Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин

Заявленная полезная модель относится к уплотнительной технике и может быть использована для уплотнения подвижных и неподвижных пар гидравлических и пневматических машин, преимущественно работающих при повышенных давлениях и воздействии агрессивных и абразивных сред, например, в нефтегазовом и химическом оборудовании.
Известен многоплунжерный горизонтальный насос одностороннего действия, включающий, в частности, гидравлическую часть с охватывающими плунжеры уплотнениями, размещенными во вкладышах, каждый из которых имеет радиальные каналы подачи и слива смазки (патент на изобретение РФ 2315199, дата публикации: 20.01.2008 г.).
Недостатком подобных насосов является несовершенство уплотнения, пакет которого набран из серийных морально устаревших шевронных резинотканевых манжет и металлических элементов. Такие уплотнения имеют ограниченный технический ресурс при использовании насоса в агрессивной и абразивосодержащей среде.
Известно также уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин, содержащее пакет рабочих манжет с имеющими уплотняющую и опорную поверхности пружинными язычками, с центральным выступом переменной толщины и соответствующую ему канавку на противоположном торце, а также нажимную опору из того же материала и опорное металлическое кольцо (патент на изобретение РФ 2231706, дата публикации: 27.06.2004 г.).
Данное уплотнительное устройство, принятое за прототип, в современных условиях имеет недостаточный технический ресурс, в том числе за счет отсутствия средств для смазки пакета и для перераспределения нагрузки между манжетами.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении износостойкости пакета манжет.
Указанный технический результат достигается за счет того, что уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин содержит пакет рабочих манжет с имеющими уплотняющую и опорную поверхности пружинными язычками, с центральным выступом переменной толщины и соответствующую ему канавку на противоположном торце, а также нажимную опору из того же материала и опорное кольцо. При этом устройство снабжено распорной втулкой, на наружной и внутренней поверхностях которой выполнены кольцевые проточки, сообщающиеся между собой радиальными отверстиями, устройство снабжено также дополнительными нажимной опорой и опорным кольцом, взаимодействующими своими тыльными плоскостями с распорной втулкой, при этом все элементы пакета выполнены из эластичного материала.
При этом модуль упругости материала нажимных опор и опорных колец равен или больше соответствующего показателя материала рабочих манжет.
При этом устройство имеет средства для подачи смазки, сообщающиеся с кольцевыми проточками распорной втулки.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображено уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин в разрезе; на фиг. 2 - рабочая манжета уплотнительного устройства (в сечении); на фиг. 3 - нажимная опора (в сечении); на фиг. 4 - опорное кольцо (в сечении).
Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин включает два пакета 1 и 2 уплотнений и помещенную между ними распорную втулку 3. Каждый пакет уплотнений содержит рабочие манжеты 4 и охватывающие их нажимную опору 5 и опорное кольцо 6. Манжеты имеют пружинные язычки 7 с уплотняющей 8 и опорной 9 поверхностями, центральный выступ 10 переменной толщины и соответствующую ему канавку 11 на противоположном торце манжеты. Язычки 7 соединены с выступом 10 посредством «слабых» перемычек 12. На торце нажимных опор 5 имеются выступающий упор 13 и скошенные наружу поверхности 14 по бокам упора. Углы наклона указанных поверхностей равны или меньше соответствующих углов опорных поверхностей 9 манжет в их свободном состоянии. В опорных кольцах 6 выполнены канавки 15, взаимодействующие с центральным выступом 10 близ расположенной манжеты, и скошенные внутрь поверхности 16 по бокам кольца.
0
0
Все элементы каждого пакета 1 и 2 уплотнений - рабочие манжеты 4, нажимные опоры 5 и опорные кольца 6 - выполнены из эластичного материала. Модуль упругости Е материала нажимных опор и опорных колец равен или больше соответствующего показателя Е материала рабочих манжет (Е≥Е). В современных условиях детали 4, 5 и 6 могут быть изготовлены из трубных заготовок методом точения на станках с программным управлением -из термопластов на основе, например, политетрафторэтилена, обладающего низким коэффициентом трения по стали (0,08), широким температурным диапазоном применения - до 260°С, стойкостью в агрессивных средах. Возможно также использование материалов на основе этилен-пропилен-диен-каучука при температурном диапазоне применения от -50 до 160°С - для перекачки флюидов без минеральных масел. Модуль упругости названных материалов больше аналогичного показателя маслобензостойкой резины, используемой при производстве традиционных манжетных уплотнений. Однако конструктивные особенности и принцип действия рабочих манжет 4 (об этом ниже) не предусматривают высокой объемной деформации предлагаемого уплотнения. Распорная втулка 3 (фиг. 1) может быть выполнена из материалов на основе фторопластов с повышенными твердостью и стойкостью к истиранию; допустимо изготовление из того же материала, что и детали 5 и 6.
