Уплотнительное устройство
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, установленные с образованием междисковых камер, 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 F15B 15/22, 1993 г.).
К недостаткам известного устройства относится сложность монтажа вследствие значительного усилия упругого элемента и обеспечения требуемого давления в междисковых камерах из-за одновременного сжатия жидкости в камерах и упругого элемента. Отклонение давления в межманжетных камерах от установленного приводит к неравномерному износу уплотнительных элементов дисков и снижению ресурса уплотнительного устройства. Кроме того, устройство эффективно работает только в узком диапазоне рабочего давления, настраиваемое усилием упругих элементов (пружин). При низких или высоких давлениях уплотнительные элементы дисков будут испытывать неодинаковые контактные давления.
Известно уплотнительное устройство для уплотнения двух концентрично расположенных поверхностей, содержащее, по крайней мере, два диска и упругий элемент с образованием междисковой камеры, установленные на штоке или направляющей втулке, закрепленной на одной из уплотняемых поверхностей, диски снабжены уплотнительными элементами и ограничителями, а упругий элемент размещен между ограничителями (см. описание к патенту РФ №2292505, МПК F16J 15/16, 2007 г.), который принят за прототип.
Снабжение уплотнительного устройства дисками с возможностью герметизации концентрично расположенных поверхностей позволяет его использовать для герметизации цилиндра, плунжера, штока, а также вращающихся валов. Размещение дисков и упругого элемента на направляющей втулке существенно снижает трудоемкость монтажа и обслуживания уплотнительного устройства.
К недостаткам известного устройства относится сложность монтажа вследствие значительного усилия упругого элемента и невозможность обеспечения требуемого давления в междисковых камерах при изменении рабочего давления. Отклонение давления в междисковых камерах от настраиваемого приводит к неравномерному износу уплотнительных элементов дисков и снижению ресурса устройства.
Известное устройство эффективно работает только в узком диапазоне рабочего давления, настраиваемое усилием упругих элементов (пружин). При низких или высоких давлениях уплотнительные элементы дисков будут испытывать неодинаковые контактные давления.
Кроме того, при оснащении устройством вращающегося вала требуется периодическое заполнение жидкостью междисковых камер снижением рабочего давления, например, насоса или гидродвигателя.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение долговечности уплотнитель-устройства и снижение трудоемкости монтажа.
Решение указанной задачи достигается тем, что в цилиндропоршневом устройстве для герметизации двух концентрично расположенных поверхностей, содержащем, цилиндр, шток, по крайней мере, два диска, снабженные уплотнительными элементами, один из дисков неподвижен, а другой установлен с возможностью осевого перемещения между двумя упорами с образованием междисковой камеры, сообщенной с источником жидкости через обратный клапан, и упругий элемент, размещенный между дисками с возможностью взаимодействия с подвижным диском и упором, согласно техническому решению, упор подвижного диска со стороны рабочей полости выполнен в виде неподвижного разгрузочного диска, при этом на разгрузочном и подвижном диске, ответно друг другу, выполнены углубление и выступ, расположенный в упомянутом углублении, при этом между разгрузочным и подвижным дисками образована камера постоянного давления, сообщенная с источником жидкости.
В неподвижном диске выполнен сквозной продольный канал с размещением в нем обратного клапана.
Число дисков, по крайней мере, три, в неподвижном разгрузочном диске среднего диска выполнен продольный сквозной канал с размещением в нем обратного клапана.
Цилиндропоршневое уплотнительное устройство для уплотнения двух концентрично расположенных поверхностей иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 изображен общий вид двухдискового цилиндропоршневого уплотнительного устройства для уплотнения цилиндра;
на фиг. 2 - вариант исполнения устройства на фиг. 1;
на фиг. 3 - вариант исполнения трехдискового уплотнительного устройства цилиндра;
на фиг. 4 - двухдисковое уплотнительное устройство цилиндра, насаженное на втулку;
на фиг. 5 - двухдисковое уплотнительное устройство плунжера или штока или вала, насаженное на втулку.
