Уплотнение для клапанно-поршневой машины и клапанно- поршневая машина типа насоса или компрессора

 

Сущность изобретения: прокладка приспособлена для взаимодействия с поршнем машины. Кольцевой маталлический корпус расположен неподвижно в выемке. На внутренней поверхности корпуса выполнен кольцевой паз, открытый в направлении противоположной торцовой поверхности зажимной гайки. В паз установлено сжимающее и удерживающее прокладку неподвижное кольцо, упертое в дно паза и выполненное по радиусу меньше его глубины. Прокладка образована уплотнительными кольцами, выполненными с продольной прорезью вдоль оси по всей длине и толщине. Кольца разведены прорезями в угловом направлении и зафиксированы неподвижно от углового перемещения в кольце. Толщина уплотнительных колец по радиусу выполнена больше размера глубины паза без толщины кольца. В пазу установлено стопорное кольцо, упирающееся в дно паза и прокладку, внутренний диаметр которого выполнен больше, чем внутренний диаметр прокладки. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к клапанно-поршневым машинам, таких как насосы и компрессоры, более конкретно к насосам высокого давления, используемым для того, чтобы заставить поток снаряженной жидкости для снабжения при высоких давлениях, даже очень высоких давлениях, двигаться регулярно и непрерывно к конечному пользователю, преобразующим или распределительным установкам и т. д.

В известных технических решениях предлагалось использование машины высокого давления, включающей цилиндр, содержащий поршень и сообщающийся с камерой высокого давления. Корпус насоса образует две камеры с двумя седлами, с которыми взаимодействуют два клапана, всасывающий и нагнетательный.

В насосе такого типа в цилиндре помещается уплотнение, взаимодействующее с наружной цилиндрической поверхностью поршня. Такое уплотнение устанавливается в выемке, упираясь в выступ, и образуется несколькими прокладками елочного профиля, которые предварительно сжимаются кольцом, на которое действует нажимная гайка. Можно полагать, что такие прокладки являются прокладками типа с упорными выступами и что предварительное сжатие является регулируемым путем деформации прокладок, обжимаемых этим сжатием вокруг поршня.

Хотя такие насосы могут рассматриваться как отвечающие первой функции принудительного движения среды под высоким, даже очень высоким давлением, на практике они являются мало пригодными для течения снаряженных жидкостей, которые являются ответственными за быстрое ухудшение свойств уплотнения.

Ухудшение свойств уплотнения всегда ведет к ремонтной работе, которая является длительной, трудной и дорогостоящей с дополнительной трудностью, касающейся точной регулировки зажатия прокладок.

Задача изобретения состоит в том, чтобы преодолеть известные недостатки уплотнений для насосов высокого давления известных технических решений, и с этой целью предлагается новое уплотнение, образованное так, что герметизация при взаимодействии с цилиндрической поверхностью поршня осуществляется путем самосжатия прокладки как функции рабочих условий от первоначального свободного положения, в котором упомянутая прокладка является или свободной от сжатия, или подвергается незначительному предварительному сжатию.

Другая задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить новое уплотнение, которое может легко и быстро устанавливаться в цилиндр без требования выполнения точной регулировки зажатия, как в обычных посадках.

Для того, чтобы достичь технического результата, уплотнение согласно изобретению отличается тем, что включает кольцевой металлический корпус, предназначенный для того, чтобы оставаться неподвижным в выемке с помощью зажимной гайки, и включающий на своей внутренней цилиндрической поверхности кольцевой паз, открывающийся в направлении торцовой поверхности, противоположной той поверхности, в которую упирается гайка; кольцо, поддерживающее и сжимающее уплотнение, расположенное в пазу, в то же время остающееся неподвижным относительно дна этого паза и имеющее толщину меньшую, чем глубина паза; уплотнение, образованное по меньшей мере двумя уплотнительными кольцами, имеющими прорези по всей своей осевой длине и всей своей толщине, расположенными рядом друг с другом, деформируемыми по радиусу, но не в осевом направлении, в которых упомянутые прорези разнесены в угловом направлении, лишенными возможности перемещения в угловом направлении в кольце, и радиальная толщина по радиусу которых является большей, чем размер, добавочный к толщине кольца, чтобы уравнить его с глубиной паза; и стопорное кольцо, упирающееся в дно паза, на которое упирается уплотнение и внутренний диаметр которого больше, чем внутренний диаметр уплотнения.

