Уплотнительное устройство

1 Изобретение относится к уплотнительной технике, а точнее - к сальниковым уплотнениям подвижных соединений возвратно-поступательного и вращательного типа, и может быть использовано для уплотнения валов, штоков и плунжеров в энергетической, химической и нефтедобывающей промышленности. Известно сальниковое уплотнение, состоящее из корпуса, в котором имеется сальниковая камера, заполненная кольцами набивки,нажимной втулки для поджатия набивки к уплотняемой поверхности вала (штока, плунжера).(Уплотнения и уплотнительная техника. Под общей ред. А.Л. Кондакова, "Машиностроение",М., 1986, с.351). Продолжительная работа такого уплотнения возможна лишь при почти полном отсутствии радиальных смещений вала. При повышенных биениях или колебаниях вала возникает повышенное контактное давление на набивку со стороны уплотняемой поверхности вала, что приводит к быстрому износу набивки и необходимости поджимать ее слишком часто для сохранения допустимого уровня утечек. Поэтому возникает необходимость в частой замене набивки. Кроме того повышенное контактное давление приводит к быстрому износу уплотняемой поверхности вала. При очень больших колебаниях вала набивку может даже выдавить наружу через зазор под нажимной втулкой либо внутрь насоса. Известный способ решения этой проблемы использовать сальниковую набивку увеличенного поперечного сечения, что не всегда конструктивно возможно и является дорогостоящим с экономической точки зрения. Кроме того, этот способ не решает задачу в полной мере. Для устранения этого недостатка в целом ряде известных изобретений предложены сальниковые уплотнения, включающие в себя неподвижный корпус уплотнения, радиально подвижную сальниковую коробку, внутренняя полость которой заполняется пакетом набивочных сальниковых колец, и нажимную втулку (грундбуксу), крепящуюся к сальниковой коробке. При этом подвижность сальниковой коробки обеспечивается "нежесткостью" ее связи с корпусом. При радиальном смещении вала возникает избыточное направленное контактное давление на набивку со стороны уплотняемой поверхности вала, что приводит к радиальному смещению сальниковой коробки, благодаря нежесткости связи сальниковой коробки с корпусом. Таким образом, сальниковая коробка отслеживает радиальные смещения вала, что снижает контактное давление на набивку и поэтому удлиняет срок службы уплотнения в "тяжелых" условиях работы (децентровка, перекосы, вибрация, биение, изгиб вала, гидродинамические эффекты в насосе и т.п.). 2 В качестве нежесткой связи сальниковой коробки с корпусом (Патент США 5048847, кл.F16J 15/52, 1991) предложено использовать упругий трубопроводный (сильфонного типа) компенсатор. Конструкция предполагает возможность отслеживания больших (до 3 мм) смещений вала. Недостатком этой конструкции является существенная ее зависимость от давления рабочей среды: чем больше давление рабочей среды, тем прочнее должен быть компенсатор, а это технически реализуется в менее нежесткую конструкцию и приводит к ухудшению подвижности сальниковой коробки. Другой известный способ организации подвижности сальниковой коробки использование упругих (например, резиновых) опорных колец между сальниковой коробкой и неподвижным корпусом (Патент Великобритании 1223301 кл. F 16J 15/18 1971). По сравнению с обычными сальниковыми уплотнениями такое уплотнение обладает тем преимуществом,что в данной схеме радиальные биения вала воспринимаются резиновыми кольцами в отличие от обычного сальникового уплотнения, где биения вала отслеживает только сальниковая набивка. Недостатком данного уплотнения является то, что на практике оно работоспособно только при сравнительно малых радиальных колебаниях вала, определяемых предельной деформацией упругих (резиновых) колец. Кроме того для радиального смещения сальниковой коробке надо преодолеть упругое сопротивление резиновых колец, которое не так уж мало, и в результате контактное давление сальниковая набивка-вал хоть и снижается, но не настолько,чтобы не приводить к износу вала или защитной подсальниковой втулки вала. Вышеописанное уплотнительное устройство может быть выбрано в качестве прототипа,так как совпадает с заявляемым по ряду существенных признаков. Общими признаками являются: неподвижный корпус уплотнения и подвижная в радиальном и осевом направлениях сальниковая коробка с набивкой, охватывающей уплотняемую поверхность вала. В основу заявляемого изобретения поставлена задача усовершенствования уплотнительного устройства путем введения дополнительных элементов, повышающих радиальную подвижность сальниковой коробки, что позволяет повысить надежность и срок службы уплотнительного устройства