RU2091647C1

RU2091647C1 - Seal of kinematic cylinder-piston pair

Info

Publication number: RU2091647C1
Application number: RU95100055A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Семенович Скворцов
Original assignee: Дмитрий Семенович Скворцов
Priority date: 1995-01-04
Filing date: 1995-01-04
Publication date: 1997-09-27
Also published as: RU95100055A

Abstract

FIELD: sealing technology. SUBSTANCE: seal includes circular members mounted on housing one after another for engagement with mating surface of cylinder. To ensure reliable sealing, seal is provided with circular members having circular recesses. Each sealing member is made from nonmetallic material possessing considerable linear expansion coefficient and low friction coefficient. Each metal member is split and is provided with circular projections and inner chamfer for flexible circular seal; projections of metal members enter circular grooves for nonmetallic members. EFFECT: enhanced reliability of sealing. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и используется для создания надежного уплотнения валов, кинематических пар поршень цилиндр, плунжеров в узлах, где имеется перепад давлений. Оно также может быть использовано, например, в поршневых насосах для создания надежного уплотнения между поршнем и цилиндром, в штанговых насосах при эксплуатации скважин. В последнем случае применяются различные типы насосов, надежность работы и срок службы которых недостаточны. The invention relates to mechanical engineering and is used to create reliable sealing of shafts, kinematic pairs of piston-cylinder, plungers in nodes where there is a pressure differential. It can also be used, for example, in piston pumps to create a reliable seal between the piston and the cylinder, in sucker rod pumps during well operation. In the latter case, various types of pumps are used whose reliability and service life are insufficient.

Наиболее близким из известного уровня техники является техническое решение по авт. св. СССР N 391315 Мкл F 16 J 15/26, 1972, в котором предложено механическое уплотнение вала, включающее набор пришлифованных по торцам эксцентричных колец, посаженных на упругую обойму и прижатых друг к другу по углу таким образом, чтобы точки касания колец с поверхностью штока были равномерно распределены по окружности. The closest known prior art is a technical solution for ed. St. USSR N 391315 Mkl F 16 J 15/26, 1972, in which a mechanical shaft seal is proposed, including a set of eccentric rings polished at the ends, mounted on an elastic sleeve and pressed against each other in an angle so that the points of contact of the rings with the stem surface are evenly distributed around the circle.

Основными недостатками известного уплотнения, взятого за прототип, являются:
сопряжение эксцентричного кольца с цилиндром или валом происходит на небольшом участке окружности, т.е. небольших размеров сегменте, поэтому для полного и надежного перекрытия всей площади цилиндра требуется большое количество кольцевых элементов с угловым смещением относительно друг друга;
трудности посадки плунжера в цилиндр из-за наличия эксцентрично размещенных колец;
при движении плунжера вверх-вниз каждое его кольцо и, в особенности, в начальный момент после его спуска пока в резине (упругом элементе) не развились остаточные деформации, прижато к поверхности штока с максимальным усилием (т.е. "очень жесткое сопряжение") и, как следствие, ускоренный износ. В частности, на сопряженной поверхности цилиндра происходит значительная выработка металла стенки цилиндра, что резко снижает надежность работы и значительно увеличивает эксплуатационные затраты.The main disadvantages of the known seals taken as a prototype are:
the coupling of the eccentric ring with the cylinder or shaft occurs in a small area of the circle, i.e. small size of the segment, therefore, for a complete and reliable overlap of the entire area of the cylinder requires a large number of ring elements with angular displacement relative to each other;
difficulties in fitting the plunger into the cylinder due to the presence of eccentrically placed rings;
when the plunger moves up and down, each of its rings and, in particular, at the initial moment after its descent, until residual deformations develop in the rubber (elastic element), is pressed to the rod surface with maximum force (ie, “very rigid coupling”) and, as a result, accelerated wear. In particular, on the mating surface of the cylinder there is a significant production of metal of the cylinder wall, which dramatically reduces the reliability and significantly increases operating costs.

Применение данного изобретения позволит достичь технического результата, заключающегося в повышении уплотнения между поршнем и цилиндром, увеличить срок службы поршня, создать плакирующий эффект на внутренней стенке цилиндра с низким коэффициентом трения и уменьшить эксплуатационные затраты. The application of this invention will allow to achieve a technical result, which consists in increasing the seal between the piston and the cylinder, to increase the service life of the piston, to create a cladding effect on the inner wall of the cylinder with a low coefficient of friction and reduce operating costs.

