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

Следовательно, нормальная сила, прижимающая зерно к

Таким образом, нормальная сила, с которой отдельное зерно прижато к поверхности зеркала цилиндра, при определенных условиях пропорциональна напряжениям всестороннего сжатия, действующим в резине. От нормальной силы зависит величина касательной составляющей усилия царапания, резания пли псредеформирования материала цилиндровой втулки элементарным резцом или нндентором, роль которого играют ребра и вершины зерна абразива, контактирующие с поверхностью зеркала.

Величина касательной составляющей усилия взаимодействия зерна с поверхностью зеркала цилиндровой втулки, как правило,

с зерном в его жесткой оправе, образованной массой поршневой резины, окружающей большую часть поверхности зерна, плотно охватывающей, сжимающей и прочно удерживающей каждое зерно. Условно считая абразивное зерно шаром, нетрудно подсчи­ тать отношение момента сил трения, удерживающих шар от пово­ рота в охватывающей его резине, к моменту сил, стремящихся повернуть шар. Если принять равными между собой коэффициен­

момент сил, поворачивающих шар; 4л./?2 — площадь поверхности шара; р — напряжения всестороннего сжатия в резине (давление); (л.шр — коэффициент трения материала шара по резине; я/?2 — пло­ щадь проекции шара на поверхность зеркала; [д,шс — коэффициент трения материала шара по стали.

Для реальных условий рассматриваемое отношение больше 4, так как отклонения формы зерна от шара создают дополнительный

ческую возможность при определенных условиях прочного за­ крепления зерен абразива в резине работающего поршня.

Наблюдения, проведенные в условиях эксплуатации буровых насосов при нагнетании абразивосодержащей промывочной жид­ кости, подтверждают, что фактически происходит прочное закреп-

82

леиие в резине как отдельных зерен, так и их скоплений, особенно у разделительного фланца поршня.

Зерна 6 (см. рис. 32), скопившиеся в непосредственной бли­ зости от фланца 7 металлоарматуры поршня в круговой канавке, опоясывающей поршень, по своим размерам превышающие ве­ личину уплотняемого зазора А и поэтому не проникающие в зазор между фланцем поршня и цилиндровой втулкой, также прижи­ маются к зеркалу цилиндровой втулки силой, пропорциональной напряжениям всестороннего сжатия, действующим в резине. Дав­ ление жидкости в пространстве между зернами и в зазоре Д равно р 0 < 1 кгс/см2 .

Следовательно, можно различать по степени активности взаи­ модействия с уплотняемой деталью закрепленные в резине зерна: а) нейтральные уравновешенные в резине; б) прижатые к зеркалу

уравновешенные, прижатые к зеркалу силой, равной произведению давления в резине на часть площади проекции зерна на поверх­ ность трения; г) перемещающиеся в зазоре между поршнем и ци­ линдровой втулкой абразивные зерна мелкой фракции.

мальным нормальным усилием, вследствие чего тангенциальная составляющая сил взаимодействия с сопряженной твердой де­ талью увеличивается, вызывают максимальное изнашивание ци­ линдровой втулки.

При малых размерах абразивных зерен, близких к толщине граничной смазочной прослойки, зерна перемещаются между трущимися деталями и интенсивность изнашивания снижается. Изнашиванию абразивной прослойкой подвергаются одновременно обе детали трущейся пары — втулка и поршень.

Промывочный раствор содержит взвешенные частицы различ­ ной природы, твердость которых (см. рис. 31, б) может быть больше или меньше твердости поверхности уплотняемой детали (кривая / ) .

Показатели твердости некоторых горных пород, минералов и конструкционных материалов, выраженные для удобства сопостав­ ления в одинаковых абсолютных единицах, приведены в табл. 7.

Абсолютная шкала твердости позволяет определить не только, какой материал тверже другого, но и во сколько раз, так как она пропорциональна. Ввиду того что для измерения изменяющейся в широких пределах твердости сталей используются различные приборы и твердость указывается в разных единицах, з табл. 8 помещен перевод чисел твердости употребительных шкал в еди­ ницы абсолютной шкалы.

Абсолютной шкале соответствует в наиболее полной мере микротвердость по М. М. Хрущову (ГОСТ 9450—60), а также твердость по Виккерсу. Число твердости по шкале Мооса (значе-

83

Т а б л и ц а 7

Микротвердость по М. М. Хрущову (ГОСТ 9450—60) конструкционных материалов и составных частей горных пород

ния в табл. 8 указаны в скобках) приближенно определяется через абсолютную твердость формулой

М = 0,7)3 л Я.

При всех расчетах сроков службы уплотиптельпых пар в за­ висимости от отношения твердостей Йа1Н^ необходимо пользо­ ваться абсолютными единицами твердости Н кгс/мм2 .

