Dispositif presse-étoupe La présente invention a pour objet un dispositif presse-étoupe pour arbre rotatif.
De tels dispositifs presse-étoupe présentent habi tuellement une butée annulaire fixe située sur l'arbre, qui fournit une surface d'étanchéité contre laquelle un manchon d'étanchéité est sollicité élastiquement pour être poussé axialement de façon à venir en prise par friction avec ladite surface d'étanchéité. Cette poussée élastique détruit fréquemment l'alignement correct des faces d'étanchéité et, aux températures élevées, le ressort subit un recuit et ne peut plus agir.
Le dispositif presse-étoupe pour arbre rotatif, objet de la présente invention, est caractérisé par une première bague entourant l'arbre empêché de tourner et présentant une face d'étanchéité annulaire plane en contact avec une face d'étanchéité annulaire plane d'une deuxième bague montée sur l'arbre et tournant avec lui, l'une des bagues étant reliée à sa partie cor respondante par un dispositif lui permettant un mou vement axial et un mouvement oscillant par rapport à ladite partie afin que les faces d'étanchéité des deux bagues puissent s'appliquer correctement l'une contre l'autre,
l'une des bagues comprenant une matière aimantée attirant une matière magnétique de l'autre de façon à maintenir lesdites faces d'étan chéité en contact.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution du dispositif presse- étoupe faisant l'objet de l'invention, et des variantes.
La fig. 1 est une coupe longitudinale d'une pre mière forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue de face d'une des bagues de cette forme d'exécution. Les fig. 3 à 5 sont des coupes analogues repré sentant différents stades de la fabrication de cette bague.
La fig. 6 est une coupe analogue à celle de la fig. 1, représentant une variante du dispositif de la fig. 1.
La fig. 7 est une coupe suivant la ligne 7-7 de la fig. 6.
La fig. 8 est une coupe d'une deuxième forme d'exécution.
La fig. 9 est une coupe montrant une variante du dispositif de la fig. 8.
La fig. 10 est une vue fragmentaire en plan de la liaison à clavette destinée à empêcher la rotation des pièces de la fig. 8.
La fig. 11 est une vue fragmentaire en bout de la liaison à clavette de la fig. 9.
La fig. 12 est une coupe d'une troisième forme d'exécution.
La fig. 13 est une coupe d'une quatrième forme d'exécution.
La fig. 14 est une vue d'une variante du dispo sitif de la fig. 13.
A la fig. 1, 10 désigne de façon générale un boî tier comportant une paroi 11 munie d'un orifice cir culaire 12 présentant une partie d'alésage de plus grand diamètre 13 et un épaulement annulaire interne 14. Un arbre 15, monté pour tourner, fait saillie à travers l'alésage 13 et s'étend concentrique ment à ce dernier. Un palier (non représenté) peut être fixé à la paroi pour supporter la partie adjacente de l'arbre.
Le boitier 10 contient un fluide sous pres sion (à gauche de la paroi 11).
Une bague 17 est maintenue fixe dans la partie d'alésage 13 et présente une lèvre annulaire 19 pré sentant une surface d'étanchéité plane entourant l'ar bre 15. L'alésage 20 de la bague 17 est suffisamment plus grand que l'arbre pour laisser un jeu entre la bague et l'arbre.
Une bague 18 est montée sur l'arbre pour tour ner avec lui et présente une face d'étanchéité annu laire plane 21 en contact avec la face présentée par la lèvre 19.. L'alésage 22 de la bague 18 est légère ment plus grand que l'arbre et permet un mouvement axial de la bague 18. L'alésage 22 est élargi à l'ex trémité 23 de la bague et forme un évidement annu laire 24 de plus grand diamètre et un épaulement 25.
Un anneau élastique mou 26, de forme torique, est disposé à l'intérieur de l'évidement 24 et vient en prise de façon étanche au fluide avec l'arbre 15, la paroi de l'alésage 24, et l'épaulement 25. Ainsi, l'an neau 26 empêche l'échappement de fluide entre l'ar bre et la paroi de l'alésage 22 et fournit également un dispositif d'accouplement destiné à fixer la bague 18 à l'arbre 15 en vue de tourner avec ce dernier, ainsi que pour permettre un mouvement axial en direction de la surface d'étanchéité et un mouvement oscillant de la bague en vue d'un alignement des faces d'étanchéité.
Un anneau fendu 27 empêche l'anneau torique de se déplacer dans l'alésage 24 après le montage de la bague sur l'arbre 15.
La pression de fluide agissant sur la bague tend à la déplacer en direction de la bague 17, grâce au fait que la face d'étanchéité à l'extrémité 21 de la bague 18 a une surface moindre que la surface effec tive soumise à la pression du fluide.
La bague 17 est faite d'un acier à faible teneur en carbone, par exemple un- acier 10-10, qui peut être un acier laminé à froid. Seules la lèvre 19 et la paroi de l'alésage 20 sont trempées. Ceci nécessite une cémentation préalable des surfaces à tremper. A cette fin, la bague en question pourrait être fabriquée comme suit: une ébauche 29 (voir fig. 3) est usinée à un diamètre tel qu'elle présente la profondeur à laquelle la surface de l'ébauche doit être cémentée, comme indiqué par les traits interrompus 30. A titre d'exemple, si la profondeur de cémentation est de 0,8 mm, le diamètre de l'ébauche doit alors avoir une longueur de 0,8 mm de plus que la dimension ter minée requise.
