RU2235932C2 - Sealing device for piston - Google Patents

Abstract

FIELD: hydraulic mechanical engineering.

SUBSTANCE: sealing rings are nondetachable, provided with one cut of a given width, and have diameter which exceeds the diameter of the bearing collar of the core.

EFFECT: enhanced reliability.

2 cl, 2 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к области гидромашиностроения, в частности к уплотнительным устройствам цилиндро-поршневой группы буровых поршневых насосов одностороннего и двустороннего действия. Поршень в паре с цилиндровой втулкой, снабженные уплотнительной манжетой, образуют замкнутый объем нагнетаемой жидкости, которая выдавливает манжету в уплотняемый зазор, образующийся в результате износа пары трения "поршень-цилиндровая втулка" и представляющий собой кольцевое пространство между внутренней (рабочей) поверхностью цилиндровой втулки и буртом сердечника поршня. В результате циклических воздействий нагнетаемой жидкости на манжету происходит выработка манжеты в уплотняемой зоне, которая приводит к потере герметичности пары "поршень -цилиндровая втулка".The claimed invention relates to the field of hydraulic engineering, in particular to sealing devices of a cylinder-piston group of single and double acting reciprocating piston pumps. The piston paired with the cylinder sleeve, equipped with a sealing sleeve, form a closed volume of pumped fluid, which squeezes the sleeve into the sealing gap, resulting from the wear of the piston-cylinder sleeve friction pair and representing the annular space between the inner (working) surface of the cylinder sleeve and collar of the piston core. As a result of the cyclic effects of the injected fluid on the cuff, the cuff develops in the sealing area, which leads to a loss of tightness of the piston-cylinder sleeve pair.

Известно уплотнительное устройство для поршня, в котором предусмотрен механизм перекрытия уплотняемого зазора упругими кольцами из материала с достаточно высоким модулем упругости, исключающим деформирование эластичной манжеты в направлении уплотняемого зазора; однако в этом устройстве не обеспечивается постоянство уплотняемого зазора, и упругие кольца работают в зоне напряжений, которые лимитируют их ресурс из-за усталостного разрушения (см. а.с. СССР №1601442).A sealing device for a piston is known, in which a mechanism for closing the sealing gap with elastic rings of a material with a sufficiently high modulus of elasticity, excluding the deformation of the elastic cuff in the direction of the sealing gap, is provided; however, this device does not ensure the constancy of the sealing gap, and the elastic rings work in the stress zone, which limit their life due to fatigue failure (see AS USSR No. 1601442).

За ближайший аналог заявляемого технического решения принято уплотнительное устройство для поршня (см. а.с. СССР №1809218), состоящее из сердечника поршня с опорным буртом, манжеты, разрезных колец и пластически деформируемой втулки, выполненной на части манжеты, в котором обеспечивается условие постоянства уплотняемого зазора по мере износа пары трения "поршень-цилиндровая втулка" на уровне, исключающем выдавливание эластичной манжеты в этот зазор; этому условию соответствует выбор толщины стенки втулки уплотнительного устройства из соотношения:For the closest analogue of the claimed technical solution, a sealing device for a piston was adopted (see USSR AS No. 1809218), consisting of a piston core with a support collar, a cuff, split rings and a plastically deformable sleeve made on the part of the cuff, in which the condition of constancy is ensured the gap being sealed as the piston-cylinder sleeve friction pair wears out at a level that excludes extrusion of the elastic cuff into this gap; this condition corresponds to the choice of the wall thickness of the sleeve of the sealing device from the ratio:

где Dо.б.с. - диаметр опорного бурта сердечника поршня, мм;where dob.s. - diameter of the support collar of the piston core, mm;

δ_т - предел текучести материала втулки уплотнительного устройства, МПа;δ _t - yield strength of the material of the sleeve of the sealing device, MPa;

Р - гидростатическое давление жидкости на манжету (давление нагнетания), МПа.P - hydrostatic pressure of the liquid on the cuff (discharge pressure), MPa.

