плунжер (штангового насоса)

Формула изобретения

1. Плунжер (штангового насоса), включающий сквозную полость и уплотнительный узел, поджимаемый посредством давления нагнетания, и содержащий манжеты, выполненные из деформируемого этим давлением материала, с сечением в виде равнобокой трапеции, меньшее основание которой предназначено для контактирования с рабочей поверхностью цилиндра насоса, а каждая из манжет отделена от соседней запорным кольцом с объемной конфигурацией, определяемой межманжетным пространством, ограниченным снаружи цилиндрической поверхностью плунжера (насоса), отличающийся тем, что каждая манжета снабжена тонкостенной втулкой, размещенной со стороны большего основания трапеции симметрично последнему и выполненной зацело с манжетой из упругопластичного африкционного материала, например, фторпласта, при этом в плунжере выполнены каналы для сообщения сквозной полости с подманжетным пространством.

2. Плунжер по п.1, отличающийся тем, что толщина манжеты по трапециевидному выступу составляет от трех до четырех толщин тонкостенной втулки, большее основание трапеции составляет половину длины втулки, угол трапеции составляет 90 - 120^o, а отношение толщины тонкостенной втулки к ее длине составляет 0,04 - 0,06.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструктивным решениям одного из основных узлов любого штангового глубинного насоса, а именно к конструкции плунжера, как устройства.

Известна конструкция манжетного полого плунжера [1] с манжетами из эластичного материала, размещенными в кольцевых канавках по его телу, причем последние гидравлически сообщены посредством каналов с выходом насоса, т.е. с надплунжерным пространством. Особенностью известного плунжера является то, что при наличии на нем нескольких манжет они поочередно (по мере выхода из строя вышеразмещенной манжеты) вступают в работу. Однако при практически одинаковом техническом результате (несколько меньший срок службы) в еще более ранней конструкции (основное изобретение для дополнительного [1]) все манжеты работают одновременно и одновременно равномерно изнашиваются.

Следует отметить, что в известном плунжере эластомер манжеты участвует в автокомпенсации изношенной поверхности, прилегающей к поверхности цилиндра насоса лишь средней частью объема ее, подверженного выпучиванию от действующего на манжету изнутри давления нагнетания насоса, причем эффект самоуплотнения каждой последующей, вступающей в работу манжеты снижается за счет дросселирования достаточно вязкой, перекачиваемой среды в зазоре между цилиндром и каждой предыдущей, уже отработавшей ресурс манжетой, а также за счет потерь давления в канале его передачи к манжете работающей.

Наиболее близким техническим решением, то есть прототипом заявленного плунжера, является известный [2], содержащий сквозную полость и поджимаемый посредством давления нагнетания уплотнительный узел, содержащий манжеты из эластомера с сечением в виде равнобокой трапеции, меньшее основание которой предназначено для контактирования с рабочей поверхностью цилиндра насоса, а каждая из манжет отделена от соседней запорным кольцом с объемной конфигурацией, определяемой межманжетным пространством, ограниченным снаружи цилиндрической рабочей поверхностью плунжера.

К наиболее существенным недостаткам известной конструкции плунжера следует отнести достаточно сложную механику процесса поджимания и автокомпенсации износа каждой их манжет, не позволяющие отработать их максимально полно, так как эластомер участвует в компенсации износа преимущественно лишь средней частью, подверженной выпучиванию под воздействием давления над плунжером в ходе нагнетания. Как следствие неравномерности нагрузки манжет в известной конструкции, недостаточно стабильно и эффективно обеспечена и пространственная ориентация плунжера в цилиндре насоса при его перемещениях вверх-вниз.

Требуемый технический результат - повышение работоспособности при увеличении срока эксплуатации в целом и снижении энергозатрат.

