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

зазором 5 и по диаметру посадочного пояска в корпусе гидро­

пластмассовые, кольца 11, опирающиеся на шайбу 12 и прижи­ маемые вплотную к стенке корпуса гидрокоробки и цилиндро­ вой втулки.

В последнее время применяются уплотнптельные кольца с пла­ стмассовой окантовкой 13 (рис. 26,0s), склеенной с резиновой ча­ стью 14 уплотнительного кольца, которое под влиянием действую­

Совершенствование конструкции уплотнительных колец способ­ ствует надежности насосов и повышает срок службы гидравличе­ ских коробок и цилиндровых втулок, уменьшая число случаев их повреждения в результате негерметпчности уплотнения.

Механизм совмещенного регулируемого крепления и уплотне­ ния цилиндровой втулки по рис. 23, а еще сохранился, например, в насосах У8-3 и У8-4. Он может использоваться на насосах не­ большой мощности при давлении нагнетания до 170—180 кгс/см2 .

Кольца круглого сечения, сжимаемые до ограниченного преде­ ла, и самоуплотняющиеся манжеты различных видов поперечного сечения, укладываемые в канавки корпуса гидравлической короб­ ки или цилиндровой втулки, оказались в эксплуатации ненадеж­ ными и больше не используются в новых разработках.

Пытаются применять в сочетании с жестким креплением ци­ линдровой втулки два самоуплотняющиеся кольца, повернутые на­ встречу друг другу, между которыми при помощи ручного маслонасоса создается давление, превышающее давление нагнетания. Однако о применении такого устройства на практике сведений не имеется.

Принципиальная схема и конструкция механизма крепления и уплотнения цилиндровой втулки, органически связанные с каж­ дым данным типом иасоса, в котором они применены, в значи­ тельной мере определяют эксплуатационные качества насоса, на­ дежность гидравлической части, удобство ее обслуживания и пра­ вильную работу цилиндро-поршневой группы.

ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВАЯ ГРУППА

Экспериментальные данные

одвижении поршня, давлении жидкости

внасосной камере и силе трения

поршня о цилиндр

Поршень перемещается в цилиндре возвратно-поступательно между крайними положениями Л, Б в пределах длины хода s (рис. 27).

72

Поршень приводится в движение при помощи кривошишюползунного механизма, при этом скорость поршня изменяется по закону, близкому к синусоиде: она равна нулю в мертвых

шого шкива, вращающегося вместе с коренным валом w насоса. Со­ противление электрическому току в цепи между токосъемниками т, п возрастает прямо пропорционально углу ф поворота шкива на

73

дуге реохорда щ и уменьшается на дуге реохорда и.% Положение токосъемника устанавливают так, чтобы разрывы К\, Z\ реохорда соответствовали крайним положениям k, z поршня в цилиндре. Точки излома 6 и с на осциллограмме при этом отвечают крайним положениям поршня, в цилиндре. Длина хода поршня в определен­ ном масштабе соответствует разности ординат точек b и с. Откло­ нения от прямолинейности на каждом участке, например be, про­ порциональны неравномерности угловой скорости вращения корен­ ного вала.

Смещение по оси абсцисс точки g начала повышения давления относительно мертвого положения поршня (точка с) объясняется следующими причинами: запаздыванием посадки всасывающего клапана, преодолевающего сопротивление среды промывочной жидкости и собственной инерции под действием пружинной на­ грузки н силы веса, и не 100-процеНтным заполнением насосных камер жидкостью, когда поршень движется в начале хода еще не сжимая жидкость.

