Герметичный ввод вращения

Изобретение относится к средствам для герметичной передачи вращательного движения различным механизмам и аппаратам в емкостях, содержащих рабочие среды с различными параметрами в широких диапазонах температур, и может быть использовано в нефтехимической и машиностроительной технике. Герметичный ввод вращения состоит из корпуса, в котором размещены вращающийся вал и торцовое уплотнение. Последнее содержит две пластины из износостойкого керамического материала и установленную между этими пластинами с возможностью вращения промежуточную пластину, выполненную из того же материала, в виде полированного с обеих сторон диска. На торцах диска имеются соответствующие форме выступов вращающегося вала углубления, в которых размещены герметизирующие эластичные уплотнения. Кроме того, на зафиксированных пластинах торцового уплотнения выполнены сквозные отверстия для вакуумной смазки, а по их контуру сделаны фаски, в которые вставлены упругие эластичные уплотнения, прижимаемые к основанию корпуса плоской пружиной и прижимной гайкой. Изобретение позволяет значительно повысить надежность и долговечность работы за счет значительного повышения герметичности и упрощения сборки, и это позволяет расширить область применения. 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к средствам для герметичной передачи вращательного движения различным механизмам и аппаратам в емкостях, содержащих рабочие среды с различными параметрами в широких диапазонах температур, и может быть использовано в нефтехимической и машиностроительной технике.

Известны герметичные вводы вращения (далее ГВВ), в которых используются для передачи вращения система валов с эксцентриками, закрепленные на корпусе с помощью сильфонов, или эластичных рукавов [RU № 2057979, 1993]. Такие ГВВ недостаточно надежны и долговечны, имеют ограниченную область применения.

Известен ГВВ [RU № 2152550, 1996], содержащий пару трения из двух дисков, подвижного и неподвижного, у которых одна из торцовых поверхностей контакта имеет различные участки износостойкости, выполненные на поверхности контакта в виде концентрических колец. При этом герметизация уплотнения обеспечивается поджатием вращающегося диска пружиной. Это устройство повышает его износостойкость, однако такое техническое решение теоретически оправдано при условии равномерного износа всех компонентов контакта. На практике же трудно добиться такого равномерного износа и сохранения плоскопараллельности (отсутствие шероховатости или ее минимальное присутствие на поверхности контакта) контактирующих поверхностей, а тем более проконтролировать его. Усилия поджатия пары трения пружиной не решает этой проблемы, т.к. любая микронеровность или локальный износ между контактирующими поверхностями в процессе трения приводит к нарушению плоскопараллельности пары трения и ее герметичности, а следовательно, надежность и долговечность такого устройства недостаточны.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее корпус, в котором установлен вал и торцовое уплотнение, в котором между парой трения установлено подвижное в осевом направлении промежуточное кольцо, которое закреплено на втулке, установленной с помощью подшипника в корпусе эксцентрично относительно оси вала и связанной с ним механизмом передачи [РФ 698356, 1977].

Конструкция этого устройства недостаточно надежна из-за большой контактирующей поверхности, а следовательно, и трения между деталями уплотнения. К тому же применение эксцентрика ведет к износу (выработке) локальных участков контакта, в данном случае в радиальном направлении, что приводит к быстрому нарушению герметизации уплотнения.

Задачей заявляемого технического решения является повышение надежности и долговечности работы ГВВ, упрощение его конструкции и сборки, а также расширение области его применения.

Поставленная задача решается тем, что в герметичном вводе вращения, состоящем из корпуса, в котором размещен вращающийся вал и торцовое уплотнение, содержащее две пластины из износостойкого керамического материала, с плоскопараллельными полированными поверхностями контакта, зафиксированные от вращения в корпусе конфигурацией на их наружной стороне, соответствующей посадочному месту торцового уплотнения в корпусе, и установленную между этими пластинами с возможностью вращения промежуточную пластину, выполненную из того же материала в виде полированного с обеих сторон диска, на торцах которого имеются соответствующие форме выступов вращающегося вала углубления с размещенными в них герметизирующими эластичными уплотнениями, кроме того, на зафиксированных пластинах торцевого уплотнения выполнены сквозные отверстия для вакуумной смазки, а по контуру сделаны фаски, в которые вставлены упругие эластичные уплотнения, прижимаемые к основанию корпуса плоской пружиной и прижимной гайкой.

