RU2285172C2

RU2285172C2 - Sealing device

Info

Publication number: RU2285172C2
Application number: RU2004138654/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Константинович Машков (RU); Юрий Константинович Машков; Зиновий Николаевич Овчар (RU); Зиновий Николаевич Овчар
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-10-10
Also published as: RU2004138654A

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: sealing device comprises bearing member made of a ring having rectangular cross-section, load-bearing member, and sealing member that are mounted in the rotating member of the device. The sealing member is secured in the rigid ring having L-shaped cross-section and made of antifriction polymeric composition material with sealing jaw perpendicular to the axis of rotation The ratio of the thickness of the axle to its length is no more than 1:25. The axle is pressed to the conjugated surface of the bearing member by means of a load-bearing member mounted coaxially to the sealing member.

EFFECT: enhanced reliability, prolonged service life, and simplified structure.

3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнительной технике, и может быть использовано в герметизирующих устройствах гидравлической и газовой аппаратуры, например в нефтеперекачивающих и других насосах, гидромашинах и т.п.The invention relates to mechanical engineering, in particular to sealing equipment, and can be used in sealing devices of hydraulic and gas equipment, for example, in oil pumping and other pumps, hydraulic machines, etc.

Известно герметизирующее устройство (Патент РФ № 2047799, кл. F 16 J 15/32, 1995), содержащее уплотнительное кольцо из антифрикционного материала со стенкой и уплотнительной губкой, установленное между подвижным и неподвижным элементами устройства и кольцо круглого сечения из эластичного материала, поджимающее губку уплотнительного кольца к герметизирующей поверхности. При этом отношение толщины уплотняющей губки и ее длины составляет не более 1:2, а поджимающее кольцо круглого сечения выполнено с диаметром поперечного сечения в пределах 1,5-2,0 длины губки. Этому устройству также присущи недостатки, снижающие надежность уплотнения и степень герметичности соединения. Первый недостаток заключается в том, что при отношении толщины уплотняющей губки к ее длине 1:2 жесткость губки при использовании полимерных композиционных материалов для изготовления уплотнительного кольца оказывается более высокой, чем необходимо для компенсации погрешностей изготовления и сборки деталей устройства. Это приводит к неравномерному прижатию губки и недостаточному уровню контактного давления губки на уплотняемую цилиндрическую поверхности по ее окружности.A sealing device is known (RF Patent No. 2047799, class F 16 J 15/32, 1995), comprising an o-ring made of antifriction material with a wall and a sealing sponge installed between the movable and fixed elements of the device and an O-ring of elastic material, which compresses the sponge O-rings to the sealing surface. In this case, the ratio of the thickness of the sealing lip and its length is not more than 1: 2, and the compression ring is made with a cross-sectional diameter in the range of 1.5-2.0 of the length of the lip. This device also has disadvantages that reduce the reliability of the seal and the degree of tightness of the connection. The first drawback is that when the ratio of the thickness of the sealing sponge to its length 1: 2, the stiffness of the sponge when using polymer composite materials for the manufacture of the sealing ring is higher than necessary to compensate for errors in the manufacture and assembly of parts of the device. This leads to an uneven pressing of the sponge and an insufficient level of contact pressure of the sponge on the sealed cylindrical surface around its circumference.

Второй недостаток устройства заключается в том, что при диаметре поперечного сечения поджимающего кольца в пределах 1,5-2,0 длины губки, т.е. в 1,5-2,0 раза больше длины губки, губка по всей длине при деформации поджимающего кольца плотно прижимается к его поверхности. При таком положении уплотняющего и силового элементов с увеличением давления уплотняемой рабочей среды давление среды не воздействует на уплотняющую губку и повышения контактного давления на уплотняемую поверхность не происходит. Вследствие чего степень герметичности снижается из-за увеличения перепада давлений на уплотняющем кольце. Кроме того, это герметизирующее устройство может быть использовано только для герметизации цилиндрических поверхностей валов, цилиндров.The second disadvantage of the device is that when the diameter of the cross section of the compression ring is within 1.5-2.0 of the length of the sponge, i.e. 1.5-2.0 times the length of the sponge, the sponge along the entire length when the compression ring is deformed tightly pressed to its surface. With this position of the sealing and power elements with increasing pressure of the sealing medium, the pressure of the medium does not affect the sealing sponge and the contact pressure does not increase on the sealing surface. As a result, the degree of tightness is reduced due to an increase in the differential pressure on the sealing ring. In addition, this sealing device can only be used to seal the cylindrical surfaces of shafts, cylinders.

