книги / Поршневые буровые насосы

В стенке гидравлического цилиндра возникают циклические напряжения, связанные с возможной усталостью материала и появлением радиальных тре­ щин. В механизме крепления могут появиться стуки.

Механизм жесткого крепления и виды уплотнительных колец

Механизмы раздельного жесткого крепления и независимого регулируемого уплотнения позволяют создать в материале уплот­ нительных колец постоянные напряжения сжатия, превышающие

давление нагнетания на

ве­

----------------- / ----------------- —

личину,

необходимую

и

до­

статочную

для

герметич­

ности уплотнения.

кольца 3

\v _

j

Уплотнительные

_—/-----

(рис. 26, а)

вначале приме­

о

/6

7

г

няли однородные

сплошные,

укладываемые

между

кор­

пусом

1

и

цилиндровой

втулкой 2.

Для

контроля

за

состоянием

уплотнения

в

j

/--- -—-------г

работе

было

введено

(рис. 26, б)

промежуточное

OJ

металлическое

кольцо

7,

устанавливаемое

так,

чтобы

оно

совпадало

с

контроль­

V

—

— -— /Г и

ным

отверстием 6

в стенке

корпуса.

По появлению ка­

пель

жидкости

в

контроль­

ном отверстии

можно

уста­

новить

повреждение уплот­

нительного

кольца.

Регули­

J

“ С

руемый

механизм

крепле­

\~о—

с

(

ния

и уплотнения

позволяет

восстановить герметичность

ц

частично

изношенного

уп­

лотнительного

кольца

путем

подтягивания.

гидравли­

Рис

26.

Поперечное

сечение

уплотни­

Стенки

гнезда

тельных

колец

цилиндровой

втулки,

ческой

коробки,

где

уло­

а -

сплошное;

б -

с промежуточным

кольцом

жены

уплотнительные

коль­

и контрольным

отверстием;

в — с

дополни­

тельными

шайбами:

г — многоэлементное

с

ца, изнашиваются

при уста­

уплотняемый зазор;

д — с пластмассовой окан­

новке и

извлечении сменных

пластмассовыми

кольцами,

перекрывающими

товкой.

цилиндровых

втулок,

под­

вергаются коррозии, вследствие чего диаметр гнезда увеличи­ вается со временем иногда на 3—5 мм. Чтобы уменьшить уплот­ няемые зазоры 4 и 10 (рис. 26,в), применяют металлические кольца S, точно пригнанные по диаметру гнезда с небольшим

зазором 5 и по диаметру посадочного пояска в корпусе гидро­

коробки с небольшим зазором	9. Чтобы осуществить уплотнение
с нулевым зазором (рис. 26,г),	применяют эластичные, например

пластмассовые, кольца 11, опирающиеся на шайбу 12 н прижи­ маемые вплотную к стенке корпуса гидрокоробки и цилиндро­ вой втулки.

В последнее время применяются уплотнительные кольца с пла­ стмассовой окантовкой 13 (рис. 26, д), склеенной с резиновой ча­ стью 14 уплотнительного кольца, которое под влиянием действую­

щих в нем напряжений	сжатия прижимает окантовку вплотную
к уплотняемым деталям,	чем также осуществляется уплотнение

с нулевым зазором.

Совершенствование конструкции уплотнительных колец способ­ ствует надежности насосов и повышает срок службы гидравличе­ ских коробок и цилиндровых втулок, уменьшая число случаев их повреждения в результате негерметичности уплотнения.

Механизм совмещенного регулируемого крепления и уплотне­ ния цилиндровой втулки по рис. 23, а еще сохранился, например, в насосах У8-3 и У8-4. Он может использоваться на насосах не­ большой мощности при давлении нагнетания до 170—180 кгс/см2.

Кольца круглого сечения, сжимаемые до ограниченного преде­ ла, и самоуплотняющиеся манжеты различных видов поперечного сечения, укладываемые в канавки корпуса гидравлической короб­ ки или цилиндровой втулки, оказались в эксплуатации ненадеж­ ными и больше не используются в новых разработках.

Пытаются применять в сочетании с жестким креплением ци­ линдровой втулки два самоуплотняющиеся кольца, повернутые на­ встречу друг другу, между которыми при помощи ручного маслонасоса создается давление, превышающее давление нагнетания. Однако о применении такого устройства на практике сведений не имеется.