L'épaisseur ou la largeur de l'ébauche est également de plus grande dimension pour englo ber la profondeur de cémentation, comme indiqué par les traits interrompus 31. L'alésage 20 est réalisé à une dimension juste suffisamment moindre pour permettre un polissage,- par exemple par un meulage léger, en vue d'amener l'alésage à la dimension re quise après la trempe.
L'alésage 20 est fraisé en 32 au diamètre de la lèvre terminée 19, et jusqu'à une profondeur 33 égale à la profondeur de la cémenta tion de la surface adjacente. Ainsi, si la lèvre doit faire saillie sur une distance sensiblement égale à la profondeur à laquelle les surfaces adjacentes doivent être cémentées, puis la profondeur de la fraisure est alors réalisée d'une profondeur égale à ladite cémen tation. L'ébauche 29 usinée comme décrit ci-dessus est soumise à une cémentation.
Après cette cémenta tion de l'ébauche, toutes les surfaces exposées de cette dernière sont pourvues d'un dépôt de carbone jusqu'à la profondeur requise. L'ébauche est ensuite usinée (voir fig. 4) à la dimension correcte. Cette opération d'usinage supplémentaire élimine la tota lité de la matière de carbone sur les surfaces 35. L'élimination de la matière de ces surfaces, au voisi nage de la périphérie externe de la fraisure 32, forme la lèvre 19 présentant une surface cémentée 36. L'alésage 20 présente également une surface cémen tée 37 jusqu'à une profondeur 34.
L'ébauche peut maintenant être soumise à un procédé de trempe d'une façon connue, qui assure une trempe superficielle des surfaces cémentées 36 et 37 seulement. Les surfaces restantes de l'ébauche ne sont sensiblement pas affec tées par la trempe et restent à l'état relativement mou. L'ébauche est ensuite davantage usinée de façon à obtenir une série d'évidements 38 également espacés dans chacun desquels est reçu à friction un manchon 39 fait d'une matière conductrice non magnétique, par exemple en plomb ou en laiton.
Les évidements 38 peuvent être réalisés dans l'ébauche avant la trempe, si ceci est plus commode pour la fabrication. Un cylindre, tampon ou bouton 40, en matière susceptible d'être aimantée, telle que l'Alnico, est disposé dans chaque évidement 38 contre la paroi inférieure 41 de l'évidement et la paroi du manchon 39.
L'Alnico@, suivant le Général Electric Company Catalogue, Carboly Division , qui comporte une reproduction du manuel de construction d'aimants permanents, publié en 1949, présente les, pourcenta- ges suivants, en poids : aluminium 6-12 % ; nickel 14-25 % ;
cobalt 12,5-35 /o ; cuivre 0-6'i/0, le reste étant du fer. Le tampon est fixé en place en le pres sant à force à l'intérieur du manchon 39. La lèvre 19 est ensuite soumise à une opération de polissage de façon à obtenir une surface d'étanchéité précise. De façon analogue, l'alésage 20 peut être amené à un diamètre final.
De ce qui précède, il ressort que la bague 17 est pourvue d'une lèvre d'étanchéité qui comporte une surface trempée polie de façon à obte nir une plus longue période d'utilisation, et que la partie restante de la bague 17 est à l'état non trempé et est d'une nature plus sensible à la conductivité magnétique.
Les tampons 40 sont aimantés de façon perma nente après avoiï été introduits en place dans l'évi dement 38. Cette aimantation est établie dans les tampons 40 en Alnico avec la ligne de flux magné tique dirigée longitudinalement aux tampons 40, c'est-à-dire parallèle à l'axe de l'alésage de la bague 17, le pôle nord étant à la face d'extrémité exposée des tampons, et le pôle sud à la face interne des tampons. Le circuit de flux est fermé autour du man chon conducteur non magnétique 39 comme indiqué de façon générale par les traits interrompus 42.
La bague 18 est également confectionnée en un acier non trempé à faible teneur en carbone fraisé sur la surface d'étanchéité 21 pour former un évide ment annulaire dans lequel une bague en carbone 43 est fixée en position, par exemple, en la pressant à force à l'intérieur de l'évidement. La bague 43 est faite de façon à affleurer la surface adjacente de la bague 18 et son diamètre est tel qu'elle vient en prise de façon étanche avec la lèvre 19. Ainsi, on obtient sur chaque bague une surface d'étanchéité trempée portée par un corps en acier relativement doux.
Les surfaces trempées résistent parfaitement à l'usure et les corps plus mous fournissent une meilleure conduc tivité de force magnétique que lorsque les bagues sont faites en acier trempé.
L'attraction magnétique entre les bagues 17 et 18 sert à maintenir un contact entre elles lorsque la pression du fluide à l'intérieur du boîtier cesse.
Le boîtier 10 peut être fait de toute matière appropriée, et lorsqu'il est fait d'une matière non ferromagnétique, par exemple en aluminium, la bague 17 peut être introduite et maintenue en con tact avec les parois de la partie 13 de l'alésage. Tou tefois, au cas où le boîtier est fait d'une matière ferromagnétique, on dispose un manchon ou analo gue 44, fait d'une matière non ferromagnétique, entre les parois de la partie d'alésage 13 et l'épaulement 14 de façon à isoler magnétiquement la bague 17 du boîtier 10 de manière à combiner les lignes efficaces de flux magnétique dans les surfaces, comme décrit ci-dessus.
