книги / Поршневые буровые насосы
..pdfкой и чтобы не возник режим сухого трения ни в какой части по верхности трения. После холостой обкатки насос плавно пере
водят с холостого хода на рабочий.
Иногда считают, что для нормальной работы цилиндро-порш невой пары необходимо в щели, образованной стенками цилиндро вой втулки и эластичного уплотнения поршня, наличие гидродина мического трения. Подтверждают эту точку зрения отсутствием не посредственного контакта между стенками, что обнаруживается, например, в эксперименте с поршнем, покрытым тонким слоем краски, которая не стирается в работе. Однако условием возник новения гидродинамического трения является, как известно, расход жидкости через щель.
Перепад давления запираемой жидкости на поршне (разность между давлением нагнетания, действующим по одну сторону щели
и давлением всасывания — по другую) |
в буровых насосах дости |
|||
гает величины 400 кгс/см2. |
абразивосодержащего |
промывочного |
||
Протекание через щель |
||||
раствора, оказывающего |
на |
ее стенки |
сильное |
гидроабразивное |
эрозионное воздействие, |
при этом привело бы за |
короткое время |
к полному нарушению уплотнения.
Против вывода о существовании режима гидродинамического трения в щели свидетельствует характер кривых a = e ^ (см. рис. 33), показывающий, что давление в щели монотонно возра
стает |
по направлению предполагаемого движения жидкости. |
Этот |
рост давления необходим для уплотнения подвижного сое |
динения, и он не может быть объяснен только методами классиче ской гидромеханики вязкой жидкости, тем более, что скорость поршня буровых насосов не превышает 1,5 м/с. Изучение процес сов \ протекающих в прилегающем к твердому телу тонком слое жидкости, показало, что ее поляризованные молекулы связыва ются молекулярным полем твердого тела, определенным образом ориентируются, образуют устойчивую структурную систему, обла дающую особыми свойствами, способную воспринять без разруше ния определенные нормальные и касательные напряжения.
Нормальные напряжения в граничном смазочном слое удержи вают стенки щели на некотором расстоянии друг от друга, пре дотвращая их контактирование. Касательные напряжения создают сопротивление относительному смещению стенок и перемещению жидкости в щели под действием разности давления на различных участках взаимодействующих поверхностей. Слой жидкости, свя занной молекулярными силами одного из трущихся тел, неподви жен относительно этого тела. Жидкость не протекает в щели.
Эластичность уплотнительного кольца позволяет ему деформи роваться при относительном движении и огибать неровности твер дого контртела, следуя за ними и сохраняя между стенками само-*1
1 А х м а т о в А. С. Молекулярная физика граничного трения. М., Фнзматгиз, 1963.
устанавливающуюся толщину щели, изменяющуюся от долей до 2—3 мк (расстояние, необходимое для поддержания граничного
трения).
Утечка жидкости через уплотнение представляет собой раз ность между количеством жидкости из насосной камеры и вноси мой в нее, на поверхности трущихся деталей при их относитель ном движении. Утечки промывочной жидкости, не вызывающие повреждение сопряженных деталей, незначительны по величине. При чистоте поверхности цилиндровой втулки 8 класса, диаметре поршня 150 мм и давлении нагнетания 320 кгс/см2 на упомя нутом стенде они не превышают 4 дм3/ч, причем величина предель ной объемной потери четко фиксируется по резкому падению Дав ления между двумя поршнями. Этот предел соответствует объему слоя жидкости толщиной 3 мк, остающейся на поверхности втулки цилиндра за проходящим поршнем и равномерно распределенной по поверхности цилиндровой втулки указанного диаметра и дли ной, равной пути поршня, проходимого за 1 ч. При превышении предельной величины объемных потерь уплотнение работает в ус ловиях образования между ним и цилиндровой втулкой сплошной жидкостной прослойки, которая больше толщины граничного слоя, причем жидкость не удерживается молекулярными силами от пере текания под действием перепада давления.
Сплошное замкнутое вокруг поршня кольцо с режимом гранич ного трения в щели ликвидируется.
Величина молекулярных сил больше у стенок щели, а при уве личении толщины щели их недостаточно, чтобы удерживать части цы жидкости. Поршневое кольцо теряет свою уплотняющую спо собность.
После этого эластичная манжета быстро разрушается в резуль тате прямого перетекания абразивосодержащей жидкости из на сосной камеры высокого давления по одну сторону поршневого кольца в камеру низкого давления с другой его стороны.
