МЕХАНИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ
MECHANICAL SEAL

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 или цилиндра, содержащее прижатые в осевом направлении друг другу и поджатые к уплотняемым поверхностям цилиндра, штока или вала этих элементов в противоположных направлениях эксцентричные уплотнительные кольца, расположенные в упругой обойме (см. А.с. СССР №391315, кл. F16J 15/26, 1973).
В известном устройстве ввиду неопределенности углового смещения пар колец возможно расположение элементов с образованием зазоров между ними и уплотняемой поверхностью. Это приводит к увеличению утечек через уплотнение.
Известно механическое уплотнение вала, или штока и плунжера, или цилиндра машины, содержащее установленные в обойме между упорами, притертые друг к другу по торцам уплотнительные кольца, и поджатые к уплотняемым поверхностям упругой обоймой в противоположных направлениях, при этом на наружной или внутренней поверхности упругой обоймы выполнены эксцентрично расположенные бурты (шейки) или соответственно эксцентрично расположенные расточки, а уплотнительные кольца выполнены концентричными с цилиндрическими поверхностями и расположены на упомянутых буртах (шейках) или в расточках (см. Пат. РФ №2037077, МКП F16J 15/26, опубл. 09.06.1995).
Эксцентричное расположение уплотнительных колец на упругой обойме позволяет практически полностью исключить зазор между уплотняемой поверхностью и кольцами, а также компенсировать их износ в радиальном направлении поджатием упругой обоймой.
Недостатком известного устройства является значительные габариты уплотнения в диаметральном направлении вследствие расположения между уплотнительными кольцами и корпусом гидравлической машины или корпусом поршня упругого элемента, выполненного в виде патрубка.
Известно механическое уплотнение вала, или плунжера, или штока, или цилиндра машины, содержащее установленные в обойме последовательно уплотнительные кольца и диски между двумя опорами, поджатые к уплотняемым поверхностям упругим элементом, на наружной или внутренней поверхности обоймы выполнены, ответно кольцам, эксцентричные относительно оси уплотняемой поверхности посадочные шейки или эксцентричные расточки, а уплотнительные кольца выполнены с концентричными цилиндрическими поверхностями и расположены на упомянутых шейках или в расточках, при этом на сопрягаемой с каждым кольцом поверхности обоймы выполнено как минимум одно глухое углубление, на торцевой поверхности колец выполнены глухие углубления с возможностью образования с углублением обоймы сплошного глухого по торцам паза с размещенной в нем предварительно деформированной пружины (Патент РФ №2679291, МПК F16J 15/26, опуб. 06.02.2019, бюл. №4), который принят за прототип.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, недостаточная деформация пружины и снижение вращающего момента от усилия пружины вследствие уменьшения величины плеча.
Технической задачей изобретения является упрощение конструкции и расширение функциональной возможности устройства путем увеличения деформации пружины.
Технический результат достигается тем, что в механическом уплотнении вала, или плунжера, или штока, или цилиндра машины, содержащем установленные последовательно в обойме уплотнительные кольца и нажимные диски между двумя опорами, притертые друг к другу по торцам, на наружной или внутренней поверхности обоймы выполнены, ответно кольцам, эксцентричные относительно оси уплотняемой поверхности посадочные шейки или эксцентричные расточки, а уплотнительные кольца выполнены с концентричными цилиндрическими поверхностями и расположены на упомянутых шейках или в расточках, при этом на сопрягаемой с каждым кольцом поверхности обоймы выполнено как минимум одно глухое углубление, на торцевой поверхности колец выполнены глухие углубления с возможностью образования с углублением обоймы сплошного глухого по торцам паза с размещенной в нем предварительно деформированной пружины, согласно техническому решению, углубления на боковой поверхности обоймы и в нижней части торцовой поверхности колец выполнены, с одинаковым угловым сдвигом друг относительно друга, в виде сегмента кольцевой канавки и сегментно-кольцевой расточки соответственно с образованием глухой кольцевой канавки, с размещенной в ней цилиндрической пружиной с возможностью взаимодействия торцов пружины с торцами кольцевой канавки и сегментно-кольцевой расточки.
