§ 3. Детали гидравлической части поршневых насосов

Гидравлические коробки. Цилиндр (или блок ци­линдров), изготовленный заодно с клапанными камерами, называется гидравлической коробкой. Гидравлические коробки выполняются

276

1

в виде целых стальных отливок или поковок, свариваются 'из литых или кованых деталей, собираются из отдельных частей на болтах.

Гидравлическая коробка должна быть жесткой, так как дефор­мация цилиндрового блока приводит к нарушению соединения с при­водной частью. Объем «мертвого» пространства в цилиндре влияет на производительность насоса при перекачивании газированного раствора. В буровых насосах относительные «мертвые» пространства чрезмерно велики (100% и более) из-за размещения в цилиндрах устройств для крепления цилиндровых втулок и удаленности всасы­вающих клапанов, расположенных сбоку цилиндров.

Очертания потока жидкости в коробке должны быть такими, чтобы гидравлические потери были минимальными и исключалась возможность образования воздушных мешков. Поэтому всасыва­ющие клапаны располагают всегда внизу, а нагнетательные — сверху цилиндра. Жидкость должна двигаться вокруг тарелки клапана симметрично во избежание возникновения гидравлической силы, действующей перпендикулярно оси клапана, и одностороннею его направления. С этой целью отвод жидкости из клапанной камеры осуществляется на некоторой высоте над клапаном.

Увеличение прочности достигается закруглением переходов боль­шим радиусом. Клапанные камеры и горловины у насосов высоких давлений снабжаются наружными ребрами.

Цилиндровые втулки. Сменные втулки защищают гидравлическую коробку от износа и позволяют осуществлять сту­пенчатое регулирование производительности: Средний срок службы втулок составляет в обычных условиях 1600—300 ч, а при работе с утяжеленными растворами всего несколько часов. Основной при­чиной быстрого выхода из строя втулок, так же как и других сменных деталей бурового насоса, является абразивный износ. Обычно по длине рабочей поверхности вначале процарапываются продольные риски, которые до определенного момента уплотняются резиной поршня. С ростом глубины рисок под поршень прорывается струя глинистого раствора, с катастрофической быстротой размывающая втулки и поршень.

Качество цилиндровых втулок определяется главным образом их износоустойчивостью, зависящей от материала рабочей поверхности и способа ее упрочнения. Из различных методов повышения твер­дости разных втулок (закалка с нагревом токами высокой частоты — ТВЧ, борирования, цементации, азотирования, армирования бори-стым и бористоникелевым чугуном, хромирования, эмалирования) практически применяется борирование и закалка с нагревом ТВЧ,

Борированные втулки из стали марки 45 обладают высокой твер­достью рабочей поверхности (HRC ;> 70), но из-за недостатка в тех­нологии твердый слой в процессе работы местами выкрашивается, в результате чего нарушается герметичность трущейся пары. Втулки из высокоуглеродистой стали марки 70, закаленные с нагревом ТВЧ и имеющие твердость HRC — 60 ~~ 62, более распространены

благодаря надежности в работе и простоте изготовления. Испыты­ваются втулки из керамических и других материалов.

Втулки одного комплекта отличаются только номинальным (внутренним) диаметром, а наружный диаметр одинаков для сохра­нения посадочных размеров. Поэтому втулки малого номинального диаметра имеют чрезмерную толщину стенки. Например: масса втулки диаметром 130 мм вместо минимальных 50 кг равна около 140 кг. Это приводит к перерасходу конструкционной стали, затрате

большого количества труда при из­готовлении и ремонтных работах. Поэтому ведутся работы по улучше­нию их конструкций.

Рис. ХП-2. Уплотнение цилин­дровой втулкп.

1 — корпус норобни; 2 — резигтоное

кольцо; з — втулка; 4 — стальное

кольцо; J — шайба; в — нейлоновые

кольца.

Уплотнение втулок в цилиндрах осуществляется резиновыми или резино-металлическими кольцами (рис. ХП-2), прижимаемыми через коронку винтами или резьбовой крышкой. При ходе поршня к крыш­ке напряжение в нажимном болте уменьшается, так как под действием давления жидкости на торец втулки последняя смещается в сторону при­водной части. При обратном ходе поршня давление жидкости действует на противоположный торец втулки, сдвигая ее к крышке цилиндра,-в результате чего возникает стук от удара о коронку и упорный болт. При больших динамических на­грузках напряжения на торцевой по­верхности болта столь велики, что наблюдаются смятие и поломки бол­тов и коронок. В поршневой крышке вокруг упорного болта возникают усталостные трещины.