На фиг. 1 изображено уплотнение в разрезе; на фиг. 2 вид А на фиг. 1 в аксонометрии; на фиг. 3 один из элементов уплотнения в аксонометрии; на фиг. 4 предпочтительный вариант уплотнения, в разрезе; на фиг. 5 элемент уплотнения согласно варианту на фиг. 4 в аксонометрии; на фиг. 6 установка уплотнения в машину; на фиг. 7 клапанно-поршневая машина с уплотнением.

Уплотнение предназначается для оборудования машины 1, например компрессора или предпочтительно насоса высокого давления, даже очень высокого давления, включающего корпус 2, определяющий цилиндр 3, связанный с камерой 4 высокого давления. Цилиндр 3 служит направляющей для скользящего поршня 5, возвратно-поступательное движение которого по прямолинейному пути по стрелке f1 производит всасывание и нагнетание из камеры 4 жидкости, которая может поступать из всасывающего контура 6 и подаваться в нагнетательный контур 7. С этой целью камера высокого давления имеет два клапанных блока 8 и 9, имеющих седла 10 и 11 для взаимодействия с клапанами 12 и 13, упруго удерживаемый в закрытом положении и называемыми соответственно всасывающий и нагнетательный.

Герметичность между поршнем 5 и цилиндром 3 обеспечивается уплотнением 15, которое помещается в выемку 16, образованную в цилиндре 3. Уплотнение 15 устанавливается неподвижно, упираясь в выступ 17 выемки 16 с помощью зажимной гайки 18, доступной со стороны открытой части цилиндра 3, противоположной части, связанной с камерой 4. В примере, показанном на фиг. 7, уплотнение 15 представляет собой прокладку елочного профиля.

На фиг. 1-3 уплотнение включает кольцевой металлический корпус 20, предназначенный для установки в выемку 6. Кольцевой металлический корпус имеет наружную цилиндрическую поверхность 21, две торцовых поверхности 22 и 23, названные соответственно стопорной поверхностью для взаимодействия с выступом 17 и зажимной поверхностью для взаимодействия с гайкой 18, и внутреннюю цилиндрическую поверхность 24. Корпус 20 включает со стороны своей торцовой поверхности и в своей внутренней цилиндрической поверхности 24 кольцевой паз 25, имеющий постоянную глубину по радиусу R, и торцевое дно 26. Паз 25 заполняется поддерживающим уплотнение зажимным кольцом 27, толщина по радиусу е которого меньше, чем глубина паза 25. На фиг. 2 кольцо 27 занимает всю длину по оси паза так, чтобы быть на одном уровне с торцовой поверхностью 22.

Кольцо 27 изготавливается из любого материала, допускающего упругую деформацию под нагрузкой. Предпочтительно, чтобы кольцо 27 изготавливалось из полимера, такого как полиуретан или материал, имеющий равноценные механические свойства, большое число примеров которых известны в технике. Кольцо 27 предназначено во всех случаях для того, чтобы быть неподвижно установленным в паз 25 с упором в дно 26. В примере, показанном на фиг. 1, такое неподвижное положение достигается прямым заключением в паз 25 между дном 26 и выступом 17.

Кольцо 27 поддерживает прокладку 28, которая образуется из по меньшей мере двух уплотнительных колец 29 и 30, расположенных рядом друг с другом, прорезанных от торца до торца так, чтобы быть деформируемыми по радиусу, но не по оси. Уплотнительные кольца 29 и 30 изготавливаются из любого подходящего материала так, чтобы быть способными взаимодействовать непосредственно с наружной цилиндрической поверхностью поршня 5. В предпочтительном варианте уплотнительные кольца 29 и 30 изготавливаются из керамического материала, например, на основе окиси алюминия или смеси окиси алюминия и окиси циркония, или окиси циркония, или равноценных хорошо известных материалов.

Для того, чтобы взаимодействовать с наружной цилиндрической поверхностью поршня и чтобы быть единственными элементами, вступающими с ней в контакт, уплотнительные кольца 29 и 30 имеют толщину по радиусу е большую, чем размер, который нужно добавить к толщине е кольца 27 для того, чтобы уравнять ее с глубиной паза 25. Таким образом, уплотнительные кольца 29 и 30 выступают из внутренней цилиндрической поверхности 24 корпуса 20.

