Гидродинамическое уплотнение вращающегося соединения (варианты) и система гидродинамических уплотнений вращающихся соединений
Геометрическая форма для гидродинамического смазывания динамической уплотнительной, в основном, кольцеобразной кромки уплотнения вращающегося соединения, которая используется для разделения смазочного материала и окружающей среды. Динамическая уплотнительная кромка необходима для установления уплотнительного контакта со сжатием с вращающейся относительно нее поверхностью и для забивания клином пленки смазочной жидкости в стык между динамической кромкой и вращающейся поверхностью при относительном вращении, которое может быть направлено как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Подъем, содержащий вытянутое углубление, обеспечивает постепенное сужение, эффективный угол столкновения и постепенное увеличения давления в зоне контакта, что способствует эффективному гидродинамическому расклиниванию. Скошенные зоны контакта с повышенным давлением в результате краевых эффектов сжатия обеспечивают регулируемое перемещение смазочного материала внутри движущегося уплотняемого стыка между уплотнением и вращающейся относительно него поверхностью, что улучшает смазывание и обеспечивает меньший крутящий момент, необходимый для преодоления трения уплотнения.
Настоящая полезная модель относится, в целом, к смазыванию уплотнений вращающихся соединений для продления срока эксплуатации и уменьшения крутящего момента, необходимого для преодоления трения уплотнения, износа и количества вырабатываемой теплоты. Уплотнения вращающихся соединений подходят для изоляции от внешней среды и удержания смазочного материала. В частности, настоящая полезная модель касается смазывания уплотнений, которые могут подвергаться большим перепадам давлений, большому сжатию в процентном выражении и могут вращаться как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом выполнения настоящей полезной модели геометрическая форма кромки гидродинамически смазываемого уплотнения подходит как для компрессионных уплотнений вращающихся соединений (то есть уплотнений, установленных с натягом), так и для гибких уплотнений вращающихся соединений уплотнений с кромкой, выступающей в виде консоли.
Герметизированные упорные подшипниковые устройства забойных двигателей, вращающиеся регулируемые инструменты, вращающиеся противовыбросовые устройства и другое нефтепромысловое оборудование представляет целый ряд устройств со сложными для уплотнений вращающихся соединений условиями, как описано в переуступленных патентах США 4610319, 5195754, 5230520, 5738358, 5823541, 5873576, 6007105, 6036192, 6109618, 6120036, 6227547, 6315302, 6334619, 6382634, 6494462 и 6561520. Примеры герметизированных упорных подшипниковых устройств забойных двигателей содержатся в переуступленных патентах США 3730284, 4372400, 4476944 и 6439866. Примеры вращающихся противовыбросовых устройств описаны в переуступленных патентах США 4281724, 5178215, 5224557, 5647444, 5662181, 6016880, 6354385 и 6554016.
Современный уровень техники в области уплотнений для такого оборудования представлен целым семейством гидродинамически смазываемых уплотнений, которые изготавливаются и поставляются согласно упомянутым выше переуступленным патентам. Эти уплотнения, известные в промышленности под торговой маркой "KALSI SEALS", обычно содержат подъемы синусоидальной гидродинамической формы, которые предназначены для введения пленки смазочного материала в движущийся уплотняемый стык между динамической поверхностью уплотнения и вращающимся элементом. Хотя
подобные уплотнения хорошо функционируют при определенных условиях, существуют другие условия, в которых их рабочие характеристики недостаточно хороши. Одним набором таких трудных условий является ситуация, когда уплотнение работает в условиях вращения как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки и необходима увеличенная толщина пленки смазочного материала. Примером приложения с такими условиями является турбинный забойный двигатель. Уплотнения вращающихся соединений забойного двигателя работают в условиях вращения по часовой стрелке при обычном бурении и в условиях вращения против часовой стрелки при свободном вращении, которое может происходить при опускании колонны бурильных труб.
В существующих уплотнениях, содержащих подъемы синусоидальной гидродинамической формы, толщина пленки принимает наибольшее значение в области синусоиды, так как большая часть смазочного материала, которая попадает на передний край подъема, просто вытекает со стороны заднего края подъема. В результате движущийся уплотняемый стык менее хорошо смазывается со стороны, обращенной к внешней среде, что приводит к нежелательному износу, крутящему моменту и выработке теплоты в уплотнении, особенно при наличии одного или нескольких условий из следующего перечня:
- смазочные материалы с малой вязкостью, значение которой меньше оптимального значения для смазывания;
- большой перепад давления поперек уплотнения;
- высокая геотермическая температура окружающей среды;
- материалы и конфигурации вала, которые препятствуют теплообмену;
- высокое начальное сжатие уплотнения;
- высокие скорости вращения;
- близко расположенные дополнительные уплотнения, в которых накапливается теплота, выработанная в уплотнении.
Крутящий момент при работе связан со срезающим действием смазочного материала и контактом шероховатостей в движущемся уплотняемом стыке. Хотя существующие гидродинамические уплотнения функционируют с гораздо меньшим выделением теплоты, чем не гидродинамические уплотнения, выделению теплоты, связанному с наличием крутящего момента на преодоление трения уплотнения, по-прежнему уделяется значительное внимание. Существующие уплотнения обычно изготавливаются из эластомеров, для которых характерно ускоренное ухудшение свойств при повышенной температуре. Например, проблемы сопротивления среде, проблемы проникновения газа, разбухание, остаточная деформация при сжатии, экструзионное
повреждение, связанное с давлением - все проблемы обостряются при высоких температурах.
Существующие уплотнения не могут использоваться в некоторых установках, характеризующихся высокими скоростями и высоким давлением, просто потому, что температура выходит за пределы пригодного интервала температур материала уплотнителя из-за теплоты, выделяющейся в уплотнителе. Кроме того, вращающиеся в обе стороны существующие уплотнители не обеспечивают достаточного смазывания в случае, если уплотняющая кромка содержит более твердые материалы, такие как армированный пластик на основе политетрафторэтилена («ПТФЭ»).
Обычно срок эксплуатации уплотнителя в конечном итоге ограничен подверженностью остаточной деформации при сжатии (то есть постоянной деформации), абразивному износу и экструзионному повреждению. Во многих установках было бы полезно применить гидродинамические уплотнения, способные работать с большими начальными сжатиями, позволяющими уплотнению выдерживать большие механические отклонения от оси, биения, допуски, остаточную деформацию при сжатии и износ. Во многих установках было бы предпочтительно иметь улучшенное смазываемое уплотнение при предельно жестких условиях эксплуатации и уплотнение, которое подвержено меньшему износу. Также во многих установках было бы полезно применить уплотнение, выделяющее меньше теплоты, которое бы испытывало меньшую утрату упругости, связанную с температурой, и, следовательно, для них увеличилась бы сопротивляемость экструзии при высоком давлении.
Фиг.10-13D из патента США 6109618 показывают выпуклую гидродинамическую геометрическую форму входного участка - форму скругленной поверхности, которая в поперечном сечении, выровненном вдоль окружности, выглядит изогнутой по радиусу и которая похожа на переднюю кромку обычного санного полоза. Уплотнители, изготовленные в соответствии с фиг.10-13D из патента США 6109618, содержат неотъемлемое, но едва различимое ограничение, состоящее в следующем: заданный размер, по существу, ориентированного вдоль окружности выпуклого гидродинамического входного участка не может обеспечить одинаковую степень сужения с валом для семейства уплотнений для различных диаметров валов.
Диаметр вала значительно влияет на степень сужения для заданного размера выпуклого гидродинамического входного участка. Валы с меньшим диаметром сужаются с входным участком с большей скоростью, образуя более резкое сужение. Это влияет на эффективность забивания клином смазочного материала. Для одинакового размера выпуклого входного участка, уплотнители с меньшим диаметром, показанным на фиг.10-
13D из патента США 6109618, смазываются и промываются хуже, а уплотнители большего диаметра смазываются и промываются лучше.
На фиг.17 схематично показана в несжатом состоянии взаимосвязь между различными диаметрами валов и радиусами ориентированных вдоль окружности гидродинамических входных участков. Фигура 17 не является изображением установленного сужения, она дает представление о взаимосвязи между диаметром вала и сужением для входного участка.
Как ясно видно из фиг.17, сужение выпуклого входного участка радиуса 2.00" к валу с диаметром 2.75" приблизительно в два раза больше, чем оно было бы при вале с диаметром 16.50". Также показано, что сужение выпуклого входного участка радиуса 2.00" к валу с диаметром 0.50" еще больше. В результате для вала с диаметром 16.50" характерно лучшее смазывание и более высокая интенсивность промывания по сравнению с валами диаметрами 0.50" или 2.75" при одинаковом размере входного участка.
Как можно видеть по пунктирной линии на фиг.17А, если сужение входного участка радиусом в 2.00" и вала диаметром в 16.50" увеличено в два раза для вала диаметром 0.50", то понятно (в результате недавних исследований, приведенных авторами настоящей полезной модели по контракту №DE-FG02-05ER84206 с Министерством энергетики США), что радиус входного участка должен был быть вогнутым, а не выпуклым. Таким образом, уплотнения малого диаметра должны иметь вогнутые входные участки для достижения такого же уровня гидродинамического смазывания, что и уплотнения большего диаметра с выпуклыми входными участками. В патенте США 6109618 не предусматривается использование вогнутых входных участков. На самом деле способы изготовления инструментов для уплотнений, соответствующих фиг.10-13 В патента США 6109618, не могут быть приспособлены для вогнутых входных участков.
Так как скважинное оборудование и инструмент имеют небольшие размеры, то некоторое количество вопросов требует разрешения, потому что некоторые параметры не могут уменьшаться линейно из-за практических производственных ограничений, допусков и конкретных требований установок.
Так как уплотнения вращающихся соединений уменьшаются, то уменьшение ширины поперечного сечения по радиусу приводит к меньшему сжатию в размерах при заданном начальном сжатии в процентах. Допуски не могут уменьшиться ниже определенного реального уровня, что вносит свой вклад в большие границы изменения сжатия. Жесткость вала также уменьшается нелинейно, способствуя большему радиальному отклонению и биению. Это приводит к большему сжатию одной стороны уплотнения и меньшему сжатию другой стороны.
Необходим некоторый минимальный уровень сжатия, так чтобы без потери уплотнительного контакта с валом уплотнение могло приспосабливаться к допускам, отклонению от оси, изнашиванию уплотнения и остаточной деформации при сжатии. Факторы, сформулированные выше, предписывают, что для достижения необходимого абсолютного значения сжатия для миниатюрных уплотнений необходимо увеличивать выраженное в процентах начальное сжатие по сравнению с уплотнениями большого диаметра.
Давление в зоне контакта в движущемся уплотняемом стыке связано со сжатием, выраженным в процентах, и модулем упругости материала уплотнения. Большее в процентном выражении сжатие ведет к большему давлению в зоне контакта уплотнения и вала, что уменьшает толщину гидродинамической смазывающей пленки, а уменьшение пленки в свою очередь приводит к более высокому трению, выделению большего количества теплоты и большему износу. Границы величины сжатия для существующих уплотнений накладывают соответствующие ограничения на минимальные размеры поперечного сечения, осуществимые при производстве. Для компенсации этого необходимы уплотнения, способные поддерживать более сильное гидродинамическое расклинивающее действие в обоих направлениях вращения.
Коротко настоящая полезная модель касается формы в целом кольцеобразной гидродинамически смазываемой динамической кромки уплотнения, что направлено на увеличение срока эксплуатации уплотнения в установках, где давление смазочного материала может быть значительно выше давления окружающей среды и где окружающая среда может содержать абразивные твердые частицы.
Настоящая полезная модель, в целом, касается уплотнений вращающихся соединений, предназначенных для уплотнения вращающихся компонентов механизма, при этом уплотнение должно удерживать смазочный материал и исключать проникновение со стороны окружающей среды, кроме того, уплотнение взаимодействует со смазочным материалом при относительном вращении для забивания клином пленки смазочного материала в движущийся уплотняемый стык между уплотнением и вращающейся относительно него поверхностью. Более конкретно, настоящая полезная модель относится к особой гидродинамической форме подъемов динамических кромок, которая подходит для вращения как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки, и для достижения эффективного гидродинамического смазывания в настоящей полезной модели регулируется давление в движущемся уплотняемом стыке. Это позволяет динамической кромке иметь сравнительно высокий уровень начального сжатия и сравнительно низкий крутящий момент для преодоления трения уплотнения и помогает
выдерживать сравнительно высокие перепады давления.
Каждый из подъемов, соответствующих предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения, содержит вытянутое углубление, которое обеспечивает постепенное сужение с вращающейся относительно него поверхностью в направлении вдоль окружности, эффективный угол столкновения и постепенное увеличение в направлении вдоль окружности давления в зоне контакта. Указанные факторы способствуют эффективному гидродинамическому расклинивающему действию. Скошенные зоны контакта с повышенным давлением, полученные благодаря краевым эффектам сжатия, нужны для регулируемого перемещения смазочного материала через движущийся уплотняемый стык в направлении окружающей среды, что делается для улучшенного смазывания, для низкого крутящего момента для преодоления трения уплотнения при работе, для увеличенного срока эксплуатации и для способности гидродинамического функционирования при низких скоростях. Некоторая часть смазочного материала перемещается за пределами зон контакта с повышенным давлением, обеспечивая тем самым смазывание зон контакта с повышенным давлением. Когда смазочный материал перемещается через движущийся уплотняемый стык в окружающую среду, происходит утечка смазочного материала.
Форма подъемов, соответствующая настоящему изобретению, подходит как для компрессионных уплотнений (то есть уплотнений, установленных с натягом), так и для гибких уплотнений вращающихся соединений с кромкой, выступающей в виде консоли. Форма может быть сконфигурирована для торцового уплотнения, когда динамическая кромка выступает, по существу, в осевом направлении для контакта с вращающейся поверхностью плоской формы. Альтернативно, форма может быть сконфигурирована для радиального уплотнения, когда динамическая кромка выступает, по существу, в радиальном направлении для контакта с вращающейся поверхностью цилиндрической формы.
Форма входного участка, образованная формой вытянутого углубления, может быть в целом выпуклой или вогнутой, или в некоторых местах выпуклой, а в других местах - вогнутой, что определяется диаметром динамической кромки и нужной скоростью сужения с вращающейся поверхностью.
Для того чтобы подробно понять, каким образом достигаются упомянутые выше признаки, преимущества и задачи настоящей полезной модели, приводится коротко раскрытое выше более детальное описание со ссылками на предпочтительные варианты осуществления полезной модели. Данные варианты проиллюстрированы прилагаемыми чертежами. Тем не менее, заметим здесь, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только
типовые варианты выполнения настоящей полезной модели и, таким образом, не ограничивают объем защиты полезной модели, так как полезная модель допускает другие, не менее эффективные, варианты выполнения.
На чертежах представлено:
фиг.1 - частичный поперечный разрез, показывающий форму поперечного сечения кольцеобразного гидродинамического уплотнения, реализующего принципы полезной модели;
фиг.1А - увеличенный частичный затененный вид в изометрии гидродинамического уплотнения на фиг.1 в несжатом состоянии и сконфигурированный для радиального сжатия, данный вид показывает вытянутое углубление и два полных подъема динамических кромок;
фиг.1В - частичный вид сверху, показывающий подъем уплотнения по фиг.1 и 1А для вращения по часовой стрелке;
фиг.1С - разрез по С-С по фиг.1В;
фиг.1D, 1E и 1F - разрезы D-D, Е-Е и F-F соответственно по фиг.1В;
фиг.2 - вид зоны контакта двух полных подъемов динамической кромки уплотнения с фиг.1А, этот вид содержит карту контуров относительной величины давления в зоне контакта;
фиг.2А и 2В - виды альтернативных форм зоны контакта динамической кромки уплотнения, соответствующего настоящей полезной модели;
фиг.2С - вид, аналогичный виду по фиг.2, который показывает измененную минимальную ширину отклонения и угол зон контакта с повышенным давлением, призванные улучшить смазывание и уменьшить утечку;
фиг.3 - увеличенный частичный затемненный вид в изометрии гидродинамического уплотнения, изображенного в несжатом состоянии и сконфигурированного в радиальном направлении для уплотнения вращающейся поверхности, имеющей цилиндрическую внутреннюю форму, такой как отверстие корпуса;
фиг.3А и 3В - частичные затемненные виды в изометрии гидродинамических уплотнений, изображенных в несжатом состоянии и сконфигурированных в осевом направлении для уплотнения вращающейся поверхности, по существу, плоской формы, такой как фланец вала или корпус;
фиг.4-9 - виды поперечного сечения упрощенных вариантов выполнения гидродинамического уплотнения, соответствующего настоящей полезной модели, эти виды взяты в центре вытянутого углубления, при этом уплотнение находится в несжатом
состоянии;
фиг.10, 11 и 12-12В - виды поперечного сечения предпочтительных вариантов выполнения гидродинамического уплотнения, соответствующего настоящей полезной модели, при этом уплотнения содержат пружинные пружинящие элементы для подпружинивания динамической кромки относительно вращающейся поверхности;
фиг.13 - поперечное сечение предпочтительного варианта выполнения гидродинамического уплотнения, согласно настоящей полезной модели, в центре вытянутого углубления, при этом уплотнение находится в несжатом состоянии;
фиг.14 - частичный затемненный вид в изометрии предпочтительного варианта выполнения гидродинамического уплотнения по фиг.1, находящегося в несжатом состоянии и сконфигурированного для радиального сжатия, этот вид изображает вытянутое углубление и два полных подъема динамической кромки, вытянутое углубление имеет большую глубину для увеличения переносимости температурного расширения и износа литейной формы;
фиг.15 - частичный затемненный вид в изометрии предпочтительного варианта выполнения гидродинамического уплотнения по фиг.1, показывающий подъем для вращения против часовой стрелки и вытянутое углубление;
фиг.15А - увеличенная часть гидродинамического уплотнения по фиг.15, демонстрирующая гидродинамическую входную часть указанного подъема;
фиг.15В - карта поверхности гидродинамического входного участка, показанного на фиг.15А;
фиг.16-16С - схематичный вид, иллюстрирующий способ построения линий карты в площади, ограниченной профилями построения с фиг.15В, указанные линии карты определяют поверхность вытянутого углубления, показанного на фиг.15 и 15А;
фиг.16D - схематичный вид, иллюстрирующий способ построения, который можно использовать для установки скорости сужения переменной кривизны склона 49 углубления и, таким образом, регулирования сужения склона углубления и вращающейся поверхности;
фиг.17 и 17А - схематический вид, иллюстрирующий в несжатом состоянии соотношение между диаметрами вала и радиусами ориентированного вдоль окружности гидродинамического входного участка.
