Герметичная передача вращательного движения

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ГЕРМЕТИЧНАЯ ПЕРЕДАЧА ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ(73) Патентообладатель Богачев Геннадий Иванович(57) 1. Герметичная передача вращательного движения, содержащая установленные соосно в корпусе устройство создания вращательного движения, исполнительное устройство, а также поводок, выполненный в виде изогнутого стержня, который снабжен герметизирующей гибкой оболочкой в виде шланга, герметично соединенного с корпусом и стаканом, при этом поводок одним из концов соединен с исполнительным устройством, а другим - кинематически связан с устройством создания вращательного движения, причем связь поводка с одним из упомянутых устройств выполнена через стакан с возможностью вращения последнего,отличающаяся тем, что поводок изогнут не менее чем в двух плоскостях с возможностью размещения свободного его торца на заданном радиусе от оси передачи и взаимодействия последнего через дно стакана с устройством создания вращательного движения. 2. Передача по п. 1, отличающаяся тем, что устройство создания вращательного движения выполнено в виде электродвигателя, а исполнительное устройство выполнено в виде рабочего колеса насоса. 3. Передача по п. 1, отличающаяся тем, что на валу электродвигателя или насоса установлен фланец с упором, размещенным на заданном радиусе от оси передачи. 4. Передача по п. 1, отличающаяся тем, что кинематическая связь поводка снабжена замком для предотвращения размыкания последней. Фиг. 1 5. Передача по п. 1, отличающаяся тем, что с обеих сторон дна стакана установлены подшипники. 6. Передача по п. 1, отличающаяся тем, что подшипники выполнены в виде шариков. Изобретение относится к деталям машин и касается средств, обеспечивающих герметичность привода различных агрегатов, например герметичность передачи вращения от электродвигателя к рабочему колесу насоса, мешалки или к другому вращающемуся исполнительному устройству. Для герметизации валов, передающих вращение от различного типа устройств создания вращательного движения, например, от электродвигателей к вращающимся исполнительным механизмам, например к рабочему колесу насоса, обычно используются различные уплотнения, наибольшее распространение из которых в насосостроении получили торцовые уплотнения (см. 1 стр. 288-297, табл. 9.1). Однако при эксплуатации колебания температуры и давления приводят к появлению протечек через уплотнительные кольца, что снижает надежность герметизации. Известны технические решения, позволяющие получить полную герметичность передачи вращения при высокой надежности работы. Например, по 2 стр. 370, рис 4 50 для герметизации передачи вращения на запорный орган трубопроводной арматуры установлен сильфон, что и обеспечивает повышение надежности работы узла уплотнения. Однако это техническое решение не получило широкого распространения из-за своего существенного недостатка, связанного с высокой стоимостью сильфонов и сложностью конструкции. Известно также использование экранированных электродвигателей для обеспечения полной герметизации передачи вращения на исполнительное устройство. Например, приведенное в 3, стр. 15, фиг. 1. В этом техническом решении для герметизации использована гильза, установленная между статором и ротором электродвигателя, агрегатированного с исполнительным устройством - рабочим колесом насоса. В известном техническом решении может быть получена полная герметичность для агрессивных и токсичных сред. Такое решение позволяет исключить протечки в окружающую среду, однако, затраты при эксплуатации значительно возрастают из-за увеличенных потерь энергии при передаче вращения с помощью электромагнитного поля через гильзу. Известны также другие технические решения, в которых для герметизации используются сплошные гибкие оболочки, например, в 4 стр. 20-21 приведены конструкции и технические характеристики гибких металлических шлангов (ГМШ), применяемые для прокладки соединительных трубопроводов при повышенных требованиях к герметичности. Однако известное техническое решение имеет ряд недостатков, например увеличенную стоимость, сложную конструкцию, что снижает область его применения и для герметизации передач вращения использование ГМШ неизвестно. Известно так же использование муфт с постоянными магнитами для передачи вращательного движения от вала электродвигателя к валу насоса, например Герметичный насосный агрегат 5. В этом техническом решении передача вращательного движения осуществляется с помощью вращения постоянных магнитов ведущей полумуфты, установленной на валу двигателя. Вращающееся магнитное поле приводит во вращение ведомую полумуфту с постояннымимагнитами, установленную на валу насоса. Это техническое решение в настоящее время получило очень широкое распространение в насосостроении, однако высокая стоимость постоянных магнитов заставляет искать другие, более дешевые способы обеспечения герметизации передачи вращательного движения. Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому по совокупности существенных признаков является Перемешивающее устройство по 6, принятое авторами за прототип заявляемого изобретения. Принятый за прототип объект представляет собой герметичную передачу вращательного движения, содержащую установленные соосно в корпусе устройство создания вращательного движения в виде вала привода и вращающееся исполнительное устройство в виде перемешивающей среду рамки, а также поводок,выполненный в виде изогнутого стержня, который снабжен герметизирующей гибкой оболочкой в виде шланга, и последний герметично заделан в корпус и в стакан, взаимодействующий с вращающимся исполнительным устройством, при этом поводок соединен с устройством создания вращательного движения и кинематически связан с вращающимся исполнительным устройством, причем связь поводка с вращающимся исполнительным устройством выполнена через стакан с возможностью вращения стакана. Принятый за прототип привод обеспечивает полную герметичность передачи вращательного движения от привода к исполнительному устройству. Однако, принятое за прототип устройство имеет существенные недостатки, заключающиеся в том, что при использовании этого технического решения для насоса, передаваемая через гибкую оболочку мощность ограничена его конструктивными характеристиками. Насос работает при более высоких частотах вращения, чем перемешивающее устройство. Увеличение величины передаваемой через гибкую оболочку силы ограничено потерями на 2 4599 1 трение при прокручивании стакана, герметизирующего шланг. Это приводит к ограничению силы, передаваемой на поводок, и, как следствие, ведет к увеличению нагрузок на подшипники, в которых установлен поводок. Увеличенные нагрузки на подшипники, приводит к значительному усложнению узла герметичного привода при использовании его для насоса, повышению стоимости изготовления и к увеличению затрат при эксплуатации. Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности герметизации привода при упрощении конструкции, снижении стоимости изготовления, уменьшения величины усилий, что уменьшает затраты на эксплуатацию. В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в разработке конструкции насоса с заявляемой передачей вращательного движения от электродвигателя, которая обеспечивает полную герметичность, снижение стоимости изготовления, улучшения условий эксплуатации. Использование изобретения при проектировании и изготовлении новых изделий позволит значительно снизить затраты на их создание и эксплуатацию, что повышает их конкурентоспособность в сравнении с известными. Кроме того, возможна модернизация существующих приводов с другими уплотнениями, которая обеспечит повышение герметичности и надежности работы. Данный технический результат достигнут тем, что в герметичной передаче вращательного движения, содержащей установленные соосно в корпусе устройство создания вращательного движения и вращающееся исполнительное устройство, а также поводок, выполненный в виде изогнутого стержня, который снабжен герметизирующей гибкой оболочкой в виде шланга, и последний герметично заделан в корпус и в стакан,взаимодействующий с вращающимся исполнительным устройством, при этом поводок соединен с устройством создания вращательного движения и кинематически связан с вращающимся исполнительным устройством, причем связь поводка с вращающимся исполнительным устройством выполнена через стакан с возможностью вращения стакана, согласно изобретению, поводок изогнут не менее чем в двух плоскостях таким образом, что его свободный торец размещен на заданном радиусе от оси передачи и этот торец взаимодействует с дополнительным устройством создания вращательного движения через донышко стакана. При этом в варианте исполнения технический результат достигнут за счет того, что в герметичной передаче вращательного движения, содержащей установленные соосно в корпусе устройство создания вращательного движения и вращающееся исполнительное устройство, а также поводок, выполненный в виде изогнутого стержня, который снабжен герметизирующей гибкой оболочкой в виде шланга, и последний герметично заделан в корпус и в стакан, взаимодействующий с устройством создания вращательного движения, при этом поводок соединен с вращающимся исполнительным устройством