УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ МАНЖЕТА
SEALING CUP

Изобретение относится к устройствам уплотнения подвижных соединений в приводах вращения, размещаемых в скважине, в частности к устройствам уплотнения штоков гидравлических цилиндров, а также шлицевых валов гидравлических бурильных ясов при возвратно-поступательном движении, которые подвергаются сверхвысокому давлению гидравлической жидкости, предпочтительно 120÷170 МПа.
Известна система уплотнения штока, содержащая амортизирующее кольцо, уплотнение штока и пылезащитное уплотнение, расположенные последовательно в этом порядке от стороны гидравлической жидкости к наружной стороне в кольцевом зазоре между двумя элементами при возвратно-поступательном движении, при этом амортизирующее кольцо выполнено из термопластичного полиуретанового формуемого продукта, полученного посредством воздействия на термопластичный полиуретановый формуемый продукт, полученный по реакции между (A) поликарбонатдиолом с высокой молекулярной массой, имеющим среднечисленную молекулярную массу Mn 500-6000, (B) ароматическим диизоцианатом и (C) диолом с низкой молекулярной массой в качестве агента для удлинения цепи при отношении NCO/OH от 0,95 до 1,20, термической обработки при условиях, чтобы температура (Tg) стеклования твердых фаз стала 170°C или выше, и эндотермическая пиковая площадь (ΔH) при Tg стала 5 J/g или больше, посредством дифференциальной сканирующей калориметрии (RU 2413108 C2, 27.02.2011).
Недостатками известной системы уплотнения штока, содержащей амортизирующее кольцо, выполненное из термопластичного полиуретанового формуемого продукта, уплотнение штока и пылезащитное уплотнение, расположенные последовательно в этом порядке от стороны гидравлической жидкости, являются недостаточные ресурс и герметичность системы уплотнения вследствие ограничения уплотняющих свойств до величины давления, которое составляет максимум 35÷42 МПа, и до температуры, которая составляет максимум 110°C, а также неполные возможности снижения теплообразования, уменьшения остаточной деформации и повышения усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), повышения усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), уменьшения истирания при скольжении (ГОСТ 426-77) между элементами соединения при сверхвысоком давлении гидравлической жидкости, предпочтительно 120÷170 МПа.
Известна уплотнительная манжета для установки в соединения, состоящая из первой детали с круговой поверхностью, протяженной вдоль центральной продольной сборочной оси, и второй части с цилиндрической поверхностью, расположенной концентрично напротив круговой поверхности первой части, первая из поверхностей первой и второй деталей имеет сальник, у которого есть первый и второй торец, расположенные по оси от первого торца, и окружная стенка, расширяющаяся в осевом направлении между первым и вторым торцами и радиально по окружности вокруг сборочной оси, при этом уплотнительная манжета включает в себя кольцеобразный корпус, выполненный таким образом, чтобы формироваться внутри уплотнителя соосно со сборочной осью между первой и второй деталями корпуса, корпус содержит круговой торец, расположенный на расстоянии по оси от первого торца, и второй круговой торец, находящийся на расстоянии по оси от первого торца вдоль продольной оси корпуса, взятой через его осевое поперечное сечение, и расположенный напротив второго торца уплотнителя, содержащий внутренний диаметральный торец, корпус, находящийся по оси между первым и вторым торцом и расположенный напротив поверхности первой детали, и внешний диаметральный торец, расположенный радиально от внутреннего диаметрального торца и простирающийся между первым и вторым торцом, и расположенный напротив поверхности второй детали уплотнителя, при этом внутренний диаметральный торец имеет кольцеобразную первую внутреннюю уплотнительную кромку, простирающуюся радиально наружу относительно оси корпуса, и кольцеобразную вторую уплотнительную кромку, выходящую радиально за ось корпуса, где первая внутренняя и внешняя уплотнительная кромки сжаты радиально между поверхностями первой и второй части детали для создания контакта вдоль поверхностей, соответственно, первого внутреннего и первого наружного уплотнительного участка, при этом вторая внутренняя и наружная уплотняющая кромки радиально сжаты посередине между поверхностями первой и второй деталей для создания контакта вдоль поверхности, соответственно, второго внутреннего и второго наружного уплотняющего участка (US 6883804 B2, 26.04.2005).
Недостатками известной уплотнительной манжеты для установки в соединения при возвратно-поступательном движении являются недостаточные ресурс и герметичность уплотнения при сверхвысоком давлении, например, в уплотнениях шлицевых валов гидравлических бурильных ясов при давлении 120÷170 МПа, что объясняется, по существу, профилем поперечного сечения кольцевой полости между гибкими уплотнительными кромками и кольцевым основанием, а также тем, что дно кольцевой полости в поперечном сечении выполнено в виде кольцеобразной (острой) каверны в форме части круга, радиус которого, по меньшей мере, на порядок меньше радиуса эластичного разжимного кольца, размещенного в указанной кольцевой полости между гибкими уплотнительными кромками и кольцевым основанием.