Для более полного понимания настоящей полезной модели фиг.1-2 В необходимо рассматривать вместе, так как общее представление не может быть передано никакой одной фигурой. Элементы в данном описании, которые обозначены одинаковыми ссылочными позициями, имеют одинаковые функции. Для ориентации следует учесть, что
для разрезов, показанных на фиг.1, 1D-1F и 4-13, плоскость резания проходит через теоретическую ось уплотнения, плоскость схематичных видов с фиг.16-17 расположена под прямыми углами к теоретической оси уплотнения, предназначенного для уплотнения вращающегося вала.
На фиг.1 представлен частичный поперечный разрез, дающий общий обзор того, как в механизме применяется предпочтительный вариант выполнения полезной модели. По существу кольцеобразное уплотнение 2 вращающегося соединения содержит, по меньшей мере, одну динамическую кромку 4, которая также имеет кольцеобразную форму. Динамическая кромка 4 соответствует особым гидродинамическим признакам настоящего изобретения (описанным вместе с последующими фигурами), что позволяет динамической кромке 4 функционировать с меньшим выделением теплоты, меньшим износом, делает ее более подходящей для работы на валах с плохой теплопроводностью и более подходящей для использования при сильном в процентном выражении сжатии, связанным с малыми поперечными сечениями уплотнений, установленных с натягом.
Особые гидродинамические признаки настоящей полезной модели могут быть применены в динамических кромках многих различных типов уплотнений вращающихся соединений, таких как уплотнения, установленные с натягом, или подпружиненные уплотнения с кромкой, выступающей в виде консоли. Для иллюстрации уплотнение 2, показанное на фиг.1, является типовым уплотнением, установленным с натягом, которое установлено со сжатием между компонентом 8 механизма и вращающейся относительно него поверхностью 5.
Цель уплотнения 2 заключается в образовании уплотнительного контакта с вращающейся поверхностью 5, в удержании объема первой текучей среды 6, в разделении первой текучей среды 6 и второй текучей среды 7, в изолировании второй текучей среды 7 и в предотвращении проникновения второй текучей среды 7 в первую текучую среду 6. В данном описании термин «текучая среда» используется в широком толковании, охватывающем как жидкости, так и газы.
Первый компонент 8 механизма обычно определяет местоположение (то есть, расположение) уплотнения 2. Для иллюстрации типового приложения первый компонент 8 механизма изображен содержащим, в основном, кольцеобразную канавку 26 для уплотнения с первой стенкой 12 канавки и второй стенкой 13 канавки, которые расположены напротив друг друга. Условия для местоположения уплотнения могут быть другими, что, однако, не выходит за рамки сущности или объема полезной модели.
В отрасли гидродинамических уплотнений первая стенка 12 канавки часто называется «стенкой уплотнения со стороны смазочного материала», а вторая стенка 13
канавки часто называется «стенкой уплотнения со стороны окружающей среды». Хотя первая стенка 12 канавки и вторая стенка 13 канавки показаны неподвижными, с постоянным взаимным расположением друг относительно друга, это не ограничивает объем полезной модели, так как в настоящей полезной модели допускаются другие подходящие формы. Например, первая стенка 12 канавки и/или вторая стенка 13 канавки могут отделяться от компонента 8 механизма для простоты технического обслуживания и ремонта, а затем устанавливаться более или менее неподвижным образом, чтобы между ними располагалось уплотнение. В другом примере, если уплотнение является уплотнением с корпусом и кромкой, выступающей в виде консоли, таким как показано на фиг.12-12А, то для расположения уплотнения обычно используется только одна стенка. Такие уплотнения обычно устанавливаются в отверстии, обработанном цекованием.
По меньшей мере, часть динамической кромки 4 сжата вращающейся поверхностью 5 второго компонента 10 механизма. При работе вращающаяся поверхность 5 вращается относительно динамической кромки 4 уплотнения 2 и относительно первого компонента 8 механизма. Полезная модель применима в таких установках, где вращаются или первый компонент 8 механизма, или второй компонент 10 механизма, или оба компонента вместе.
Уплотнение 2 в целом кольцеобразной формы имеет теоретическую осевую линию (не показана), и поперечный разрез по фиг.1 является поперечным разрезом вдоль осевой линии, взятым в плоскости резания, которая проходит через теоретическую осевую линию; то есть теоретическая осевая линия расположена на плоскости резания. Направление вдоль окружности относительного вращения расположено нормально (перпендикулярно) к плоскости поперечного сечения, а теоретическая осевая линия уплотнения 2, как правило, совпадает с осью относительного вращения.
Уплотнение 2 предпочтительно содержит первый концевой участок 14 уплотнения, который обычно направлен к первой стенке 12 канавки и первой текучей среде 6. Также предпочтительно, чтобы уплотнение 2 содержало второй концевой участок 15 уплотнения, который обычно направлен ко второй стенке 13 канавки и второй текучей среде 7. В отрасли гидродинамических уплотнений первый концевой участок 14 уплотнения часто называется «концевой участок со стороны смазочного материала», а второй концевой участок 15 уплотнения часто называется «концевой участок со стороны окружающей среды». Первый концевой участок 14 уплотнения предпочтительно расположен, в целом, напротив второго концевого участка 15. Первый концевой участок 14 уплотнения и второй концевой участок 15 уплотнения могут иметь другие конкретные формы, не выходя при этом за пределы сущности или объема полезной модели.
Хотя показано, что первый концевой участок 14 уплотнения расположен с зазором относительно первой стенки 12 канавки, особая гидродинамическая форма настоящей полезной модели также подходит для уплотнений, изготовленных так, чтобы выдерживать одновременный контакт как с первой стенкой 12 канавки, так и со второй стенкой 13 канавки в соответствии с принципами технических решений, описанных в переуступленных патентах США 5873576, 6036192 и 6315302.
Вращающаяся поверхность 5 может принимать форму вовне и вовнутрь направленной, по существу, цилиндрической поверхности по желанию, при этом уплотнение 2 сжато по радиусу между первым компонентом 8 механизма и вторым компонентом 10 механизма. В таком случае ось относительного вращения расположена, по существу, параллельно вращающейся поверхности 5. Когда уплотнение имеет радиальную конфигурацию, динамическая кромка 4 сжата, по существу, в радиальном направлении, и периферийная стенка 11 выполнена, по существу, цилиндрической, а первая стенка 12 канавки, вторая стенка 13 канавки, первый концевой участок 14 уплотнения и второй концевой участок 15 уплотнения могут быть, по существу, плоскими.
В предпочтительном варианте выполнения вращающаяся поверхность 5 может быть выполнена, по существу, плоской, при этом уплотнение 2 сжато по оси между первым компонентом 8 механизма и вторым компонентом 10 механизма. Такое решение называется «поверхностной герметизацией», и в этом случае ось вращения направлена перпендикулярно вращающейся поверхности 5. При осевой (поверхностной) форме уплотнения динамическая кромка 4 сжимается, по существу, в осевом направлении, и периферийная стенка 11 может быть, по существу, плоской, а первая стенка 12 канавки, вторая стенка 13 канавки, первый концевой участок 14 уплотнения и второй концевой участок 15 уплотнения могут быть выполнены, по существу, цилиндрическими.
Сжатие (то есть сдавливание, контакт) динамической кромки 4 вращающейся поверхностью 5 устанавливает и определяет зону 16 контакта в стыке между динамической кромкой 4 и вращающейся поверхностью 5. Зона 16 контакта содержит некольцеобразный первый край 17 зоны контакта, направленный к первой текучей среде 6, и второй край 18 зоны контакта, предпочтительно кольцеобразной формы, направленный ко второй текучей среде 7.
Динамическая кромка 4 предпочтительно содержит динамическую стопорную линию пересечения 19 обрывистой кольцеобразной формы, которая, по существу, выровнена с направлением относительного вращения и предназначена для недопущения проникновения второй текучей среды 7. Указанная линия пересечения 19 выполнена в
соответствии с принципами, изложенными в переуступленном патенте США 4610319. Динамическая стопорная линия пересечения 19 имеет такую форму, которая не предполагает гидродинамического расклинивающего действия при относительном вращении динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5. Динамическая стопорная линия пересечения 19 представляет собой зачищающий край, который помогает исключить проникновение загрязняющих веществ от зоны 16 контакта в стыке в случае любого относительного перемещения, перпендикулярного направлению относительного вращения динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5. Динамическая стопорная линия пересечения 19 не нужна до тех пор, пока для более эффективной защиты от проникновения со стороны окружающей среды не требуется обрывистость и кольцеобразная форма.
Вращающаяся поверхность 5 второго компонента 10 механизма и периферийная стенка 11 первого компонента 8 механизма расположены на некотором расстоянии друг от друга. Для компрессионного уплотнения, такого, которое показано на фиг.1, расстояние между вращающейся поверхностью 5 и периферийной стенкой 11 выбрано таким образом, чтобы уплотнение, расположенное между ними, было сжато. Аналогично обычным уплотнениям, установленным с натягом, таким как О-образное кольцо или О-образное самоустанавливающееся манжетное уплотнение, сжатие уплотнения 2 устанавливает уплотняемый стык между статичной уплотнительной поверхностью 20 уплотнения 2 и периферийной стенкой 11 первого компонента 8 механизма. Также сжатие устанавливает упомянутую выше зону 16 контакта в стыке между динамической кромкой 4 и вращающейся относительно нее поверхностью 5.
Когда динамическая кромка 4 и вращающаяся относительно нее поверхность 5 вращаются друг относительно друга, зона 16 контакта представляет собой движущийся уплотняемый стык, при этом динамическая кромка 4 скользит по вращающейся относительно нее поверхности 5. Когда динамическая кромка 4 и вращающаяся относительно нее поверхность 5 не вращаются друг относительно друга, зона 16 контакта представляет собой статичный уплотняемый стык.
Как показано, периферийная стенка 11 может располагаться, по существу, параллельно вращающейся поверхности 5 или располагаться под углом к вращающейся поверхности 5, как показано на фиг.4, 6, 7, 8 или 9 переуступленного патента США 5230520.
В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения ширина зоны 16 разная в разных точках окружности в соответствии с особой гидродинамической геометрической формой, показанной на последующих фигурах. Первый край 17 зоны
контакта предпочтительно имеет не кольцеобразную (то есть волнистую) форму в соответствии с особой гидродинамической геометрической формой и в ответ на относительное вращение уплотнения 2 и вращающейся поверхности 5 порождает гидродинамическое расклинивающее действие. Данное гидродинамическое расклинивающее действие с целью смазывания загоняет пленку смазочной текучей среды (то есть пленку первой текучей среды 6) в зону 16 контакта в стыке между динамической кромкой 4 и вращающейся поверхностью 5, что уменьшает износ, крутящий момент и количество выделяемой теплоты. Следовательно, при относительном вращении динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5 динамическая кромка 4 скользит или гидропланирует по поверхности пленки смазывающей текучей среды. Когда относительное вращение прекращается, также прекращается гидропланирование, и между динамической кромкой 4 и вращающейся поверхностью 5 вновь устанавливается неподвижное уплотнение, возникающее посредством начального сжатия динамической кромки 4 относительно вращающейся поверхности 5.
Гидропланирование минимизирует или предотвращает обычный износ при сухом трении и высокое трение, характерные для обычных не гидродинамических каучуковых и пластиковых уплотнений, увеличивая тем самым срок эксплуатации уплотнения 2 и срок эксплуатации вращающейся поверхности 5. Благодаря гидропланированию становятся возможными более высокие скорости, большее сжатие и больший перепад давлений даже в том случае, когда часть динамической кромки 4 изготовлена из пластика, такого как армированный ПТФЭ.
Если уплотнение с улучшенной геометрической формой, соответствующей настоящей полезной модели, устанавливается на незафиксированный поршень компенсации давления, то уменьшенный крутящий момент, необходимый для преодоления трения уплотнения, вряд ли станет причиной кружения поршня во внутреннем диаметре сопряженного корпуса. Также уменьшенный крутящий момент снижает вероятность возникновения нежелательного проскальзывания уплотнения 2 относительно компонента 10 механизма по сравнению с существующими уплотнениями. Это очень важное соображение для уплотнений большого диаметра. Проскальзывание может быть разным в разных местах окружности большого уплотнения, что приведет к появлению местных напряжений, способствующих разрывам при растяжении. Для уплотнения с меньшим крутящим моментом такие разрывы менее вероятны.
Второй край 18 (иногда называемый «краем со стороны окружающей среды») зоны 16 контакта предпочтительно имеет, по существу, кольцеобразную форму и выровнен относительно возможных направлений вращения динамической кромки 4 и вращающейся
относительно нее поверхности 5. Второй край 18 зоны контакта образован в результате сжатия вращающейся поверхностью 5 динамической стопорной линии пересечения 19. Поскольку второй край 18 зоны контакта имеет, по существу, кольцеобразную форму и выровнен относительно возможных направлений вращения, он не порождает гидродинамического расклинивающего действия в ответ на относительное вращение динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5. Согласно техническому решению, описанному в переуступленном патенте США 4610319, это способствует исключению проникновения второй текучей среды 7.
Динамическая кромка 4 может быть изготовлена из любого подходящего уплотнительного материала или комбинации материалов, включая эластомерные или резиноподобные материалы, включая, например, эластомеры, армированные углеродным волокном или тканью, пластмассы и различные материалы, образующие составные конструкции, такие как, например, пластиковый кожух, прикрепленный к эластомерной конструкции (пример подобной конструкции содержится на фиг.13)
Предпочтительным является выполнение динамической кромки 4 из упругого уплотнительного материала с высокими характеристиками износа и сопротивляемости экструзии. В варианте выполнения по фиг.1 динамическая кромка снабжена пружинящим элементом 21, предназначенным для прижатия динамической кромки 4 к вращающейся поверхности 5 и для регулирования деформации уплотнения и силой, возникающей в зоне контакта динамической кромки 4 и вращающейся относительно нее поверхности 5. Также пружинящий элемент 21 может прижимать статичную уплотнительную поверхность 20 к периферийной стенке 11, как показано на фиг.1. Не выходя за границы объема или сущности полезной модели, пружинящий элемент 21 может принимать любую из возможных форм, известных в технике, включая, например, эластомерные кольца и различной формы пружины. Пружинящий элемент 21 также может быть расположен в кольцевидной канавке 22 любой подходящей формы.
Возможны упрощенные варианты выполнения, в которых опускаются один или более элементов. Например, может отсутствовать пружинящий элемент 21, а уплотнение 2 может содержать одну или более гибких кромок или уплотнение 2 может быть монолитным и быть изготовлено из одного материала, как показано на фиг.6 и 7 соответственно.
Как показано на фиг.1, пружинящий элемент 21 может представлять собой упругий материал, модуль упругости которого может равняться или отличаться от модуля упругости динамической кромки 4. Например, пружинящий элемент 21 может быть выполнен из эластомера с большей сопротивляемостью остаточной деформации при
сжатии, чем эластомер, из которого изготовлена динамическая кромка 4, однако оба эластомерных материала могут иметь, по существу, одинаковый модуль упругости. В другом примере модуль упругости упругого элемента 21 может быть меньше модуля упругости динамической кромки 4 с целью регулирования давления в зоне контакта для достижения оптимальных уровней смазывания и низкого крутящего момента, как описано в переуступленном патенте США 5738358.
Давление в зоне контакта динамической кромки 4 и сопряженной с ней вращающейся поверхности 5 является одним из важных факторов, регулирующих количество теплоты, выделяющейся в уплотнении, так как оно влияет на толщину гидродинамической пленки, которая, в свою очередь, влияет на скорость сдвига пленки смазочного материала и степень шероховатости, которая может присутствовать, между динамической кромкой 4 и вращающейся поверхностью 5. Также согласно настоящей полезной модели, используя уплотнения с низким начальным давлением в зоне контакта, можно добиться более высокого уровня промывания.
Пружинящий элемент 21 может быть соединен с остальной частью уплотнения 2 или отлит как часть уплотнения 2 и, таким образом, будет образована составная конструкция или пружинящий элемент 21 может быть просто отдельной деталью, которая известным механическим образом крепится к остальной части уплотнения 2. Некоторое количество примеров других подходящих видов упругих элементов показано в этом описании на фиг.10-13. На фиг.1 уплотнение 2 представляет собой уплотнение компрессионного типа, но, заменяя пружинящий элемент 21 механической пружиной, можно использовать основную идею для гибких уплотнений с кромкой, выступающей в виде консоли, как показано на фиг.10-12 В. Упрощая вариант выполнения полезной модели, можно опустить пружинящий элемент 21, так что уплотнение будет непрерывным и монолитным в поперечном сечении, как показано на фиг.7-9.
Первый компонент 8 механизма и второй компонент 10 механизма вместе обычно образуют, по меньшей мере, часть камеры 23, в которой расположена первая текучая среда 6 и из которой подается смазочный материал. Первая текучая среда 6, согласно полезной модели, используется для смазывания движущегося уплотняемого стыка между уплотнением 2 и вторым компонентом 10 механизма при их относительном вращении. Предпочтительно первая текучая среда 6 является жидким смазочным материалом, таким как синтетическое или минеральное масло, хотя в некоторых вариантах выполнения также могут применяться другие текучие среды, включая консистентную смазку, воду и различные технологические жидкости. Вторая текучая среда 7 может быть любой текучей средой, воздействующей при эксплуатации на уплотнение 2, такой как любая жидкая или
газообразная среда, включая, например, смазочную среду, технологические вещества, промывочную жидкость и так далее.