Предельная толщина щели hu между движущимся поршнем и цилиндровой втулкой, при которой объемные потери еще не вы
зывают очень быстрого повреждения уплотнения, |
определяется |
||||||
из уравнения |
яDhn _ |
Qm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
~ |
2s/i60 ’ |
|
|
|
|
где в правой части в числителе величина Qu, — наибольшая |
допу |
||||||
стимая объемная потеря жидкости в уплотнении |
за |
1 ч, |
равная |
||||
4 дм3/ч в условиях эксперимента, а в знаменателе — путь |
поршня |
||||||
за то же время. |
|
относительно hn и |
подставляя |
||||
Решая |
полученное уравнение |
||||||
числовые |
значения |
известных из |
опыта величин, |
получим |
пре |
||
дельную толщину слоя теряемой жидкости: |
|
|
|
|
|||
|
Qm |
— 41-°я - |
= 3,1 10 4см = 3,Ы 0 |
бм. |
|
120лDsn 120л15-45-55
При толщине щели приблизительно от десятых долей микрона до 3 мк жидкость в щели неподвижна относительно сопряженных деталей, трение носит граничный характер.
Полученная оценочная величина предельного зазора ftn= 3 ,l мк
достаточно близка к |
непосредственно измеренной толщине масля |
|
ной пленки /г = 2 мк, |
при которой, как |
установлено К. С. Серовым |
(см. стр. 33), наблюдается граничный |
режим трения между взаи |
модействующими профилями исследованной им зубчатой передачи с независящим от скорости относительного скольжения значением коэффициента трения. Близкое совпадение величин Л,г и h под тверждает преобладающее влияние на состояние жидкости в уз ком зазоре молекулярных сил, связывающих жидкость у поверх ности обеих стенок щели поршень — цилиндровая втулка так же, как и на поверхности взаимодействующих профилей зубьев в экс
периментах К. С. Серова.
Толщина слоя h жидкости, протекающей между параллельны ми поверхностями поршня и зеркала цилиндровой втулки, может быть также вычислена при помощи известной формулы гидроме
ханики вязкой жидкости: |
|
|
|
|
|
|
|
|
п |
_1 |
p/i3 |
JiD |
|
||
|
Vm "Т7Гe |
и |
* |
~ • |
|
||
|
|
12 |
|
|
L |
|
|
Решая данное выражение относительно h и подставляя число |
|||||||
вые значения известных |
величин (в единицах системы СИ Qm= |
||||||
= 4 • 10"3/З,6. 103 |
м3/с; |
1,02-10“3 |
ис/м2; L= 0,005 м; /? = |
||||
=^313-105 н/м2; D= 0,15 м), получаем |
|
|
|||||
12QlufiL |
f |
l2 -4 -10-». 1,02.10—»-5-10-2 |
3,56-10-6 м. |
||||
pjiD |
|
3,6-10—^ 3 1 3 . 1 5 - 1 0 —2 |
|||||
|
|
||||||
Следовательно, |
предельная |
величина зазора |
hn — переходное |
||||
значение, близкое |
к вычисленному по |
формулам |
гидромеханики |
вязкой жидкости. При 'Меньших значениях объемных потерь дей ствительный размер щели становится больше вычисленного по этим же формулам, так как сопротивление увеличивается на неко торую величину, которая добавлена к вязкостному сопротивлению, обусловленную влиянием сил, действующих в молекулярном поле у стенок щели, для объяснения которой недостаточно понятия вяз кости.
После появления на поверхности цилиндровой втулки продоль ных рисок или возникновения других дефектов, а также хотя бы местного увеличения толщины щели, достигающей, например 1Û мк, скорость жидкости в щели возрастает в соответствии с за конами гидравлики вязкой жидкости пропорционально квадрату увеличения зазора, поскольку расход пропорционален кубу зазора, а площадь пропорциональна зазору в первой степени, т. е. для ус ловий примера скорость увеличится в (10/3,1)2= 10,4 раза, что
создает условия для разрушения стенок щели абразивосодержа щей струей промывочной жидкости и повреждения цилиндро-
поршневой пары.
Для гидростатических подшипников, работающих на чистом фильтрованном масле в режиме жидкостного трения, рекомен дуется *, чтобы минимальный зазор hmm более чем в 40 раз пре вышал среднеквадратичное отклонение Нск неровностей от сред ней линии профиля шероховатости, т. е.