Принципиальная схема и конструкция механизма крепления и уплотнения цилиндровой втулки, органически связанные с каж­ дым данным типом насоса, в котором они применены, в значи­ тельной мере определяют эксплуатационные качества насоса, на­ дежность гидравлической части, удобство ее обслуживания и пра­ вильную работу цилиндро-поршневой группы.

ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВАЯ ГРУППА

Экспериментальные данные о движении поршня, давлении жидкости в насосной камере и силе трения поршня о цилиндр

Поршень перемещается в цилиндре возвратно-поступательно между крайними положениями А, Б в пределах длины хода s (рис. 27).

Поршень приводится в движение при помощи кривошипноползунного механизма, при этом скорость поршня изменяется по закону, близкому к синусоиде: она равна нулю в мертвых

Рис.	27. Цилиндро-поршневая группа бурового		насоса.
	1 — цилиндровая втулка;	2 — поршень.
положениях	механизма и достигает	максимума	приблизительно

на середине хода. С учетом конечной длины шатуна скорость

поршня

достаточно

точно

выражается

формулой

(9).

Однако

изменения

дав­

ления в

цилиндре

и

инер­

ционные нагрузки вызывают

неравномерность

вращения

шкива насоса

и вносят

до­

полнительные

искажения,

накладывающиеся

на

кри­

вую скорости. С целью опре­

деления их влияния переме­

щение

поршня в

цилиндре

может

быть

изображено

ординатами

ломаной

ли­

нии а (рис. 28,а), получае­

мой

на

осциллографе.

По

оси

абсцисс

записывается

время.

Датчик для

записи

перемещения

поршня

пред­

Рис. 28. Движение поршня и изменение дав­

ставляет собой

два

круго­

ления

в

цилиндре.

вых

реохорда «i и Ыг,

охва­

а — осциллограмма:

б — схема

датчика хода

тывающих

каждый

дугу

поршня: 1 — начало

нагнетания;

2 — конец

нагнетания; 3 — начало

всасыванн

4 — конец

180°

Реохорды

закреплены

нсасывания.

на внешнем

ободе

неболь­

насоса. Со­

шого шкива, вращающегося вместе с коренным валом

противление электрическому току в цепи между токосъемниками т , /I возрастает прямо пропорционально углу <р поворота шкива на

дуге реохорда и{ и уменьшается на дуге реохорда и2. Положение токосъемника устанавливают так, чтобы разрывы Ки z \ реохорда соответствовали крайним положениям k, z поршня в цилиндре. Точки излома b и с на осциллограмме при этом отвечают крайним положениям поршня в цилиндре. Длина хода поршня в определен­ ном масштабе соответствует разности ординат точек b и. с. Откло­ нения от прямолинейности на каждом участке, например Ьс, про­ порциональны неравномерности угловой скорости вращения корен­ ного вала.

Совмещенная на одной ленте одновременная запись			переме­
щений 'а поршня и изменений давления d, е в цилиндре			по обе
стороны поршня, позволяет установить,	что	повышение давления
в цилиндре поршневого бурового насоса	обычно начинается (точ­
ка g) по истечении 0,03—0,06 после начала		движения	поршня

из мертвого положения (точка с), что соответствует углу поворота коренного вала 12—20° или смещению поршня из мертвого поло­ жения на 10—28 мм у насосов с длиной хода 450 мм.

Смещение по оси абсцисс точки g начала повышения давления относительно мертвого положения поршня (точка с) объясняется следующими причинами: запаздыванием посадки всасывающего клапана, преодолевающего сопротивление среды промывочной жидкости и собственной инерции под действием пружинной на­ грузки и силы веса, и не 100-процентным заполнением насосных камер жидкостью, когда поршень движется в начале хода еще не сжимая жидкость.