Динамическая кромка 4 установленного уплотнения содержит первую сторону 24 кромки, направленную к первой текучей среде 6, и вторую сторону 25 кромки, направленную ко второй текучей среде 7. В отрасли гидродинамических уплотнений первая сторона 24 кромки часто называется «смазываемой стороной» кромки, вторая сторона 25 кромки часто называется «стороной, обращенной к окружающей среде» кромки. Первая сторона 24 кромки расположена на некотором расстоянии от динамической стопорной линии пересечения 19 и второй стороны 25 кромки.
На фиг.1 уплотнение 2 расположено внутри канавки 26 для уплотнения, что встречается в случае, когда давление первой текучей среды 6 превосходит давление второй текучей среды 7. При таком соотношении давлений гидростатическая сила, возникающая благодаря давлению смазочного материала и действующая между вращающейся поверхностью 5 и периферийной стенкой 11, прижимает уплотнение 2 ко второй стенке 13 канавки. Так как формы второго концевого участка 15 уплотнения и сопряженной второй стенки 13 канавки дополняют друг друга, уплотнение 2 хорошо поддерживается второй стенкой 13 канавки везде, кроме зазора 31, существующего между первым компонентом 8 механизма и вторым компонентом 10 механизма. Предпочтительно, чтобы зазор 31, который часто называют «экструзионным зазором», был малым, чтобы уплотнение могло бы легче закрывать зазор и, посредством жесткости материала уплотнения, сопротивляться деформации.
В технике известно, что при большом перепаде давлений небольшая часть уплотняющей кромки стремится вздуться или выдавиться в экструзионный зазор, и пульсирующее давление и биение может согнуть выдавленный материал, что приводит к повреждению, связанному с экструзией.
Испытания кромки улучшенной геометрической формы, соответствующей настоящей полезной модели, продемонстрировали, что благодаря ей в уплотнении выделяется меньшее количество теплоты по сравнению с существующими серийными уплотнениями, соответствующими патенту США 5230520, и благодаря ей уплотнение легче закрывает большие экструзионные зазоры и выдерживает большие разности давлений благодаря тому, что динамическая кромка 4 имеет более высокий оставшийся модуль упругости, что является результатом меньшего выделения теплоты.
Ранее упоминалось, что полезная модель подходит как для радиальных, так и для осевых компрессионных конструкций. В случае очень большого диаметра и, следовательно, очень гибких уплотнений динамическая кромка 4 может просто
изготавливаться с направленной, в целом, внутрь конструкцией, что показано на фиг.1А (для удобства лития под давлением) и применяться для уплотнения вращающейся поверхности 5 с цилиндрической поверхностью, направленной наружу (то есть такой, как поверхность вала).
Уплотнения большого диаметра не жестки по отношению к скручиванию и, следовательно, по отношению к поперечному сечению уплотнения большого диаметра можно поворачивать на 90°, чтобы динамическая кромка 4 становилась, по существу, ориентированной по оси кромкой, предназначенной для уплотнения вращающейся поверхности 5, по существу, плоской формы, или можно поворачивать на 180°, чтобы динамическая кромка 4 становилась внешней, по существу, ориентированной по радиусу кромкой, предназначенной для уплотнения вращающейся поверхности 5, представляющей собой ориентированную внутрь цилиндрическую поверхность (то есть отверстие корпуса).
Относительная жесткость к скручиванию уплотнений малого диаметра гораздо выше и, следовательно, для малых уплотнений динамическая кромка 4 должна изготавливаться имеющей или радиальную, или осевую уплотняющую форму в зависимости от того, что требуется для конкретного варианта выполнения.
В итоге уплотнение может использоваться в качестве или торцового, или радиального уплотнения, конфигурируя (перекручиванием или при изготовлении) динамическую кромку 4 так, чтобы она представляла или внутренний, или внешний диаметр, или была торцом уплотнения, при этом остаются преимущества настоящей полезной модели, связанные со смазыванием, которые описаны в этом документе.
На фиг.1А представлен увеличенный частичный затемненный вид в изометрии, на котором показаны два полных подъема динамической кромки 4 того же уплотнения 2, что показано на фиг.1, но здесь уплотнение показано в несжатом состоянии и сконфигурировано (перекручиванием или при изготовлении) для радиального сжатия. В последующем описании аббревиатура «CW» используется для обозначения вращения «по часовой стрелке», а аббревиатура «CCW» используется для обозначения вращения «против часовой стрелки».
Первый концевой участок 14 уплотнения, пружинящий элемент 21, динамическая стопорная линия пересечения 19 и динамическая поверхность 51 уплотнения приведены на фиг.1А для ориентации. Динамическая кромка 4 может располагаться обычно напротив выступающей статичной уплотнительной кромки 36, как правило, кольцеобразной формы. Выступающая статичная уплотнительная кромка 36 предпочтительно содержит статичную стопорную линию пересечения 38 обрывающейся
кольцеобразной формы, которая, по существу, выровнена с направлением относительного вращения и предназначена для предотвращения проникновения второй текучей среды 7.
Выступающая статичная уплотнительная кромка 36 обеспечивает некоторую степень симметрии при сжатии, которая уменьшает вероятность скручивания уплотнения 2, которое при отсутствии кромки 36 возможно при установке уплотнения 2, что соответствует описанию переуступленных патентов США 5230520 и 6767016. В варианте выполнения, показанном на фиг.1А, диаметр выступающей статичной уплотнительной кромки 36 превосходит диаметр динамической кромки 4, и статичная уплотнительная поверхность 20 предпочтительно представляет собой наклонную поверхность, как показано на фиг.1D-1F, и она обеспечивает дополнительное сжатие уплотнения рядом со статичной стопорной линией пересечения 38.
Выступающая статичная уплотнительная кромка 36 может принимать другие формы, не выходя при этом за границы объема и сущности полезной модели; например, при желании могут быть использованы любые формы статичных кромок, показанных в переуступленных патентах США 5230520 и 6767016. На фиг.4, 8 и 12В этого описания приведено несколько альтернативных вариантов формы выступающей статичной уплотнительной кромки 36.
Проиллюстрированные здесь варианты выполнения, содержащие выступающую статичную уплотнительную кромку 36, также, при необходимости, могут быть упрощены посредством исключения выступающей статичной уплотнительной кромки 36 - например, как показано на фиг.5, 9, 12 и 12А.
Часть формы кромки, которая показана на фиг.1А, представляет собой обычно одиночный, обычно выглядящий гидродинамический подъем такого типа, который описан в переуступленном патенте США 5230520, однако эта часть содержит в середине вытянутое углубление 40. Мыслительный процесс, приведший к предпочтительному варианту выполнения полезной модели, включал в себя наглядное изображение точно следующего: обычно выглядящего гидродинамического подъема, но содержащего в середине вытянутое углубление 40, которая с функциональной точки зрения разделяет геометрическую форму на подъем 42CW для вращения по часовой стрелке и подъем 42CCW для вращения против часовой стрелки, которые предпочтительно являются зеркальными отображениями друг друга. Вытянутое углубление 40 предпочтительно определяет гидродинамический входной участок как для подъема 42CW для вращения по часовой стрелки, так и для подъема 42CCW для вращения против часовой стрелки.
Когда вытянутое углубление 40 сжато вращающейся поверхностью 5 (фиг.1), оба его конца постепенно приближаются к вращающейся поверхности 5, если смотреть в
направлении вдоль окружности. Таким образом, образуется гидродинамическая входная зона, просвет которой постепенно сходит на нет в точке контакта динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5, что, в ответ на относительное вращение динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5, способствует эффективному забиванию клином пленки первой текучей среды 6 в зону 16 контакта между ними.
Крутящий момент при работе уплотнения зависит от общей площади зоны контакта (то есть площади зоны сдвига смазывающего материала) и степени шероховатости контакта динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5. По сравнению с существующими уплотнениями, соответствующими переуступленным патентам США 4610319 и 5230520, вытянутое углубление 40 удаляет материал уплотнения из зоны сжатия и исключает ненужные участки высокого давления в зоне контакта и уменьшает общую площадь зоны контакта и общую силу, действующую в зоне контакта динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5 - при этом нет необходимости уменьшать минимальную ширину зоны 16 контакта. Это обстоятельство само по себе уменьшает как крутящий момент при работе, так и крутящий момент при раскреплении по сравнению с существующим уровнем техники.
Крутящий момент при работе также зависит от эффективности смазывания зоны 16 контакта. Вытянутое углубление 40 способствует значительному улучшению смазывания зоны 16 контакта, что будет подробно объяснено ниже. Посредством улучшенного смазывания уплотнения могут работать при больших давлениях в зоне контакта, которые связаны с большим в процентном выражении сжатием, необходимым для миниатюрных уплотнений, и/или больших значениях давления в зоне контакта, вызванных большими перепадами давления вдоль уплотнения, и/или больших значениях давления в зоне контакта, вызванных использованием для уплотнения материалов с большим модулем упругости, таких как армированные пластики.
Для вращение в двух направлениях динамическая кромка 4 содержит, по меньшей мере, один подъем 42CW для вращения по часовой стрелке и, по меньшей мере, один подъем 42CCW для вращения против часовой стрелки. Первая сторона 24 динамической кромки 4 предпочтительно скошена по отношению к возможным направлениям относительного вращения динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5 и определяет профили подъема 42CW для вращения по часовой стрелке и подъема 42CCW для вращения против часовой стрелки. Оба подъема 42CW и 42CCW для вращения по часовой стрелке и против часовой стрелки приспособлены для гидродинамического самосмазывания пленкой первой текучей среды в ответ на относительное вращение динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5 как по часовой стрелке, так и
против часовой стрелки.
При относительном вращении по часовой стрелке динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5 подъем 42CW для вращения по часовой стрелке приспособлен для отклонения пленки первой текучей среды 6 по направлению ко второй стороне 25 кромки (и через, как правило, кольцеобразную полосу 44 уплотнения, показанную на фиг.2) и во вторую текучую среду 7. Таким образом, при относительном вращении по часовой стрелке обеспечивается гидродинамическое смазывание зоны 16 контакта (смотри фиг.1 и 2).
При относительном вращении против часовой стрелки динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5 подъем 42CCW для вращения против часовой стрелки приспособлен для отклонения пленки первой текучей среды 6 по направлению ко второй стороне 25 кромки (и через, как правило, кольцеобразную полосу 44 уплотнения, показанную на фиг.2) и во вторую текучую среду 7. Таким образом, при относительном вращении против часовой стрелки обеспечивается гидродинамическое смазывание зоны 16 контакта (смотри фиг.1 и 2).
Как показано на фиг.1А, подъем 42CW для вращения по часовой стрелке и подъем 42CCW для вращения против часовой стрелки предпочтительно являются зеркальными отражениями друг друга и, как показано, предпочтительно граничат друг с другом для предотвращения боковой утечки из зоны 16 контакта в камеру 23. Применение, по меньшей мере, одного подъема 42CW для вращения по часовой стрелке и, по меньшей мере, одного подъема 42CCW для вращения против часовой стрелки делает динамическую кромку 4 двунаправленной в том смысле, что эффективное гидродинамическое смазывание и эффективное отклонение пленки первой текучей среды 6 ко второй стороне 25 кромки достигается как при относительном вращении по часовой стрелке, так и при относительном вращении против часовой стрелки.
Точное количество имеющихся подъемов 42CW для вращения по часовой стрелке и подъемов 42CCW для вращения против часовой стрелки зависит от диаметра уплотнения 2. В уплотнениях большого диаметра используется большее количество подъемов - обычно они периодически повторяются, а в уплотнениях меньшего диаметра используется меньшее количество подъемов. В двунаправленных уплотнениях чрезвычайно малого диаметра может использоваться даже по одному подъему 42CW для вращения по часовой стрелке и одному подъему 42CCW для вращения против часовой стрелки. Точное число имеющихся подъемов 42CW для вращения по часовой стрелке и подъемов 42CCW для вращения против часовой стрелки также зависит от степени смазывания, необходимой для относительного вращения в каждом направлении.
Например, если перепад давления велик при вращении по часовой стрелке и мал при вращении против часовой стрелки, то желательно использовать большее количество подъемов 42CW для вращения по часовой стрелке и меньшее количество подъемов 42CCW для вращения против часовой стрелки. В уплотнениях с разным количеством подъемов 42CW для вращения по часовой стрелке и подъемов 42CCW для вращения против часовой стрелки существуют места, где подъем для вращения по часовой стрелке граничит с другим подъемом для вращения по часовой стрелке или где подъем для вращения против часовой стрелки граничит с другим подъемом для вращения против часовой стрелки. Тогда в местах стыка оба подъема имеют одинаковый профиль поперечного сечения, так чтобы переход от одного подъема к другому был гладким.
Ближайшими к первой стороне 24 кромки частями подъема 42CW для вращения по часовой стрелке и подъема 42CCW для вращения против часовой стрелки являются многофункциональный край 46CW и многофункциональный край 46CCW соответственно. Форма многофункциональных краев 46CW и 46CCW более легко понятна на фиг.1C-1F. Каждый многофункциональный край 46CW и 46CCW содержит, по меньшей мере, скошенную часть (то есть не параллельную) по отношению к направлению возможного относительного вращения. Предпочтительно, чтобы почти все многофункциональные края 46CW и 46CCW были скошены по отношению к направлению возможного относительного вращения и по отношению к динамической стопорной линии пересечения 19. Предпочтительно, чтобы скошенные части многофункционального края 46CW были скошены в противоположном направлении по отношению к скошенным частями многофункционального края 46CCW.
По меньшей мере, часть многофункционального края 46CW, 46CCW образует наклонный участок 48CW, 48CCW соответственно. Каждый наклонный участок 48CW и 48CCW помогает формировать одну сторону вытянутого углубления 40. Когда уплотнение 2 сжато вращающейся относительно него поверхностью 5 (фиг.1), предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть каждого наклонного участка 48CW и 48CCW сжималась вращающейся поверхностью 5 и, по меньшей мере, часть каждого наклонного участка не контактировала с вращающейся поверхностью 5, а была расположена с некоторым зазором по отношению к вращающейся поверхности 5. Наклонные участки 48CW и 48CCW плавно наклонены/изогнуты по отношению к вращающейся поверхности 5, и получаемая таким образом форма способствует образованию гидродинамического клина.
Также предпочтительно, чтобы вытянутое углубление 40 содержало склон 49 углубления, имеющий в поперечном сечении профиль выпуклой кривой (как наиболее
хорошо видно на фиг.1D). Радиус профиля выпуклой кривой предпочтительно разный в разных местах вдоль длины подъема, как будет описано более подробно при рассмотрении фиг.1В-1F. Также динамическая кромка 4 предпочтительно содержит закругления 50CW и 50CCW углубления, которые в поперечном сечении имеют обычно профиль вогнутой кривой (как наиболее хорошо видно на фиг.1D), а в направлении вдоль окружности имеет скошенный, наклонный профиль. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть закругления 50CW, 50CCW углубления была утоплена по сравнению с наклонными участками 48CW, 48CCW соответственно. Предпочтительно, чтобы закругления 50CW, 50CCW плавно сопрягались или, по существу, плавно сопрягались со склоном 49 углубления. Также предпочтительно, чтобы закругления 50CW, 50CCW плавно сопрягались или, по существу, плавно сопрягались с наклонными участками 48CW и 48CCW соответственно. Изогнутые профили склона 49 углубления, закругления 50CW, 50CCW углубления и наклонного участка 48CW, 48CCW могут принимать любые подходящие формы, такие как часть окружности, часть эллиптической кривой или часть параболической кривой, комбинация кривых и так далее.
Во время работы смазочный материал (первая текучая среда 6) внутри механизма собирает загрязняющие вещества. При относительном вращении часть первой текучей среды 6 и плавающие в ней загрязняющие вещества вращаются по окружности внутри камеры 23 и вращаются относительно динамической кромки 4. Благодаря скошенной форме многофункциональных краев 46CW и 46CCW часть первой текучей среды скользит вдоль динамической кромки 4, а не попадает в движущуюся зону 16 контакта. Данное отклоняющее действие помогает направить загрязняющие вещества, находящиеся внутри первой текучей среды 6, в сторону от вытянутого углубления 40, что способствует предотвращению износа динамических поверхностей динамической кромки 4.
На фиг.1В представлен частичный вид сверху, показывающий подъем 42CW для вращения по часовой стрелки уплотнения 2, изображенного на фиг.1 и 1А. Фигура 1С представляет собой разрез С-С фиг.1В. Фигуры 1D, 1E и 1F - это разрезы D-D, Е-Е и F-F, соответственно, фиг.1В. На фиг.1D-1F для ориентации помечены первый концевой участок 14, второй концевой участок 15, статичная уплотнительная поверхность 20, пружинящий элемент 21, кольцевидная канавка 22, первая сторона 24 кромки, выступающая статичная уплотнительная кромка 36 и статичная стопорная линия пересечения 38. Для ориентации некоторые из данных элементов также указаны на фиг.1В и 1С.На фиг.1В длина 80 первичной дуги, длина 82 вторичной дуги и глубина 94 первичной дуги соответствуют таким же ссылочным позициям, которые будут подробно описаны на фиг.16 и 16А.