Les tampons en Alnico 40 sont décrits comme étant magnétiquement isolés à leur périphérie par un manchon conducteur non magnétique 39. On peut substituer au manchon 39 un revêtement ou analogue en une matière non. ferromagnétique dis posé sur les tampons 40 pour obtenir un isolement ou écran non magnétique entre les tampons 40 et le corps de la bague. Il est évident qu'on limite les for ces magnétiques de façon à empêcher leur dissipa tion dans les structures adjacentes et à préserver ainsi la vie de l'aimant.
Dans la variante de la fig. 6, 10' désigne de façon générale un boîtier présentant une paroi d'extrémité 1 l' à travers laquelle fait saillie un arbre rotatif 15'. L'arbre est tourillonné dans un palier antifriction 50, dont le chemin de roulement externe est maintenu fixe dans l'alésage 12' de la paroi d'extrémité 11', et dont le .chemin de roulement interne est fixé à l'ar bre. La partie interne de l'alésage 12' est ramenée à un plus petit diamètre en 51. Une bague d'étanchéité 17' présentant une face d'étanchéité 19' est disposée dans la partie d'alésage 51 et est maintenue fixe con tre les parois de ce dernier.
L'alésage 20' de la bague 17' présente un diamètre plus, grand que l'arbre 15' de façon. à laisser un jeu entre eux, comme repré senté. La bague 17' est faite d'une matière telle que l'Alnico@, susceptible d'être aimantée de façon perma nente. Cette aimantation est établie dans, la bague 17' avec la ligne de flux magnétique dirigée axiale- ment par rapport à la bague, c'est-à-dire parallèle ment à l'axe de l'alésage 20' de la bague, le pôle nord se trouvant à l'extrémité de la surface d'étan chéité de la bague et le pôle sud à l'autre extrémité de la bague.
Le circuit de flux est fermé par un man chon non ferromagnétique 52 disposé entre la bague 17' et l'alésage 51. La surface d'un tel aimant est très dure. La bague 18' est analogue à la bague 18, excepté que la pièce rapportée annulaire en carbone 43 présente une lèvre 43' faisant saillie à partir de cette dernière pour venir en prise avec la surface dure de l'aimant.
Dans certains cas, il règne des températures éle vées, susceptibles de provoquer le recuit du ressort ou de vulcaniser ou rendre inefficace une matière élastique molle telle que représentée ici et indiquée en tant que bague torique. Dans de tels cas., on a recours à un joint entièrement métallique tel qu'un joint à soufflet ou à bague de piston, et l'on prévoit un dispositif pour empêcher une rotation relative d'un tel joint.
En se référant aux fig. 8 à 11, 110 désigne un arbre non magnétique qui s'étend à partir d'un boî tier 111 et tourne par rapport à celui-ci. On désire que l'arbre soit étanche par rapport au boîtier de façon à empêcher une fuite d'un fluide, tel que de l'huile, qui peut se trouver dans la chambre 112 à l'intérieur du boîtier et qui peut être soumis à une certaine pression.
Un aimant 114 présentant des surfaces polies 115 et 116 est monté sur l'arbre 110 au moyen de manchons non magnétiques 117 et 118 qui sont polis à leurs extrémités 119 et 120. Il est nécessaire de fabriquer un élément qui doit présenter une surface polie séparée de l'arbre qui le porte et de le monter sur l'arbre au moyen de manchons.
On prévoit une butée appropriée contre laquelle le manchon 117 vient en prise pour empêcher un mouvement vers la gauche des figures, on place ensuite l'anneau magné tique 114 sur l'arbre, puis on place le second man chon 118 sur l'arbre, et l'on serre un écrou 121 sur des filets 122 contre l'extrémité du manchon 118, en le poussant vers la gauche et fixant fermement l'an neau poli 114 en position entre les extrémités polies des manchons<B>117</B> et 118 qui viennent en prise avec les surfaces polies 115 et<B>116</B> de l'anneau magnéti que 114. Un contre-écrou 123 sert à maintenir l'écrou serré 121 en position.
La face<B>115</B> de l'an neau magnétique 114 sert à présenter une face d'étanchéité qui tourne avec l'arbre 110, bien qu'elle soit empêchée de se mouvoir axialement le long de l'arbre.
Un rebord 124 est fixé dans un évidement 125 du boîtier 111, en relation d'étanchéité avec le boî tier, au moyen de vis à tête 126, une garniture métal lique 127 étant disposée sous le rebord et le fond de l'évidement. Ce rebord est étagé pour fournir une partie plus épaisse, ou moyeu 128 sur lequel est monté un manchon 129 qui s'adapte étroitement à l'intérieur de l'ouverture 130 formée dans le boîtier et est empêché de tourner entre le boîtier et le rebord à cet emplacement.
L'élément étanche<B>131</B> associé est représenté sous forme d'un anneau dans lequel est disposée une bague trempée 132. Cette bague trempée fait saillie au-delà de la face 133 de l'élément porteur 131, en carbone par exemple. Sa surface 134 présente la sur face d'étanchéité. de l'élément 131 à la surface d'étan chéité<B>115</B> de l'anneau magnétique 114. L'élément porteur<B>131</B> est en une matière qui est attirée par l'aimant 114 de telle sorte que les surfaces 115 et 134 viennent en prise.