Угол наклона линии давления на участке i зависит от следую­ щих факторов: а) сжимаемости жидкости, находящейся в насос­ ной камере; б) содержания в ней нерастворенного газа; в) объема вредного пространства; г) величины продольной упругой дефор­ мации штока и его смещения под нагрузкой в результате дефор­ мации деталей приводного механизма; д) увеличения объема насосной камеры под давлением; е) утечек жидкости через уплот­ нения. Путь, пройденный поршнем за время повышения давления в цилиндре в начале нагнетательного хода, можно разбить (ус­ ловно принимаем на коротком отрезке диаграммы время пропор­ циональным пути) на части, соответствующие влиянию отдельных составляющих общего перемещения. С целью показать относи­ тельное влияние сжимаемости жидкости в сравнении с совокуп­ ностью всех других факторов на рис. 28 проведена условная линия h сжатия жидкости. Наклон линии h учитывает только определен­ ное расчетом влияние сжимаемости жидкости, не содержащей нерастворенного газа. Отрезок f характеризует совместное влия­ ние других факторов, выявленное экспериментально. Давление в цилиндре насоса возрастает в течение 0,03—0,04 с, что соответст­

вует перемещению поршня на 3—4% длины его хода.						по
Снижение	давления	в	насосной	камере,	расположенной
одну сторону	поршня,	происходит		в обычных	условиях эксплуа­
тации насоса	несколько		раньше,	чем повышение давления		по

другую сторону поршня. Процесс нагнетания изображается уча­ стком 1—2 (кривая d), процесс всасывания жидкости в другой насосной камере того же цилиндра — участком 3—4 (кривая е). Непрямолинейность горизонтальных участков 1—2 и 3—4 кривых d и е характеризует неравномерность соответственно давления нагнетания и всасывания.

В условиях эксперимента, проведенного в процессе эксплуата­ ции поршневого бурового насоса, коренной вал вращается с не­ значительной степенью неравномерности угловой скорости, осо­ бенно при использовании клинорёменной передачи со шкивом, имеющим большой момент инерции. Применение цепной передачи с цепным колесом, меньшим, чем шкив, по диаметру, и значитель­ но меньшим по ширине, несколько увеличивает неравномерность угловой скорости вращения валов насоса, особенно если двига­ тель насоса снабжен гидродинамическим трансформатором, раз­ рывающим жесткую кинематическую связь между валом двига­ теля н валом насоса. Четыре раза за полный оборот коренного вала в соответствии с формой кривой подачи жидкости четырьмя камерами насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия ско­ рость вращения вала насоса уменьшается при повышении давле­ ния нагнетания и увеличивается при снижении его. Амплитуда колебаний давления снижается в 2 раза. Наблюдения показывают, что и при этом неравномерность вращения, составляющая доли процента, не влияет на процесс изнашивания цилиндро-поршневой пары.

В начале срока службы новых деталей цилиндро-поршневой пары сила трения ^поршня о цилиндровую втулку почти постоян­ ная в течение всего времени перемещения поршня из одного край­ него положения в другое (кривая 7п = фп(г) на рис. 29, а). Это наблюдение свидетельствует о независимости коэффициента тре­ ния от скорости, что возможно при сухом или граничном трении.

В	процессе	работы зависимость		изменяется.	Сила	трения
около	мертвых	точек почти сохраняет прежнюю			величину, а в
средней части		рабочего участка	существенно уменьшается			(кри­
вая 7"/= ср^ (/).		Это объясняется	тем,	что приработка и последую­

щее изнашивание цилиндровой втулки происходит более интен­ сивно в средней части рабочего участка, через который проходит поршень всей своей длиной. На концевых участках величина из­ носа изменяется от максимума, равного износу в средней части, до нуля на конце рабочего участка, то есть пропорционально части длины поршня, проходящей через данное сечение х—л: уплотняе­ мой детали:

h , =	^ - h max)	(27)
где hx — толщина изношенного	слоя в сечении х—х в мм;	Lx —

длина части уплотняющей детали, проходящей через сечение х—а , в мм; Ln — вся длина уплотняющей детали в мм; Атах — наиболь­ шая толщина изношенного слоя в мм.

При движении поршня в цилиндровой втулке на среднем уча­ стке ее рабочей поверхности происходит сначала округление вершин микрорельефа, полученного механической обработкой. Затем уничтожаются поперечные следы инструмента и появля-

Рис. 29. Изменение силы трения при движении порш­ ня в цилиндре и профилограмма износа цилиндровой втулки.

