ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ УЗЕЛ НАСОСА Российский патент 2001 года по МПК F04B53/14 

Изобретение относится к насосостроению, в частности к поршневым насосам, работающим в тяжелых условиях и имеющим средства принудительной промывки, смазки и охлаждения цилиндропоршневых узлов.

Известен поршень бурового насоса, содержащий уплотнительную манжету и металлический сердечник. Для повышения долговечности опорная и уплотнительная части манжеты выполнены из резины разной твердости, причем опорная часть выполнена из резины большей твердости (SU N 1160099, МПК⁴ F 04 В 21/04, 1985). Известен также поршень, содержащий сердечник и навулканизированную на него манжету с образованием развитой резиновой поверхности. Для повышения долговечности модуль упругости поверхностного слоя в 10...100 раз может быть больше соответствующего показателя резины в сердцевине (SU N 1675604, МПК⁵ F 16 J 15/60, 1991).

Технический недостаток известных поршней - отсутствие средств для охлаждения и смазки пары трения манжета - цилиндр, что повышает износ, теплонапряженность цилиндропоршневого узла и приводит к тертодеструкции резины.

Известна объемная машина, в которой для повышения долговечности предусмотрено улучшение теплообмена за счет наличия камеры переменного объема, образованной боковыми поверхностями цилиндра и дополнительного стакана, помещенного между цилиндром и поршнем (SU N 1525307, МПК⁴ F 04 В 21/04, 21/08, 1989).

Технический недостаток известной объемной машины - наличие локальной камеры охлаждения, которая не совпадает с поршнем при его движении, причем жидкость удалена от поршня на толщину стакана; повышенная деформация резины, что сказывается на износе уплотнения поршня.

Наиболее близким является цилиндропоршневой узел насоса, содержащий размещенный в цилиндре и закрепленный на штоке поршень с металлическим сердечником для прикрепления металлической манжеты, размещенный внутри сердечника теплообменник, включающий подключенную к источнику смазочно-охлаждающей жидкости каналом подвода кольцевую полость, замыкаемую дистанционной втулкой с кольцевым наружным буртом, установленной на штоке между его торцовым упором и торцовой стенкой ступенчатой расточки сердечника, при этом канал подвода выполнен в штоке и в стенке дистанционной втулки (см. SU N 1388582, МПК⁴ F 04 В 21/04, 1988). При таком исполнении узла улучшается теплообмен путем увеличения активной площади теплообменника без увеличения габаритов поршня.

Технический недостаток данного устройства - удаленность охлаждающей жидкости от пары трения и невозможность ее непосредственной смазки, возможность выдавливания резины опорной части в уплотняемый зазор, что снижает долговечность манжеты.

Техническая задача - повышение долговечности и снижение теплонапряженности цилиндропоршневого узла насоса за счет принудительного подвода смазочно-охлаждающей жидкости непосредственно в пару трения и создание в ней граничного слоя смазки, предотвращения выдавливания резины опорной части в уплотняемый зазор.

Согласно изобретению в цилиндропоршневом узле опорная сторона манжеты снабжена резиновым кольцом повышенной твердости, поверхностный слой манжеты имеет модуль упругости выше соответствующего показателя ее сердцевины, на наружной поверхности манжеты выполнены винтовые многозаходные канавки, начало которых расположено за передней уплотняющей кромкой, а конец выходит в кольцевую канавку, выполненную на наружной опорной стороне манжеты перед кольцом повышенной твердости, при этом начало винтовых канавок сообщается каналами с теплообменником, а кольцевая канавка на опорной стороне - со штоковой полостью цилиндра. Винтовые и кольцевая канавки выполнены сегментного профиля; винтовые канавки выполнены двухзаходными; модуль упругости наружного слоя манжеты по крайней мере в 10 раз выше соответствующего показателя ее сердцевины.

На фиг. 1 изображен цилиндропоршневой узел насоса, продольный разрез; на фиг. 2 - поршень, внешний вид в аксонометрии; на фиг. 3 - профиль канавок на манжете.

