення у вузькій частині кільцевої розточки 8 запобігають захисні шайби 19. Отже, у цій конструкції торцевого ущільнення вала забезпечується надійне ущільнення між обертовим кільцем тертя 4 і валом 1. При цьому поперечні габаритні розміри торцевого ущільнення вала зберігаються малими, що є необхідним для забезпечення можливості його застосування для ущільнення обертових валів заглибних електродвигунів, призначених для добування рідини, наприклад нафти, із вузьких свердловин.