Известному устройству присущи следующие недостатки:The known device has the following disadvantages:

- отсутствует предварительное прижатие разрезных колец к рабочей поверхности цилиндровой втулки после сборки пары "поршень-цилиндровая втулка";- there is no preliminary pressing of the split rings to the working surface of the cylinder sleeve after assembling a pair of "piston-cylinder sleeve";

- необходима предварительная опрессовка устройства на расчетном давлении (при первом ходе поршня) для создания режима постоянства уплотняемого зазора;- preliminary pressure testing of the device is necessary at the design pressure (at the first stroke of the piston) to create a mode of constancy of the sealing gap;

- требуется использование специальных способов опрессовки при жесткой характеристике привода, например при дизельном приводе или электроприводе переменного тока, т.к. запуск бурового насоса с этим типом привода осуществляется на холостом ходу с последующим плавным наращиванием давления на выходе насоса и соответственно не обеспечивается режим опережающего перекрытия уплотняемого зазора;- requires the use of special crimping methods with a rigid drive characteristic, for example, with a diesel drive or an AC electric drive, because starting the mud pump with this type of drive is idling, followed by a smooth increase in pressure at the pump outlet and, accordingly, the mode of leading overlapping of the sealing gap is not ensured;

- конструкция устройства рассчитана на изготовление (формование) манжеты совместно с разрезными кольцами и сердечником поршня;- the design of the device is designed for the manufacture (molding) of the cuff together with split rings and the piston core;

- не определены механические свойства разрезных колец.- the mechanical properties of split rings have not been determined.

Задача заявляемого изобретения заключается в повышении надежности уплотнительного устройства, простого в изготовлении и эксплуатации.The task of the invention is to increase the reliability of the sealing device, simple to manufacture and operate.

Сущность нового технического решения заключается в том, что в уплотнительном устройстве для поршня, содержащем сердечник поршня с опорным буртом, установленную на нем уплотнительную манжету, уплотнительные кольца и пластически деформируемую втулку, размещенные в проточке, выполненной на части манжеты со стороны опорного бурта поршня, уплотнительные кольца выполнены неразъемными с одним разрезом и наружным диаметром, превышающим диаметр опорного бурта сердечника поршня на величину dD, определяемую зависимостьюThe essence of the new technical solution lies in the fact that in a sealing device for a piston containing a piston core with a support collar, a sealing collar installed on it, sealing rings and a plastically deformable sleeve placed in a groove made on the cuff part from the side of the supporting collar of the piston, the sealing the rings are made one-piece with one cut and an outer diameter exceeding the diameter of the support collar of the piston core by a value dD determined by the dependence

dD=Dу.к.-Dо.б.с.,dD = Du.s.-Do.s.,

где Dу.к. - наружный диаметр уплотнительных колец;where Du - the outer diameter of the o-rings;

Dо.б.с. - диаметр опорного бурта сердечника поршня;Do.b.s. - diameter of the support collar of the piston core;

при этом уплотнительное кольцо, прилегающее к манжете, имеет коническую поверхность со стороны торца, обращенную в сторону манжеты; расстояние между торцами разреза уплотнительных колец удовлетворяет соотношениюwherein the o-ring adjacent to the cuff has a conical surface from the end side facing the cuff; the distance between the ends of the cut of the sealing rings satisfies the relation

Δ≥π·dD,Δ≥π · dD,

где Δ - расстояние между торцами разреза;where Δ is the distance between the ends of the section;

и изготовлены уплотнительные кольца из углепластика.and carbon rings are made of carbon fiber.

На фиг.1 изображено сечение нового уплотнительного устройства,Figure 1 shows a cross section of a new sealing device,

на фиг.2 показана схема установки уплотнительного устройства.figure 2 shows the installation diagram of the sealing device.

