DK161852B - Akselpakning til hydrauliske rotationsmaskiner - Google Patents

Description

DK 161852 B

Opfindelsen angår en akselpakning af den i indledningen til krav 1 angivne art til tilvejebringelse af fluidum-tætning mellem den roterende aksel og huset i en hydraulisk rotationsmaskine.

5 Selvom opfindelsen kan anvendes i mange typer hydrauliske rotationsmaskiner, er den særlig fordelagtig i forbindelse med motorer med lav omdrejningshastighed og højt drejningsmoment (LSHT-motorer) og beskrives i det følgende i forbindelse med en sådan motor. I en typisk 10 hydraulisk motor af denne art modtager motoren højtryksfluidum gennem en indløbsport, og fluidets trykenergi omsættes til roterende bevægelse af en krafttransmissionsaksel ved hjælp af en fortrængningsmekanisme såsom et planetgear. Disse motorer har i regelen et hus, der omgiver 15 krafttransmissionsakselen, og det er nødvendigt at tilvejebringe væsketætning mellem den roterende aksel og det stationære hus, for at hindre at trykfluidet i motorhuset siver ud af motoren mellem akselen og huset.

Man har tidligere anvendt mange forskellige paknings-20 arrangementer herunder velkendte pakninger som O-ringe, tætningsringe med firkantet tværsnit og tætningsorganer med forskellige læbetætninger. Mange af disse velkendte akselpakninger har været tilfredsstillende, sålænge afløbs-fluidumtrykket, som akselpakningen er udsat for, holdes 25 tilpas lav f.eks. på fra ca. 3,5 kg/cm til 14 kg/cm .

Efterhånden som LSHT-motorerne er blevet forbedrede med hensyn til holdbarhed og evne til at overføre drejningsmoment, er fluidumtrykket i disse motorer gradvis blevet forøget, hvilket i mange tilfælde har resulteret i 30 væsentligt større afgangstryk i huset.

Ved visse anvendelser er det endvidere ønskeligt at forbinde flere motorer i serie, dvs. at udløbsporten i den første motorer forbindes med indløbsporten i den anden motor. Da afløbstrykket i huset typisk ligger et 35 eller andet sted mellem motorens tilgangstryk og motorens afgangstryk, kan afløbstrykket fra huset i den første

DK 161852 B

2 motor i serieforbindelse være af størrelsesordenen 2 140 kg/cm , og det er nødvendigt at akselpakningen er i stand til at modstå sådanne tryk over en driftsperiode på mange timer.

5 I visse LSHT-motorer kan akselpakningen endvidere blive udsat direkte for motorens tilgangstryk, i det mindste under drift i én retning, dvs* rotation af krafttransmissionsakselen i retning enten med eller mod uret. I sådanne motorkonstruktioner er det nødvendigt 10 at akselpakningen kan modstå det fulde motortilgangstryk, 2 som hyppigt er af størrelsesordenen 211 kg/cm . Det er ret almindeligt at hydraulikmotorer af LSHT-typen har krafttransmissionsakseler der er udsat for en betydelig sidebelastning, som resulterer i en radial bevægelse eller 15 afbøjning af akselen, når den roterer. En sådan afbøjning er typisk af størrelsesordenen 0,25 til 0,75 mm. En sådan udbøjning af krafttransmissionsakselen gør det langt mere vanskeligt at tilvejebringe en akselpakning, som kan modstå relativt høje tryk og samtidig vedblivende tætne effektivt 20 i en relativ lang driftsperiode. Når krafttransmissionsakselen afbøjes, resulterer det i forøget belastning af pakningselementet ved udbøjningsstedet, og denne forøgede belastning bevirker større varmeudvikling og kan til sidst bevirke at pakningselementet bliver skørt og mister sin 25 evne til at opretholde en effektiv tætning mod olieudsivning. Pakningen kan også blive ude af stand til at følge akselens udbøjninger og kan miste kontakten med akselen.

Fra US-patentskrift nr. 3.495.843 kendes et pakningsarrangement, hvor de ovennævnte problemer er søgt løst ved, 30 at det i hovedsagen C-formede tætningselement for at hindre udpresning af tætningslæben samvirker med et indre bæreelement i form af en radialt bevægelig indsats, der ligger, an mod akslen og har en konisk støtteflade på hvilken tætningslæben kan glide og bevæges radialt udad, når det hydrauliske 35 tryk vokser. Tætningslæben glider på en friktionsnedsættende, skallignende indsats f.eks. af Teflon, som desuden dækker

DK 161852 B

3 tætningslæbens inderside mod akselen. Selv om der i denne akselpakning opnås en vis trykaflastning af tætningslæben ved forøgelse af trykket i hydraulikvæsken, vil en radial bevægelse af akselen imidlertid ikke resultere i en radial 5 bevægelse af tætningselementets læbeparti, der alene kan optage sådanne excentriske akselbevægelser ved at bøje.