Уплотнительные кольца 29 и 30 устанавливаются внутри кольца 27 неподвижно для углового движения, так что осевые прорези 31 и 32, которые они включают, имеют угловое смещение, оно совпадает предпочтительно со 180^о.

Уплотнительные кольца 29 и 30 расположены рядом друг с другом с помощью двух шпонок 33, каждая из которых включает (фиг. 3) головку 34 и выступ 35. Каждая шпонка 33 зацепляется в сопряжение через гнездо 36, образованное по толщине кольца 27. Длина по радиусу выступа 35 такова, что после вставки шпонки 33 в гнездо 36 она входить зацепление с прорезью 31 или 32 соответствующего уплотнительного кольца.

Уплотнение включает стопорное кольцо 37, которое располагается в расточенной части 38, образованной на стыке дна 26 и внутренней цилиндрической поверхности 24, для формирования опорного седла 39. Стопорное кольцо имеет поперечное сечение, сопрягающееся с расточенной частью 38, так чтобы образовать опорную поверхность для прокладки 28, более конкретно для уплотнительного кольца 29, без выхода за пределы внутренней цилиндрической поверхности 36.

Уплотнение имеет на своей наружной цилиндрической поверхности 21 канавку 40 для установки прокладки 41, например О-образной прокладки.

На фиг. 1 уплотнение имеет прокладку 28, образованную из двух уплонительных колец 29 и 30, которые являются единственными элементами, выступающими за пределы внутренней цилиндрической поверхности 24 так, чтобы взаимодействовать с наружной цилиндрической поверхностью поршня 5. Кроме того, поскольку паз 25 открывается с торцовой поверхности 22, кольцо 27 и уплонительные кольца 29 и 30 подвергаются воздействию давления жидкости, находящейся в камере 4.

На фиг. 4 показан вариант, в котором уплотнение включает кольцо 27, длина по оси которого является меньшей, чем длина по оси паза 25. Уплотнение поэтому становится законченным благодаря наличию стопорного кольца 42, противоположного кольцу 37, длина которого выбирается так, чтобы оно было на одном уровне с торцовой поверхностью 22. На фиг. 5, кольцо 42 относится к типу колец с зубцами, выступающими из него внутренней цилиндрической поверхности так, чтобы оставлять проходы 43, которые поддерживают связь между кольцом 27 и прокладкой 28 и камерой 4 высокого давления. Предпочтительно, когда кольцо 42 имеет проточку на наружной цилиндрической поверхности, чтобы обеспечить неподвижность по оси уплотнительных колец 29 и 30 между ним и стопорным кольцом 37. Толщина по радиусу кольца 42 является меньшей, чем сумма толщин, чтобы соответствовать условию взаимодействия с наружной цилиндрической поверхностью поршня 5 только уплотнительных колец 29 и 30.

Уплотнение вдвигается с легким нажатием в выемку 16 после того, как прокладка 41 уже вставлена в канавку 40. Назначение этой прокладки состоит в том, чтобы обеспечить герметичность между корпусом 20 и выемкой 16.

Уплотнение вставляется так, чтобы поверхность 22 уперлась в выступ 17 или напрямую, или через промежуточное металлическое кольцо 44, имеющее толщину по радиусу, равную глубине выемки 16, и позволяющее осуществлять регулировку точного поперечного положения прокладки 28. После вставки корпус 20 лишается возможности двигаться по оси посредством зажимной гайки 18, которая действует напрямую или через кольцо 14, распределяющее нагрузку на торцевую поверхность 23.

Осуществленный зажим вызывает только осевое сжатие, которое может выдерживаться различными лежащими друг на друге металлическими частями, не приводя к предварительному сжатию прокладки, обладающей свойством деформации.

В этом положении, которое показано на фиг. 6, кольцо 27 лишается возможности осевого движения, упираясь в дно 26 или напрямую, или через зазубренное кольцо 42, как показано на фиг. 2 или 5. Когда используется кольцо 42, сдавливание уплотнения приводит к тому, что прокладка 28 лишается возможности движения вдоль оси, поскольку уплотнительные кольца 29 и 30 удерживаются в положении между противоположными стопорными кольцами 37 и 42. В собранном состоянии поршень 5 может занять свое положение в цилиндре 3 так, чтобы взаимодействовать по своей наружной цилиндрической поверхности 19 с прокладкой 28, уплотнительные кольца 29 и 30 которой подвергаются при вхождении в контакт с поршнем 5 радиальной упругой деформации за счет частичного раскрытия их прорезей 31 и 32.