Новое уплотнительное устройство для поршня содержит эластичную манжету 1; уплотнительное кольцо 2, прилегающее к манжете и имеющее коническую поверхность, обращенную в сторону манжеты 1; уплотнительное кольцо 3, прилегающее к торцевой поверхности опорного бурта; втулку 4, обладающую определенными геометрическими параметрами и свойствами материала при растяжении и установленную на части манжеты 1 со стороны торцевой поверхности опорного бурта сердечника поршня 5.The new sealing device for the piston contains an elastic sleeve 1; a sealing ring 2 adjacent to the cuff and having a conical surface facing toward the cuff 1; a sealing ring 3 adjacent to the end surface of the support collar; a sleeve 4 having certain geometrical parameters and material properties under tension and mounted on the part of the cuff 1 from the side of the end surface of the support collar of the piston core 5.

Преимущество применения неразъемных уплотнительных колец состоит в том, что оно позволяет производить формование (сборку) уплотнительного устройства независимо от сердечника поршня для использования в сборных поршнях.The advantage of using one-piece sealing rings is that it allows molding (assembly) of the sealing device regardless of the piston core for use in prefabricated pistons.

Разрез в уплотнительном кольце 2 может быть выполнен прямым или косым, под углом к продольной оси поршня.The cut in the sealing ring 2 can be made straight or oblique, at an angle to the longitudinal axis of the piston.

Геометрическое соотношение между величиной dD и Δ должно удовлетворять условию:The geometric relationship between the value of dD and Δ must satisfy the condition:

Δ≥π·dD,Δ≥π · dD,

при котором достигается деформирование уплотнительных колец в заходной фаске цилиндровой втулки, как показано на фиг.2. Деформация на величину Δ создает предварительное прижатие уплотнительных колец к рабочей поверхности цилиндровой втулки, что предотвращает выдавливание эластичной манжеты в уплотняемый зазор без предварительной опрессовки уплотнительного устройства.at which the deformation of the sealing rings in the entry facet of the cylinder sleeve is achieved, as shown in figure 2. Deformation by Δ creates a preliminary compression of the sealing rings to the working surface of the cylinder sleeve, which prevents the elastic cuff from being squeezed into the sealing gap without first crimping the sealing device.

Конструкция уплотнительного устройства и механизм взаимодействия пары трения "поршень-цилиндровая втулка" обеспечивают наиболее высокий ресурс поршня при использовании в качестве материала уплотнительных колец углеродных материалов, в частности углепластика.The design of the sealing device and the mechanism of interaction of the friction pair “piston-cylinder sleeve” provide the highest piston life when using carbon rings, in particular carbon fiber, as the sealing rings.

Работает уплотнительное устройство следующим образом.The sealing device operates as follows.

После установки поршня в новую или частично изношенную цилиндровую втулку происходит деформирование уплотнительных колец и их предварительное прижатие к рабочей поверхности цилиндровой втулки с усилием, определяемым модулем упругости материала уплотнительных колец и величиной dD превышения диаметра уплотнительных колец по отношению к диаметру D_о.б.с. опорного бурта сердечника поршня.After installing the piston in a new or partially worn cylinder bushing, the sealing rings are deformed and pre-pressed against the working surface of the cylinder bushing with a force determined by the elastic modulus of the material of the sealing rings and the value dD of exceeding the diameter of the sealing rings with respect to the diameter D _o.s. supporting collar of the piston core.

На первом этапе деформирования манжеты в такте нагнетания происходит нарастание напряжения сжатия в поверхностном слое манжеты более интенсивно, чем внутри манжеты, за счет действия сил трения на поверхности контакта манжеты с цилиндровой втулкой.At the first stage of cuff deformation in the injection stroke, the compression stress increases in the surface layer of the cuff more intensively than inside the cuff due to the action of friction forces on the contact surface of the cuff with the cylinder bushing.