Известно герметизирующее устройство торцового типа (Голубев А.И. Торцовые уплотнения вращающихся валов. - М.: Машиностроение, 1974. - 212 с.), содержащее опорный элемент в виде кольца прямоугольного сечения, установленного в невращающемся элементе - направляющей втулке, упругий силовой элемент, связанный с невращающимся элементом, вращающийся элемент в виде кольца прямоугольного сечения, устанавливаемый во втулке, закрепленный на вращающемся валу. Опорный и вращающийся элементы выполнены из силицированного графита или металлокерамики и сопрягаются по плоским торцовым поверхностям, обеспечивая определенную степень герметичности.Known sealing device of the mechanical type (Golubev A.I. Mechanical seals of rotating shafts. - M .: Mashinostroenie, 1974. - 212 p.), Containing a support element in the form of a ring of rectangular cross section installed in a non-rotating element - a guide sleeve, an elastic force element associated with a non-rotating element, a rotating element in the form of a ring of rectangular cross section, mounted in a sleeve, mounted on a rotating shaft. The supporting and rotating elements are made of siliconized graphite or cermets and mate on flat end surfaces, providing a certain degree of tightness.

Это устройство наиболее близко по своей технической сущности к предлагаемому изобретению, однако ему также присущи недостатки, снижающие его надежность и ресурс особенно в жестких условиях эксплуатации, характеризующихся высокой скоростью относительного скольжения сопряженных поверхностей колец (15-25 м/с), высокими динамическими нагрузками, агрессивностью и загрязненностью перекачиваемой жидкости абразивными частицами и т.п.This device is closest in technical essence to the proposed invention, however, it also has disadvantages that reduce its reliability and resource, especially in harsh operating conditions, characterized by high relative sliding speed of the mating surfaces of the rings (15-25 m / s), high dynamic loads, aggressiveness and contamination of the pumped liquid by abrasive particles, etc.

Основной недостаток известного устройства заключается в том, что сопряженные кольца жестко установлены в различных элементах конструкции: неподвижное - в корпусе, вращающееся - на валу. При этом в конструкции нет элементов, обеспечивающих компенсацию радиальных и торцовых погрешностей установки и изготовления колец. Это вызывает необходимость трудоемкой совместной притирки и приработки колец и исключает их взаимозаменяемость. Однако тщательная притирка колец не предотвращает перекосов колец в пределах радиальных зазоров и погрешностей установки вала, которые могут увеличиваться в условиях эксплуатации вследствие износа деталей. Все это приводит к значительному снижению степени герметичности, неравномерному распределению контактного давления, появлению высоких локальных давлений на отдельных участках сопряженных поверхностей, приводящих к развитию деформаций и напряжений, превышающих предел прочности материала, и как следствие, к преждевременному поверхностному разрушению колец.The main disadvantage of the known device is that the mating rings are rigidly mounted in various structural elements: fixed - in the housing, rotating - on the shaft. At the same time, there are no elements in the design that provide compensation for radial and end errors of the installation and manufacture of rings. This necessitates a laborious joint grinding and running-in of rings and excludes their interchangeability. However, careful grinding of the rings does not prevent the distortions of the rings within the radial clearances and shaft installation errors, which can increase in operating conditions due to wear of parts. All this leads to a significant decrease in the degree of tightness, uneven distribution of contact pressure, the appearance of high local pressures on certain sections of the mating surfaces, leading to the development of deformations and stresses exceeding the tensile strength of the material, and as a result, premature surface fracture of the rings.

Задачей изобретения является повышение надежности и долговечности устройства, для чего в герметизирующем устройстве, содержащем опорный элемент в виде кольца прямоугольного сечения, установленного в невращающемся элементе или корпусе устройства, силовой элемент, уплотняющий элемент, установленный во вращающемся элементе устройства, неподвижно закреплен в кольце жесткости, выполнен в виде кольца Г-образного сечения из полимерного композиционного материала с уплотняющей губкой, перпендикулярной оси вращения и поджимаемой к сопряженной поверхности опорного элемента силовым элементом из эластичного материала в виде кольца круглого сечения с диаметром не менее 0,5 длины уплотняющей губки, имеющей отношение ее толщины к длине не более 1:2,5 и кольцевую канавку и радиальные пазы на поверхности, сопряженной с поверхностью опорного элемента.The objective of the invention is to increase the reliability and durability of the device, for which, in a sealing device containing a support element in the form of a rectangular ring mounted in a non-rotating element or device body, the power element, the sealing element installed in the rotating element of the device, is fixedly mounted in the stiffness ring, made in the form of an L-shaped ring made of a polymer composite material with a sealing sponge perpendicular to the axis of rotation and pressed against the surface of the support element by a force element of elastic material in the form of a circular ring with a diameter of at least 0.5 the length of the sealing lip having a ratio of its thickness to the length of not more than 1: 2.5 and an annular groove and radial grooves on the surface mating surface supporting element.