В спокойном состоянии, таком как показано на фиг. 6, сжатие уплотнительных колец 29 и 30 проистекает из регулировки сдавливания и может рассматриваться как незначительное, принимая во внимание материал, образующий уплотнительные кольца, их форму и их способ сдавливания внутри кольца 27, сделанного из материала, допускающего упругую деформацию.

Во время прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня 5 в камере 4 имеет место рост давления для каждого нагнетательного хода поршня 5. Это растущее давление прикладывается из-за открывания торцовой поверхности 22 к кольцу 27 и к уплонительным кольцам 29 и 30. Это давление, переданное нагнетаемой жидкостью, подвергает кольцо 27 упругой деформации, которая самоадаптируется к вариациям давления в камере 4. Кольцо 27 предварительно сжимается в осевом, но также в радиальном направлении. Первая функция сжатия обеспечить герметичный контакт с пазом 25. Вторая функция этого предварительного сжатия состоит в том, чтобы прижать уплотнительные кольца 29 и 30 к наружной цилиндрической поверхности поршня 5 с давлением, которое возрастает в прямой связи с давлением внутри камеры. Одновременно жидкость под давлением действует в осевом направлении на уплотнительное кольцо 29, которое предварительно прижимает уплотнительное кольцо 29 к стопору 37. Радиальные и осевые предварительные сжатия, изменяющиеся с изменением давления в камере 4, обеспечивают тогда саморегулировку прокладки 28, обжатой вокруг наружной цилиндрической поверхности 19 поршня 5, в зависимости от давления, преобладающего в камере 4.

Таким образом, сжатие, наложенное на прокладку 28, является точной функцией установленного показателя герметичности, так что усталость, влияющая на уплотнение, адаптируется к различным рабочим условиям и позволяет обеспечить надежную эксплуатацию с таким показателем износа, который заметно меньше, чем показатель износа у обычных конструкций уплотнения, использующих прокладки елочного профиля.

Конструкция прокладки 28 из двух уплотнительных колец, расположенных рядом друг с другом, сделанных предпочтительно из керамического материала, обладает сопротивлением во времени, которое является особенно высоким даже при условиях с высоким давлением и высокой температурой.

С наружным кольцом 27, удерживающим кольца 29 и 30 в нужном положении, эти уплотнительные кольца можно заставить работать с изменениями диаметра, самоадаптирующегося к условиям давления, и даже обеспечить достаточное обжатие на цилиндрической стенке начального периода работы.

Осевая неподвижность кольца 27 и осевая неподвижность прокладки 28 между противоположными кольцами 37 и 42 делает возможным для уплотнительных колец 29 и 30 работать при оптимальных условиях, несмотря на движения поршня 4 наружу и внутрь.

Поскольку контакт с поршнем ограничивается исключительно кольцами 29 и 30, возвратно-поступательное движение поршня 5 вызывает минимальное трение, делающее возможным сохранить рабочие условия при приемлемой температуре.

Кольцо 37 должно изготовляться из материала с жесткой совместимостью с материалом уплотнительного кольца 29, которое изготавливается из керамики. Более предпочтительно кольцо 37 изготавливать из керамики.

Доступ к уплотнению по его поверхности 23 разрешает всасываемой и нагнетаемой жидкости отводить тепло от прокладки 28 и регулировать рабочую температуру, проистекающую из трения между уплонительными кольцами 29 и 30 и цилиндрической поверхностью 19. Такой отвод тепла также имеет место через заднюю поверхность от стопорного кольца 37 через смазочную жидкость, которая занимает часть цилиндра, изолированную от камеры 4 давления, через прокладку 28.

Предпочтительно, когда цилиндрическая поверхность 19 поршня включает в своей части, взаимодействующей с прокладкой 28, покрытие, основанное на карбиде вольфрама или карбиде углерода, или равноценном материале.

Могут быть выполнены различные модификации без отступления за рамки изобретения.