Ат.п>40Яск. |
|
|
(44) |
Для 8 класса ч и с т о т ы поверхности |
Нс„=0,44-0,8 |
мк. Тогда |
|
Лт,„ > 40 (0,4 н- 0,8) = 16 -г- 32 |
мк. |
|
|
Кроме того, к подшипнику, работающему в гидродинамическом |
|||
режиме, предъявляется требование |
|
|
|
ftmin > зд - |
|
|
(45) |
где А — ошибка в геометрии, которая, |
как |
правило, |
составляет |
не менее 10—20 мк. Тогда |
|
|
|
*min > 3 (10 -s- 20) - 30 ч- 60 мк. |
|
||
Из результатов подсчета величины |
зазора |
по формулам (44) |
и (45), рекомендуемым на основе практического опыта, видно, что при гидродинамическом режиме толщина щели должна быть су щественно (не менее чем на один порядок) больше толщины в ус
ловиях граничного трения.
Эластичное уплотнение, легко, без касания огибающее неров ности поверхности контртела, прижатое через пленку разделитель ной жидкости к контртелу давлением, т. е. опирающееся на свя занные поверхностными силами трущихся тел цепочки молекул жидкости, создает для поддержания режима граничного трения более благоприятные условия, чем, например, в гидростатических подшипниках.
Граничное трение необходимо в нормально работающем эластичном уплотнении, где требуется совокупность свойств плот ности и подвижности соединения при изменении скорости поступа тельного движения поршня насоса от 0 до 1,5 м/с по длине хода. Частичное возникновение условий сухого трения является неже лательным.
Вывод о граничном характере трения весьма важен для пра вильного выбора материалов цилиндро-поршневой пары и анти фрикционных или антиизносных добавок к промывочной жидкости.
1 Проектирование гидростатических подшипников. Под редакцией Гарри Риппела. Перевод с английского ииж. Г. А. Андреевой. М., «Машиностроение», 1967, с. 136.
Виды поршней и характер их изнашивания
Основные разновидности поршня бурового насоса показаны
на рис. 35.
Цилиндрическая металлоарматура резино-металлического поршня (см. рис. 35, а) состоит из ступицы 1 с центральным ко-
Рис. 35. Типичные конструкции поршней.
а — резино-металлического; б — сборного с резиновым уплотнитель ным (У) и пластмассовым подклад ным (2) кольцами: в — к насосу с цилиндрами одностороннего дейст
вия.
нусным отверстием для посадки на шток, среднего разделитель ного фланца 4 и боковых фланцев 6 меньшего диаметра. Две ре зиновые уплотнительные манжеты 7 привулканизированы к металлоарматуре по обе стороны среднего разделительного фланца.
Боковая поверхность резиновой части поршня в сечениях, сов падающих с боковыми фланцами 6, снабжена круговыми высту пами, наружный диаметр £)пыст которых в свободном состоянии
несколько больше диаметра цилиндровой втулки Оц.пт, диаметр Оф среднего разделительного фланца меньше диаметра цилиндра DIt.вт на величину радиального зазора Ô/2.
В среднем и одном из боковых фланцев металлоарматуры рас положены отверстия Зу служащие во время изготовления поршня для прохода резины при ее односторонней заливке в пресс-форме. Боковые фланцы 6 и глубокие лабиринтные проточки 2 защищают резину вулканизированного поршня от продавлиъаиия через отвер стия давлением жидкости, попеременно действующим на поршень
справа и слева.
В насосной камере при нагнетании прижатие давлением жид кости одного из уплотнительных колец поршня двустороннего действия через пленку граничной смазки к зеркалу цилиндровой втулки обеспечивает плотное прилегание резины и создает усло вия, необходимые для высокого вакуума в другой насосной ка мере, расположенной по другую сторону поршня в том же цилинд ре. Во всасывающих камерах цилиндра двустороннего действия исключается подсос воздуха из атмосферы через двустороннее уплотнение поршня, возможный в цилиндре одностороннего дей
ствия.
По обе стороны среднего разделительного фланца на боковой поверхности поршня имеются круговые углубления 5, попере менно являющиеся в работе резервуаром для накопления и рав номерного распределения по окружности поршня жидкости, слу жащей его смазкой. Определенная часть давления нагнетания (около 80 кгс/см2) затрачивается на предварительную деформа цию манжеты, в результате которой вся его боковая поверхность приходит в соприкосновение с цилиндровой втулкой. Давление на трущейся поверхности в опорной части кольца уменьшается на ве личину, затраченную для деформирования резины.
Ось поршня обычно не совпадает с осью цилиндровой втулки. Уплотняемый радиальный зазор фланец—втулка не остается по стоянным по всей окружности поршня, а изменяется в зависимо
сти от величины радиального усилия, |
передаваемого |
поршню |
||
штоком, и благодаря повышенной жесткости круговых |
выступов, |
|||
закрепленных |
кольцевыми |
ребрами металлоарматуры, |
диаметром |
|
£)вы(.т, всегда |
превышает |
размер *зерен |
абразива, остающихся |
в промывочном растворе после гидроциклонной очистки. Поэтому зерна абразива, проникающие в зазор, свободно в нем проходят, не раздробляясь между металлическими деталями, и застревают в резине, углубляясь в нее.