На фиг.1В первый концевой участок 14 параллелен плоскости просмотра (то есть плоскости треугольной проекции). Таким образом, наклонный участок 48CW, расположенный под углом к первому концевому участку 14 (как можно видеть на фиг.1А и 1С), показан в перспективе на фиг.1В. На данном виде в перспективе ясно, что наклонный участок 48CW наклонен по отношению к динамической поверхности 51 уплотнения. Как показано на фиг.1В, предпочтительно, чтобы эта наклонная форма наклонного участка 48CW представляла собой сложную кривую, состоящую из первичной кривой 52 и вторичной кривой 54, которые плавно сопряжены в месте Т55 сопряжения. Один пример построения упомянутой выше сложной кривой схематично показан на фиг.16 и 16А; этот метод автоматически регулирует кривизну первичной кривой 52 для поддержания одинаковой скорости сужения с валом для семейства уплотнений различных диаметров, размеры которых подобраны под различные внешние размеры оборудования. Наклонный участок 48CW является частью многофункционального края 46CW. Многофункциональный край 46CW предпочтительно переходит от разреза D-D к разрезу F-F так, как показано на фиг.1В. В любом случае, независимо от формы многофункционального края 46CW, подъем 42CW для вращения по часовой стрелке и подъем 42CCW для вращения против часовой стрелки прилегают друг к другу в общем месте вытянутого углубления 40 - за исключением случаев, когда имеется разное количество подъемов для вращения по часовой стрелке и подъемов для вращения против часовой стрелки.
Первичная кривая 52, которая предпочтительно плавно сопряжена с динамической поверхностью 51 уплотнения, регулирует сужение наклонного участка 48CW (и до некоторой степени закругления 50CW углубления) и динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5, если смотреть по направлению вдоль окружности. Степень сужения является важным аспектом гидродинамических рабочих характеристик, так как она регулирует увеличение давления в направлении вдоль окружности в зоне контакта (известного как DPDX) динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5.
Так как закругление 50CW вытянутого углубления 40 плавно сопряжено с наклонным участком 48CW и склоном 49 углубления, то кривизна наклонного участка 48CW является одним из трех основных факторов, регулирующих установленное сужение вытянутого углубления 40 и вращающейся поверхности 5. Остальные два фактора из трех - это скорость и величина изменения переменной кривизны закругления 50CW и 50CCW углубления и скорость изменения переменной кривизны склона 49 углубления. Данные факторы будут подробно описаны ниже.
Длина подъема 42CW по окружности должна обязательно изменяться в семействе
уплотнений различных диаметров, так как одна и та же длина не делится нацело на каждое значение длины окружности уплотнения. Указанное изменение длины подъема также встречалось в технике в уплотнениях с синусоидальными подъемами (оно становится сильнее в уплотнениях малого диаметра). В существующих уплотнениях изменение длины подъема влияет на скорость сужения уплотнения и вращающейся поверхности. Дополнительная информация об изменении сужения существующих уплотнений, которое является функцией длины подъема, содержится в патенте США 6382634. Принципиальным улучшением существующего уровня техники является то, что в полезной модели сужение остается постоянным для некоторого диапазона значений диаметров уплотнений. Данное свойство будет подробно описано при рассмотрении фиг.16-16С.
Первичная кривая 52 может принимать любую подходящую форму, которая обеспечивает образование гидродинамического клина, не выходя при этом за пределы объема полезной модели. Форма может представлять собой часть окружности (включая часть окружности бесконечного радиуса, то есть прямую линию), часть эллипса, часть синусоидальной кривой, часть параболической кривой, часть циклоиды, часть версперы/версиеры, часть комбинации кривых, части комбинации кривых и прямых линий и так далее.
Проекция, показанная на фиг.1С, и поперечные сечения по фиг.1D, 1E и 1F изображают предпочтительный вариант формы поверхности динамической кромки 4, соответствующей настоящей полезной модели. Пунктирные линии, использованные на фиг.1С, показывают расположение основных точек Т56, Т57, Т58 и Т59 сопряжения различных частей поверхности динамической кромки 4.
При наблюдении перпендикулярно поперечному сечению, то есть так, как показано на фиг.1D, 1E и 1F, поверхность между динамической стопорной линией пересечения 19 и Т56 предпочтительно представляет собой, по существу, прямую линию, которая в несжатом состоянии может по желанию быть либо наклонной, либо параллельной заданной вращающейся поверхности 5.
При наблюдении перпендикулярно поперечному сечению, то есть так, как показано на фиг.1D, 1E и 1F, поверхность склона 49 углубления между Т56 и Т57 предпочтительно является выпуклой кривой. По меньшей мере, на части расстояния между линией D-D (фиг.1D) и линией Е-Е (фиг.1E) радиус кривой между Т56 и Т57 предпочтительно увеличивается нелинейно, а в некоторых местах указанная кривая становится кривой с бесконечным радиусом (то есть прямой линией) или становится кривой, которая на практике отличается от прямой линии на небольшие расстояния, возникающие в обычных
уплотнениях вращающихся соединений. Указанное изменение кривизны поверхности между Т56 и Т57 представляет собой предпочтительный способ формирования склона 49 углубления, хотя для упрощения кривизна может быть постоянной, а не переменной.
Например, кривая между Т56 и Т57 может иметь радиус, который увеличивается от 3,81 мм до 10160 мм между линиями D-D и Е-Е, а между линиями Е-Е и F-F радиус кривизны может оставаться постоянным и равным 10160 мм. Очевидно, что радиус, равный 10160 мм, на практике предполагает, что указанная кривая является прямой линией между Т56 и Т57, что является обычным для ширины типовой динамической кромки уплотнения вращающегося соединения.
Изменение радиуса кривизны между Т56 и Т57 обеспечивает то, что входные боковые края 60CW и 60CCW зоны 16 контакта, которые показаны на фиг.2, выполнены предпочтительно криволинейной формы. В примере, показанном на фиг.1-1F, радиус обычно выпуклой кривой между Т56 и Т57 предпочтительно увеличивается (то есть кривизна становится меньше и меньше) от линии D-D до линии Е-Е, при этом у линии Е-Е кривая приблизительно совпадает с прямой линией и остается такой же от линии Е-Е до линии F-F.
При наблюдении перпендикулярно поперечному сечению, то есть так, как показано на фиг.1D, 1Е и 1F, поверхность между Т57 и Т58 (закругление 50CW углубления) предпочтительно выполнена вогнутой. По меньшей мере, на части расстояния между линией D-D (фиг.1D) и линией Е-Е (фиг.1Е) радиус обычно вогнутой кривой между Т57 и Т58 предпочтительно увеличивается нелинейно, а к линии Е-Е указанная кривая становится кривой с бесконечным радиусом (то есть прямой линией) или становится кривой, которая на практике приближается к прямой линии для расстояний, обычных для размеров типовой динамической кромки 4. В примере, показанном на фиг.1-1F, радиус обычно вогнутой кривой между Т57 и Т58 увеличивается (то есть кривизна становилась меньше и меньше) от линии D-D до линии Е-Е, при этом у линии Е-Е кривая приблизительно совпадает с прямой линией и остается такой же от линии Е-Е до линии F-F. Для упрощения радиус кривизны закругления 50CW может быть постоянным, а не переменным.
Предпочтительно, чтобы радиус, в основном, вогнутой кривой между Т57 и Т58 нацело делился на радиус прилегающей, в основном, выпуклой кривой, расположенной между Т56 и Т57 и представляющей собой склон 49 углубления. Особенно подходящей представляется часть примерно от 1/10 до 1/2, так что в любой точке поперечного сечения между линией D-D (фиг.1D) и линией F-F (фиг.1F) кривая между Т57 и Т58 составляет от примерно от 1/10 до 1/2 от радиуса кривой между Т56 и Т57.
Динамическая поверхность 51 уплотнения, по меньшей мере, для уплотнения с фиг.1-1D, представляет собой область, где кривые переменного радиуса, образующие закругление 50CW углубления и склон 49 углубления, становятся предпочтительно кривыми бесконечного радиуса (то есть прямыми линиями) или становятся кривыми, которые с практической точки зрения приближаются к прямым линиям, то есть являются прямыми линиями для расстояний обычных для размеров обычных динамических кромок 4.
При наблюдении перпендикулярно поперечному сечению, то есть так, как показано на фиг.1D, 1Е и 1F, профиль многофункционального края 46CW между точками Т58 и Т59 сопряжения предпочтительно является, в основном, выпуклой кривой. Одна из целей криволинейного профиля заключается в том, чтобы помочь добиться постепенного сужения динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5, чтобы служить гидродинамическим входным участком для обеспечения гидродинамического расклинивающего действия при относительном вращении против часовой стрелки динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5. Другая цель заключается в том, чтобы создать зону 62CW контакта с повышенным давлением внутри зоны 16 контакта (см. фиг.2). Указанная зона 62CW предназначена для отклонения смазочного материала по направлению к динамической стопорной линии пересечения 19 в направлении, противоположном направлению вращения. Размеры многофункционального края 46CW выбраны таким образом, чтобы обеспечить необходимый уровень давления контакта в зоне 62CW контакта с повышенным давлением внутри зоны 16 контакта. При желании радиус профиля многофункционального края 46CW можно изменять вдоль его длины с целью регулирования давления контакта в зоне 62CW контакта с повышенным давлением внутри зоны 16 контакта. Указанное давление влияет на крутящий момент, гидродинамическое всасывающее действие в одном направлении относительного вращения и влияет на отклонение пленки смазочного материала в противоположном направлении относительного вращения. Например, если необходимо уменьшить величину зоны 62CW контакта с повышенным давлением зоны 16 для отклонения меньшего количества пленки первой текучей среды 6 по направлению к динамической стопорной линии пересечения 19 и соответствующему второму краю 18 зоны контакта и для образования меньшей гидродинамической течи, можно частично или на всем расстоянии от линии Е-Е (фиг.1Е) до линии F-F (фиг.1F) увеличить радиус, в основном, выпуклой кривой между Т58 и Т59. В примере, показанном на фиг.1-1F, радиус, в основном, выпуклой кривой между Т58 и Т59 увеличен (то есть кривая имеет все меньшую и меньшую кривизну) между линией Е-Е и линией F-F; на фиг.1С следует обратить
внимание на тенденцию расхождения Т58 и Т59, происходящую в результате изменения кривизны.
Упомянутые выше кривые между Т56 и Т57, между Т57 и Т58 и между Т58 и Т59 могут принимать любые подходящие формы кривой или части кривой, или комбинации кривых, или комбинации кривых и прямых линий (то есть кривой с бесконечным радиусом кривизны). Например, кривые могут выбираться из группы кривых, которая содержит окружности, эллипсы, синусоиды, параболические кривые, циклоиды и версперы/версиеры. Тем не менее, в примере, показанном на фиг.1-1F, кривые между Т56 и Т57, между Т57 и Т58 и между Т58 и Т59 являются частями окружностей.
На фиг.2 в плоскости показана зона 16 контакта для двух полных подъемов динамической кромки уплотнения 2 по фиг.1-1F, когда уплотнение установлено на вращающейся поверхности 5. Вращения по часовой стрелке и против часовой стрелки, обозначенные на фиг.2, ориентированы так, как если бы зритель смотрел на зону контакта, оставляющую след на вращающейся поверхности 5 (а не смотрел бы на динамическую кромку 4).
Как упомянуто выше при описании фиг.1, зона 16 контакта содержит первый край 17 зоны контакта и второй край 28 зоны контакта. Когда динамическая стопорная линия пересечения 19 динамической кромки 4 сжимается вращающейся поверхностью 5, в целом, кольцеобразный второй край 18 зоны контакта, по существу, выравнивается с возможными направлениями вращения и, следовательно, в ответ на вращение второй край 18 зоны контакта не является причиной гидродинамического расклинивающего действия второй текучей среды и, значит, предотвращает проникновение второй текучей среды 7 в зону 16 контакта, как указано в описании к переуступленному патенту США 4610319.
На фиг.2 показана карта контуров относительных величин давления контакта в зоне 16 контакта. Давление контакта, показанное в виде контуров на фиг.2, было установлено посредством метода конечных элементов, при этом имитировалась осевая нагрузка, получаемая посредством пружины, в 15 фунтов на квадратный дюйм через шайбу (для предотвращения скашивания, как описано в документе N. 37627 Общества инженеров-нефтяников и Международной ассоциации буровых подрядчиков). Наиболее высокое давление контакта наблюдается в местах 64CW и 64CCW наибольшего давления, а наименьшее значение давления контакта наблюдается вдоль первого края 17 зоны контакта. Форма зоны контакта и контуры с одинаковым значением давления контакта остаются практически постоянными, такими как показано на фиг.2, при различных имитировавшихся температурах, находящихся в пределах рабочего диапазона температур обычных материалов уплотнения.
Зоны 62CW и 62CCW контакта с повышенным давлением, которые скошены в противоположных направлениях относительно возможных направлений относительного вращения, сформированы в результате сжатия многофункциональных краев 46CW и 46CCW динамической кромки 4 вращающейся поверхностью 5. Давление контакта увеличено в зоне 62CW и 62CCW контакта с повышенным давлением из-за классических краевых эффектов сжатия, формы поперечного сечения многофункциональных краев 46CW и 46CCW и неизбежного сжатия некоторых частей материала уплотнения, расположенного между многофункциональными краями 46CW и 46CCW и первым концевым участком 14 уплотнения.
Зоны 62CW и 62CCW контакта с повышенным давлением выполнены так, чтобы в направлении вдоль окружности уровень давления контакта в них увеличивался постепенно, чтобы дать возможность, по меньшей мере, некоторому количеству смазочного материала пройти через них как при вращении по часовой стрелке, так и при вращении против часовой стрелки.
Первый край 17 зоны контакта содержит входные боковые края 60CW и 60CCW, которые образуются в результате сжатия склона 49 углубления вращающейся поверхностью 5. По меньшей мере, часть входных боковых краев 60CW и 60CCW, а предпочтительно все они, скошены по отношению к возможным направлениям вращения, за исключением точки Т73 сопряжения. Скос приводит к тому, что один или другой входной боковой край 60CW и 60CCW функционируют в качестве гидродинамического входного участка при любом направлении вращения. Сжатие склона 49 углубления вращающейся поверхностью 5 приводит к появлению давления контакта, которое постепенно увеличивается в направлении вдоль окружности, что можно видеть благодаря контурам давления контакта на фиг.2.
Первый край 17 зоны контакта предпочтительно содержит выступающие по окружности края 66CW и 66CCW, которые располагаются по окружности после/за пределами краев 68CW и 68CCW повторного входа зоны контакта, соответственно. Выступающие по окружности края 66CW и 66CCW образованы посредством сжатия вращающейся поверхностью 5 наклонных участков 48CW и 48CCW соответственно. Края 68CW и 68CCW повторного входа образованы посредством сжатия вращающейся поверхностью 5 склона 49 углубления и закругления 50CW и 50CCW углубления соответственно.
В основном, зона 16 контакта может быть разделена на зону 70CW контакта для вращения по часовой стрелке и зону 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки и по существу кольцеобразную полосу 44 уплотнения, которая ограничена
пунктирной ограничительной линией 72, касающейся первого края 17 зоны контакта в точке Т73 сопряжения. Зона 70CW контакта для вращения по часовой стрелке соответствует подъему 42CW динамической кромки 4 и образуется при сжатии вращающейся поверхностью 5 части подъема 42CW для вращения по часовой стрелке. Аналогично зона 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки соответствует подъему 42CCW динамической кромки 4 и образуется при сжатии вращающейся поверхностью 5 части подъема 42CCW для вращения против часовой стрелки. В целом кольцеобразная полоса 44 уплотнения является, в основном, кольцеобразной областью зоны 16 контакта, которая расположена между пунктирной ограничительной линией 72 и вторым краем 18 зоны контакта (то есть, в целом, кольцеобразная полоса 44 уплотнения расположена между вторым краем 18 зоны контакта и зонами 70CW для вращения по часовой стрелке и 70CCW для вращения против часовой стрелки).
Зона 16 контакта характеризуется минимальной шириной 84 входа и минимальной шириной 85 отклонения, которые могут быть равными или различными по размерам. Предпочтительно, чтобы минимальная ширина 84 входа была меньше минимальной ширины 85 отклонения, причины этого будут описаны позже при рассмотрении фиг.2С.
Вращающаяся поверхность 5 смачивается первой текучей средой 6, которая предпочтительно является жидким масляным смазочным материалом. При вращении против часовой стрелки скорость вращения увлекает тонкую пленку первой текучей среды 6 после входного бокового края 60CW, края 68CW повторного входа зоны контакта и выступающего по окружности края 66CW и в зону 70CW контакта для вращения по часовой стрелке, являющейся частью зоны 16 контакта. Данное введение пленки смазочного материала приводит к появлению гидродинамической подъемной силы в зоне 16 контакта, что приводит к небольшому подниманию динамической кромки 4, что устраняет большую часть прямого трения скольжения между динамической кромкой 4 и вращающейся поверхностью 5. Когда пленка находится в зоне 70CW контакта для вращения по часовой стрелке, скорость вращения вынуждает пленку перемещаться, в основном, вдоль окружности по часовой стрелке внутри зоны 70CW контакта для вращения по часовой стрелке, а некоторая часть пленки выходит из зоны 70CW контакта после зоны 62CW контакта с повышенным давлением и повторно поступает в камеру 23, которая показана на фиг.1. Зона 62CW контакта с повышенным давлением, которая выполнена скошенной относительно направления относительного вращения, немного уменьшает толщину пленки и заставляет часть пленки, которая перемещалась по окружности в зоне 70CW контакта для вращения по часовой стрелке, переместиться в кольцеобразную полосу 44 уплотнения и по направлению к кольцеобразному второму
краю 18 зоны контакта. Когда пленка попадает в кольцеобразную полосу 44 уплотнения, она замещается другой частью смазочного материала, поступающего в кольцеобразную полосу 44 уплотнения, и перемещается более или менее по спирали, покидая при этом зону 16 контакта, проходя через второй край 18 зоны контакта. Результатом является утечка первой текучей среды 6 во вторую текучую среду 7 и смазывание кольцеобразной полосы 44 уплотнения. Указанное перемещение первой текучей среды 6 во вторую текучую среду 7 обеспечивает промывающее действие, которое помогает удалить частицы загрязняющих веществ, которые могут присутствовать в зоне 16 контакта, а также помогает предотвратить перемещение загрязняющих веществ по направлению к камере 23. Величина утечки и промывающего действия может изменяться от маленьких до больших значений посредством изменения параметров формы уплотнения. Так, изменяя кривизну первичной кривой 52, можно менять сужение динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5 в вытянутом углублении 40.