При давлении гидравлической жидкости в системе (SYSTEM PRESSURE) на открытую поверхность эластичного разжимного кольца, размещенного в указанной кольцевой полости между гибкими уплотнительными кромками и жестким кольцевым основанием, плоскость максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца принимает сложную форму и смещается (изгибается) в сторону дна кольцевой полости, которое в поперечном сечении выполнено в форме части круга, радиус которого, по меньшей мере, на порядок меньше радиуса эластичного разжимного кольца, при этом угол охвата парой относительно гибких уплотнительных кромок, составляющих единую конструкцию с основанием, указанного разжимного кольца уменьшается, вследствие этого не обеспечиваются расчетные величины упругих деформаций поперечных сечений указанной кольцевой полости и гибких уплотнительных кромок, а также не обеспечиваются расчетные величины натяга эластичного разжимного кольца в кольцевой полости между гибкими уплотнительными кромками и натяга внешних уплотнительных кольцевых поясов относительно предустановленного расстояния между элементами соединения при возвратно-поступательном движении.
Вследствие этого не обеспечиваются возможности снижения теплообразования, уменьшения остаточной деформации и повышения усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), повышения усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), уменьшения истирания при скольжении (ГОСТ 426-77) между элементами соединения при возвратно-поступательном движении и сверхвысоком давлении гидравлической жидкости, предпочтительно 120÷170 МПа.
Наиболее близкой к заявляемой конструкции является уплотнительная манжета для установки между двумя элементами, расположенными на предустановленном расстоянии друг от друга, указанная уплотнительная манжета, состоящая из относительно жесткого кольцевого основания прямоугольного поперечного сечения и пары относительно гибких уплотнительных кромок, составляющих единую конструкцию с основанием и простирающихся к внешнему краю от одной стороны указанного основания, указанные уплотнительные кромки, формирующие полость для разжимного кольца, и каждая кромка имеет уплотнительный край на наружной поверхности для плотного контакта с одним из указанных элементов и эластичного разжимного кольца, расположенного в полости между уплотнительными кромками, указанные уплотнительные кромки, по меньшей мере частично окружающие и удерживающие указанное разжимное кольцо в полости, каждая из указанных уплотнительных кромок, сужающаяся между указанным основанием и указанным уплотнительным краем до размера поперечного сечения 0,033-0,041 дюймов в самой узкой точке вдоль кромки, и указанное разжимное кольцо, имеющее максимальное поперечное сечение практически в средней точке разжимного кольца, составляющее от 74% до 96% указанного предустановленного расстояния, и каждая из указанных уплотнительных кромок, имеющая максимальный размер вокруг плоскости через указанную среднюю точку и перпендикулярной к указанному направлению, составляющий от 2% до 13% указанного предустановленного расстояния (US 5472216, 05.12.1995).
Известная уплотнительная манжета (US 5472216, 05.12.1995) фирмы Parker-Hannifin Corporation в исполнении Р4300А90 имеет ограничения уплотняющих свойств до величины давления, которое составляет максимум 344 bar (35 МПа), и до температуры, которая составляет максимум 135°C (www.parkerseals.com, фиг.5-5).
Недостатками известной уплотнительной манжеты для установки в соединения при возвратно-поступательном движении являются недостаточные ресурс и герметичность уплотнения при сверхвысоком давлении гидравлической жидкости (трансмиссионного масла), например, в уплотнениях шлицевых валов гидравлических бурильных ясов при давлении 120÷170 МПа, что объясняется, по существу, малым углом охвата парой относительно гибких уплотнительных кромок, составляющих единую конструкцию с основанием, указанного разжимного кольца, при этом каждая из указанных уплотнительных кромок выполнена сужающейся между указанным основанием и указанным уплотнительным краем до размера поперечного сечения 0,033-0,041 дюймов в самой узкой точке вдоль кромки, а также тем, что указанное разжимное кольцо имеет максимальное поперечное сечение практически в средней точке разжимного кольца, составляющее от 74% до 96% указанного предустановленного расстояния.
При давлении гидравлической жидкости в системе (SYSTEM PRESSURE) на открытую поверхность относительно эластичного разжимного кольца, размещенного в указанной кольцевой полости между гибкими уплотнительными кромками и относительно жестким кольцевым основанием, плоскость максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца принимает сложную форму и смещается (выдавливается) в сторону внутреннего и наружного кольцевых торцов, соответственно, 40A и 40B, расположенных на противоположном краю от указанного кольцевого основания 30, 34, составляющих единую конструкцию с кольцевым основанием 30, 34 и образующих кольцевую полость 42, 46, открытую со стороны внутреннего и наружного кольцевых торцов 40A и 40B, при этом угол охвата парой относительно гибких уплотнительных кромок, составляющих единую конструкцию с основанием, указанного разжимного кольца дополнительно уменьшается.