Le manchon<B>131</B> est muni d'évidements 135, et des saillies 136 formées sur le manchon 129 s'étendent dans ces évidements (voir fig. 10) de façon à empêcher une rotation relative de l'élément 131 et du manchon 129. Un soufflet 137 est soudé à l'extrémité en saillie 138 de l'élé ment d'étanchéité 131 et est également soudé à une extrémité en saillie 139 du rebord 124 qui forme un joint étanche entre le rebord et l'élément d'étanchéité 131, tout en permettant un mouvement axial relatif de l'élément<B>131</B> et du rebord.
Dans certains cas, le manchon 140 (fig. 9) est bloqué dans un évidement 141 formé dans le boîtier 111 et vient buter contre un épaulement 142, tandis qu'on forme un joint étanche 140' au moyen d'une bague torique métallique de construction connue. Le verrouillage s'effectue par des évidements radiaux 143 formés dans les éléments d'étanchéité 131 et des saillies 144 formées sur le manchon. La bague tori- que 140' remplace la garniture métallique 127 de la fig. 8.
L'arbre 110 et les manchons 117 et 118 sont en une matière non magnétique, par exemple en acier inoxydable connu dans le commerce comme alliage de la série 300.
En fonctionnement avec un fluide sous pression dans la chambre 112, il se produit une pression de fluide sur la face 133, à l'extérieur de la face 134 de la pièce rapportée, agissant dans un sens de façon à écarter l'élément 131 de sa prise d'étanchéité, tandis qu'il existe une pression de ce même fluide sur la face 145, extérieurement au prolongement 138 à par tir de l'élément 131 le long duquel le soufflet est rendu étanche, tendant à refouler l'élément<B>131</B> dans un sens permettant aux faces d'étanchéité de venir en prise,
et attendu que la surface de contact de cette dernière est supérieure à celle de la première, la pression tend à aider l'aimant à maintenir les faces en prise d'étanchéité. Le degré de pression peut être calculé en tant que pression entre la surface formée par le rayon A et la surface formée par le rayon B. Cette surface est réglée de façon que la pression dési rée puisse être obtenue sur la base de la pression connue régnant- dans la chambre 112.
Ainsi, la sur face qui est ménagée entre ces deux rayons, multi- pliée par la pression exercée, constitue la pression qui s'exerce dans un sens pour aider la force magné tique tendant à déplacer les faces d'étanchéité afin de les amener en prise les unes avec les autres.
La fig. 12 représente une variante où sont em ployés des segments de piston au lieu d'un soufflet. L'arbre étagé 150 est muni d'un élément d'étanchéité consistant en un anneau magnétique 151. L'autre côté du joint d'étanchéité comprend un manchon 152 dans lequel est disposée une bague 153 en car bone présentant une lèvre d'étanchéité 154 destinée à venir en prise avec la face 155 de l'élément magné tique 151. Le manchon 152 présente un diamètre plus petit que celui du boîtier 156 dans lequel il est fixé, et il est d'une dimension plus grande que le diamètre de l'arbre 150 qu'il entoure.
Il est évidé en 157 entre ses extrémités, et dans cet évidement on dispose une série de segments de piston 158 qui ser vent à empêcher le liquide de se déplacer le long de la surface externe de l'élément 152 et entre cet élé ment et son bo?tier 156. Ces segments de piston sont en métal et résistent à la chaleur.
Les segments de piston permettent un certain mouvement axial de l'élément 152 en direction de la surface d'étanchéité 155 de l'aimant et permettent un certain mouvement oscillant du manchon 152 et de la bague 153, de sorte que la surface d'étanchéité de la bague 153 montée dans cet élément est mieux alignée sur la face d'étanchéité de l'aimant. Cet élément est empêché de tourner p'ar rapport à son boîtier 156.
En se référant aux fig. 13 et 14 du dessin, 210 désigne un boîtier à travers lequel s'étend un arbre 211 qui est étagé à partir du plus grand diamètre 212 jusqu'à un diamètre intermédiaire 213 et un plus petit diamètre 214, en fournissant des épaulements entre ces différents diamètres.
Un boîtier de cartouche 216 de forme cylindrique s'adapte étroitement dans l'alésage 217 du boîtier 210, une ailette radiale 218 venant en prise avec un épaulement 219 de ce, boîtier. Ce boîtier de car touche contient toutes les pièces du présent joint étanche, qui sont préalablement montées en un ensemble pour être introduites dans le boîtier et sur la partie 213 de l'arbre.
Une enveloppe tubulaire 220 est située à l'inté rieur du boîtier de cartouche 216 et fait saillie axia- lement au-delà des extrémités du boîtier 216. Sa dimension est telle, le long de sa surface interne 221, qu'elle s'adapte étroitement sur la partie 213 de l'arbre 211, et elle est rendue étanche à l'encontre du mouvement de la pression de fluide le long de cet arbre par une bague torique élastique 222 située dans un évidement 223 s'étendant radialement vers l'extérieur à partir de la surface interne 221 de cette enveloppe.
Cette dernière est également munie d'un épaulement radial 224, s'étendant vers l'extérieur et de façon sensiblement axiale. Un rebord 225 de l'ex trémité du boîtier de cartouche s'étend vers l'intérieur au-delà de cet épaulement de façon à l'empêcher d'être déplacé vers la gauche hors du boîtier de car touche. Un aimant de forme annulaire 226 est fixé au boîtier de cartouche au moyen d'un évidement 227 formé dans sa surface externe et une bague torique élastique 228 est située dans cet évidement et en con tact étroit avec la surface interne du boîtier de car touche. Ceci ferme hermétiquement l'aimant par rap port au boîtier à l'encontre du passage de fluide entre la cartouche et le boîtier.
