CS253113B1

CS253113B1 - Shaft seal

Info

Publication number: CS253113B1
Application number: CS857995A
Authority: CS
Inventors: Pavel Klimes
Original assignee: Pavel Klimes
Priority date: 1985-11-07
Filing date: 1985-11-07
Publication date: 1987-10-15

Abstract

Hřídelové těsnění sestává z kruhového těsnicího rtu, spojeného poddajnou membránou s výztužnou částí těsnicího kroužku. Místo připojení poddajné membrány k výztužné části kroužku se nachází v bezprostřední blízkosti hřídele, takže ohraničení prostoru pro plastické mazivo je tvořeno nejen ze strany obvodu, ale i z vnější boční strany poddajnou membránou, která tak současně vytváří prachovku. Část poddajné membrány vytvářející prachovku je v místě připojení poddajné membrány zeslabena na tlouštku v rozmezí 0,5 mm až 1 mm. Vůle mezi hřídelem a těsněním v tomto místě je v rozmezí 0,1 mm až 0,3 mm a vzdálenost středu ohybové deformace poddajné membrány od povrchu hřídele je 0,7 tloušÉky až 0,8 tloušEky. Vzdálenost vrcholu těsnicího břitu od středu ohybové deformace poddajně membrány je v rozmezí 5/tlouštěk až 11,5 tlouštěk.The shaft seal consists of a circular sealing lip connected by a flexible membrane to the reinforcing part of the sealing ring. The point of connection of the flexible membrane to the reinforcing part of the ring is located in the immediate vicinity of the shaft, so that the boundary of the space for the plastic lubricant is formed not only on the periphery but also on the outer side by a flexible membrane, which simultaneously forms a dust cover. The part of the flexible membrane forming the dust cover is weakened to a thickness in the range of 0.5 mm to 1 mm at the point of connection of the flexible membrane. The clearance between the shaft and the seal in this location is in the range of 0.1 mm to 0.3 mm and the distance of the center of bending deformation of the flexible membrane from the shaft surface is 0.7 thickness to 0.8 thickness. The distance of the top of the sealing lip from the center of bending deformation of the flexible membrane is in the range of 5/thickness to 11.5 thickness.

Description

Vynález se týká hřídelového těsnění.The invention relates to a shaft seal.

Pro těsnění hřídelů se používá radiálních těsnicích kroužků z elastomeru vyztužených kovovým výztužným kroužkem. Funkční část těsnicího kroužku tvoří pryžový prstenec, nazávaný těsnicí ret (Dichtlippe uplotňajuščaja guba, lip). Kontaktním místem těsnicího rtu je břit, který je přitlačován k hřídeli pružným kroužkem, který tvoří ocelová tažná pružina. Těsnicí ret přechází plynule v pryžovou membránu, která má tvar kuželové·nebo válcové trubky a zajiŠtuje jeho poddajné spojení s vyztuženou částí kroužku, čímž má umožnit, aby i při určitém házení hřídele sledoval těsnicí břit jeho povrch. Pro zabránění přístupu nečistot z vnějšího prostředí do kontaktní zóny těsnění bývá prostor mezi hřídelem a membránou naplněn plastickým mazivem, které současně zajištuje i mazání těsnicího břitu v určitých konkrétních provozních podmínkách a též ochranu hřídele proti korozi. Z vnější strany bývá tento prostor uzavřen tzv. prachovkou, která zabraňuje uniknutí plastického maziva. K nedostatkům tohoto typu těsnění patří malá životnost, velké třecí ztráty a nedostatečná spolehlivost.Radial sealing rings of elastomer reinforced with a metal reinforcement ring are used for shaft seals. The functional part of the sealing ring is formed by a rubber ring called the sealing lip (Dichtlippe uplotňajuščaja guba, lip). The contact point of the sealing lip is the lip which is pressed against the shaft by a spring ring formed by a steel tension spring. The sealing lip passes smoothly into a rubber diaphragm, which has the shape of a conical or cylindrical tube and ensures its flexible connection with the reinforced part of the ring, thereby allowing it to follow the sealing lip of its surface even with some shaft runout. To prevent dirt from entering the external contact zone of the seal, the space between the shaft and the diaphragm is filled with grease, which also provides lubrication of the sealing lip under certain specific operating conditions and also protects the shaft against corrosion. From the outside, this space is closed by a so-called duster, which prevents the escape of grease. The drawbacks of this type of seal are low durability, high friction losses and insufficient reliability.