Вследствие того что указанное разжимное кольцо имеет максимальное поперечное сечение практически в средней точке разжимного кольца, составляющее от 74% до 96% указанного предустановленного (радиального) расстояния, указанные уплотнительные кромки, по меньшей мере, частично окружающие и удерживающие указанное разжимное кольцо в полости, имеют недостаточное поперечное сечение, по существу, уплотнительные кромки тонкие и узкие, при этом не обеспечиваются возможности снижения теплообразования, уменьшения остаточной деформации и повышения усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), повышения усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), уменьшения истирания при скольжении (ГОСТ 426-77) между элементами соединения при возвратно-поступательном движении и сверхвысоком давлении гидравлической жидкости, предпочтительно 120÷170 МПа.
Основными дефектами, уменьшающими ресурс и надежность известной уплотнительной манжеты, являются низкая усталостная выносливость и локальное разрушение тонких и узких уплотнительных кромок (местные "вырывы", "задир"), повышение твердости эластомерного материала по мере выработки ресурса (деструкция эластомерного материала), что не обеспечивает экономического преимущества при бурении нефтяных и газовых скважин за один рейс бурильной колонны, например, в устройствах уплотнения шлицевых валов гидравлических бурильных ясов двойного действия, которые подвергаются сверхвысокому давлению гидравлической жидкости, предпочтительно 120÷170 МПа.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение ресурса и герметичности уплотнения для установки между двумя элементами при возвратно-поступательном движении и сверхвысоком давлении гидравлической жидкости, предпочтительно 120÷170 МПа, за счет того, что наружная и внутренняя поверхности соответственно внутренней и наружной уплотнительных кромок выполнены в форме соответственно наружных и внутренних конических поверхностей, а наружные и внутренние конические поверхности соответственно внутренней и наружной уплотнительных кромок сопряжены в плоскости максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца, а также за счет того, что кольцевая полость, открытая со стороны внутреннего и наружного кольцевых торцов, выполнена с плоским кольцевым дном, расположенным параллельно внутреннему и наружному кольцевым торцам, а эластичное разжимное кольцо контактирует в кольцевой полости с плоским кольцевым дном и установлено с выступом над внутренним и наружным кольцевыми торцами, а также за счет того,что эластичное разжимное кольцо имеет максимальное поперечное сечение, составляющее от 45% до 55% указанного предустановленного радиального расстояния между двумя элементами путем повышения точности профиля поперечного сечения гибких уплотнительных кромок и эластичного разжимного кольца при давлении гидравлической жидкости на открытую поверхность эластичного разжимного кольца, размещенного в указанной кольцевой полости между гибкими уплотнительными кромками и жестким кольцевым основанием.
Сущность технического решения заключается в том, что в уплотнительной манжете, предпочтительно для установки между двумя элементами, расположенными на предустановленном радиальном расстоянии друг от друга при возвратно-поступательном движении, содержащей жесткое кольцевое основание прямоугольного поперечного сечения, внутреннюю и наружную гибкие уплотнительные кромки, внутренний и наружный кольцевые торцы, расположенные на противоположном краю от указанного жесткого кольцевого основания, составляющие единую конструкцию с жестким кольцевым основанием и образующие кольцевую полость, открытую со стороны внутреннего и наружного кольцевых торцов, внутренняя и наружная гибкие уплотнительные кромки имеют уплотнительный край на внутренней и, соответственно, наружной поверхности, простирающейся к внешнему краю от одной стороны жесткого кольцевого основания для плотного контакта с одним из указанных элементов, а также содержащей эластичное разжимное кольцо, размещенное в указанной кольцевой полости между гибкими уплотнительными кромками и жестким кольцевым основанием, при этом гибкие уплотнительные кромки, по меньшей мере, частично окружают и удерживают эластичное разжимное кольцо в кольцевой полости, согласно изобретению наружная и внутренняя поверхности соответственно внутренней и наружной уплотнительных кромок выполнены в форме соответственно наружных и внутренних конических поверхностей, а наружные и внутренние конические поверхности соответственно внутренней и наружной уплотнительных кромок сопряжены в плоскости максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца, кольцевая полость, открытая со стороны внутреннего и наружного кольцевых торцов, выполнена с плоским кольцевым дном, расположенным параллельно внутреннему и наружному кольцевым торцам, эластичное разжимное кольцо контактирует в кольцевой полости с плоским кольцевым дном и установлено с выступом над внутренним и наружным кольцевыми торцами, при этом эластичное разжимное кольцо имеет максимальное поперечное сечение, составляющее от 45% до 55% указанного предустановленного радиального расстояния между двумя элементами.