В распорной втулке 3 по наружному и внутреннему диаметрам выполнены кольцевые проточки 17 и 18 соответственно, сообщающиеся между собой радиальными отверстиями 19. Пакеты 1 и 2 уплотнений и распорная втулка 3 смонтированы в неподвижном корпусе 20, в котором имеются отверстия 21, сообщающиеся с наружной кольцевой проточкой 17 распорной втулки. Посредством радиальных отверстий 19, 21 и кольцевых проточек 17 и 18 обеспечивается циркуляция смазки (на чертежах не показано). Подвижным элементом устройства является плунжер 22 насоса, совершающий возвратно-поступательное движение.
Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин работает следующим образом.
При возвратно-поступательном движении плунжеров 22 насоса и, как следствие, перекачке под давлением рабочей среды нагружаются пакеты 1 и 2 уплотнений, при этом распорная втулка 3 и элементы пакетов 1 и 2 совершают микроперемещения за счет циклического сжатия пакетов. Посредством отверстий 21 в корпусе 20 подается смазка в наружную проточку 17 распорной втулки 3, которая под давлением поступает в радиальные отверстия 19 и во внутреннюю проточку 18 распорной втулки. Смазка захватывается движущимся плунжером 22 и проникает в микрозазоры между плунжером и пакетами 1 и 2 уплотнений; осуществляется также смазка трущейся (внутренней) полости распорной втулки 3.
Деформация и уплотняющее действие рабочих манжет 4 каждого пакета 1 и 2 достигается посредством давления флюидов на нажимные опоры 5. Выступающий упор 13 этих опор, стабилизируясь в пакетах 1 и 2 посредством канавки 11 на тыльной стороне манжеты 4, воздействует на центральный выступ 10 манжеты. Силовой поток по всему уплотнительному устройству - от нажимной опоры 5, посредством канавок 11 и выступов 10 манжет, воспринимается опорными кольцами 6, примыкающими своими тыльными сторонами соответственно к распорной втулке 3 и к корпусу. От распорной втулки силовой поток продолжается посредством другой нажимной опоры 5 (пакета 2, расположенного справа), канавок 11 и выступов 10 манжет этого пакета и другого опорного кольца 6, силовой поток замыкается на корпусе 20. Втулка 3 несет функции центратора уплотнительного устройства, предотвращает «выворачивание» пакетов, стабилизирует нагруженность манжет и обеспечивает поступление смазки к трущимся поверхностям. В случае разряжения во всасывающем трубопроводе, поток смазывающей жидкости, проходящий через втулку 3, компенсирует влияние пагубного процесса кавитации в уплотнительном пакете, что значительно повышает работоспособность пакета в целом.
Конструктивные особенности рабочих манжет 4 и пакетов 1 и 2 в целом обеспечивают:
1) передачу всего силового потока вдоль оси центральных выступов 10 манжет;
2) это достигается за счет наличия «слабых» перемычек 12 между выступом 10 и пружинистыми язычками 7 манжет;
3) уплотняющее действие манжет достигается не за счет «раздавливания» всего сечения манжеты, а посредством отклонения язычков 7 и примыкания уплотняющих поверхностей 8 соответственно к корпусу и к плунжеру;
4) при этом опорные поверхности 9 манжет воздействуют (в зависимости от места положения):
- на скошенные наружу поверхности 14 по бокам упора 13 нажимных опор 5;
- на скошенные внутрь поверхности 16 по бокам канавки 15 опорного кольца 6;
- на скошенные торцевые поверхности пружинистых язычков 7 соседних манжет.
Таким образом, при действии давления перекачиваемой среды пакет эластичных деталей, включающий манжеты 4, нажимные опоры 5 и опорные кольца 6, превращается в замкнутую самоустанавливающуюся систему. Объем деформирования эластичных деталей и наличие или отсутствие клиновидных зазоров между уплотняющими элементами зависит от величины давления среды. Передача основного усилия посредством центральных выступов 10 манжет способствует существенному снижению энергоемкости процесса перекачки флюидов и силы трения между манжетами и плунжерами, обеспечивает повышение износостойкости уплотнения. Представленные выше материалы и конструктивные особенности эластичных деталей обеспечивают надежное функционирование уплотнительного устройства в агрессивной среде при высоком рабочем давлении - до 150 МПа.
Полезная модель является новой, поскольку вся совокупность признаков неизвестна из предшествующего уровня техники, приведенной в соответствующем разделе описания, а также промышленно применимой в указанной области техники.