Une bague fendue 229 vient en prise avec la surface de droite de l'aimant, en observant la fig. 13, pour empêcher un mouve ment axial de l'aimant dans ce sens. La bague tori- que permet également un léger mouvement axial de l'aimant, ainsi qu'un léger pivotement, de sorte qu'une surface d'étanchéité annulaire 230 de ce der nier peut s'aligner correctement d'elle-même pour fournir le joint étanche désiré. Il existe un léger jeu entre l'aimant et l'enveloppe qu'il entoure, permet tant ce mouvement oscillant.
Un manchon 231 entoure l'enveloppe 220 et est espacé de cette dernière en vue d'osciller, et il est situé, comme l'aimant, entre le boîtier de cartouche et l'enveloppe et est susceptible de coulisser axiale- ment dans cette position. Ce manchon s'étend le long de l'épaulement 224 sur une distance importante, où il est évidé en 232 pour recevoir la bague torique 233 qui permet un certain, mouvement axial mais empêche le passage de fluide sous pression le long de la surface de l'épaulement entre lui et la surface interne du manchon 231.
La bague torique 233 est maintenue en position par une bague fendue 234 venant en prise avec un évidement formé dans le manchon 231. L'autre extrémité de ce manchon est munie d'une face d'étanchéité 235 qui, dans ce cas, est fournie par une bague en carbone rapportée 236 présentant une face polie 235. Le montage de la bague torique du manchon permet également un léger réglage de pivotement, de sorte que les faces d'étanchéité 230 et 235 peuvent s'aligner correcte ment pour fournir un bon joint étanche entre elles.
Le diamètre externe de cette face d'étanchéité est désigné en A sur la fig. 13 et est presque égal au diamètre B de l'épaulement, de sorte que le manchon est sensiblement équilibré par rapport à la pression de fluide existant en 237 autour du boîtier de car touche le sollicitant axialement. Toutefois, le dia mètre A est plus petit que le diamètre B, de sorte que la pression de fluide a tendance à écarter le manchon de la prise d'étanchéité entre. les faces ou vers la gauche en observant la fig. 13.
La puissance de l'aimant 226 agissant sur le manchon 231 est telle qu'elle surmonte cette légère pression telle qu'elle existe sous une pression normale engendrée dans le boîtier, mais lorsqu'il existe certaines conditions de pression anormale en raison d'un surchauffage, cette augmentation de pression est alors telle que la pres sion refoule le manchon vers la gauche, en séparant les faces d'étanchéité et en permettant au fluide de s'échapper avant que la pression ne s'élève jusqu'à un point où elle brise l'une ou l'autre des parties du dispositif.
La bague fendue 234 maintenant en place la bague torique 233, peut être remplacée par un rebord 240, comme représenté à la fig. 14.
Un boîtier de cartouche magnétique, et l'aimant 226 peuvent être montés dans un chapeau non magnétique 241, une bague torique 242 étant dispo sée entre ce chapeau non magnétique 241 et le boî tier 216. Ceci permet encore à l'aimant 226' et au chapeau 241 d'osciller en tant qu'ensemble en vue de l'alignement de la face d'étanchéité.
Stuffing box device The present invention relates to a stuffing box device for a rotary shaft.
Such stuffing-box devices usually have a fixed annular stopper located on the shaft, which provides a sealing surface against which a sealing sleeve is resiliently biased to be pushed axially so as to frictionally engage said packing. sealing surface. This elastic thrust frequently destroys the correct alignment of the sealing faces and, at high temperatures, the spring is annealed and can no longer act.
The gland device for a rotary shaft, object of the present invention, is characterized by a first ring surrounding the shaft prevented from rotating and having a planar annular sealing face in contact with a planar annular sealing face of a second ring mounted on the shaft and rotating with it, one of the rings being connected to its corresponding part by a device allowing it an axial movement and an oscillating movement with respect to said part so that the sealing faces of the two rings can be applied correctly against each other,
one of the rings comprising a magnetized material attracting a magnetic material from the other so as to keep said sealing faces in contact.
The appended drawing shows, by way of example, some embodiments of the gland device forming the subject of the invention, and variants.
Fig. 1 is a longitudinal section of a first embodiment.
Fig. 2 is a front view of one of the rings of this embodiment. Figs. 3 to 5 are similar sections representing different stages in the manufacture of this ring.
Fig. 6 is a section similar to that of FIG. 1, showing a variant of the device of FIG. 1.
Fig. 7 is a section taken along line 7-7 of FIG. 6.
Fig. 8 is a section of a second embodiment.
Fig. 9 is a section showing a variant of the device of FIG. 8.
Fig. 10 is a fragmentary plan view of the key connection for preventing rotation of the parts of FIG. 8.
Fig. 11 is a fragmentary end view of the key connection of FIG. 9.
Fig. 12 is a section of a third embodiment.
Fig. 13 is a section of a fourth embodiment.
Fig. 14 is a view of a variant of the device of FIG. 13.
In fig. 1, 10 generally designates a housing comprising a wall 11 provided with a circular orifice 12 having a bore portion of larger diameter 13 and an internal annular shoulder 14. A shaft 15, mounted to rotate, protrudes. through bore 13 and extends concentrically thereto. A bearing (not shown) may be attached to the wall to support the adjacent portion of the shaft.
The box 10 contains a pressurized fluid (to the left of the wall 11).
