Цилиндропоршневое уплотнительное устройство
CYLINDER-PISTON SEALING APPARATUS

Изобретение относится к устройствам для уплотнения двух концентрично расположенных поверхностей и может применяться в области машиностроения, в частности, для уплотнения поршней, плунжеров и штоков объемных машин, например насосов, а также вращающихся валов. Наибольший эффект достигается при применении предлагаемого устройства в поршневых и плунжерных насосах высокого давления, особенно при перекачивании абразивосодержащих рабочих жидкостей, какими являются, например, нефтепромысловые и буровые насосы.
Известно цилиндропоршневое устройство, содержащее по крайней мере два диска, снабженных уплотнительными элементами, один из которых неподвижен, а другой установлен с возможностью осевого перемещения между двумя упорами, и упругий элемент, размещенный между дисками с возможностью взаимодействия с подвижным диском и упором (см. описание к патенту РФ №2005225, МПК F15В 15/22, 1993 г.).
К недостаткам известного устройства относятся его низкие функциональные возможности, заключающиеся в трудоемкости осуществления монтажа-демонтажа и ремонта, отсутствует возможность регулирования предварительного натяга уплотнительного элемента и усилия упругого элемента. Кроме того, устройство требует подключение к источнику промывочной жидкости через обратный клапан, что усложняет конструкцию и не обеспечивается смыв абразивных частиц перед уплотнителями и их охлаждение. Известно устройство, принятое за прототип, для уплотнения двух концентрично расположенных поверхностей, содержащее по крайней мере два диска и упругий элемент, установленные на направляющей втулке, закрепленной на одной из уплотняемых поверхностей быстросъемным фиксатором, каждый диск выполнен разъемным в виде двух колец, между которыми размещен уплотнительный элемент, при этом смежные кольца снабжены ограничителями для взаимодействия с жестко закрепленными на направляющей упорами, а упругий элемент размещен между ограничителями (см. описание к патенту РФ №2292505, МПК F16J 15/16, 2007 г.).
Размещение дисков и упругого элемента на направляющей втулке существенно снижает трудоемкость монтажа и обслуживания уплотнительного устройства.
Недостатками известного устройства являются недостаточная долговечность и трудоемкость изготовления вследствие подключения устройства к источнику промывочной жидкости через обратный клапан, что усложняет конструкцию и не обеспечивается смыв абразивных частиц перед уплотнителями заднего диска и их охлаждение.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение долговечности уплотнительного устройства.
Решение указанной задачи достигается тем, что в цилиндропоршневом устройстве для герметизации двух концентрично расположенных поверхностей, содержащем цилиндр, по крайней мере два диска, установленные в цилиндре на направляющей втулке, закрепленной на одной из уплотняемых поверхностей быстросъемным фиксатором, упругие элементы, размещенные между дисками, при этом каждый диск снабжен уплотнительными элементами для неподвижного и подвижного соединений, а втулка - упорами, при этом один диск неподвижен, а второй установлен с возможностью осевого перемещениями между упорами, упругий элемент установлен с возможностью взаимодействия с одним из упоров и диском, источник промывочной жидкости, согласно техническому решению неподвижный диск с тыльной стороны устройства, оппозитно уплотнительному элементу подвижного соединения, снабжен лабиринтным уплотнительным кольцом с образованием кольцевой полости между уплотнительным элементом и кольцом, на уплотняемой поверхности неподвижного диска выполнена кольцевая канавка, сообщаемая с кольцевой полостью, а в диске выполнен как минимум один канал, имеющий способность сообщать кольцевую полость с источником промывочной жидкости.
Уплотнительное кольцо выполнено в виде самоуплотняющейся манжеты.
На неподвижном диске с тыльной стороны выполнено кольцевое углубление, ответно выполненное лабиринтному уплотнительному кольцу, снабженному упорным кольцом, жестко связанным с диском.
Кольцевое углубление выполнено с конической боковой поверхностью, а лабиринтное уплотнительное кольцо выполнено разрезным ответно кольцевому углублению и установлено с гарантированным зазором относительно днища углубления, при этом ширина кольца больше ширины углубления.
Применение предлагаемого технического решения позволяет смывать абразив с поверхности уплотняемых узлов, интенсивно охлаждать уплотнительное устройство и трущиеся поверхности цилиндра или штока, плунжера, компенсировать возможные утечки жидкости из камер переменного объема между дисками.