В механическом уплотнении вала, или плунжера, или штока, или цилиндра машины, содержащем установленные последовательно в обойме уплотнительные кольца и нажимные диски между двумя опорами, притертые друг к другу по торцам, на наружной или внутренней поверхности обоймы выполнены, ответно кольцам, эксцентричные относительно оси уплотняемой поверхности посадочные шейки или эксцентричные расточки, а уплотнительные кольца выполнены с концентричными цилиндрическими поверхностями и расположены на упомянутых шейках или в расточках, при этом на сопрягаемой с каждым кольцом поверхности обоймы выполнено как минимум одно глухое углубление, на торцевой поверхности колец выполнены глухие углубления с возможностью образования с углублением обоймы сплошного глухого по торцам паза с размещенной в нем предварительно деформированной пружины, согласно техническому решению, углубления на боковой поверхности обоймы и в верхней части торцовой поверхности колец выполнены, с одинаковым угловым сдвигом друг относительно друга, в виде сегмента кольцевой канавки и сегментно-кольцевой расточки соответственно, кольцевая канавка на ее части длины выполнена с удвоенной высотой с образованием с сегментно-кольцевой расточкой открытой сверху полностью в средней части и частично открытой по концам кольцевой канавки с размещенной в ней цилиндрической пружиной с возможностью взаимодействия торцов пружины с торцами кольцевой канавки и сегментно-кольцевой расточки.
Боковая поверхность в периферийной части высотой менее половины высоты сегментно-кольцевой канавки выполнена конической с расширением входа кольцевого паза.
Угол сдвига сегментно-кольцевой расточки относительно кольцевой расточки определяется как сумма углов, соответствующей длине дуги, равной максимальной рабочей деформации пружины, и углу поворота колец относительно обоймы до их взаимодействия с поверхностью цилиндра.
Кольцевые канавки обоймы выполнены ступенчатыми по высоте так, что высота части длины канавок в два раза больше высоты остальной части, при этом длина дуги канавки с удвоенной высотой не меньше минимальной длины пружины при ее деформации до полного соприкосновения витков.
Конструкция механического уплотнения поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлена схема механического уплотнения для уплотнения цилиндра;
На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;
На фиг. 3 - узел I на фиг. 1;
На фиг. 4 - вариант исполнения уплотнения с верхним расположением пружин;
На фиг. 5 - сечение Б-Б на фиг. 4;
На фиг. 6 - развертка поверхности сердечника на фиг. 4;
На фиг. 7 -вариант оснащения предлагаемым уплотнением скважинного насоса.
Механическое уплотнение, например скважинного штангового насоса, содержит установленные в сердечнике 1 (фиг. 1) или обойме поршня 2 эксцентрично относительно оси обоймы 1 и цилиндра 3 уплотнительные кольца 4, 5, 6 и 7. Между указанными кольцами 4-7, и над крайним верхним кольцом 7 установлены, притертые к торцам смежных уплотнительных колец, нажимные диски 8-11. Нижнее кольцо 4 взаимодействует с буртом 12 сердечника 1.
Посадочные поверхности (на фиг. не указаны) сердечника 1 для установки уплотнительных колец 4-7 выполнены в виде буртов или шеек (на фиг. не указаны) с эксцентриситетом «е» (фиг. 2) относительно оси сердечника 1 с одинаковым угловым расстоянием между радиальными прямыми, проходящими через оси цилиндра 3 и колец 4-7. Если число колец n, то угловое расстояние между указанными радиальными прямыми равно 360/п. Внутреннее цилиндрическое отверстие колец 4-7 выполнено также с эксцентриситетом «е». Наружный диаметр колец 4-7 равен диаметру цилиндра 3.
п
y
п
y
Внутренний диаметр нажимных дисков 8-11 больше внутреннего диаметра колец 4-7 и шеек (на фиг. не указаны) не менее чем на величину удвоенного эксцентриситета «е», т.е d>d+2e (где d, d - соответственно внутренние диаметры нажимных и уплотнительных колец).
В обойме 1 поршня 2, например, на нижней части посадочной поверхности уплотнительных колец 4-7 выполнены глухие кольцевые канавки 13, например, прямоугольного сечения, длина дуги которых по окружности соответствует острому углу. Высота канавок 13 - «h» (Фиг. 3), а их глубина составляет, например, половину высоты. Канавки 13 в плане представляют собой круговые сегменты. В нижней части уплотнительных колец 4-7, с угловым сдвигом относительно канавок 13 и ответно им, выполнены сегментно-кольцевые проточки 14 высотой «h» с образованием глухой кольцевой канавки 15, например, сечением квадратной формы размером сторон «h».
