2 Конструирование насоса
Приводные насосы состоят из двух основных частей - гидравлической и трансмиссионной (приводной). Конструкции этих насосов довольно разнообразны, но отдельные элементы выполняются однотипно. Например, трансмиссионная часть трехпоршневого насоса отличается от таковой двухпоршневого тем, что коренной вал в первом случае имеет три эксцентрика или кривошипа, а во втором два.
Гидравлические части отличаются числом цилиндров, поршней, клапанов и их расположением. Существенным отличием гидравлической части трехпоршневого насоса от двухпоршневого является то, что этот насос не имеет камеры со штоком и уплотняющего сальника, что не только упрощает его конструкцию, но и исключает износ штока и облегчает эксплуатацию, так как не надо подтягивать и менять сальники и изношенные штоки.
На рисунке 2 показан трехпоршневой насос одностороннего действия с литой станиной.
2.1 Трансмиссионная часть насоса
Трансмиссионная часть бурового насоса - это устройство, которое преобразует вращательное движение ведущего трансмиссионного вала в возвратно-поступательное движение поршней и снижающее частоту вращения коренного вала.
Трансмиссионная часть буровых насосов смонтирована в литой или сварной станине и состоит из коренного вала в сборе с зубчатым колесом, трансмиссионного вала с шестерней и шкивом или звездочкой, шатунов, ползунов и промежуточных штоков.
1 - камера насосная; 2 - поршень; 3 - клапан всасывающий; 4 - клапан нагнетательный; 5 - труба всасывающая; 6 компенсатор; 7 - ползун; 8 - вал трансмиссионный; 9 - вал коренной; 10 - крышка
Рисунок 2 - Схема двухпоршневого насоса двухстороннего действия с литой станиной
Конструктивная схема трехпоршневых и двухпоршневых насосов определяет их ширину и массу.
При небольшой мощности бурового насоса (200 - 300 кВт) схема его трансмиссионной части не имеет большого значения, так как небольшая масса не влияет на его монтажеспособность. Для насосов больших мощностей масса не только увеличивает их стоимость, но и снижает монтажеспособность, поэтому для мощных насосов необходимо выбирать схему, обеспечивающую их минимальную массу.
Трансмиссионная часть трехпоршневого насоса представлена на рисунке 3. Коренной вал состоит из трех частей, соединенных сваркой. Он смонтирован в корпусе на двухрядных конических роликоподшипниках, а шатун - на двухрядных сферических роликоподшипниках. Такой монтаж позволяет некоторую самоустановку шатуна при перекосе осей пальца головки шатуна и коренного вала. Эксцентрики с шатунами расположены на равных расстояниях по осям цилиндров.
Мотылевые головки шатунов неразъемные, смонтированы на подшипниках качения, которые фиксируются от осевых перемещений полукольцами, укрепленными на болтах.
В насосах небольшой мощности передача между трансмиссионными и коренными валами осуществляется иногда многорядной цепью. При большой неравномерности подачи насоса цепные передачи работают хуже зубчатых, поэтому подобная конструкция может применяться при высококачественных цепях, рассчитанных с большим запасом прочности и выносливости.
Головки шатунов смонтированы на осях на роликоподшипниках с длинными цилиндрическими роликами. Ползуны и их накладки цилиндрические.
1 - вал трансмиссионный; 2 - корпус; 3 - вал коленчатый; 4 - передача зубчатая; 5 - эксцентрики; 6 - шкив
Рисунок 3 - Кинематическая схема приводной части двухцилиндрового насоса
2.2 Конструирование элементов трансмиссионной части насоса
Станина является основной и наиболее сложной и дорогой деталью насоса. Она представляет собой металлический коробчатый корпус, в котором размещены все механизмы трансмиссионной части. К станине присоединяется на шпильках гидравлическая часть насоса.
Станины изготавливаются литыми из стали 35Л или высокопрочных чугунов либо сварными из стального листа и профильного проката. Преимущество стальной сварной станины по сравнению со стальной литой или чугунной заключается в том, что при одинаковой прочности первая может иметь меньшие толщину стенок и массу. Для облегчения мощных насосов в настоящее время применяют сварные станины, для менее мощных - литые из высокопрочных чугунов. Сварные станины более сложны и трудоемки в изготовлении.
Сварная станина трехпоршневого насоса со всеми комплектующими показана на рисунке 4. Она выполнена из стальных листов и точечных и штампованных элементов. Крышки станины не связаны с крышками подшипников валов, что уменьшает массу насоса.
Внутренняя полость станины должна быть закрыта и сообщаться с атмосферой через фильтр, находящийся в сапуне, установленном в верхней части. Приводная часть от гидравлической изолируется сальником промежуточного штока, расположенном в разделяющей стенке корпуса.