Цилиндропоршневое уплотнительное устройство для уплотнения двух концентрично расположенных поверхностей иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 изображен общий вид цилиндропоршневого уплотнительного устройства для уплотнения цилиндра;
на фиг. 2 - узел А на фиг. 1;
на фиг. 3 - вариант исполнения лабиринтного уплотнительного кольца в виде самоуплотняющейся манжеты;
на фиг. 4 - трехдисковый поршень цилиндропоршневого уплотнительного устройства;
на фиг. 5 - цилиндропоршневое уплотнительного устройство для уплотнения плунжера или штока;
на фиг. 6 - цилиндропоршневое уплотнительное устройство из серийных U-образных манжет для уплотнения плунжера;
на фиг. 7 - узел Б на фиг. 5;
на фиг. 8 - двухдисковое цилиндропоршневое уплотнительное устройство для уплотнения плунжера или штока;
на фиг. 9 - двухдисковое цилиндропоршневое уплотнительное устройство из серийных U-образных манжет для уплотнения цилиндра.
Цилиндропоршневое устройство для уплотнения, например, цилиндра содержит направляющую 1 (фиг. 1), выполненную в виде втулки для размещения дисков 2, 3 и 4, снабженных уплотнительными элементами 5, 6 и 7 для подвижных соединений (диски-цилиндр) и уплотнительными элементами 8, 9 и 10 для уплотнения неподвижных соединений (диски-втулка). Направляющая втулка снабжена упорами 11, 12, 13 и 14, причем передний упор выполнен, например, в виде гайки, а упор 14 с тыльной стороны, например, в виде бурта. Направляющая втулка 1 установлена неподвижно, например, на штоке 15, например, поршневого насоса между упорами 16 и 17. При этом передний упор 16 втулки 1 выполнен, например, в виде гайки, а задний 7 - в виде бурта штока 15. Уплотнительное устройство, представляющее собой поршень насоса, установлен внутри цилиндра 18 с образованием рабочей полости 19.
Диски 2, 3 и 4 с уплотнительными элементами 5, 6 и 7 установлены, например, в цилиндре 18 насоса между смежными упорами 11 и 12, 12 и 13, 13 и 14 с образованием камер 20 и 21 переменного объема, в которых с возможностью взаимодействия с дисками 2 и 3 и упорами 12 и 13 установлены упругие элементы 22 и 23, выполненные, например, в виде предварительно поджатых тарельчатых пружин.
Неподвижный диск 4 с тыльной стороны, оппозитно уплотнительному элементу 7, снабжен лабиринтным уплотнительным кольцом 24 с образованием кольцевого зазора (щели) 25 (фиг. 2) между ним и цилиндром 18 и кольцевой полости 26 между уплотнительным элементом 7 и уплотнительным кольцом 24. Уплотнительное кольцо 24 установлено, например, в открытом кольцевом углублении (на фиг. не указано) и прижато к диску 4 кольцевым упором 27. На уплотняемой поверхности диска 4 между уплотнительным элементом 7 и уплотнительным кольцом 24 выполнена кольцевая канавка 28, а в самом диске 4 выполнены, например, осевой 29 и радиальный 30 каналы, сообщающие кольцевую полость 26 и кольцевую канавку 28 с источником промывочной жидкости (на фиг. не указан).
Цилиндр 18 насоса снабжен, например, всасывающим 31 и нагнетательным 32 клапанами и крышкой 33. Втулка 1 снабжена, например, уплотнительным кольцом 34 для герметизации соединения шток 15 - втулка 1.
Уплотнительное кольцо 24 (фиг. 3) может быть выполнено в виде самоуплотняемой манжеты, установленной в кольцевой проточке (на фиг. не указана) диска 4. Величина зазора между рабочей уплотняемой поверхностью манжеты 24 и цилиндром 18 равна нулю при отсутствии перепада давления между кольцевой полостью 26 и окружающей средой (атмосферой) и увеличивается с повышением давления в полости 26.
Цилиндропоршневое устройство для уплотнения цилиндра перед установкой в цилиндр представляет собой сборку (фиг. 4), устанавливаемую на шток насоса или рабочего цилиндра.