Цилиндропоршневое устройство для уплотнения, например, цилиндра 1, содержит насаженные на шток 2 диски 3 и 4, снабженные уплотнительными элементами 5 и 6 для подвижных соединений (диски-цилиндр) и уплотнительными элементами 7 и 8 для уплотнения неподвижных соединений (диски-шток). Передний подвижный диск 3 спереди снабжен упором 9, выполненным в виде неподвижного разгрузочного диска, насаженного на торцевую часть штока 2.
В неподвижном диске 9 и в передней части подвижного диска 3, ответно друг другу, выполнены углубление 10 и выступ 11, расположенный в упомянутом углублении 10.
Шток 2 выполнен, например, многоступенчатым с образованием упоров 12, 13 и 14 в виде буртов между ступенями. При этом неподвижный разгрузочный диск 9 и диски 3 и 9 насажены на отдельных ступенях (на фиг. не указаны) с возможностью взаимодействовать с соответствующими упорами 12, 13 и 14.
Неподвижный диск 4 спереди взаимодействует с упором 15 штока 2, выполненным, например, в виде разрезного пружинного кольца, размещенного в кольцевой канавке (на фиг. не указана) штока 2. Неподвижный разгрузочный диск 9 прижат к упору 12 передним упором 16, выполненным, например, в виде гайки.
Диск 3 установлен с возможностью поочередного взаимодействия с неподвижным разгрузочным диском 9 и упором 13 с образованием междисковой камеры 17 между дисками 3 и 4, и камеры 18 постоянного давления, например, между днищем неподвижного разгрузочного диска 9 и торцом цилиндрического выступа 11 диска 3. Камеры 18 и 17 сообщены с источником 19 промывочной жидкости соответственно напрямую и через обратный клапан 20 посредством, например, продольного и радиального каналов 21, выполненных в штоке 2. Обратный клапан 20, размещен, например, в радиальном глухом отверстии (на фиг. не указано) штока 2.
Диски 3 и 4 подпружинены друг относительно друга дисциплинарной пружиной 22.
Герметичность камеры 18 постоянного давления обеспечивается уплотнительными элементами 23 и 24.
Уплотнительное устройство установлено, например, в цилиндре 1 поршневого насоса, снабженного всасывающим 25 и нагнетательным 26 клапанами с образованием рабочей полости 27.
Обратный клапан 20 (фиг. 2) может быть размещен в осевом сквозном канале 28 неподвижного диска 4. При этом диске 3 и 4 могут быт насажены на одну ступень трехступенчатого штока 2.
Уплотнительное устройство может быть выполнено трехдисковым (фиг. 3), с размещением, например, на многоступенчатом штоке 2 переднего 3 и среднего 29 дисков, оснащенных неподвижными разгрузочными дисками 9 и 30. В неподвижном разгрузочном диске 30 и в среднем диске 29, ответно друг другу, выполнены, например, цилиндрическое углубление 31 и выступ 32. Неподвижный разгрузочный 30 и средний 29 диски установлены с образованием междисковой камеры 33 между дисками 4 и 29, и камеры 34 постоянного давления, образованной между днищем углубления 31 диска 30 и торцом выступа 32 диска 29.
Средний диск 29 снабжен уплотнительными элементами 35 и 36. Междисковая камера 17 с источником 19 промывочной жидкости сообщена, например, через камеру 34 и обратный клапан 37, размещенный, например, в продольном канале (на фиг. не указан) неподвижного разгрузочного диска 30.
Передний подвижный диск 3 подпружинен пружиной 22 к разгрузочному диску 9 относительно разгрузочного диска 30, взаимодействующего с упором 13 штока 2, выполненного, например, в виде бурта. Средний диск 29 подпружинен пружиной 38 относительно неподвижного диска 4. Средний диск 29 установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения между разгрузочным диском 30 и пружиной 38.
Герметичность камеры 34 обеспечивается уплотнительными элементами 39 и 40.
