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

устанавливающуюся толщину щели, изменяющуюся от долей до 2—3 мк (расстояние, необходимое для поддержания граничного трения).

Утечка жидкости через уплотнение представляет собой раз­ ность между количеством жидкости из насосной камеры и вноси­ мой в нее, на поверхности трущихся деталей при их относитель­ ном движении. Утечки промывочной жидкости, не вызывающие

ной объемной потери четко фиксируется по резкому падению дав­ ления между двумя поршнями. Этот предел соответствует объему слоя жидкости толщиной 3 мк, остающейся на поверхности втулки цилиндра за проходящим поршнем и равномерно распределенной по поверхности цилиндровой втулки указанного диаметра и дли­ ной, равной пути поршня, проходимого за 1 ч. При превышении предельной величины объемных потерь уплотнение работает в ус­ ловиях образования между ним и цилиндровой втулкой сплошной жидкостной прослойки, которая больше толщины граничного слоя, причем жидкость не удерживается молекулярными силами от пере­ текания под действием перепада давления.

Сплошное замкнутое вокруг поршня кольцо с режимом гранич­ ного трения в щели ликвидируется.

Величина молекулярных сил больше у стенок щели, а при уве­ личении толщины щели их недостаточно, чтобы удерживать части­ цы жидкости. Поршневое кольцо теряет свою уплотняющую спо­ собность.

После этого эластичная манжета быстро разрушается в резуль­ тате прямого перетекания абразивосодержащей жидкости из на­ сосной камеры высокого давления по одну сторону поршневого кольца в камеру низкого давления с другой его стороны.

Предельная толщина щели h„ между движущимся поршнем и цилиндровой втулкой, при которой объемные потери еще не вы­

102

При толщине щели приблизительно от десятых долей микрона до 3 мк жидкость в щели неподвижна относительно сопряженных детален, трение носит граничный характер.

тверждает преобладающее влияние на состояние жидкости в уз­ ком зазоре молекулярных сил, связывающих жидкость у поверх­ ности обеих стенок щели поршень •— цилиндровая втулка так же, как и на поверхности взаимодействующих профилей зубьев в экс­ периментах К. С. Серова.

Толщина слоя h жидкости, протекающей между параллельны­ ми поверхностями поршня и зеркала цилиндровой втулки, может быть также вычислена при помощи известной формулы гидроме­ ханики вязкой жидкости:

Решая данное выражение относительно h и подставляя число­

вязкой жидкости. При меньших значениях объемных потерь дей­ ствительный размер щели становится больше вычисленного по этим же формулам, так как сопротивление увеличивается на неко­ торую величину, которая добавлена к вязкостному сопротивлению, обусловленную влиянием сил, действующих в молекулярном поле у стенок щели, для объяснения которой недостаточно понятия вяз­ кости.

После появления на поверхности цилиндровой втулки продоль­ ных рисок или возникновения других дефектов, а также хотя бы местного увеличения толщины щели, достигающей, например 10 мк, скорость жидкости в щели возрастает в соответствии с за­ конами гидравлики вязкой жидкости пропорционально квадрату увеличения зазора, поскольку расход пропорционален кубу зазора, а площадь пропорциональна зазору в первой степени, т. е. для ус­ ловий примера скорость увеличится в (10/3,1)2 = 10,4 раза, что

103

и (45), рекомендуемым на основе практического опыта, видно, что при гидродинамическом режиме толщина щели должна быть су­ щественно (не менее чем на один порядок) больше толщины в ус­ ловиях граничного трения.

Эластичное уплотнение, легко, без касания огибающее неров­ ности поверхности контртела, прижатое через пленку разделитель­ ной жидкости к контртелу давлением, т. е. опирающееся на свя­ занные поверхностными силами трущихся тел цепочки молекул жидкости, создает для поддержания режима граничного трения более благоприятные условия, чем, например, в гидростатических подшипниках.

Граничное трение необходимо в нормально работающем эластичном уплотнении, где требуется совокупность свойств плот­ ности и подвижности соединения при изменении скорости поступа­ тельного движения поршня насоса от 0 до 1,5 м/с по длине хода. Частичное возникновение условий сухого трения является неже­ лательным.

Вывод о граничном характере трения весьма важен для пра­ вильного выбора материалов цилиндро-поршневой пары и анти­ фрикционных или антиизносных добавок к промывочной жидкости.

1 Проектирование гидростатических подшипников. Под редакцией Гарри Риппела. Перевод с английского инж. Г. А. Андреевой. М., «Машиностроение», 1967, с. 136.

104

Виды поршней и характер их изнашивания

Основные разновидности поршня бурового насоса показаны

Рис. 35. Типичные конструкции поршней.

а — резино-металлического: б — сборного с резиновым уплотнительным (/) и пластмассовым подклад­ ным (2) кольцами: в — к насосу с цилиндрами одностороннего дейст­

вия.