Herved opstår den foran nævnte forøgede belastning og større varmeudvikling, som medvirker til at forkorte pakningens levetid.

10 Det er derfor formålet med opfindelsen at tilveje bringe en forbedret akselpakning til anvendelse, hvor der forekommer udbøjninger af akselen, idet akselpakningen er i stand til at modstå større tryk og i længere driftsperioder end de tilsvarende kendte pakninger,især ved at 15 formindske den belastning af pakningselementet, som skyldes udbøjning af akselen, samtidig med at tætningslæben er i stand til at følge akselen og opretholde god tætning under tilpas ensartet, forud fastsat belastning.

Dette er ifølge opfindelsen opnået ved at udforme 20 akselpakningen som angivet i krav 1.

En elastisk del af tætningselementet medvirker til at holde det inderste bæreelement i korrekt stilling og dæmper dets radiale bevægelser, og idet tætningslæben bevæger sig radialt sammen med det indre bæreelement, er det muligt at 25 opretholde sikker tætnende berøring med et passende, i hovedsagen konstant forud fastsat tryk, uden overdreven belastning af tætningslæben.

Opfindelsen beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, hvor 30 fig. 1 set fra siden og delvis i snit viser en tandhjulsmotor med lavt omdrejningstal og højt drejningsmoment, i hvilken motor opfindelsen kan finde anvendelse, fig. 2 i større målestok et aksialt snit svarende til fig. 1 gennem området ved motorens akselpakning, 35 fig. 3 et aksialt snit gennem pakningen ifølge opfindelsen i afmonteret tilstand, 4

O

DK 1618 5 2 B

fig. 4 et aksialt snit svarende til fig. 3, men med akselpakningen vist monteret og akselen i sin normale stilling, og fig. 5 et aksialt snit svarende til fig. 4, men med 5 akselen vist under udbøjning.

X fig. 1 er vist en sådan hydraulikmotor af planethjulstypen med lavt omdrejningstal og højt drejningsmoment (en såkaldt LSHT-motor) i hvilken opfindelsen kan finde anvendelse. Motorer af denne type er vist og beskrevet mere 10 detaljeret i USA-patentskrifterne nr. 3.572.983 og 4.346.600, hvortil der her refereres.

Den i fig. 1 viste motor har et antal sektioner, som er samlet ved hjælp af ikke viste bolte. Motoren er generelt betegnet 11 og indbefatter et aksellejehus 13, 15 en slidplade 15, et planethjulshus 17, en ventilstator 19 og et ventilhus 21.

Planethjulshuset 17 er velkendt indenfor teknikken og er omtalt detaljeret i de foran referede patentskrifter og beskrives kun kort i det følgende. Planethjulshuset 20 indbefatter en indvendigt fortandet ring 23 som afgrænser et antal i hovedsagen halvcylindriske åbninger med.en cylindrisk rulletand 25 anbragt i hver åbning.. I den fortandede ring 23 er ekscentrisk lejret et udvendigt fortandet planethjul 27, der typisk har en tand mindre end antallet af 25 rullétænder 25, således at planethjulet 27 kan udføre en kredsende og roterende bevægelse i forhold til ringen 23.

Ved denne kredsende og roterende bevægelse vil arbejds-kamre 29 skiftevis ekspandere og trække sig sammen.

Idet der stadig henvises til fig. 1, ses det 30 at motoren har en krafttransmissionsaksel 31, der er monteret i aksellejehuset 13 og er drejeligt lejret i passende lejesæt 33 og 35. Akselen har en indvendig mangenotdel 37 med retliniede noter, som er i indgreb med udvendige, hvælvede mangenoter på den ene ende af 35 en kardanaksel 41..,Ved den anden ende af kardanakslen 41 findes et andet sæt undvendige, buede mangenoter 43 i

O

DK 161852 B

5 indgreb med et sæt indvendige retliniede mangenoter 45, der er dannet indvendigt i planethjulet 27. Da tandringen 23 i den foreliggende udførelsesform har syv indvendige tænder, og planethjulet 27 har seks udvendige tænder, vil 5 seks kredsninger af planethjulet 27 bevirke én fundstændig omdrejning af hjulet, og én fuldstændig omdrejning af kardanakselen 41 og krafttransmissionsakselen 31.