Уплотнительное устройство цилиндра 1 (фиг. 4) может быть размещено на многоступенчатой втулке 41, насаженной на шток 2. Втулка 41 выполнена, например, с четырьмя ступенями (на фиг. не указаны) с образованием упоров 12, 13 и 14 в виде буртов между ступенями с возможностью взаимодействия с разгрузочным 9, передним подвижным 3 и неподвижным 4 дисками. Диски 3 и 4 подпружинены друг относительно друга пружиной 22.
Неподвижный разгрузочный диск 9 прижат к упору 12, например, гайкой 16.
Втулка 41 на штоке 2 зафиксирована задним 42 и передним 43 упорами, выполненными, например, в виде бурта и гайки.
Прилагаемым уплотнительным устройством может уплотняться также плунжер, шток, а также вращающийся вал.
На фиг. 5 показан вариант исполнения устройства для уплотнения плунжера (штока) или вращающегося вала 44, размещенного, например, на трехступенчатой втулке 45 с образованием упоров 12 и 14 между ступенями (на фиг. не указаны) в виде цилиндрических выступов. Неподвижный разгрузочный диск 9 на штоке 2 зафиксирован упорами 12 и 46. Упор 46, выполнен, например, в виде разрезного пружинного кольца, установленного в цилиндрической канавке (на фиг. не указана) втулки 45. Передний подвижный диск 3 установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения между разгрузочным диском 9 и пружиной 22.
Спереди на диске 3 и в неподвижном разгрузочном диске 9 ответно друг другу выполнены, например, кольцевое углубление 47 и кольцевой выступ 48 с возможностью образования камеры 18 постоянного давления между периферийными частями торцов дисков 3 и 9.
С тыльной стороны корпуса 49, например, насоса, ответно втулке 45, выполнена, например, цилиндрическая расточка (на фиг. не указана) с образованием кольцевого уступа 50, взаимодействующего с втулкой 45. С тыльной стороны втулка 45 зафиксирована упором 51, выполненным, например, в виде гайки.
Цилиндропоршневое уплотнительное устройство, например, в составе объемного насоса, работает следующим образом.
Пусть шток 2 (см. фиг. 1) находится в крайнем правом положении. Давление в рабочей полости 27 равно давлению всасывания, а шток 2 неподвижный. Всасывающий 25, нагнетательный 26 и обратный 20 клапаны закрыты. Диск 3 взаимодействует с неподвижным диском 9 под действием пружины 22. Давление в камерах 17 и 18 равно давлению источника 19 промывочной жидкости.
При перемещении штока 2 влево давление в полости 27 возрастает до рабочего. Нагнетательный клапан 26 открывается. Под действием создавшегося перепада давления диск 3 перемещается вправо, сжимая пружину 22 и повышая давление в камере 17.
При пренебрежении силами трения в уплотнительных элементах 5, 7, усилием пружины 22, давление в камере 17 может быть определено по формуле
k1
ц
ц
1
ш1
где p; р - давления в камере 17 и рабочей полости 27; D; D и d - соответственно диаметры цилиндра 1, уплотняемой поверхности неподвижного диска 9 и штока 2 по месту посадки диска 3.
1
ш1
к1
ц
к1
ц
1
шl
Максимальная сила трения в уплотнительных элементах не превышает 5% рабочего усилия, а усилие пружины 22 выбирается из условия возврата диска 3 в левое крайнее положение при цикле всасывания. Для обеспечения максимального ресурса уплотнительного устройства диаметры D и d выбираются из условия, когда давление в камере 17 составляет половину давления в рабочей полости 27, т.е., р=0,5р. Тогда при ходе нагнетания контактное давление в уплотнительных элементах 5 и 6 в два раза ниже, чем рабочее давление насоса. При условии, когда р=0,5р, диаметры D и d определяются из соотношения
к1
ц
При перекачивании абразивосодержащей жидкости, когда уплотнительные элементы переднего диска 3 изнашиваются интенсивнее, давление в камере 17 может устанавливаться в пределах p=(0,6-0,7)р для выравнивания долговечности работы уплотнительных узлов 5 и 6.