Цилиндропоршневой узел насоса содержит размещенный в цилиндре 1 и закрепленный на штоке 2, имеющем торцовый упор 3, поршень с металлическим ступенчатым (с наружными канавками) сердечником 4 для прикрепления резиновой манжеты 5. Опорная (тыльная) сторона манжеты 5 снабжена резиновым кольцом 6 повышенной твердости. Поверхностный слой 7 манжеты 5 глубиной 1,5...2,5 мм, включая резиновое кольцо 6 повышенной твердости, имеет модуль упругости выше соответствующего показателя сердцевины манжеты 5. Модуль упругости поверхностного слоя 7 манжеты 5 по крайней мере в 10 раз выше аналогичного показателя ее сердцевины (E_п ≥ 10E_о, где E_п, E_о - модули упругости соответственно поверхностного слоя и сердцевины). Это является следствием диффузионной поверхностной модификации резины после ее вулканизации в составе поршня. Модификация резины приводит также к снижению примерно в 2 раза ее коэффициента трения.

Внутри сердечника 4 размещен - без изменения габаритов поршня - теплообменник 8, являющийся кольцевой полостью, подключенный к источнику смазочно-охлаждающей жидкости (не показан) каналом подвода. Кольцевая полость теплообменника 8 замыкается дистанционной втулкой 9 с кольцевым наружным буртом 10, установленной на хвостовике штока 2 между его торцовым упором 3 и торцовой стенкой 11 ступенчатой расточки сердечника 4. Канал подвода жидкости в кольцевую полость теплообменника 8 выполнен в виде продольного 12 и радиальных 13 отверстий в штоке 2, проточки 14 и радиальных отверстий 15 в стенке дистанционной втулки 9.

На наружной поверхности манжеты 5 выполнены винтовые многозаходные канавки 16. Их начало расположено за передней уплотняющей кромкой 17, а конец выходит в кольцевую канавку 18, выполненную на наружной опорной стороне манжеты 5 перед резиновым кольцом 6 повышенной твердости. Винтовые 16 и кольцевая 18 канавки выполнены сегментного профиля с радиусом скругления R = 1 мм. Винтовые канавки 16 могут быть выполнены двухзаходными. Начало винтовых канавок сообщается с теплообменником 8 посредством наклонных каналов 19, проходящих через манжету 5 и сердечник 4. Кольцевая канавка 18 с помощью "изогнутых" каналов 20 проходит через край манжеты 5 и сердечник 4, сообщается со штоковой полостью цилиндра 1. Винтовая 16 и кольцевая 18 канавки, а также каналы 19 и 20 выполнены в процессе вулканизации манжеты 5 на сердечнике 4 - до модификации поверхностного слоя 7. Вследствие этого канавки и каналы (в манжете) "обрамлены" поверхностным слоем с повышенным модулем упругости.

Цилиндропоршневой узел насоса работает следующим образом.

При возвратно-поступательном движении поршня со штоком 2 в цилиндре 1 смазочно-охлаждающая жидкость по отверстиям 12 и 13 в штоке 2, кольцевой проточке 14 и отверстиям 15 в стенке дистанционной втулки 9 под давлением поступает в кольцевую полость теплообменника 8 в сердечнике 4. После чего жидкость по наклонным каналам 19 поступает в начало винтовых многозаходных канавок 16, расположенных за передней уплотняющей кромкой 17 манжеты 5. Так же жидкость из канавок 16 частично просачивается в граничный зазор между манжетой 5 и цилиндром 1, частично проникает в кольцевую канавку 18 на наружной опорной стороне манжеты 5 перед резиновым кольцом 6 повышенной твердости. Затем жидкость через "изогнутые" каналы 20 сливается в штоковую полость цилиндра 1 и далее - в бак смазочно-охлаждающей жидкости. Наличие проточной жидкости в теплообменнике 8 способствует снижению температуры поршня. Часть жидкости, которая не выдавливается в граничный зазор между манжетой 5 и цилиндром 1, вследствие винтообразного расположения канавок 16 оставляет "след" в цилиндре 1 при движении поршня. Благодаря этому между манжетой 5 и цилиндром 1 - парой трения - образуется граничный слой смазки, которая снижает коэффициент трения резины по металлу и совместно с жидкостью в теплообменнике 8 обеспечивает охлаждение цилиндропоршневого узла. Постоянная циркуляция смазочно-охлаждающей жидкости и ее принудительный подвод непосредственно в пару трения способствует в конечном итоге повышению долговечности и снижению теплонапряженности узла.