Указанный технический результат достигается тем, что в уплотнении кинематической пары цилиндр поршень используются металлические разрезные и неметаллические неразрезные кольцевые элементы, обладающие небольшим коэффициентом трения, плакирующей способностью и значительным коэффициентом объемного расширения. The specified technical result is achieved by the fact that in the seal of the kinematic pair of the cylinder piston, metal split and nonmetallic continuous solid ring elements are used, which have a low coefficient of friction, clad ability and a significant coefficient of volume expansion.

Сочленение между ними может быть различным, но в данном случае оно выполнено в виде "ласточкиного хвоста", а металлические элементы своими концами меньшего диаметра заходят во внутреннюю полость неметаллических элементов и уплотняются упругой прокладкой с конусными кольцами зигзагообразной разжимной шайбой. В зоне расположения зигзагообразной шайбы имеются в корпусе каналы для подвода жидкости под давлением, а металлические кольцевые элементы имеют относительно друг друга угловое смещенное расположение разреза. The joint between them can be different, but in this case it is made in the form of a “dovetail”, and metal elements with their ends of smaller diameter go into the internal cavity of non-metallic elements and are sealed with an elastic gasket with conical rings with a zigzag expandable washer. In the zone of location of the zigzag washer, there are channels in the body for supplying fluid under pressure, and the metal ring elements have an angular offset arrangement of the cut relative to each other.

В верхней части корпуса за последним неметаллическим элементом (счет ведется снизу вверх при вертикальном расположении поршня) имеются три кольцевые выточки, в двух из которых размещены уплотнительные кольца, а третья сообщена с внутренней полостью корпуса и служит каналом для подвода жидкости под давлением и отвода механических примесей (например, песка) при возвратнопоступательном движении поршня. In the upper part of the housing, behind the last non-metallic element (counting from bottom to top with the piston vertical), there are three ring grooves, two of which have sealing rings, and the third is connected to the internal cavity of the housing and serves as a channel for supplying liquid under pressure and removing mechanical impurities (e.g. sand) with reciprocating piston movement.

На фиг. 1 схематически изображено уплотнение кинематической пары цилиндр поршень; на фиг. 2 неметаллический кольцевой элемент, разрез; на фиг. 3 - металлический кольцевой элемент; на фиг. 4 металлический кольцевой элемент, вид сверху. In FIG. 1 schematically shows the seal of a kinematic pair of a cylinder piston; in FIG. 2 non-metallic annular element, section; in FIG. 3 - metal ring element; in FIG. 4 metal ring element, top view.

Уплотнение кинематической пары, например, цилиндр поршень включает корпус 1 поршня, разрезные металлические кольцевые элементы 2, неразрезные неметаллические кольцевые элементы 3, цилиндр 4. The seal of the kinematic pair, for example, the piston cylinder includes a piston housing 1, split metal ring elements 2, continuous non-metallic ring elements 3, cylinder 4.

Сочленение может быть самым разнообразным, но в данном случае сочленение кольцевых элементов 2 и 3 между собой выполнено в виде "ласточкиного хвоста", причем металлические кольцевые элементы 2 своими концами меньшего диаметра входят во внутреннюю полость, образованную неметаллическим элементом 3 и корпусом 1; внутренними конусными заточками опираются на кольцо 5 и 6 с ответной наружной конусной поверхностью. Угол конусности как колец 5 и 6, так и металлических элементов 2 может быть различным и определяется конкретными технологическими параметрами. The articulation can be very diverse, but in this case, the articulation of the ring elements 2 and 3 with each other is made in the form of a "dovetail", and the metal ring elements 2 with their ends of a smaller diameter enter the inner cavity formed by the non-metallic element 3 and the housing 1; internal conical sharpenings rest on a ring 5 and 6 with a reciprocal outer conical surface. The taper angle of both rings 5 and 6, and metal elements 2 can be different and is determined by specific technological parameters.

За конусными кольцами 5 и 6 размещены уплотнительные прокладки в виде колец 7 и 8, которые прижимаются "распор" зигзагообразной разжимной шайбой 9. В зоне последней в корпусе 1 имеются каналы 10 для подвода жидкости под давлением. В зависимости от конкретных условий применения не все неметаллические элементы 3 могут иметь каналы 10 для подвода жидкости под давлением. Behind the conical rings 5 and 6 there are placed gaskets in the form of rings 7 and 8, which are pressed by a “spacer” with a zigzag expanding washer 9. In the area of the latter, there are channels 10 in the housing 1 for supplying liquid under pressure. Depending on the specific conditions of use, not all non-metallic elements 3 may have channels 10 for supplying liquid under pressure.

Первый внизу кольцевой элемент 11 имеет небольшой технологический конус для обеспечения гарантированного захода его в цилиндр 4. The first annular element 11 below has a small technological cone to ensure its guaranteed entry into cylinder 4.