Боковая поверхность резиновой части поршня в сечениях, сов­ падающих с боковыми фланцами 6, снабжена круговыми высту­ пами, наружный диаметр £>В ыст которых в свободном состоянии

105

несколько больше диаметра цилиндровой втулки Аг.вт, диаметр

резину вулканизированного поршня от продавлнвания через отвер­ стия давлением жидкости, попеременно действующим на поршень справа и слева.

В насосной камере при нагнетании прижатие давлением жид­ кости одного из уплотнительных колец поршня двустороннего действия через пленку граничной смазки к зеркалу цилиндровой втулки обеспечивает плотное прилегание резины п создает усло­ вия, необходимые для высокого вакуума в другой насосной ка­ мере, расположенной по другую сторону поршня в том же цилинд­ ре. Во всасывающих камерах цилиндра двустороннего действия исключается подсос воздуха из атмосферы через двустороннее уплотнение поршня, возможный в цилиндре одностороннего дей­ ствия.

По обе стороны среднего разделительного фланца на боковой поверхности поршня имеются круговые углубления 5, попере­ менно являющиеся в работе резервуаром для накопления и рав­ номерного распределения по окружности поршня жидкости, слу­

приходит в соприкосновение с цилиндровой втулкой. Давление на трущейся поверхности в опорной части кольца уменьшается на ве­ личину, затраченную для деформирования резины.

Ось поршня обычно не совпадает с осью цилиндровой втулки. Уплотняемый радиальный зазор фланец—втулка не остается по­

в промывочном растворе после гидроциклонной очистки. Поэтому

Трение поршня о зеркало цилиндра при наличии граничного слоя смазки между ними происходит только резиновой боковой по­ верхностью, шаржированной абразивом, чем достигается минимум

106

абразивного воздействия. Фланец металлоарматуры не касается

зеркала цилиндра.

Материал манжет — резина по ГОСТ 11267—65. Прочность ее крепления к металлу через латупь + лейкоиат + клей на основе при­ меняемого каучука, как правило, превышает 50 кгс/см2 и доходит до 150 кгс/см2 . Применяется клен хемлак или хемосил 220 и хемо-

пластмассовым (например полиуретановым) опорным 2. Назначе­ ние опорного кольца заключается в том, чтобы: а) центрировать поршень в цилиндре, предотвращая соприкосновение фланца ме­ таллоарматуры с зеркалом; б) перекрыть уплотняемый зазор, обес­ печить работу резинового уплотнительного кольца в условиях так называемого нулевого зазора и этим предотвратить выдавливание резины в зазор и ее усталостное вырывание в уплотняемом зазоре, являющееся основным видом изнашивания резино-металлического поршня и в) предотвратить возникновение высокотемпературных режимов в опорной части, принять на себя работу в зоне повы­

бания неровностей зеркала цилиндровой втулки и поддержание граничного режима смазки в щели между поверхностью кольца и зеркалом с целью предотвратить перетекание жидкости в щели под действием перепада давления на поршне; 3) передачи давле­ ния на скошенную часть полиуретанового кольца с целью его прижатия к поверхности зеркала и достижения минимальной вели­ чины уплотняемого зазора и уменьшения выдавливания резины; 4) создание герметичного уплотнения между ступицей металличе­ ского сердечника и внутренней поверхностью кольца.

Наружный диаметр полиуретанового опорного кольца больше, чем фланца металлоарматуры, но несколько меньше диаметра отверстия цилиндровой втулки. Материал опорного кольца доста­ точно жесткий и в зазор между фланцем поршня и цилиндровой втулкой не выдавливается. Опорное кольцо широкое, и уделы-гое давление на поверхности его цилиндрической центрирующей части не счищает пленку граничной смазки с цилиндровой втулки. Ско­ шенная часть кольца под давлением резины деформируется, вплот­ ную прилегая к постепенно увеличивающейся в диаметре цилинд­ ровой втулке по мере ее изнашивания.

107

ровой втулки, чистота поверхности которой должна быть более вы­ сокой, чем при применении резиновых уплотнений.

Зерна абразива не попадают на поверхность трения полиуретанового кольца о цилиндровую втулку, счищаясь пескобрейнон кромкой манжеты или застревая в резине. Поршневые кольца за­ креплены на металлическом сердечнике шайбой 3 и пружинным кольцом 4 (см. рис. 35, б). Кроме того, их рекомендуется для боль­ шей надежности при давлении нагнетания выше 175 кгс/см2 склеи­ вать друг с другом и с сердечником. Независимо от этого замок должен быть рассчитан на то, чтобы, прочно удерживать непрнклеенную манжету как при всасывающем, так и при нагнетатель­ ном ходе поршня.