В отличие от известных герметизирующих устройств уплотняющий элемент из антифрикционного полимерного композиционного материала в виде кольца Г-образного сечения с уплотняющей губкой обеспечивает компенсацию погрешностей сборки и изготовления деталей устройства и плотное сопряжение с поверхностью опорного элемента вследствие малой жесткости материала и губки. Это исключает возникновение высоких локальных контактных давлений и внутренних напряжений в материалах сопряженных деталей. Достижению названного состояния элементов устройства способствует малая жесткость уплотняющей губки, благодаря соотношению ее толщины и длины не более 1:2,5, и сила упругой деформации силового элемента - кольца с диаметром не менее 0,5 длины уплотняющей губки. Минимальная толщина губки определяется конструктивно-технологическими параметрами: механической прочностью и жесткостью (предел прочности, модуль упругости) полимерного композиционного материала и технологией изготовления кольца. Наличие радиальных пазов на торце вращающегося уплотнительного элемента обеспечивает снижение контактного давления за счет гидродинамического эффекта и улучшение смазки, что приводит к снижению силы трения и износа трущихся поверхностей уплотнительного и опорного элемента.In contrast to known sealing devices, a sealing element made of an antifriction polymer composite material in the form of an L-shaped ring with a sealing sponge provides compensation for errors in the assembly and manufacture of device parts and tight coupling with the surface of the support element due to the low rigidity of the material and the sponge. This eliminates the occurrence of high local contact pressures and internal stresses in the materials of the mating parts. Achieving the named state of the elements of the device contributes to the low stiffness of the sealing lip, due to the ratio of its thickness and length not more than 1: 2.5, and the force of elastic deformation of the power element - rings with a diameter of at least 0.5 of the length of the sealing lip. The minimum thickness of the sponge is determined by the structural and technological parameters: mechanical strength and stiffness (tensile strength, elastic modulus) of the polymer composite material and the manufacturing technology of the ring. The presence of radial grooves at the end of the rotating sealing element provides a reduction in contact pressure due to the hydrodynamic effect and improved lubrication, which leads to a decrease in the friction force and wear of the rubbing surfaces of the sealing and supporting element.

На фиг.1, 2 показана конструкция герметизирующего устройства, на фиг.3 показана уплотняющая губка с кольцевой канавкой и радиальными пазами, на фиг.4 показан разрез А-А на фиг.3, на фиг.5 показан силовой элемент, на фиг.6 показан разрез Б-Б на фиг.5. Герметизирующее устройство содержит опорный элемент 1, установленный в невращающемся элементе 2, силовой элемент 3 в виде резинового кольца круглого сечения или тонкостенного цилиндрического кольца с коническим фланцем и радиальными прорезями из упругого материала (фиг.6), вращающийся уплотнительный элемент 4 из антифрикционного полимерного композиционного материала, закрепленный неподвижно в кольце жесткости 5, установленном соосно во вращающемся элементе 6, связанном с валом насоса, гидромашины и т.п. Центрирование вращающегося уплотнительного элемента 4 и силового элемента 3 обеспечивается опорой 7.Figure 1, 2 shows the design of the sealing device, figure 3 shows the sealing lip with an annular groove and radial grooves, figure 4 shows a section aa in figure 3, figure 5 shows the power element, in fig. 6 shows a section bB in figure 5. The sealing device contains a support element 1 mounted in a non-rotating element 2, a power element 3 in the form of a rubber ring of circular cross-section or a thin-walled cylindrical ring with a tapered flange and radial slots of elastic material (Fig.6), a rotating sealing element 4 of an antifriction polymer composite material fixed motionless in the ring of rigidity 5, mounted coaxially in the rotating element 6, connected with the shaft of the pump, hydraulic machines, etc. The centering of the rotating sealing element 4 and the power element 3 is provided by the support 7.