I ventilhuset 21 er på kendt måde indrettet en ikke vist ventilmekanisme, som kan styre strømmen af 10 trykfluidum fra en indløbsport 47 til de ekspanderende arbejdskamre 29, og fra de arbejdskamre 29, som trækker sig sammen, til en udløbsport 49.

I det følgende vil den forreste del af motoren blive beskrevet mere detaljeret med henvisning til fig. 2 15 i forbindelse med fig. 1. Lige foran for lejesættet 33 (til venstre i fig. 1 og 2), har aksellejehuset 13 et parti 51 med reduceret diameter, som afgrænser et par ringformede riller. I den forreste ringformede rille er anbragt en afvisningspakning 5.3, som hindrer indtrængning 20 af støv, vand osv. i motoren. I den bageste ringformede rille er anbragt en akselpakning, der som en enhed er betegnet 55, og hvis primære funktion er at forhindre udsivning af hydraulisvæske fra et ringformet kammer 57 langs krafttransmissionsakselen 31 og ud af motoren. Som 25 det er almindeligt kendt siver væske under motorens 11 drift fra visse steder såsom ved endefladerne mellem planethjulet 17 og slidpladen 15 ind i en central hus--afløbszone 59, der omgiver kardanakselen 41. Denne udsivende væske anvendes til at smøre mangenotfor-30 bindeiserne 43, 45 og 37, 39 og også til smøring af lejesættene 33 og 35. Væske til smøring af lejesættene strømmer fra hus-afløbszonen 59 gennem et antal skråtstillede boringer 61 i udgangsakselen 31 og ind i det ringformede væskekammer 57 og derfra gennem lejesættene <jc 33 og 35, hvorefter væsken gennem et antal passager 63 strømmer til udløbsporten 49.

DK 161852B

O

6 I det følgende beskrives opbygningen af akselpakningen 55 nærmere i forbindelse med fig. 3, og dens virkemåde beskrives herefter under henvisning til fig. 4 og 5. Det ses, at akselpakningen 55 i fig. 3 er vist i 5 ikke-monteret tilstand, hvor den ikke er udsat for kompressionskræfter. Akselpakningen 55 består af tre primære elementer:

Et elastomert tætningselement 65, et indre bæreelement (hæl) 67, og et ydre bæreelement (bur) 69.

Det elastomere tætningselement 65 indbefatter et 10 i hovedsagen C-formet organ, fortrinsvis fremstillet af et af de materialer, som normalt anvendes til fabrikation af pakninger, såsom naturlig eller syntetisk gummi eller en organisk compound såsom nitril. Tætningselementet 65 har en tætningslæbe 71, som er dimensioneret således, at 15 den med en indre periferidel 72 kan ligge an mod omkredsen af akselen 31 med prespasning.

Det indre bæreelement 67 eller hælen er i hovedsagen trekantformet og har et forreste parti 73 i og et bageste parti 75. Hælen 67 fremstilles fortrins- j 20 vis af et stift, ikke-elastomert materiale såsom en stiv plast eller en bronze med lav friktionskoefficient, således at den kan være i gnidende berøring med akselen uden at hverken akselen eller hælen skades nævneværdigt.

Det ydre bæreelement 69 eller buret har i 25 hovedsagen L-formet tværsnit og indbefatter et ydre cylindrisk parti 77 og et radialt indad forløbende parti 79. Buret 69 fremstilles fortrinsvis af stål eller et andet metal eller et andet stift materiale og sammenstøbes med eller forbindes med tætningselementet 65, så-30 ledes at elementet 65 ikke drejer i forhold til buret 69.

En primær funktion for buret 69 er at understøtte det radialt yderste parti af tætningselementet 65. Som det bedst ses af fig. 4 medvirker understøtningen fra buret 69 til at opretholde prespasning mellem omkredsen af tætnings-35 elementet 65 og indersiden af partiet 51 med reduceret diameter.

O

DK 161852 B

7

Idet der stadig især refereres til fig. 3 bemærkes, det, at det er et vigtigt træk ved opfindelsen, at det indadrettede parti 79 af buret 69 ligger i et tværgående plan gennem det forreste parti 73 af hælen 67. Tætnings-5 elementet 65 har en elastisk del 81, der er anbragt radialt mellem det forreste parti 73 af hælen 67 og det indadrettede parti 79 af buret 69. Funktionen af den elastiske del 81 beskrives nærmere nedenfor i forbindelse med fig. 5.

