Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Николич А.С. Поршневые буровые насосы

.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
12.11 Mб
Скачать
IV «МЛ

Касательные напряжения в площадке элемента elk, параллель­ ной поверхности трения и находящейся на расстоянии с/А,, при­

нимаем при этом равными

нулю, исходя из предпосылки, что соот­

 

ветствующая

стенка

ме-

 

таллоарматуры

удалена

 

на

достаточно

большое

 

расстояние

и напряжения

 

адгезии па эту площадку

 

не передаются.

 

 

 

 

 

 

Интегрируя

 

выраже­

 

ние

(37)

в

пределах

 

сч, Go от

начального

до

а

конечного

сечения

уплот-

иительиого

кольца,

полу­

 

чим

 

 

 

 

 

 

 

'

da

-liK

 

 

(38)

 

 

 

 

 

 

 

откуда

 

= цК

 

 

 

In cr, In o0

 

 

По

определению

 

лога-

 

рифма

 

 

 

 

 

Рис. 33. Распределение контактного давле­ ния на поверхности трения эластичного поршневого кольца.

а —схема работы уплотшгтельного кольца в ци­ линдре; б — напряжения в элементе уплотнительного кольца па поверхности трепня; в — кривые зависимости контактного давления от ширины кольца при различных значениях коэффициента

треиня. о равно

|ц=0,6'

|ц=0,47

 

111 — eP-iK-

И, =

0,06;

Я, = 0,017;

 

 

ц г =

1,5;

К, = 0,285

 

 

 

К =

илм

(39)

Выражение (39) пред­ ставляет собой функцию распределения контакт­ ного давления на поверх­ ности трения поршневого кольца (кривые / — I V на рис. 33 при различных значениях ц).

ц=0,224;

 

 

Креплением

резины к

• И^2

щ = 0,04;

?., = = 0,84

металлоарматуре,

изме­

 

нением

формы

металло-

 

 

= 0,16

 

 

 

арматуры, приближением

 

 

 

или

удалением

ее

стенок

от поверхности трения можно существенно

изменить распределе­

ние напряжений в резине и управлять

величиной

контактного дав1-

леиия, изменять вид эпюры контактного давления.

 

 

 

Используя известный

способ разложения

показательной

функ-

цим в степенной ряд, можно формулу (39) записать в виде ра­ венства:

0

=

a /

i

i +

j ! L +

 

. ( ^ » - L J e * ) L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2

1-2.3

 

 

 

 

где в скобках

достаточно

вычислить

четыре

или

пять

слагаемых

из-за их быстрого убывания.

 

 

 

 

 

 

 

Если коэффициент

трения

существенно изменяется

по

длине

уплотнения

в

связи,

например,

с

температурной

деструкцией

гра­

ничных слоев

смазки

(по М. М.

Хрущову и

Р. М. Матвеевскому)

и переходом в опорной части кольца к смешанному режиму гра­ ничного и сухого трения, то вместо выражения (39), справедли­ вого для одного участка трения, нетрудно получить формулу для

двух

участков

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ог2 = а 0 е ^ - е ^ = =

or0 e^? 'i+^= ,

 

(40)

где

mi и

к\

— коэффициент

 

трения

и

относительная

длина

уча­

стка

граничного

трения,

р 2

и

— те

же

показатели,

но для

уча­

стка

сухого

трения.

 

 

 

 

 

 

 

 

Полученное

выражение

удобно

представить для

вычислений

в форме

степенного ряда:

 

 

 

 

 

 

 

0 - - а Л |

M i + M a

|

 

+

 

 

i ( M i + ^ ) 8

j

\

2

° \

^

 

1

 

 

1.2

 

Г

1.2.3

" '

' / '

в котором для решения практических задач можно ограничиться

использованием четырех или пяти слагаемых в скобках.

 

Подставляя значение

функции а из формулы (39) в

выраже­

ние (35), получим зависимость для определения

силы

трения

поршня:

 

 

 

 

 

 

о

 

о

 

 

= itnDLja0

— 1) = лО^о0

(e**« — 1).

(41)

Величина силы трения

определяется экспериментально.