Перемещение диска 3 составляет незначительную величину, составляющее не более 0,1-0,2% длины хода штока 2. Дополнительное снижение перемещения диска 3 обеспечивается уменьшением объема камеры 17 до минимума. Диск 3 может взаимодействовать с буртом 13 только при монтаже, или при утечке жидкости из камер 17 в случае износа уплотнительного элемента 6.
При обратном ходе штока 2 вправо, давление в рабочей полости 27 снижается. Закрывается клапан 26, и открывается клапан 25. От создавшегося перепада давления диск 3 перемещается влево. При снижении давления в камере 17 ниже, чем в источнике 19 (например, вследствие утечек через уплотнительный узел), открывается обратный клапан 20. Далее камера 17 заполняется жидкостью из источника 19 через каналы 21 и клапан 20.
При перемещении штока 2 вправо промывочная жидкость из камеры 17 заполняет зазор между уплотнительным элементом 5 и цилиндром 1.
При подходе штока 2 в правое крайнее положение он останавливается, и закрывается клапан 25. Далее цикл повторяется.
Работа уплотнительного устройства на фиг. 2 осуществляется аналогичным образом. При движении штока 2 влево диск 3 перемещается вправо до тех пор, пока сила давления на него камеры 17 справа не уравновесится нагрузкой слева от рабочего давления.
В трехдисковом уплотнительном устройстве (фиг. 3) диски 3 и 29 имеют способность ограниченного осевого перемещения между неподвижными дисками 9, 30 и пружинами 22 и 38.
Давление в камерах 17 и 33 определяются из условия равновесия дисков 3 и 29
k2
2
ш2
где p - давление в камере 33; D и d - соответственно диаметры уплотняемой поверхности неподвижного диска 30 и штока 2 по месту посадки среднего диска 29.
Наибольший ресурс обеспечивается при равенстве контактных давлений на уплотнительные элементы 5, 35, 6 дисков 3, 29 и 4, т.е, при
1,
2
ш1
ш2
Совместно решая уравнения (4)-(7) можно определить диаметры D D, d и d.
При перемещении штока 2 влево давление в камерах 17 и 33 увеличиваются в соответствии с соотношениями (4) и (5). При этом передний 3 и средний 29 диски перемещаются вправо.
При обратном ходе штока 2 направо, с уменьшением давления в рабочей полости 27, диски 3 и 29 перемещаются влево. При снижении давления в камерах 17 и 33 ниже, чем в источнике 19, открываются клапаны 37 и 20.
Далее цикл повторяется.
Размещенное на втулке 41 (фиг. 4) уплотнительное устройство представляет собой единую сборку, не требующую регулирование при монтаже. Это существенно снижает продолжительность обслуживания, например, насоса и гидроцилиндра, при одновременном повышении надежности работы устройства централизованного изготовления и сборки.
Работа устройства аналогична устройству на фиг. 1 и 2.
Уплотнительное устройство (фиг. 5) для уплотнения плунжера, штока или вращающегося вала 44, размещенное на единой втулке 45, обеспечивает снижение контактного давления при рабочем цикле насоса и гидроцилиндра, а также постоянное снижение контактного давление при уплотнении вала 44. Давление в камере 17 может быть установлено на уровне половины рабочего давления или больше указанной величины, например, при герметизации абразивосодержащей среды.
При уплотнении вала 44 объем камеры 17 может быть увеличен за счет увеличения перемещения переднего диска 3. Это позволяет повысить ресурс работы устройства за счет снижения температуры среды в камере 17, а также обеспечения требуемого давления в ней несмотря утечек жидкости через уплотнение 6 диска 4.
Таким образом, предлагаемое уплотнительное устройство позволяет снизить контактное давление на уплотнительные элементы кратно числу дисков независимо от давления в рабочей полости. Кроме того, возврат подвижных дисков в их исходное положение при сбросе давления дисциплинарными не силовыми пружинами обеспечивает существенное повышение надежности и ресурса устройства.