УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ САЛЬНИКА ШТОКА

Область техники.
Заявляемое техническое решение относится к уплотнительной технике и применяется в сальниках штоков поршневых компрессоров среднего и высокого давлений, работающих при больших перепадах давления со смазкой, с ограниченной смазкой и без смазки цилиндров и сальников.
Уровень техники.
Известен, например, сальник штока (авторское свидетельство СССР №985520, МПК F16J 15/28, 1982, [1]). Как и в заявляемом техническом решении указанный аналог [1] содержит два разрезных уплотнительных неметаллических кольца и неразрезное металлическое кольцо, установленное с зазором относительно штока в расточке разрезного кольца. Одно из уплотнительных колец замыкающее, а другое уплотняющее. Уплотнительные кольца стянуты браслетными пружинами.
Также известен сальник с плоскими уплотнительными элементами (интернет-ресурс http://engineeringsystems.ru/trudi-mezhdunarodnoy-nauchno-tehnicheskoy-konferencii-po-kompressorostroyeniyu/analiz-raboti-shtoka.php, 15.01.2016, 15:33, [2]). Как и в заявляемом техническом решении указанный аналог [2] содержит камеры с уплотнительными элементами, каждый из которых состоит из замыкающего кольца, уплотняющего кольца и неразрезных опорных колец. Замыкающее и уплотняющее кольца стянуты браслетными пружинами. Неразрезные опорные кольца установлены в торцевых расточках разрезных колец с диаметральным зазором относительно этих колец и штока. Материалом уплотнительных колец является графитофторопласт АФГ-80ВС.
Указанный аналог [2] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому техническому решению. Поэтому он принят в качестве прототипа.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемого технического решения, является разрушение второго по ходу газа уплотняющего кольца. Как известно из литературного источника (Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкция и основы проектирования. Ленинград, «Машиностроение», 1969 г., стр. 403, [3]) давление в зазоре между штоком и элементом сальника изменяется, следуя сложному закону, причем на элемент сальника действует избыток давления газа над давлением в уплотняемом зазоре. Если закон изменения давления линеен и плотность прилегания двух колец одинакова, то на второе по ходу газа уплотняющее кольцо элемента сальника действует радиальное давление, втрое большее, чем на первое. Таким образом, если осевые высоты уплотнительных колец одинаковые, то при высоких перепадах давления уплотняющее кольцо разрушается быстрее, чем замыкающее.
У аналогов [1, 2] осевые высоты замыкающих и уплотняющих колец одинаковы. Кроме того, у ближайшего аналога [2] одинаковы осевые высоты опорных колец. Это препятствует решению технической проблемы.
Раскрытие сущности заявляемого технического решения.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является увеличение прочности сальникового уплотнения при высоких перепадах давления, действующих на уплотнительный элемент.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что уплотнительный элемент сальника штока содержит по меньшей мере одну камеру, в которой размещены неметаллические разрезные замыкающее кольцо и уплотняющее кольцо, части которых стянуты пружинами. При этом в расточках замыкающего и уплотняющего колец со стороны их наружных торцевых поверхностей установлены соответственно первое и второе неразрезные опорные кольца. Отличается тем, что:
- осевая высота разрезного уплотняющего кольца больше осевой высоты разрезного замыкающего кольца;
- осевая высота второго неразрезного кольца больше осевой высоты первого неразрезного кольца.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата «увеличение прочности сальникового уплотнения при высоких перепадах давления, действующих на уплотнительный элемент».
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.
Замыкающее и уплотняющее кольца могут иметь разную конструкцию. При этом замыкающее кольцо может быть разрезано на две части, а уплотняющее кольцо разрезано на четыре части. Кроме того, замыкающее кольцо может быть разрезано на три части, а уплотняющее кольцо разрезано на шесть частей.
Замыкающее и уплотняющее кольца могут иметь одинаковую конструкцию. При этом каждое замыкающее и уплотняющее кольцо может быть разрезано на четыре части. Кроме того, каждое замыкающее и уплотняющее кольцо может быть разрезано на шесть частей.
Авторами заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 показана схема уплотнительного элемента сальника штока, на фиг. 2 - выполнение замыкающего кольца по примеру 1, на фиг. 3 - выполнение уплотняющего кольца по примеру 1; на фиг. 4 - выполнение замыкающего кольца по примеру 2; на фиг. 5 - выполнение уплотняющего кольца по примеру 2; на фиг. 6 - разрез уплотнительного элемента по примеру 2.
Осуществление технического решения.
Уплотнительный элемент сальника штока (фиг. 1) содержит по крайней мере одну камеру (1), в которой размещены разрезное замыкающее кольцо (2), разрезное уплотняющее кольцо (3), первое неразрезное опорное кольцо (4), второе неразрезное опорное кольцо (5) и пружины (6).
Замыкающее кольцо (2) установлено в камере (1) первым по ходу газа, а уплотняющее кольцо (3) установлено вторым по ходу газа. Разрезные кольца (2, 3) могут иметь разную или одинаковую конструкцию. При этом одинаковой конструкцией колец (2, 3) достигается большая герметичность. Необходимость в повышении герметичности возникает тогда, когда сжимаемый компрессором газ легкий, например, водород.
Уплотняющее кольцо (3) повернуто относительно замыкающего (2) таким образом, чтобы радиальные прорезы в них не совпадали. Замыкающее кольцо (2) не устраняет прохода газа в камеру и, будучи прижато давлением газа к уплотняющему кольцу (3), служит для того, чтобы перекрыть с торца прорезы уплотняющего кольца (3). Положение уплотняющего кольца (3) относительно замыкающего (2) фиксируется штифтом (не показано).