В кольцевых канавках 15 установлены ответно им выполненные цилиндрические пружины 16. При этом величина относительного углового сдвига сегментно-кольцевых проточек 14 относительно кольцевых канавок 13 может быть определен длиной дуги сегмента в плане кольцевых канавок 13 по внутреннему диаметру, равной максимальной рабочей деформации пружины 16.
Угловой сдвиг сегментно-кольцевых расточек 14 уплотнительных колец 4-7 относительно кольцевых канавок 13 сердечника 1 зависит от величины зазора между боковыми поверхностями цилиндра 1 и колец 4-7 (на фиг. не показаны). При нулевом зазоре угловой сдвиг определяется длиной дуги, равной максимальной рабочей деформации пружины 16.
С увеличением зазора угловой сдвиг может быть увеличен, и определяется как сумма углов, определяемых длиной дуги, равной максимальной деформации пружины, и угла поворота колец 4-7 из условия обеспечения касания их боковой поверхности с поверхностью цилиндра 1.
Боковая поверхность (на фиг. не указана) сегментно-кольцевой проточки 14 в нижней части, высотой менее половины высоты проточки, т.е., менее 0,5h, может быть выполнена конической, с увеличенной шириной канавки 15 в нижней части.
Верхний нажимной диск 11 может быть зафиксирован упором 17, выполненным, например, в виде пружинного разрезного кольца, которое может быть выполнено также пружинным в осевом направлении.
В обойме 1 (фиг. 4) поршня 2, на верхней части посадочной поверхности уплотнительных колец 4-7 могут быть выполнены глухие кольцевые канавки 13 (фиг. 2), длина которых по окружности соответствует острому углу. Канавки по высоте выполнены ступенчатыми высотой «h» и «2h» (фиг. 5-6) так, что высота канавок на части их длины в два раза больше высоты остальной части. Глубина канавки 13 составляет, например, половину ее высоты.
3
к
д
д
к
С верхних торцов уплотнительных колец 4-7, с угловым сдвигом, не менее, чем разность угловых размеров кольцевой канавки 13 и ее части с удвоенной высотой «2h», ответно канавкам 13, выполнены сегментно-кольцевые проточки 14 высотой «h» с образованием открытой сверху в средней части и частично открытой сверху по краям кольцевой канавки 15. При этом сечение канавки 15, например, имеет форму квадрата со стороной «h». В кольцевых канавках 15 установлены ответно выполненные цилиндрические пружины 16, минимальная длина которых при полном ее сжатии меньше длины окружности «А» части кольцевой канавки 13 с удвоенной высотой «2h» по ее внутреннему диаметру. Диаметр пружины 16 равен или чуть меньше размера «h» сечения канавки 15. Высота уплотнительных колец 4-7 - «Н», а высота нажимных дисков 8-11 - «Н». При этом высота Н» нажимных дисков 8-11 не меньше (больше или равна) высоте «Н» уплотнительных колец 4-7.
c
Кольцевые канавки 13 в обойме 1 диаметром d (фиг. 4) выполнены с одинаковым угловым шагом друг от друга. Пружины 16 в канавках 15 установлены с обеспечением прижатия боковой поверхности колец 4-7 к уплотняемой поверхности цилиндра 3.
С целью упрощения монтажа пружин 16 (фиг. 4) боковая поверхность (на фиг. не указана) сегментно-кольцевой проточки 14 в верхней части, высотой менее половины высоты проточки 14, может быть выполнена конической (на фиг. не указана), с увеличенной шириной канавки 15 в верхней части.
Поршень 2 (фиг. 7) может быть установлен в цилиндре 3, например, скважинного штангового насоса. В нижней части цилиндра 3 установлен всасывающий клапан 18, а в нижней части поршня 2 - нагнетательный клапан 19 с образованием рабочей полости 20 и нагнетательной линии 21.
Поршень 2 соединен с приводом (на фиг. не показан) посредством колонны штанг 22.
Сборка механического уплотнения.
В связи с расположением осей посадочных поверхностей в сердечнике 1 (фиг. 1 и 2) с одинаковым угловым расстоянием друг от друга, нижние уплотнительные кольца 4-6 пропускаются через верхние посадочные поверхности путем поворота колец. Между кольцами 4-6 устанавливаются нажимные диски 8-10. При посадке колец 4-7 на посадочные шейки (на фиг. не показаны) сердечника 1, сегментно-кольцевые расточки 14 совмещаются с кольцевыми канавками 13 путем поворота колец 4-7 на угол сдвига. Далее кольца 4-7 опускаются до соприкосновения с буртом 12 и нажимными дисками 8-11. Далее устанавливается верхний нажимной диск 11 и упор 17. Собранный поршень 2 устанавливается в цилиндр 3 путем поворота колец 4-7 в одну и то же направление, сжав пружины 16 с одновременным обеспечением совмещения поверхностей колец 4-7 с боковой поверхностью цилиндра 3.