Экспоненциальный

характер функции

(39)

подтверждается

измерениями при помощи встроенных датчиков давления, мето­ дами фотоупругости, а также косвенным путем, например, изме­ рением температуры в поверхностном слое уплотнительного коль­ ца, показывающим ее быстрый рост по ширине кольца. При дав­

лении нагнетания

ПО

кгс/см2

температура

на поверхности

тре­

ния поршневого уплотнительного кольца

увеличивается на

уча­

стке 0—25 мм от

ПО до

120° С

(рис. 34, а) и далее до 190° С.

Сни­

жение температуры в начале участка 25—30 мм так же, как и удельного давления на поверхности трения, объясняется в данном конкретном случае существованием кольцевого выступа а метал-

93

лоарматуры и углубления б на боковой поверхности резинового поршневого кольца. Без выступа а металлоарматуры и углубле­ ния б на поршневом кольце температура на поверхности трения изменяется, как изображено пунктирной линией в. Измерения произведены «а насосе 13Гр с поршнями диаметром 100 мм при

а

5

Рис. 34. Графики, характеризующие тепловые процессы на поверхности трепня эластичного уплотнительного кольца (по данным Г. Р. Ионесяиа и др.).

а — распределение температуры в контакте при различных давлениях нагнетания; 6 — зави­ симость средней температуры в контакте от температуры промывочного раствора и давле­ ния нагнетания.

числе

двойных ходов 70 в 1 мин при нагнетании глинистого раст­

вора

плотностью 1,7 г/см3 с весовым

содержанием

7%

кварце­

вого

песка

и 10% сырой нефти. Результаты измерения свидетель­

ствуют о

значительной

напряженности

температурного

режима

на поверхности трения

в условиях эксперимента на

насосе 13Гр.

Нагрев резины на поверхности трения по-разному зависит в условиях опыта от двух основных переменных: температуры про­ мывочного раствора и давления нагнетания.

Из рис. 34,б видно, что при низком давлении нагнетания

(кри­

вая р = 0)

преобладающее влияние на температуру

поверхности

трения оказывает температура среды. С увеличением

давления

нагнетания

влияние температуры промывочной жидкости

умень-

94

шается, а определяет температуру на поверхности трения давле­

ние нагнетания

(кривая р = 1 5 0 кгс/см2 ). Снизить температуру на

поверхности трения охлаждением промывочной жидкости

в мас­

се при высоком

давлении нагнетания не представляется

возмож­

ным, более эффективно снижение средней скорости поршня, снижение коэффициента трения, повышение прочности слоев гра­ ничной смазки методами физико-химической механики или охлаж­ дение цилиндровой втулки непосредственно в зоне контакта тру­ щихся деталей.

На торцовой опорной поверхности поршневого уплотнителыюго кольца, прилегающей к разделительному фланцу поршня, возни­ кает такое же, как и на поверхности трения, давление, необходи­ мое для равновесия элемента, выделенного в материале резино­ вого кольца у уплотняемого зазора.

Экспериментом подтверждается этот вывод, так как кольцевое углубление k, образующееся в результате усталостного выры­ вания поршневой резины в уплотняемом зазоре, симметрично от­ носительно биссектрисы угла ее (см. рис. 33).

На неприработанных концевых участках зеркала или для новой цилиндровой втулки с одинаковой по всей длине поверхности по­ перечной шероховатостью #с к =0,4—0,8 мк, оставшейся после обработки 'станочным инструментом, величина коэффициента тре­ ния резины по стали показана на графике (см. рис. 30, верхняя кривая). Этой величиной коэффициента пользуются для определе­ ния максимального усилия трения в начале и конце хода поршня.

Тепло, образующееся

при

работе

цилиндро-поршневой

пары

в результате трения резины

о закаленную сталь, отводится от каж­

дого элемента

поверхности

трения в

направлении нормали,

в ос­

новном через

стальную

стенку

цилиндровой втулки,

интенсивно

охлаждаемую

омывающей

ее жидкостью. Температура

на

доста­

точной глубине от трущейся поверхности цилиндровой втулки бу­ рового насоса экспериментально не определялась, однако следует полагать, что она существенно ниже температуры трущейся по­ верхности и мало превышает температуру нагнетаемой насосом жидкости, так как тепло легко отводится через массивную стенку втулки.

Отвод тепла через резину затруднен ввиду ее относительно низкой теплопроводности. Резина нагревается при трении в тон­ ком поверхностном слое. На глубине 5 мм повышение темпера­ туры вдвое меньше, чем на поверхности. Интенсивность выделения тепла каждым элементом поверхности трения совпадает с рас­ пределением температуры по поверхности трения.

