На концевых участках цилиндровой втулки выполняются фаски для захода манжет поршня во время сборки (поскольку наружный диаметр их больше, чем отверстие цилиндровой втулки).

Для повышения долговечности цилиндровые втулки изготовляют из качественной углеродистой стали марок 50 или 70, из хромомолибденовой или хромистой стали, а также из цементируемых сталей марок 15, 20 и др. Применяют различные способы поверхностного упрочнения сталей. Втулки из стали изготовляются индивидуальной ковкой из трубного проката, реже литыми, так как заготовки из литой стали часто имеют неравномерную плотность и структуру металла, что вызывает неравномерность износа и снижает износостойкость пары поршень – втулка.

В зарубежной практике нашли применение цилиндровые втулки, изготовляемые методом центробежного литья, а для работы в сильно коррозионной среде – из высокопрочной керамики.

Торцы цилиндровой втулки попеременно воспринимают осевое усилие от действия давления жидкости и силы трения со стороны поршня, влиянием которых втулка совершает некоторые колебания вдоль оси. Цилиндровая втулка в гидрокоробке крепится с помощью лобовой крышки (см. рис. 9).

Перекачиваемая жидкость стремится под действием перепада давления проникнуть через зазор между наружной поверхностью цилиндровой втулки 5 и внутренней поверхностью гидрокоробки 6 (см. рис.9 а). Этот зазор герметизируется зарубашечным уплотнением 4 из эластичных подтягиваемых колец.

Конструкции узла крепления и уплотнения цилиндровой втулки разнообразны. В ряде насосов используются конструкции, в которых функции крепления и уплотнения совмещены (см. рис.9 а и в). В первой из них цилиндровая втулка 5 закрепляется с помощью ввернутого в лобовую крышку 2 нажимного болта 1 и коронки 3. Крышка в этой конструкции крепится к гидрокоробке шпильками. Зарубашечное уплотнение 4 представляет собой резиновую втулку прямоугольного сечения, подтягиваемую буртом цилиндровой втулки. Недостатки этой конструкции: поломка лобовых шпилек, чрезмерное напряжение участка гидрокоробки, соприкасающегося с зарубашечным уплотнением, трудность затяжки центрального болта, порча его резьбы, быстрый выход из строя резинового кольца зарубашечного уплотнения.

Поршни.

В современных поршневых насосах используются разнообразные конструкции поршней, различающиеся устройством манжет, способом их крепления к сердечнику, посадкой его на шток и др.

Рисунок 10. Поршень бурового насоса двойного действия.

Цельный поршень бурового насоса двойного действия (рис. 10) состоит из стального сердечника 1 и привулканизированных к нему с двух сторон резиновых манжет 2 с губами самоуплотняющейся конструкции. Манжеты разделены между собой буртом стального сердечника, воспринимающего действие давления и сил трения стороны резины.

Сердечник поршня имеет фигурные проточки для увеличения прочности соединения резины с металлом. Нередко в его выступающем бурте делают параллельные оси детали сквозные отверстия, необходимые для заливки резиной второй половины поршня при его изготовлении.

Сердечник изготавливают из углеродистой стали. Его поверхность в местах, соприкасающихся с резиновой смеси на натуральном или синтетическим каучуке. Поршни из резины на натуральном каучуке предназначены для работы на жидкости, не содержащей нефти, а из синтетической маслотеплостойкой резины – для общих условий работы.

Наружный диаметр губы манжеты делается несколько большим (на 3 - 4 мм), чем диаметр отверстия цилиндровой втулки. Благодаря этому создается предварительный прижим губы к втулке, необходимый для правильного действия самоуплотняющейся манжеты. Сборочный натяг губы выбирается так, чтобы резина плотно и равномерно, без складок, прилегала к втулке по всей окружности и чтобы на ней создавалось достаточное начальное давление. Натяг манжеты предусматривается лишь на участке, выходящем за пределы сердечника. Поверхность манжеты, находящаяся над сердечником, выполняется относительно цилиндровой втулки с гарантированным зазором. Во время работы насоса манжета поршня давлением жидкости плотнее прижимается к поверхности втулки, обеспечивая надежное уплотнение.

Рисунок 11. Сборный поршень бурового насоса.

Поршень рис.11 а) и в), конструкция сборного поршня с резинометаллическими самоуплотняющимися манжетами. Поршень состоит из металлического сердечника 1, двух эластичных манжет 2, двух стальных шайб 3 и двух пружинных колец 4. Отверстие в сердечнике для посадки на шток выполнено коническим. На цилиндрической поверхности сердечника с обоих краев имеются канавки для размещения в них пружинных колец 4.

Использование резино-тканевых манжет увеличивает срок службы поршня, так как достигается большая жесткость и лучшее предохранение резины от выдавливания в зазор между буртом сердечника и цилиндровой втулкой. По этим же причинам иногда применяют резино-металлические съемные манжеты. Сердечник поршня имеет фигурные проточки для увеличения прочности соединения резины с металлом.