Для улучшения качества вращения и повышения надежности сквозные отверстия для вакуумной смазки на зафиксированных пластинах могут быть выполнены по радиусам с углом между ними 120-180°.

Для упрощения сборки устройства предлагается выполнить вал разъемным, например, из двух частей, соединенных резьбой, при этом на промежуточной подвижной пластине выполнены с обеих сторон глухие углубления, соответствующие формам выступов на валу вращения.

В случае, если приводной вал выполнен неразъемным, для повышения надежности работы устройства на противоположных концах вала могут быть установлены торцовые уплотнения, содержащие зафиксированные керамические пластины и расположенную между ними промежуточную пластину, установленную с возможностью вращения.

Для снижение вибрации при больших скоростях вращения вала и не снижения при этом надежности герметизации на торцах подвижного вала под прижимной гайкой размещен подшипник.

При работе ГВВ в особо чистых средах герметизации торцовые уплотнения могут быть выполнены из метала или металлокерамики, а эластичные уплотнения - из материалов с высокой температурой плавления.

Заявленное устройство отличается от известных тем, что пластины торцового уплотнения выполнены из керамического материала, в подвижной промежуточной пластине выполнены углубления, соответствующие выступам вала, а на зафиксированных пластинах выполнены сквозные отверстия для вакуумной смазки, что позволяет судить о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан ГВВ, корпус которого выполнен заодно с корпусом рабочей емкости, на фиг.2 - ГВВ в отдельном корпусе с отверстиями для монтажа на стенке рабочей емкости, на фиг.3 приведен ГВВ, содержащий торцовое уплотнение, состоящее из 2-х пластин и диска и вращающегося вала, соединенного с помощью резьбы, на фиг.4 - ГВВ, содержащий блок уплотнения из 2-х пластин и диска и разъединенный вал, на фиг.5 показано резьбовое соединение приводного вала, на фиг.6, 7, 8 - разные формы выполнения подвижного диска торцового уплотнения ГВВ, на фиг.9 - форма выполнения одной из зафиксированных пластин торцового уплотнения ГВВ, на фиг.10 - показана схема расположения сквозных отверстий, на фиг.11, 12 - конструкция ГВВ с неразъемным валом.

ГГВ состоит из корпуса 1, разъемного (фиг.1, 2, 3, 4, 5) и не разъемного (фиг.11 и 12) вала 1, торцового уплотнения, содержащего зафиксированные пластины 3 и 5, промежуточный подвижный диск 4, плоскую пружину 6 и прижимные гайки 7, уплотнения 8 вала, располагаемые в углублениях на торцах подвижной промежуточной пластины 4 и уплотнения 9, устанавливаемые на неподвижных пластинах 3 и 5. В случае неразъемного вала (фиг.12) для снижения вибрации между плоскими пружинами 6 и прижимными гайками 7 установлены подшипники 10.

Сборка ГВВ производится следующим образом.

Для упрощения сборки вал может быть выполнен разъемным. В этом случае герметичность разъемного вала, части которого соединены, достигается за счет уплотнений 9, расположенных в углублениях подвижного диска, но которые прижимаются к основанию углублений при завинчивании одной части вала в другую.