Поршень при движении счищает зерна абразива, находящиеся на свободной поверхности цилиндра, пескобрейной кромкой 8, плотно прилегающей к зеркалу, которое служит опорой для ман жеты.
Трение поршня о зеркало цилиндра при наличии граничного слоя смазки между ними происходит только резиновой боковой по верхностью, шаржированной абразивом, чем достигается минимум
абразивного воздействия. Фланец металлоарматуры не касается зеркала цилиндра.
Материал манжет — резина по ГОСТ 11267—65. Прочность ее крепления к металлу через латунь + лейконат + клей на основе при меняемого каучука, как правило, превышает 50 кгс/см2 и доходит до 150 кгс/см2. Применяется клей хемлак или хемосил 220 и хемо сил 211. Средняя скорость возвратно-поступательного движения поршня допускается до 1 м/с.
Сборный поршень (см. рис. |
35, б) двустороннего |
действия |
снабжен на каждой стороне от среднею разделительного |
фланца |
|
двумя поршневыми кольцами: |
резиновым уплотнительным 1 и |
пластмассовым (например полиуретановым) опорным 2. Назначе ние опорного кольца заключается в том, чтобы: а) центрировать поршень в цилиндре, предотвращая соприкосновение фланца ме таллоарматуры с зеркалом; б) перекрыть уплотняемый зазор, обес печить работу резинового уплотнительного кольца в условиях так называемого нулевого зазора и этим предотвратить выдавливание резины в зазор и ее усталостное вырывание в уплотняемом зазоре, являющееся основным видом изнашивания резино-металлического поршня и в) предотвратить возникновение высокотемпературных режимов в опорной части, принять на себя работу в зоне повы шенных температур, так как материал кольца более теплостоек, чем резина.
На резиновое поршневое уплотнительное кольцо возлагаются функции: 1) защиты поверхности трения от абразива путем его удаления пескобрейной кромкой; 2) обеспечения эластичного оги бания неровностей зеркала цилиндровой втулки и поддержание граничного режима смазки в щели между поверхностью кольца и зеркалом с целью предотвратить перетекание жидкости в щели под действием перепада давления на поршне; 3) передачи давле ния на скошенную часть полиуретанового кольца с целью его прижатия к поверхности зеркала и достижения минимальной вели чины уплотняемого зазора и уменьшения выдавливания резины; 4) создание герметичного уплотнения между ступицей металличе ского сердечника и внутренней поверхностью кольца.
Наружный диаметр полиуретанового опорного кольца больше, чем фланДа металлоарматуры, но несколько меньше диаметра отверстия цилиндровой втулки. Материал опорного кольца доста точно жесткий и в зазор между фланцем поршня и цилиндровой втулкой не выдавливается. Опорное кольцо широкое, и удельное давление на поверхности его цилиндрической центрирующей часта не счищает пленку граничной смазки с цилиндровой втулки. Ско шенная часть кольца Нод давлением резины деформируется, вплот ную прилегая к постепенно увеличивающейся в диаметре цилинд ровой втулке по мере Qe изнашивания.
Менее эластичный, чем резина, полиуретан не может подобно ей легко деформироваться и огибать неровности рельефа цилинд
ровой втулки, чистота поверхности которой должна быть более вы сокой, чем при применении резиновых уплотнений.
Зерна абразива не попадают на поверхность трения полиурета нового кольца о цилиндровую втулку, счищаясь пескобрейной кромкой манжеты или застревая в резине. Поршневые кольца за креплены на металлическом сердечнике шайбой 3 и пружинным кольцом 4 (см. рис. 35,6). Кроме того, их рекомендуется для боль шей надежности при давлении нагнетания выше 175 кгс/см2 склеи вать друг с другом и с сердечником. Независимо от этого замок должен быть рассчитан на то, чтобы, прочно удерживать неприклеенную манжету как при всасывающем, так и при нагнетатель ном ходе поршня.
При хорошем качестве материалов, в частности клея и полиуре тана, с присущей им высокой износостойкостью, срок службы сборных поршней с пластмассовым опорным кольцом весьма про должителен. У поршня для насоса с цилиндрами одностороннего действия смазка вводится через отверстия фланца (рис. 35, в).