Поверхностный силовой поток, воздействуя на коническую поверхность уплотнительного кольца со стороны манжеты, разжимает его и создает дополнительное усилие прижатия к рабочей поверхности цилиндровой втулки. По мере выравнивания напряжения сжатия по всему объему манжеты будет происходить увеличение контактного давления уплотнительных колец к поверхности цилиндровой втулки за счет действия сжатого объема манжеты на внутреннюю поверхность втулки. При этом давление, передаваемое на поверхность контакта уплотнительных колец с цилиндровой втулкой, будет определяться разностью сил, определяемых давлением нагнетания и упругих сил деформирования втулки. По мере износа пары трения и увеличения уплотняемого зазора между рабочей поверхностью цилиндровой втулки и опорным буртом сердечника поршня втулка будет расширяться за счет пластического деформирования и обеспечивать режим постоянства зазора между уплотнительными кольцами и рабочей поверхностью цилиндровой втулки.The surface power flow, acting on the conical surface of the sealing ring from the side of the cuff, unclenches it and creates an additional pressure force against the working surface of the cylinder sleeve. As the compression stress is equalized throughout the cuff volume, the contact pressure of the sealing rings to the surface of the cylinder sleeve will increase due to the action of the compressed volume of the cuff on the inner surface of the sleeve. In this case, the pressure transmitted to the contact surface of the sealing rings with the cylinder sleeve will be determined by the difference in the forces determined by the discharge pressure and the elastic deformation forces of the sleeve. As the friction pair wears out and the sealing gap between the working surface of the cylinder sleeve and the supporting collar of the piston core increases, the sleeve will expand due to plastic deformation and provide a constant gap between the sealing rings and the working surface of the cylinder sleeve.

Увеличивающийся зазор между торцами разреза уплотнительного кольца со стороны манжеты по мере износа пары трения перекрывается уплотнительным кольцом со стороны опорного бурта сердечника поршня, разрез которого смещен относительно разреза уплотнительного кольца со стороны манжеты.The increasing gap between the ends of the cut of the sealing ring on the cuff side as the friction pair wears off is blocked by the packing ring on the side of the support collar of the piston core, the cut of which is offset from the cut of the sealing ring on the cuff side.

Claims (4)

1. Уплотнительное устройство для поршня, содержащее сердечник поршня с опорным буртом, установленную на нем уплотнительную манжету, уплотнительные кольца и пластически деформируемую втулку, размещенные в проточке, выполненной на части манжеты со стороны опорного бурта поршня, отличающееся тем, что уплотнительные кольца выполнены неразъемными с одним разрезом, и наружный диаметр колец превышает диаметр опорного бурта сердечника поршня на величину dD, где dD=Dу.к.-Dо.б.с., Dу.к. - наружный диаметр уплотнительных колец; Dо.б.с. - диаметр опорного бурта сердечника поршня.1. A sealing device for a piston, comprising a piston core with a support collar, a sealing collar mounted on it, sealing rings and a plastically deformable sleeve located in a groove made on the cuff part from the side of the supporting collar of the piston, characterized in that the sealing rings are integral with in one cut, and the outer diameter of the rings exceeds the diameter of the support collar of the piston core by the value of dD, where dD = Du.s.-Do.s., Du.s. - the outer diameter of the o-rings; Do.b.s. - the diameter of the support collar of the piston core. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что уплотнительное кольцо, прилегающее к манжете, имеет коническую поверхность со стороны торца, обращенную в сторону манжеты.2. The device according to claim 1, characterized in that the o-ring adjacent to the cuff has a conical surface from the end side facing the cuff. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между торцами разреза уплотнительных колец должно удовлетворять соотношению3. The device according to claim 1, characterized in that the distance between the ends of the cut of the sealing rings must satisfy the ratio Δ≥π·dD,Δ≥π · dD, где Δ - расстояние между торцами разреза.where Δ is the distance between the ends of the section. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что уплотнительные кольца изготовлены из углеродного материала, в частности из углепластика.4. The device according to claim 1, characterized in that the o-rings are made of carbon material, in particular carbon fiber.

Images