Tætningslæben 71 på tætningselementet 65 fastlægger 10 et drejepunkt 83, dvs. et punkt hvorom tætningslæben 71 ville dreje eller afbøje i forhold til resten af elementet 65, hvis lasben 71 ikke blev understøttet af hælen 67. Det er et andet vigtigt træk ved den foreliggende opfindelse, at det bageste parti 75 af hælen 67 strækker sig aksialt bagud 15 forbi drejepunktet 83, således at i det mindste en del af det bageste parti 75 er omgivet af i det mindste en del af læben 71.

I. Idet der nu især refereres til fig. 4, ses det, at når akselpakningen 55 ifølge opfindelsen monteres i motoren, 20 indsættes en støttering 85 mellem akselpakningen 55 og partiet 51 med reduceret diameter. Den primære funktion af støtteringen 85 er at hindre udpresning af nogen del af hælområdet, således som det almindeligt kendt indenfor denne teknik. Endvidere ses det af fig. 4, at det 25 indre perifere parti 72 af tætningslæben 71 som foran nævnt ligger med prespasning omkring omkredsen af krafttransmissionsakselen 31. Det er imidlertid et karakteristisk trask ifølge opfindelsen, at den aksiale længde af berøringsstrækningen mellem tætningslæben 71 og akselen 31 er 30 forholdsvis kort, i stedet for at udnytte en forholdsvis lang aksial udstrækning af berøringszonen til at opretholde god tætning og til at optage akselens radiale bevægelser.

Det foretrækkes at den indvendige diameter af hælen 67 er dimensioneret således i forhold til den udvendige diameter 35 af akselen 31, at der tillades en radial akselbevægelse (udbøjning) omtrent af størrelsesordenen ca. 0,05 ram til

O

DK 161852 B

8 0,125 mm, uden at akselen 31 kommer i berøring med hælen 67. Det bemærkes, at fig. 4, som skal illustrere den normale eller centrerede stilling af akselen 31, viser det aksiale spillerum mellem akselen og den indre periferi af hælen 67 5 noget overdrevet af hensyn til tydeligheden.

Virkemåden af akselpakningen 65 ifølge opfindelsen beskrives nu under henvisning til fig. 5. Det antages her at akselen 31 er blevet udsat for en tilstrækkelig sidevært sbelastning til, at den er bevæget radialt over et 10 stykke, som er større end det konstruerede radiale spillerum mellem omkredsen af akselen 31 og den indre periferi af hælen 67, der er vist i fig. 4. En sådan radial bevægelse af akselen bevirker berøring mellem akselen og hælens indre periferi ved et sted langs omkredsen af hælen 67, således 15 som vist i fig. 5, Berøringen mellem akselen og hælen resulterer i radial bevægelse af hælen i forhold til buret 69 og tætningselementet 65 (dvs. opad i fig. 5).

j Når hælen 67 bevæges således, komprimeres i delen 81 af tætningselementet 65, således at den radiale 20 afstand mellem hælen 67 og buret 69 bliver den i fig. 5 viste afstand Y. Når akselen står i sin normale, centrerede stilling, som vist i fig. 4 er i sammenligning hermed afstanden mellem hælen og buret strækningen X, hvor X er noget større end Y. Afstanden (X - Y) repræsenterer 25 graden af kompression af delen 81 og også størrelsen af den radiale bevægelse af hælen 67.

Det er derfor en af delens 81 funktioner at dæmpe eller bremse radial bevægelse af hælen 67 i forhold til buret 69. En anden af delens 81 funktioner er 30 at hindre udpresning af og brud i det elastomere materiale i tætningselementet 65. Hvis delen 81 manglede, og der var et frit rum mellem hælen 67 og buret 69, så ville det forholdsvis større fluidumtryk udpresse eller skubbe det elastomere materiale i tætningselementet 65 ind i 35 dette rum og eventuelt fremkalde brud i materialet.

9

O

DK 161852B

Et andet vigtigt aspekt ved den foreliggende opfindelse er forholdet mellem hælen 67 og tætningslæben 71. Idet det bageste parti 75 af hælen 67 strækker sig bagud forbi drejepunktet 83, som dannes af tætningslæben 71, 5 vil radial bevægelse af hælen 67 som følge af radial bevægelse af akselen 31 bevirke en radial bevægelse af tætningslæben 71. Da tætningslæben 71 bevæger sig radialt sammen med hælen 67, hindrer denne bevægelse overdreven belastning fra akselen på det nærliggende parti af den indre 10 periferidel 72. Ved at reducere denne belastning, som normalt opstår, når akselen bevæges radialt, reduceres også sliddet og varmeudviklingen ved partiet 72, således at risikoen for at tætningslæben 71 bliver skør og revner, formindskes. Ved den foreliggende opfindelse sikrer 15 forholdet mellem hælen 67 og tætningslæben 71 derfor opretholdelse af en tilpas ensartet, forud fastsat belastning på det inderste parti 72 af tætningslæben 71.