Из графика (см. рис. 34) видно, что при давлении нагнетания /?=175 кгс/см2 температура на поверхности трения у пескобрей-

ной

кромки

поршня, равная

155° С,

превышает

температуру

сре­

ды

(50° С)

па 105° С, а в опорной

части поршневого кольца

на

180—50= 130° С. Температура

увеличивается по

ширине поршне­

вого кольца в 130/105=1,24 раза.

 

 

 

95

Если

принять,

что местное снижение

температуры

па участке

25—30 мм

вызвано

кольцевым

выступом

металлоарматуры а и углублением б

на боковой

поверхности, снизившими удельное давление в опорной

части

поршневого коль­

ца, и восстановить -форму

кривой s, показанную

пунктиром,

относящуюся

к

сплошному поршневому кольцу без выступа а металлоарматуры

и углубления

б,

то превышение

температуры

в щели над температурой среды в цилиндре дости­

гает в опорной части кольца

220—50= 170° С,

т.е. температура возрастает

по

ширине поршневого кольца в 170/105=1,62 раза.

 

 

 

 

 

 

Аналогично

при давлении

нагнетания

р = П 0

кгс/см2

температура

на поверх­

ности резины у

пескобрейиой

кромки поршневого

кольца составляет

112°С, или

превышает температуру среды

на 62° С, а в опорной части — соответственно со­

ставляет

145° С, или превышает температуру

среды

на 95° С, т.е. температура по

ширине поршневого кольца возрастает в 9 5 / 0 2

= 1,54 раза.

 

 

 

 

Разница в

относительном

повышении температуры по ширине поршневого

кольца при давлении жидкости 175 и ПО кгс/см2

составляет всего

 

 

1,62 — 1,54

— .2.100 = 5% •

1,62+1,54 Принимая во внимание, что температура в контакте при прочих равных ус­

ловиях пропорциональна произведению upv, где скорость v одинакова для всех

точек поступательно движущегося поршневого кольца, то должно быть

1 , 6 0 ц к р п = и,кр1;.

Поскольку средний коэффициент

трения ц. в соответствии

с верхней

кривой

на рис. 30 снижается при изменении

давления

нагнетаемой жидкости от 175 до

350 кгс/см2

в отношении

 

 

 

 

 

 

М„= 1,25цк ,

 

 

 

 

следует считать, что контактное давление на опорной

поверхности по ширине

поршневого

кольца в условиях эксперимента

изменялось в

1,25-1,60 = 2

раза.

Корректное

исследование (по данным

А. С. Ахматова

и X. 3.

Усток) показало,

что силы граничного трения растут с повышением давления. Причину снижения

среднего

коэффициента

трения ц в цилиидро-поршневой паре с увеличением

дав­

ления р

уплотняемой

жидкости следует,

по-видимому,

искать в

изме­

нении условий молекулярного взаимодействия при повышении контактной тем­ пературы, не достигающей пределов температурой прочности граничной смазки.

Величины ц и р изменяются по ширине кольца, значение v остается постоян­

ным, а произведение up характеризует интенсивность выделения тепла и следует кривой изменения температуры. По физическому смыслу произведение up есть

сила трения, приложенная к кольцевой полоске

единичной

ширины.

Следова­

тельно, кривая распределения температуры характеризует

изменение

силы тре­

ния на боковой поверхности

кольца.

 

 

 

 

 

Исходя из того, что контактная

температура

при трений пропорциональна

произведению

upt>, причем

скорость

v

одинакова

для всех

точек поступательно

движущегося

поршневого кольца,

а

коэффициент трения ц, принят постоянным,

необходимо, чтобы в соответствии с равенством (39) было

 

 

 

е ^ = —

=

1,6 или цА = 0,47.

 

 

Тогда получаем, что сила трения

поршневого

кольца о цилиндр в соответст­

вии с формулой (41)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T„ =

nDlKa0

(е°-"-1)

 

 

и средний коэффициент трения

 

 

 

 

 

 

 

и =

 

=

е ° - 4 7 - 1 =0,6 ,

 

 

 

f

яО/к р

 

 

 

 

 

что не отвечает действительности. Значение среднего коэффициента трения, опре­ деленные из опыта, нанесены на рис. 30.