ются риски, совпадающие с направлением скольжения, возникает новый микрорельеф поверхности, образованной не станочным инструментом, а представляющей собой результат работы поршня в условиях эксплуатации. Процесс приработки пары этим закан­ чивается, а период нормального изнашивания начинается. Схема­ тическая профилограмма рабочего участка поверхности цилиндро-

б о й втулки имеет в этот период вид трапеции с меньшим основа­ нием bc = s—Ln, где 5 — длина хода поршня; Ln — длина поршня. Большое основание трапеции представляет собой полную длину ad = s JrLll рабочего участка (рис. 29, а).

В средней части образуется равномерно прирабатываемый от­ резок Ьс, по которому проходит весь поршень. Подставляя в фор­

мулу (27) значение — =1,0, справедливое на участке Ьс, полу-

чаем

Износ цилиндровой втулки в области максимальной скорости поршня больше, чем в точках 6, с, на 7—12%.

Ыа среднем отрезке Ьс рабочего участка чистота поверхности, измеренная в направлении движения поршня, улучшается по срав­ нению с первоначальной V 8, полученной .механической обработ­ кой, приблизительно на 2 класса. Сила трения при перемещении поршня из положения II в положение III изменяется незначи­ тельно. Это нетрудно обнаружить, если кривую Г* = ср*(/), запи­ санную осциллографом при равномерном движении его ленты и представляющую собой график зависимости силы трения от вре­ мени, перестроить так, чтобы получить график изменения силы трения по длине хода поршня.

При этом, например, точку Ти кривой Tt = yt(t) с абсциссой /, соответствующей 7б продолжительности одного хода поршня, не­ обходимо перенести в положение Tis с абсциссой Г , соответствую­

щей положению поршня в цилиндре после поворота кривошипа
на Ve полуокружности. Поправкой Дни учитывается, что	шатун
имеет конечную длину L = 5s. Аналогичное построение	показано
для точек T2t и T2s с абсциссами соответственно 2 и 2' В резуль­

тате перестройки боковые участки кривой, на которых быстро из­ меняется коэффициент трения, сокращаются. Видно, что в средней части хода на равномерно прирабатываемом участке коэффициент трения можно считать постоянным.

На концевых участках аЬ и cd		(рис. 29,	в),	равных длине
поршня Ln, высота	неровностей изменяется		от	первоначальной
# 0, полученной при	механической	обработке	инструментом, до

высоты неровностей Яп, полученной в результате приработки на

участке Ьс.	значение	коэффициента	трения	поршневого
Максимальное
кольца бурового	насоса по	новой цилиндровой втулке в начале
ее эксплуатации	изменяется	от ц= 0,09 при	давлении	нагнетания
рук = 50 кгс/см2	до (LI= 0,03	при давлении нагнетания рж=

=320 кгс/см2 (рис. 30).

Всредней части цилиндровой втулки после приработки значе­ ния коэффициента трения уменьшаются до jLt = 0,02 при давлении жидкости рж = 320 кгс/см2.

Средняя за ход величина коэффициента трения определяется с учетом полноты диаграммы (см. рис. 29): до приработки, исходя из максимального значения коэффициента трения,

Иср = °.85цтах;

после приработки, исходя из минимального значения коэффици­ ента трения,

Pmin

Иср =	0,5

По данным исследования1 эластичных уплотнений общего применения в интервале давлений нагнетания р=180—310 кгс/см2,

			коэффициент				трения			уп­
			лотнительных				резиновых
			манжет			уменьшается				с
			повышением					скорости
			движения			поршня только
			при		малых		величинах v
			от нуля до 0,2 м/с,						а за­
			тем	при		более		высокой
			скорости			значения			коэф­
			фициента			трения			стаби­
			лизируются, сохраняя							ве­
			личину ц = 0,04					при	дав­
			лении			р =310		кгс/см2,
			ц=0,05 прир=280 кгс/см2,
			(и=0,07 при р —230 кгс/см2
			и ц=0,08				при		р ~
			= 180 кгс/см2.					буровом
			В поршневом
			насосе		с	длиной			хода
			поршня 450 мм и числом
			двойных			ходов		поршня
			п = 60		в 1	мин		скорость
			движения			поршня			v —
			=0,2	м/с достигается при
Рис. 30. Зависимость среднего коэффициен­			угле	поворота			кривошипа
			Ф=4°		и	незначительном
та трения	эластичного	поршневого кольца	смещении			поршня				из
о цилиндр от давления жидкости.
/ — Д тах АО	приработки;	2 — umjn после при­	мертвого положения						Лх=
	работки.		= 11,5 мм,			что		дополни­
			тельно		подтверждает вы­

вод о постоянстве коэффициента трения на протяжении участка трущейся поверхности цилиндровой втулки, через которую про­

1 А. А. К о м а р о в . Надежность гидравлических систем. М., «Машинострое­ ние», 1969.

