книги из ГПНТБ / Фоменко, Ф. Н. Бурение скважин электробуром

приведены давления, которые может выдерживать резиновое кольцо в зависимости от твердости резины и величины зазора.

Если уплотнительное резиновое кольцо при монтаже или в про­ цессе эксплуатации будет проходить через отверстие с острыми краями, резина может быть срезана. Небольшие отверстия на по­ верхности скольжения (до 3 мм) при малых перепадах давления не

кольца, изготовленные из нитрильного каучука, хорошо выдержи­ вают температуры от 15 до 120° С. При температуре более 140° С резина быстро твердеет и выходит из строя.

Кольца круглого сечения компактны, просты в изготовлении, сборке и надежны, если точно выдержаны их размеры и размеры канавок, а поверхность канавки в цилиндре гладкая. Рекомендуе­ мые размеры колец в зависимости от диаметра уплотняемых дета­ лей приведены ниже:

При конструировании уплотнения с применением резинового кольца круглого сечения рекомендуются размеры и допуски, при­ веденные ниже (обозначения даны в соответствии с рис. 21):

при уплотнительной канавке на валу (в поршне)

Радиальное сжатие кольца х в зависимости от его поперечного сечения и условий работы рекомендуется принимать по кривым рис. 26. Прессформа для резиновых колец должна учитывать усад­ ку резины после вулканизации, поэтому размеры прессформы дол­ жны быть на 1,5—2% больше номинальных размеров кольца

Д прФ=1.015 +- \,02Д.

70

Необходимо, чтобы поверхность кольца была гладкой, чистой, блестящей. Круглыми резиновыми кольцами в электробуре уплот­ няются неподвижные сопряженные детали: резьбовые соединения корпусов, клапаны, втулки, кольца сальников, детали шарнирного уплотнения, детали головки и другие, и также поршни компенсаторов двига­ теля, шпинделя и сальников*

Принцип работы торцовых уплотнений вращающихся валов

Специфические условия работы уплотнений валов электробура предопределили конструкцию его сальников. Наиболее соответст­ вуют этим условиям сальники торцового типа.

Принцип работы торцовых уплотнений состоит в создании боль­ шого гидравлического сопротивления между торцами двух колец, из которых одно неподвижное, установленное в корпусе, другое вращающееся, прижимаемое к первому пружинами и действием перепада давления.

Торцовые сальники в электробуре применены для уплотнения верхнего и нижнего выходных концов вала ротора электродвига­ теля и нижнего выходного конца вала шпинделя. Схема конструк­ ции торцового сальника представлена на рис. 27. Он состоит из не­ подвижного стального кольца 1, устанавливаемого в корпусе 7 на уплотнительном резиновом кольце 6, стального кольца 2, вращаю­ щегося вместе с валом 8 и прижимающегося своим торцом к торцу неподвижного кольца при помощи пружины 4. Торцы стальных ко­ лец армированы релитом и притерты друг к другу.

Неподвижное кольцо 1 должно быть предохранено от провора­ чивания в корпусе 7 и уплотнено кольцом 6\ плоскость его контакта

71

с кольцом 2 должна быть строго перпендикулярна оси вала. В про­ тивном случае торец кольца 2 во время вращения будет менять свое положение, вследствие чего ухудшается качество уплотнения, так как при большой скорости вращения кольцо 2 не будет приле­ гать к неподвижному кольцу. В этом случае может образоваться щель между торцами, через которую будет происходить утечка масла.

Для обеспечения надежности уплотнения вращающееся кольцо должно иметь подвижность в осевом направлении и самоустанавливаемость по плоскости торца неподвижного кольца, что дости­ гается при соблюдении следующих условий: 1) вращающееся коль­ цо 2 должно быть посажено на вал на уплотнительном резиновом

Рис. 27. Принципиальная схема конструкции торцовой пары уплотнения электробура:

а — неуравновешенной; б — уравновешенной.

кольце 3 с минимально допустимым натягом; 2) сцепление враща­ ющегося кольца 2 с ведущим кольцом 5 должно давать воз­ можность уплотнительному кольцу самоустанавливаться; 3) сила пружин 4 должна преодолевать силы трения уплотнительного ре­ зинового кольца 3 при осевом перемещении кольца 2; 4) масса вра­ щающегося кольца 2 не должна быть большой.

