Торцовое уплотнение для герметизации вращающихся валов

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована, например, в устройствах гидравлической защиты электродвигателей погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти.

Известно торцовое уплотнение для герметизации вращающихся валов (см. патент РФ 2170864, F16J 15/34, 2000 г), содержащее узел поджимной, включающий в себя упорное кольцо пары трения, и узел ответный, включающий в себя опорное кольцо пары трения. Кольца пар трения узла поджимного и узла ответного выполнены из антифрикционного материала. В качестве антифрикционных материалов, как правило, используются керамика или твердый сплав.

В такой конструкции применение колец пар трения из керамики или из твердого сплава позволяет работать торцовому уплотнению при повышенных температурах рабочей среды. В настоящее время наиболее часто для таких условий работы применяются вставки и кольца из керамики и из твердых сплавов карбида вольфрама со связкой из кобальта типа ВК8 или карбида вольфрама со связкой из никеля типа СН8. Эти материалы являются дорогостоящими, что приводит удорожанию торцового уплотнения. В то же время детали из керамики и твердосплавных материалов хрупкие, это требует особо бережного обращения с ними при сборке, транспортировке, эксплуатации, ремонтных работах. Детали из этих материалов не должны иметь концентраторов напряжений, резких переходов с одной толщины на другую, должны иметь равномерную нагрузку по всей поверхности трения. Изделия из этих материалов разрушаются при вибрационных нагрузках. Это приводит к снижению надежности и долговечности работы торцового уплотнения. Использование твердосплавных и керамических вставок и колец в качестве пар трения узла поджимного и узла ответного снижает надежность торцового уплотнения вследствие того, что материалы, куда они устанавливаются, и кольца (керамические или твердосплавные) имеют большую разность коэффициентов линейного термического расширения. Выполнение дополнительных элементов, например, пазов и отверстий, в твердосплавных и керамических кольцах приводит к снижению надежности торцового уплотнения из-за хрупкости их. Вследствие этого нагрев при работе торцового уплотнения с твердосплавными и керамическими вставками и кольцами приводит к выпадению их из мест запрессовки или разрушению их. Установка их через мягкие герметизирующие прокладки, например, через резину, ухудшает отвод тепла из зоны трения. При увеличении оборотов вала увеличивается выделение тепла в зоне трения. Все это отрицательно сказывается на работоспособности торцового уплотнения, приводит к снижению надежности и долговечности работы торцового уплотнения, особенно при повышенных частотах вращения вала и температуре рабочей жидкости»

Технической задачей полезной модели является повышение надежности работы торцового уплотнения, снижение его стоимости, увеличение долговечности работы торцового уплотнения, путем создания торцового уплотнения работоспособного при повышенных частотах вращения вала и температуре рабочей жидкости.

Данная техническая задача решается тем, что торцовое уплотнение для герметизации вращающихся валов, содержащее узел поджимной, включающий в себя упорное кольцо пары трения, и узел ответный, включающий в себя опорное кольцо пары трения, при этом поверхности трения колец пар трения узла поджимного и узла ответного содержат твердосплавное покрытие, в частности из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля, при этом упорное кольцо пары трения узла поджимного твердосплавным покрытием опирается на твердосплавное покрытие опорного кольца пары трения узла ответного, образуя пару трения.

Поверхность трения упорного кольца узла поджимного и поверхность трения опорного кольца узла ответного содержат твердосплавное покрытие толщиной 0.1 мм - 0.5 мм и более каждая.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез заявляемого торцового уплотнения вала.