Это достигается тем, что заявленный плунжер, имеющий с плунжером-прототипом такие общие для них существенные признаки, как сквозная полость и уплотнительный узел, поджимаемый (к цилиндру насоса) посредством давления нагнетания, содержащий манжеты, выполненные из деформируемого этим давлением материала, с сечением в виде равнобокой трапеции, меньшее из оснований которой предназначено для контактирования с рабочей поверхностью цилиндра насоса, а каждая из манжет отделена от соседней запорным кольцом с объемной конфигурацией, определяемой межманжетным пространством, ограниченным снаружи цилиндрической рабочей поверхностью плунжера, содержит и существенные (для достижения требуемого технического результата) признаки, отличающие его от прототипа и не являющиеся сходными (эквивалентными) с признаками известных устройств в смежных областях науки и техники. Так основными существенными отличительными признаками являются как материал каждой из манжет (упругопластичный африкционный, например фторопласт), так и конфигурация ее в виде тонкостенной втулки, размещенной со стороны большего основания трапеции симметрично последнему, при этом в плунжере выполнены каналы для сообщения сквозной полости с подманжетным пространством.

Дополнительными существенными отличительными признаками являются: толщина манжеты по трапециевидному выступу составляет от трех до четырех толщин тонкостенной втулки, большее основание трапеции составляет половину длины втулки, угол трапеции составляет 90-120^o, а отношение толщины тонкостенной втулки к ее длине составляет 0,04-0,06.

На фигуре 1 изображен плунжер с четырьмя манжетами; на фиг. 2 - форма сечения манжеты в общем виде; на фиг. 3 - форма сечения манжеты при ее толщине (по трапециевидному выступу), равной четырем толщинам тонкостенной втулки, а толщина ее равна 0,05 длины, при этом угол трапеции 90^oC.

Плунжер 1 содержит (фиг. 1) сквозную полость 2, подманжетные пространства в виде кольцевых канавок 3 на теле плунжера, причем они могут быть незначительными по размерам, каналы 4 для сообщения сквозной полости с канавками 3, манжеты 5 с сечением в виде равнобокой трапеции, меньшее основание которой предназначено для контактирования с рабочей поверхностью цилиндра насоса, а со стороны большего основания трапеции каждая из манжет дополнена тонкостенной втулкой длиной L, причем втулка выполнена зацело с трапецией из африкционного упругопластичного материала симметрично ее большему основанию. Каждая из манжет 5 отделена от соседней запорным кольцом 6 с объемной конфигурацией, определяемой межманжетным пространством, ограниченным снаружи цилиндрической рабочей поверхностью плунжера, как это отмечено на фиг. 1 и 2. Как показала практика, угол между сторонами равнобокой трапеции () (фиг. 2) оптимален в пределах 90-120^o, а толщина () втулки манжеты 5 должна составлять 0,04-0,06 ее длины L.

Общеизвестно, что диаметр плунжера (фиг. 1) любого насоса очень близок по значению к диаметру цилиндра насоса, но всегда меньше, поэтому выступы манжет из упругопластичного материала, каким является фторопласт, выходящие за пределы диаметрального размера плунжера, всегда будут копировать диаметральный размер цилиндра насоса и надежно (стабильно) ориентировать плунжер относительно последнего.

Отметим при этом, что работа данной конструкции плунжера практически ничем не отличается от работы ранее известных конструкций, но особенность его заключается в том, как работает каждая из манжет, конфигурация и свойства материала которой обеспечивают длительную и надежную работу пары цилиндр-плунжер за счет экономного расходования материала манжеты как уплотняющей вязкоупругой смазки, подаваемой в зазор трущихся деталей под циклическим действием давления извне (в нашем случае надплунжерное давление в насосе незамедлительно воздействует на манжету 5 из полости 2 плунжера через каналы 4 и канавки 3 при каждом ходе нагнетания), а при его отсутствии незначительная остаточная упругость материала манжеты предохраняет ее от износа. Манжета работоспособна практически до потери половины своей первоначальной массы, так как унос упругопластичного фторопласта, да еще в силу его африкционности, крайне незначителен, что и обуславливает достижение требуемого технического результата.