Контакт между уплотнительными поверхностями зависит от пе­ репада давления на торцовой паре. В зависимости' от направле­ ния перепада давления плотность контакта может увеличиваться или уменьшаться. В зависимости от плотности контакта изменяется расход масла и потери на трение торцовой пары. Плотность кон­ такта также зависит от конструкции торцовой пары, так как кон­ тактное давление может быть уравновешено таким образом, что оно не будет функцией давления жидкости; оно может иметь раз­ личную степень уравновешенности (см. рис. 27, б).

Следовательно, могут быть созданы торцовые уплотнения с раз­ личными плотностями контакта, различным расходом масла и раз­ ными потерями на трение.

Рассмотрим торцовую пару (рис. 28, а), которая испытывает пе­ репад давления р со стороны подвижного торцового кольца /.

72

Так как в торцовых парах этого типа внутренний диаметр тор­ ца колец мало отличается от диаметра вала, принимаем его равным

W ' = p ~ { d l — d l ) = p F p ,

где Fp — площадь подвижного кольца, на которую действует пере­ пад давления р, в результате чего кольцо 1 прижимается к торцу неподвижного кольца 2.

В масляной пленке, находящейся между торцовыми поверхно­ стями, перепад давления уменьшается от вёличины р у наружной кромки 3 до нуля у внутренней кромки плоскости контакта 4.

73

Если допустить, что давление в плоскости контакта уменьша­ ется по прямолинейной зависимости, тогда со стороны плоскости контакта подвижное кольцо будет сжиматься под действием дав­

ления -у , а сила отжатия

W " = ^ - ^ - { d l - d l ) = ^ - F K

(FK— площадь плоскости контакта).

Сила, прижимающая подвижное кольцо к неподвижному, с уче­ том силы пружин Wu, давления в камере и расклинивающего уси­

Если перепад давления будет направлен со стороны неподвиж­ ного кольца, в плоскости контакта давление распределится в ра­ диальном направлении и максимальное давление будет у внутрен­ ней кромки плоскости контакта, а минимальное — у наружной (рис. 28, б). Тогда сила, с которой будет прижиматься подвижное кольцо,

т. е. если расклинивающая сила масляного слоя будет больше силы прижатия пружин, подвижное кольцо отожмется и торцовая пара перепустит масло, что следует учитывать в расчетах.

При расчете пружин необходимо учитывать также дополнитель­ ную силу, которая необходима для преодоления силы трения ре­ зинового кольца при осевом перемещении подвижного торцового кольца.

Рассматривая уравнение (58), видим, что подвижное кольцо прижимается к неподвижному силой пружин Wn, а также под дей­ ствием давления р, причем величина силы прижатия под действием давления зависит от размеров вала и кольца. Применяя ступенча­ тый вал (см. рис. 27, б), можно второй и третий члены уравнения (58) сделать равными:

Таким образом, представляется возможность уравновесить силы, действующие в осевом направлении на подвижное кольцо торцо­ вой пары и создать пару, способную работать при высоких пере­ падах давления со стороны подвижного кольца (см. рис. 28, в).

Принцип уравновешивания подвижного торцового кольца позво­ ляет также создать торцовую пару, способную работать при вы­ соких перепадах давления со стороны неподвижного кольца (см. рис. 28, г). Изменяя диаметр dB подвижного торцового кольца, можно менять в нужных пределах степень уравновешенности. При

74

уравновешенном подвижном торцовом кольце уменьшаются потери энергии на трение, удлиняются сроки службы уплотнения, торцовая пара становится нечувствительной к изменению перепада давле­ ния. Это имеет большое значение для уплотнений электробура.

Приведенные выше формулы выведены для случая прямолиней­ ного распределения давления в плоскости контакта без учета влия­ ния сил поверхностного натяжения слоя масла в зазоре между торцами. В действительности на выходной кромке торцового зазора действует поверхностное натяжение слоя масла, вследствие чего изменяется распределение давления в плоскости контакта. Вопросы теории торцового уплотнения с учетом сил поверхностного натя­ жения пленки жидкости у выходной кромки плоскости контакта подробно изложены в [8].