A ring 17 is held stationary in the bore portion 13 and has an annular lip 19 having a flat sealing surface surrounding the shaft 15. The bore 20 of the ring 17 is sufficiently larger than the shaft. to leave a gap between the ring and the shaft.
A ring 18 is mounted on the shaft to turn with it and has a flat annular sealing face 21 in contact with the face presented by the lip 19. The bore 22 of the ring 18 is slightly larger. than the shaft and allows axial movement of the ring 18. The bore 22 is widened at the end 23 of the ring and forms an annular recess 24 of larger diameter and a shoulder 25.
A soft, toric-shaped elastic ring 26 is disposed within recess 24 and fluidly engages shaft 15, wall of bore 24, and shoulder 25. Thus, the ring 26 prevents the escape of fluid between the shaft and the wall of the bore 22 and also provides a coupling device for securing the ring 18 to the shaft 15 for rotation. the latter, as well as to allow axial movement towards the sealing surface and an oscillating movement of the ring for alignment of the sealing faces.
A split ring 27 prevents the O-ring from moving in the bore 24 after mounting the ring on the shaft 15.
The fluid pressure acting on the ring tends to move it in the direction of the ring 17, thanks to the fact that the sealing face at the end 21 of the ring 18 has a smaller surface than the effective surface subjected to the pressure. fluid.
The ring 17 is made of a low carbon steel, for example 10-10 steel, which may be cold rolled steel. Only the lip 19 and the wall of the bore 20 are hardened. This requires prior cementation of the surfaces to be quenched. To this end, the ring in question could be manufactured as follows: a blank 29 (see fig. 3) is machined to a diameter such that it has the depth to which the surface of the blank is to be case-hardened, as indicated by dashed lines 30. By way of example, if the carburizing depth is 0.8 mm, then the diameter of the blank should be 0.8 mm longer than the finished dimension required.
The thickness or width of the blank is also of greater dimension to encompass the depth of case hardening, as indicated by the dotted lines 31. The bore 20 is made to a dimension just sufficiently smaller to allow polishing, - for example by light grinding, in order to bring the bore to the required dimension after quenching.
The bore 20 is milled at 32 to the diameter of the completed lip 19, and to a depth 33 equal to the depth of the cementation of the adjacent surface. Thus, if the lip is to protrude over a distance substantially equal to the depth to which the adjacent surfaces are to be case-hardened, then the depth of the countersink is then made from a depth equal to said cementation. The blank 29 machined as described above is subjected to case hardening.
After this cementation of the blank, all exposed surfaces of the latter are provided with a deposit of carbon to the required depth. The blank is then machined (see fig. 4) to the correct dimension. This additional machining operation removes all of the carbon material on the surfaces 35. The removal of material from these surfaces, near the outer periphery of the countersink 32, forms the lip 19 having a hardened surface. 36. The bore 20 also has a cemented surface 37 to a depth 34.
The blank can now be subjected to a hardening process in a known manner which provides surface hardening of the hardened surfaces 36 and 37 only. The remaining surfaces of the blank are substantially unaffected by quenching and remain in a relatively soft state. The blank is then further machined so as to obtain a series of equally spaced recesses 38 in each of which is frictionally received a sleeve 39 made of a non-magnetic conductive material, for example lead or brass.
The recesses 38 can be made in the blank before quenching, if this is more convenient for manufacture. A cylinder, buffer or button 40, made of material capable of being magnetized, such as Alnico, is arranged in each recess 38 against the lower wall 41 of the recess and the wall of the sleeve 39.
The Alnico®, according to the General Electric Company Catalog, Carboly Division, which includes a reproduction of the manual for the construction of permanent magnets, published in 1949, shows the following percentages by weight: aluminum 6-12%; nickel 14-25%;
cobalt 12.5-35 / o; copper 0-6'i / 0, the remainder being iron. The pad is fixed in place by pressing it with force inside the sleeve 39. The lip 19 is then subjected to a polishing operation so as to obtain a precise sealing surface. Likewise, bore 20 can be made to a final diameter.
From the above, it appears that the ring 17 is provided with a sealing lip which has a polished hardened surface so as to obtain a longer period of use, and that the remaining part of the ring 17 is the unhardened state and is of a more sensitive nature to magnetic conductivity.
The buffers 40 are permanently magnetized after having been introduced in place in the recess 38. This magnetization is established in the Alnico buffers 40 with the line of magnetic flux directed longitudinally to the buffers 40, that is to say say parallel to the axis of the bore of the ring 17, the north pole being at the exposed end face of the buffers, and the south pole at the internal face of the buffers. The flux circuit is closed around the non-magnetic conductive sleeve 39 as generally indicated by the dotted lines 42.
The ring 18 is also made of an unhardened low carbon steel milled onto the sealing surface 21 to form an annular recess in which a carbon ring 43 is secured in position, for example, by force pressing it. inside the recess. The ring 43 is made so as to be flush with the adjacent surface of the ring 18 and its diameter is such that it engages in a sealed manner with the lip 19. Thus, a hardened sealing surface carried by the ring is obtained on each ring. a relatively soft steel body.
The hardened surfaces are very resistant to wear and the softer bodies provide better conductivity of magnetic force than when the bushings are made of hardened steel.
The magnetic attraction between the rings 17 and 18 serves to maintain contact between them when the pressure of the fluid inside the housing ceases.