При вращении отклоняющее действие обеспечивает смазывание сопряженных поверхностей уплотнения 2 и вращающейся поверхности 5 по всей зоне 16 контакта даже в условиях, когда давление первой текучей среды 6 может превосходить давление второй текучей среды 7 на сотни или даже тысячи фунтов на квадратный дюйм.
При вращении по часовой стрелке, после зоны 62CW контакта с повышенным давлением тонкая пленка первой текучей среды 6 также увлекается в зону 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки. Когда пленка находится в зоне 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки, скорость вращения вынуждает ее перемещаться, в основном, по окружности по часовой стрелке до тех пор, пока она не выйдет из зоны 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки через входной боковой край 60CCW, край 68CCW повторного входа зоны контакта и выступающий по окружности край 66CCW. Это, по существу, круговое, перемещение пленки в зоне 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки обеспечивает отличное смазывание зоны 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки без заметного увеличения крутящего момента, для преодоления силы трения уплотнения.
В соответствии с законом физики два разных объекта не могут занимать одно и то же пространство в одно и то же время. По всей длине вдоль окружности зоны 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки наличие перемещающейся, вообще говоря, по окружности пленки в указанной зоне минимизирует или предотвращает любую боковую утечку из, в основном, кольцеобразной полосы 44 уплотнения в зону 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки и, таким образом, минимизирует или предотвращает любую боковую утечку в первую текучую среду 6, расположенную в
камере 23 и, следовательно, помогает сохранить достаточную толщину пленки внутри кольцеобразной полосы 44 уплотнения, что нужно для гарантирования достаточного смазывания.
При вращении по часовой стрелке посредством, по существу, кругового перемещения пленки внутри зоны 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки, в зоне 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки имеет место постоянное промывающее действие, которое переносит теплоту, выработанную в уплотнении, от зоны 16 контакта в основной объем первой текучей среды 6, находящейся в камере 23. Это помогает поддерживать температуру динамической кромки 4 близкой к температуре первой текучей среды 6.
В уплотнениях, устанавливаемых с натягом, таких, какое изображено на фиг.1-1F, зоны 62CW и 62CCW контакта с повышенным давлением, которые наиболее близко лежат ко второму краю 18 зоны контакта, также находятся в области, которая находится на одной линии с силой сжатия, вызванной контактом статичной уплотнительной поверхности 20 и периферийной стенкой 11. Следовательно, существует тенденция увеличения величины давления контакта в тех частях зон 62CW и 62CCW контакта с повышенным давлением, которые расположены наиболее близко ко второму краю 18 зоны контакта. Предпочтительный переменный радиус кривизны многофункциональных краев 46CW и 46CCW, показанный на фиг.1А, помогает управлять величиной давления контакта в частях зон 62CW и 62CCW контакта с повышенным давлением, которые расположены наиболее близко ко второму краю 18 зоны контакта. Для упрощения кривизна многофункциональных краев 46CW и 46CCW может быть фиксированной, а не переменной. На фиг.1 В показано уплотнение по фиг.1А, причем кривизна многофункциональных краев 46CW и 46CCW изменяется по синусоиде от минимального значения на линии Е-Е до максимального на линии F-F. Кривизна многофункциональных краев 46CW и 46CCW также изменяется на фиг.3В и, в качестве упрощения, не меняется на фиг.3, 3А, 14 и 15.
Что касается первой текучей среды 6, которая при вращении по часовой стрелке попадает в зону 70CW контакта для вращения по часовой стрелке, то чем меньше давление в зоне 62CW контакта с повышенным давлением, тем меньше первая текучая среда будет отклоняться ко второму краю 18 зоны контакта и тем меньше скорость гидродинамической утечки первой текучей среды 6 во вторую текучую среду 7. Тем не менее, что касается первой текучей среды 6, которая попадает в зону 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки, чем ниже давление в зоне 62CCW контакта с повышенным давлением, тем большее количество первой текучей среды 6 попадет в зону
70CCW контакта для вращения против часовой стрелки.
Вообще, с точки зрения уменьшения крутящего момента, необходимого для преодоления трения уплотнения, предпочтительно, чтобы свойство гидродинамического всасывания вытянутого углубления 40 было как можно сильнее и, следовательно, в зону 16 контакта поступало бы как можно больше смазочного материала, и желательно, чтобы зоны 62CW и 62CCW контакта с повышенным давлением были настолько активными, насколько нужно для отклонения количества пленки через кольцеобразную полосу 44 уплотнения достаточного для соответствующего смазывания при предусмотренных рабочих условиях. Изменяемый радиус кривизны многофункциональных краев 46CW и 46CCW, которые показаны на фиг.1А, 1В и 3В, помогает регулировать величину отклонения пленки посредством удаления материала уплотнения из зоны сжатия для регулирования величины давления в зонах 62CW и 62CCW контакта с повышенным давлением.
Зона 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки предпочтительно является зеркальным образом зоны 70CW контакта для вращения по часовой стрелке, что выполняется для обеспечения одинаковых функций с зоной 70CW контакта для вращения по часовой стрелке при вращении в противоположном направлении.
При вращении против часовой стрелки возникает аналогичное гидродинамическое смазывание, как описано выше, с учетом того, что вращение осуществляется против часовой стрелки. Другими словами, функции зоны 70CW контакта для вращения по часовой стрелке и зоны 70CCW контакта для вращения против часовой стрелки меняются местами при изменении направления вращения на противоположное.
В уплотнениях, описанных в патенте США 5230520 и промышленно изготавливаемых фирмой «Kalsi Engineering», любой смазочный материал, который гидродинамически загоняется клином в движущуюся зону контакта (то есть движущийся уплотняемый стык), должен пересекать место со сравнительно высоким давлением, которое образовано посредством «краевых эффектов» сжатия. Когда давление контакта наносится на график, данное высокое давление выглядит как волнистый гребень, который проходит вдоль смазываемого края зоны контакта.
В настоящем изобретении смазочный материал, который гидродинамически загоняется клином в зону 16 контакта в вытянутом углублении 40, не должен пересекать гребнеобразное место высокого давления в зоне контакта, так как вытянутое углубление 40 и особенно его закругления 50CW и 50CCW углубления могут просто иметь такую форму, чтобы сужение с вращающейся поверхностью 5 было достаточно плавным, что обеспечивает регулирование величины и профиля давления контакта, при этом
предотвращается образование гребня давления контакта и, таким образом, достигается высокая эффективность гидродинамического расклинивающего действия.
Низкий крутящий момент на преодоление трения уплотнения, обеспечиваемый настоящим изобретением, приводит к тому, что выделяется меньшее количество теплоты, что помогает минимизировать уменьшение модуля упругости материала уплотнения, связанное с температурой. Это помогает уплотнению лучше сопротивляться экструзии и быть менее склонным к классическому «отламыванию маленьких кусков» или «экструзионному повреждению», что подтверждается при сравнительном тестировании. Так как экструзионное повреждение может способствовать всасыванию абразива и также может нарушать пленку смазочного материала рядом с кольцеобразной стопорной формой и привести к дополнительному трению и износу, то уменьшение крутящего момента, обеспечиваемое настоящим изобретением, в значительной степени способствует большему сроку эксплуатации при неблагоприятных рабочих условиях.
В некотором оборудовании (таком, как герметизированные подшипниковые устройства забойных двигателей) относительно высокое отклонение вала и другие факторы допускают значительное радиальное движение между валом и корпусом уплотнения, что приводит к увеличенному экструзионному повреждению. Увеличенное сопротивление экструзии, соответствующее настоящей полезной модели, поможет продлить срок эксплуатации уплотнения такого оборудования. Улучшенное смазывание, обеспечиваемое полезной моделью, также помогает выдержать высокий уровень начального сжатия, который необходим для адаптации к высоким уровням радиального перемещения между валом и корпусом уплотнения.
При низком перепаде давления лабораторные тесты без охлаждения со смазочным материалом с коэффициентом вязкости ISO 32 показали, что для уплотнений, изготовленных в соответствии с настоящей полезной моделью, крутящий момент уменьшается вдвое по сравнению с существующими уплотнениями, изготовленными в соответствии с фиг.2 патента США 5230520. Также уплотнения, изготовленные в соответствии с настоящей полезной моделью, способны вращаться в два раза быстрее по сравнению с существующими уплотнениями до того, как будет достигнута критическая температура, связанная с выделением теплоты в уплотнении. Уплотнения тестировались на отдельных частях одного и того же вала, с одинаковым биением и одинаковым корпусом уплотнения, при этом уплотнения не охлаждались ничем, кроме как неподвижным воздухом комнатной температуры.
Методика проектирования геометрической формы динамической кромки 4, описанной выше при рассмотрении фиг.1-1F, чрезвычайно гибка и может быть легко
изменена с целью получения необходимых модификаций формы зоны контакта и профиля давления в зоне контакта.
Например, форма зоны 16 контакта, показанной на фиг.2А, может быть получена увеличением длины вдоль окружности вытянутого углубления 40. В другом примере форма зоны 16 контакта, показанной на фиг.2В, может быть получена уменьшением кривизны первичной кривой 52, чтобы первичная кривая 52 занимала вдоль окружности большую часть подъема 42CW для вращения по часовой стрелке или подъема 42CCW для вращения против часовой стрелки.
Для максимального смазывания форма зоны 16 контакта, представленная на фиг2, более предпочтительна, чем форма зоны 16 контакта, представленная на фиг.2А, так как части входных боковых краев 60CW и 60CCW (сформированных склоном 49 вытянутого углубления 40) на фиг.2А расположены ближе по окружности и, следовательно, гидродинамическое смазывание будет малым или вообще будет отсутствовать, и также эта ситуация не оптимальна для предотвращения утечки пленки.
Для максимального смазывания форма зоны 16 контакта по фиг.2 также более предпочтительна, чем форма зоны 16 контакта по фиг.2В. Что касается зоны 16 контакта, показанной на фиг.2, так как первая текучая среда 6, которая смачивает вращающуюся поверхность 5, воздействует на край зоны 16 контакта в краях 68CW или 68CCW повторного входа зоны контакта, то первая текучая среда 6, скорее всего, попадет в зону 16 контакта, чем обтечет выступающие по окружности края 66CW или 66CCW, потому что для обтекания выступающих по окружности краев 66CW или 66CCW первая текучая среда 6 должна была бы переместиться в направлении, противоположном направлению вращения. Что касается зоны 16 контакта, показанной на фиг.2В, то любая текучая среда, обтекающая зону 16 контакта (вместо того, чтобы попасть в нее), будет по-прежнему перемещаться в направлении относительного вращения. Следовательно, скорее текучая среда попадет в зону 16 контакта, показанную на фиг.2, по сравнению с зоной 16 контакта, показанной на фиг.2В.
Как утверждалось ранее, края 68CW и 68CCW повторного входа зоны контакта образуются в результате сжатия вращающейся поверхностью 5 склона 49 углубления и закругления 50CW и 50CCW углубления. Предпочтительно, чтобы закругления 50CW и 50CCW углубления изготавливались посредством выступов на литейной форме, которая подвергается износу в процессе работы. Так как выступы литейной формы изнашиваются, то форма зоны 16 контакта медленно изменяется от той, которая изображена на фиг.2, и, в конце концов, станет более похожей на форму, представленную на фиг.2В. Глубина закруглений 50CW и 50CCW углубления выбрана так, чтобы максимизировать срок
эксплуатации литейной формы, чтобы посредством указанной литейной формы можно было бы в течение большого периода времени изготавливать уплотнения, содержащие сжатые зоны контакта с необходимыми краями 68CW и 68CCW повторного входа зоны контакта.
На фиг.2С для ориентации обозначены вращающаяся поверхность 5, первый край 17 зоны контакта, второй край 18 зоны контакта, камера 23, входные боковые края 60CW и 60CCW, места 64CW и 64CCW наибольшего давления, края 68CW и 68CCW повторного входа зоны контакта, зоны 70CW и 70CCW контакта для вращения по часовой стрелке и против часовой стрелки и пунктирная ограничительная линия 72. На фиг.2С показана зона 16 контакта, которая во всех отношениях аналогично этой зоне на фиг.2, за исключением того, что величина минимальной ширины 85 отклонения больше на фиг.2С. Если минимальная ширина 84 входа и минимальная ширина 85 отклонения равны, то больше частей зоны 62CW и 62CCW контакта с повышенным давлением, которые расположены рядом с минимальной шириной 85 отклонения, будут расположены внутри кольцеобразной полосы 44 уплотнения и, следовательно, их будет тяжелее смазать. Если сделать минимальную ширину 85 отклонения больше минимальной ширины 84 входа, то очень небольшая часть зон 62CW и 62CCW контакта с повышенным давлением будет лежать внутри кольцеобразной полосы 44 уплотнения, которую тяжело смазывать. Если сделать минимальную ширину 85 отклонения больше минимальной ширины 84 входа, то почти все части зон 62CW и 62CCW контакта с повышенным давлением хорошо смазываются, так как они находятся на одной линии по окружности с гидродинамическими входными участками, которые формируются между точкой Т73 сопряжения и выступающими по окружности краями 66CW или 66CCW соответственно. Величина отношения минимальной ширины 84 входа и минимальной ширины 85 отклонения также может использоваться для регулирования скорости промывания уплотнения. Чем ближе величина минимальной ширины 85 отклонения к величине минимальной ширины 84 входа, тем больше поток первой текучей среды 6 во вторую текучую среду 7. Чем больше величина минимальной ширины 85 отклонения по отношению к величине минимальной ширины 84 входа, тем меньше поток первой текучей среды 6 во вторую текучую среду 7.
На фиг.3 показан частичный вид неустановленного уплотнения 2, которое сконфигурировано (перекручиванием или при изготовлении) для сжатия в радиальном направлении и предназначено для уплотнения вращающейся относительно уплотнения поверхности, изнутри имеющей цилиндрическую форму, такую как внутренняя поверхность отверстия корпуса. Динамическая кромка 4 является ориентированным
наружу элементом, а выступающая статичная уплотнительная кромка 36 является ориентированным внутрь элементом. Диаметр динамической кромки 4 больше диаметра выступающей статичной уплотнительной кромки 36. Как показано, первый концевой участок 14 может быть выполнен, по существу, плоским. Динамическая стопорная линия пересечения 19 обозначена для ориентации.
Фиг.3А и 3В - это частичные виды неустановленного уплотнения 2, которое сконфигурировано (перекручиванием или при изготовлении) для сжатия в осевом направлении и предназначено для уплотнения вращающейся относительно уплотнения поверхности, по существу, имеющей плоскую форму (такую как фланец вала или корпуса), и данные фигуры ясно иллюстрируют то, что настоящая полезная модель может также использоваться в торцовых уплотнениях. Как динамическая кромка 4, так и выступающая статичная уплотнительная кромка 36 являются, в основном, элементами, ориентированными в осевом направлении. На фиг.3А динамическая стопорная линия пересечения 19 расположена так, что вторая текучая среда 7 находится снаружи по отношению к динамической кромке 4, а первая текучая среда 6, то есть смазывающая текучая среда, находится внутри по отношению к динамической кромке 4. На фиг.3В динамическая стопорная линия пересечения 19 расположена так, что вторая текучая среда 7 находится внутри по отношению к динамической кромке 4, а первая текучая среда 6, то есть смазывающая текучая среда, находится снаружи по отношению к динамической кромке 4. Первый концевой участок 14 может быть, по существу, цилиндрическим, как показано на фиг.3А и 3В. На фиг.3А первый концевой участок 14 образует внутреннюю поверхность уплотнения, а на фиг.3В первый концевой участок 14 образует наиболее удаленную от центра поверхность уплотнения.
На фиг.4-9 показаны поперечные сечения, взятые по центру вытянутого углубления 40, на которых представлены упрощенные варианты выполнения полезной модели. Некоторые элементы фиг.4-6 обозначены для ориентации, а именно: динамическая кромка 4, первый концевой участок 14 уплотнения, второй концевой участок 15 уплотнения, динамическая стопорная линия пересечения 19 и статичная стопорная линия пересечения 38.
Для упрощения, как показано на фиг.4, статичная уплотнительная поверхность 20 выступающей статичной уплотнительной кромки 36 может быть выполнена не обязательно наклонной, как показано на фиг.1А, 1В, 1D, 1E и 1F.
Для упрощения выступающая статичная уплотнительная кромка 36, показанная на фиг.1A-1F, может быть, в целом, удалена, а статичная уплотнительная поверхность 20 может представлять собой просто периферийную поверхность уплотнения, которая, в
целом, находится напротив динамической кромки 4, как показано на фиг.5.
Хотя варианты выполнения уплотнения, показанные на фиг.1-5, являются компрессионными уплотнениями, устанавливаемыми с натягом, которые содержат динамическую кромку 4, изготовленную из одного материала, и содержат пружинящий элемент 21, который изготовлен из другого материала, это техническое решение не является каким-либо ограничением полезной модели. Гидродинамическая форма динамической кромки 4, соответствующая полезной модели, может быть приспособлена для различных типов уплотнений вращающихся соединений, и может использоваться один или больше уплотнительных материалов или других компонентов, не выходя при этом за пределы объема изобретения.
На фиг.6 для упрощения изъят пружинящий элемент 21, показанный на фиг.1-5, при этом там, где в других случаях был пружинящий элемент, теперь остается пустое пространство в виде кольцеобразной канавки 22. Такое уплотнение относится к уплотнениям с гибкой кромкой, как описано в переуступленном патенте США 5678829. Кольцеобразная канавка 22 определяет, что динамическая кромка 4 и выступающая статичная уплотнительная кромка 36 принадлежат к разновидности гибких кромок. Данное упрощение более подходит для применения в приложениях, где желательно иметь очень низкое давление в зоне контакта для достижения наименьшего крутящего момента, необходимого для преодоления трения уплотнения, и где исключение проникновения абразивных частиц из окружающей среды не является важным.
