УПЛОТНЕНИЕ ПАРЫ ЦИЛИНДР-ПОРШЕНЬ КОМПРЕССОРА

Полезная модель относится к уплотнительной технике и может быть использована в конструкциях уплотнительных элементов газовых компрессоров, а именно в области пары цилиндр-поршень. Целью полезной модели является повышение герметичности и износостойкости уплотнения.
Из исследованного уровня техники заявителем выявлено большое количество технических решений, в том числе изобретений, предназначенных для уплотнения пары поршень-цилиндр.
Известно устройство, описанное в авторском свидетельстве «Сальниковое уплотнение» на изобретение СССР №SU 1401216 A1 МПК F16J 15/28, авторов И.И. Начовного, И.М. Кузяева, И.Г. Плошенко и В.Г. Скирко, содержащее уплотнительный элемент, состоящий из серии нажимных, уплотнительных разрезных колец. Кольца зафиксированы друг относительно друга штифтом и имеют осевой выступ на торцевой поверхности, при этом кольца имеют ступенчатый разрез, а верхние кольца имеют еще по два дополнительных штифта, размещенных по обе стороны от разреза вблизи концов колец и входящих в отверстия, расположенные по обе стороны от разреза в уплотнительном элементе.
Недостатком вышеуказанного технического решения является невозможность эксплуатации уплотнительных элементов в парах цилиндр-поршень на высоко оборотистом оборудовании, где постоянно действуют разнородно направленные нагрузки на уплотнительные кольца. Существенным недостатком является сложность изготовления.
Известно устройство «Уплотнение резьбового соединения», описанное в авторском свидетельстве на изобретение СССР №SU 1537939 A1 МПК F16J 15/02, авторов В.А. Марутова, С.А. Павловского, содержащее корпус, крышку, диаметральную и торцевую проточки прямоугольного сечения, выполненные в ней и эластичное уплотнительное кольцо круглого сечения, установленное в торцевой проточке.
Недостатком вышеуказанного технического решения является круглая форма сечения уплотнительного кольца, не обеспечивающая плотного соприкосновения трущихся элементов, плохая стойкость к скручивающим моментам, возникающим при эксплуатации оборудования, вследствие чего снижается надежность эксплуатации самого уплотнительного кольца. Отсутствие разъединения в кольцевом уплотнении приведет к снижению продолжительности эксплуатации уплотнительного кольца при возникновении разнородных сжимающих и растягивающих нагрузках.
Известно устройство «Радиальное уплотнение», описанное в авторском свидетельстве на изобретение СССР №SU 1590779 A1 МПК F16J 15/32 авторов Л.А. Соловьева и А.В. Курбатова, содержащее уплотнительное кольцо круглого сечения в виде прямоугольной трапеции, установленное в трапециевидной канавке, выполненное на одной из уплотняемых деталей, при этом с целью повышения надежности уплотнения, защитное кольцо установлено боковой стороной, перпендикулярно основанию, к наклонной стенке трапециевидной канавки, а большим основанием обращено к ответной уплотняемой детали.
Недостатком вышеописанного технического решения является форма самого уплотнения, не позволяющая активно противостоять возникающим в результате эксплуатации механическим воздействиям (боковым и скручивающим нагрузкам), вследствие чего снижается как надежность уплотнения, так и срок службы самого уплотнения.
Известно устройство уплотнительного кольца, описанное в авторском свидетельстве на изобретение СССР «Уплотнение поршня» №SU 1695013 A1 МПК F16J 9/00 авторов И.К. Гаврилова и П.Ф. Ухватова. Уплотнение поршня содержит разрезное уплотнительное кольцо прямоугольного сечения из полимерного материала и промежуточный элемент - эспандер для выборки зазора между кольцом и дном кольцевой канавки на поршне, который размещен в цилиндре экструзионной машины.
Недостатком описанного технического решения является то, что в случае полного износа уплотнения существует вероятность разрушения всего механизма (цилиндр - поршень) вследствие попадания мелких частичек в случае частичного разрушения эспандера, что сделает непригодным к эксплуатации и цилиндр и поршень компрессора. Уплотнительный элемент пары цилиндр-поршень не должен в случае своего разрушения оказывать деградирующие воздействия на механизмы (цилиндр и поршень).
Известны уплотнения пары поршень-цилиндр, содержащие направляющие цилиндр и поршень, имеющие отдельные специальные канавки, в каждую из которых установлены с зазором подвижные разрезные упругие кольца, прижатые к поверхности направляющего цилиндра силами упругости кольца и давлением рабочего тела со стороны радиального зазора внутри канавок (см. Пульманов Н.В. Дизель-компрессор со свободно движущимися поршнями, И.: Машиностроение, 1959, с. 201, фиг. 97а). Разрезные упругие кольца уплотнения, вызывают неравномерный износ поверхности направляющего цилиндра вдоль оси, образуя на ней различные формы овалов с разными радиусами кривизны, конусности и т.п., что приводит к образованию просветов в зонах замков (разрезов) и других участках уплотнительных колец и поверхности направляющего цилиндра, к снижению герметичности уплотнения и ухудшению технико-экономических показателей двигателя. При повышении параметров рабочего тела в известном уплотнении пары поршень-цилиндр снижаются прочность и работоспособность разрезных уплотнительных колец, существенно возрастает работа сил трения в паре поршень-цилиндр, что приводит к интенсивному и неравномерному износу трущихся поверхностей направляющего цилиндра и уплотнительных колец, изменениям их геометрических форм, износу и потере уплотнительных свойств колец.