96

Таким образом, совместное рассмотрение результатов измерения температу­ ры резины-в тонком слое у поверхности трения и эпюр контактного давления иа боковой поверхности поршневого кольца, соответствующих постоянной величине ц, приводит к заключению, что величина коэффициента трения в условиях экспе­ римента не остается постоянной по всей ширине поршневого кольца.

Если со стороны уплотняемой насосной камеры на участке поршневого кольца, равном 0.85 общей ширины /к , происходит граничное трение при значе­

нии коэффициента трения

ц,=0,04, а у опорной части кольца на участке 0,15 об­

щей ширины коэффициент

трения (-1=1,2, то в соответствии

с выражением

(40)

£=_ =

еИ,Я.,+!Ч?-2 = е0.04.0,85+1,2-0,15 =

1 ,25.

 

 

Сто

 

' <

 

 

 

Сила трения в соответствии с формулой (41) для двух

участков

 

Г п = я О 0 , 8 5 / к о 0 ( е 0 ' 0 " 0 ' 8 5 - 1 ) + Л О 0 , 1 5 / к а 0 е 0 - 0 4

0 ' 8 5 - ( е , ' 2 - 0 ' 1 5 - 1 ) =

'

= я£>/к о0 {0,85 ( е 0 ' 0 4 0

- 8 5

- 1) + 0,15 е 0 ' 0 4 0 ' 8 5 ( е 1 ' 2 - ° ' 1 5 - 1 ) } = я О / к с т 0 0 , 0 6 .

Исоответственно средний коэффициент трения

ii = — = 0,06, зхО/кр

что отвечает результатам измерения (см. рис. 30).

Из изложенного следует, что на поверхности поршневого кольца возможны различные режимы трения: граничного на некотором участке ширины со сторо­ ны уплотняемой насосной камеры и в сочетании с сухим в опорной части порш­

невого кольца.

 

 

 

По-видимому, температура поршневой

резины

прямодействующего насоса

при прочих равных условиях в 1,57 раза ниже, чем у приводного,

т.е. находится

в том же соотношении, что и максимальная

скорость

их поршней

(см. рис. 5, б).

С целью дополнительной проверки соответствия полученных эксперименталь­ ных результатов теоретическим представлениям можно приближенно рассчитать температуру нагрева резины поршневых колец от трения о цилиндровую втулку,

воспользовавшись для этого методикой Д.

К. Егера 1 (в данном расчете

сохра­

нены обозначения, принятые в упомянутой

работе). Все тепло подвижных

источ­

ников считается отводимым в тонкий поверхностный слой металла без потерь.

Условно разбиваем

поверхность

трения,

рассматриваемую в

качестве

под­

вижного источника тепла, на два участка:

передний — шириной

2/i=4,3

см с

коэффициентом

трения

(Xi=0,02

и

задний

(опорный) —шириной 2/2 =0,7

см

с коэффициентом u.2 =I,2

(см. рис. 33).

 

 

 

 

 

 

 

 

Для характеристики различия в геометрической форме площадей двух ис­

точников тепла определяем отношение

безразмерных параметров

 

 

 

 

U

_

vtj2a

 

k

 

2,15

_

 

 

 

 

 

 

L 2

~

vUj2a =

k

~

0,35

=

'

 

 

 

где о — общая

скорость

движения

обоих

источников;

а=0,173 см2 /с — темпера­

туропроводность Ст. 70; /i=2,15

см — полуширина

первого

источника; /2 =0,35—

полуширина второго источника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учитывая,

что безразмерный

параметр

li существенно

превышает /2 ,

вос­

пользуемся на первом участке для большей точности расчета формулой прямо­ угольного или квадратного источника

 

6 m a x = l - 1 2 2 ^ i -

,

(42)

1 J. С. J a e g e r . Moving

sources of

heat and the

temperature of sliding

contacts. J. a. Proc. Roy. Soc.

New South

Wales,

1942, №

76, Part'III.

4 А. С. Николич

97.

 

а на втором участке дополнительно формулой для полосы шириной 2

 

 

 

 

 

 

 

 

em ax =

-

 

M

- )

.