Если втулка в цилиндре уплотняется резиновым кольцом (рис. ХП-2, а), то при больших давлениях кольцо выжимается в зазор между втулкой и гидравлической коробкой, образуя заусе­нец. При перемещении втулки заусенец обрывается. Торец кольца, прилегающий к упорному борту втулки, постепенно разрушается, что способствует увеличению перемещений втулки.

Нарушение уплотнения между втулкой и гидравлической короб­кой приводит к быстрому промывапию каналов. Для своевременного обнаружения течи уплотнение выполняют из трех колец: двух рези­новых и одного стального между ними (рис. ХП-2, б). Против сталь­ного кольца в стенке цилиндра находится контрольное отверстие, позволяющее своевременно обнаружить и устранить протечку между рабочими кольцами цилиндра. Стальные шайбы, охватывающие

278

резиновое уплотнение (рис. ХП-2, е), увеличивают срок службы уплотнения.

Применение нейлоновых колец в многоэлементных уплотнениях (рис. ХП-2, г) полностью предотвращает выдавливание резины в за­зорах и практически устраняет необходимость в подтяжке уплотне­ния. При этом втулка закрепляется жестко в своем гнезде. При жест­кой конструкции крепления и уплотнения самоуплотняющимися кольцами продольные перемещения втулки устраняются. К тому же не требуется точное соблюдение размера посадочного места под уплотнение.

Крышки гидравлической коробки. Крышки клапанных камер и цилиндров делают быстросъемными с креплением на трапециевидной резьбе, что облегчает доступ к клапанам и втул­кам для их осмотра или замены. Уплотнения крышек при помощи плоских резино-тканевых колец недостаточно надежны, и ослабле­ние затяжки служит причиной их выхода. Более совершенны само­уплотняющиеся манжеты, выдерживающие высокие давления и позво­ляющие снизить предварительную затяжку шпилек и напряжения в них.

Поршни и штоки. В буровых насосах применяют само­уплотняющиеся резиновые поршни, конструкция которых обеспечи­вает хорошее уплотнение, длительную службу и быструю смену при переходе на другой диаметр втулки.

Поршень состоит из стального сердечника и двух съемных или привулканизированных к нему резиновых манжет. Диаметр губ поршня больше диаметра отверстия втулки, за счет чего создается начальное обжатие. Давлением жидкости резина поршневой манжеты плотно прижимается к рабочей поверхности втулки. Съемные ман­жеты состоят из двух привулканизированных частей: уплотняющей резиновой части и резино-тканевой основы.

Недостатком поршней монолитной конструкции является необ­ходимость их замены при износе резиновой части. Уплотняющую часть манжеты изготавливают из синтетической маслонефтестойкой резины, твердость и качество которой в значительной степени опре­деляют срок службы поршней и уплотнений. Большую роль играет также давление и присутствие абразивных частей в промывочном рас­творе. Так, например, при изменении давления от 10 до 30 Мн/м² срок службы резиновых уплотнений насосов сокращается в 6 раз. При высоких давлениях резина выдавливается в зазор между втул­кой и сердечником, в результате чего постепенно выкрашивается уплотняющая часть. Опыты показали, что уменьшение диаметраль­ного зазора с 1,25 до 0,75 мм вдвое увеличивает срок службы рези­новой части поршня. В поршнях с резино-тканевой манжетой допу­скаются большие зазоры. Преимуществом таких поршней является возможность замены манжет без снятия сердечника со штока.

Прочность и герметичность соединения поршня со штоком обеспе­чиваются либо конической посадкой сердечника и крепления его гайкой, либо цилиндрической посадкой с уплотняющими манжетами.

279

Крепление на конической посадке с гайкой наиболее надежное, но сложное в изготовлении. Штоки буровых насосов изготовляются цельными или составными. В составных часть, соединяемую с пол­зуном, называют контрштоком, который обычно имеет диаметр больше, чем собственно шток поршня.

Шток уплотняется двумя сальниками: на выходе из гидравличе­ской коробки и в разделительной перегородке приводной части. В сальнике гидравлической коробки, где гаток находится под дей­ствием больших давлений на поверхности трепия в условиях присут­ствия абразивных частиц, поверхности штока придается высокая твердость. В разделительной перегородке контршток и сальник экс­плуатируются в значительно более легких условиях.

Рис. ХП-3. Сальники штоков.