Фирма «Мншн» рекомендует одновременно с изношенной порш невой резиной заменять у своих поршней при давлении нагнетания до 105 кгс/см2 металлический сердечник, если линейный износ его фланца достигает 0,75 мм, а при давлении нагнетания от 105 до
175 кгс/см2 — если |
линейный износ превышает 0,25 мм на каком- |
либо участке дуги |
окружности. Величину износа определяют при |
помощи круговых контрольных канавок разной глубины, наноси мых на цилиндрической поверхности фланца при изготовлении сердечника, или по ширине канавки треугольного сечения, кото рая сужается при износе фланца.
Если давление нагнетания выше 175 кгс/см2, то фирма реко мендует заменять поршни целиком, не допуская замены поршне вых колец на работавшем в насосе сердечнике.
В обоснование этих рекомендаций фирма приводит график (рис. 36) зависимости срока службы поршневых колец от радиаль ного зазора между фланцем сердечника и зеркалом цилиндровой втулки, показывающий, что при зазорах и давлениях нагнетания, превышающих указанные значения, относительная величина срока службы е (в %) быстро уменьшается.
Три названные конструкции являются типичными — они вклю чают основные элементы, входящие в различные поршни.
Изучение отработавших в различных условиях эксплуатации поршней позволило выявить четыре основных вида их изнаши вания.
1.Изнашивание боковой поверхности с равномерной потерей
диаметральных размеров поршневой резины (рис. 37, о) харак терно для поршней с пластмассовым опорным кольцом, работаю щих в промывочном растворе со значительным содержанием абра зива, и для резино-металлических сварных поршней при давле нии нагнетания менее 100 кгс/см2.
Рис. 36. Зависимость срока службы порш невых колец от величины уплотняемого за зора и давления нагнетания р в кгс/см2:
/ — 105, 2 —140, 3— 210.
Рис. 37. Основные виды изнашивания поршней буровых насосов.
а — абразивное изнашивание боковой |
поверхности; б — гидро |
абразивное эрозионное изнашивание; |
в — усталостно-абразивное |
изнашивание поршневой резины, выдавливаемой в уплотняемый зазор; г — отрыв привулканкзированных поршневых колец.
2. Гидроабразивное эрозионное изнашивание боковой поверх ности, сопровождавшееся возникновением на ней разветвленных несквозных каналов, по которым жидкость с поверхности трения удаляется в сторону низкого давления (рис. 37, б) характерно для подвижного эластичного уплотнения, работающего в условиях рас крытия щели при всасывающем ходе поршня, попадания жидко сти в щель, накопления ее на определенных участках и выбрасы вания из щели при нагнетательном ходе поршня излишков жид кости в виде струи, направленной в сторону низкого давления.
3. Усталостно-абразивное изнашивание поршневой резины, шар жированной абразивом, циклически выдавливаемой в уплотняемый зазор при наличии абразивно-жидкостной прослойки на поверх ности трения сопровождается образованием окружной канавки, прилегающей к разделительному фланцу металлоарматуры и опо ясывающей поршень (рис. 37, в), характерно для резино-металли ческого сварного поршня, работающего при высоком давлении на гнетания более 100 кгс/см2.
4. Отрывание поршневой резины от металлоарматуры в ре зультате недостаточной прочности крепления к металлу, набуха ния в промывочном растворе и чрезмерно высокой температуры среды, вызывающей ослабление адгезии (рис. 37, г) характерно для поршней с резиновой частью на основе натурального каучука, работающих на нефтесодержащих горячих промывочных раст ворах.
Весьма важным для долговечности цилиндро-поршневой пары является процесс, происходящий в узкой щели, стенками которой служат зеркало цилиндровой втулки и боковая поверхность эла стичных уплотнительных колец поршня.
Эпюра контактного давления по длине щели не отвечает усло виям гидродинамического трения, которое в действительности носит характер граничного.
Задача увеличения ресурса поршней должна решаться с учетом создания и поддержания условий граничного трения в щели, при котором износостойкость трущихся деталей определяется проч ностью граничного слоя смазки между ними, его способностью вос станавливаться после повреждения и выдерживать действующие нормальные и касательные напряжения при возникающей в щели повышенной температуре. Качество граничной пленки зависит от соответствующих физических свойств материала поршневых колец и цилиндровой втулки, а также жидкости, находящейся в щели между ними, и добавок, введенных в состав жидкости, снижающих трение и изнашивание.
Увеличению ресурса цилиндро-поршневой группы способствует наиболее тщательная очистка промывочного раствора от зерен аб разива размером более 3 мк, применение мягких утяжелителей, например барита, твердость которого равна 135 кгс/мм2, вместо ге матита твердостью 1010 кгс/мм2.
1IV).