Торцовое уплотнение для герметизации вращающихся валов содержит узел поджимной 1, включающий в себя упорное кольцо 2 пары трения, узел ответный 3, включающий в себя опорное кольцо 4 пары трения. Поверхности трения 5 и 6 колец 2 и 4 пар трения узла поджимного 1 и узла ответного 3 содержат твердосплавные покрытия 7 и 8, в частности, из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля, при этом кольцо 2 пары трения узла поджимного 1 твердосплавным покрытием 7 опирается на твердосплавное покрытие 8 кольца 4 пары трения узла ответного 3, образуя пару трения. Упорное кольцо 2 узла поджимного 1 установлено герметично в упругий герметичный сильфон 9. Сильфон 9 может быть изготовлен из эластомеров, например, из резины, из силиконов, или из металла, и установлен герметично на валу 10 с возможностью вращения совместно с ним, но без возможности вращения относительно вала 10. Для фиксации узла поджимного 1 относительно вала 10 в осевом направлении вала и обеспечения необходимого поджима упорного кольца 2 к опорному кольцу 4 узла ответного 3 на валу 10 может быть установлено запорное кольцо 11 на которое опирается втулка запорная 12. Между сильфоном 9 и втулкой запорной 12 установлены шайбы регулировочные 13. При необходимости для повышения давления между трущимися поверхностями 5 и 6 твердосплавных покрытий 7 и 8 упорного кольца 2 узла поджимного 1 и опорного кольца 4 узла ответного 3 может быть установлено в узле поджимном 1 упругий элемент 14, например, в виде пружины.

Поверхность трения 5 упорного кольца 2 узла поджимного 1 и поверхность трения 6 опорного кольца 4 узла ответного 3 содержат твердосплавные покрытия 7 и 8 толщиной 0.1 мм - 0.5 мм и более каждая. Толщина твердосплавного покрытия наносится исходя из условий работы торцового уплотнения для герметизации вращающихся валов. Для больших частот вращения наносится большая толщина покрытия. Для средних частот вращения вала, до 3000 оборотов в минуту, толщина покрытия, как правило, наносится 0,1 мм - 0.3 мм.

Применение того или иного карбида вольфрама со связкой из кобальта или того или иного карбида вольфрама со связкой из никеля определяется наличием компонентов для твердосплавного покрытия и получения требуемых характеристик твердосплавного покрытия.

Твердосплавное покрытие может наноситься методом газовоздушного сверхзвукового напыления. При этом обеспечивается повышенная адгезия слоя твердого материала к опорным поверхностям за счет диффузии расплавленного сплава в материал опорной поверхности, механического сцепления с неровностями опорной поверхности, химического соединения сплава с материалом опорной поверхности. После нанесения твердосплавного покрытия поверхности трения обрабатываются до необходимой чистоты поверхности и точности. При попадании твердых частиц на опорные поверхности пары трения твердый сплав - твердый сплав, частицы разрушаются, за счет того, что твердосплавный металлический слой тверже этих частиц. Это приводит к снижению износа узлов и деталей. Высокая твердость опорных поверхностей из твердосплавных металлических слоев увеличивает срок службы пары трения торцового уплотнения, приводит к повышению надежности, к увеличению межремонтного периода эксплуатации насосной установки. Повышенная адгезия твердого сплава к опорным поверхностям способствует интенсивному отводу тепла из зоны трения, что способствует повышению надежности работы торцового уплотнения. Изготовление упорного и опорного колец из конструкционных материалов, например, из сталей, позволяет надежно крепить их в посадочных местах, улучшает отвод тепла из зоны трения. Малая толщина твердосплавного металлического покрытия по сравнению с кольцами из твердого сплава, из керамики позволяет значительно снизить стоимость торцового уплотнения.

Выполнение таким образом торцового уплотнения для герметизации вращающихся валов позволяет повысить надежность работы торцового уплотнения, снизить его стоимость, увеличить долговечность работы торцового уплотнения, путем создания торцового уплотнения работоспособного при повышенных частотах вращения вала и температуре рабочей жидкости.

Формула полезной модели

1. Торцовое уплотнение для герметизации вращающихся валов, содержащее узел поджимной, включающий в себя упорное кольцо пары трения, и узел ответный, включающий в себя опорное кольцо пары трения, при этом поверхности трения колец пар трения узла поджимного и узла ответного содержат твердосплавное покрытие, в частности из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля, при этом упорное кольцо пары трения узла поджимного твердосплавным покрытием опирается на твердосплавное покрытие опорного кольца пары трения узла ответного, образуя пару трения.

2. Торцовое уплотнение для герметизации вращающихся валов по п.1, отличающееся тем, что поверхность трения упорного кольца узла поджимного и поверхность трения опорного кольца узла ответного содержат твердосплавное покрытие толщиной 0,1-0,5 мм и более каждая.