а — манжетного типа; б — с разъемной втулкой; 1 —

сальник; 2 — нажимная втулка; з — резино-тканевый

каркас; 4 — резина.

Обмывка штоков поршня производится водой или маслом, пода­ваемым смазочным насосом, приводимым от трансмиссионного вала. Смазочный насос устанавливается внутри или сбоку бурового насоса или в виде отдельного смазочного агрегата.

Сальники штоков. Сальники подразделяются на нажим­ные и самоуплотняющиеся. Нажимные сальники необходимо затя­гивать для создания между штоком и набивкой давления, превыша­ющего давления жидкости. Для давлений выше 7 Мн1м* такие сальники в настоящее время не применяют. Самоуплотняющиеся сальники не требуют сильной затяжки и хорошо работают даже при износе штока на 1 — 1,5 мм. Для высоких давлений применяются преимущественно самоуплотняющиеся сальники с манжетами (рис. ХП-3, а). Применяются также одноманжетные комбинирован­ные самоуплотняющиеся нажимные сальники — втулки с фигурным продольным разъемом (рис. ХП-3, б).

При высоких давлениях из пакета сальника, в состав которого входят несколько упругих манжет, эксплуатируется только одна манжета, расположенная со стороны уплотняемого зазора; осталь­ные являются резервными. В пакетных сальниках увеличение колец сверх трех обычно не дает эффекта.

280

Корпус сальника обычно центрует гидравлическую коробку отно­сительно станины. Для затяжки или регулировки сальника обычно применяют резьбовую втулку или фланец на шпильках. Промежуточ­ные металлические втулки позволяют уменьшить зазор во избежание выдавливания в него резины и постепенного выкрашивания образу­ющегося заусенца сальникового кольца.

Клапаны. В буровых насосах применяются исключительно тарельчатые конические самодействующие клапаны с резиновым уплотнением.

Р езиновое уплотняющее кольцо, укрепленное на тарелке или седле, выступает над металлической посадочной поверхностью так, что сначала происходит посадка клапана на резину, в результате чего герметизируется JjJjJ t Иj канал, а затем уже тарелка воспринимает всю нагрузку. С увеличением высоты ре­зины, выступающей над поверхностью та­релки, скорость посадки клапана увеличи­вается, так как резиновое кольцо не смяг­чает удар, а лишь усиливает его. После посадки на резину клапан продолжает дви­гаться при тормозящем действии упругой _ ,,„, ~

,jF * ,- .. г- Рис. ХП-4. Схема по-

опоры. Условия благоприятной посадки об- садки клапана

резиненного клапана не изучены, но опы­том установлено, что высота выступа должна составлять около 0,4 мм.

В клапанах для чистых жидкостей посадочный поясок для умень­шения перепада давления в момент подъема клапана делают возможно более узким, насколько позволяет прочность материала. Обрезннен-ные клапаны имеют широкий посадочный поясок, при этом гидра­влические качества не ухудшаются. Дело в том, что между тарелкой и седлом всегда есть зазор (рис. ХП-4), благодаря чему в момент открытия клапана давление под клапаном р_г больше давления над ним р₂ лишь на незначительную величину, соответствующую сопро­тивлению щели.

Посадочные конусные поверхности седла и клапанной коробки обрабатываются с высокой точностью. При незначительном несовпа­дении углов или при эллиптичности в зазор между седлом и коробкой прорывается абразивная жидкость, которая выводит из строя обе детали. Во избежание таких промывов посадочные поверхности обмазывают герметизирующими мастиками, эластичная пленка кото­рых обеспечивает препятствие протоку жидкости. Обмазанные седла извлекаются значительно легче. Уплотнение седел клапанов осуще­ствляется также резиновыми кольцами круглого сечения.

При высоких давлениях (20—30 Мн/м²) на клапаны и седла действуют усилия в несколько десятков тонн. Известно много слу­чаев увеличения диаметров посадочных конусов под седла. Для устранения просаживания седел желательно увеличить конусность, но при конусности, большей чем 1 : 6, наблюдаются промывы по

посадочным поверхностям. При давлениях до 50 Мн/м² успешно применяются седла с резиновой манжетой, охватывающей цилиндри­ческую поверхность.

Для уменьшения износа рабочие поверхности тарелок и седел упрочняются закалкой с нагревом ТВЧ или цементацией. Твердость седла принимается на 3—5 единиц выше, чем твердость тарелки HRC = 58 ч- 62).