Рассмотрим основные положения этой теории применительно к торцовым уплотнениям электробура. При некотором соотношении сил прижатия подвижного торцового кольца и перепада давления жидкости устанавливается зазор, величина которого обусловлива­ ется наличием пленки жидкости, не выдавливающейся из зазора (см. рис. 28, д). В этом случае давление в плоскости контакта в ра­ диальном направлении будет одинаковым по всей ширине торца.

Поверхностное натяжение можно выразить через растягиваю­ щее усилие, приходящееся на единицу длины выходного края плос­ кости контакта, которое можно выразить так:

p S ~ 2<р.

Если при той же силе W снизить давление р, то расстояние S уменьшается и при известных соотношениях силы W и давления р вся жидкость будет выдавлена из зазора. В этом случае будет су­ хое трение торцов.

Если же повысить давление р, то будет преодолена сила W и зазор S увеличится. При этом появится утечка жидкости под дей­ ствием перепада давления, которую неспособна удержать сила по­ верхностного натяжения у выходной кромки. Однако поверхностное натяжение будет все же действовать как выходное сопротивление и частично уравновешивать силу W.

Создаваемое силами поверхностного натяжения дополнительное сопротивление у выходной кромки

( 61)

Тогда перепад давления, обусловливающий расход жидкости,

Когда поверхностное натяжение отсутствует, сила, прижимаю­ щая подвижное кольцо, будет уравновешиваться действием эффек­ тивного среднего давления в зазоре, изменяющего от величины р

75

у входной кромки до нуля у выходной кромки торца. Величина эф­ фективного давления зависит от перепада давления на паре и ко­ эффициента k:

Рэ=Ьр,

где

Для узких уплотняющих поверхностей &~0,5; для колец, при­ нятых в уплотнениях электробура, k = 0,508 -н0,500. Однако факти­ чески выходное - сопротивление, обусловливаемое силами поверх­ ностного натяжения, все же имеется, поэтому диаграмма распре­ деления давлений в масляном слое уплотнения будет иметь вид, показанный на рис. 28, е.

Если эффективное давление рэ в масляной пленке уравнове­ шивает силу прижатия подвижного кольца, то можно написать

Рэ=Рк

или

Из уравнения (66) следует, что эффективное давление в масля­ ном слое устанавливается автоматически при изменении других па­ раметров.

Условием нормальной работы уплотнения должно быть сохра­ нение неравенства

76

т. е. если pK<^kp, герметичность уплотнения нарушится; если рк> >р, зазор исчезнет, трение будет сухое.

В изложенном выше теоретическом разборе допускалось, что гидравлическое сопротивление, созданное силами поверхностного натяжения у выхода из торцового уплотнения, одинаково как для неподвижных торцов, так и для торцов, перемещающихся относи­ тельно друг друга с угловой скоростью. В действительности же при относительном перемещении торцов появляются силы, имеющие тенденцию разрушать жидкостную пленку. Кроме того, между двумя плоскими торцами, какими являются торцы рассматривае­ мых уплотнений, нет гидродинамических сил, которые создали бы масляный клин, образуемый в подшипниках скольжения. Поэтому не при любых условиях в плоскости контакта торцов можно до­ стигнуть наиболее благоприятного жидкостного трения, характе­ ризующегося полным разделением перемещающихся относительно друг друга поверхностей колец и трением только между частицами масляного слоя.

При некоторых условиях возможно полужидкостное трение, характеризующееся соприкосновением отдельных элементов пере­ мещающихся торцов при разделении их слоем масла, или возможно полусухое трение, характеризующееся соприкосновением большей части поверхности торцов, плоскости касания которых в отдель­ ных местах покрыты слоем масла.

Практически трудно разграничить последние два вида трения. Эти понятия помогают лишь анализировать физические явления, происходящие в плоскости контакта.