При разъемном вале 2 его части соединяют, например, резьбой через уплотнения 8 с двух сторон на подвижном диске 4. Прижатие уплотнений в углублениях подвижного диска обеспечивается выступами на обеих половинках вращающегося вала в процессе их свинчивания. Затем на основании корпуса 1 устанавливают уплотнение 9 и неподвижную пластину 3, далее устанавливают подвижный диск 4 в сборе с валом, после этого устанавливают верхнюю пластину 5, уплотнения 9, плоскую пружину 6 и всю конструкцию закрепляют в корпусе 1 гайкой 7, затем собранный ГВВ закрепляют с помощью болтов и уплотнений на стенку рабочей емкости (фиг.2).

В случае неразъемного вала 2 (фиг.11, 12) между основаниями углублений подвижных дисков 4 и выступами вала 2 также устанавливают эластичные упругие уплотнения 8. При больших скоростях вращения элементов или узлов в рабочей емкости, когда вал испытывает большие нагрузки и вибрации, на вал вращения 2 устанавливают подшипники 10 (фиг.12) со скользящей посадкой, с возможностью их перемещения вдоль оси при закручивании прижимных гаек 7.

Для повышения степени герметичности ГВВ, работающих, например, в вакуумной среде, контактирующие поверхности керамических пластин смазывают вакуумной или другой смазкой с аналогичными свойствами, при сборке ГВВ, и заполняют такой же смазкой выполненные в неподвижных керамических пластинах 3, 5 отверстия, которые располагают относительно друг друга так, чтобы не нарушать прочности детали, а с другой стороны обеспечить смазку возможно большей поверхности контакта.

Многократные эксперименты показали, что обеспечивается смазкой наибольшая поверхность контакта и при этом не нарушается прочность, если сквозные отверстия для вакуумной смазки на зафиксированных пластинах выполнены по радиусам с углом между ними 120-180°.

В процессе вращения керамические пластины нагреваются, вязкость смазки уменьшается, и она поступает через отверстия к поверхности контакта. Смазка также уменьшает трение между контактирующими поверхностями и, соответственно, износ керамических пластин в процессе вращения подвижного диска 4.

Зафиксированные керамические пластины торцевого уплотнения 3 и 5 изготавливают с внешним контуром в форме, например, квадрата (фиг.7 и 9), чтобы сразу зафиксировать их в корпусе от вращения вокруг оси вала 2, имеющем такое же по геометрии ответное посадочное место. Кроме того, на керамических пластинах 3, 5 площадь контакта с подвижным диском 4 может быть и в виде круга (фиг.6, 8 и 10). Чтобы оптимально учесть силу трения и степень герметизации, форму и конфигурацию подвижного диска определяют или расчетами, или экспериментальным подбором. Для повышения надежности уплотнений 9 по внешнему контуру керамических пластин 3, 5 делают фаски или канавки, в которые вставляют уплотнения 9. Подвижный керамический диск 4 выполнен в виде таблетки с выемками посередине. С одной стороны выемка имеет форму квадрата, и на валу вращения также имеется выступ в виде квадрата, который входит в это посадочное место диска. С другой стороны диска (фиг.3) выемка имеет вид круга, и, соответственно, на второй половине вала вращения имеется круглый выступ с отверстиями для штифта. Отверстия для штифта выполнены и со стороны круглой выемки подвижного диска (фиг.8). При соединении вала вращения с помощью резьбы (фиг.3) установка штифта в одно из отверстий (фиг.8) обеспечивает дополнительную фиксацию вала от раскручивания. Если приводной вал состоит из отдельных стыкующихся половинок или является неразъемным, то с обеих сторон подвижного диска выемки удобнее и надежнее делать в форме квадрата (фиг.6). Выемки на подвижном диске или внешняя конфигурация на неподвижных пластинах могут иметь и другую геометрическую форму, например прямоугольника, трапеции и т.п. Для изготовления неподвижных пластин и подвижного диска торцового уплотнения в отдельных случаях могут быть использованы такие износостойкие материалы, как метал, металлокерамика и др. При использовании ГВВ в высокотемпературных средах в качестве уплотнений неподвижных пластин и подвижного диска могут быть применены материалы с высокой температурой плавления, например из свинца, олова, отожженой меди и т.п.

