RU2195592C1

RU2195592C1 - Mechanical seal

Info

Publication number: RU2195592C1
Application number: RU2001110056/06A
Authority: RU
Inventors: А.А. Воскобойников; Л.Ш. Витес; В.М. Селиверстов
Original assignee: Воскобойников Андрей Анатольевич; Витес Леонид Шлемович; Селиверстов Владимир Михайлович
Priority date: 2001-04-05
Filing date: 2001-04-05
Publication date: 2002-12-27

Abstract

FIELD: sealing facilities. SUBSTANCE: invention relates to mechanical seals designed for use in hydraulic and pneumatic machines and device whose working members execute rotating and/or reciprocating movements. Said mechanical seal of shaft or rod, or machine cylinder has flexible holder with eccentrically arranged beads or corresponding bores made on outer or inner surfaces of holder. Sealing rings are installed on beads or bores being pressed to each other at end faces held against surfaces to be sealed by flexible holder. Each sealing ring has section in form of sector whose working surface is made cylindrical with radius equal to radius of surface to be sealed. The rest of ring has radius either greater than or smaller than said radius, i.e. it has shape providing slot clearance between ring and surface to be sealed. Adjacent rings are turned relative to each other so that angle between their radial planes passing through middles of sectors is 360/n, where n is number of rings. EFFECT: simplified design owing to reduction of number of sealing rings at preservation of high degree of sealing. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к уплотнительной технике, в частности к механическим уплотнениям, предназначенным для установки на гидравлические и пневматические машины и устройства, рабочие органы которых совершают вращательное и/или возвратно-поступательное движение. The invention relates to a sealing technique, in particular to mechanical seals intended for installation on hydraulic and pneumatic machines and devices whose working bodies rotate and / or reciprocate.

Известно уплотнение вала или штока [АС СССР 391315, кл. МКИ F 16 J 15/26, опубл. 1997 г.], содержащее притертые одно к другому и прижимаемые к уплотняемым поверхностям этих элементов в противоположных направлениях эксцентричные кольца из антифрикционного материала, которые расположены в упругой обойме. В таком уплотнении ввиду неопределенности углового смещения пар колец возможно повышенное перетекание среды, находящейся под более высоким давлением, в зону пониженного давления, что снижает герметичность и надежность уплотнения в целом. В случае применения уплотнения с несколькими парами эксцентричных колец возникает необходимость в фиксации взаимного положения, что значительно усложняет уплотнение. Known shaft or stem seal [AS USSR 391315, cl. MKI F 16 J 15/26, publ. 1997], containing eccentric rings of antifriction material that are ground to one another and pressed against the sealed surfaces of these elements in opposite directions, which are located in an elastic cage. In such a seal, due to the uncertainty of the angular displacement of the pair of rings, an increased flow of the medium under a higher pressure into the zone of reduced pressure is possible, which reduces the tightness and reliability of the seal as a whole. In the case of using a seal with several pairs of eccentric rings, it becomes necessary to fix the relative position, which greatly complicates the seal.