и кинематически связан с устройством создания вращательного движения, причем связь поводка с устройством создания вращательного движения выполнена через стакан с возможностью вращения стакана, согласно изобретению, точно так же, как и в первом варианте поводок изогнут не менее чем в двух плоскостях таким образом, что его свободный торец размещен на заданном радиусе от оси передачи и этот торец взаимодействует с устройством создания вращательного движения через донышко стакана. Оба упомянутые варианта исполнения изобретения позволяют при этом создать конструкцию, в которой устройство создания вращательного движения выполнено в виде электродвигателя, а вращающееся исполнительное устройство выполнено в виде рабочего колеса насоса. При этом в первом варианте на валу насоса установлен фланец с упором, размещенном на заданном радиусе от оси передачи, а во втором варианте фланец с упором, размещенном на заданном радиусе от оси передачи, установлен на валу электродвигателя. Данный технический результат достигнут также тем, что кинематическая связь поводка снабжена замком для предотвращения размыкания связи, так как при эксплуатации таких агрегатов, как электронасос, возможны случаи обращения передаваемых через герметичную передачу сил. Кроме того, для получения большего эффекта при использовании заявляемого изобретения с обеих сторон донышка стакана установлены точечные подшипники, при этом точечные подшипники могут быть выполнены в виде шариков. Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что поводок изогнут не менее чем в двух плоскостях таким образом, что его свободный торец размещен на заданном радиусе от оси передачи и этот торец взаимодействует через донышко стакана с дополнительным устройством создания вращательного движения в первом варианте или непосредственно с устройством создания вращательного движения, на котором установлена соответствующая деталь, во втором варианте. Научные исследования и эксперименты, выполненные авторами, показали, что определяющим размером для обеспечения надежной работы является радиус изгиба шланга. При радиусе изгиба менее чем 3 наружных диаметра шланга происходит его быстрое разрушение из-за увеличенных деформаций (см. 4 стр. 81). При изгибе поводка в двух плоскостях для передачи вращения через донышко стакана в первой плоскости поводок необходимо изгибать на 90 градусов, а во второй - на 180 градусов. Это приводит к существенной неравномерности нагружения шланга. При изгибе поводка по математической кривой, обеспечивающей переход сечения поводка от плоскости, перпендикулярной оси вращения передачи, до сечения, расположенного на заданном радиусе от оси вращения передачи и расположенного в плоскости, проходящей через эту ось 3 4599 1 вращения, число плоскостей, в которых изогнут поводок, стремится к бесконечности. Но при этом шланг нагружается равномерно во всех сечениях. Современная технология позволяет реализовать изготовление поводка с любым количеством плоскостей изгиба. Наиболее напряженным местом шланга является место его заделки. Эксперименты, выполненные автором, показали, что наиболее часто разрушения шлангов возникают именно в местах заделки, в связи с чем от места заделки шланга до начала его изгиба необходим прямой участок, что приводит к существенному повышению надежности. Загиб поводка в не менее чем двух плоскостях позволяет в пределах размерови Н(см. фиг. 1 и 3) обеспечить оптимальное нагружение шланга, что повышает надежность работы заявляемой передачи. Изгиб поводка не менее чем в двух плоскостях позволяет обеспечить наиболее оптимальное отношение передаваемых приводом сил. Определяющими факторами для передачи на исполнительное устройство вращательного движения является крутящий момент, который необходимо передать от устройства создания вращательного движения. Этот крутящий момент равен усилию, приложенному к приводу, умноженному на радиус(см. фиг. 1 и 3) приложения этого усилия. На взаимодействующие детали привода - на подшипники передается при этом сила, равная этому усилию, а также сила, создаваемая загибом гибкой оболочки - шланга. Сила, возникающая от загиба шланга, зависит также от величины Н (см. фиг. 1 и 3) и создаваемый при этом момент силы воспринимается подшипниками. Заявляемое изобретение позволяет оптимизировать соотношение создаваемых в передаче сил таким образом, что нагрузка на гибкую оболочку - шланг получается минимальной, что повышает надежность работы передачи. Заявленные отличительные особенности передачи вращательного движения позволяют реализовать именно такую отличительную особенность изобретения как то, что устройство создания вращательного