уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин

Формула изобретения

1. 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 манжету, нажимное кольцо из того же материала, что и манжеты, и опорное кольцо, отличающееся тем, что нажимная манжета и нажимное кольцо совмещены и выполнены в виде единой кольцевой нажимной опоры, в которой примыкающий к рабочей манжете торец имеет выступающий упор и скошенные наружу поверхности по бокам упора, углы наклона указанных поверхностей равны или меньше соответствующих углов опорных поверхностей пружинных язычков рабочих манжет в их свободном состоянии.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нажимная опора выполнена из эластичного материала, модуль упругости которого равен или до трех раз больше соответствующего показателя материала рабочих манжет.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль упругости материала рабочих манжет повышается в направлении от опорного кольца к нажимной опоре, но не превышает соответствующего показателя нажимной опоры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для уплотнения подвижных и неподвижных цилиндрических пар гидравлических и пневматических машин, преимущественно работающих при повышенных давлениях и воздействии агрессивных и абразивных сред, например в нефтепромысловом оборудовании.

Известно уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин, содержащее пакет манжет с имеющими уплотняющую и опорную поверхности пружинными язычками, с центральным выступом переменной толщины и соответствующую ему канавку на противоположном торце, а также нажимное кольцо, взаимодействующее с тыльной частью крайней манжеты (SU № 1185002 А, МПК⁴ F 16 J 15/32, 1985). В этом устройстве имеется также опорное кольцо (показано на фиг.1, 3, 4), при этом нажимное кольцо (позиция 2 на фиг.1) по геометрии аналогично рабочей манжете 1, но не имеет паза.

Технический недостаток устройства: недостаточная долговечность нажимного кольца и пакета манжет в целом из-за контакта тыльной части нажимного кольца с металлической опорой (см. фиг.3), дополнительной деформации и износа нажимного кольца вследствие нерегламентированного поведения пружины язычков этого кольца.

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 манжету, нажимное кольцо из того же материала, что и манжеты, и опорное кольцо (см. статью Пындака В.И. и др. “Сборный поршень для буровых и цементировочных агрегатов” в журнале “Нефтяное хозяйство” М., 2000, № 12, с.49-50). Здесь нажимная манжета по геометрии аналогична рабочей манжете, но не имеет паза, но эта манжета опирается на эластичное нажимное кольцо, что улучшает условия эксплуатации нажимной манжеты и пакета в целом.

Технический недостаток данного устройства: повышенные габариты из-за наличия дополнительного нажимного кольца и недостаточно высокая долговечность вследствие нерегламентированного поведения пружинных язычков нажимной манжеты.

Техническая задача: снижение габаритов и повышение долговечности за счет совмещения нажимной манжеты и нажимного кольца и придания им новых функций.

Согласно изобретению нажимная манжета и нажимное кольцо совмещены и выполнены в виде единой кольцевой нажимной опоры, в которой примыкающий в рабочей манжете торец имеет центральный выступ и скошенные наружу поверхности по бокам выступа, углы наклона указанных поверхностей меньше соответствующих углов опорных поверхностей пружинных язычков рабочих манжет в их свободном состоянии.

Наряду с этим нажимная опора выполнена из эластичного материала, модуль упругости которого равен или до трех раз больше соответствующего показателя материала рабочих манжет; модуль упругости материала рабочих манжет повышается в направлении от опорного кольца к нажимной опоре, но не превышает соответствующего показателя нажимной опоры.

На фиг.1 изображено уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин в разрезе; на фиг.2 - нажимная опора.

Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин включает пакет рабочих манжет, например пакет из трех манжет 1-3. Каждая манжета имеет пружинные язычки 4 и 5 с уплотняющей 6 и опорной 7 поверхностями, центральный выступ 8 переменной толщины и соответствующую ему канавку 9 на противоположном торце манжеты. Язычки 4 и 5 соединены с выступом 8 посредством “слабых” перемычек. В состав уплотнительного устройства входит также кольцевая нажимная опора 10, совмещающая в себе функции нажимной (глухой) манжеты и эластичного нажимного кольца, и металлическое опорное кольцо 11 с кольцевой канавкой, взаимодействующей с центральным выступом 8 крайней правой манжеты 1. На торце нажимной опоры 10, примыкающем к последней (левой) рабочей манжете 3, имеется выступающий упор 12 и скошенные наружу поверхности 13 и 14 по бокам упора. Углы наклона указанных поверхностей равны или меньше соответствующих углов опорных поверхностей 7 пружинных язычков 4 и 5 рабочих манжет в их свободном состоянии.