Сборка поршня на фиг. 4 осуществляется аналогичным способом. При этом сначала устанавливаются кольца 4-7. Затем предварительно сжатые пружины 16 сначала заводятся в верхнюю часть кольцевой канавки 13, а затем опускаются вниз в кольцевые пазы 15. Потом сверху устанавливаются нажимные диски 8-11.
Механическое уплотнение работает следующим образом.
При установке поршня 2 с механическим уплотнением в цилиндр 3, например, насоса (фиг. 1), уплотнительные кольца 4-7 прижимаются к уплотняемой поверхности цилиндра 3 посредством пружин 16 (фиг. 2). В местах прижатия колец 4-7 щелевой зазор равен нулю.
С противоположной от точки касания стороны щелевой зазор максимальный. Однако ввиду того, что расточки в кольцах 4-7 и посадочные поверхности колец в корпусе 1 выполнены эксцентричными, а кольца по торцам плотно прижаты к дискам 8-11, и оси эксцентрично установленных колец находятся на одинаковом угловом расстоянии друг от друга, практически вся уплотняемая поверхность цилиндра 3 перекрывается кольцами без зазора.
Кроме того, нажимные диски 8-11 в цилиндр 3 устанавливаются с минимальным зазором. Так как цилиндр 3 по всей его поверхности охватывают уплотнительные кольца 4-7, нажимные диски 8-11 не касаются с цилиндром 3. Этим достигается сохранение первоначальной минимальной величины зазора между дисками 8-11 и цилиндром 3, а значит и минимальные утечки через зазоры между поршнем 2 и цилиндром 3.
Гидравлическое сопротивление в зазоре уплотнения возрастает также ввиду того, что поток жидкости, проходя через зазор, многократно меняет свое направление. Установленные пружины 16 (фиг. 1, 2) постоянно прижимают уплотнительные кольца 4-7 к уплотняемой поверхности цилиндра 3. Размеры зазора в работающем уплотнении постепенно уменьшаются за счет приработки трущихся поверхностей колец 4-7 и уплотняемой поверхности цилиндра 3. С износом трущихся поверхностей пружины 16 дополнительно поворачивают кольца 4-7 до плотного их прилегания к уплотняемой поверхности.
Таким образом, достигается повышенная герметичность уплотнения с одновременным увеличением срока его службы.
Работа уплотнения на фиг. 4-6 осуществляется аналогичным образом.
При оснащении цилиндра 3 (фиг. 5) скважинного штангового насоса поршнем 2 с механическим уплотнением, при движении поршня 2 вверх нагнетательный клапан 19 закрыт, а всасывающий клапан 18 открыт.Жидкость из пластовой среды (на фиг. не показана) поступает в рабочую полость. Жидкость из нагнетательной линии 21 поршнем 2 поднимается верх. Часть жидкости из нагнетательной линии 21 через зазоры между уплотнительными кольцами 4-7 и цилиндром 3, и между нажимными дисками 8-11 и цилиндром 3 перетекает обратно в рабочую полость 20. Расход утечек минимальный ввиду сохранения минимального зазора между дисками 8-11 и цилиндром 3, а также компенсации износа колец 4-7 путем постоянного прижатия колец 4-7 к поверхности цилиндра 3.
При обратном ходе поршня 2 вниз всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан 19 открывается.
С наработкой герметичность механического уплотнения повышается вследствие приработки поверхности уплотнительных колец и снижения зазора между уплотнительными кольцами и уплотняемой поверхностью. Поворот и постоянный контакт уплотнительных колец за счет усилия пружин обеспечивают компенсацию износа уплотнительных колец и уплотняемой поверхности. Кроме того, отсутствие трения между нажимными дисками и цилиндром способствует сохранению величины зазора между ними на первоначальном минимальном уровне, чем обеспечиваются минимальные утечки через зазор между поршнем и цилиндром.
Оснащение поршня серийно изготавливаемыми цилиндрическими пружинами, их установка в сегментно-кольцевом пазе, образованном кольцевой канавкой в сердечнике и сегментно-кольцевой расточкой в кольцах упрощает конструкцию и повышает надежность работы.