Přítlačná síla je při házení hřídele proměnlivá proto, že síla vyvozující periodické ohýbání membrány je přenášena přes kontakt těsnění a hřídele. Dále je její proměnlivost způsobena též cyklicky proměnlivými hmotnostními setrvačnými silami, jejichž velikost závisí na hmotnosti pohyblivé části těsnění. Při poklesu přítlačné síly není pak spolehlivě zajištěna těsnost a při zvýšení této síly dochází k velkému tření a opotřebení. Nedostatečná ochrana před vnikáním nečistot zvenčí je příčinou intenzivního opotřebení kontaktních ploch. Při házení otáčejícího se hřídele koná každý dotykový bod těsnicího břitu kývavý pohyb po dráze blízké části kružnice, přičemž normála jeho dráhy svírá s povrchovou přímkou těsněného hřídele úhel > 0°. Důsledkem toho je, že těsnicí břit koná relativní pohyb vůči hřídeli v axiálním směru.The thrust force varies during shaft runout because the force exerting periodic bending of the diaphragm is transmitted through the seal-shaft contact. Furthermore, its variability is also due to cyclically variable mass inertia forces, the magnitude of which depends on the weight of the movable part of the seal. When the contact force decreases, the tightness is not reliably ensured and the force increases with great friction and wear. Insufficient protection against the ingress of dirt from the outside causes intensive wear of the contact surfaces. During the runout of the rotating shaft, each contact point of the sealing lip performs a rocking movement along the path of the near part of the circle, the normal of its path forming an angle> 0 ° with the surface line of the sealing shaft. As a result, the sealing lip performs relative movement to the shaft in the axial direction.

Pro zlepšení vlastností hřídelového těsnění jsou známa některá řešení, která dílčím způsobem snižují uvedené nedostatky, hlavně proměnlivost přítlačné síly a relativní axiální pohyb mezi těsněním a hřídelem.To improve the properties of the shaft seal, some solutions are known which partially reduce said drawbacks, in particular the variability of the thrust force and the relative axial movement between the seal and the shaft.

Je známo řešení těsnicího kroužku s lepší těsnicí schopností při snížené přítlačné síle, což je příznivé i v případě jejího kolísání. Jedná se o těsnicí kroužky, které mají na vnější straně kontaktní plochy tenká vystupující žebra, skloněná pod určitým úhlem stoupání a přiléhající k hřídeli, Tato žebra způsobují při otáčení hřídele hydrodynamický efekt, který vyvolává čerpání těsněné kapaliny zpět do těsněného prostoru. Bývají určeny pro jeden smysl otáčení hřídele, což je značné omezení. Konstrukce použitelné pro oba smysly otáčení jsou méně účinné.It is known to provide a sealing ring with better sealing capability with reduced contact force, which is favorable even in the case of its fluctuation. These are sealing rings having thin protruding ribs on the outside of the contact surface, inclined at a certain angle of inclination and adjacent to the shaft. They are designed for one sense of rotation of the shaft, which is a significant limitation. Constructions applicable to both sense of rotation are less efficient.

Tyto těsnicí kroužky vyžadují zvláště dobrou ochranu před nečistotami z vnějšího prostředí, které se v důsledku hydrodynamického čerpacího efektu mohou snáze dostávat mezi kontaktní plochy a způsobit jejich opotřebení. Jsou rovněž citlivé na použití aditivovaných olejů, které vytvářejí na kontaktních plochách nánosy. Tyto se časem odlupují a působí pak netěsnost.These gaskets require particularly good protection against environmental contaminants which, due to the hydrodynamic pumping effect, can more easily get between the contact surfaces and cause wear. They are also sensitive to the use of additive oils that form deposits on the contact surfaces. Over time, these peel off and cause leakage.

