УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОРШНЯ Российский патент 2004 года по МПК F16J15/32 

Заявляемое изобретение относится к области гидромашиностроения, в частности к уплотнительным устройствам цилиндро-поршневой группы буровых поршневых насосов одностороннего и двустороннего действия. Поршень в паре с цилиндровой втулкой, снабженные уплотнительной манжетой, образуют замкнутый объем нагнетаемой жидкости, которая выдавливает манжету в уплотняемый зазор, образующийся в результате износа пары трения "поршень-цилиндровая втулка" и представляющий собой кольцевое пространство между внутренней (рабочей) поверхностью цилиндровой втулки и буртом сердечника поршня. В результате циклических воздействий нагнетаемой жидкости на манжету происходит выработка манжеты в уплотняемой зоне, которая приводит к потере герметичности пары "поршень -цилиндровая втулка".

Известно уплотнительное устройство для поршня, в котором предусмотрен механизм перекрытия уплотняемого зазора упругими кольцами из материала с достаточно высоким модулем упругости, исключающим деформирование эластичной манжеты в направлении уплотняемого зазора; однако в этом устройстве не обеспечивается постоянство уплотняемого зазора, и упругие кольца работают в зоне напряжений, которые лимитируют их ресурс из-за усталостного разрушения (см. а.с. СССР №1601442).

За ближайший аналог заявляемого технического решения принято уплотнительное устройство для поршня (см. а.с. СССР №1809218), состоящее из сердечника поршня с опорным буртом, манжеты, разрезных колец и пластически деформируемой втулки, выполненной на части манжеты, в котором обеспечивается условие постоянства уплотняемого зазора по мере износа пары трения "поршень-цилиндровая втулка" на уровне, исключающем выдавливание эластичной манжеты в этот зазор; этому условию соответствует выбор толщины стенки втулки уплотнительного устройства из соотношения:

где Dо.б.с. - диаметр опорного бурта сердечника поршня, мм;

δ_т - предел текучести материала втулки уплотнительного устройства, МПа;

Р - гидростатическое давление жидкости на манжету (давление нагнетания), МПа.

Известному устройству присущи следующие недостатки:

- отсутствует предварительное прижатие разрезных колец к рабочей поверхности цилиндровой втулки после сборки пары "поршень-цилиндровая втулка";

- необходима предварительная опрессовка устройства на расчетном давлении (при первом ходе поршня) для создания режима постоянства уплотняемого зазора;

- требуется использование специальных способов опрессовки при жесткой характеристике привода, например при дизельном приводе или электроприводе переменного тока, т.к. запуск бурового насоса с этим типом привода осуществляется на холостом ходу с последующим плавным наращиванием давления на выходе насоса и соответственно не обеспечивается режим опережающего перекрытия уплотняемого зазора;

- конструкция устройства рассчитана на изготовление (формование) манжеты совместно с разрезными кольцами и сердечником поршня;

- не определены механические свойства разрезных колец.

Задача заявляемого изобретения заключается в повышении надежности уплотнительного устройства, простого в изготовлении и эксплуатации.

Сущность нового технического решения заключается в том, что в уплотнительном устройстве для поршня, содержащем сердечник поршня с опорным буртом, установленную на нем уплотнительную манжету, уплотнительные кольца и пластически деформируемую втулку, размещенные в проточке, выполненной на части манжеты со стороны опорного бурта поршня, уплотнительные кольца выполнены неразъемными с одним разрезом и наружным диаметром, превышающим диаметр опорного бурта сердечника поршня на величину dD, определяемую зависимостью

dD=Dу.к.-Dо.б.с.,

где Dу.к. - наружный диаметр уплотнительных колец;

Dо.б.с. - диаметр опорного бурта сердечника поршня;

при этом уплотнительное кольцо, прилегающее к манжете, имеет коническую поверхность со стороны торца, обращенную в сторону манжеты; расстояние между торцами разреза уплотнительных колец удовлетворяет соотношению

Δ≥π·dD,

где Δ - расстояние между торцами разреза;

и изготовлены уплотнительные кольца из углепластика.

На фиг.1 изображено сечение нового уплотнительного устройства,

на фиг.2 показана схема установки уплотнительного устройства.

Новое уплотнительное устройство для поршня содержит эластичную манжету 1; уплотнительное кольцо 2, прилегающее к манжете и имеющее коническую поверхность, обращенную в сторону манжеты 1; уплотнительное кольцо 3, прилегающее к торцевой поверхности опорного бурта; втулку 4, обладающую определенными геометрическими параметрами и свойствами материала при растяжении и установленную на части манжеты 1 со стороны торцевой поверхности опорного бурта сердечника поршня 5.