The housing 10 can be made of any suitable material, and when it is made of a non-ferromagnetic material, for example aluminum, the ring 17 can be introduced and kept in contact with the walls of the part 13 of the housing. bore. However, in the event that the housing is made of a ferromagnetic material, a sleeve or the like 44, made of a non-ferromagnetic material, is disposed between the walls of the bore portion 13 and the shoulder 14 so magnetically isolating the ring 17 from the housing 10 so as to combine the effective lines of magnetic flux in the surfaces, as described above.
Alnico pads 40 are described as being magnetically insulated at their periphery by a non-magnetic conductive sleeve 39. The sleeve 39 may be substituted by a coating or the like of a non-magnetic material. ferromagnetic placed on the buffers 40 to obtain an insulation or non-magnetic screen between the buffers 40 and the body of the ring. It is obvious that the strengths of these magnets are limited so as to prevent their dissipation into adjacent structures and thus preserve the life of the magnet.
In the variant of FIG. 6, 10 ′ generally denotes a housing having an end wall 11 ′ through which protrudes a rotary shaft 15 ′. The shaft is journalled in an antifriction bearing 50, the outer race of which is held stationary in the bore 12 'of the end wall 11', and the internal race of which is fixed to the shaft. . The internal part of the bore 12 'is reduced to a smaller diameter at 51. A sealing ring 17' having a sealing face 19 'is disposed in the bore part 51 and is kept fixed against the walls of the latter.
The bore 20 'of the ring 17' has a larger diameter than the shaft 15 'so. to leave a play between them, as represented. The ring 17 'is made of a material such as Alnico®, capable of being magnetized permanently. This magnetization is established in the ring 17 'with the line of magnetic flux directed axially with respect to the ring, that is to say parallel to the axis of the bore 20' of the ring, the north pole at the end of the sealing surface of the ring and the south pole at the other end of the ring.
The flux circuit is closed by a non-ferromagnetic sleeve 52 placed between the ring 17 'and the bore 51. The surface of such a magnet is very hard. Ring 18 'is similar to ring 18 except that the annular carbon insert 43 has a lip 43' projecting therefrom to engage the hard surface of the magnet.
In some instances, elevated temperatures prevail which may cause annealing of the spring or vulcanize or render ineffective a soft elastic material as shown herein and referred to as an O-ring. In such cases, an all-metal seal such as a bellows or piston ring seal is used, and a device is provided to prevent relative rotation of such a seal.
Referring to Figs. 8 to 11, 110 denote a non-magnetic shaft which extends from and rotates from a housing 111. It is desired that the shaft be sealed with respect to the housing so as to prevent leakage of a fluid, such as oil, which may be in the chamber 112 inside the housing and which may be subjected to. some pressure.
A magnet 114 having polished surfaces 115 and 116 is mounted on the shaft 110 by means of non-magnetic sleeves 117 and 118 which are polished at their ends 119 and 120. It is necessary to fabricate a member which should have a separate polished surface. of the shaft which carries it and to mount it on the shaft by means of sleeves.
A suitable stop is provided against which the sleeve 117 engages to prevent movement to the left of the figures, the magnetic ring 114 is then placed on the shaft, then the second sleeve 118 is placed on the shaft, and a nut 121 is tightened on threads 122 against the end of the sleeve 118, pushing it to the left and firmly securing the polished ring 114 in position between the polished ends of the sleeves <B> 117 </ B > and 118 which engage the polished surfaces 115 and <B> 116 </B> of the magnet ring 114. A lock nut 123 serves to hold the tight nut 121 in position.
The face <B> 115 </B> of the magnetic ring 114 serves to present a sealing face which rotates with the shaft 110, although it is prevented from moving axially along the shaft.
A rim 124 is fixed in a recess 125 of the housing 111, in sealing relationship with the housing, by means of head screws 126, a metal gasket 127 being disposed under the rim and the bottom of the recess. This rim is stepped to provide a thicker portion, or hub 128 on which is mounted a sleeve 129 which fits tightly within the opening 130 formed in the housing and is prevented from rotating between the housing and the rim. at this location.
The associated waterproof element <B> 131 </B> is shown in the form of a ring in which is disposed a hardened ring 132. This hardened ring projects beyond the face 133 of the carrier element 131, in carbon for example. Its surface 134 presents the sealing surface. of element 131 to the sealing surface <B> 115 </B> of the magnetic ring 114. The carrier element <B> 131 </B> is of a material which is attracted by the magnet 114 such that surfaces 115 and 134 engage.
Sleeve <B> 131 </B> is provided with recesses 135, and protrusions 136 formed on sleeve 129 extend into these recesses (see Fig. 10) so as to prevent relative rotation of member 131. and sleeve 129. A bellows 137 is welded to the protruding end 138 of the sealing member 131 and is also welded to a protruding end 139 of the flange 124 which forms a tight seal between the flange and the flange. sealing element 131, while allowing relative axial movement of the element <B> 131 </B> and the flange.
In some cases, the sleeve 140 (FIG. 9) is blocked in a recess 141 formed in the housing 111 and abuts against a shoulder 142, while a tight seal 140 'is formed by means of a metal O-ring of known construction. The locking is effected by radial recesses 143 formed in the sealing elements 131 and projections 144 formed on the sleeve. The O-ring 140 'replaces the metal gasket 127 in fig. 8.
The shaft 110 and the sleeves 117 and 118 are of a non-magnetic material, for example stainless steel known commercially as the 300 series alloy.