при достаточно простом его техническом воплощении. Поставленная задача решается за счет того, что уплотнительное устройство, состоящее из корпуса и установленной в корпусе с возможностью перемещения в радиальном и осевом направлениях сальниковой коробки с набивкой, охватывающей уплотняемую поверхность вала, дополнительно снабжено консолью,корневая часть которой соединена с корпусом 3 через упругие опоры, а свободный конец консоли соединен с сальниковой коробкой. Свободный конец консоли может быть жестко соединен с сальниковой коробкой или быть ее частью. Кроме того, свободный конец консоли может быть соединен с сальниковой коробкой через упругие опоры. Упругие опоры, которые соединяют консоль с сальниковой коробкой, могут быть размещены между внутренней поверхностью свободного конца консоли и наружной поверхностью сальниковой коробки, или между наружной поверхностью свободного конца консоли и внутренней поверхностью сальниковой коробки. Внутренняя поверхность корпуса может быть выполнена ступенчатой, причем ступень меньшего диаметра располагается со стороны повышенного давления и в области размещения упругих опор, которые соединяют корневую часть консоли с корпусом. Наружная поверхность сальниковой коробки также может быть выполнена ступенчатой, причем ступень меньшего диаметра располагается со стороны повышенного давления и в области упругих опор, которые соединяют свободный конец консоли с сальниковой коробкой. Наилучшим вариантом будет тот, в котором диаметр ступени сальниковой коробки в области ее соединения со свободным концом консоли будет равен диаметру уплотняемой поверхности вала, охватываемой набивкой. Наличие консоли, соединенной своей корневой частью посредством упругих опор с корпусом уплотнения и свободным концом - с сальниковой коробкой, позволяет повысить подвижность сальниковой коробки. Это достигается благодаря тому, что сальниковая коробка соединена со свободным концом консоли, который находится на расстоянии от ее корневой части, что позволяет сальниковой коробке вместе со свободным концом консоли свободно смещаться в радиальном направлении. Наличие упругих опор, соединяющих корневую часть консоли с корпусом, обеспечивает подвижность свободного конца консоли в радиальном направлении. Соединение свободного конца консоли с сальниковой коробкой через упругие опоры добавляет сальниковой коробке дополнительную степень свободы, улучшая восприятие радиальных биений сальниковой коробкой и позволяя последней самоустанавливаться при перекосах и несоосности вала. Выполнение внутренней поверхности корпуса ступенчатой с размещением ступени меньшего диаметра со стороны повышенного давления и в области размещения упругих опор,соединяющих корневую часть консоли с корпусом, снижает силу, создаваемую давлением рабочей среды и действующую на сальниковую 4 коробку, что приводит к снижению сил трения,возникающих при радиальных смещениях сальниковой коробки, а это, в свою очередь, позволяет еще больше повысить ее радиальную подвижность, особенно - в случае высоких давлений рабочей среды. При наличии нежесткой связи сальниковой коробки со свободным концом консоли тот же результат достигается, если ступенчатой будет выполнена наружная поверхность сальниковой коробки. Причем ступень меньшего диаметра в этом случае должна располагаться со стороны повышенного давления и в области упругих опор, соединяющих свободный конец консоли с сальниковой коробкой. Если диаметр ступени сальниковой коробки в области ее соединения со свободным концом консоли равен диаметру уплотняемой поверхности вала, охватываемой набивкой, то сила, действующая на сальниковую коробку со стороны рабочей среды, будет равна нулю, и,следовательно, силы трения при радиальных смещениях сальниковой коробки будут отсутствовать. Изобретение поясняется чертежом. На фиг. 1 изображено уплотнительное устройство в разрезе; на фиг. 2, 3 - уплотнение с консолью, свободный конец которой соединен с сальниковой коробкой через упругие опоры; на фиг. 4 - уплотнение, в котором внутренняя поверхность корпуса выполнена ступенчатой; на фиг. 5 - уплотнение, в котором наружная поверхность сальниковой коробки выполнена ступенчатой; на фиг. 6 - уплотнение, в котором диаметр меньшей ступени сальниковой коробки равен диаметру уплотняемой поверхности вала. Уплотнительное устройство состоит из неподвижного корпуса 1, в котором размещены сальниковая коробка 2 с набивкой 3, охватывающей уплотняемую поверхность вала 4, и консоль 5. Консоль 5 представляет собой аксиально удлиненную втулку, имеющую корневую часть 6 и свободный конец 7, отстоящие друг от друга по осевой линии на некотором расстоянии. Корневая часть 6 консоли 5 закрепляется в корпусе 1 посредством упругих опор (например,резиновых колец) 8. Кольца 8 устанавливаются с необходимым натягом в канавки 9, имеющиеся в корневой части 6 консоли 5, так что кольца 8 упруго удерживают консоль 5 в корпусе 1 и одновременно обеспечивают необходимую герметичность. Свободный конец 7 консоли 5 соединен с сальниковой коробкой 2. Для поджатия набивки 3 к уплотняемой поверхности вала 4 используется грундбукса 10, которая крепится к фланцу 11 сальниковой коробки 2 с помощью резьбовых соединительных деталей. Корпус 1 снабжен торцевым фланцем 12, который препятствует выдавливанию сальниковой коробки 2 наружу под действием рабочего давления. 