1
При герметизации уплотнительным устройством подвижного соединения, как шток-уплотнительное устройство или плунжер-уплотнительное устройство, упор 11 (фиг. 5) переднего диска может быть выполнен в виде бурта втулки 1, а передний упор 16 и задний упор 17 втулки могут быть выполнены в виде бурта цилиндра и гайки. Упор 14 неподвижного диска 4 может быть выполнен в виде гайки. При этом уплотнительные элементы 5, 6 и 7 герметизируют шток или плунжер 35. Неподвижный диск 4 может быть выполнен составным, включающим переднее кольцо 36 с уплотнительными элементами 7 и 10 и опорный диск 37. С тыльной стороны опорного диска 36, оппозитно уплотнительному элементу 7, выполнено, например, открытое кольцевое углубление 38 с конической боковой поверхностью, в котором установлено ответно выполненное кольцо 24 лабиринтного уплотнения. Кольцо 24 выполнено с образованием гарантированного зазора "s" между ним и днищем углубления 38 и прижато к конусной поверхности углубления 38 упором 27, выполненным, например, в виде нажимной гайки. Кольцо 24 может быть выполнено разрезным. В опорном диске 37 между уплотнительным элементом 7 и кольцом 24 выполнена кольцевая канавка 28 и, например, радиальный канал 30, сообщенный с канавкой 28. Во втулке 1, с возможностью сообщения с каналом 30 диска 37, выполнен радиальный канал 39, имеющий способность сообщения с источником промывочной жидкости.
Уплотнительное устройство, например, плунжера (фиг. 6-8) может быть выполнено двухдисковым из сборных дисков 2 и 4, содержащих, например, U-образные манжеты 5 и 7, взаимодействующие с ответно выполненными им передними 40, 41 и опорными 42, 43 кольцами. Между опорным 42 и передним 41 кольцами, с возможностью взаимодействия с ними, установлены оппозитно относительно друг друга упорные кольца 44 и 45, а втулка 1 между упорным кольцом 44 и опорным кольцом 42 снабжена дополнительным упором 46. Упорные кольца 44 и 45 взаимодействуют с упругим элементом 23 с возможностью взаимодействия соответственно с дополнительным упором 46 и упором 13 втулки 1.
2
3
Переднее кольцо 40 может быть выполнено, например, армированным, и оно установлено с гарантированным зазором "S" относительно упора 11. Втулка 1 установлена относительно бурта 16 с образованием гарантированного зазора "S".
Уплотнительное кольцо 24, например разрезное, может быть установлено в кольцевом углублении 38, например, упорной гайки 14.
Уплотнительное устройство, например, поршня может быть выполнено двухдисковым из сборных дисков 2 и 4 (фиг. 9), содержащих, например, U-образные манжеты 5 и 7, взаимодействующие с ответно выполненными им передними 40, 41 и опорными 44, 43 кольцами. Между опорным 42 и передним 41 кольцами, с возможностью взаимодействия с ними, установлены оппозитно относительно друг друга упорные кольца 44 и 45, а втулка 1 между упорным кольцом 44 и опорным кольцом 42 снабжена дополнительным упором 46. Упорные кольца 44 и 45 взаимодействуют с упругим элементом 23 с возможностью взаимодействия соответственно с дополнительным упором 46 и упором 13 втулки 1.
2
3
Переднее кольцо 40 может быть выполнено, например, армированным, и оно установлено с гарантированным зазором "S" относительно упора 11. Втулка 1 установлена относительно упора 16 с образованием гарантированного зазора "S".
Монтаж цилиндропоршневого уплотнительного устройства
Монтаж многодискового поршня (фиг. 4) осуществляют следующим образом.
На направляющей 1 (фиг. 4) последовательно размещают диск 4, упор 13, пружину 23, диск 3, и далее, сжимая пружину 23, упор 12. Далее устанавливается диск 2 и гайка 11. Упругие элементы 22 и 23 устанавливают с предварительным осевым сжатием с усилием, равным примерно 1/3 рабочего усилия на диск 2. Затем втулку 1 со сборным поршнем насаживают на шток 15 цилиндра 18 и закрепляют гайкой 16.
Демонтаж устройства для уплотнения осуществляют в обратном порядке.
Монтаж уплотнительного устройства плунжера (фиг. 5) осуществляют аналогичным образом.
Монтаж сборного уплотнительного устройства плунжера или штока, выполненного на базе серийных U-образных манжет (фиг. 8), осуществляется следующим образом.
На направляющую втулку устанавливается упор 14, выполненный в виде гайки. Далее на втулку устанавливаются опорное кольцо 43, манжета 7, переднее кольцо 41 и затем упор 13. Устанавливаются упорное кольцо 45, упругий элемент 23, упорное кольцо 44 и дополнительный упор 44.
Далее устанавливаются опорное кольцо 42, манжета 5, переднее кольцо 40 и упор 11.
2
3
Натяг уплотнительных элементов 5 и 7 (фиг. 6) в двухдисковом уплотнительном устройстве для уплотнения плунжера осуществляют со стороны привода гайками 14 и 17, уменьшая осевые зазоры S и S.
Подтяжку манжет 5 и 7 в двухманжетном уплотнительном устройстве для уплотнения цилиндра осуществляют также со стороны привода гайками 14 и 17 (фиг. 9).