Ширина Т плоского кольцевого дна в кольцевой полости, предназначенной для размещения эластичного разжимного кольца, и диаметр Д максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца связаны соотношением: Т=(0,65÷0,75)Д.
Величина выступа Н эластичного разжимного кольца над внутренним и наружным кольцевыми торцами и диаметр Д максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца связаны соотношением: Н=(0,07÷0,12)Д.
Твердость жесткого кольцевого основания прямоугольного поперечного сечения, внутренней и наружной гибких уплотнительных кромок, составляющих единую конструкцию, выполненных из эластомерного материала, составляет 90±3 ед. Шор А.
Эластичное разжимное кольцо, выполненное из эластомерного материала, имеет три варианта твердости: 70±3 ед. Шор А, 80±3 ед. Шор А, 90±3 ед. Шор А.
Выполнение уплотнительной манжеты, предпочтительно для установки между двумя элементами, расположенными на предустановленном радиальном расстоянии друг от друга при возвратно-поступательном движении, таким образом, что наружная и внутренняя поверхности соответственно внутренней и наружной уплотнительных кромок выполнены в форме соответственно наружных и внутренних конических поверхностей, а наружные и внутренние конические поверхности соответственно внутренней и наружной уплотнительных кромок сопряжены в плоскости максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца, кольцевая полость, открытая со стороны внутреннего и наружного кольцевых торцов, выполнена с плоским кольцевым дном, расположенным параллельно внутреннему и наружному кольцевым торцам, эластичное разжимное кольцо контактирует в кольцевой полости с плоским кольцевым дном и установлено с выступом над внутренним и наружным кольцевыми торцами, при этом эластичное разжимное кольцо имеет максимальное поперечное сечение, составляющее от 45% до 55% указанного предустановленного радиального расстояния между двумя элементами, обеспечивает повышение ресурса и герметичности уплотнения при сверхвысоком давлении, например, в уплотнениях шлицевых валов гидравлических бурильных ясов при давлении 120÷170 МПа, а также возможность сохранения эластичности при сжатии в широком диапазоне твердости при максимальной температуре за счет повышения точности профиля поперечного сечения гибких уплотнительных кромок и эластичного разжимного кольца при давлении гидравлической жидкости в системе (SYSTEM PRESSURE) на открытую поверхность эластичного разжимного кольца, размещенного в указанной кольцевой полости между гибкими уплотнительными кромками и жестким кольцевым основанием, обеспечения заданного натяга эластичного разжимного кольца в кольцевой полости между гибкими уплотнительными кромками и заданного натяга внешних уплотнительных кольцевых поясов между элементами соединения, повышения механической прочности и сопротивления истиранию при скольжении внешних уплотнительных кольцевых поясов между элементами соединения.
Выполнение уплотнительной манжеты таким образом, что эластичное разжимное кольцо имеет максимальное поперечное сечение, составляющее от 45% до 55% указанного предустановленного радиального расстояния между двумя элементами, обеспечивает равнопрочные в поперечном сечении свойства эластомерного материала в конструкции, дополнительно снижает теплообразование, уменьшает остаточную деформацию и повышает усталостную выносливость при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), повышает усталостную выносливость при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), уменьшает истирание при скольжении (ГОСТ 426-77) между элементами соединения при возвратно-поступательном движении и сверхвысоком давлении гидравлической жидкости, предпочтительно 120÷170 МПа.
Выполнение уплотнительной манжеты предпочтительно для установки между двумя элементами, расположенными на предустановленном расстоянии друг от друга при возвратно-поступательном движении, таким образом, что ширина Т плоского кольцевого дна в кольцевой полости, предназначенной для размещения эластичного разжимного кольца, и диаметр Д максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца связаны соотношением: Т=(0,65÷0,75)Д, при этом величина выступа Н эластичного разжимного кольца над внутренним и наружным кольцевыми торцами и диаметр Д максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца связаны соотношением: Н=(0,07÷0,12)Д, твердость жесткого кольцевого основания прямоугольного поперечного сечения, внутренней и наружной гибких уплотнительных кромок, составляющих единую конструкцию, выполненных из эластомерного материала, составляет 90±3 ед. Шор А, при этом эластичное разжимное кольцо, выполненное из эластомерного материала, имеет три варианта твердости: 70±3 ед. Шор А, 80±3 ед. Шор А, 90±3 ед. Шор А, уменьшает максимальное значение эквивалентных напряжений (по Мизесу), обеспечивает равнопрочные в поперечном сечении свойства эластомерного материала в конструкции, дополнительно снижает теплообразование, уменьшает остаточную деформацию и повышает усталостную выносливость при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), повышает усталостную выносливость при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), снижает температурный предел хрупкости (ГОСТ 7912-74), уменьшает истирание при скольжении (ГОСТ 426-77) между элементами соединения при возвратно-поступательном движении и сверхвысоком давлении гидравлической жидкости, предпочтительно 120÷170 МПа.