Je známo řešení těsnicího kroužku se zmenšeným úhlem normály dráhy pohybu bodů těsnicího břitu f , jehož je dosaženo umístěním místa upevnění membrány do blízkosti hřídele. Membrána je potom přibližně rovnoběžná s hřídelem. Zmenšení úhlu je v tomto případě pouze částečné. Vůle mezi membránou a hřídelem je jako prostor pro náplň plastického maziva nedostatečná. Nečistoty vniklé zvenčí mezi hřídel a membránu mohou způsobit tření a opotřebení, přičemž vznikající částice otěru se dostávají až mezi kontaktní těsnicí plochy.It is known to provide a sealing ring with a reduced angle of normal of the path of travel of the points of the sealing lip f, which is achieved by placing the diaphragm mounting point near the shaft. The membrane is then approximately parallel to the shaft. The angle reduction is only partial in this case. The clearance between the diaphragm and the shaft is insufficient as a grease filling space. Dirt entering from the outside between the shaft and the diaphragm can cause friction and wear, with the abrasive particles formed reaching the contact sealing surfaces.

Je známo řešení těsnicího kroužku pro velké excentricity a házení hřídele, u něhož pryžový prstenec obepínající hřídel je masívní a široký. V něm je vytvořen prostor pro náplň plastického maziva v blízkosti těsnicího břitu. Poddajné spojení těsnicího prstence s vyztuženou pevnou částí kroužku je provedeno vlnovitě tvarovanou sekcí uspořádanou tak, aby byl potlačen axiální pohyb kontaktní plochy těsnění vůči hřídeli při velkých hodnotách házení. Tvar je značně složitý. Hlavním nedostatkem jsou velké setrvačné síly masívního těsnicího prstence a též části společně s ním se pohybující poddajné sekce, což způsobuje proměnlivost přítlačné síly v závislosti na frekvenci otáčení hřídele.It is known to provide a sealing ring for large eccentricity and shaft runout, in which the rubber ring surrounding the shaft is massive and wide. A space for filling the grease in the vicinity of the sealing lip is provided. The flexible connection of the sealing ring to the reinforced fixed part of the ring is made by a wave-shaped section arranged so as to suppress axial movement of the gasket contact surface against the shaft at high runout values. The shape is quite complex. The main drawback is the large inertia forces of the massive sealing ring, as well as the parts of the flexible section moving therewith, which causes the contact force to vary depending on the frequency of rotation of the shaft.

Uvedené nedostatky odstraňuje hřídelové těsnění, sestávající z kruhového těsnicího rtu, spojeného poddajnou membránou s výztužnou částí těsnicího kroužku, podle vynálezu. Jeho podstata spočívá v tom, že místo připojeni poddajné membrány k výztužné části kroužku se nachází v bezprostřední blízkosti hřídele, takže ohraničení prostoru pro plastické mazivo je tvořeno nejen ze strany obvodu, ale i z vnější boční strany poddajné membrány, která tak současně vytváří prachovku. Část poddajné membrány vytvářející prachovku je v místě připojeni poddajné membrány zeslabena na tloušťku v rozmezí 0,5 mm až 1 mm, přičemž vůle mezi hřídelem a těsněním v tomto místě je v rozmezí 0,1 mm až 0,3 mm, vzdálenost středu ohybové deformace poddajné membrámy od povrchu hřídele je 0,7 tlouštky až 0,8 tlouštky a vzdálenost vrcholu těsnicího břitu od středu ohybové deformace poddajné membrány je v rozmezí 5 tlouštěk až 11,5 tlouštěk.Said drawbacks are overcome by a shaft seal consisting of a circular sealing lip connected by a flexible diaphragm to a reinforcing portion of the sealing ring according to the invention. It is based on the fact that instead of attaching the flexible diaphragm to the reinforcing part of the ring, it is located in the immediate vicinity of the shaft, so that the boundary of the grease space is formed not only from the peripheral side but also from the outer side of the flexible diaphragm. The portion of the flexible diaphragm forming the duster is attenuated to a thickness in the range of 0.5 mm to 1 mm at the attachment point of the flexible diaphragm, the clearance between the shaft and the seal at that point being in the range of 0.1 mm to 0.3 mm. the flexible diaphragm from the shaft surface is 0.7 to 0.8 thickness, and the distance of the top of the sealing lip from the center of the flexural deformation of the flexible diaphragm is in the range of 5 to 11.5 thicknesses.