В качестве прототипа выбрано механическое уплотнение [Патент РФ 2037077, МКИ F 16 J 15/26, опубл. 1995 г.], содержащее уплотнительные кольца, притертые друг к другу по торцам и поджатые к уплотняемым поверхностям упругой обоймой в противоположных направлениях. На наружной или внутренней поверхности упругой обоймы выполнены эксцентрично расположенные бурты или соответственно эксцентрично расположенные расточки. Уплотнительные кольца выполнены с концентричными цилиндрическими поверхностями и расположены на упомянутых буртах или расточках. В случае уплотнения вала внутренний диаметр уплотнительного кольца превышает диаметр уплотняемой детали. В случае уплотнения внутренней цилиндрической поверхности наружный диаметр уплотнительного кольца меньше диаметра уплотняемой поверхности. Бурты или расточки упругой обоймы выполнены попарно, а их оси расположены эксцентрично с двух сторон от оси упругой обоймы, при этом плоскости, проходящие через оси парных буртов или расточек, развернуты одна относительно другой на угол 180/n, где n - число пар буртов или расточек. В прототипе каждое уплотнительное кольцо лишь в одной точке касается уплотняемой поверхности и, таким образом, между рабочей поверхностью кольца и уплотняемой поверхностью имеется зазор, представляющий собой практически полное кольцо, и его величина максимальна со стороны, противоположной точке касания. Вследствие того, что расточки (бурты) имеют различные углы ориентации, между уплотняемой поверхностью и набором колец образуется сложная лабиринтная щель. Для обеспечения высокой степени герметичности необходимо использовать упругую обойму большой протяженности с соответственно большим набором уплотнительных колец. Трущиеся поверхности уплотнительных колец и/или вала, штока или цилиндра выполняются из износостойкого материала с шероховатой поверхностью, которая затем покрывается антифрикционным слоем, например, из меди, бронзы, фторопласта и т.д. As a prototype selected mechanical seal [RF Patent 2037077, MKI F 16 J 15/26, publ. 1995], containing sealing rings, rubbed against each other at the ends and pressed against the sealing surfaces by an elastic cage in opposite directions. Eccentrically located collars or, respectively, eccentrically located bores are made on the outer or inner surface of the elastic cage. O-rings are made with concentric cylindrical surfaces and are located on said collars or bores. In the case of a shaft seal, the inner diameter of the seal ring exceeds the diameter of the part to be sealed. In the case of sealing the inner cylindrical surface, the outer diameter of the sealing ring is less than the diameter of the sealing surface. The collars or bores of the elastic cage are made in pairs, and their axes are eccentrically on both sides of the axis of the elastic cage, while the planes passing through the axes of the pair of collars or bores are rotated one relative to the other at an angle of 180 / n, where n is the number of pairs of collars or boring. In the prototype, each o-ring only at one point touches the sealing surface and, thus, between the working surface of the ring and the sealing surface there is a gap representing an almost complete ring, and its value is maximum from the side opposite the point of contact. Due to the fact that the bores (collars) have different orientation angles, a complex labyrinth gap is formed between the sealing surface and the set of rings. To ensure a high degree of tightness, it is necessary to use a long elastic sleeve with a correspondingly large set of o-rings. The friction surfaces of the o-rings and / or shaft, rod or cylinder are made of a wear-resistant material with a rough surface, which is then coated with an antifriction layer, for example, copper, bronze, fluoroplastic, etc.

В основу изобретения поставлена задача упрощения конструкции, а именно снижения количества уплотнительных колец при сохранении высокой степени герметичности. The basis of the invention is the task of simplifying the design, namely reducing the number of o-rings while maintaining a high degree of tightness.

Поставленная задача решается тем, что в механическом уплотнении вала, или штока, или цилиндра машины, содержащем упругую обойму, на наружной или внутренней поверхностях которой выполнены эксцентрично расположенные бурты или соответственно эксцентрично расположенные расточки, на буртах или расточках установлены уплотнительные кольца, притертые друг к другу по торцам и поджатые упругой обоймой к уплотняемым поверхностям, новым согласно изобретению является то, что каждое уплотнительное кольцо имеет участок в виде сектора, рабочая поверхность которого выполнена цилиндрической с радиусом, равным радиусу уплотняемой поверхности, остальная часть кольца имеет форму, обуславливающую наличие щелевого зазора между кольцом и уплотняемой поверхностью, при этом соседние кольца развернуты друг относительно друга таким образом, что угол между их радиальными плоскостями, проходящими через середины секторов, составляет 360/n, где n - количество колец. The problem is solved in that in the mechanical seal of the shaft, or rod, or cylinder of the machine, containing an elastic cage, on the outer or inner surfaces of which are made eccentrically located collars or respectively eccentrically located bores, on the collars or bores are installed sealing rings, ground to each other according to the ends and pressed by an elastic cage to the sealing surfaces, new according to the invention is that each sealing ring has a sector-shaped section, a working surface the shape of which is cylindrical with a radius equal to the radius of the sealing surface, the rest of the ring has a shape that determines the presence of a gap between the ring and the sealing surface, while adjacent rings are rotated relative to each other so that the angle between their radial planes passing through the midpoints of the sectors is 360 / n, where n is the number of rings.