Уплотнительная манжета используется в системе уплотнения штока при одностороннем действии высокого давления, при этом система уплотнения штока содержит амортизирующее ударное кольцо, расположенное со стороны гибких уплотнительных кромок, два защитных кольца и демпферную втулку, расположенные последовательно в этом порядке от жесткого кольцевого основания, при этом уплотнительная манжета, расположенная на границе раздела "масло-масло", не подвергается сверхвысокому давлению, предпочтительно 120÷170 МПа, а нагружается сниженным давлением, например, 25÷40 МПа за счет дросселирования трансмиссионного масла в уплотнении штока, создаваемым амортизирующим ударным кольцом, при этом демпферная втулка удерживает слой трансмиссионного масла в полости пониженного давления и уменьшает истирание при скольжении, что повышает ресурс и герметичность уплотнения, например, шлицевого вала гидравлического бурильного яса.
Уплотнительная манжета используется в системе уплотнения штока при двухстороннем действии высокого давления, при этом система уплотнения штока содержит амортизирующее ударное кольцо, расположенное со стороны гибких уплотнительных кромок, два защитных кольца, а также вторую уплотнительную манжету, идентичную указанной уплотнительной манжете, расположенную зеркально относительно первой уплотнительной манжеты, при этом два защитных кольца и вторая уплотнительная манжета расположены последовательно в этом порядке от жесткого кольцевого основания, при этом два защитных кольца и вторая уплотнительная манжета расположены последовательно в этом порядке от жесткого кольцевого основания указанной уплотнительной манжеты, при этом уплотнительная манжета, расположенная на границе раздела "масло-масло", не подвергается сверхвысокому давлению, предпочтительно 120÷170 МПа, а нагружается сниженным давлением, например, 25÷40 МПа за счет дросселирования трансмиссионного масла в уплотнении штока, создаваемым амортизирующим ударным кольцом, при этом два защитных кольца удерживают слой трансмиссионного масла в полости пониженного давления и уменьшают истирание при скольжении, что повышает ресурс и герметичность уплотнения, например, шлицевого вала гидравлического бурильного яса двухстороннего действия.
Ниже представлены два варианта (низкой и высокой) уплотнительной манжеты с эластичным разжимным кольцом в системе уплотнения штока гидравлического бурильного яса при одностороннем и двухстороннем действии высокого давления и возвратно-поступательном движении.
На фиг.1 изображена система уплотнения штока при одностороннем действии высокого давления, содержащая низкую уплотнительную манжету с эластичным разжимным кольцом, амортизирующее ударное кольцо, два защитных кольца и демпферную втулку.
На фиг.2 изображена система уплотнения штока при двухстороннем действии высокого давления, содержащая высокую уплотнительную манжету с эластичным разжимным кольцом, амортизирующее ударное кольцо, два защитных кольца и вторую высокую уплотнительную манжету, расположенную зеркально относительно первой.
На фиг.3 изображен вариант низкой уплотнительной манжеты с эластичным разжимным кольцом.
На фиг.4 изображен вариант высокой уплотнительной манжеты с эластичным разжимным кольцом.
На фиг.5 изображен элемент I низкой уплотнительной манжеты на фиг.1 между двумя элементами системы уплотнения штока при одностороннем действии высокого давления.
На фиг.6 изображен элемент II высокой уплотнительной манжеты на фиг.2 между двумя элементами системы уплотнения штока при двухстороннем действии высокого давления.
Низкая уплотнительная манжета 1, предпочтительно для установки между двумя элементами: шлицевым валом 2 и корпусом 3, расположенными на предустановленном радиальном расстоянии 4 друг от друга при возвратно-поступательном движении и одностороннем действии высокого давления содержит жесткое кольцевое основание 5 прямоугольного поперечного сечения, внутреннюю гибкую уплотнительную кромку 6, наружную гибкую уплотнительную кромку 7, внутренний кольцевой торец 8, наружный кольцевой торец 9, расположенные на противоположном краю 10 от указанного кольцевого основания 5, составляющие единую конструкцию с жестким кольцевым основанием 5, образующие кольцевую полость 11, открытую со стороны внутреннего и наружного кольцевых торцов, соответственно, 8 и 9, показано на фиг.1, 3, 5.