В корпусе насоса для отвода тепла необходимо предусматривать масляную ванну, вместимость которой зависит от мощности насоса (из расчета 0,3 - 0,4 л/кВт). Станина имеет указатель уровня, заправочную горловину, сливное отверстие, трубку, отводящую масло от сливного отверстия, и змеевик для охлаждения масла летом и подогрева его зимой в районах с холодным климатом.
При конструировании станины следует стремится наряду с прочностью обеспечить удобство монтажа всех элементов, их осмотра, регулировки и ремонта, необходимо предусмотреть простые формы деталей, удобство механической обработки и точность размеров станины.
Зубчатая передача предназначена для снижения частоты вращения трансмиссионного вала и передачи вращения и мощности коренному валу.
Для снижения частоты вращения двигателей, приводящих буровые насосы, между двигателем и коренным валом насоса ставят передачи, редуцирующие частоту вращения в 5 - 20 раз. Обычно ее разбивают на две или три ступени. Первую (клиноременную) передачу предусматривают между двигателем и трансмиссионным валом насоса, а при больших мощностях - многорядную цепную. Передаточное отношение их выбирают в пределах U=2 - 3,5.
Вторую передачу встраивают непосредственно в насос между трансмиссионным и коренным валами. В этой передаче применяют цилиндрические зубчатые колеса - косозубые с углов наклона 6-10° или шевронные с эвольвентным зацеплением или зацеплением Новикова. В насосах небольшой мощности иногда применяют многорядные роликовые цепи или прямозубые зубчатые колеса. Передаточное отношение этой пары выбирают в пределах 2,5 - 5,5, модуль зубчатой передачи 8-14 мм. Зубчатые венцы изготавливают из легированных хромонике-левых сталей типа 40ХН или 38ХМ, шестерни - из сталей 40ХН, 38ХНЗМФА и других марок с поверхностной закалкой зуба ТВЧ до твердости 54-57 HRC.
Для косозубых передач на трансмиссионных и коренных валах устанавливают подшипники, воспринимающие осевые нагрузки. При шевронных, прямозубых и цепных передачах осевые нагрузки не возникают, но один из валов должен обязательно допускать свободное осевое перемещение. Лучше это осуществлять на трансмиссионном валу, как на менее нагруженном и жестко не связанном с другими элементами насоса.
Трансмиссионный вал буровых насосов большой мощности имеет обычно двухопорную, реже четырехопорную конструкцию. На валу устанавливают один или два приводных шкива. При одном шкиве подшипник противоположного конца вала практически очень мало нагружен.
В некоторых случаях при монтаже буровой установки требуется размещать приводной шкив слева или справа от насоса или устанавливать два шкива, для чего трансмиссионные валы изготавливаются с двумя консольными концами. Иногда применяют одноконсольные валы, чтобы уменьшить габариты насоса.
Шестерня и вал представляют собой либо откованную за одно целое деталь, или отдельные детали, соединяемые с натягом и шпонками.
Кривошипно-шатунный механизм - один из ответственных элементов буро вого насоса. Его конструкция должна быть не только надежной и прочной, но и долговечной, простой в изготовлении, сборке и разборке в заводских условиях; эта часть насоса должна быть настолько надежной, чтобы не требовалось ее ре монта в полевых условиях.
Кривошипно-шатунный механизм состоит из коренного вала с зубчатым колесом и шатунами, ползунов и штоков ползуна.
Коренной вал изготовляют кованным (коленчатый и кривошипный) и литым (эксцентриковый и пальцевый). Коленчатые валы в крупных современных насосах не применяются.
Эта сборка состоит из вала, на который насажены эксцентрики или кривошипы и зубчатое колесо. В трехпоршневом насосе кривошипы смещают на 120° друг относительно друга. На мотылевых шейках кривошипов монтируют головки шатунов на сдвоенных конических или сферических роликоподшипниках, закрытых крышкой.
Коренной вал монтируют на двух опорах, состоящих из двух сдвоенных конических или сферических роликоподшипников. В настоящее время чаще применяют коренные эксцентриковые валы, обеспечивающие большую долговечность подшипника шатуна и позволяющие изготовлять насосы меньшей ширины.
Корпус коренного вала отливают из стали марки 35Л или из легированных высокопрочных чугунов с добавкой никеля, хрома, ванадия и других металлов. Зубчатый венец крепится на болтах или посадке с натягом.