При хорошем качестве материалов, в частности клея и полиуре­ тана, с присущей им высокой износостойкостью, срок службы сборных поршней с пластмассовым опорным кольцом весьма про­ должителен. У поршня для насоса с цилиндрами одностороннего действия смазка вводится через отверстия фланца (рис. 35, в).

Фирма «Мншн» рекомендует одновременно с изношенной порш­ невой резиной заменять у своих поршней при давлении нагнетания до 105 кгс/см2 металлический сердечник, если линейный износ его

либо участке дуги окружности. Величину износа определяют при

(рис. 36) зависимости срока службы поршневых колец от радиаль­

Три названные конструкции являются типичными — они вклю­ чают основные элементы, входящие в различные поршни.

Изучение отработавших в различных условиях эксплуатации поршней позволило выявить четыре основных вида их изнаши­ вания.

терно для поршней с пластмассовым опорным кольцом, работаю­

108

5s

N

Рис. 36. Зависимость срока службы порш­ невых колец от величины уплотняемого за­ зора и давления нагнетания р в кгс/см2 : / — 105, 2 — 140, 3 — 210.

5 г

Рис. 37. Основные виды изнашивания поршней буровых

изнашивание поршневой резины, выдавливаемой в уплотняемый зазор; г — отрыв привулканнзнрованных поршневых колец.

109

2. Гидроабразивное эрозионное изнашивание боковой поверх­ ности, сопровождавшееся возникновением на ней разветвленных несквозных каналов, по которым жидкость с поверхности трения удаляется в сторону низкого давления (рис. 37, б) характерно для подвижного эластичного уплотнения, работающего в условиях рас­ крытия щели при всасывающем ходе поршня, попадания жидко­ сти в щель, накопления ее на определенных участках и выбрасы­

3. Усталостно-абразивное изнашивание поршневой резины, шар­ жированной абразивом, циклически выдавливаемой в уплотняемый зазор при наличии абразивно-жидкостной прослойки па поверх­ ности трения сопровождается образованием окружной канавки, прилегающей к разделительному фланцу металлоарматуры н опо­ ясывающей поршень (рис. 37, в), характерно для резино-металлп- ческого сварного поршня, работающего при высоком давлении на­ гнетания более 100 кгс/см2 .

Весьма важным для долговечности цплиндро-поршневой пары является процесс, происходящий в узкой щели, стенками которой служат зеркало цилиндровой втулки и боковая поверхность эла­ стичных уплотнительных колец поршня.

Эпюра контактного давления по длине щели не отвечает усло­ виям гидродинамического трения, которое в действительности носит характер граничного.

Задача увеличения ресурса поршней должна решаться с учетом создания и поддержания условий граничного трения в щели, при котором износостойкость трущихся деталей определяется проч­ ностью граничного слоя смазки между ними, его способностью вос­ станавливаться после повреждения и выдерживать действующие нормальные и касательные напряжения при возникающей в щели повышенной температуре. Качество граничной пленки зависит от соответствующих физических свойств материала поршневых колец и цилиндровой втулки, а также жидкости, находящейся в щели между ними, и добавок, введенных в состав жидкости, снижающих трение и изнашивание.

Увеличению ресурса цилиидро-поршневой группы способствует наиболее тщательная очистка промывочного раствора от зерен аб­ разива размером более 3 мк, применение мягких утяжелителей, например барита, твердость которого равна 135 кгс/мм2 , вместо ге­ матита твердостью 1010 кгс/мм2 .

ПО

Срок службы их увеличивается приблизительно в 5 раз по сравне­

ренней рабочей поверхности. Ввиду допустимости значительного равномерного износа поверхности цилиндровых втулок с увеличе­ нием диаметра отверстия на 3 мм термическая обработка осуще­ ствляется на глубину не менее 3 мм с нагревом токами высокой частоты. Нижележащие слои металла термически обрабатываются до твердости НВ 290 ( # = 2 9 0 кгс/мм2 ).

Достижению наибольшего ресурса, предусматриваемого кон­ структором, способствует создание условий для уменьшения изна­ шивания боковой поверхности и снижения усталостно-абразивного изнашивания поршневой резины в уплотняемом зазоре путем защиты от попадания абразива между поршнем и втулкой; пара­ лизации влияния попавшего абразива; смягчения вредного физикохимического действия на материал поршневых колец нефти и дру­ гих веществ, содержащихся в промывочной жидкости (особенно агрессивных при повышенной температуре в массе жидкости и на трущейся поверхности), а также путем уменьшения нагрузок, дей­ ствующих на резину у уплотняемого зазора, обеспечения прочности граничного слоя смазки, достижения минимальных значении коэф­ фициента трения и температуры.

Расчеты ресурса резино-металлического поршня

В результате исследования закономерностей изнашивания при трении резины о шероховатые поверхности различного микрорелье­ фа установлена1 обобщенная степенная зависимость величины износа от давления:

111