 

 

 

 

(43)

где

Gmai

в °C наибольшая

дополнительная

температура

нагрева

поверхности

от

источника

 

q,

 

д = ц/го/0,427

 

 

кал/см2

с — интенсивность

 

источника;

Я=0.144 кал/см • с • град — теплопроводность Ст. 70.

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

при давлении

нагнетания /j=110 кгс/см2 для первого участка, получим

в точке с

(рис. 33)

максимальную

температуру нагрева

от трения

 

 

 

8 ш а х =

 

„„MiWi

к

 

 

„„ 0,02.110-0,915

2,15

Л

'

 

 

1,122'

 

 

= 1,122—

 

:

 

• — •

 

= 7 9 ° С .

 

 

 

т

а х

 

 

0,427

X

 

 

 

0,427

 

0,144

 

 

 

 

 

Суммарную расчетную температуру в точке спо получим сложением темпе­

ратур среды и нагрева от трения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е с у м м

= 50 + 79=129 о С .

 

 

от

трения

(точка

 

Для второго участка наибольшая температура нагрева

duo) составляет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Иг

 

100 Jv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

, о

п

 

 

 

U o V p i e

 

 

 

 

 

 

 

 

" m a x =

 

 

+

 

 

 

 

^

:

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X ( l r o

j

= 9 2 + 11,9 =

103,9 C C .

 

 

 

 

 

Суммарная

расчетная температура в точке rfno с учетом

температуры

среды,

равной 50° С, составляет

154° С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При давлении нагнетания /;=175 кгс/см2

для первого участка

(точка с 1 7 5 )

максимальная

температура

нагрева

резины от трепня

составляет

 

 

 

 

 

 

 

 

,

,оо

l'Py / i

 

0,02.175-0,915.2,15

 

 

 

 

 

 

 

9

-

=

1

' 1 2

2 0 l m =

 

 

0,427-0,144

=

Ш

° С -

 

 

 

 

Суммарная расчетная температура в точке c^s с учетом температуры среды

составляет

175° С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для второго

участка температура нагрева от трения

(точка

rfi75)

составляет

 

 

 

 

 

0,02-175.0,915-2,5

1,2 (е1

- 2 0 - 1 5 — 100)-0,915

 

 

 

fimax—1,122

 

 

0,427 .

4

+

 

 

0,427-0,144

 

Х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!7-0,144

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'2.0,173.0,35\0.5

=

184°С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

91,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Суммарная расчетная температура в точке dm

с учетом

температуры

среды

составляет

234,2° С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наибольшее

несовпадение

результатов

данного

весьма приблизительного

расчета и измерения не превышает

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

238— 190

 

22% ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. 100 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

238 +

i90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

что следует считать удовлетворительным подтверждением достоверности резуль­ тата. Все измеренные температуры ниже расчетных, так как рассеивание тепла с распределением тепловых потоков между трущимися телами расчетом не учитываются.

Как

следует

из рис. 34, а,

температурный предел прочности

граничного слоя

смазки, при котором -происходит истощение

сма­

зочной

пленки,

ее деструкция,

граничное трение переходит

в су-

98

хое, а кривая tnp

претерпевает перелом и уходит резко вверх, не

остается постоянным при изменении давления, а составляет

120° С

при давлении жидкости 110 кгс/см2

и

160° С при давлении

жидко­

сти 175 кгс/см2 ,

изменяясь между

ними в соответствующих

пре­

делах.

 

 

 

 

 

Несмотря на то что температура

резины и слоя жидкости в

щели превышает

100° С, парообразования при этом не будет,

так

как давление в щели существенно больше упругости паров для

соответствующих температур, в подтверждение

этого

приведем

следующую физическую зависимость

(для воды):

 

t

°с

0

25

50

 

100

150

р,

кгс/см2 . . . .

0,006

0,032

0,126

1,03

4,85

t

°С

200

250

300

 

350

374

р,

кгс/см2 . . . .

15,9

40,6

87,6

 

168

225

Видно, что для

пределов

температур

120—200° С

упругость

паров,

не превышающая 16

кгс/см2 ,

заведомо

ниже

давления

в щели.

 

 

 

 

 

 

На прилегающем к разделительному фланцу интервале, умень­ шающемся от длины / (см. рис. 34, а) до нуля при давлении жид­ кости до 100 кгс/см2 , контакт резины с цилиндровой втулкой не

наблюдается, и поэтому кривая изменения

температуры при р ) К =

= 50 кгс/см2 не может быть восходящей

за пределами участка U

контакта, как показано пунктиром на рис. 34, а, а должна быть

ограничена максимальным значением, возникающим в пределах участка контакта, вне которого нет причин для повышения темпе­ ратуры резины.