Сверху в корпусе 1 имеются три кольцевые выточки 12, 13 и 14, в двух их которых 12 и 14 размещены упругие кольца 15 и 16, а третья выточка 13 каналами 17 сообщена с внутренней полостью корпуса 1 и служит каналом для подвода жидкости под давлением при движении поршня вверх и отвода песка и других мехпримесей при движении поршня вниз. Для подсоединения поршня к штангам служит резьба 18, а предварительное прижатие всех элементов между собой достигается переходником 19, к которому снизу присоединяется обратный клапан (на фиг. 1 не показаны присоединительная резьба на переходнике 19 и обратный клапан). There are three annular grooves 12, 13 and 14 on the top of the housing 1, in two of which 12 and 14 there are elastic rings 15 and 16, and the third groove 13 is connected by channels 17 to the internal cavity of the housing 1 and serves as a channel for supplying fluid under pressure during movement piston up and removal of sand and other solids when the piston moves down. A thread 18 is used to connect the piston to the rods, and a preliminary pressing of all elements between them is achieved by an adapter 19, to which a check valve is connected from below (the connecting thread on adapter 19 and the check valve are not shown in Fig. 1).

Сборка и спуск в скважину поршня осуществляется следующим образом. На корпус 1 надевают распорную втулку 20, неразрезной неметаллический элемент 3, конусное кольцо 5, уплотнительную прокладку в виде кольца 7, распорную зигзагообразную шайбу 9, уплотнительную прокладку в виде кольца 8, конусное кольцо 6, металлический разрезной элемент 2 и т.д. Поджатие всех элементов между собой осуществляется резьбовым переходником 19, к которому присоединяется обратный клапан (на рис. 1 не показан). Количество элементов неметаллических 3 и металлических 2 может быть различным и определяется технологическими параметрами применения плунжера. Assembly and descent into the well of the piston is as follows. A spacer sleeve 20, a continuous non-metallic element 3, a conical ring 5, a sealing gasket in the form of a ring 7, a spacer zigzag washer 9, a sealing gasket in the form of a ring 8, a conical ring 6, a metal split element 2, etc. are put on the body 1. Preloading all elements between them is carried out by a threaded adapter 19, to which a non-return valve is attached (not shown in Fig. 1). The number of elements of non-metallic 3 and metal 2 can be different and is determined by the technological parameters of the plunger.

При сборке необходимо следить за наличием углового смещения металлических кольцевых элементов 2 между собой относительно расположения разреза, а все контактные поверхности покрываются консистентной смазкой типа солидола. When assembling, it is necessary to monitor the presence of angular displacement of the metal ring elements 2 between themselves relative to the location of the cut, and all contact surfaces are covered with grease such as solid oil.

Собрав поршень, спускают его в скважину на штангах, к которым присоединяют его с помощью резьбы 18. При достижении цилиндра 4 осторожно вводят в него хвостовик поршня. Первый кольцевой элемент 11 за счет наличия небольшого технологического конуса свободно входит в цилиндр 4, преодолевая упругие усилия. Благодаря описанному выше сочленению между собой кольцевые элементы занимают строго соосное положение и поршень как единое целое "свободно" входит в цилиндр 4. За счет наличия необходимых допусков по наружнему диаметру неразрезных кольцевых элементов 3 и пружинному эффекту разрезных кольцевых элементов 2 достигается качественное уплотнение между поршнем и цилиндром. Having collected the piston, lower it into the well on the rods, to which it is connected with the help of thread 18. When cylinder 4 is reached, the piston shaft is carefully inserted into it. The first annular element 11 due to the presence of a small technological cone freely enters the cylinder 4, overcoming the elastic forces. Due to the joint described above, the annular elements occupy a strictly coaxial position and the piston, as a whole, “freely” enters the cylinder 4. Due to the necessary tolerances on the outer diameter of the continuous annular elements 3 and the spring effect of the split annular elements 2, a high-quality seal between the piston and cylinder.

Уплотнение кинематической пары цилиндр поршень работает следующим образом. При движении поршня вверх закрывается обратный (нагнетательный) клапан (на фиг. 1-4 не показан), внутри корпуса 1 и над ним создается перепад давления, под действием которого жидкость по каналам 10 поступает в зону расположения зигзагообразной распорной шайбы 9, создавая распорные радиальные усилия на неразрезной кольцевой элемент 3 и через уплотнительные кольца 7 и 8 и конусные кольца 5 и 6 на разрезные металлические элементы 2. Величина усилия во всех случаях определяется величиной перепада давления, площадью воздействия и силами трения в системе. The seal of the kinematic pair of the cylinder piston works as follows. When the piston moves upward, the non-return (discharge) valve is closed (not shown in Fig. 1-4), a pressure drop is created inside the housing 1 and above it, under which the liquid flows through the channels 10 into the location zone of the zigzag spacer washer 9, creating radial spacers forces on the continuous ring element 3 and through the sealing rings 7 and 8 and taper rings 5 and 6 on the split metal elements 2. The magnitude of the force in all cases is determined by the magnitude of the pressure drop, the area of impact and the friction forces in the system eme.