Нажимная опора 10 выполнена из эластичного материала, модуль упругости Е₀ которого равен или до трех раз больше соответствующего показателя материала рабочих манжет 1-3. Возможна модификация уплотнительного устройства, в котором модуль упругости материала рабочих манжет повышается в направлении от опорного кольца 11 к нажимной опоре 10, но не превышает соответствующего показателя Е₀ нажимной опоры. Это означает: если модули упругости материала манжет 1-3 равны соответственно E₁, Е₂ и Е₃, то Е₁<Е<Е Е₀. Рабочие манжеты 1-3 и нажимная опора 10 могут быть изготовлены методом вулканизации в пресс-формах из резиноткани или изготовлены точением на специальном токарном станке из эластичных, но достаточно прочных полимерных материалов. В последнем варианте варьирование модулем упругости материалов не вызывает затруднений.

Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин работает следующим образом.

В зависимости от условий эксплуатации и рабочего давления среды количество рабочих манжет 1-3 может изменяться от двух до пяти, что соответствует диапазону давлений 20-105 МПа. Сборку пакета осуществляют: с натягом до 2-х мм за счет предварительной деформации манжет 1-3 и нажимной опоры 10 (для давлений среды 70-105 МПа); без натяга (давления 30-70 МПа); с зазором 1,0-1,5 мм (давления <30 МПа). Сборку производят, как правило, на консистентной смазке, совместимой с предполагаемой средой. При сборке выступы 8 манжет 2, 3 входят в соответствующие канавки 9 на манжетах 1, 2, а упор 12 - в канавку 9 на манжете 3. Благодаря этому весь пакет эластичных деталей центрируется по оси выступов 8. При работе уплотнительного устройства - восприятии давления среды со стороны опорного кольца 11 и перемещении пакета вместе с поршнем относительно цилиндра нагружается весь пакет, включая нажимную опору 10. Основная нагрузка передается центральными выступами 8 - наиболее прочными и жесткими элементами манжет 1-3. Эта нагрузка воспринимается выступающим упором 12, в виде напряжений распространяется с различной интенсивностью по сечению нажимной опоры 10 и замыкается на металлический корпус. Материал нажимной опоры обладает одинаковым или большим модулем упругости по сравнению с рабочими манжетами, а сама опора имеет более массивное сечение. Поэтому часть нагрузки не возвращается (в виде реакции) на манжеты, т.е. нажимная опора 10 обладает также демпфирующими и диссипативными свойствами.

Наряду с этим определенная часть нагрузки от давления среды воспринимается боковыми (по отношению к центральному выступу 8) пружинными язычками 4 и 5 манжет. Поскольку язычки соединены с выступом посредством “слабых” перемычек, то сечение язычков лишь частично деформируется под действием давления среды. Основная деформация язычков заключается в их развороте на перемычках, как на своеобразных мягких шарнирах. После этого опорные поверхности 7 пружинных язычков правой рабочей манжеты 1 опираются на соответствующие фронтальные плоскости язычков 4 и 5 следующей (промежуточной) манжеты 2, поверхности 7 манжеты 2 - на аналогичные плоскости язычков манжеты 3, а поверхности 7 этой последней (левой) рабочей манжеты опираются на скошенные наружу (по бокам упора 12) поверхности 13 и 14 нажимной опоры 10. Одновременно с этим пружинные язычки 4 и 5 рабочих манжет 1-3, частично деформируясь под действием давления среды, прижимаются своими уплотняющими поверхностями 6 к уплотняемым поршню и цилиндру. Кольцевые площадки поджатия поверхностей 6 тем больше, чем выше внешняя нагрузка - давление среды. Следовательно, рабочие манжеты 1-3 и их пружинные язычки 4 и 5, передавая только часть внешней нагрузки, приспосабливаются к этой нагрузке. Благодаря этому не требуется традиционная операция предварительного “раздавливания” манжет, вследствие чего снижается сила трения и износ уплотняющих поверхностей 6.

Таким образом, при действии давления среды пакет эластичных деталей из рабочих манжет и нажимной опоры 10 превращается в замкнутую самоустанавливающуюся (в зависимости от величины давления) систему. В пакетных уплотнениях в наиболее неблагоприятных условиях находятся нажимные элементы, причем контактные напряжения возрастают от опорного к нажимному кольцу. В предлагаемом уплотнительном устройстве модуль упругости материала манжет возрастает в том же направлении - от опорного кольца к нажимной опоре, при этом опорные поверхности 7 всех рабочих манжет имеют ответные эластичные поверхности на соседнем элементе. Нажимная опора 10 не нуждается в своей ответной эластичной поверхности, поскольку ее тыльная сторона плоская. Геометрическая форма, массивность, модуль упругости материала опоры, указанное сочетание модулей упругости материала манжет и опоры в совокупности обеспечивают разгрузку рабочих манжет, демпфирование нагрузок и диссипацию энергии. Все это способствует повышению долговечности, а совмещение двух деталей в единой нажимной опоре - и снижению габаритов уплотнительного материала.