ходит поршень. Следует считать, что происходит в основном гра­ ничное трение.

Значения среднего коэффициента трения лежат в пределах 0,01—0,1.

Основные закономерности абразивного изнашивания цилиндра поршневого бурового насоса

В вязко-пластической промывочной жидкости, нагнетаемой поршневым буровым насосом, во взвешенном состоянии нахо­ дятся: а) абразивы — зерна горных пород и минералов, раздроб­ ленных на забое скважины долотом и вынесенных из ствола сква­ жины на дневную поверхность, к которым относятся, например, кварц, базальт, диабаз, кальцит, доломит, нефелин, гранит, кре­ мень, кварцит и др.; б) измельченные твердые частицы относи­ тельно большого удельного веса, искусственно внесенные в про­ мывочную жидкость в качестве ее утяжелителей: барит, магнетит, гематит или др.; в) глинистые частицы, входящие в исходный состав промывочного раствора, приготовляемого из бентонитового порошка или, что еще иногда встречается, из комовой карьерной глины.

Размеры абразивных зерен можно охарактеризовать примером гранулометрического состава твердых включений промывочной жидкости (табл. 6).

						Т а б л и ц а 6
Гранулометрический	состав	твердых включений промывочной жидкости
Содержание зерен				Размер зерен, мк
		От 50	От	От	От	От	От	От
в жидкости после очистки,	До 50						630
г/л		до 100	100	160	250	315	до	1000
			до 160	до 250	до 315	до 630	1000
На вибросите и в же­	0,02	0,55	2,15	19,15	7,75	7,7	1,38	0,05
лобах
В гидроциклоне	0,11	2,7	2,52	10,63	2,5	0,65	—	—

Видно, что после гидроциклонной очистки общее количество твердых включений уменьшается, однако полная очистка не до­ стигается, а содержание мелкой фракции с размером зерен до 160 мк существенно возрастает.

К факторам, влияющим на интенсивность изнашивания по­ верхности уплотняемой детали — цилиндровой втулки (или пор­ шневого штока), относится отношение твердости Яа зерен абра­ зива к твердости Нм материала цилиндровой втулки.

При абразивном	изнашивании, например,	металлов на	шкур­
ке с закрепленными	зернами определенного	вида абразива	спра­

ведлива формула
	h =	cpys,		(28)
где h — линейный износ в	см;	с — коэффициент		пропорциональ­
ности в см2/кгс; р — удельная нагрузка в			кгс/см2;	I>s — пройден­
ный путь в см.	с в зависимости от отношения H JH M
Величина коэффициента
изменяется следующим образом		(рис. 31,	а). При	H J H M< (0,7-^-

Рис. 31. Изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы:

а — зависимость износа		металлов от	отношения		^ а/ ^ м‘* б —области I, II
и Ш	разной интенсивности износа		при	изменении твердости		металлов
# м	и абразивов # а	(1— линия	# а/Я	м =1:	2 — линия # м	=59 HRC;
		3 — линия Н &/Н		м =1.5).

4-1,0) коэффициент с=0; в интервале	# м< Я а< £ Я м (&= 1,44-1,6)
величина коэффициента с изменяется	между значениями 0< с <

<£таХ; при Ha>kHMкоэффициент С = Стах.

На рис. 31, а и 31, б имеются взаимно соответствующие области максимального износа la и 16, переходных режимов На и 116, минимального износа Ilia и 1116. Точкам Аа, Ба, Ва, Га на рис. 31, а соответствуют на рис. 31, б при твердости материала Ям = 59 HRC точки А6, Бб, Вб, Г

Зависимость (28) может быть распространена, как показывает опыт, на изнашивание цилиндровой втулки при трении о ее зер­ кало боковой поверхности насосного поршня. Поверхность ре-