Циліндро-поршневий вузол насоса

Реферат: Винахід належить до насособудування, зокрема до поршнеих бурових насосів з підвищеними вимогами до герметичності та довговічності, і може бути застосований в нафтогазовій, гірничозбагачувальній, металургійній, хімічній та інших галузях промисловості, де здійснюється перекачування рідин з підвищеним вмістом абразивних частинок. Циліндро-поршневий вузол насоса містить циліндр, розміщений у ньому нерухомо закріплений на штоку поршень, який складається з металевого сердечника, встановленої на ньому манжети, натискної конічної шайби, яка зовнішньою конічною поверхнею взаємодіє із манжетою, та засіб для підтискання натискної конічної шайби. Згідно з винаходом, засіб для підтискання натискної конічної шайби додатково містить три або більше плунжери, розміщені у радіальних отворах, виконаних у штоку навпроти натискної конічної шайби, а периферійні кінці плунжерів виконані із скосами зі сторони поршня з можливістю взаємодії із внутрішньою конічною поверхнею натискної шайби, в штоку також виконаний осьовий, заглушений з обох UA 108341 C2 (12) UA 108341 C2 кінців отвір, який сполучений із радіальними отворами, осьовий та радіальні отвори заповнені гідропластом, крім того, вузол оснащений системою для створення тиску на гідропласт, яка сполучена із основним отвором і виконана на неробочій частині штока зі сторони механічної частини поршневого насоса. Застосування заявленого вузла дозволяє здійснювати компенсацію зносу еластичної манжети поршня, запобігає виникненню місцевого промивання деталей циліндро-поршневого вузла насоса струменем рідини з частинками абразиву і забезпечує підвищення довговічності роботи змінних деталей гідравлічної частини поршневих насосів та зниження витрат на їх технічне обслуговування. UA 108341 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області насособудування, зокрема до поршневих бурових насосів з підвищеними вимогами до герметичності та довговічності і може знайти застосування в нафтогазовій, гірничо-збагачувальній, металургійній, хімічній та інших галузях промисловості, де здійснюється перекачування рідин з підвищеним вмістом абразивних частинок. Відомий поршень, який входить у циліндро-поршневий вузол насоса [1], який містить ущільнюючий елемент - манжету, розміщений на сердечнику між двома шайбами: опорною і натискною. Поршень оснащений засобом для підтискання натискної шайби у міру зносу манжети. В результаті цього забезпечується натяг між манжетою та циліндром (контрдеталлю) для створення необхідної герметичності. Засіб для підтискання манжети виконаний у вигляді самогальмівного клина, який встановлений у радіальному наскрізному пазу, виконаному у сердечнику таким чином, що торцева його сторона, яка знаходиться навпроти шайби і манжети, має нахил, а друга сторона знаходиться під натискною шайбою. Клин являє собою брусок, який має скос однієї грані з нахилом, рівним нахилу торцевої сторони паза. При монтажі поршня, клин вставляється у паз сердечника так, що скошеною гранню взаємодіє із скошеною торцевою стороною паза і рівною своєю гранню впирається у натискну шайбу. При роботі циліндро-поршневої групи насоса еластичний елемент-манжета, зношується: появляється деякий зазор між манжетою і циліндром. При такті нагнітання поршневого насоса тиск рідини відтискає шайбу в сторону манжети і в утворений зазор опускається клин під власною вагою, який ковзає своїм скосом по скосу паза. Клин опускається доти, поки не прийде у дотик із шайбою. Опущений клин не дає можливості натискній шайбі на такті всмоктування насосом повернутися у вихідне положення під дією пружних сил еластичної манжети. Таким чином ущільнюючий елемент-манжета отримує необхідний натяг для забезпечення герметичності поршня з циліндром. При подальшому зносу робочої поверхні поршня, клин опускається у щілинному пазі, весь час стискає еластичний елемент, створюючи необхідний натяг у спряженні. Недоліком відомого пристрою є низька експлуатаційна надійність, яка зумовлена можливістю саморозбирання поршня при його повороті, або внаслідок дії вібраційних навантажень, які супроводжують роботу важконавантажених поршневих насосів. Відоме також ущільнення манжетного типу циліндро-поршневого вузла насоса [2], яке містить металевий