Внутренняя гибкая уплотнительная кромка 6 имеет уплотнительный край 12 на внутренней поверхности 13, простирающейся к противоположному внешнему краю 10 от одной стороны 14 жесткого кольцевого основания 5 для плотного контакта с указанным элементом 2, наружная гибкая уплотнительная кромка 7 имеет уплотнительный край 15 на наружной поверхности 16, простирающейся к внешнему краю 10 от одной стороны 14 жесткого кольцевого основания 5 для плотного контакта с указанным элементом 3, а также содержит эластичное разжимное кольцо 17, размещенное в указанной кольцевой полости 11 между гибкими уплотнительными кромками, соответственно, 6, 7 и жестким кольцевым основанием 5, при этом гибкие уплотнительные кромки 6 и 7, по меньшей мере, частично окружают и удерживают эластичное разжимное кольцо 17 в кольцевой полости 11, показано на фиг.1, 3, 5.
Высокая уплотнительная манжета 18, предпочтительно для установки между двумя элементами: шлицевым валом 19 и корпусом 20, расположенными на предустановленном радиальном расстоянии 21 друг от друга при возвратно-поступательном движении и двухстороннем действии высокого давления содержит жесткое кольцевое основание 22 прямоугольного поперечного сечения, внутреннюю гибкую уплотнительную кромку 23, наружную гибкую уплотнительную кромку 24, внутренний кольцевой торец 25, наружный кольцевой торец 26, расположенные на противоположном краю 27 от указанного жесткого кольцевого основания 22, составляющие единую конструкцию с жестким кольцевым основанием 22 и образующие кольцевую полость 28, открытую со стороны внутреннего и наружного кольцевых торцов, соответственно, 25 и 26, показано на фиг.2, 4, 6.
Внутренняя гибкая уплотнительная кромка 23 имеет уплотнительный край 29 на внутренней поверхности 30, простирающейся к противоположному внешнему краю 27 от одной стороны 31 жесткого кольцевого основания 22 для плотного контакта с указанным элементом 19, наружная гибкая уплотнительная кромка 24 имеет уплотнительный край 32 на наружной поверхности 33, простирающейся к внешнему краю 27 от одной стороны 31 жесткого кольцевого основания 22 для плотного контакта с указанным элементом 20, а также содержит эластичное разжимное кольцо 34, размещенное в указанной кольцевой полости 28 между гибкими уплотнительными кромками, соответственно, 23, 24 и жестким кольцевым основанием 22, при этом гибкие уплотнительные кромки 23 и 24, по меньшей мере, частично окружают и удерживают эластичное разжимное кольцо 34 в кольцевой полости 28, показано на фиг.1, 3, 5.
Кольцевые полости 11 и 28 в уплотнительной манжете 1 и, соответственно, 18 выполнены идентичными, при этом наружные поверхности внутренних гибких уплотнительных кромок 6 и 23 и, соответственно, внутренние поверхности наружных гибких уплотнительных кромок 7 и 24 также выполнены идентичными.
Наружная поверхность 35 внутренней гибкой уплотнительной кромки 6 (показано, например, в уплотнительной манжете 1) выполнена в форме двух наружных конических поверхностей, соответственно, 36 и 37, где поз. 38 показан минимальный диаметр наружных конических поверхностей 36 и 37, которые сопряжены в плоскости 39 максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца 17, при этом уплотнительная манжета 1 имеет радиус 40 вдоль кромки 41, сопряженный с внутренним кольцевым торцом 8, а поз.42 - центральная продольная ось уплотнительной манжеты 1, показано на фиг.3.
Внутренняя поверхность 43 наружной гибкой уплотнительной кромки 24 (показано, например, в уплотнительной манжете 18) выполнена в форме двух внутренних конических поверхностей, соответственно, 44 и 45, где поз. 46 показан максимальный диаметр внутренних конических поверхностей 44 и 45, которые сопряжены в плоскости 47 максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца 34, при этом уплотнительная манжета 1 имеет радиус 48 в вдоль кромки 49, сопряженный с наружным кольцевым торцом 26, а поз. 50 - центральная продольная ось уплотнительной манжеты 18, показано на фиг.4.
Кольцевая полость 11, открытая со стороны внутреннего и наружного кольцевых торцов 7 и 8 (показано в уплотнительной манжете 1), выполнена с плоским кольцевым дном 51, расположенным параллельно внутреннему и наружному кольцевым торцам, соответственно, 8 и 7, при этом эластичное разжимное кольцо 17 контактирует в кольцевой полости 11 с плоским кольцевым дном 51, двумя наружными поверхностями 36, 37 внутренней гибкой уплотнительной кромки 6, двумя аналогичными внутренними поверхностями 44, 45 наружной гибкой уплотнительной кромки 7 (обозначенными на фиг.4) и установлено с выступом 52 над внутренним и наружным кольцевыми торцами, соответственно, 8 и 7, показано на фиг.3.