При приемке опытных образцов насосов и поршней вновь раз­ работанных конструкций наряду с определением среднего коэффи­

циента трения

необходимо

определять

вид эпюр

распределения

температуры,

коэффициента

трения и

контактного

давления по

ширине поршневых колец. Цель применения такого метода про­ верки заключается в устранении возможных режимов сухого тре­

ния на опорном

участке поршневого кольца

при эксплуатации

путем правильного выбора материалов деталей, установления

необ­

ходимой чистоты поверхности, поддержания соответствующих

экс­

плуатационных

режимов насоса и применения

антифрикционных,

а также антиизносных добавок к промывочной жидкости, стабили­ зирующих режим граничного трения поршневых колец.

Режимы трения и смазки

вщели между эластичным поршневым кольцом

ицилиндром

Среди возможных режимов трения на поверхности цилиндро­ вая втулка — поршень представляют интерес наиболее практиче­ ски важные — сухое, гидродинамическое и граничное.

4* 99

Режим сухого трения поршневых колец возникает, например, если насосные камеры не были залиты жидкостью перед запуском насоса. Нескольких движений поршня в пределах между его крайними положениями достаточно, чтобы привести поршень в полную негодность.

При не 100-процентном заполнении насосной камеры промывоч­ ной жидкостью верхняя часть поршня горизонтального насоса контактирует с сухой поверхностью цилиндровой втулки во время большей части хода всасывания и некоторой части хода нагнета­ ния. Например, при наполнении насосных камер жидкостью на 0,9 их объема происходит трение несмазанной поверхности верхней части поршня и сопряженной поверхности зеркала цилиндровой втулки, продолжающееся с начала всасывающего хода до его окончания и затем на одной десятой длины нагнетательного хода. Движение поршня по сухой сопряженной поверхности при всасы­ вающем ходе поршня происходит в условиях, когда давление на­ гнетания не действует на уплотнительные кольца. Однако в верхней части цилиндра, не заполненной жидкостью, наблюдаются повреждения поршня, вызванные его работой по сухой сопряжен­ ной поверхности.

Особенности режима трения цилиндро-поршневой пары насоса хорошо иллюстрируются примером насосного стенда, построенного на базе обычного поршневого бурового насоса с длиной хода s = ==450 мм и числом двойных ходов поршня 55 в 1 мин типа У8-3, в цилиндре которого на общем штоке помещены два поршня, а ка­ мера между ними заполнена водой. После запуска стендового на­ соса в работу без давления в затворной камере постепенное по­ вышение давления в ней до 400 кгс/см2 не вызывает значитель­ ного нагрева поршневой группы при нормальном всасывании и на­

гнетании промывочной

жидкости.

Насосная

установка

работает

с давлением нагнетания

в пределах паспортной характеристики.

Изменение последовательности операций во время запуска —

создание давления в затворной камере перед

включением насос­

ной установки — приводит к тому,

что после

запуска

установки

поршневые кольца сразу сильно нагреваются и их нормальная работа становится невозможной. Во время запуска установки без давления в затворной камере нагнетаемая промывочная жид­

кость проникает

в щель

между поршнем и цилиндровой втулкой,

распределяясь по всей

поверхности

поршня. Не возникает

тре­

ния несмазанных

поверхностей, как

при предварительном созда­

нии в затворной

камере

давления,

прижимающего резиновые

уп­

лотнительные кольца неподвижного поршня к сухой сопряженной поверхности цилиндровой втулки и уплотнения штока к сухому штоку по всей площади контакта.

Следовательно, и в эксплуатации при запуске насоса необходи­ мо прежде дать ему достаточное время поработать вхолостую, без давления, чтобы нагнетаемая жидкость проникла на всю по­ верхность трения, в щель между поршнем и цилиндровой втулJ00

кой 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 .

 

 

 

 

 

 

 

 

Протекание

через щель

абразивоеодержащего

 

промывочного

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

а = е^х

(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

А х м а т о в

А. С. Молекулярная физика граничного трения. М., Физмат-

гиз,

1963.

 

101

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