сердечник, еластичну манжету та натискну шайбу. Натискна шайба у відомому ущільненні має конічну форму, що забезпечує створення напруженого стану в еластичній манжеті із сприятливим розподілом натягу по довжині манжети. Це покращує ущільнюючу здатність манжети поршня. Недоліком відомого ущільнення є відсутність засобу для компенсації зносу манжети, що зменшує його довговічність. Відомий циліндро-поршневий вузол насоса, вибраний як прототип даного винаходу [3], що містить циліндр, розміщений у ньому, та закріплений нерухомо на штоку поршень. Цей поршень складається із металевого сердечника, встановленої на ньому манжети, натискної шайби та засобу для підтискання еластичної манжети у міру її зносу. Засіб для підтискання еластичної манжети виконаний у вигляді щілиновидного радіального паза в сердечнику; у паз встановлені клин, який своєю рівною гранню взаємодіє із натискною шайбою, і натискна планка. Ухил на торці натискної планки взаємодіє із відповідною похилою гранню клина. Клин та планка підпружинені у поздовжньому напрямку. На взаємодіючих поверхнях клина та натискної планки виконані зубці відповідного асиметричного профілю, що забезпечує взаємне переміщення клина і натискної планки тільки до осі сердечника при виникненні зазору між шайбою і еластичною манжетою. При роботі циліндро-поршневого вузла, робоча поверхня еластичної манжети зношується і появляється певний зазор між ущільнюючим еластичним елементом і циліндром (контрдеталлю). Тиск рідини при такті нагнітання відтискає шайбу у сторону ущільнюючого елемента. Клин і натискна планка під дією пружини переміщуються до осі поршня, при цьому зубці на скошених поверхнях взаємно переміщуються і впадають у западини між цими зубцями. При русі поршня у зворотному напрямку ущільнюючий елемент - манжета намагається відновити свої початкові розміри і тисне на шайбу, яка в свою чергу створює тиск на клин та натискну планку. Наявність зубців на скошених взаємодіючих поверхнях клина і натискної шайби не дозволяє їм розійтись від центру до периферії і за рахунок цього здійснюється компенсація зносу манжети поршня у циліндро-поршневому вузлі насоса. До недоліків відомого пристрою можна віднести наступне. Зубці на скошених взаємодіючих поверхнях клина і натискної планки мають певний крок і висоту, що призводить до дискретної (періодичної) зміни висоти компенсуючих елементів (клиннатискна планка). Це погіршує забезпечення герметичності у парі тертя поршень-циліндр. 1 UA 108341 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Зменшення висоти зубців підвищить герметизуючу здатність, але зменшує міцність зубців, що при значних механічних навантаженнях може призвести до їх зминання та виходу із ладу вузла у цілому. Інший недолік автоматичної компенсації зносу поршня пов'язаний із нерівномірністю зносу робочої поверхні циліндра по довжині ходу поршня. Це може призвести до того, що у місці найбільшого зносу циліндра відбудеться спрацювання засобу підтискання та створення відповідного робочого натягу. При подальшому переміщенні поршня в місця, де знос циліндра є меншим, натяг у парі тертя поршень-циліндр буде більшим від робочого, що викличе інтенсивний знос поршня та додаткові енергетичні затрати на привід насоса. Крім того, існує клас поршневих насосів, наприклад бурові, які перекачують розчини, що містять тверді частинки гірської породи. Попадання таких частинок у контактну зону зубців може призвести до заклинювання і втрати працездатності відомого поршня. В основу винаходу поставлена задача удосконалення циліндро-поршневого вузла насоса, в якому шляхом модифікації конструкції засобу для підтискання натискної конічної шайби забезпечується плавне регулювання натягу в зворотно-поступовій парі тертя еластична манжета- циліндр, а отже, і герметичність спряження поршень-циліндр, без розбирання самого насоса. За рахунок цього збільшується довговічність вузла та економічність експлуатації насосу. Поставлена задача вирішується тим, що в циліндро-поршневому вузлі насоса, який містить циліндр, розміщений у ньому нерухомо закріплений на штоку поршень, який складається з металевого сердечника, встановленої на ньому манжети, натискної конічної шайби, яка зовнішньою конічною поверхнею взаємодіє із манжетою, та засіб для підтискання натискної