В нерабочем состоянии перед запуском насоса начальное контактное давление Р₀ уплотняющей губки на опорное кольцо обеспечивается за счет сил упругой деформации кольца 3. После запуска насоса давление рабочей среды с внешней стороны колец 1, 3, 4 повышается, что приводит к увеличению контактного давления и сохранению определенной степени герметичности несмотря на повышения перепада давлений между внешней и внутренней полостями устройства.In the idle state, before starting the pump, the initial contact pressure P _{0 of the} sealing lip on the support ring is ensured by the elastic deformation of ring 3. After the pump is started, the pressure of the working medium from the outer side of rings 1, 3, 4 increases, which leads to an increase in contact pressure and a certain degree of tightness despite the increase in the pressure differential between the external and internal cavities of the device.

На фиг.3 показаны кольцевая канавка К и радиальные пазы П, выполненные на уплотняющей губке уплотнительного кольца 5, имеющей радиальную длину L и толщину h. Пазы П могут быть выполнены под любым углом α к радиальному направлению. При вращении вала насоса давление рабочей жидкости, заполняющей радиальные пазы П и кольцевую канавку К, за счет гидродинамического эффекта повышается, благодаря чему среднее контактное давление и перепад рабочей жидкости уменьшаются. Вследствие этого существенно облегчаются условия работы трущихся поверхностей (уменьшение контактного давления, улучшение смазки), снижается скорость изнашивания контактирующих поверхностей. Степень герметичности сохраняется благодаря уменьшению перепада давлений рабочей жидкости между внешней и внутренней полостями устройства.Figure 3 shows the annular groove K and the radial grooves P made on the sealing lip of the sealing ring 5 having a radial length L and thickness h. The grooves P can be made at any angle α to the radial direction. When the pump shaft rotates, the pressure of the working fluid filling the radial grooves P and the annular groove K increases due to the hydrodynamic effect, due to which the average contact pressure and the differential pressure of the working fluid decrease. As a result, the working conditions of rubbing surfaces are significantly facilitated (reduction of contact pressure, improved lubrication), and the wear rate of contacting surfaces is reduced. The degree of tightness is maintained due to a decrease in the differential pressure of the working fluid between the external and internal cavities of the device.

Таким образом, конструкция герметизирующего устройства обеспечивает благоприятные условия для герметизации и смазки сопрягаемых поверхностей уплотняющего и опорного элементов. Заданное соотношение толщины и длины уплотняющей губки 1:2,5 и согласованный с длиной губки диаметр сечения силового элемента обеспечивают минимальную жесткость и надежное поджатие губки к уплотняемой поверхности. Гидродинамическая разгрузка уплотняющих элементов за счет радиальных пазов в совокупности с рассмотренными особенностями конструкции устройства создают благоприятные условия для работы пары трения и надежное уплотнение подвижного сопряжения в процессе длительной эксплуатации.Thus, the design of the sealing device provides favorable conditions for sealing and lubrication of the mating surfaces of the sealing and supporting elements. The predetermined ratio of the thickness and length of the sealing lip 1: 2.5 and the diameter of the cross section of the power element matched to the length of the lip ensure minimal rigidity and reliable pressing of the lip to the sealing surface. The hydrodynamic unloading of the sealing elements due to radial grooves, together with the considered design features of the device, create favorable conditions for the friction pair to work and reliable sealing of the rolling mate during long-term operation.

Claims

1. A sealing device containing a support element in the form of a ring of rectangular cross section installed in a non-rotating element or device body, power and sealing elements installed in a rotating element of the device, characterized in that the sealing element fixedly installed in the stiffening ring is made in the form of a ring L-shaped section made of an antifriction polymer composite material with a sealing sponge perpendicular to the axis of rotation, having a ratio of thickness to length not more than 1: 2.5 and aemoy to the mating surface of the support member power element mounted coaxially with the sealing element.

2. The device according to claim 1, characterized in that an annular groove and grooves connecting the groove with the internal cavity of the device are made on the surface of the sealing lip associated with the support element.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the power element is made of elastic material in the form of a circular ring with a diameter of at least 0.5 of the length of the sealing lip.

4. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the power element is made of elastic material in the form of a thin-walled cylindrical ring with a conical flange on which radial slots are made.