Целесообразно на поверхности колец нанести покрытие, выполненное из материала, обладающего адгезионными свойствами, обеспечивающими возможность удержания пленки углеводородных составляющих перекачиваемой среды. It is advisable to apply a coating on the surface of the rings made of a material having adhesive properties, which makes it possible to retain a film of hydrocarbon components of the pumped medium.

Более подробно сущность изобретения раскрывается на примере уплотнения внутренней поверхности цилиндрической детали. In more detail, the invention is disclosed by the example of sealing the inner surface of a cylindrical part.

На фиг. 1 представлено механическое уплотнение плунжера скважинного штангового насоса, продольный разрез; на фиг.2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - уплотнительное кольцо, надетое на упругую обойму в ненапряженном состоянии; на фиг. 4 - упругая обойма. In FIG. 1 shows a mechanical seal of a plunger of a borehole sucker rod pump, a longitudinal section; figure 2 - cross section aa in fig. 1; in FIG. 3 - a sealing ring worn on an elastic clip in an unstressed state; in FIG. 4 - elastic clip.

В цилиндре 1 размещен полый плунжер 2, разделяющий в насосе полость высокого давления 3 и полость низкого давления 4. На цилиндрической поверхности плунжера 2 установлено механическое уплотнение, которое содержит упругую обойму 5 из эластомерного материала и набор уплотнительных колец 6, выполненных из жестких неэластомерных материалов, например стали. Кольца 6 взаимодействуют с обоймой 5 и внутренней поверхностью цилиндра 1. Упругая обойма на наружной поверхности имеет ряд эксцентричных буртов 7. Бурты 7, а следовательно, и кольца 6 развернуты друг относительно друга. Каждое кольцо 6 имеет участок 8, выполненный в виде кольцевого цилиндрического сектора с центральным углом α=30-180 град. Рабочая (наружная боковая) поверхность сектора имеет цилиндрическую форму с радиусом, равным радиусу уплотняемой поверхности, т. е. внутреннему радиусу цилиндра 1. На остальной части кольца выполнено "обнижение", и радиус этой части кольца меньше, чем радиус уплотняемой поверхности. За счет такой формы колец и эксцентриситета буртов (что обеспечивает поджатие колец при их установке в цилиндре 1) обеспечивается плотный контакт кольца по цилиндрической поверхности сектора с уплотняемой поверхностью и образуется щелевой зазор 9 между кольцом и уплотняемой поверхностью со стороны, противоположной упомянутому сектору. A hollow plunger 2 is placed in the cylinder 1, dividing the high-pressure cavity 3 and the low-pressure cavity 4 in the pump. A mechanical seal is installed on the cylindrical surface of the plunger 2, which contains an elastic sleeve 5 of elastomeric material and a set of o-rings 6 made of rigid non-elastomeric materials, for example steel. The rings 6 interact with the ferrule 5 and the inner surface of the cylinder 1. The elastic ferrule on the outer surface has a number of eccentric collars 7. The collars 7, and therefore the rings 6 are deployed relative to each other. Each ring 6 has a section 8, made in the form of an annular cylindrical sector with a central angle α = 30-180 degrees. The working (outer lateral) surface of the sector has a cylindrical shape with a radius equal to the radius of the sealing surface, that is, the inner radius of cylinder 1. On the rest of the ring, an “undershot” is made, and the radius of this part of the ring is smaller than the radius of the sealing surface. Due to such a shape of the rings and the eccentricity of the collars (which ensures that the rings are pressed when they are installed in cylinder 1), the ring is tightly contacted along the cylindrical surface of the sector with the sealing surface and a gap 9 is formed between the ring and the sealing surface from the side opposite to the mentioned sector.

Угол между радиальными плоскостями, проходящими через середины секторов соседних колец, составляет 360/n, где n - количество колец. Так, при наличии в уплотнении шести колец угол разворота их относительно друг друга составляет 60 град. Упругая обойма 5 со стороны полости 3 высокого давления имеет бурт 10, к которому с помощью переходника 11 поджимается комплект уплотнительных колец. The angle between the radial planes passing through the midpoints of the sectors of adjacent rings is 360 / n, where n is the number of rings. So, if there are six rings in the seal, their rotation angle relative to each other is 60 degrees. The elastic clip 5 on the side of the high-pressure cavity 3 has a collar 10, to which a set of o-rings is pressed using the adapter 11.