конічної шайби, згідно з винаходом засіб для підтискання натискної конічної шайби додатково містить три або більше плунжери, розміщені у радіальних отворах, виконаних у штоку навпроти натискної конічної шайби, а периферійні кінці плунжерів виконані із скосами зі сторони поршня з можливістю взаємодії із внутрішньою конічною поверхнею натискної шайби, в штоку також виконаний осьовий, заглушений з обох кінців отвір, який сполучений із радіальними отворами, осьовий та радіальні отвори заповнені гідропластом, крім того, вузол оснащений системою для створення тиску на гідропласт, яка сполучена із основним отвором і виконана на неробочій частині штока зі сторони механічної частини поршневого насоса. Введення плунжерів у конструкцію циліндро-поршневого вузла насоса, встановлених у радіальних отворах, виконаних у штоку, забезпечує створення зусилля, необхідного для стискання манжети і компенсації її зносу в радіальному напрямку. Вибрана кількість плунжерів: три і більше - забезпечує рівномірність розподілу тиску натискної шайби на еластичну манжету. Виконання радіальних отворів у штоку, в яких встановлюються плунжери, навпроти натискної конічної шайби, забезпечує можливість взаємодії плунжерів із внутрішньою конічною поверхнею натискної шайби і створення за рахунок цієї взаємодії осьового та радіального зусилля на манжету. Виконання периферійних кінців плунжерів із скосами, при взаємодії цих скошених поверхонь із внутрішньою конічною поверхнею натискної шайби, створює своєрідний клиновий механізм, який перетворює радіальне переміщення плунжерів у відповідний осьовий рух натискної шайби. Крім того, змінюючи кут скосу і конусність внутрішньої конічної поверхні натискної шайби забезпечують необхідну величину осьового зусилля для відповідного деформування (стискання) еластичної манжети поршня. Виконання осьового, заглушеного з обох кінців, отвору у штоку і його сполучення із радіальними отворами формує герметичну систему, яка після заповнення гідропластом дозволяє створити необхідний тиск для забезпечення радіального переміщення плунжерів. Тиск на гідропласт створюється системою створення тиску, яка сполучена із осьовим отвором, виконаним у штоку. Виконання системи створення тиску на неробочій частині штока зі сторони механічної частини поршневого насоса дозволяє регулювати тиск на гідропласт і, як наслідок, - натяг у парі тертя циліндр-манжета, без розбирання насоса. Суть запропонованого винаходу пояснюється кресленням, на якому зображена схема циліндро-поршневого вузла насоса. Вузол містить циліндр 1, розміщений у ньому і нерухомо закріплений на штоку 2 поршень, який складається із металевого сердечника, що містить циліндричну частину 3 і опорний фланець 4, та встановленої на металевому сердечнику еластичної (найчастіше - гумової) манжети 5. Зі сторони нагнітальної частини насоса еластична манжета 5 притискається конічною натискною шайбою 6. У штоку 2 виконані радіальні отвори 7 (як мінімум три), в які вставлені плунжери 8. Периферійні кінці 9 плунжерів 8 виконані скошеними з можливістю взаємодії з конічною натискною шайбою 6. По центру штока 2 виконано осьовий отвір 10, який сполучається із 2 UA 108341 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 радіальними отворами 7. Отвір 10 виконаний заглушеним з обох кінців: з правої сторони виконаний глухим, а з лівої - заглушений болтом 11. Порожнини осьового отвору 10 та радіальних отворів 7 заповнені гідропластом 12. На неробочій частині штока 2 зі сторони механічної частини насоса виконана система для створення тиску на гідропласт 12, яка складається із плунжера 13, встановленого у радіальний отвір 14. Тиск створюється болтом 15, який взаємодіє із торцевою поверхнею плунжера 13 і фіксується контргайкою 16 при досягненні необхідного тиску в порожнині штока 2. Система контролю тиску на кресленні не показана. Заявлений циліндро-поршневий вузол насоса працює наступним чином. Поршень, який отримує рух від штока 2, здійснює зворотно-поступальне переміщення відносно циліндра 1. Еластична манжета, яка встановлена на циліндричну частину 3 металевого сердечника поршня, стискається між опорним фланцем 4 металевого сердечника та конічною натискною шайбою 6. Завдяки цьому створюється відповідний натяг і герметичність у парі тертя