МЕХАНИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ Российский патент 1995 года по МПК F16J15/26 

Изобретение относится к уплотнительной технике, в частности к механическим уплотнениям, предназначенным для установки на гидравлические и пневматические машины и устройства, рабочие органы которых совершают вращательное и/или возвратно-поступательное движение.

Известно уплотнение вала или штока, содержащее притертые одно к другому и поджимаемые к уплотняемым поверхностям этих элементов в противоположных направлениях эксцентричные кольца из антифрикционного материала, которые расположены в упругой обойме.

В таком уплотнении ввиду неопределенности углового смещения пар колец возможно повышенное перетекание среды, находящейся под более высоким давлением, в зону пониженного давления, что снижает герметичность и надежность уплотнения в целом. В случае применения уплотнения с несколькими парами эксцентричных колец возникает необходимость в фиксации их взаимного положения, что значительно усложняет уплотнение и приводит к его удорожанию.

Задачей изобретения является создание механического уплотнения, которое обеспечивало бы уменьшение зазоров между элементами устройства и валом или штоком или цилиндром машины с одновременной компенсацией износа трущихся поверхностей, в результате чего произошло бы снижение утечек среды и увеличен срок службы уплотнения, а также упрощены его изготовление и сборка.

Технический результат достигается тем, что в механическом уплотнении вала или штока или цилиндра машины, работающем под избыточным давлением, содержащем уплотнительные кольца, притертые друг к другу по торцам и поджатые к уплотняемым поверхностям упругой обоймой в противоположных направлениях, на наружной или внутренней поверхности упругой обоймы выполнены эксцентрично расположенные бурты или соответственно эксцентрично расположенные расточки, а уплотнительные кольца выполнены с концентричными цилиндрическими поверхностями и расположены на буртах или в расточках.

Бурты или расточки в обойме выполнены попарно так, чтобы их оси располагались симметрично с двух сторон от оси обоймы, при этом плоскости, которые пройдут через оси парных буртов или расточек, должны быть развернуты одна относительно другой на угол, равный 180/n, где число n число пар расточек или буртов.

Для уменьшения времени притирки уплотнительных поверхностей, чтобы при этом не снижался их срок службы, трущиеся уплотнительные поверхности вала, штока или цилиндра и/или уплотнительных колец имеют покрытие из антрифрикционного и/или износостойкого материала и выполнены с увеличенной шероховатостью.

Такое выполнение механического уплотнения позволяет уменьшить утечки среды, повысить срок службы уплотнения и снизить его стоимость.

На фиг. 1 изображено механическое уплотнение вала или штока, расположенное в корпусе машины, продольный разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг;1; на фиг. 3 упругая обойма с двумя эксцентричными расточками; на фиг.4 вариант механического уплотнения плунжера скважинного штангового насоса, продольный разрез; на фиг.5 сечение Б-Б на фиг.4; на фиг.6 упругая обойма с двумя парами эксцентричных буртов; на фиг.7 участок поверхности цилиндрического кольца или вала, штока или цилиндра; на фиг.8 тот же участок после приработки.

Механическое уплотнение рассматривается в варианте уплотнения вала, штока или цилиндра (фиг.1-6). В сальниковой камере корпуса 21 машины установлено механическое уплотнение, которое содержит упругий элемент в виде обоймы 2 из эластомерного материала и уплотнительных колец 3 и 4. Упругая обойма 2 выполнена, например, и резины. На внутренней поверхности упругой обоймы 2 выполнены эксцентрично расположенные расточки 5 и 6, оси которых смещены относительно оси вала или штока на величину эксцентриситета е₁ и е₂ и расположены симметрично с двух сторон от оси вала или штока, т.е. развернуты на 180^о. Со стороны повышенного давления среды в упругой обойме 2 имеется опорный бурт 7. Уплотнительные кольца 3 и 4 установлены в эксцентричные расточки 5 и 6 с небольшим диаметральным и осевым натягом, которые обеспечиваются за счет соотношения диаметральных и осевых размеров металлической обоймы 8 и фланца 9. При установке уплотнения на вал или шток 10 уплотнительные кольца 3 и 4 ввиду их эксцентричного относительно оси вала или штока расположения касаются соответственно в точках а и б, т.е. с противоположных от оси вала или штока сторон, при этом за счет сжатия резиновой обоймы 2 каждое кольцо прижимается к валу или штоку с усилием F.

На фиг. 4, 5 и 6 приведен вариант механического уплотнения плунжера скважинного штангового насоса, в котором полый плунжер 11 размещен в цилиндре 12 и разделяет в насосе полость 13 высокого давления и полость 14 низкого давления. На цилиндрической поверхности плунжера 11 установлено механическое уплотнение, которое содержит упругую обойму 15 из эластомерного материала и набор уплотнительных колец 16, выполненных из жестких неэластомерных материалов. Кольца 16 взаимодействуют с обоймой 15 и внутренней поверхностью цилиндра 12. Упругая обойма 15 на наружной поверхности имеет ряд эксцентричных буртов 17-20, которые выполнены попарно, причем в каждой паре буртов их оси находятся симметрично с двух сторон от оси обоймы, т.е. развернуты на 180^о. В зависимости от количества уплотнительных колец каждая пара буртов развернута на определенный угол с тем, чтобы максимально перекрыть проход среды из полости высокого давления в полость с низким давлением. Так для уплотнения с одной парой колец лучшим вариантом является разворот колец на 180^о. Для двух пар (фиг.5 и 6) плоскости, в которых находятся оси эксцентричных буртов, развернуты на 90^о. Для трех пар этот угол равен 60^о, для четырех пар 45^о и т.д. Таким образом в общем случае угол разворота α может быть определен из соотношения α= 180/n, где n число пар буртов или расточек.