Кольцевая полость 28, открытая со стороны внутреннего и наружного кольцевых торцов 25, 26 (показано в уплотнительной манжете 18), выполнена с плоским кольцевым дном 53, расположенным параллельно внутреннему и наружному кольцевым торцам, соответственно, 25 и 26, при этом эластичное разжимное кольцо 34 контактирует в кольцевой полости 28 с плоским кольцевым дном 53, двумя наружными поверхностями 36, 37 (обозначенными на фиг.3) внутренней гибкой уплотнительной кромки 23, двумя внутренними поверхностями 44, 45 наружной гибкой уплотнительной кромки 24 и установлено с выступом 54 над внутренним и наружным кольцевыми торцами, соответственно, 25 26, показано на фиг.4.
Величина выступа 52, Н эластичного разжимного кольца 17 над внутренним и наружным кольцевыми торцами, соответственно, 8 и 7 равна, например, радиусу 40 вдоль кромки 41, при этом эластичное разжимное кольцо 17 имеет максимальное поперечное сечение 55, Д (обозначенное на фиг.4), составляющее от 45% до 55% указанного предустановленного радиального расстояния 4 между двумя элементами 2, 3, показано на фиг.3, 5.
Величина выступа 54, Н эластичного разжимного кольца 34 над внутренним и наружным кольцевыми торцами, соответственно, 25 и 26 равна, например, радиусу 48 вдоль кромки 49, при этом эластичное разжимное кольцо имеет максимальное поперечное сечение 55, Д составляющее от 45% до 55% указанного предустановленного радиального расстояния 21 между двумя элементами 19, 20, показано на фиг.4, 6.
Ширина 56, Т плоского кольцевого дна 53 в кольцевой полости 28, предназначенной для размещения эластичного разжимного кольца 34, и диаметр 55, Д максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца 35 связаны соотношением: Т=(0,65÷0,75)Д, показано на фиг.4.
Величина выступа 54, Н эластичного разжимного кольца 34 над внутренним и наружным кольцевыми торцами, соответственно, 25 и 26 и диаметр 55, Д максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца 34 связаны соотношением: Н=(0,07÷0,12)Д, показано на фиг.3, 4.
Твердость жесткого кольцевого основания 5 прямоугольного поперечного сечения, внутренней и наружной гибких уплотнительных кромок, соответственно, 6 и 7, составляющих единую конструкцию 1, а также твердость жесткого кольцевого основания 22 прямоугольного поперечного сечения, внутренней и наружной гибких уплотнительных кромок, соответственно, 23 и 24, составляющих единую конструкцию 18, выполненных из эластомерного материала, составляет 90±3 ед. Шор А, показано на фиг.3, 4.
Эластичные разжимные кольца 17, 34, выполненные из эластомерного материала, имеют три варианта твердости: 70±3 ед. Шор А, 80±3 ед. Шор А, 90±3 ед. Шор А, показано на фиг.3, 4.
Уплотнительная манжета 1 используется в системе уплотнения штока (шлицевого вала) 2 при одностороннем действии высокого давления со стороны 57, при этом система уплотнения штока содержит амортизирующее ударное кольцо 58, расположенное со стороны гибких уплотнительных кромок, соответственно, 6 и 7, два защитных кольца 59 и демпферную втулку 60, расположенные последовательно в этом порядке от жесткого кольцевого основания 5, показано на фиг.1, 3, 5.
Уплотнительная манжета 18 используется в системе уплотнения штока (шлицевого вала) 19 при двухстороннем действии высокого давления 61 и 62, при этом система уплотнения штока содержит амортизирующее ударное кольцо 63, расположенное со стороны гибких уплотнительных кромок, соответственно, 23 и 24, два защитных кольца 64, а также вторую уплотнительную манжету 18 (идентичную указанной уплотнительной манжеты), расположенную зеркально относительно первой уплотнительной манжеты 18, при этом два защитных кольца 64 и вторая уплотнительная манжета 18 расположены последовательно в этом порядке от жесткого кольцевого основания 22, показано на фиг.2.
Материалы уплотнительных манжет 1, 18, а также эластичных разжимных колец 17, 34: Viton В, Viton G, Viton FDA (фторовый каучук, фторовый каучук углерода) отличаются хорошей устойчивостью против высоких температур (от -20°C до +175°C), озона, кислорода, минеральных масел, синтетических гидравлических жидкостей, топлива, многих органических растворителей.