циліндр 1-еластична манжета 5. При русі поршня вліво, на циклі нагнітання (стискання), робоча рідина подається у гідравлічну систему насоса (на кресленні не показана). Під час роботи вузла, через наявність у перекачуваній рідині абразивних частинок (наприклад, при перекачуванні бурового розчину, який містить у своєму складі частинки гірської породи), відбувається інтенсивний знос робочих поверхонь: внутрішньої поверхні циліндра 1 і зовнішньої поверхні еластичної манжети 5. Натяг між взаємодіючими робочими поверхнями зменшується, починається перетікання перекачуваної рідини, внаслідок чого зменшується продуктивність і ефективність роботи насоса в цілому. Для відновлення відповідного натягу в парі тертя циліндр-манжета створюється додатковий тиск на гідропласт 12, яким заповнена система отворів 10 і 7 у штоку 2. Тиск створюється шляхом переміщення плунжера 13, який розміщений у радіальному отворі 14, і взаємодіє із болтом 15 при його загвинчуванні. Оскільки осьовий отвір 10 з одного кінця штока виконаний глухим, а з другого - заглушений болтом 11, то зростання тиску гідропласта 12 призведе до переміщення плунжерів 8 у радіальному напрямку від осі штока 2. Під час переміщення плунжерів 8 через клинову пару: периферійний скошений кінець 9 плунжерів 8-внутрішня конічна поверхня металевої натискної шайби 6, передається зусилля на еластичну манжету 5. Ця еластична манжета стикається в осьовому та радіальному напрямках конічною натискною шайбою 6, збільшується її зовнішній діаметр і за рахунок цього натяг між циліндром 1 і еластичною манжетою 5 поршня відновлюється. При досягненні необхідного рівня тиску в гідропласту 12 болт 15 нерухомо фіксується за допомогою контргайки 16. Відновлення герметичності досягається без розбирання насоса і може здійснюватись під час його технічного обслуговування. Система створення тиску на гідропласт 12 може мати також і інше конструктивне виконання. Наприклад, тиск від додаткового насоса (на кресленні не показаний) передається на гідропласт 12 через отвір 14 у штоку 2 гнучким шлангом (на кресленні не показаний). Застосування заявленого вузла дозволяє здійснювати компенсацію зносу еластичної манжети поршня, запобігає виникненню місцевого промивання деталей циліндро-поршневого вузла насоса струменем рідини з частинками абразиву і забезпечує підвищення довговічності роботи змінних деталей гідравлічної частини поршневих насосів та зниження витрат на їх технічне обслуговування. Джерела інформації: 1 А. с. 396501 СССР, МКИ F 16 J 1/02. Поршень насоса / Д.Б. Колибрин (СССР). - № 1661102/25-8; заявл. 26.05.71; опубл. 29.08.73, Бюл. № 36. 3 2 А. с. 815388 СССР, МКИ F 16 J 15/32. Уплотнение манжетного типа для возвратнопоступательно движущихся деталей / [В.П. Белугин, И.Н. Клейменов, М.М. Розин и Р.Д. Семенов (СССР)]; заявитель и патентообладатель Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт нефтяного машиностроения. - № 2466434/25-8; заявл. 25.03.77; опубл. 23.03.81, Бюл. № 11. 2 3 А. с. 657208 СССР, МКИ F 16 J 1/02. Поршень насоса / Ю.М. Авилкин (СССР). - № 2559899/25-08; заявл. 23.12.77; опубл. 15.04.79, Бюл. № 14. 55 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 Циліндро-поршневий вузол насоса, що містить циліндр, розміщений у ньому нерухомо закріплений на штоку поршень, який складається з металевого сердечника, встановленої на ньому манжети, натискної конічної шайби, яка зовнішньою конічною поверхнею взаємодіє із манжетою, та засіб для підтискання натискної конічної шайби, який відрізняється тим, що засіб 3 UA 108341 C2 5 для підтискання натискної конічної шайби додатково містить щонайменше три плунжери, розміщені у радіальних отворах, виконаних у штоку навпроти натискної конічної шайби, а периферійні кінці плунжерів виконані із скосами зі сторони поршня з можливістю взаємодії із внутрішньою конічною поверхнею натискної шайби, в штоку також виконаний осьовий, заглушений з обох кінців отвір, який сполучений із радіальними отворами, осьовий та радіальні отвори заповнені гідропластом, крім того, вузол оснащений системою для створення тиску на гідропласт, яка сполучена із основним отвором і виконана на неробочій частині штока зі сторони механічної частини поршневого насоса. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4