Гибкость динамической кромки 4 несколько ослабляет давление в зоне 16 контакта между динамической кромкой 4 и вращающейся поверхностью 5 (см. фиг.1), что бы имело место, если бы уплотнение принадлежало к типу прямых компрессионных уплотнений (таких, какие представлены на фиг.1-5). Таким образом, гибкость помогает обеспечить меньший крутящий момент, необходимый для преодоления трения уплотнения. Гибкость кромки позволяет использовать материал со сравнительно высоким модулем упругости, который в противном случае был бы неприменим для использования в однородном (без канавок) монолитном уплотнении из-за высокого давления в зоне контакта, который имеет место в однородном уплотнении.
Упрощенное уплотнение 2, показанное на фиг.6, может быть выполнено из любого подходящего уплотнительного материала, включая эластомерные и резиноподобные материалы и различные полимерные материалы. Тем не менее, предпочтительно, чтобы динамическая кромка 4 была выполнена из армированного материала, такого как многослойный армированный сеткой эластомер.
Варианты выполнения уплотнения, показанные на фиг.7-9 также приспособлены
для того, чтобы их помещали в кольцеобразной канавке 26 уплотнения и сжимали между первым компонентом 8 механизма и вращающейся поверхностью 5, как описано выше применительно к фиг.1 (то есть сжимали между периферийной стенкой 11 канавки 26 уплотнения и вращающейся поверхностью 5).
На фиг.7-9 пружинящий элемент 21 и кольцеобразная канавка 22 с фиг.1-5 исключены для упрощения, а уплотнение является однородным (без канавок) уплотнением компрессионного типа с монолитным, состоящим из одной части, корпусом 74, при этом динамическая кромка 4 и статичная уплотнительная поверхность 20 находятся на противоположных сторонах. За исключением особой гидродинамической геометрической формы динамической кромки 4, соответствующей настоящей полезной модели, уплотнение с фиг.7 и 8 выполнено, в целом, согласно патенту США 5230520. На фиг.7 статичная уплотнительная поверхность 20 имеет скошенную форму. С целью дальнейшего упрощения на фиг.8 статичная уплотнительная поверхность 20 не скошена. Скошенная форма статичной уплотнительной поверхности 20 на фиг.7 в установках с небольшим перепадом давления увеличивает степень сжатия и изменяет распределение давления в зоне контакта (по сравнению с уплотнением с фиг.8) с целью уменьшения течи первой текучей среды 6 и улучшения сопротивляемости проникновению второй текучей среды 7.
На фиг.9 представлен еще один упрощенный вариант, в котором выступающая статичная уплотнительная кромка 36 с фиг.7 и 8, а статичная уплотнительная поверхность 20 является не выступающей внешней поверхностью уплотнения 2. За исключением особой гидродинамической геометрической формы динамической кромки 4, соответствующей настоящей полезной модели, уплотнение с фиг.9 выполнено, в целом, согласно патенту США 4610319.
Предпочтительно, чтобы упрощенные уплотнения согласно фиг.7-9 были изготовлены из упругого материала с номинальной твердостью по дюрометру в пределах от примерно 70 до примерно 97 по Шору А.
По сравнению с существующими уплотнениями, выполненными из одного материала, уплотнения согласно фиг.7-9 лучше смазываются и, следовательно, выдерживают большие в процентном выражении степени сжатия и при работе выделяют меньшее количество теплоты и, таким образом, сохраняют сравнительно высокое значение модуля упругости, что улучшает сопротивляемость экструзии.
На фиг.10-15А показаны уплотнения вращающихся соединений, соответствующие предпочтительным вариантам выполнения настоящей полезной модели, при этом уплотнения изображены в несжатом состоянии, при этом для подпружинивания
динамической кромки 4 к вращающейся поверхности 5 (не показана) предусмотрен пружинящий элемент 21. Для ориентации обозначен первый концевой участок 14 уплотнения, который направлен к первой текучей среде 6. Также для ориентации обозначена динамическая стопорная линия пересечения 19 и вторая текучая среда 7.
На фиг.10-12В, динамическая кромка 4 изготовлена из упругого уплотнительного материала, пружинящий элемент 21 выполнен в виде пружины, модуль упругости которой превышает модуль упругости динамической кромки, пружинящий элемент 21 расположен в кольцеобразной канавке 22. В гидродинамических уплотнениях очень предпочтительно использовать пружины в качестве пружинящих элементов, так как их большой модуль упругости позволяет форме динамической кромки 4 повторять большие степени отклонения и биения вала и так как пружины лучше сопротивляются высокотемпературной остаточной деформации при сжатии по сравнению с большинством эластомерных пружинящих элементов. На фиг.10 пружинящий элемент 21 выполнен в виде консольной пружины, на фиг.11 и 12В пружинящий элемент 21 выполнен в виде скошенной спиральной пружины, а на фиг.12 и 12А пружинящий элемент представляет собой пружинное кольцо.
Предпочтительный вариант выполнения по фиг.12 показывает, что при желании область между точкой Т56 сопряжения и динамической стопорной линией пересечения 19 динамической кромки 4 может быть наклонена; на фиг.12 форма данной области, в основном, является конической.
На фиг.10, 11, 12В и 13 статичная уплотнительная поверхность 20 выполнена из гибкого уплотнительного материала. На фиг.12 и 12А, уплотнение 2 содержит обычный корпус 75, который является обычным для подпружиненных пружинным кольцом уплотнений с кромкой, выступающей в виде консоли, и статичная уплотнительная поверхность 20 является частью корпуса 75. Обычно в такой конструкции уплотнения корпус 75 сжат в отверстии первой компоненты 8 механизма (не показан), при этом посадка с натягом (иногда дополненная покрытием, таким как герметик для прокладок) образует уплотнение между статичной уплотнительной поверхностью 20 и отверстием. Уплотнение по фиг.12 сконфигурировано для удержания второй текучей среды 7, давление которой выше давления первой текучей среды 6, а уплотнения по фиг12А и 12В сконфигурированы для удержания первой текучей среды 6, давление которой выше давления второй текучей среды 7. В любом случае перепад давления существует внутри динамической кромки 4 и помогает прижимать ее к вращающейся поверхности 5 (не показана).
Уплотнение 2 согласно фиг.13 образует составную структуру, описанную в
соответствующем переуступленном патенте США 5738358. Указанная структура помогает регулировать гидродинамическое расклинивающее действие посредством уменьшения установленной силы в зоне контакта между динамической кромкой 4 и вращающейся поверхностью 5 (не показана). Динамическая кромка 4 выполнена из слоя первого упругого уплотнительного материала, а пружинящий элемент 21 выполнен из слоя второго уплотнительного материала, модуль упругости которого обычно меньше модуля упругости материала, из которого изготовлена динамическая кромка 4. Например, для изготовления пружинящего элемента 21 может быть использован эластомер, твердость по дюрометру которого составляет от 30 до 80 по Шору А, а для изготовления динамической кромки 4 может быть использован уплотнительный материал (такой как эластомер или ПТФЭ пластик, армированный углеграфитом), твердость по дюрометру которого превышает 80 по Шору А. Таким образом, сопротивление экструзии у динамической кромки 4 регулируется ее модулем упругости, а давление в зоне контакта динамической кромки 4 и вращающейся поверхности 5 (не показана) регулируется, в основном, модулем упругости пружинящего элемента 21. Это техническое решение обеспечивает отличную сопротивляемость экструзии и сравнительно низкий крутящий момент, необходимый для преодоления трения уплотнения, при работе и при раскреплении. При низком крутящем моменте, необходимом для преодоления трения уплотнения, минимизируется рабочая температура и смягчается связанное с температурой ухудшение свойств уплотнения. Далее по сравнению с однородными конструкциями, показанными на фиг.7-9 в конструкции, представленной на фиг.13, минимизируется искривление гидродинамической геометрической формы, связанное со сжатием. Для уплотнения такого типа, которое показано на фиг.13, стык между материалами, из которых выполнены динамическая кромка 4 и вращающаяся поверхность 5, может принимать любую подходящую форму.
Чем больше модуль упругости уплотнительного материала, тем лучше уплотнение сопротивляется повреждениям, связанным с экструзией высоким давлением. Для уплотнений согласно фиг.10-12В и уплотнений в соответствии с другими фигурами, в которых присутствует пружинящий элемент, для наилучшей сопротивляемости экструзии предпочтительно, чтобы динамическая кромка 4 была выполнена из твердого материала со сравнительно большим модулем упругости, который хорошо сопротивляется экструзии, такого как гибкий полимерный материал, эластомер с большим модулем упругости, такого, твердость по дюрометру которого находится в пределах 80-97 по Шору А, или эластомер, армированный сеткой, волокном или металлом, или пластик с высокими характеристиками сопротивляемости температуре, такой как ПТФЭ, армированный
углеграфитом, или ПТФЭ с полиэстером или полиимидом.
На фиг.10, 11, 12В и 13 уплотнения содержат статичную стопорную линию пересечения 38 и выступающую статичную уплотнительную кромку 36, которая определяет статичную уплотнительную поверхность 20 наклонной формы. На фиг.13 пружинящий элемент 21 определяет выступающую статичную уплотнительную кромку 36 и статичную стопорную линию пересечения 38.
На фиг.14 показан предпочтительный вариант выполнения, в котором составная кривая (показанная пунктирной линией), проходящая от точки Т78 до точки Т76 и предпочтительно выполненная в соответствии с фиг.16В, регулирует форму криволинейной поверхности наклонного участка 48CCW (и/или наклонного участка 48CW). Также указанная составная кривая позволяет углубить вытянутое углубление 40 для увеличения устойчивости к тепловому расширению и износу литейной формы. На фиг.14 обозначены динамическая кромка 4, первый концевой участок 14, динамическая стопорная линия пересечения 19 и выступающая статичная уплотнительная кромка 36.
На фиг.15 и 15А показаны увеличенные частичные затемненные виды в изометрии предпочтительного варианта выполнения вытянутого углубления 40. На фиг.15 показан полный подъем для вращения против часовой стрелки, а фиг.15А - это еще больше увеличенный вид, для лучшего понимания показывающий только гидродинамическую входную часть указанного подъема. Наклонный участок 48CCW расположен вдоль окружности и, по существу, выровнен с динамической стопорной линией пересечения 19 и поэтому выровнен относительно возможных направлений вращения. Для ориентации обозначены динамическая кромка 4, статичная стопорная линия пересечения 38 уплотнения, первый концевой участок 14 уплотнения, склон 49 углубления и закругление 50CCW углубления. Как показано, уплотнение сконфигурировано для радиального уплотнения, при этом динамическая кромка 4, в целом, направлена по радиусу внутрь к теоретической осевой линии уплотнения, а диаметр статичной стопорной линии пересечения 38 уплотнения превосходит диаметр динамической стопорной линией пересечения 19. Динамическая поверхность 51 уплотнения может быть слегка конической или, по существу, цилиндрической, как показано.
Фиг.15В является картой поверхности гидродинамического входного участка, показанного на фиг.15А, и предназначена для лучшего понимания его формы. Профили Р76, Р78 построения и профиль Р55 сопряжения обозначены и служат в качестве первой и второй границ, устанавливающих протяженность вдоль окружности гидродинамического входного участка одного подъема. Профили Р76, Р78 построения представляют границу части вытянутого углубления для вращения против часовой стрелки. Профиль Р78
построения предпочтительно является кривой, которая пересекается с профилем Р76 построения в точке 97, причем, когда уплотнение сжато вращающейся поверхностью, образуется криволинейный входной боковой край 60CCW (так как показано на фиг.2-2В). Профили Р76 и Р78 построения имеют разные формы и, по меньшей мере, часть одного из них расположена на некотором расстоянии по окружности от второго. Профиль Р76 построения образует, в основном, выпуклую кривую, определяющую часть формы вытянутого углубления 49 между точкой 97 и точкой 100. Профиль Р76 построения предпочтительно определяет, в основном, выпуклую кривую между точкой 100 и точкой 102, указанная кривая формирует часть формы закругления 50CCW углубления. Профиль Р76 построения образует, в основном, выпуклую кривую между точкой 102 и точкой 104, указанная кривая определяет часть формы наклонного участка 48CCW. Склон 49 углубления предпочтительно плавно сопряжен с закруглением 50CCW углубления в точке 100, а закругление 50CCW углубления предпочтительно плавно сопряжено с наклонным участком 48CCW в точке 102.
Профиль Р76 построения предпочтительно представляет линию сопряжения или основного сопряжения с прилегающей поверхностью кромки соседнего подъема, который предпочтительно является подъемом для вращения по часовой стрелке (не показан), который представляет собой зеркальное отображение изображенного подъема. Для реализации гладкой поверхности в зоне контакта, установленной гидродинамической геометрической формой входного участка с фиг.15-15В, по меньшей мере, часть гидродинамического входного участка, по существу, плавно сопряжена с прилегающими поверхностями кромки посредством профилей Р76 и Р78 построения. Профиль Р78 построения предпочтительно представляет линию сопряжения или основного сопряжения с прилегающей частью подъема 42CCW для вращения против часовой стрелки (см. фиг.15).
Линии карты, расположенные между профилями Р76 и Р78 построения, параллельны динамической стопорной линии пересечения 19 и составляют карту поверхности вытянутого углубления 40 с фиг.15 и 15А. Каждая линия карты между профилем Р78 построения и профилем Р55 сопряжения представляет собой первичную кривую 52, конечные точки которой предпочтительно плавно сопряжены с прилегающей геометрической формой поверхности кромки (то есть в точках Т78 и Т55 сопряжения). Каждая линия карты между профилем Р76 построения и точкой Т55 сопряжения представляет собой вторичную кривую 54, конечные точки которой, предпочтительно, плавно сопряжены с прилегающей геометрической формой поверхности кромки (то есть в точках Т76 и Т55 сопряжения). Все различные первичные кривые 52 отображают
первичную криволинейную поверхность, ограниченную профилем Р55 сопряжения и профилем Р78 построения. Все различные вторичные кривые 54 отображают вторичную криволинейную поверхность, ограниченную профилем Р55 сопряжения и профилем Р76 построения. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть упомянутой выше первичной криволинейной поверхности плавно сопрягалась или, по существу, плавно сопрягалась с упомянутой выше вторичной криволинейной поверхностью по профилю Р55 сопряжения.
Профиль Р55 сопряжения представляет линию сопряжения первичной кривой 52 и вторичной кривой 54 каждой линии карты. Как показано на фиг.15В, расположение вдоль окружности профиля Р55 сопряжения предпочтительно не постоянно, по меньшей мере, для части длины профиля Р55 сопряжения.
Один пример способа построения линий карты с фиг.15В показан на фиг.16 и 16А; данный метод автоматически регулирует кривизну первичной кривой 52 как функцию диаметра уплотнения, что обеспечивает сужение к валу для семейства уплотнений различного диаметра, при этом размеры уплотнений подобраны под различные внешние размеры оборудования.
Способ построения радиусов сопряжений, показанный на фиг.15В и более подробно показанный на фиг.16 и 16А, позволяет плавно сопрягать в направлении, по окружности, два различных профиля, такие как, например, профили Р76 и Р78 построения по фиг.15В, что обеспечивает получение гидродинамической геометрической формы входного участка. Изменяя формы соединяемых профилей построения, можно получить целый ряд различных рабочих характеристик.
На фиг.14-15В показаны уплотнения, предназначенные для уплотнения снаружи цилиндрической поверхности, такой как вал, однако основные формы поперечного сечения подходят (после перекручивания или при изготовлении) для торцовых уплотнений или для уплотнений изнутри цилиндрической поверхности, именно так, как изложено при описании уплотнения согласно фиг.1-1F.
На фиг.16-16С схематично показан способ построения, который может быть использован для получения линий карты в площади, ограниченной профилями Р76 и Р78 построения согласно фиг.15В, которые определяют поверхность вытянутого углубления 40, показанного на фиг.15 и 15А. Способы построения согласно фиг.16-16С могут использоваться для соединения любых двух профилей построения для образования гидродинамического входного участка, независимо от того, касается ли один из профилей построения в направлении по окружности другого профиля. Также способ построения, показанный на фиг.16-16С, может использоваться для установления составной кривизны
наклонного участка 48CW согласно фиг.1-1F - в этом случае лучше воспользоваться видом наклонного участка 48CW в перспективе, показанном на фиг.1 В. В любом случае предпочтительно, чтобы способ построения лежал в плоскости треугольной проекции, расположенной под прямыми углами к теоретической оси уплотнения, предназначенного для уплотнения вращающегося относительно него вала (то есть параллельно первому концевому участку 14 уплотнения и динамической стопорной линии пресечения 19, которые показаны на фиг.1А, 15 или 15А).
Линии 86, 88 построения, приведенные для ссылок, являются расположенными по радиусу линиями, начинающимися от теоретической осевой линии/оси 90 уплотнения (см. фиг.16А). Линия 88 построения согласно фиг.16-16С расположена на плоскости разреза D-D по фиг.1В. Теоретическая дуга 92 представляет линию, которая плавно сопряжена с первичной кривой 52 и проходит от линии 86 построения до линии 88 построения. Теоретическая кривая 92 представляет диаметр поверхности уплотнения, прилегающей к первичной кривой 52 (см., например, фиг.1А и 15). Первичная кривая 52 предпочтительно плавно сопряжена с теоретической дугой 92 и, следовательно, плавно сопряжена с прилегающим материалом уплотнения, который представляет теоретическая кривая 92. Первичная кривая 52 предпочтительно плавно сопряжена с вторичной кривой 54 в точке Т55 сопряжения.
Вторичная кривая 54 предназначена для того, чтобы подъем 42CW для вращения по часовой стрелке и подъем 42CCW для вращения против часовой стрелки (см. фиг.1А) не пересекались под острым углом и для обеспечения ширины 96 углубления, которое предназначено для приспособления к различным допускам, изменениям величины сжатия и изменению размеров уплотнения при перепадах температуры во время работы уплотнения, для предотвращения общего сглаживания геометрической формы уплотнения относительно вращающейся поверхности 5. Предпочтительно, чтобы не было упомянутого выше пересечения под острым углом, так как острые углы при пересечении в уплотнениях вращающихся соединений иногда приводят к усталостным повреждениям резины и так как геометрическая форма литейной формы, из-за которой образуются острые углы при пересечении, быстро изнашивается, и поэтому размеры уплотнения могут увеличиться, а при больших значениях температурного расширения, разбухании уплотнения, связанном с окружающей средой, осевой нагрузкой уплотнения или его сжатием, могут ухудшиться его рабочие характеристики.