Угол наклона линии давления на участке i зависит от следую­ щих факторов: а) сжимаемости жидкости, находящейся в насос­

насосной камеры под давлением; е) утечек жидкости через уплот­ нения. Путь, пройденный поршнем за время повышения давления в цилиндре в начале нагнетательного хода, можно разбить (ус­ ловно принимаем на коротком отрезке диаграммы время пропор­ циональным пути) на части, соответствующие влиянию отдельных составляющих общего перемещения. С целью показать относи­ тельное влияние сжимаемости жидкости в сравнении с совокуп­ ностью всех других факторов на рис. 28 проведена условная линия h сжатия жидкости. Наклон линии h учитывает только определен­ ное расчетом влияние сжимаемости жидкости, не содержащей иерастворенного газа. Отрезок f характеризует совместное влия­ ние других факторов, выявленное экспериментально. Давление в цилиндре насоса возрастает в течение 0,03—0,04 с, что соответст­ вует перемещению поршня на 3—4% длины его хода.

74

другую сторону поршня. Процесс нагнетания изображается уча­ стком 1—2 (кривая d), процесс всасывания жидкости в другой насосной камере того же цилиндра — участком 3—4 (кривая е). Непрямолинейность горизонтальных участков 1—2 и 3—4 кривых d и е характеризует неравномерность соответственно давления нагнетания и всасывания.

В условиях эксперимента, проведенного в процессе эксплуата­ ции поршневого бурового насоса, коренной вал вращается с не­ значительной степенью неравномерности угловой скорости, осо­ бенно при использовании клиноремениой передачи со шкивом, имеющим большой момент инерции. Применение цепной передачи с цепным колесом, меньшим, чем шкив, по диаметру, и значитель­ но меньшим по ширине, несколько увеличивает неравномерность угловой скорости вращения валов насоса, особенно если двига­ тель насоса снабжен гидродинамическим трансформатором, раз­ рывающим жесткую кинематическую связь между валом двига­ теля и валом насоса. Четыре раза за полный оборот коренного вала в соответствии с формой кривой подачи жидкости четырьмя камерами насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия ско­ рость вращения вала насоса уменьшается при повышении давле­ ния нагнетания и увеличивается при снижении его. Амплитуда колебаний давления снижается в 2 раза. Наблюдения показывают, что и при этом неравномерность вращения, составляющая доли процента, не влияет на процесс изнашивания-цилиндро-поршневой пары.

В начале срока службы новых деталей цилиндро-поршневой пары сила трения поршня о цилиндровую втулку почти постоян­ ная в течение всего времени перемещения поршня из одного край­ него положения в другое (кривая Ta — q>B(t) на рис. 29, а). Это наблюдение свидетельствует о независимости коэффициента тре­

щее изнашивание цилиндровой втулки происходит более интен­ сивно в средней части рабочего участка, через который проходит поршень всей своей длиной. На концевых участках величина из­ носа изменяется от максимума, равного износу в средней части, до нуля на конце рабочего участка, то есть пропорционально части

в мм; L n — вся длина уплотняющей детали в мм; / г т а х — наиболь­ шая толщина изношенного слоя в мм.

75

При движении поршня в цилиндровой втулке на среднем уча­

Рнс. 29. Изменение силы трения при движении порш­ ня в цилиндре и профилограмма износа цилиндровой втулки.

ются риски, совпадающие с направлением скольжения, возникает новый микрорельеф поверхности, образованной не станочным инструментом, а представляющей собой результат работы поршня в условиях эксплуатации. Процесс приработки пары этим закан­ чивается, а период нормального изнашивания начинается. Схема­ тическая профилограмма рабочего участка поверхности цнлнндро-

76

БОЙ втулки имеет в этот период вид трапеции с меньшим основа­

резок be, по которому проходит весь поршень. Подставляя в фор­ мулу (27) значение — =1,0, справедливое на участке be, получаем

Износ цилиндровой втулки в области максимальной скорости поршня больше, чем в точках Ь, с, на 7—12%.

На среднем отрезке be рабочего участка чистота поверхности, измеренная в направлении движения поршня, улучшается по срав­ нению с первоначальной V 8, полученной механической обработ­ кой, приблизительно на 2 класса. Сила трения при перемещении

санную осциллографом при равномерном движении его ленты и представляющую собой график зависимости силы трения от вре­ мени, перестроить так, чтобы получить график изменения силы трения по длине хода поршня.