Таким образом, все элементы 2 и 3 надежно прижимаются к внутренней стенке цилиндра 4, происходит быстрая их приработка, создается надежное и качественное уплотнение кинематической пары цилиндр поршень. Поршень будет работать как единое целое за счет характерного сочленения между собой кольцевых элементов 2 и 3, а компенсационные возможности его по диаметру кратно превосходят все известные до сего времени конструкции плунжера. Thus, all elements 2 and 3 are reliably pressed against the inner wall of the cylinder 4, their quick running-in occurs, and a reliable and high-quality seal of the kinematic pair of the cylinder piston is created. The piston will work as a single unit due to the characteristic articulation of the annular elements 2 and 3, and its compensatory capabilities in diameter are several times greater than all the plunger designs known so far.

Неразрезные кольцевые элементы 3 изготавливаются из специального материала, обладающего небольшим коэффициентом трения и значительной величиной коэффициента объемного расширения. При движении поршня вверх-вниз происходит плакирование внутренней поверхности цилиндра частицами неразрезных элементов 3, что приводит к снижению сил трения при движении поршня и увеличению срока его службы. Continuous ring elements 3 are made of a special material with a small coefficient of friction and a significant value of the coefficient of volume expansion. When the piston moves up and down, the inner surface of the cylinder is clad by particles of continuous elements 3, which leads to a decrease in the friction forces during the movement of the piston and an increase in its service life.

Под действием перепада давления жидкость по каналам 17 поступает в кольцевую выточку 13, препятствуя проникновению в нее мехпримесей, например, песка. В случае же его проникновения через уплотнительное кольцо 12, он оседает в кольцевой выточке 13, откуда по наклонным каналам 17 поступает во внутреннюю полость корпуса поршня 1 при его движении вниз и потоком жидкости уносится из скважины. Under the action of a pressure drop, the liquid flows through the channels 17 into the annular recess 13, preventing the penetration of mechanical impurities, such as sand, into it. In the case of its penetration through the sealing ring 12, it settles in the annular recess 13, from where, through inclined channels 17, it enters the internal cavity of the piston housing 1 when it moves downward and is carried away from the well by a fluid stream.

При движении поршня вниз давление сверху и снизу поршня выравнивается, и поршень свободно опускается до нижней мертвой точки, и рабочий цикл повторяется. When the piston moves downward, the pressure from the top and bottom of the piston is equalized, and the piston freely descends to the bottom dead center, and the duty cycle is repeated.

Таким образом, такое выполнение уплотнения кинематической пары цилиндр - поршень позволяет исключить "жесткий" режим его работы, упростить и повысить качество технологии сборки, эксплуатации и ремонта, достигается пластификация внутренней поверхности цилиндра и, как следствие, значительно уменьшить величину коэффициента трения в кинематической паре цилиндр поршень, увеличить надежность и срок службы его. Thus, such a sealing of the kinematic pair of the cylinder – piston eliminates the “hard” mode of operation, simplifies and improves the quality of the assembly, operation, and repair technology, plasticizes the inner surface of the cylinder and, as a result, significantly reduces the coefficient of friction in the kinematic pair of the cylinder piston, increase its reliability and service life.

Claims

1. Seal of the kinematic pair of the cylinder piston, containing split metal and nonmetallic ring elements mounted on the piston, the latter are made of a material with a high coefficient of linear expansion and a low coefficient of friction, characterized in that it is equipped with additional sealing units, on the end surfaces of the metal ring elements stepped grooves with inclined side surfaces with an angle of inclination inside the groove to accommodate the end sections of them not metallic ring elements made of the corresponding shape, while non-metallic ring elements are installed alternating with metal ring elements, and each additional sealing assembly is mounted on the piston between two metal ring elements and under the non-metal ring element, in the piston body in the area of each non-metal ring element and behind them, a number of channels are made for passage under pressure of the medium being sealed and removal of solid particles.

2. The seal according to claim 1, characterized in that the additional sealing assembly is provided with conical rings and gaskets with an expanding washer disposed between them to form a cavity communicating via a channel with the cavity of the piston body.