Устройство работает следующим образом.

От электрического или механического привода, соединенного с валом 2, вращение передается подвижному керамическому диску 4 и элементам или узлам, закрепленным на валу в рабочей емкости. Например, на валу в рабочей емкости могут быть закреплены лопасти мешалки и т.п. Соединение вала 2 и подвижного диска 4 осуществляется за счет углублений на торцах подвижного диска 4, соответствующих выступам на валу 2, которые входят в зацепление с углублениями подвижного диска 4 и приводят подвижный диск 4 во вращение заодно с валом 2 относительно неподвижных керамических пластин 3 и 5. Торцовое уплотнения ГВВ (керамические пластины 3, 4 и 5) герметизируют относительно стенок корпуса 1 ГВВ и относительно вращающегося вала 2. Герметизацию пластин торцового уплотнения относительно стенок корпуса 1 осуществляют с помощью эластичных упругих уплотнений 9, установленных между неподвижными керамическими пластинами 3, 5 и стенками корпуса 1. Одновременно герметизация осуществляется по плоскопараллельным полированным поверхностям контакта между неподвижными керамическими пластинами 3, 5 и подвижным керамическим диском 4. Регулировка силы прижатия уплотнений, торцевого уплотнения осуществляется плоской пружиной 6 и прижимной гайкой 7.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом и другими техническими решениями обладает техническими преимуществами, заключающимися в повышении надежности и долговечности работы за счет значительного повышения герметичности и упрощения сборки, что позволяет расширить область применения.

1. Герметичный ввод вращения, состоящий из корпуса, в котором размещен вращающийся вал и торцевое уплотнение, содержащее две пластины из износостойкого керамического материала, с плоскопараллельными полированными поверхностями контакта, зафиксированные от вращения в корпусе конфигурацией на их наружной стороне, соответствующей посадочному месту торцевого уплотнения в корпусе, и установленную между этими пластинами с возможностью вращения промежуточную пластину, выполненную из того же материала в виде полированного с обеих сторон диска, на торцах которого имеются соответствующие форме выступов вращающегося вала углубления, в которых размещены герметизирующие эластичные уплотнения, кроме того, на зафиксированных пластинах торцевого уплотнения выполнены сквозные отверстия для вакуумной смазки, а по их контуру сделаны фаски, в которые вставлены упругие эластичные уплотнения, прижимаемые к основанию корпуса плоской пружиной и прижимной гайкой.

2. Герметичный ввод вращения по п.1, отличающийся тем, что сквозные отверстия для вакуумной смазки на зафиксированных пластинах выполнены по радиусам с углом между ними 120-180°.

3. Герметичный ввод вращения по п.1, отличающийся тем, что вращающийся вал выполнен разъемным, при этом на промежуточной подвижной пластине выполнены с обеих сторон глухие углубления, соответствующие формам выступов на валу вращения.

4. Герметичный ввод вращения по п. 1, отличающийся тем, что приводной вал выполнен их двух частей, соединенных резьбой.

5. Герметичный ввод вращения по п.1, отличающийся тем, что приводной вал выполнен неразъемным и на противоположных концах вала установлены торцевые уплотнения, содержащие зафиксированные керамические пластины и расположенную между ними промежуточную пластину, выполненную из того же материала в виде полированного с обеих сторон диска, установленного с возможностью вращения.

6. Герметичный ввод вращения по п.4, отличающийся тем, что на торцах подвижного вала под прижимной гайкой размещен подшипник.

7. Герметичный ввод вращения по п.1, отличающийся тем, что пластины торцевого уплотнения выполнены из ситалла.

8. Герметичный ввод вращения по п.1, отличающийся тем, что пластины торцевого уплотнения выполнены из металлокерамики.

9. Герметичный ввод вращения по п.1, отличающийся тем, что эластичные уплотнения выполнены из материалов с высокой температурой плавления.