Поскольку поверхностный слой 7 манжеты 5, а также поверхности канавок 16 и 18 и каналов 19 и 20 в манжете имеют модуль упругости E_п выше модуля E_o в середине манжеты (E_п ≥ 10E_o), указанные канавки и каналы слабо деформируются, в основном сохраняя свой профиль. Это способствует устойчивой циркуляции жидкости, а сегментный профиль канавок 16 и 18 (со скруглениями радиусом R) стимулирует выдавливание смазочно-охлаждающей жидкости в пару трения. При повышенных механических свойствах поверхностного слоя 7 манжеты 5, являющихся следствием диффузионной поверхностной модификации резины, примерно в 2 раза снижается коэффициент трения резины по металлу. Это влечет за собой снижение температуры контакта и износа манжеты 5, предотвращение выдавливания опорной части манжеты 5 в уплотняемый зазор. Резиновое кольцо 6 повышенной твердости, расположенное в опорной части манжеты 5, и выполненная рядом с ним канавка 18 являются элементами (в сочетании с повышенными поверхностными свойствами резины), предотвращающими выдавливание опорной части манжеты 5 в уплотняемый зазор, при этом канавка 18 сохраняет свои функции прокачки через нее смазочно-охлаждающей жидкости.

Таким образом, в предложенном цилиндропоршневом узле высокая долговечность и пониженная теплонапряженность достигаются сочетанием технических решений: 1) усилением опорной части манжеты резиновым кольцом повышенной твердости и выполнением рядом с ним кольцевой канавки, которая является элементом системы циркуляции смазочно-охлаждающей жидкости и одновременно "убирает" резину, интенсивно изнашивающуюся и выдавливаемую в уплотняемый зазор; 2) наличием на манжете и в ее канавках и каналах поверхностного слоя с повышенными механическими свойствами, следствием чего является снижение коэффициента трения, контактной температуры, износа и сохранения элементов системы циркуляции жидкости; 3) обеспечением подачи смазки непосредственно в пару трения, чему способствуют и названные два технических решения. Следовательно, предложение носит комплексный характер. Попытки решения проблемы долговечности посредством отдельных технических решений, что следует из цитирования изобретений, не могут привести к высоким результатам. С другой стороны, несмотря на наличие в настоящем предложении на первый взгляд кажущихся разнородных отличительных признаков не нарушает единства изобретения, поскольку все признаки только в совокупности решают поставленную техническую задачу.

Устройство может быть использовано в области насосостроения. Цилиндропоршневой узел насоса содержит размещенный в цилиндре и закрепленный на штоке поршень с сердечником и резиновой манжетой. Внутри сердечника размещен теплообменник, замыкаемый дистанционной втулкой с кольцевым наружным буртом. Канал подвода жидкости в теплообменник выполнен в штоке и в стенке дистанционной втулки. Опорная сторона манжеты снабжена резиновым кольцом повышенной твердости. Поверхностный слой манжеты имеет модуль упругости выше соответствующего показателя ее сердцевины. На наружной поверхности манжеты выполнены винтовые многозаходные канавки, начало которых расположено за передней уплотняющей кромкой. Конец выходит в кольцевую канавку на опорной стороне манжеты перед кольцом повышенной твердости. Винтовые канавки сообщаются с теплообменником, а кольцевая канавка - со штоковой полостью цилиндра. Повышается долговечность и снижается теплонапряженность узла. 3 з.п. ф-лы. 3 ил.

1. Цилиндропоршневой узел насоса, содержащий размещенный на штоке поршень с металлическим сердечником для прикрепления резиновой манжеты, размещенный внутри сердечника теплообменник, включающий подключенную к источнику смазочно-охлаждающей жидкости каналом подвода кольцевую полость, замыкаемую дистанционной втулкой с кольцевым наружным диаметром, установленной на штоке между его торцевым упором и торцевой стенкой ступенчатой расточки сердечника, при этом канал подвода выполнен в штоке и в стенке дистанционной втулки, отличающийся тем, что опорная сторона манжеты снабжена резиновым кольцом повышенной твердости, поверхностный слой манжеты имеет модуль упругости выше соответствующего показателя ее сердцевины, на наружной поверхности манжеты выполнены винтовые многозаходные канавки, начало которых расположено за передней уплотняющей кромкой, а конец выходит в кольцевую канавку, выполненную на наружной опорной стороне манжеты перед кольцом повышенной твердости, при этом начало винтовых канавок сообщается канавками с теплообменником, а кольцевая канавка на опорной стороне - со штоковой полостью цилиндра. 2. Узел по п.1, отличающийся тем, что винтовые и кольцевая канавки выполнены сегментного профиля. 3. Узел по п.1, отличающийся тем, что винтовые канавки выполнены двухзаходными. 4. Узел по п.1, отличающийся тем, что модуль упругости поверхностного слоя манжеты, по крайней мере, в 10 раз выше соответствующего показателя ее сердцевины.