Первичная кривая 52 устанавливает степень сужения наклонного участка 48CW и/или вращающейся поверхности 5, если смотреть в направлении вдоль окружности (см. фиг.1 и 17). Скорость сужения является решающим аспектом гидродинамических
рабочих характеристик, так как она регулирует скорость увеличения давления в направлении вдоль окружности в зоне контакта (известной как DPDX) между динамической кромкой 4 и вращающейся относительно нее поверхностью 5.
Например, если радиус первичной кривой 52 остается постоянным для семейства радиальных уплотнений различного диаметра, которые уплотняют вал (для того, чтобы соответствовать различным внешним размерам оборудования, как описано выше при рассмотрении фиг.17), то скорость сужения с вращающейся поверхностью 5 вала изменяется как функция диаметра вращающейся поверхности 5. При заданном радиусе первичной кривой 52, чем больше вал, тем более плавной является скорость сужения, при этом первичная кривая 52 имеет более эффективную форму для гидродинамического клина. Наоборот, чем меньше диаметр вала при заданном радиусе первичной кривой 52, тем менее плавна скорость сужения, что делает форму первичной кривой 52 менее эффективной для поддержания гидродинамического клина. Использование постоянной кривизны во всем семействе уплотнений различных диаметров, приводящее к разному сужению для разных уплотнений семейства, является недостатком существующего уровня техники, что описано при рассмотрении фиг.17. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения скорость сужения является приблизительно одинаковой для каждого уплотнения в семействе уплотнений различных диаметров, так что гидродинамическая форма поддерживает постоянную эффективность гидродинамического клина для всего семейства уплотнений различного диаметра. Таким образом, все уплотнения семейства уплотнений различного диаметра имеют одинаковые гидродинамические рабочие характеристики. Данный принцип подробно описан при рассмотрении фиг.17 и 17А.
При геометрической форме, показанной на фиг.16-16С, степень сужения вращающейся поверхности 5 и либо гидродинамического входного участка согласно фиг.15-15В, либо наклонных участков 48CW, 48CCW согласно фиг.1-1F, может поддерживаться, по существу, постоянной для семейства радиальных уплотнений с различными диаметрами в том случае, если ширина 94 первичной дуги и длина 80 первичной дуги первичной кривой 52 поддерживаются постоянными. Длина 80 первичной дуги не является углом, а представляет собой длину дуги, которая измеряется вдоль теоретической дуги 92 от точки Т78 сопряжения до точки 79. Аналогично, длина 82 вторичной дуги не является углом, а представляет собой длину дуги, которая измеряется вдоль теоретической дуги 92 от точки 79 до точки 81. Общая длина 83 дуги является суммой длины 80 первичной дуги и длины 82 вторичной дуги.
С использованием способа построения, показанного схематично на фиг.16 и 16А,
предпочтительный путь поддержания, по существу, постоянной степени сужения в семействе радиальных уплотнений различного диаметра при одинаковой ширине 96 углубления заключается в том, чтобы поддерживать, по существу, постоянной длину 83 составной дуги для семейства уплотнений разного диаметра, поддерживая также постоянным отношение длины 82 вторичной дуги к длине 83 составной дуги. Если ширина 96 углубления изменяется от уплотнения к уплотнению, то соответственно необходимо регулировать форму первичной кривой 52 для поддержания одинакового сужения для всех уплотнений.
С упомянутыми выше ограничениями на ширину 94 первичной дуги и длину 80 первичной дуги (для достижения близких значений сужения для всех уплотнений семейства) узкое место, которое необходимо рассмотреть, состоит в том, что если первичная кривая 52 расположена так, что плавно сопряжена с теоретической дугой 92, то первичная кривая 52 (и наклонный участок 48CW) имеет, в основном, выпуклую форму в уплотнениях большого диаметра (как показано на фиг.16) и имеет, в основном, вогнутую форму в уплотнениях малого диаметра (как показано на фиг.16А) и, следовательно, поддерживает, по существу, одинаковую скорость сужения наклонного участка 48CW и вращающейся относительно него поверхности 5 для всего семейства радиальных уплотнений различного диаметра, независимо от длины подъема вдоль окружности. Следовательно, для заданной кривизны могут быть значения диаметра уплотнения, для которых первичная кривая 52 будет прямой линией (кривой с бесконечным радиусом), уплотнения с большим диаметром будут иметь, в целом, выпуклую первичную кривую 52; а уплотнения с меньшим диаметром будут иметь, в целом, вогнутую первичную кривую 52. При вогнутой форме первичной кривой 52 закругление углубления также имеет вогнутую форму, если смотреть на поперечное сечение в направлении вдоль окружности. Следовательно, по меньшей мере, часть гидродинамического входного участка, образованного вытянутым углублением, будет иметь вогнутую форму, если смотреть на поперечное сечение в направлении вдоль окружности.
Например, если семейство уплотнений сделано по шаблонному уплотнению с внутренним диаметром в 2.75" и выпуклой первичной кривой 52 с радиусом 0.50", то первичная кривая 52 для уплотнения с внутренним диаметром в 0.6" будет иметь радиус, примерно равный 1.468", а первичная кривая 52 для уплотнения с диаметром в 16.5" будет вогнутой и иметь радиус, примерно равный 0.383". Первичная кривая 52 всех уплотнений из упомянутого выше семейства будет иметь, по существу, одинаковую степень сужения с соответствующими валами, даже если их действительные величины кривизны будут отличаться и даже если некоторые их них будут вогнутыми, а другие выпуклыми.
Возвращаясь к фиг.15В, очевидно, что изменение положения профиля Р55 сопряжения наблюдается потому, что отношение длины 82 вторичной дуги к длине 83 составной дуги изменяется по синусоиде от одной линии карты к другой, при этом отношение изменяется от 0,5 в точке 97, где касаются профили Р76 и Р78 построения, до меньшего значения отношения в точке 98, где профиль Р55 становится почти параллельным профилю Р76. Данное синусоидальное изменение отношения помогает получить не граненое, с гладким контуром закругление 50CCW углубления, которое показано на фиг.15 и 15А.
Для конструкции вытянутого углубления, показанного на фиг.15 и 15А и выполненного линиями карты согласно фиг.15В, первичная кривая 52 является, в целом, выпуклой в некоторых местах и, в целом, вогнутой в других местах, в зависимости от длины 80 первичной дуги и ширины 94 первичной дуги. Например, часть первичных кривых 52, которые расположены рядом с точкой 97, явно выполнены вогнутыми, а те первичные кривые 52, которые находятся дальше от точки 97, явно выполнены выпуклыми.
Таким образом, на фиг.15В точное сужение с валом изменяется от одной линии карты к следующей. Важно, что сужение от одной линии к другой повторяется при переходе от уплотнения одного диаметра к уплотнению другого диаметра при условии, что длина 80 первичной дуги и ширина 94 первичной дуги остается постоянной или при условии, что длина 83 составной дуги и отношение длины 82 вторичной дуги и длины 83 составной дуги остается постоянной для любой заданной линии карты среди всего семейства уплотнений различных диаметров.
Вернемся снова к фиг.1-1F. Сужение вытянутого углубления 40 и вращающейся поверхности 5 в направлении вдоль окружности регулируется тремя независимыми элементами: наклонными участками 48CW и 48CCW, склоном 49 углубления и закруглениями 50CW и 50CCW углубления. Способ регулирования сужения вращающейся поверхности 5 и наклонных участков 48CW и 48CCW для семейства уплотнений с различными диаметрами уже был описан выше. Предполагая, что сужение наклонных участков также одинаково, сужение вдоль окружности между вращающейся поверхностью 5 и склоном 49 углубления с фиг.1-1F может поддерживаться для семейства уплотнений с различными диаметрами, если изменение радиуса, в целом, выпуклой кривой между Т56 и Т57 поверхности склона 49 углубления одинаково для всего семейства уплотнений с различными диаметрами и имеет место для одинакового расстояния вдоль окружности. Сужение вращающейся поверхности 5 и закруглений 50CW и 50CCW углубления с фиг.1-1F можно поддерживать для семейства уплотнений с
различными диаметрами, если изменение радиуса закругления 50CW, 50CCW одинаково для семейства уплотнений с различными диаметрами и имеет место для одинакового расстояния вдоль окружности.
Не выходя за пределы объема полезной модели, первичная кривая 52 и вторичная кривая 54 могут принимать любую подходящую форму, такую как часть окружности, часть эллипса, часть синусоидальной кривой, часть параболической кривой, часть циклоиды, часть версперы/версиеры, комбинация кривых, комбинация кривых и прямых линий (то есть кривых бесконечного радиуса кривизны) и так далее.
Например, на фиг.16В вторичная кривая 54 показана как S-образная кривая, что упрощает получение большей ширины 96 углубления, а на фиг.16 и 16А вторичная кривая 54 показана в виде дуги окружности. На фиг.16-16С первичная кривая 52 показана в виде дуги окружности, которая показана на фиг.16-16С имеющей такой же размер. Центр первичной кривой 52 лежит вдоль линии 86 построения на фиг.16-16С. Центр вторичной кривой 54 расположен вдоль линии 88 построения на фиг.16-16А. Таким образом, указанные линия 86 построения и линия 88 построения являются прямыми линиями бесконечной длины, и они продолжаются за границы чертежа.
Способ построения, показанный на фиг.16В, был использован для создания вытянутого углубления 40, показанного на фиг.14. Посредством способа построения, показанного на фиг.16В, может быть создано углубление любой необходимой ширины 96.
На фиг.16С форма вторичной кривой 54 при желании может использоваться для отдаления первичной кривой 52 от линии 88 построения, однако следует учесть, что расположенные рядом подъемы, образованные с использованием указанного способа, все равно будут примыкать друг к другу посредством склона 49 углубления (склон 49 углубления показан на других фиг., например, на фиг.1А).
Способ построения, показанный на фиг.16D, может использоваться для установления степени изменения переменной кривизны склона 49 углубления (такой, как показана на фиг.1-1F) и, следовательно, для регулирования сужения склона 49 углубления и вращающейся поверхности 5, и, таким образом, используется для регулирования важного фактора, который влияет на сужение вращающейся поверхности 5 и закруглений 50CW и 50CCW углубления.
Предпочтительно, чтобы способ построения согласно фиг.16D осуществлялся на плоскости треугольной проекции, которая расположена под прямыми углами к теоретической оси уплотнения, предназначенного для уплотнения вращающегося вала (то есть параллельно первому концевому участку 14 уплотнения и динамической стопорной
линии пресечения 19, которые показаны на фиг.15 и 15А).
На фиг.16D обозначены некоторые элементы, использованные при описании фиг.16, а именно: первичная кривая 52, вторичная кривая 54, точка Т55 сопряжения, точка Т76 сопряжения, точка Т78 сопряжения, точка 81, длина 83 составной кривой, линия 86 построения, линия 88 построения и теоретическая дуга 92. Помимо указанных элементов на фиг.16D также показаны первичная кривая 152 склона, которая, по существу, плавно сопряжена с вторичной кривой 154 склона в точке Т155 сопряжения и плавно сопряжена с теоретической дугой 92 и динамической поверхностью 51 уплотнения в точке Т178 сопряжения. Первичная кривая 152 склона и вторичная кривая 154 склона представляют собой места теоретического пересечения многофункциональных краев 46CW и 46CCW и склона 49 углубления (как показано на фиг.1-1F, закругления 50CW и 50CCW углубления закрывают данные теоретические места пересечения). Упомянутые выше теоретические места пересечения расположены там, где пересекались бы многофункциональные края 46CW и 46CCW и склон 49 углубления, если продолжить их криволинейные поверхности до пересечения по острому углу, при отсутствии закруглений 50CW и 50CCW углубления.
Линия 186 построения, показанная для ссылки, является радиальной линией, начинающейся от теоретической осевой линии/оси уплотнения. Степень сужения склона 49 углубления и вращающейся поверхности 5 можно поддерживать, в основном, постоянной для семейства радиальных уплотнений с различными диаметрами, если поддерживать постоянными ширину 194 и длину 180 первичной дуги 152 склона. Длина 180 дуги не является углом и измеряется вдоль теоретической дуги 92 от точки Т178 сопряжения до точки 179. Аналогично длина 182 дуги не является углом и измеряется вдоль теоретической дуги 92 от точки 179 до точки 81. Общая длина 183 дуги является суммой длины 180 дуги и длины 182 дуги. Обычно длина 183 составной дуги больше, чем длина 83 составной дуги. Составная дуга с длиной 183 и/или составная дуга с длиной 83 в предпочтительном варианте выполнения могут доходить до нижней точки подъема, которая расположена на плоскости разреза F-F с фиг.1В.
Фактически с использованием способа построения, показанного схематично на фиг.16D, предпочтительный путь поддержания, по существу, постоянной скорости сужения склона 49 углубления в семействе радиальных уплотнений различного диаметра при одинаковой ширине 196 кривой заключается в том, чтобы поддерживать, по существу, постоянной длину 183 составной дуги для семейства уплотнений разного диаметра, поддерживая также постоянным отношение длины 182 дуги к длине 183 составной дуги. Если ширина 196 кривой изменяется от уплотнения к уплотнению, то для поддержания одинакового сужения для всех уплотнений необходимо соответствующим образом
регулировать форму первичной кривой 152 склона.
С упомянутыми выше ограничениями на ширину 194 дуги и длину 180 дуги (для достижения близких значений сужения для всех уплотнений семейства) узкое место, которое необходимо рассмотреть, состоит в том, что если первичная кривая 152 склона расположена так, что плавно сопряжена с теоретической дугой 92, то первичная кривая 152 склона имеет, в основном, выпуклую форму в уплотнениях большого диаметра (как показано на фиг.16D) и имеет, в основном, вогнутую форму в уплотнениях малого диаметра и, следовательно, поддерживается, по существу, одинаковая скорость сужения склона 49 углубления и вращающейся относительно него поверхности 5 для всего семейства радиальных уплотнений различного диаметра, независимо от длины подъема вдоль окружности. Следовательно, для заданной кривизны может существовать значение диаметра уплотнения, для которого первичная кривая 152 склона будет прямой линией (кривой с бесконечным радиусом), уплотнения с большим диаметром будут иметь, в целом, выпуклую первичную кривую 152 склона, а уплотнения с меньшим диаметром будут иметь, в целом, вогнутую первичную кривую 152 склона.
Не выходя за пределы объема полезной модели, первичная кривая 152 склона и вторичная кривая 154 склона могут принимать любую подходящую форму, такую как часть окружности, часть эллипса, часть синусоидальной кривой, часть параболической кривой, часть циклоиды, часть версперы/версиеры, комбинация кривых, комбинация кривых и прямых линий (то есть кривых бесконечного радиуса кривизны) и так далее. Например, форма вторичной кривой 154 склона может, по существу, совпадать с формой вторичной кривой 54, показанной на фиг.16В или 16С.
Ширина поперечного сечения уплотнения является расстоянием между статичной уплотнительной поверхностью 20 и динамической поверхностью 51 уплотнения, которая обычно измеряется между динамической стопорной линией пересечения 19 и статичной стопорной линией пересечения 38 при несжатом уплотнении 2. Ранее было указано, что для одинаковых величин сжатия уплотнения, устанавливаемые с натягом, с меньшей шириной поперечного сечения имеют большее сжатие, выраженное в процентах (по сравнению с уплотнениями с большей шириной поперечного сечения), и, следовательно, характеризуются гораздо более высоким давлением в зоне контакта, что затрудняет смазывание уплотнений с малым поперечным сечением. Например, для уплотнения, ширина поперечного сечения которого составляет 0.212", а сжатие - 0.023", давление в зоне контакта примерно на 52% больше, чем для уплотнения, размер поперечного сечения которого составляет 0.335", а сжатие - 0.026". Ранее также было замечено, что гидродинамический входной участок, который поддерживает, в целом, одинаковую
степень сужения для семейства уплотнений различного диаметра, является улучшением существующего уровня техники. Кроме того, существенным улучшением существующего уровня техники является уменьшение скорости сужения гидродинамического входного участка и вала (то есть сужение стало более плавным) для уплотнений малого поперечного сечения и обеспечение более сильного гидродинамического расклинивающего действия, призванного компенсировать увеличение давления в зоне контакта, которое имеет место для уплотнений малого поперечного сечения. Таким образом, для семейства уплотнений, содержащего уплотнения различной ширины поперечного сечения для различных внешних размеров оборудования, предпочтительно, чтобы степень сужения гидродинамического входного участка была более плавной для уплотнения малого поперечного сечения для компенсации увеличения давления в зоне контакта, вызванного меньшей шириной поперечного сечения для обеспечения одинакового уровня смазывания для семейства уплотнений различной ширины поперечного сечения.
С учетом вышеизложенного в настоящей полезной модели достигнуты все задачи, и она имеет все признаки, обозначенные выше, а также имеются другие полезные задачи и признаки, которые присущи описанному здесь устройству.
Поскольку описаны некоторые конкретные гидродинамические уплотнения вращающихся соединений и формы уплотнительных элементов, однако возможно большое количество других вариантов геометрической формы, использующих основные идеи и принципы настоящей полезной модели.
Приведенное выше описание полезной модели иллюстрирует и объясняет настоящую полезную модель. Не отходя от сущности полезной модели, можно предложить различные изменения размеров, формы и материалов, а также деталей проиллюстрированной конструкции. Следовательно, настоящий вариант выполнения полезной модели надо рассматривать как иллюстрацию, а не ограничение, объем полезной модели ограничивается формулой полезной модели, а не приведенным описанием, все изменения, которые эквивалентны пунктам формулы полезной модели, охватываются формулой полезной модели.