В процессе эксплуатации заявляемой конструкции уплотнительные кольца находятся в таком положении, что упомянутые сектора равномерно распределяются по окружности и каждое из них обеспечивает уплотнение значительного участка поверхности, а лабиринт узких щелевых зазоров позволяет создать большое гидравлическое сопротивление потоку жидкости из полости высокого давления 3 в полость низкого давления 4. During operation of the claimed design, the sealing rings are in such a position that the said sectors are evenly distributed around the circumference and each of them provides sealing of a significant surface area, and the labyrinth of narrow slotted gaps allows you to create a large hydraulic resistance to the flow of fluid from the high-pressure cavity 3 into the low-pressure cavity 4.

Таким образом, при использовании меньшего количества колец, чем в прототипе, достигается высокая степень герметичности уплотнения. Thus, when using fewer rings than in the prototype, a high degree of tightness of the seal is achieved.

В конструкции, предназначенной для уплотнения вала или штока, используется упругая обойма, на внутренней поверхности которой выполнены эксцентрично расположенные расточки, в которых установлены уплотнительные кольца, аналогичные описанным выше. Каждое кольцо имеет участок, выполненный в виде кольцевого сектора, рабочая (внутренняя) поверхность которого имеет цилиндрическую форму, а ее радиус равен радиусу уплотняемой поверхности, т.е. радиусу штока или вала. Остальная часть кольца выполнена с большим внутренним радиусом и между этой частью кольца и уплотняемой поверхностью так же, как и в вышеописанном варианте, имеется щелевой зазор. Рабочие процессы, происходящие в этой конструкции, аналогичны тем, что при уплотнении внутренней цилиндрической поверхности. In the design for sealing the shaft or rod, an elastic cage is used, on the inner surface of which eccentrically located bores are made, in which sealing rings are installed, similar to those described above. Each ring has a section made in the form of an annular sector, the working (inner) surface of which has a cylindrical shape, and its radius is equal to the radius of the surface being sealed, i.e. the radius of the stem or shaft. The rest of the ring is made with a large inner radius and between this part of the ring and the sealing surface, as in the above embodiment, there is a gap gap. The working processes taking place in this design are similar to those for compaction of the inner cylindrical surface.

В обоих случаях (уплотнение внутренней цилиндрической поверхности или уплотнение вала) на торцевые и боковые поверхности колец и на уплотняемые поверхности нанесено покрытие из материала, обладающего адгезионными свойствами, обеспечивающими возможность удержания пленки углеводородных составляющих перекачиваемой среды, например масел, при перекачке нефтепродуктов. Этот прием позволяет создать самосмазывающуюся систему и уменьшает коэффициент трения поверхностей. In both cases (sealing the inner cylindrical surface or shaft seal), the end and side surfaces of the rings and the sealing surfaces are coated with a material that has adhesive properties that make it possible to hold a film of hydrocarbon components of the pumped medium, for example, oils, when pumping oil products. This technique allows you to create a self-lubricating system and reduces the coefficient of friction of surfaces.

Claims

1. Mechanical seal of the shaft, or rod, or cylinder of the machine, containing an elastic cage, on the outer or inner surfaces of which are made eccentrically located collars or, respectively, eccentrically located bores, on the collars or bores are installed sealing rings, rubbed against each other at the ends and pressed by elastic cage to the sealing surfaces, characterized in that each sealing ring has a section in the form of a sector, the working surface of which is made cylindrical with a radius, equal radius of the sealing surface, the rest of the ring has a shape that causes a gap between the ring and the sealing surface, with adjacent rings rotated relative to each other so that the angle between their radial planes passing through the midpoints of the sectors is 360 / n, where n - number of rings.

2. The mechanical seal according to claim 1, characterized in that the surfaces to be sealed and the surfaces of the rings have a coating made of a material having adhesive properties that allow the film to retain hydrocarbon components of the pumped medium.

3. The mechanical seal according to claim 1, characterized in that the central angle of the sector of the sealing ring is 30-180 ^o .