Упругий элемент 23 в двухдисковых уплотнительных устройствах (фиг. 6 и 9) устанавливают с предварительным осевым сжатием с усилием, равным примерно 1/2 рабочего усилия на диск 2.
Каналы 29 (фиг. 1), 40 (фиг. 5 и 6), 30 (фиг. 9) после монтажа уплотнительного устройства соединяют с источником промывочной жидкости. Камеры 20 и 21 переменного объема предварительно заполняются жидкостью.
Цилиндропоршневое уплотнительное устройство, например, в составе объемного насоса работает следующим образом.
Пусть шток 15 (см. фиг. 1) находится в крайнем правом положении. Давление в рабочей полости 19 равно давлению всасывания, а шток 15 неподвижный. Всасывающий клапан 31 и нагнетательный клапан 32 закрыты. При монтаже дисков 2, 3 и 4 упругие элементы 22 и 23 предварительно поджаты усилием, составляющим примерно 1/3 части силы рабочего давления на диск 2.
При перемещении штока 15 влево давление в полости 19 возрастает до рабочего. Нагнетательный клапан 32 открывается. Под действием создавшегося перепада давления диск 2 перемещается вправо, сжимая пружину 22 и повышая давление в камере 20. Диск 3 также перемещается вправо, сжимая пружину 23 и повышая давление в камере 21. При этом давление в камере 20 приблизительно равно 2/3 части рабочего давления, а в камере 21 - 1/3 часть рабочего давления. Таким образом, уплотнительные элементы 5, 6 и 7 испытывают перепад давления, составляющий примерно 1/3 часть рабочего давления. Контактное давление в парах трения также составляет примерно 1/3 рабочего давления. При этом помывочная жидкость, в качестве которой может служить очищенная рабочая жидкость насоса, от источника через каналы 29, 30 неподвижного диска 4, кольцевую канавку 28 подается в кольцевую полость 26. Часть жидкости через щель 25 (фиг. 2, 3) между лабиринтным кольцом (манжетой) 24 и поверхностью цилиндра 18 вытекает наружу.
При обратном ходе штока 15 вправо давление в полости 19 снижается до давления всасывания. Клапан 32 закрывается, а клапан 31 открывается. Диски 2 и 3 под действием сил пружин 22 и 23 и перепада давления возвращаются в исходное положение.
При снижении давления в рабочей полости 19 ниже давления источника промывочной жидкости, т.е. в полости 26, часть промывочной жидкости через образовавшиеся щели между уплотнительными элементами 5, 6, 7 и поверхностью цилиндра 18 перетекает в камеры 20 и 21, а также в рабочую полость 19 цилиндра, полностью заполняя камеры 20 и 21 жидкостью, смывая абразивные частицы с уплотняемых поверхностей, а также охлаждая поверхность цилиндра 18 и уплотнительных элементов 5, 6 и 7.
Далее цикл повторяется.
Работа цилиндропоршневого уплотнительного устройства для уплотнения плунжера 35 (фиг. 5) происходит аналогичным образом. Однако при износе уплотнительного кольца 24 при помощи нажимной гайки 27 кольцо 24, например разрезное, перемещается в сторону днища кольцевого углубления 38. При перемещении кольца 24 по конической поверхности углубления 38 его внутренний диаметр уменьшается, уменьшая величину зазора (щели) 25 между кольцом 24 и плунжером 34, компенсируя износ кольца 24.
При выполнении дисков 2 и 4 (фиг. 6-8) уплотнительного устройства для уплотнения плунжера 35, например насоса, сборными из U-образных манжет предварительное поджатие манжет 2 и 4 осуществляется при помощи нажимных гаек 17 и 14.
При выполнении дисков 2 и 4 (фиг. 9) уплотнительного устройства для уплотнения цилиндра 18 сборными из U-образных манжет предварительное поджатие манжет 2 и 4 осуществляется также при помощи нажимных гаек 17 и 14.
Таким образом, оснащение неподвижного диска 4 дополнительным лабиринтным уплотнительным кольцом 24, установленным оппозитно уплотнительному элементу 7 для подвижного соединения с образованием кольцевой полости 26 между уплотнительным элементом 7 и кольцом 24, позволяет интенсивно охлаждать поверхности уплотняемых поверхностей, смывать накопившиеся абразивные частицы с поверхности уплотнительных элементом 5, 6 и 7, компенсировать утечки жидкости из камер 20 и 21 переменного объема. Кроме того, при выполнении кольцевого углубления 38 и кольца 24 с конической поверхностью возможно регулирование величины щели (зазора) 25 между кольцом 24 и уплотняемой поверхностью плунжера или цилиндра на минимальном уровне.