Popsaným tvarovým řešením je dosaženo při jednoduchém konstrukčním provedení současně minimalizace příčné tuhosti membrány vůči ohybu, minimalizace úhlu normály pro potlačení axiálního pohybu a ochrany těsnicích ploch prachovkou, kterou vytváří samotná membrána. Tím je umožněno dosažení těsnosti i při určitém házení hřídele, k němuž v praxi vždy dochází v důsledku výrobních tolerancí a vůle v ložiskách. Při tom je umožněno i zmenšení radiálního zatížení těsnicího břitu, nebot minimalizace příčné tuhosti membrány vede ke zmenšení proměnlivosti tohoto zatížení, jež je vyvolána za provozu házením hřídele. Tím se značně zmenší třecí energetické ztráty v těsnění a též opotřebení kontaktních ploch. Výsledkem jsou tedy energetické úspory při provozu strojních mechanismů, zvýšení životnosti a spolehlivosti těsnění.The described design achieves a simple design at the same time minimizing the transverse stiffness of the diaphragm against bending, minimizing the angle of normal for suppressing axial movement, and protecting the sealing surfaces with the dust created by the diaphragm itself. This makes it possible to achieve tightness even with a certain shaft runout, which in practice always occurs due to manufacturing tolerances and bearing clearance. In this case, the radial load of the sealing lip is also reduced, since minimizing the transverse stiffness of the diaphragm results in a reduction in the variability of this load, which is induced during operation by shaft runout. This greatly reduces the frictional energy losses in the gasket as well as wear of the contact surfaces. This results in energy savings in machine operation, increased seal life and reliability.

Vynález a jeho účinky jsou blíže vysvětleny v popise příkladu jeho provedení podle obrázku a také pomocí 3 příkladů provedení hřídelového těsněni, které dokazují vyšší účinek hřídelového těsnění podle vynálezu.The invention and its effects are explained in more detail in the description of an exemplary embodiment thereof according to the figure and also by means of 3 exemplary embodiments of a shaft seal, which show a higher effect of the shaft seal according to the invention.

Hřídelové těsnění sestává z vnějšího vyztuženého tělesa, k němuž je připojena membrána 2, která plynule přechází v těsnicí ret, opatřený těsnicím břitem JI a prstencovou pružinou _4. Ve vnějším tělese je uložen výztužný kroužek J3. Vůle v mezi hřídelem a poddajnou membránou 2 v místě jejího připojení je 0,1 mm až 0,3 mm, takže zde vzniká seškrcený průřez, zabraňující uniknuti náplně plastického maziva, které zachycuje nečistoty z vnějšího prostředí. Normála n dráhy kývavého pohybu těsnicího břitu 1^ svírá s povrchovou přímkou hřídele úhelThe shaft seal consists of an outer reinforced body, to which a diaphragm 2 is connected, which continuously passes into a sealing lip provided with a sealing lip 11 and an annular spring 4. A reinforcing ring 13 is mounted in the outer body. The clearance v between the shaft and the flexible diaphragm 2 at the point of its attachment is 0.1 mm to 0.3 mm, so that there is a constricted cross-section preventing the grease filling from escaping dirt from the external environment. The normal n of the rocking path of the sealing lip 1 forms an angle with the shaft surface line

Velikost úhlu vyplývá z uvedených poměrných rozměrů a je menši než 10°. Řešení je blíže popsáno příkladem konkrétního provedení hřídelového těsnění pro hřídel o průměru 50 mm podle obrázku.The magnitude of the angle results from the relative dimensions and is less than 10 °. The solution is described in more detail by way of an example of a specific embodiment of a shaft seal for a shaft with a diameter of 50 mm according to the figure.

Tloušťka membrány v místě jejího připojení t je 0,8 mm. Vůle v mezi hřídelem a těsněním je 0,2 mm. Vzdálenost a ohybového bodu membrány 0 od povrchové přímky hřídele je 0,6 mm a vzdálenost b těsnicího břitu L od bodu 0 je 8 mm. Ohel - arctg a/b je 4,3°. Vyklenutým tvarem membrány a umístěním jejího připojení do bezprostřední blízkosti hřídele je dosaženo, že membrána ohraničuje prostor pro plastické mazivo nejen kolem obvodu, ale i z vnější boční strany a plní tak současně i funkci prachovky. Vliv zmenšení úhlu na snížení kinematických veličin axiálního pohybu je dále ilustrován třemi příklady.The thickness of the membrane at its attachment point t is 0.8 mm. The clearance v between the shaft and the seal is 0.2 mm. The distance a of the bending point of the membrane 0 from the shaft surface line is 0.6 mm and the distance b of the sealing lip L from the point 0 is 8 mm. The [alpha] - arctg a / b is 4.3 [deg.]. With the arched shape of the diaphragm and the location of its connection in the immediate vicinity of the shaft, it is achieved that the diaphragm delimits the space for the grease not only around the periphery but also from the outer side and thus also fulfills the function of the duster. The effect of the reduction of the angle on the reduction of the kinematic quantities of the axial movement is further illustrated by three examples.