Большой диаметр пальцевых коренных валов позволяет запрессовать пальцы в отверстия, расточенные в его корпусе. Оси и пальцы изготавливают из стали марки ЗОХГС. Мотылевые головки шатунов выполняют аналогично головкам шатунов кривошипных коренных валов. Отсутствие опор на концах вала позволяет осматривать мотылевые и коренные подшипники через боковые люки станины.
В опорах коренного вала применяют подшипники качения роликовые двухрядные конические, сферические, игольчатые и однорядные конические и цилиндрические.
Для коренного вала рекомендуются двухрядные конические роликоподшипники. Которые наилучшим образом соответствуют конструкции, так как вал небольшую длину и значительный диаметр. Мотылевые подшипники также следует выбирать их числа двухрядных конических роликоподшипников, обеспечивающих восприятие радиальных и осевых усилий и компактность конструкции.
На коренной вал насоса действует толчкообразные нагрузки, поэтому подшипники качения монтируются на нем с предварительным натягом.
Для восприятия осевой нагрузки, создаваемой косозубыми колесами, на трансмиссионном валу иногда используют двухрядные конические роликоподшипники, устанавливаемые на конце, противоположном шкиву. Вблизи шкива устанавливают подшипник с цилиндрическими роликами, воспринимающий только радиальную нагрузку и допускающий осевое смещение. Сферические подшипники устанавливают при длинных валах и больших их прогибах.
На пальцы ползуна в мощных насосах применят однорядные и двухрядные игольчатые роликоподшипники, которые воспринимают большую нагрузку. Для удобства демонтажа подшипников в конструкциях должна предусматриваться возможность захвата каждого кольца подшипника съемником, для чего кольцо должно выступать над поверхностью бурта или заплечика, в который оно упирается. Необходимо также достаточно свободное пространство между выступающим кольцом подшипника и находящимися на валу деталями.
Подшипники скольжения применяют в головках шатунов насосов малых и средних мощностей.
Шатуны буровых насосов изготавливают коваными или литыми из сталей марок 30 или 40 с целой или разъемной мотылевой головкой. Тело шатуна выполняют двутаврового или круглого сечения для уменьшения массы и обеспечения требуемой продольной жесткости.
Ползуны в буровых насосах применяют для того, чтобы направить шток поршня и освободить его от действия тангенциальных усилий кривошипа. Малую головку шатуна не связывают непосредственно с поршнем, а применяют промежуточные элементы - ползуны " штоки ползуны. Отношение длины ползуна к его диаметру принимается равным 0,9 - 1,2.
Для предохранения от износа направляющей в станине устанавливают накладки. Чтобы обеспечить нормальную работу, зазор между направляющими накладками ползуна и станины должен быть 0,2 - 0,5 мм.
В передней части корпуса ползуна имеется резьбовое отверстие, в которое ввинчивается шток ползуна, соединяемый далее резьбой или хомутами со штоком поршня. Все резьбовые соединения штока при помощи контргаек фиксируются от самоотвинчивания.
Приводной клиноременный шкив или цепное колесо устанавливают на консоли трансмиссионного вала. Шкивы обычно изготавливают из чугуна и имеют 8-20 канавок для клиновых ремней узкого профиля УВ или нормальных профилей Г, Д и Е. Они крепятся на валу на конусной или цилиндрической посадке и шпонке; для облегчения демонтажа шкива ступица его выполняется разрезной со стяжными болтами.
Смазка зубчатой передачи и всех трущихся элементов трансмиссии насоса осуществляется либо централизовано под давлением масляным насосом, либо разбрызгиванием или погружением зубчатого колеса в масляную ванну на глубину 0,75 высоты зуба.
Подшипники качения в этом случае смазываются жидким маслом, которое попадает в подшипниковые камеры в результате разбрызгивания или поступает самотеком по специальным каналам из коробок или полостей станины, в которое оно собирается скребком с поверхности зубчатого колеса или шестерни.
В ряде случаев подшипники качения располагают в изолированных камерах и смазывают их консистентной смазкой. В крупных современных насосах смазка подается автоматически только при помощи масляных насосов.
Для смазки сальника штока ползуна масло к нему часто подводится со специального масляного насоса.
Штоки поршня и зеркала цилиндров обмываются водой, маслом или их смесью, подаваемой другим насосом, приводимым индивидуальным электродвигателем или клиновым ремнем от трансмиссионного вала, который вместе с резервуаром и подводящими и отводящими трубами образуют замкнутую смазочную систему. Это устройство можно устанавливать в виде отдельного смазочного агрегата или встраивать в буровой насос.
Целесообразно применение смазочно-охлаждающих устройств, так как охлаждение и смазка значительно повышает срок службы деталей. Использование масла вместо воды для обмывки штоков увеличивает срок службы их в несколько раз.