движения выполнено в виде электродвигателя, а вращающееся исполнительное устройство выполнено в виде рабочего колеса насоса. Характерной особенностью привода рабочего колеса насоса является то, что колесо должно вращаться только в заданном направлении. Заявляемое изобретение обеспечивает передачу вращения именно только в одну сторону, что позволяет принять наилучшей областью его применения привод таких агрегатов как насосы и мешалки, исполнительные устройства которых вращаются в одну сторону, заданную конструкцией рабочего колеса. Таким образом, отличительные особенности передачи вращательного движения позволяют получить новое техническое решение в насосостроении, обеспечивающее полную герметичность при существенно меньших затратах на изготовление и эксплуатацию узла уплотнения. Еще одной отличительной особенностью изобретения является то, что в первом варианте на валу насоса установлен фланец с упором, размещенном на заданном радиусе от оси передачи, а во втором варианте на валу электродвигателя установлен фланец с упором, размещенном на заданном радиусе от оси передачи. Такое техническое решение позволяет унифицировать передачу вне зависимости от особенностей характеристик перекачиваемой среды и ее давления. Специфика применения заявляемого изобретения для привода исполнительных устройств, вращающихся в заданном направлении, связана с еще одной отличительной особенностью изобретения, а именно с тем, что кинематическая связь поводка снабжена замком для предотвращения размыкания связи. Использование этой отличительной особенности повышает надежность эксплуатации, предотвращает потерю работоспособности заявляемой передачи. Как развитие эффективности приведенных выше отличительных особенностей заявляемого изобретения в предлагаемой конструкции устройства передачи с обеих сторон донышка стакана установлены точечные подшипники, при этом точечные подшипники могут быть выполнены в виде шариков. Такое техническое решение существенно снижает нагрузку на герметизирующий шланг, так как скручивающий шланг момент определяется моментом сил трения в точечных подшипниках, взаимодействующих с донышком стакана. В первом варианте исполнения поводок соединен с устройством создания вращательного движения и кинематически связан с дополнительным вращающимся исполнительным устройством. Такое техническое решение дает дополнительный положительный эффект, заключающийся в том, что в этом варианте гибкая оболочка - охватывающий поводок шланг работает под наружным давлением. Прочность шланга при этом увеличивается, а отсутствие между поводком и шлангом рабочей среды позволяет использовать различные снижающие трение наполнители в зазоре между поводком и шлангом, использовать таким образом стержень поводка в качестве опоры для шланга при восприятии давления рабочей среды. Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с известными техническими решениями позволяют создать дешевый и эффективно работающий полностью герметичный насос для любой промышленной энергетической или технологической установки, что соответственно обеспечит конкурентоспособность изобретения на современном рынке. 4599 1 На фиг. 1 представлена конструкция заявляемой передачи, при которой гибкая оболочка нагружена внешним давлением. На фиг. 2 представлено сечение А-А. На фиг. 3 изображен вариант, при котором гибкая оболочка нагружена внутренним давлением. Позиции совпадающих элементов заявляемых вариантов устройства на всех чертежах приведены одинаковыми. Заявляемая герметичная передача вращательного движения содержит (см. фиг. 1) корпус 1, устройство создания вращательного движения - электродвигатель 2 и вращающееся исполнительное устройство - рабочее колесо насоса 3, а также поводок 4, выполненный в виде изогнутого стержня, который снабжен герметизирующей гибкой оболочкой в виде шланга 5, и последний герметично заделан в корпус 1 и в стакан 6 (см. также фиг. 2), взаимодействующий с дополнительным устройством создания вращательного движения фланцем 7. При этом поводок 4 соединен с устройством создания вращательного движения - непосредственно с валом 8 электродвигателя 2 и кинематически связан с вращающимся исполнительным устройством - рабочим колесом насоса 3 с помощью фланца 7, установленного на валу 9 насоса. При этом связь поводка 4 с дополнительным устройством создания вращательного движения - фланцем 7 выполнена через стакан 6 с возможностью вращения стакана (см. фиг. 2). Поводок 4 изогнут не менее чем в двух плоскостях таким образом, что его свободный торец размещен на заданном радиусеот оси передачи и этот торец взаимодействует с фланцем 7 через донышко стакана 6(см. фиг. 