Расчет напряженно-деформированного состояния конструкции уплотнительной манжеты 18 в системе уплотнения шлицевого вала 19 гидравлического бурильного яса при двухстороннем действии сверхвысокого давления гидравлической жидкости, по существу, 120÷170 МПа, который осуществлялся методом конечных элементов с помощью сертифицированного аналитического программного продукта ANSYS 12.1 в динамической нелинейной постановке с использованием элементов, имитирующих контактное взаимодействие, с учетом упруго-пластичных свойств материалов конструкции, показал, что в случае равномерного распределения нагрузки при давлении и мгновенном "сбросе" давления гидравлической жидкости в системе (SYSTEM PRESSURE) на открытую поверхность относительно эластичного разжимного кольца 34, размещенного в указанной кольцевой полости 28 между гибкими уплотнительными кромками 23, 24 и относительно жестким кольцевым основанием 22, запас по пределу усталостной выносливости при многократном сжатии составляет 1,25, запас по пределу усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением составляет 1,35.
При давлении гидравлической жидкости в системе (SYSTEM PRESSURE) и мгновенном "сбросе" давления на наружную поверхность 35 внутренней гибкой уплотнительной кромки 23 (показано в уплотнительной манжете 1), которая выполнена в форме двух наружных конических поверхностей, соответственно, 36 и 37, где поз.38 показан минимальный диаметр наружных конических поверхностей 36 и 37, которые сопряжены в плоскости 39 максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца 17, при этом уплотнительная манжета 1 имеет радиус 40 вдоль кромки 41, сопряженный с внутренним кольцевым торцом 8, а поз.42 - центральная продольная ось уплотнительной манжеты 1, показано на фиг.3, и давлении на внутреннюю поверхность 43 наружной гибкой уплотнительной кромки 24, которая выполнена в форме двух внутренних конических поверхностей, соответственно, 44 и 45, где поз.46 показан максимальный диаметр внутренних конических поверхностей 44 и 45, которые сопряжены в плоскости 47 максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца 34, при этом уплотнительная манжета 1 имеет радиус 48 в вдоль кромки 49, сопряженный с наружным кольцевым торцом 26, а поз.50 - центральная продольная ось уплотнительной манжеты 18, показано на фиг.4, кольцевая полость 28, открытая со стороны внутреннего и наружного кольцевых торцов 25 и 26, выполненная с плоским кольцевым дном 53, расположенным параллельно внутреннему и наружному кольцевым торцам, соответственно, 25 и 26, плоскость 47 максимального поперечного сечения эластичного разжимного кольца 34 сохраняет симметричную форму, эластичное разжимное кольцо 34 контактирует в кольцевой полости 28 с плоским кольцевым дном 53, двумя наружными поверхностями 36, 37 внутренней гибкой уплотнительной кромки 23, двумя аналогичными внутренними поверхностями 44, 45 наружной гибкой уплотнительной кромки 24 и располагается с выступом 54 над внутренним и наружным кольцевыми торцами, соответственно, 25 и 26.
При этом эластичное разжимное кольцо 34, имеющее максимальное поперечное сечение 55, Д составляющее от 45% до 55% указанного предустановленного радиального расстояния 21 между двумя элементами 19, 20, обеспечивает возможность сохранения эластичности при сжатии в широком диапазоне твердости при максимальной температуре за счет повышения точности профиля поперечного сечения гибких уплотнительных кромок 23, 24 и эластичного разжимного кольца 34 при давлении гидравлической жидкости в системе (SYSTEM PRESSURE) и мгновенном "сбросе" давления на открытую поверхность эластичного разжимного кольца 34, размещенного в указанной кольцевой полости 28 между гибкими уплотнительными кромками 23, 24 и жестким кольцевым основанием 22, а также за счет обеспечения заданного натяга эластичного разжимного кольца 34 в кольцевой полости 28 между гибкими уплотнительными кромками 23, 24 и заданного натяга внешних уплотнительных кольцевых поясов 29, 32 между элементами соединения 19, 20, а также за счет повышения механической прочности и сопротивления истиранию при скольжении внешних уплотнительных кольцевых поясов 29, 32 между элементами соединения 19, 20.
Ресурс уплотнительной манжеты 18 в системе уплотнения шлицевого вала гидравлического бурильного яса при двухстороннем действии сверхвысокого давления гидравлической жидкости, предпочтительно 120÷170 МПа, составляет не менее 300 часов при проходке сложных искривленных скважин с большим коэффициентом трения, например, в скважинах, имеющих боковые горизонтальные стволы, при этом прихваты в скважинах ликвидировались, а максимальное время работы яса в скважине составляло непрерывно 50 часов и за это время им производилось более 600 ударов.