Hvis akselen 31 udbøjes i modsat retning vil hælen 67 stadig opretholde prespasningen mellem tætningslæben 71 20 og akselen, da hælen følger akselens bevægelse.

Akselpakningen ifølge opfindelsen er blevet afprøvet med henblik på at sammenligne dens egenskaber med egenskaberne hos en kommerciel standardlæbepakning. De to primære kriterier ved vurderingen af pakninger er "middelevetid" og 25 "middeludsivningshastighed". Ved prøvning af akselpakningerne er det bestemt, at "levetiden" af en akselpakning er sluttet, når akselpakningen lækker så meget, at der udsiver mere end 20 ml væske pr. dag.

Ved prøvningen blev otte prøver åf akselpakningen 30 ifølge opfindelsen monteret i motorer, og to af de kommercielt anvendte (kendte) akselpakninger blev monteret i motorer. Hver motor blev drevet med et tryk på akselpakningerne 2 pa 140 kg/cm og med tilstrækkelig strømningshastighed til at opretholde en omdrejningshastighed af krafttransmissions-35 akselen på 300 omdr./min. Under disse forhold var middellevetiden af de otte prøver på pakningen ifølge opfindelsen

DK 161852B

10 o 4,6 gange længere end middellevetiden af de to prøver på kendte pakninger. Desuden var middeludsivningshastigheden for de to kendte pakninger 3,15 gange større end middeludsivningshastigheden for de otte pakninger ifølge opfindelsen.

5 Af det foran anførte vil det ses, at der ved opfindel sen er tilvejebragt en væsentligt forbedret akselpakning, som er i stand til>at tætne mere effektiv (lavere middeludsivnings-hastighed), samtidig med at den har en større holdbarhed i (lasngere middellevetid), hvilket er et resultat af de foran j

10 beskrevne konstruktive træk. Opfindelsen er beskrevet til- J

strækkeligt detaljeret til at sætte en fagmand i stand til i i at udøve den, og der vil indenfor opfindelsens rammer kunne udtænkes forskellige ændringer og modifikationer.

15 20 25 30 35

Claims (3)

1. Akselpakning (55) til anvendelse i en hydraulisk rotationsmaskine (11) af den art, som har et hus (13) og en drejelig aksel (31), der er omgivet af huset og 5 strækker sig aksialt fremad fra dette, hvilken akselpakning er i stand til at opretholde fluidumtætning mellem akselen og det omgivende hus og indbefatter et i hovedsagen ringformet elastomert tætningselement (65) med i hovedsagen C-formet tværsnit og med en tætningslæbe (71), et i hoved-10 sagen stift, ikke-elastomert ringformet, indre bæreelement (67), der er anbragt med lille afstand fra den roterende aksel og i hovedsagen overalt omgivet af en del af det elastomere tætningselement, hvis tætningslæbe generelt er anbragt bagved det indre bæreelement og er udformet således, 15 at fluidumtryk i et kammer bag akselpakningen presser tætningslæben mod akselen, og et i hovedsagen stift ydre bæreelement (69), der er anbragt så det støtter den del af det elastomere tætningselement, som er i berøring med huset, kendetegnet ved, at: 20 a) det indre bæreelement indbefatter et forreste parti (73) og et bageste parti (75) nær ved tætningslæben, b) i det mindste en del af tætningslæben (71) på det elastomere tætningselement (65) er anbragt, så den omslutter det bageste parti (75) af det indre bæreelement (67), hvorved 25 radial bevægelse af det indre bæreelement ved udbøjning af akselen resulterer i en tilsvarende radial bevægelse af tætningslæben (71) og reducerer belastning på denne.

2. Akselpakning ifølge krav l, kendetegnet ved, at tætningslæben (71) på det elastomere tætningselement 30 (65) fastlægger et drejepunkt (83), og at det bageste parti (75) af det indre bæreelement strækker sig bagud forbi dreje-punktet, hvorved radial bevægelse af det indre bæreelement resulterer i tilsvarende radial bevægelse af drejepunktet.

3. Akselpakning ifølge krav 2, kendetegnet 35 ved, at drejepunktet (83) ligger radialt inden for en forrest mellem det indre (67) og det ydre (69) bæreelement beliggende elastisk del (81) af tætningselementet (65).