Сердечник изготавливают из углеродистой стали. Его поверхность в местах, соприкасающихся с резиновой смеси на натуральном или синтетическим каучуке. Поршни из резины на натуральном каучуке предназначены для работы на жидкости, не содержащей нефти, а из синтетической маслотеплостойкой резины – для общих условий работы.

Штоки.

Шток поршневого насоса служит для передачи усилия от крейцкопфа к поршню и представляет собой металлическую деталь цилиндрической формы, длина которой намного больше диаметра. Штоки по конструкции делятся на цельные и составные. В мощных насосах высокого давления применяют составные штоки, которые значительно легче цельных. Цельные штоки применяют в небольших машинах.

На концевых участках штоков выполняется наружная резьба, с помощью которой он одной своей стороной жестко соединяется с контрштоком (крейцкопфом), а с другой – с гайкой поршня. Для обеспечения быстрой замены штока резьба в контрштоке иногда делается конической. Участок для наворачивания контргайки в этом случае имеет цилиндрическую резьбу.

Для вывинчивания штока предусмотрен участок с лысками под ключ или с накатанной поверхностью. Средняя часть штока выполняется гладкой и должна иметь высокую поверхностную твердость. Максимальная прочность и износостойкость узла уплотнения достигается применением легированной или конструкционной стали с объемной или поверхностной термообработкой. Нередко рабочую поверхность штока покрывают износостойким хромовым покрытием с последующей полировкой. Для повышения усталостной прочности число подрезов на поверхности штока стремятся свести минимуму.

Уплотнения штоков.

Уплотнение штока служит для предотвращения утечки жидкости из гидрокоробки в месте выхода штока наружу в насосах двойного действия. Уплотнение обычно располагают в отдельном корпусе, который выполняет также роль центрирующей детали между станиной и гидрокоробкой.

Рисунок 12. Уплотнение штока бурового насоса.

Наиболее распространенными конструкциями уплотнений штоков являются сальниковые, основу которых составляют эластичные кольца-манжеты, вставляемые в сальниковую камеру и подтягиваемые нажимной втулкой (рис. 12). Корпус 1 сальника вставлен в гидрокоробку 4 и присоединен к станине шпильками. Внутри корпуса установлены чугунная грундбукса 2 и эластичные кольца 3, поджимаемые чугунной втулкой 6 и фланцем 5 с двумя шпильками.

В качестве набивочного материала в насосах низкого давления используют резиновые, а в насосах высокого давления – резинотканевые кольца или манжеты. Манжеты различаются между собой формой сечения. Распространены конструкции так называемого самоуплотняющегося типа. Они имеют U- или V-образное сечение. Для обеспечения эффекта самоуплотнения участки манжеты, соприкасающиеся с поверхностями сальниковой камеры и штока, выполняются с натягом. Своей впадиной манжеты обращены в сторону гидравлического цилиндра. Перекачиваемая насосом жидкость, надавливая на внутреннюю вогнутую поверхность манжеты, поджимает её губы к штоку и стенке корпуса, обеспечивая плотный контакт между деталями и необходимую герметичность стыка.

В практике насосостроения используются как цельные, так и разрезные манжеты. Разрезы на манжете делаются косыми. Стыки соседних манжет смещают один относительно другого на 120 или 180˚. Самоуплотняющие сальники слегка затягивают, что обеспечивает работу уплотнения при небольшом усилии трения во время хода всасывания и способствует увеличению продолжительности работы узла.

К числу редко применяемых несамоуплотняющихся конструкций относятся манжеты типа «шеврон» и «лайон». Их внутренний диаметр может быть несколько больше диаметра штока. Для обеспечения надежного контакта этих манжет со штоком пакет подтягивается.

В некоторых конструкциях уплотнений (см. рис. 12) в средней части пакета устанавливают металлическое кольцо, разделяющее манжеты (для более равномерного поджима и подвода смазки к трущимся поверхностям). В других конструкциях уплотнений между манжетами установлены металлические проставочные кольца для придания жесткости уплотнительному элементу и обеспечения раздельной его работы.

Рисунок 13. Уплотнение штока с двусторонней резино-металлической втулкой-манжетой.

На рис. 13 показано уплотнение с двусторонней резино-металлической втулкой-манжетой. Втулка-манжета 2 закреплена в корпусе 1 с помощью винтовой втулки 4 и зафиксирована в ней пружинным кольцом. Передней своей эластичной губой манжета упирается в грундбуксу 3. Использование втулки с трапецеидальной резьбой значительно упрощает операции по установке, извлечению и регулировке уплотнения.

Втулка-манжета симметрична относительно вертикальной оси. Это позволяет повторно использовать изношенную деталь в перевернутом положении, поскольку задняя опорная часть изнашивается значительно меньше передней уплотнительной; передняя губа нередко повреждается монтируемым штоком.

Конструкция уплотнений плунжерных насосов.