2). Кинематическая связь поводка 4 с фланцем 7 снабжена замком 10 для предотвращения размыкания связи. С обеих сторон донышка стакана 6 установлены точечные подшипники, которые выполнены в виде шариков. На фиг. 3 изображен вариант, при котором шланг 5 герметично заделан в корпус 1, но уже со стороны насоса 3,и в стакан 6, взаимодействующий с устройством создания вращательного движения - с таким же фланцем 7 с упором, размещенном на заданном радиусеот оси передачи, но установленным на валу 8 электродвигателя 2. При этом поводок 4 соединен с валом 9 насоса и кинематически связан с устройством создания вращательного движения. Шланг 5 в этом варианте работает под внутренним давлением перекачиваемой среды. При этом корпус 1 снабжен окнами 11 для наблюдения за шлангом 5 и проведения, при необходимости, ремонтных работ. Заявляемая герметичная передача вращательного движения работает следующим образом. При включении электродвигателя 2 его вал 8 вращает вокруг оси привода фланец 7 в заданном направлении (на фиг. 2 - против часовой стрелки). Через донышко стакана 6 это вращение передается на поводок 4. В первом варианте исполнения (фиг. 1) вал электродвигателя 8 вращает поводок 4, который, взаимодействуя с фланцем 7, приводит во вращение вал 9 насоса. Исполнительное устройство - рабочее колесо 3 насоса перекачивает жидкость. Во втором варианте (фиг. 3) вал электродвигателя 8 вращает фланец 7, который взаимодействует с поводком 4, и последний через вал 9 приводит во вращение рабочее колесо 3. В обоих вариантах полная герметичность рабочей полости насоса достигается тем, что один конец шланга 5 герметично заделан в корпус 1 (в первом варианте обжат хомутом на фланце корпуса электродвигателя,а во втором варианте обжат хомутом на фланце корпуса насоса), а другой конец шланга 5 герметично заделан в стакан 6 (обжат хомутом на его патрубке, как это показано на фиг. 2). При вращении поводка 4 шланг 5 изгибается относительно корпуса 1. При этом за один оборот поводка 4 вокруг оси стакан 6 делает один оборот относительно стержня поводка 4. Для снижения сил трения стакан снабжен подшипником скольжения. В то же время стакан 6 проворачивается на один оборот относительно фланца 7. За счет того, что создающая крутящий момент сила передается при этом через точечные подшипники - шарики, момент сил трения, вызывающий скручивание шланга 5, становится минимальным. В случае, когда поводок 4 соединен с валом 9 насоса (фиг. 3), шланг 5 работает под внутренним давлением рабочей среды. Когда для передачи вращения поводок 4 соединен с валом 8 электродвигателя, шланг 5 работает под наружным давлением рабочей среды (фиг. 1). Оба варианта имеют свои преимущества и недостатки в сравнении друг с другом. В варианте по фиг. 3 корпусные детали насосного агрегата имеют меньшие габариты и рабочее давление практически ограничивается только прочностью шланга, появляется возможность визуального контроля за шлангом и облегчаются ремонтные работы. В варианте по фиг. 1 возможна опора шланга 5 на стержень поводка 4, но при этом рабочее давление лимитируется уже прочностью корпусных деталей. Так как шланг 5 может быть изготовлен из практически любого материала - от обычной резиновой трубки, до гибкого металлического шланга, заявляемое изобретение может быть использовано для любых условий эксплуатации, что обеспечивает очень широкие технологические возможности. Изобретение позволяет проводить модернизацию эксплуатируемых насосов при сравнительно малых затратах. Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с прототипом повышают конкурентоспособность заявляемого технического решения, так как оно обеспечивает повышение экономичности эксплуатации, а так же снижает затраты на изготовление. 5 4599 1 Расчеты и эксперименты, выполненные автором, показали, что в сравнении с наиболее эффективными конструкциями приводов насосов, которые обеспечивают герметичность и надежность эксплуатации, заявляемое изобретение обеспечивает снижение затрат при эксплуатации и уменьшении капиталовложений на изготовление примерно на 50-200 . Источники информации 1. Уплотнения и уплотнительная техника Справочник / Под ред. А.И Голубева. - М. Машиностроение,1986. 2. Гуревич Д.Ф., Шпаков О.Н. Справочник конструктора трубопроводной арматуры. - Л. Машиностроение, 1987. 3. Черноусов Н.П. и др. Герметические химико-технологические машины и аппараты. - МЛ. Машиностроение, 1965. 4. Крюков А.И. и др. Гибкие металлические рукава. - М. Машиностроение, 1970. 5. Патент ФРГ 3629311,04 13/02, 1988. 6. А.с. СССР 1291196, В 017/16, 1985, опубл. в Бюлл.7, 1987 г. (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 6