Формула изобретения

1. Уплотнение для клапанно-поршневой машины, расположенное в выемке цилиндра машины и включающее по меньшей мере одну прокладку, приспособленную для взаимодействия с поршнем машины, отличающееся тем, что оно снабжено зажимной гайкой в выемке, кольцевым металлическим корпусом, расположенным неподвижно в выемке, а на внутренней поверхности этого корпуса выполнен кольцевой паз, открытый в направлении противоположной зажимной гайки торцевой поверхности, при этом в кольцевой паз установлено сжимающее и удерживающее прокладку неподвижное кольцо, упертое в дно упомянутого паза и выполненное толщиной по радиусу меньше его глубины, прокладка образована по меньшей мере двумя уплотнительными кольцами, выполненными с продольной прорезью вдоль оси по всей своей длине и толщине, расположенными рядом друг с другом и сдеформируемыми по радиусу, а упомянутые уплотнительные кольца разведены прорезями в угловом направлении и зафиксированы неподвижно от углового перемещения в сжимающем и удерживающем прокладку кольце, причем толщина уплотнительных колец по радиусу выполнена больше размера глубины кольцевого паза без толщины упомянутого кольца, а в кольцевом пазу установлено стопорное кольцо, упирающееся в дно паза и прокладку и внутренний диаметр которого выполнен больше, чем внутренний диаметр прокладки.

2. Уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что сжимающее и удерживающее прокладку кольцо выполнено из упругодеформируемого материала, а уплотнительные кольца из керамического материала.

3. Уплотнение по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в сжимающем и удерживающем прокладку кольце выполнены гнезда для установки шпонок, фиксирующих уплотнительные кольца прокладки, причем выступ шпонки входит в прорезь уплотнительного кольца.

4. Уплотнение по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в кольцевом пазу установлено стопорное металлическое кольцо с выступами по внутренней цилиндрической поверхности, упирающееся в сжимающее и удерживающее прокладку кольцо.

5. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что на наружной поверхности кольцевого металлического корпуса выполнена кольцевая канавка для размещения прокладки.

6. Клапанно поршневая машина типа насоса или компрессора, включающая корпус, имеющий с одной стороны камеру высокого давления, оборудованную всасывающим клапаном и нагнетальным клапаном, и с другой стороны цилиндр, соединяющийся с камерой и содержащий скользящий поршень, причем на части длины цилиндра выполнена выемка для размещения упирающегося в торец выемки уплотнения, зажатого гайкой, и взаимодействующего с цилиндрической поверхностью поршня, отличающаяся тем, что она снабжена зажимной гайкой в выемке, кольцевым металлическим корпусом, расположенным неподвижно в выемке, а на внутренней поверхности этого корпуса выполнен кольцевой паз, открытый в направлении противоположной зажимной гайке торцевой поверхности, при этом в кольцевой паз установлено сжимающее и удерживающее прокладку неподвижное кольцо, упертое в дно упомянутого паза и выполненное толщиной по радиусу меньше его глубины, прокладка образована по меньшей мере двумя уплотнительными кольцами, выполненными с продольной прорезью вдоль оси по всей своей длине и толщине, расположенными рядом друг с другом и с деформируемыми по радиусу, а упомянутые уплотнительные кольца разведены прорезями в угловом направлении и зафиксированы неподвижно от углового перемещения в сжимающем и удерживающем прокладку кольце, причем толщина уплотнительных колец по радиусу выполнена больше размера глубины кольцевого паза без толщины упомянутого кольца, а в кольцевом пазу установлено стопорное кольцо, упирающееся в дно паза и прокладку и внутренний диаметр которого выполнен больше, чем внутренний диаметр прокладки.

7. Машина по п.6, отличающаяся тем, что сжимающее и удерживающее прокладку кольцо выполнено из упругодеформируемого материала, а уплотнительные кольца из керамического материала.

8. Машина по пп.6 и 7, отличающаяся тем, что в сжимающем и удерживающем прокладку кольце выполнены гнезда для установки шпонок, фиксирующих уплотнительные кольца прокладки, причем выступ шпонки входит в прорезь уплотнительного кольца.

9. Машина по пп.6 и 7, отличающаяся тем, что в кольцевом пазу установлено стопорное металлическое кольцо с выступами по внутренней цилиндрической поверхности, находящееся на одном уровне с торцевой поверхностью кольцевого металлического корпуса, направленной в сторону камеры.

10. Машина по п.6, отличающаяся тем, что на наружной поверхности кольцевого металлического корпуса выполнена кольцевая канавка для размещения прокладки, взаимодействующей с цилиндрической стенкой выемки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7