При этом, например, точку Ти кривой Tt = qit(t) с абсциссой /, соответствующей 7е продолжительности одного хода поршня, не­

тате перестройки боковые участки кривой, на которых быстро из­ меняется коэффициент трения, сокращаются. Видно, что в средней части хода на равномерно прирабатываемом участке коэффициент трения можно считать постоянным.

=320 кгс/см2 (рис. 30).

Всредней части цилиндровой втулки после приработки значе­ ния коэффициента трения уменьшаются до (.1 = 0,02 при давлении жидкости р ж = 320 кгс/см2 .

77

после приработки, исходя из минимального значения коэффици­ ента трения,

Цппп

вод о постоянстве коэффициента трения на протяжении участка трущейся поверхности цилиндровой втулки, через которую про-

1 А. А. К о м а р о в . Надежность гидравлических систем. М., кМашиностроенне», 1969.

78

ходит поршень. Следует считать, что происходит в основном гра­ ничное трение.

Значения среднего коэффициента трения лежат в пределах 0,01—0,1.

Основные закономерности абразивного изнашивания цилиндра поршневого бурового насоса

В вязко-пластической промывочной жидкости,. нагнетаемой поршневым буровым насосом, во взвешенном состоянии нахо­ дятся: а) абразивы — зерна горных пород и минералов, раздроб­ ленных на забое скважины долотом и вынесенных из ствола сква­ жины на дневную поверхность, к которым относятся, например, кварц, базальт, диабаз, кальцит, доломит, нефелин, гранит, кре­ мень, кварцит и др.; б) измельченные твердые частицы относи­ тельно большого удельного веса, искусственно внесенные в про­ мывочную жидкость в качестве ее утяжелителей: барит, магнетит, гематит или др.; в) глинистые частицы, . входящие в исходный состав промывочного раствора, приготовляемого из бентонитового порошка или, что еще иногда встречается, из комовой карьерной глины.

Размеры абразивных зерен можно охарактеризовать примером гранулометрического состава твердых включений промывочной жидкости (табл. 6).

Видно, что после гидроциклонной очистки общее количество твердых включений уменьшается, однако полная очистка не до­ стигается, а содержание мелкой фракции с размером зерен до 160 мк существенно возрастает.

К факторам, влияющим на интенсивность изнашивания по­

79

Зависимость (28) может быть распространена, как показывает опыт, на изнашивание цилиндровой втулки при трении о ее зер­ кало боковой поверхности насосного поршня. Поверхность ре-

80

зины, которой облицован поршень, шаржируется1 зернами раз­ личных абразивов, попадающих вместе с жидкостью между тру­ щимися поверхностями при движении поршня в цилиндре. Абра­ зивное зерно 5 (рис. 32), находящееся в углублении, образован­ ном на боковой поверхности резинового поршневого кольца 3, и прижатое давлением резины к зеркалу 8, опирается на него своими выступающими заостренными вершинами и ребрами. При разме­ рах зерна 50—100 ик грани поверхности 9, обращенные к зеркалу,

Рис. 32. Схема взаимодействия абразивных зерен с поршнем и цилиндровой втулкой.

но не касающиеся его, находятся от зеркала на расстоянии, мно­ гократно превышающем толщину б граничного слоя смазки, рав­ ную 2—3 мк. Граничная смазочная прослойка между зеркалом и обращенными к нему гранями достаточно крупных зерен не об­ разуется ввиду того, что большое расстояние между ними на большей части поверхности не позволяет взаимодействовать по­ верхностным молекулярным силам, а существование отдельных точек касания не приводит к возникновению вокруг них поля граничных сил, которое имело бы существенное влияние на поло­ жение зерна. На боковой поверхности поршня резина на доста­ точном удалении от отдельно вкрапленного зерна опирается на прочную граничную прослойку, в которой проявляются моле­ кулярные силы, удерживающие резину от контакта с зеркалом. Для зерен, находящихся в резине недалеко от разделительного фланца поршня и уплотняемого зазора А, давление в объеме жид­

сжатия, действующих в резине.

От фр. charger — заряжать, начинять.

81