5 Свободный конец 7 консоли 5 может жестко соединяться с сальниковой коробкой 2 или являться ее частью (фиг. 1). Это соединение может осуществляться также через упругие опоры 13, причем они могут располагаться между внутренней поверхностью свободного конца 7 консоли 5 и наружной поверхностью сальниковой коробки 2 (фиг. 2),или - между наружной поверхностью свободного конца 7 консоли 5 и внутренней поверхностью сальниковой коробки 2 (фиг. 3). При высоких давлениях рабочей среды внутреннюю поверхность корпуса 1 в случае жесткой связи свободного конца 7 консоли 5 с сальниковой коробкой 2 предпочтительно выполнять ступенчатой, причем ступень меньшего диаметра должна быть расположена со стороны повышенного давления и в области размещения упругих опор 8, соединяющих корневую часть 6 консоли 5 с корпусом 1 (фиг. 4). А в случае упругой связи консоли 5 с сальниковой коробкой 2 наружную поверхность сальниковой коробки 2 желательно выполнять ступенчатой, причем ступень меньшего диаметра должна быть расположена со стороны повышенного давления и в области упругих опор 13,соединяющих свободный конец 7 консоли 5 с сальниковой коробкой 2 (фиг. 5). Причем, самым предпочтительным является вариант выполнения уплотнения, в котором диаметр ступени сальниковой коробки 2 в области ее соединения со свободным концом 7 консоли 5 равен диаметру уплотняемой поверхности вала 4, охватываемой набивкой 3 (фиг. 6). Уплотнение работает следующим образом. Под давлением рабочей среды сальниковая коробка 2 вместе с грундбуксой 10 сдвигается до упора фланца 11 сальниковой коробки 2 в торцевый фланец 12 корпуса 1. При вращении вала 4 сальниковая коробка 2 с набивкой 3 и грундбукса 10 начинают вибрировать как единое целое вместе с валом 4, отслеживая его биения за счет отыгрывания резиновых колец 8 и благодаря тому, что сальниковая коробка 2 связана со свободным концом 7 консоли 5, упруго закрепленной в корпусе 1 уплотнения посредством колец 8. При радиальном смещении вала 4 в процессе работы возникает избыточное контактное давление на набивку 3, которое передается на сальниковую коробку 2. Это усилие приводит к повороту консоли 5 на некоторый угол в радиально-осевой плоскости благодаря эластичности колец 8 в корневой части 6 консоли 5. Точка поворота консоли 5 аксиально удалена от точки результирующего усилия на сальниковую коробку 2 на расстояние L, поэтому консоль 5 работает как рычаг: малое усилие при длинном плече L приводит к большим усилиям,действующим на опоры 8, и малая деформация опор 8 за счет длины L сопровождается большим смещением свободного конца 7 консоли 5. 6 Таким образом, при достаточно большой длине L большие радиальные смещения вала 4 приводят к малой деформации резиновых колец 8 и, вместе с тем, малое избыточное контактное давление вала 4 на набивку 3 приводит к достаточно большим усилиям, необходимым для сжатия резиновых колец 8 и смещения сальниковой коробки 2, связанной со свободным концом 7 консоли 5, то есть, сальниковая коробка 2 обладает в этой конструкции повышенной радиальной подвижностью. При этом соединение свободного конца 7 консоли 5 с сальниковой коробкой 2 может быть жестким или этот свободный конец 7 может быть выполнен как часть сальниковой коробки 2 (фиг. 1). В этом случае сальниковая коробка 2 при радиальном смещении вала 4 будет поворачиваться вместе с консолью 5 в радиально-осевой плоскости, однако,тогда часть набивки 3 может быть деформирована с образованием клиновидного зазора с валом 4, что может усложнить регулировку уровня утечек через набивку 3. Более эффективными являются варианты нежесткой связи свободного конца 7 консоли 5 с сальниковой коробкой 2. Эта связь может быть реализована через упругие опоры (например,резиновые кольца) 13, которые могут располагаться между внутренней поверхностью свободного конца 7 консоли 5 и наружной поверхностью сальниковой коробки 2 (фиг. 2) или между наружной поверхностью свободного конца 7 консоли 5 и внутренней поверхностью