When operating with pressurized fluid in chamber 112, fluid pressure occurs on face 133, outside of face 134 of the insert, acting in one direction so as to move element 131 away from the insert. its sealing socket, while there is a pressure of this same fluid on the face 145, outside the extension 138 by shooting the element 131 along which the bellows is sealed, tending to push the element < B> 131 </B> in a direction allowing the sealing faces to engage,
and since the contact surface of the latter is greater than that of the former, the pressure tends to help the magnet to maintain the faces in sealing engagement. The degree of pressure can be calculated as the pressure between the surface formed by radius A and the surface formed by radius B. This surface is adjusted so that the desired pressure can be obtained on the basis of the known pressure prevailing. - in room 112.
Thus, the surface which is formed between these two radii, multiplied by the pressure exerted, constitutes the pressure which is exerted in one direction to help the magnetic force tending to move the sealing faces in order to bring them into contact with each other. taken with each other.
Fig. 12 shows a variant in which piston rings are employed instead of a bellows. The stepped shaft 150 is provided with a sealing element consisting of a magnetic ring 151. The other side of the seal comprises a sleeve 152 in which is disposed a carbon ring 153 having a sealing lip. 154 intended to engage with the face 155 of the magnetic element 151. The sleeve 152 has a diameter smaller than that of the housing 156 in which it is fixed, and it is of a dimension greater than the diameter of the tree 150 that it surrounds.
It is recessed at 157 between its ends, and in this recess there is a series of piston rings 158 which serve to prevent the liquid from moving along the outer surface of the element 152 and between this element and its element. housing 156. These piston rings are made of metal and are heat resistant.
The piston rings allow some axial movement of the member 152 toward the sealing surface 155 of the magnet and allow some oscillatory movement of the sleeve 152 and the ring 153, so that the sealing surface of the ring 153 mounted in this element is better aligned with the sealing face of the magnet. This element is prevented from rotating with respect to its housing 156.
Referring to Figs. 13 and 14 of the drawing, 210 denotes a housing through which extends a shaft 211 which is stepped from the largest diameter 212 to an intermediate diameter 213 and a smaller diameter 214, providing shoulders between these different diameters.
A cylindrically shaped cartridge housing 216 fits tightly into the bore 217 of housing 210, with a radial fin 218 engaging a shoulder 219 of that housing. This keycap housing contains all the parts of this seal, which are pre-assembled in a set to be inserted into the housing and on part 213 of the shaft.
A tubular shell 220 is located within the cartridge housing 216 and projects axially beyond the ends of the housing 216. Its dimension is such, along its internal surface 221, that it fits. tightly over portion 213 of shaft 211, and is sealed against movement of fluid pressure along that shaft by a resilient O-ring 222 located in a recess 223 extending radially towards the shaft. exterior from the internal surface 221 of this envelope.
The latter is also provided with a radial shoulder 224, extending outwardly and substantially axially. A flange 225 of the end of the cartridge case extends inwardly beyond this shoulder to prevent it from being displaced to the left out of the cartridge case. A ring-shaped magnet 226 is attached to the cartridge case by means of a recess 227 formed in its outer surface, and an elastic O-ring 228 is located in this recess and in close contact with the inner surface of the cartridge case. This hermetically seals the magnet to the housing against the passage of fluid between the cartridge and the housing.
A split ring 229 engages the right surface of the magnet, observing FIG. 13, to prevent axial movement of the magnet in this direction. The O-ring also allows for slight axial movement of the magnet, as well as slight pivoting, so that an annular sealing surface 230 thereof can properly align itself to provide the desired tight seal. There is a slight play between the magnet and the envelope which it surrounds, so allows this oscillating movement.
A sleeve 231 surrounds the shell 220 and is spaced therefrom for oscillation, and is located, like the magnet, between the cartridge housing and the shell and is axially slidable in this position. . This sleeve extends along the shoulder 224 for a considerable distance, where it is recessed at 232 to receive the O-ring 233 which allows some axial movement but prevents the passage of pressurized fluid along the surface of the sleeve. the shoulder between it and the inner surface of the sleeve 231.
The O-ring 233 is held in position by a split ring 234 engaging a recess formed in the sleeve 231. The other end of this sleeve is provided with a sealing face 235 which, in this case, is provided. by an attached carbon ring 236 having a polished face 235. The mounting of the O-ring of the sleeve also allows for a slight swivel adjustment, so that the sealing faces 230 and 235 can align properly to provide a good tight seal between them.
The external diameter of this sealing face is designated at A in FIG. 13 and is almost equal to the diameter B of the shoulder, so that the sleeve is substantially balanced with respect to the fluid pressure existing at 237 around the casing of the bus touching it axially. However, the diameter A is smaller than the diameter B, so the fluid pressure tends to push the sleeve away from the seal plug between. the faces or to the left, observing fig. 13.
The power of the magnet 226 acting on the sleeve 231 is such that it overcomes this slight pressure as it exists under normal pressure generated in the housing, but when there are certain abnormal pressure conditions due to a overheating, this pressure increase is then such that the pressure forces the sleeve to the left, separating the sealing faces and allowing the fluid to escape before the pressure rises to a point where it breaks one or the other part of the device.
The split ring 234 holding the O-ring 233 in place can be replaced by a flange 240, as shown in FIG. 14.
A magnetic cartridge housing, and magnet 226 may be mounted in a non-magnetic cap 241, an O-ring 242 being disposed between this non-magnetic cap 241 and housing 216. This again allows magnet 226 'and the cap 241 to oscillate as a whole for the alignment of the sealing face.