Части замыкающего и уплотняющего колец (2, 3) стянуты пружинами (6), производящими предварительное уплотнение между кольцом сальника и штоком.
Замыкающее и уплотняющее кольца (2, 3) выполнены неметаллическими, из самосмазывающегося материала, например, на основе фторлона - 4.
Первое и второе неразрезные кольца (4, 5) установлены в расточках соответственно замыкающего и уплотняющего колец (2, 3) со стороны их наружных торцевых поверхностей. При этом первое и второе неразрезные кольца (4, 5) установлены по отношению к штоку с гарантированным зазором. Между наружными поверхностями первого и второго неразрезных колец (4, 5) и внутренними расточками замыкающего и уплотняющего колец (2, 3) после изготовления сальникового уплотнения предусматривается зазор, по величине меньший, чем зазор между неразрезными кольцами (4, 5) и штоком.
Неразрезные опорные кольца (4, 5) выполнены из материала, более прочного, чем материал замыкающего (2) и уплотняющего (3) колец. Для компрессоров без смазки, со смазкой и с ограниченной смазкой неразрезные кольца (4, 5) предпочтительно изготовлены из текстолита, в котором в качестве наполнителя используется шифон (текстолит Ш). Если сжимаемый в цилиндре газ влажный, то неразрезные кольца (4, 5) могут быть изготовлены из графелона-20. Если сжимаемый в цилиндре газ сухой, то неразрезные кольца (4, 5) могут быть изготовлены из графелона-25М. Для компрессоров со смазкой и с ограниченной смазкой для изготовления неразрезных колец (4, 5) можно применять нержавеющий металл, например, бронзу.
При больших перепадах давления с целью увеличения прочности сальникового уплотнения, осевая высота разрезного уплотняющего кольца (3) больше осевой высоты разрезного замыкающего кольца (2). Соответственно осевая высота второго неразрезного кольца (5) больше осевой высоты первого неразрезного кольца (4).
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1. Замыкающее кольцо (2) разрезано на две части (фиг. 2), а уплотняющее кольцо (3) разрезано на четыре части (фиг. 3). Разрез уплотнительного элемента сальника с такими кольцами показан на фиг. 1.
Пример 2. Замыкающее кольцо (2) разрезано на три части (фиг. 4), а уплотняющее кольцо (3) разрезано на шесть частей (фиг. 5). Разрез уплотнительного элемента сальника с такими кольцами показан на фиг. 6.
Пример 3. Замыкающее и уплотняющее кольца (2, 3) имеют одинаковую конструкцию, и каждое из них разрезано на четыре части, как на фиг. 3.
Пример 4. Замыкающее и уплотняющее кольца (2, 3) имеют одинаковую конструкцию, и каждое из них разрезано на шесть частей, как на фиг. 5.
Пример 5. Если сжимаемый в цилиндре газ влажный, то замыкающее и уплотняющее кольца (2, 3) выполнены из флубона - 20.
Пример 6. Если сжимаемый в цилиндре газ сухой, то замыкающее и уплотняющее кольца (2, 3) выполнены из флубона - ДМ - 2.
Реализация заявляемого технического решения не ограничивается приведенными выше примерами.
Описание работы.
Во время работы компрессора в полости камеры (1) давление газа приблизительно равно уплотняемому давлению. Поэтому замыкающее (2) и уплотняющее (3) кольца прижимаются перепадом давления в осевом направлении к торцевой поверхности корпуса следующей камеры, перекрывая радиальный зазор и предотвращая утечку газа по нему. Замыкающее (2) и уплотняющее (3) кольца под действием перепада давления прижимаются к штоку в радиальном направлении, перекрывая зазор вдоль штока и предотвращая утечку газа вдоль штока.
По мере приработки уплотняющего и замыкающего колец (2, 3) к штоку, зазор между ними и опорными кольцами (4, 5) ликвидируется. После этого уплотняющее и замыкающее кольца (2, 3) плотно охватывают неразрезные опорные кольца (4, 5) своими расточками. В результате этого не происходит дальнейшее прижатие уплотняющего и замыкающего колец (2, 3) к штоку. При этом уплотняющие качества сальникового уплотнения сохраняются.
В отличие от прототипа [2] при больших перепадах давления не происходит разрушения уплотняющего кольца (3), так как его ширина больше ширины замыкающего кольца (2).
Промышленная применимость.
Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть изготовлено на любом промышленном предприятии и найдет широкое применение в уплотнительной технике при герметизации цилиндра компрессора.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Сальник штока [Текст]: а.с. 985520 СССР: МКИ F16J 15/28 / В.И. Самоделкин, Н.С. Вулисанов, А.Д. Архипов, В.И. Кириченко, И.В. Бутвин. - №2963921/25-08; заявл. 25.07.80; опубл. 30.12.82, Бюл. №48.
2. Исследование работы уплотнений штока поршневого компрессора [интернет-ресурс] / http://engineeringsystems.ru/trudi-mezhdunarodnoy-nauchno-tehnicheskoy-konferencii-po-kompressorostroyeniyu/analiz-raboti-shtoka.php, 15.01.2016, 15:33.
3. Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкция и основы проектирования [Текст] / М.И. Френкель; 3-е изд. Ленинград, «Машиностроение», 1969 г. - 744 стр. + 3 вкладки. Табл. 78. Илл. 470.