сальниковой коробки 2 (фиг. 3). В этом случае при радиальном смещении вала 4 будет происходить поворот консоли 5 в радиально-осевой плоскости, однако сальниковая коробка 2 при этом будет смещаться радиально без поворота и тогда вся набивка 3 не будет деформироваться. Кроме того, эта связь повышает подвижность сальниковой коробки 2 и дает ей возможность самоустанавливаться при перекосах и децентровке вала, что обеспечивает надежность работы уплотнительного устройства. Радиальная подвижность сальниковой коробки 2 повышается также за счет снижения сил трения между фланцем 11 сальниковой коробки 2 и торцевым фланцем 12 корпуса 1, которые возникают в результате действия давления рабочей среды на сальниковую коробку 2. В случае жесткой связи сальниковой коробки 2 с консолью 5 эти силы трения могут быть снижены путем снижения силы воздействия давления рабочей среды, для чего предлагается выполнять внутреннюю поверхность корпуса ступенчатой (фиг. 4). Причем ступень меньшего диаметра выполняется со стороны повышенного давления и в области размещения упругих опор 8, соединяющих корневую часть 6 консоли 5 с корпусом 1. В случае нежесткой связи ступенчатой может быть выполнена наружная поверхность сальниковой коробки 2 (фиг. 5). Ступень меньшего диаметра в этом случае должна рас 7 1. Уплотнительное устройство, состоящее из корпуса и установленной в корпусе с возможностью перемещения в радиальном и осевом направлениях сальниковой коробки с набивкой, охватывающей уплотняемую поверхность вала, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено консолью, корневая часть которой соединена с корпусом через упругие опоры, а свободный конец консоли соединен с сальниковой коробкой. 2. Уплотнительное устройство по п.1, отличающееся тем, что свободный конец консоли жестко соединен с сальниковой коробкой или является ее частью. 3. Уплотнительное устройство по п.1, отличающееся тем, что свободный конец консоли соединен с сальниковой коробкой через упругие опоры. 4. Уплотнительное устройство по пп.1, 3,отличающееся тем, что упругие опоры, соединяющие консоль с сальниковой коробкой, размещены между внутреннейповерхностью свободного конца консоли и наружной поверхностью сальниковой коробки. 5. Уплотнительное устройство по пп.1, 3,отличающееся тем, упругие опоры, соединяющие консоль с сальниковой коробкой, размещены между наружной поверхностью свободного конца консоли и внутренней поверхностью сальниковой коробки. 6. Уплотнительное устройство по пп.1, 2,отличающееся тем, что внутренняя поверхность корпуса выполнена ступенчатой, причем ступень меньшего диаметра расположена со стороны повышенного давления и в области размещения упругих опор, соединяющих корневую часть консоли с корпусом. 7. Уплотнительное устройство по пп.1, 3,4, отличающееся тем, что наружная поверхность сальниковой коробки выполнена ступенчатой,причем ступень меньшего диаметра расположена со стороны повышенного давления и в области упругих опор, соединяющих свободный конец консоли с сальниковой коробкой. 8. Уплотнительное устройство по пп.1, 3,4, 7, отличающееся тем, что диаметр ступени сальниковой коробки в области ее соединения со свободным концом консоли равен диаметру уплотняемой поверхности вала, охватываемой набивкой. полагаться со стороны повышенного давления и в области упругих опор 13, соединяющих свободный конец 7 консоли 5 с сальниковой коробкой 2. Оба эти варианты выполнения позволяют уменьшить суммарную площадь поверхности сальниковой коробки 2, на которую воздействует давление рабочей среды, что приводит к снижению силы трения, препятствующей радиальной подвижности сальниковой коробки 2. Эти силы трения будут вообще отсутствовать, если диаметр ступени сальниковой коробки 2 в области ее соединения со свободным концом 7 консоли 5 будет равен диаметру уплотняемой поверхности вала 4, охватываемой набивкой 3 (фиг. 6). В этом случае сила, действующая на сальниковую коробку 2 со стороны рабочей среды, будет равна нулю. Повышение радиальной подвижности сальниковой коробки 2 за счет снижения сил трения между фланцами 11 и 12 повышает надежность работы уплотнительного устройства,особенно в условиях высоких давлений рабочей среды. Таким образом, заявляемое уплотнительное устройство обладает повышенной радиальной подвижностью сальниковой коробки. Следствием этого является то, что при работе контактные давления со стороны вала на набивку снижаются, и поэтому набивка служит в несколько раз дольше, чем в известных сальниковых узлах. Она практически не разбивается, не истирается и не изнашивает уплотняемую поверхность вала (защитную рубашку вала). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