1. Гидродинамическое уплотнение вращающегося соединения, расположенное рядом с компонентом механизма для динамического уплотнения вращающейся относительно него поверхности и выполненное в виде перегородки между первой текучей средой из источника смазочного материала и второй текучей средой, содержащее статичную уплотнительную поверхность, образующую уплотняемый стык с компонентом механизма; в основном, кольцеобразную динамическую кромку, при этом, по меньшей мере, часть динамической кромки в сжатом состоянии контактирует с вращающейся поверхностью и образует зону контакта в стыке между динамической кромкой и вращающейся поверхностью, при этом при вращении динамической кромки и вращающейся поверхности друг относительно друга зона контакта представляет собой движущийся уплотняемый стык, в котором осуществляется скольжение динамической кромки относительно вращающейся поверхности, а в отсутствии относительного вращения зона контакта представляет собой статичный уплотняемый стык; причем указанная динамическая кромка содержит: первую сторону кромки, направленную к первой текучей среде; вторую сторону кромки, направленную ко второй текучей среде; первый подъем, содержащий первый многофункциональный край, расположенный рядом с первой стороной кромки, при этом, по меньшей мере, часть первого многофункционального края выполнена скошенной относительно направления относительного вращения; а также второй подъем, содержащий второй многофункциональный край, расположенный рядом с первой стороной кромки, причем, по меньшей мере, часть второго многофункционального края выполнена скошенной относительно направления относительного вращения и скошенной в противоположную сторону относительно скошенной части первого многофункционального края; и вытянутое углубление, определяющее первый гидродинамический входной участок для первого подъема и второй гидродинамический входной участок для второго подъема.
2. Уплотнение по п.1, в котором скошенные многофункциональные края образуют зоны контакта с повышенным давлением внутри зоны контакта.
3. Уплотнение по п.1, в котором первый и второй подъемы выполнены, по существу, зеркальными отображениями друг друга.
4. Уплотнение по п.1, в котором первый подъем выполнен в виде подъема для вращения по часовой стрелке, а второй подъем выполнен в виде подъема для вращения против часовой стрелки, причем подъем для вращения по часовой стрелке предназначен для отклонения пленки первой текучей среды в направлении второй стороны кромки при относительном вращении по часовой стрелке, а подъем для вращения против часовой стрелки предназначен для отклонения пленки первой текучей среды в направлении второй стороны кромки при относительном вращении против часовой стрелки.
5. Уплотнение по п.1, в котором, по существу, и первый, и второй многофункциональные края выполнены скошенными относительно направления относительного вращения.
6. Уплотнение по п.1, в котором многофункциональные края изогнуты, и кривизна, по меньшей мере, части многофункциональных краев изменяется вдоль, по меньшей мере, части длины многофункциональных краев.
7. Уплотнение по п.1, в котором кривизна многофункциональных краев изменяется синусоидально.
8. Уплотнение по п.1, которое содержит пружинящий элемент для подпружинивания динамической кромки относительно вращающейся поверхности.
9. Уплотнение по п.8, в котором пружинящий элемент выполнен в виде эластомерного кольца.
10. Уплотнение по п.8, в котором пружинящий элемент выполнен в виде консольной пружины.
11. Уплотнение по п.8, в котором пружинящий элемент выполнен в виде пружинного кольца.
12. Уплотнение по п.8, в котором пружинящий элемент выполнен в виде скошенной цилиндрической пружины.
13. Уплотнение по п.8, в котором динамическая кромка выполнена из упругого материала, а пружинящий элемент выполнен в виде пружины, модуль упругости которой превосходит модуль упругости указанной динамической кромки.
14. Уплотнение по п.8, в котором динамическая кромка выполнена из слоя первого уплотнительного материала, а указанный пружинящий элемент выполнен из второго уплотнительного материала.
15. Уплотнение по п.1, в котором статичная уплотнительная поверхность выполнена в виде части выступающей статичной уплотнительной кромки.
16. Уплотнение по п.1, в котором статичная уплотнительная поверхность выполнена наклонной.
17. Уплотнение по п.1, которое содержит монолитное уплотнение однородного поперечного сечения для уплотнения вала в радиальном направлении.
18. Уплотнение по п.1, в котором зона контакта содержит первый и второй входные боковые края криволинейной формы, при этом входные боковые края выполнены скошенными относительно направления относительного вращения динамической кромки и вращающейся поверхности.
19. Уплотнение по п.1, в котором зона контакта определяет минимальную ширину входа и минимальную ширину отклонения, причем указанная минимальная ширина входа меньше, чем минимальная ширина отклонения.
20. Уплотнение по п.18, в котором в направлении по часовой стрелке скошенный первый входной боковой край выполнен с возможностью функционирования в качестве гидродинамического входного участка, а в направлении против часовой стрелки скошенный второй входной боковой край выполнен с возможностью функционирования в качестве гидродинамического входного участка.
21. Уплотнение по п.18, в котором первый и второй входные боковые края расположены рядом друг с другом.
22. Гидродинамическое уплотнение вращающегося соединения, расположенное рядом с компонентом механизма для динамического уплотнения вращающейся относительно него поверхности и выполненное в виде перегородки между первой текучей средой из источника смазочного материала и второй текучей средой, содержащее:
статичную уплотнительную поверхность, образующую уплотняемый стык с компонентом механизма; в основном, кольцеобразную динамическую кромку, содержащую:
первый подъем, содержащий первый многофункциональный край, при этом, по меньшей мере, часть первого многофункционального края образует первый наклонный участок; второй подъем, содержащий второй многофункциональный край, при этом, по меньшей мере, часть второго многофункционального края образует второй наклонный участок; причем первый и второй наклонные участки изогнуты по направлению к вращающейся поверхности; а также вытянутое углубление, содержащее склон углубления, профиль которого в направлении перпендикулярно поперечному сечению представляет собой, в основном, выпуклую кривую, при этом первая сторона вытянутого углубления частично образована первым наклонным участком, а вторая сторона частично образована вторым наклонным участком; и первое, и второе закругления углубления, при этом профиль закруглений углубления при просмотре перпендикулярно поперечному сечению представляет собой, в основном, вогнутую кривую, а в направлении вдоль окружности закругления углубления имеют наклонный профиль, причем указанные закругления, по существу, плавно сопряжены со склоном углубления.
23. Уплотнение по п.22, в котором кривизна указанного склона углубления изменяется.
24. Уплотнение по п.22, в котором изменяется кривизна, по меньшей мере, одного из указанных первого и второго закругления углубления.
25. Уплотнение по п.22, в котором каждый наклонный участок регулирует установленное сужение вытянутого углубления и вращающейся поверхности.
26. Уплотнение по п.23, в котором степень изменения переменной кривизны склона углубления частично регулируется установленным сужением склона углубления и вращающейся поверхности.
27. Уплотнение по п.24, в котором степень и величина изменения переменной кривизны, по меньшей мере, одного из склонов углубления частично регулируется установленным сужением склона углубления и вращающейся поверхности.
28. Уплотнение по п.22, в котором, по меньшей мере, часть каждого из указанных наклонных участков сжата и касается вращающейся поверхности и, по меньшей мере, часть каждого из указанных наклонных участков наклонена от вращающейся поверхности, и его форма способствует образованию гидродинамического расклинивающего действия.
29. Уплотнение по п.22, в котором динамическая кромка образует первый край повторного входа зоны контакта в результате сжатия склона углубления и первого закругления углубления вращающейся поверхностью и образует второй край повторного входа зоны контакта посредством сжатия склона углубления и второго закругления углубления вращающейся поверхностью.
30. Гидродинамическое уплотнение вращающегося соединения, расположенное рядом с компонентом механизма для динамического уплотнения вращающейся поверхности и выполненное в виде перегородки между первой текучей средой из источника смазочного материала и второй текучей средой, содержащее:
статичную уплотнительную поверхность, образующую уплотняемый стык с компонентом механизма; в основном, кольцеобразную динамическую кромку, при этом, по меньшей мере, часть динамической кромки в сжатом состоянии контактирует с вращающейся поверхностью и образует зону контакта в стыке между динамической кромкой и вращающейся поверхностью, а зона контакта содержит первый не кольцеобразный край зоны контакта, направленный к первой текучей среде, и содержит второй край зоны контакта, направленный ко второй текучей среде, причем первый край зоны контакта содержит первый выступающий вдоль окружности край, который вдоль окружности выступает за границы первого края повторного входа зоны контакта.
31. Уплотнение по п.30, в котором первый край зоны контакта содержит второй выступающий вдоль окружности край, который вдоль окружности выступает за границы второго края повторного входа зоны контакта и расположен напротив первого выступающего вдоль окружности края.
32. Уплотнение по п.31, в котором второй край зоны контакта выполнен, по существу, кольцеобразной формы и, в основном, выровнен относительно направления вращения между динамической кромкой и вращающейся поверхностью.
33. Уплотнение по п.31, в котором указанная динамическая кромка содержит динамическую стопорную линию пересечения скачкообразной кольцеобразной формы, при этом линия пересечения, в основном, выровнена с направлением относительного вращения динамической кромки и вращающейся поверхности.
34. Гидродинамическое уплотнение вращающегося соединения, содержащее динамическую кромку, определяющую, по меньшей мере, один гидродинамический входной участок, ограниченный прилегающими поверхностями кромки и первой и второй границами, устанавливающими расположение вдоль окружности гидродинамического входного участка, при этом первая и вторая границы имеют различные профили и, по меньшей мере, части первой и второй границы расположены на некотором расстоянии вдоль окружности одна от другой, причем, по меньшей мере, часть входного участка, по существу, плавно сопряжена с поверхностями кромки на первой и второй границах, и, по меньшей мере, часть гидродинамического входного участка образована первичной криволинейной поверхностью и вторичной криволинейной поверхностью, причем, по меньшей мере, часть первичной криволинейной поверхности, по существу, плавно сопряжена с вторичной криволинейной поверхностью.
35. Уплотнение по п.34, в котором, по меньшей мере, одна из указанных первой и второй границ изогнута вдоль окружности по направлению к другой границе.
36. Уплотнение по п.34, в котором одна из указанных первой и второй границ образует две, в основном, выпуклые кривые, соединенные кривой, в основном, вогнутой формы.
37. Система компрессионных гидродинамических уплотнений вращающихся соединений, предназначенных для удержания текучей среды, причем уплотнения указанного типа выполнены с возможностью их сжатия вращающейся поверхностью, при этом в установленном положении указанные уплотнения образуют зону контакта и давление в зоне контакта с вращающейся поверхностью, содержащая множество отдельных уплотнений, размеры которых соответствуют различным внешним размерам оборудования, причем размеры поперечного сечения некоторых из указанных отдельных уплотнений меньше размеров поперечного сечения других уплотнений; при этом в установленном положении каждое из указанных отдельных уплотнений содержит, по меньшей мере, один гидродинамический входной участок, устанавливающий степень сужения с вращающейся поверхностью и образующий гидродинамическое расклинивающее действие при относительном вращении, при этом пленка текучей среды клином загоняется в зону контакта; причем давление в зоне контакта отдельных уплотнений изменяется как функция размера поперечного сечения, а давление в зоне контакта отдельных уплотнений с меньшим поперечным сечением превышает давление в зоне контакта указанных отдельных уплотнений с большим поперечным сечением; причем степень сужения меньше для указанных отдельных уплотнений с меньшим поперечным сечением по сравнению со степенью сужения для указанных отдельных уплотнений с большим поперечным сечением для компенсации большего давления в зоне контакта указанных отдельных уплотнений с меньшим поперечным сечением.
38. Система гидродинамических уплотнений вращающихся соединений, предназначенных для удержания текучей среды, причем уплотнения указанного типа выполнены с возможностью их сжатия вращающейся поверхностью, при этом в установленном положении указанные уплотнения образуют зону контакта и давление в зоне контакта относительно вращающейся поверхности, содержащая множество отдельных уплотнений, размеры которых соответствуют различным внешним размерам оборудования, причем диаметр некоторых из указанных отдельных уплотнений меньше диаметра других уплотнений; при этом в установленном положении каждое из указанных отдельных уплотнений содержит, по меньшей мере, один гидродинамический входной участок, устанавливающий степень сужения с вращающейся поверхностью и образующий гидродинамическое расклинивающее действие при относительном вращении, при этом пленка текучей среды клином загоняется в зону контакта; причем степень сужения для указанных отдельных уплотнений меньшего диаметра, по существу, совпадает со степенью сужения для указанных отдельных уплотнений с большим диаметром.
39. Система по п.38, в которой степень сужения частично регулируется посредством отдельных уплотнений, содержащих первичные кривые, которые определяют длину и ширину первичной дуги, при этом, по меньшей мере, некоторые из указанных отдельных уплотнений имеют одинаковую длину первичной дуги и ширину первичной дуги.
40. Система гидродинамических уплотнений вращающихся соединений, предназначенных для удержания текучей среды, причем уплотнения указанного типа выполнены с возможностью их сжатия вращающейся поверхностью, при этом в установленном положении указанные уплотнения образуют зону контакта и давление в зоне контакта относительно вращающейся поверхности, содержащая множество отдельных уплотнений, размеры которых соответствуют различным внешним размерам оборудования, причем диаметр некоторых из указанных отдельных уплотнений меньше диаметра других уплотнений; при этом в установленном положении каждое из указанных отдельных уплотнений содержит, по меньшей мере, один гидродинамический входной участок, имеющий некоторый изгиб и устанавливающий степень сужения с вращающейся поверхностью и образующий гидродинамическое расклинивающее действие при относительном вращении, при этом пленка текучей среды клином загоняется в зону контакта; причем, по меньшей мере, часть изгиба упомянутых отдельных уплотнений меньшего диаметра является вогнутой кривой и, по меньшей мере, часть указанного изгиба упомянутых отдельных уплотнений большего диаметра является выпуклой кривой.
41. Гидродинамическое уплотнение вращающегося соединения, кромка которого предназначена для удержания текучей среды, которая в установленном положении сжимается вращающейся поверхностью, а в не установленном положении кромка уплотнения содержит, по меньшей мере, один гидродинамический входной участок, содержащий изгиб в направлении вдоль окружности, и, по меньшей мере, часть указанного изгиба имеет вогнутую форму.
42. Радиальное гидродинамическое уплотнение вращающегося соединения, предназначенное для удержания текучей среды, которое в установленном положении сжимается вращающейся поверхностью, а в не установленном положении радиальное уплотнение содержит динамическую кромку, с, по меньшей мере, одним гидродинамическим входным участком, и, по меньшей мере, часть указанного гидродинамического входного участка, который определяется, по существу, расположенным вдоль окружности прямолинейным элементом.
43. Гидродинамическое уплотнение вращающегося соединения, гидродинамический входной участок которого предназначен для уплотнения вращающегося соединения, образованный, по меньшей мере, частично первой и второй поверхностями, в основном, выпуклой формы, причем указанные поверхности, по существу, плавно сопряжены с, в основном, вогнутой поверхностью, расположенной между указанными первой и второй поверхностями, в основном, выпуклой формы.
44. Уплотнение по п.43, в котором кривизна, по меньшей мере, одной из указанных первой и второй поверхностей, в основном, выпуклой формы переменна.
45. Уплотнение по п.43, в котором кривизна указанной вогнутой поверхности переменна.
46. Уплотнение по п.43, в котором одна из указанных первой и второй поверхностей, в основном, выпуклой формы, выполнена в виде наклонного участка, изогнутого так, что он касается вращающейся поверхности, которая, по меньшей мере, частично открыта смазочному материалу.
47. Уплотнение по п.46, в котором вращающаяся поверхность выполнена с возможностью вращения в двух направлениях относительно указанных первой и второй поверхностей в основном выпуклой формы, причем наклонный участок является частью многофункционального края, который отклоняет смазочный материал в одном из двух возможных направлений относительного вращения и гидродинамически загоняет клином смазочный материал в уплотняемый стык в другом из двух возможных направлений относительного вращения.
48. Уплотнение по п.46, в котором, по меньшей мере, часть первой и второй, в основном, выпуклых поверхностей и, по меньшей мере, часть, в основном, вогнутой поверхности контактирует с вращающейся поверхностью и образует, по меньшей мере, часть зоны контакта.
49. Уплотнение по п.48, в котором другая из указанных первой и второй, в основном, выпуклых поверхностей выполнена в виде боковой части входа, посредством которой указанная зона контакта содержит скошенный входной боковой край.
50. Уплотнение по п.48, в котором посредством, в основном, вогнутой поверхности в зоне контакта образован край повторного входа зоны контакта и посредством наклонного участка в указанной зоне контакта образован выступающий вдоль окружности край, который проходит за указанный край повторного входа зоны контакта.
51. Уплотнение по п.46, в котором первая и вторая, в основном, выпуклые поверхности и, в основном, вогнутая поверхность вместе образуют, по меньшей мере, часть вытянутого углубления; а изгиб указанного наклонного участка, контактирующий с вращающейся поверхностью, устанавливается первичной кривой, которая, по существу, плавно сопряжена с вторичной кривой, которая устанавливает ширину углубления в данном месте, что обеспечивает зазор с вращающейся поверхностью в неблагоприятных рабочих условиях.
52. Уплотнение по п.51, в котором вторичная кривая представляет собой S-образную кривую.
53. Гидродинамическое уплотнение вращающегося соединения, гидродинамический входной участок которого содержащий первичную криволинейную поверхность, определяющую, по меньшей мере, часть вытянутого углубления, при этом первичная криволинейная поверхность содержит выпуклую часть, при виде на поперечное сечение вдоль окружности.
54. Уплотнение по п.53, в котором первичная криволинейная поверхность, по существу, плавно сопряжена с вторичной криволинейной поверхностью в месте сопряжения и, по меньшей мере, часть указанной вторичной криволинейной поверхности вогнута, при виде на поперечное сечение вдоль окружности.
55. Уплотнение по п.53, в котором предусмотрена возможность изменения расположения указанного места сопряжения в направлении вдоль окружности.
56. Уплотнение по п.53, в котором предусмотрена возможность изменения расположения указанного места сопряжения по синусоиде в направлении вдоль окружности.