Sériově vyráběný těsnicí kroužek obvyklého tvaru má úhel = 33,7°, který byl změřen na měřicím mikroskopu. Při otáčení hřídele s frekvencí n = 100 s^-l při excentricitě hřídele e = 0,03 mm se těsnicí břit pohybuje vůči hřídeli v axiálním směru s proměnlivým zrychlením, _2 jehož maximální hodnota je a = 8 m sA standard production seal ring has an angle = 33.7 °, which was measured on a measuring microscope. When rotating the shaft with frequency n = 100 s ^- l with shaft eccentricity e = 0,03 mm, the sealing lip moves with respect to the shaft in the axial direction with variable acceleration, whose maximum value is a = 8 ms

Těsnicí kroužek s úhlem = 14° má za stejných podmínek jako v prvním příkladu maximální hodnotu zrychlení a = 3 m s ².The sealing ring with angle = 14 ° has the maximum acceleration value a = 3 ms ² under the same conditions as in the first example.

Těsnicí kroužek s úhlem = 7° má za stejných podmínek jako v předchozích příkladech maximální hodnotu axiální složky zrychlení a = 1,5 m s ².The sealing ring with an angle = 7 ° has the maximum value of the axial acceleration component a = 1.5 ms ² under the same conditions as in the previous examples.

Nové hřídelové těsnění je využitelné pro těsnění hřídelů za obvyklých provozních podmínek, kdy hřídel vlivem házení nebo vůle vykonává při otáčení též příčný pohyb a je účinná při nižší přítlačné síle, protože podstatně zmenšuje její proměnlivost při otáčení hřídele. Tím se zmenšují třecí ztráty a zvyšuje se životnost. Ke zlepšení těsnicí schopnosti přispívá též potlačení axiálního pohybu mezi hřídelem a těsněním v důsledku minimalizace úhlu ý*”_o· fThe new shaft seal is useful for shaft seals under normal operating conditions, where the shaft, due to runout or play, also performs transverse movement when rotating and is effective at a lower thrust force as it substantially reduces its variability when rotating the shaft. This reduces friction losses and increases service life. Suppression of axial movement between the shaft and the seal also contributes to the improvement of the sealing ability due to minimization of the angle * ” _o · f

Je využitelné též v znečištěném pracovním prostředí, přičemž funkci ochranné prachovky plní membrána. Při jednoduchosti popsaného nového konstrukčního řešení je dosaženo komplexního zlepšení všech funkčních vlastností, zatímco známá řešení jsou pouze částečná.It can also be used in a polluted working environment, where the membrane acts as a protective duster. With the simplicity of the new design described, a comprehensive improvement of all functional properties is achieved, while the known solutions are only partial.

Claims

object of the invention

A shaft seal, comprising a circular sealing lip connected by a flexible diaphragm to a reinforcing portion of a sealing ring, characterized in that the point of attachment of the flexible diaphragm (2) to the reinforcing portion of the ring (3) is located in close proximity to the shaft. the grease is formed not only from the peripheral side but also from the outer side by a flexible diaphragm (2), which at the same time forms a duster.

Shaft seal according to Claim 1, characterized in that the part of the flexible diaphragm (2) forming the duster is attenuated at a thickness (t) in the range of 0.5 mm to 1 mm at the connection point of the flexible diaphragm (2), the clearance (v) between the shaft and the seal at this point it is between 0.1 mm and 0.3 mm, the distance (a) of the center (0) of the bending deformation of the flexible diaphragm (2) from the shaft surface is 0.7 thickness (t) to 0.8 The thickness (t) and the distance (b) of the tip (L) of the tight cutting edge (1) from the center (0) of the bending deformation of the flexible diaphragm (2) are in the range of 5 thicknesses (t) to 11.5 thicknesses (t).