Конструкции уплотнений плунжерных насосов представляют собой многоэлементные сальники с эластичными манжетами (рис. 14).

Рисунок 14. Уплотнение плунжера.

Конструкции сальниковых уплотнений плунжеров подобны конструкциям уплотнений штоков. Плунжер 1 направляется грундбуксой 2 и нажимной втулкой 5, изготовленными из антифрикционного материала. Пакет 3, состоящий из нескольких уплотнительных манжет, поджимается фонарем 4, с помощью накидной гайки 6 (или фланца). В среднюю часть уплотнения поступает смазка: вода, масло или эмульсия. В уплотнениях плунжеров применяют резиновые и резино-тканевые манжеты различных конструкций. Манжеты типа «шеврон» набираются в пакеты по несколько штук без проставочных колец. Их используют как разрезными, так и цельными. Манжеты типа «лайон» применяются в основном разрезными, а манжеты воротникового типа – неразрезными.

В более поздних отечественных конструкциях плунжерных насосов используются резино-металлические уплотнения, имеющие повышенный срок службы. Плунжер в такой конструкции направляется обрезиненной втулкой, исключающей трение металлических поверхностей.

Принцип работы уплотнений плунжеров с резино-металлическими манжетами такой же, как уплотнений штока. Манжеты их самоуплотняющиеся и вступают в действие автоматически. Удержание резины сердечником уменьшает удельное давление на трущихся поверхностях и опасность выдавливания резины в зазор между буртом сердечника и плунжером. Смазка поступает в камеру, расположенную в средней части втулки-манжеты, а из неё – на плунжер. Натяг губы манжеты регулируется при осевом перемещении детали фланцем или накидной гайкой.

Клапаны.

Клапаны поршневого насоса относятся к основным деталям гидравлической части.

Основные требования, предъявляемые к клапанам: а) обеспечение полной герметичности, повышенной износостойкости и безотказной работы; б) небольшое гидравлическое сопротивление; в) безударная посадка тарелки на седло; г) легкость осмотра и быстрота замены деталей.

Буровые и нефтепромысловые поршневые и плунжерные насосы снабжены преимущественно автоматическими клапанами, которые открываются и закрываются под действием изменяющегося давления жидкости. Клапаны этих насосов бывают только тарельчатыми: в них поток жидкости осуществляется лишь по внешней кромке тарелки (кольцевые клапаны применения не нашли). Герметизация зазора между тарелкой и седлом в закрытом положении клапана обеспечивается эластичным уплотнительным элементом.

Рисунок 15. Клапан поршневого насоса.

Клапан, показанный на рис. 15, конический, с перьевой нижней и стержневой верхней направляющими, с уплотнением, расположенным на тарелке. Он состоит из неподвижно закрепленного в гидрокоробке 10 седла 9, подвижной тарелки 8, уплотнительного диска 7, пружины 6 и других деталей. Между гидрокоробкой 10 и седлом 9 находится уплотнительное кольцо 2. В нижней части седла 9 напрессована крестовина 1. Упругий уплотнительный диск 7 надет на тарелку сверху и закреплен на ней стальной шайбой 3 и пружинным замком 4. Во время работы насоса диск прижимается к седлу и тарелке давлением жидкости. Верхняя и нижняя направляющие тарелки помещены соответственно во втулке 5 и в цилиндрическом отверстии седла. Пружина 6, упирающаяся верхней частью в крышку клапана, служит для более быстрой посадки тарелки во время закрытия клапана.

Седло имеет коническую наружную поверхность, необходимую для обеспечения плотного соединения с гидрокоробкой. Конусность 1/5 - 1/6. При меньшей конусности седло клапана может заклинить в отверстии гидрокоробки так, что для разборки потребуется съемник с большим осевым усилием. Для большей гарантии уплотнения зазора между седлом и гидрокоробкой в кольцевой канавке седла установлено упругое самоуплотняющееся кольцо 9 круглого сечения. Торцовая поверхность седла, на которую опираются тарелка и уплотнительный диск, также коническая, выполняемая обычно с углом относительно оси 45 - 60˚.

В подпружиненных клапанах для уменьшения инерционных сопротивлений тарелку стараются выполнить облегченной. Размеры её выбирают из соображений прочности детали.

Детали клапанов для получения повышенной прочности и износостойкости изготавливают из конструкционной стали 40Х и из сталей 15, 12ХН2, 20ХН3 с цементацией. Тарелки и седла подвергают общей термообработке, их посадочные поверхности закаливают. Твердость седел назначается несколько выше, чем твердость тарелок. Всасывающие и нагнетательные клапаны выполняются одинаковыми и взаимозаменяемыми.

Уплотнительные элементы (шайбы и кольца) изготовляют из маслотеплостойкой синтетической резины. Резиновые уплотнительные элементы для более плотного соединения с седлом иногда закрепляют металлическими бандажами или привулканизовывают , что увеличивает срок службы узла.