Преимущество применения неразъемных уплотнительных колец состоит в том, что оно позволяет производить формование (сборку) уплотнительного устройства независимо от сердечника поршня для использования в сборных поршнях.

Разрез в уплотнительном кольце 2 может быть выполнен прямым или косым, под углом к продольной оси поршня.

Геометрическое соотношение между величиной dD и Δ должно удовлетворять условию:

Δ≥π·dD,

при котором достигается деформирование уплотнительных колец в заходной фаске цилиндровой втулки, как показано на фиг.2. Деформация на величину Δ создает предварительное прижатие уплотнительных колец к рабочей поверхности цилиндровой втулки, что предотвращает выдавливание эластичной манжеты в уплотняемый зазор без предварительной опрессовки уплотнительного устройства.

Конструкция уплотнительного устройства и механизм взаимодействия пары трения "поршень-цилиндровая втулка" обеспечивают наиболее высокий ресурс поршня при использовании в качестве материала уплотнительных колец углеродных материалов, в частности углепластика.

Работает уплотнительное устройство следующим образом.

После установки поршня в новую или частично изношенную цилиндровую втулку происходит деформирование уплотнительных колец и их предварительное прижатие к рабочей поверхности цилиндровой втулки с усилием, определяемым модулем упругости материала уплотнительных колец и величиной dD превышения диаметра уплотнительных колец по отношению к диаметру D_о.б.с. опорного бурта сердечника поршня.

На первом этапе деформирования манжеты в такте нагнетания происходит нарастание напряжения сжатия в поверхностном слое манжеты более интенсивно, чем внутри манжеты, за счет действия сил трения на поверхности контакта манжеты с цилиндровой втулкой.

Поверхностный силовой поток, воздействуя на коническую поверхность уплотнительного кольца со стороны манжеты, разжимает его и создает дополнительное усилие прижатия к рабочей поверхности цилиндровой втулки. По мере выравнивания напряжения сжатия по всему объему манжеты будет происходить увеличение контактного давления уплотнительных колец к поверхности цилиндровой втулки за счет действия сжатого объема манжеты на внутреннюю поверхность втулки. При этом давление, передаваемое на поверхность контакта уплотнительных колец с цилиндровой втулкой, будет определяться разностью сил, определяемых давлением нагнетания и упругих сил деформирования втулки. По мере износа пары трения и увеличения уплотняемого зазора между рабочей поверхностью цилиндровой втулки и опорным буртом сердечника поршня втулка будет расширяться за счет пластического деформирования и обеспечивать режим постоянства зазора между уплотнительными кольцами и рабочей поверхностью цилиндровой втулки.

Увеличивающийся зазор между торцами разреза уплотнительного кольца со стороны манжеты по мере износа пары трения перекрывается уплотнительным кольцом со стороны опорного бурта сердечника поршня, разрез которого смещен относительно разреза уплотнительного кольца со стороны манжеты.

Изобретение относится к гидромашиностроению, в частности к уплотнительным устройствам буровых поршневых насосов одностороннего и двухстороннего действия. Конструкция уплотнительного устройства обеспечивает прижатие уплотнительных колец к рабочей поверхности цилиндровой втулки непосредственно после сборки пары "поршень-цилиндровая втулка". Уплотнительные кольца выполнены неразъемными с одним разрезом определенной ширины и имеют диаметр, превышающий диаметр опорного бурта сердечника. Для обеспечения перекрытия уплотняемого зазора в такте нагнетания с заданным контактным давлением и силой трения определены механические свойства материала уплотнительных колец. Изобретение повышает надежность уплотнительного устройства, просто в изготовлении и эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Уплотнительное устройство для поршня, содержащее сердечник поршня с опорным буртом, установленную на нем уплотнительную манжету, уплотнительные кольца и пластически деформируемую втулку, размещенные в проточке, выполненной на части манжеты со стороны опорного бурта поршня, отличающееся тем, что уплотнительные кольца выполнены неразъемными с одним разрезом, и наружный диаметр колец превышает диаметр опорного бурта сердечника поршня на величину dD, где dD=Dу.к.-Dо.б.с., Dу.к. - наружный диаметр уплотнительных колец; Dо.б.с. - диаметр опорного бурта сердечника поршня.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что уплотнительное кольцо, прилегающее к манжете, имеет коническую поверхность со стороны торца, обращенную в сторону манжеты.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между торцами разреза уплотнительных колец должно удовлетворять соотношению

Δ≥π·dD,

где Δ - расстояние между торцами разреза.