Недостатком описанного технического решения является то, что при повышенных скоростях возвратно-поступательного движения поршня осевая подвижность колец вызывает износ и изменение геометрической формы канавок на поршне для уплотнительных колец, что способствует повышению вибрации колец и дальнейшей потере герметичности и прочности такого уплотнительного соединения, возрастанию потерь смазочного масла, что в свою очередь приводит к снижению работоспособности и снижению долговечности уплотнения пары поршень-цилиндр двигателя.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство, описанное в авторском свидетельстве на изобретение СССР «Уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания» №1820111 МПК F16J 9/00 авторов В.Г. Передерия, В.И. Кравченко, Н.Т. Жердицкого, И.А. Кособокова и В.В. Кравченко, которое и выбрано в качестве прототипа.
Направляющий цилиндр выполнен из чугуна, уплотнительные кольца -из стали, прямоугольного сечения (или L-образного), неразрезные и установлены в канавке в количестве не менее трех с чередующимися диаметральными зазорами, образованными первым и последующими нечетными кольцами с поверхностью направляющего цилиндра, с поверхностью жаростойкой вставки, последующие четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью жаростойкой вставки и с зазором с поверхностью направляющего цилиндра, причем уплотнительные кольца установлены вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения между торцевыми поверхностями жаростойкой вставки и жаровой накладки поршня.
Недостатком прототипа является то, что при работе механизма стальные уплотнительные кольца подвергались износу по радиальной толщине, что приводило к их разрушению и попаданию в клапана механизма, тем самым выводили поршни и цилиндры из строя, что резко снижало надежность эксплуатации и повышало стоимость ремонтных работ, так как сильный износ трущихся поверхностей приводил к аварийным остановкам.
Технической задачей предлагаемого устройства уплотнения пары цилиндр-поршень компрессора является повышение герметичности соединений и надежности эксплуатации трущихся элементов компрессора, вследствие уменьшения износа поршневой группы, в том числе в случае полного износа уплотняющего кольца или его разрушения.
Решаемая техническая задача в устройстве уплотнения пары цилиндр-поршень компрессора, состоящего из уплотнительных колец прямоугольного сечения, достигается тем, что уплотнительные кольца выполнены из полиамида, с нулевым разрезом, при этом торцевые кромки разреза имеют форму треугольной призмы и выполнены встык.
На фиг. 1а-с представлен общий вид устройства уплотнения пары цилиндр-поршень компрессора - его конкретная реализация, с прямоугольным сечением и нулевым разрезом.
Устройство, изображенное на фиг. 1а-с, представляет собой кольцевой радиальный элемент (уплотнительное кольцо), прямоугольного сечения (радиус кольца, длина и ширина сечения выбирается исходя из габаритов паза для уплотнения пары цилиндр-поршень, для каждого конкретного компрессора), с нулевым разрезом. При этом торцевые кромки разреза имеют форму треугольной призмы и выполнены встык. Выполнение торцевых кромок разреза в форме треугольной призмы делает возможным создание нахлеста торцевых кромок, для большей глубины герметизации, без потерь прочностных характеристик самого уплотнительного кольца вследствие как механической, так и термической деформации, не снижая его практичность и долговечность. Габариты торцевых кромок выполненных в виде треугольной призмы сопоставимы с размерами сечения кольцевого элемента, и не превосходят их (как по высоте, так и по ширине и глубине). Уплотнительное кольцо изготовлено из полиамида.
Рассмотрим устройство уплотнения пары цилиндр-поршень компрессора в действии:
Уплотнительные кольца монтируются на пару цилиндр-поршень компрессора, в специально предусмотренные конструкцией пазы. Прямоугольное сечение и гибкость кольца из полиамида позволяет с высокой степенью надежности уплотнить соединение и предотвратить пропуск газа в корпус компрессора. При работе компрессора происходит герметизация рабочей зоны цилиндра и поршня. Возможность работы кромок нулевого разреза уплотнительного кольца внахлест, благодаря треугольным (призматическим) формам, позволяет снизить деформационные нагрузки уплотнительного кольца, повысить степень герметизации. Полиамидные уплотнительные кольца обеспечивают низкий коэффициент трения о стенки цилиндра (коэффициент трения полиамида по стали 0,2-0,3 (ГОСТ 11 629-75) по сравнению со стальными уплотнителями (коэффициент трения стали по стали составляет 0,8 (ГОСТ 23.214-83)), препятствуя коррозионному износу трущихся поверхностей, продлевая срок эксплуатации оборудования (как компрессора в целом, так и его отдельных трущихся элементов).
Использование разрезных уплотнительных колец прямоугольного сечения, выполненных из полиамида позволяет создать надежное уплотнение, предотвращающее пропуск газа в корпус компрессора. Предлагаемый материал в устройстве уплотнения пары цилиндр-поршень компрессора эластичный и выдерживает высокие температуры (до 187°C), сохраняя свои физические свойства. Прямоугольная форма сечения уплотнительного кольца позволяет хорошо противостоять скручивающим, фронтальным и поперечным силовым нагрузкам (вследствие геометрических ребер жесткости). Нулевой разрез на кольце позволяет вследствие наличия температурных расширений и механических нагрузок обеспечивать достаточную герметизацию пространства цилиндра компрессора. Относительная эластичность материала уплотнительного кольца позволяет избежать серьезных повреждений цилиндра и поршня компрессора в случае полного разрушения самого кольцевого уплотнения, так как его разрушение не приводит к образованию жестких осколков.
Проведенные практические испытания (эксплуатация на производственной площадке) показали эффективность предлагаемого технического решения, так например, наработка колец составляет 15000 часов, против 5000 часов у прототипа, износ по толщине при стандартных условиях эксплуатации колец составило 7-10% от нового, в то время как эксплуатация уплотнителей из стали по прототипу приводило к полному износу поршневой группы. При этом следует отметить, что выявлено уменьшение расхода масла до 60%, что позволяет сэкономить на ремонте и техническом обслуживании компрессоров немецкого производства.