С точки зрения физического процесса, происходящего в масля­ ном слое, следует рассматривать два режима работы; а) с нераз­ рушенной пленкой масла; б) с пленкой масла, которая разру­ шается под действием перепада давления на торцах. Последний режим характеризуется повышенным коэффициентом трения, повы­ шенным нагревом и неустойчивым уплотнением.

Для жидкостного трения при неразрушенной пленке в плос­ кости контакта торцов применима теория, разработанная Н. П. Пет­ ровым, согласно которой коэффициент жидкостного трения является величиной переменной, зависящей от смазочных свойств масла и других факторов [63].

По теории Н. П. Петрова сила жидкостного трения может быть

где Т — сила жидкостного трения в кгс; — коэффициент внутрен­ него трения смазочной жидкости; ѵ — относительная скорость сколь­ жения поверхностей в м/с; Fс — площадь скольжения поверхностей в м2; 5 — толщина пленки масла в м; рі и цг — коэффициенты внешнего трения смазки о трущиеся поверхности.

77

Из формулы (68) следует, что при неизменных относительной скорости скольжения поверхностей ѵ, площади скольжения Fc и толщине пленки S сила трения зависит только от величин rj, рі и р-2 , характеризующих свойства масла.

Так как для масел, применяемых в электробурах, величины рі

жидкостное трение, сила трения не зависит от состояния трущихся поверхностей и величины силы прижатия поверхностей. Последняя влияет на силу трения косвенно через толщину масляного слоя.

Сила трения резко изменяется после соприкосновения плоско­ стей контакта и изменений в масляном слое, так как при переходе в полужидкостное или полусухое трение коэффициент трения воз­ растает в 10—100 раз.

Если для сухого трения

T = f W

(Т — сила трения в кгс; / — коэффициент сухого трения; W — нор­ мальная сила в кгс), то по аналогии с законом сухого трения для жидкостного трения можно условно написать

T= *fW ,

откуда

vFc

Ü W '

Если обозначить

w — W

F, WУд

(WyK— удельное давление в масляном слое), то

/ '= 4 SW,уд

При любом виде трения на его преодоление затрачивается мощ­ ность

где JVrp — мощность в л. с.; Мтр — момент трения; а> — угловая скорость.

78

Почти вся мощность, идущая на преодоление трения в саль­ нике, превращается в тепло. При нагреве резко снижается вяз­ кость пленки масла и уменьшается ее толщина, что может привести

кполужидкостному и полусухому трению, еще большему нагреву

ивыходу из строя уплотнения.

Исходя из приведенного выше анализа, необходимо принимать все меры для предотвращения нагрева уплотнения:

1)обеспечивать охлаждение уплотнения;

2)снижать коэффициент трения f подбором материалов для торцовых пар;

3)обеспечивать качественную притирку торцов;

4)подбирать соотношения площади давления Fv и площади контакта FK;

5)выбирать минимально допустимую силу прижатия пру­ жины W.

Количественные соотношения площади давления Fp и площади

контакта FK в зависимости от перепада давления, вязкости уплот­ няемой жидкости и других факторов мало изучены. Вопрос урав­ новешенности подвижного торцового кольца затрагивает основные положения теории торцовых уплотнений, которые требуют даль­ нейшего изучения.

В каждом конкретном случае при выборе размеров и конструк­ ции подвижного кольца, пользуясь имеющимися соотношениями, следует экспериментально проверять работу пары торцового саль­ ника.

Конструкции торцовых уплотнений вала электробура

Для достижения надежного уплотнения вала в электробуре применены сальники с двумя парами торцового уплотнения. Торцы уплотнительных колец в современных конструкциях армируются твердым сплавом — релитом.

Плоскости контакта колец тщательно притираются, чтобы ке­ росин не протекал через плоскость контакта. После этого поверх­ ность торцов тщательно промывается.

Верхний сальник двигателя

Верхний сальник двигателя (рис. 29) снабжен двумя уплотни­ тельными парами трения 6. Причем торцы вращающихся колец прижимаются к торцу соответствующей пары трения пружинами, расположенными в ведущем кольце, которое смонтировано на за­ щитной втулке 7 и предохранено от проворота шпонкой.

В конструкции сальникового узла установлен подшипник 9, ко­ торый центрирует втулку сальника и определяет размещение

79