Упругая обойма 15 со стороны высокого давления имеет бурт 21, к которому с помощью переходника 22 прижимается комплект уплотнительных колец 16.

Уплотнительные концентричные кольца 16, установленные на эксцентричные бурты, касаются с поверхностью цилиндра 12 в выточках а, б, в и г (фиг.5), равномерно распределенные по окружности цилиндра. При большем количестве пар колец плунжер сможет работать с высоким перепадом давления. Так, например, при 20 кольцах насосы с аналогичным уплотнением плунжера длительно работают при перепаде давления до 10 МПа. При этом следует учесть, что по мере притирки трущихся поверхностей колец и вала, штока или цилиндра, эффективность работы уплотнения увеличивается, так как уплотнительный зазор стремится к нулю, а самоуплотнение из щелевого превращается в контактное.

С целью ускорения процесса притирки, а также снижения сил трения, трущиеся поверхности уплотнительных колец 3, 4, 16 и/или вала, штока 10 или цилиндра 12 выполняются из износостойкого материала с шероховатой поверхностью, которая затем покрывается антифрикционным слоем 23, например из меди, бронзы, хрома, фторопласта и т.п. (фиг.7). Шероховатая поверхность с необходимыми размерами впадин 24 и выступов 25 может быть выполнена различными способами, например в виде резьбы, рифлением, дробе- и пескоструйной обработкой. Антифрикционное покрытие 23 может быть нанесено с помощью гальваники, натиранием, а также в виде композиционных покрытий, состоящих из клея или смолы, смешанных с мелкими частичками графита, дисульфида молибдена, фторопласта и других аналогичных материалов.

Механическое уплотнение работает следующим образом.

При установке механического уплотнения в корпус машины или в цилиндр уплотнительные кольца прижимаются к уплотняемой поверхности вала, штока или цилиндра в тех местах, где ширина кольца максимальна вместе с обоймой. В местах прижатия колец щелевой зазор равен нулю. С противоположной от точки касания стороны щелевой зазор максимальный. Однако ввиду того, что расточки и бурты в обойме выполнены эксцентричными и кольца по торцам плотно прижаты друг к другу и соответствующим образом попарно развернуты относительно одно другого между уплотняемой поверхностью и набором колец образуется сложная лабиринтная щель и, следовательно, большое гидравлическое сопротивление потоку жидкости из полости высокого давления в полость низкого давления. Гидравлическое сопротивление в зазоре уплотнения возрастает также ввиду того, что поток жидкости, проходя через зазор, многократно меняет свое направление. Размеры зазора в работающем уплотнении постепенно уменьшаются за счет приработки трущихся поверхностей колец и уплотняемой поверхности вала, штока или цилиндра, при этом происходит автоматическое прижатие трущихся поверхностей, и, следовательно, компенсация износа за счет эластомерной упругой обоймы. Еще больший эффект достигается в случае применения шероховатых поверхностей с мягким покрытием в качестве трущихся поверхностей уплотнения. В начальный период трущиеся поверхности быстро прирабатываются (фиг.8), мягкий слой частично снашивается, при этом герметичность соединения улучшается и одновременно увеличивается несущая способность пары трения за счет того, что в работу вступают участки износостойкого материала. Таким образом достигается повышенная герметичность уплотнения с одновременным увеличением срока его службы. Кроме того, стоимость изготовления уплотнения снижается по сравнению с уплотнением с эксцентричными кольцами, так как изготовление концентричных колец не требует специальной оснастки. Сборка колец также упрощается и не требуется фиксация их взаимного расположения, так как они устанавливаются на бурты или в расточки упругой обоймы.

Изобретение может применяться в насосах, компрессорах, мешалках, в запорной арматуре, в гидро- и пневмоустройствах и других машинах и аппаратах, работающих под избыточным давлением.

Использование: в гидравлических и пневматических машинах с вращательным или возвратно - поступательным движением рабочих органов. Сущность изобретения: в устройстве на наружной или внутренней поверхности упругой обоймы выполнены эксцентрично расположенные бурты или соответственно эксцентрично расположенные расточки. Бурты или расточки выполнены попарно. Каждая пара развернута относительно другой на угол 180/n, где n - число пар буртов или расточек. Уплотнительные кольца выполнены с концентричными цилиндрическими поверхностями. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. МЕХАНИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ вала, или штока, или цилиндра машины, содержащее уплотнительные кольца, притертые друг к другу по торцам и поджатые к уплотняемым поверхностям упругой обоймой в противоположных направлениях, отличающееся тем, что на наружной или внутренней поверхности упругой обоймы выполнены эксцентрично расположенные бурты или соответственно эксцентрично расположенные расточки, а уплотнительные кольца выполнены с концентричными цилиндрическими поверхностями и расположены на упомянутых буртах или в расточках. 2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что бурты или расточки упругой обоймы выполнены попарно, а их оси расположены эксцентрично с двух сторон от оси упругой обоймы, при этом плоскости, проходящие через оси парных буртов или расточек, развернуты одна относительно другой на угол 180/n, где n-число пар буртов или расточек. 3. Уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что трущиеся поверхности уплотнительных колец и/или вала, или штока, или цилиндра выполнены шероховатыми и на них нанесено покрытие из антифрикционного и/или износостойкого материала.