книги из ГПНТБ / Николич А.С. Поршневые буровые насосы
.pdfКасательные 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 |
|
= цК1ш |
|
|||
|
|
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