Следовательно, если промывочный раствор содержит зерна раз­

снижения интенсивности ее изнашивания. Соответствующие точки

HRC 59 до HRC 67 при содержании раздробленного кварца в про-

84

85

мывочной жидкости повышает износостойкость цилиндровой втул­ ки в 5 раз (cm ax/ci = 5), если цилиндровая втулка работает в паре с исправным поршнем

быть изнашивания цилиндровых втулок. Однако полностью пред­

Геометрическая форма зерен, свойственная раздробленному кварцу, с острыми углами и ребрами, шероховатость поверхности граней, присущая, например, гематиту, могут существенно уси­ лить влияние абразивов, содержащихся в промывочной жидкости, па изнашивание деталей насосов.

Что касается концентрации зерен абразивов в промывочном растворе, то она при • отдельных экспериментах может и ие от­ разиться на сроке службы цилиндро-поршневой пары. В самом деле, достаточно попадания в каком-либо одном месте на поверх­ ность трения одного или нескольких абразивных зерен для того, чтобы износ пары произошел за то же время, что и при обильном попадании абразивов на поверхность трения во многих местах по всей окружности поршня. В США считают, что увеличение содержания песка в пределах 1—4% вызывает пропорциональное концентрации сокращение среднего срока службы деталей. Поэ­ тому необходима весьма тщательная очистка всего объема цирку­ лирующего промывочного раствора для получения ожидаемого эффекта очистки.

85

При сравнении износостойкости уплотнительных устройств оценка степени износа по потере веса должна быть дополнена другими показателями. Изнашивание может быть местным, при­ водящим детали в негодность без заметной потери веса. Полнее определяет эксплуатационные качества уплотнений, например, величина утечки, рост которой выше 4 л/ч, как экспериментально установлено (поршень .0=150 мм) вызывает потерю работоспособ­ ности. Неравномерная твердость поверхности цилиндровой втулки является отрицательным фактором, снижающим продолжитель­ ность безотказной работы уплотняемой и уплотняющей деталей.

Область пониженной твердости на уплотняемой детали яв­ ляется источником образования лунки, вытянутой в направлении движения поршня, а затем — продольного углубления — риски, распространяющейся на всю длину хода поршня и превращаю­ щейся впоследствии в канал гидроабразивпого эрозионного раз­ рушения.

Цилиндровые втулки в эксплуатации рекомендуется заменять, если их линейный износ (увеличение диаметра отверстия) нахо­ дится в пределах, указанных в табл. 9.

Суммарный путь, пройденный поршнем за срок службы цилин­ дровой втулки, определяется выражением

87

Откуда

\2Qsncp

ИЛИ

Например, по формуле (32) с учетом данных табл. 11 можно определить средний ресурс цилиндровой втулки на пасосе с дли­

приводит к ускоренному изнашиванию работающих в ней порш­ ней, долговечность которых резко снижается с последующим увеличением диаметра цилиндра и ростом величины зазора между цилиндром и фланцем поршня в результате повышения интенсив­ ности усталостного вырывания поршневой резины в уплотняемой ею щели.

Кроме того, что снижение ресурса поршней связано с увели­ чением их расхода, необходимостью более частых остановок на­ соса для этих целей, ростом объема ремонтных работ, оно сопря­ жено также с ухудшением эксплуатационных качеств насоса, снижением его надежности, невозможностью длительной безот­ казной работы и бесперебойного выполнения его основной функ­ ции— непрерывной промывки скважины в процессе бурения, что может вызвать резкое снижение производительности буровых работ.

Поэтому после истечения оптимального расчетного среднего ресурса цилиндровой втулки рекомендуется проверить фактическое состояние детали, сопоставить размеры с данными табл. 9 и заме­ нить втулку на новую при необходимости в порядке профилакти­ ческого ремонта насоса, производимого во время очередного тех­ нологически необходимого перерыва в процессе бурения. Если размеры детали еще по тем или иным причинам не вышли за пределы нормы, то ее следует продолжать эксплуатировать.

88

ционных сит, желобов, отстойников и гидроциклонов в замкнутую систему циркуляции промывочной жидкости состав твердых зерен по размерам изменяется в направлении уменьшения концентра­ ции абразивных зерен наибольшего размера. Концентрация мелкоп фракции абразивов увеличивается. Полное удаление абрази­ вов не достигается. Вязкость промывочной жидкости при исполь­ зовании упомянутых методов очистки от твердых включений не изменяется.

2. Ввиду многообразия горных пород и минералов, зерна ко­ торых находятся в промывочной жидкости, вследствие различного

та с, исходя из совокупности свойств твердых зерен в настоящее время нет достаточного набора данных. Для однотипных геоло­ гических условий бурения с прохождением одинаковых геологиче­ ских разрезов и пропластков пород, слагающих стенки скважины, и для одинакового фракционного состава твердых зерен по раз­ мерам после однотипной очистки промывочной жидкости можно для пересчетов по законам подобия пользоваться величиной с, по­ лученной из наблюдений при эксплуатации насосов.

считать обоснованным требование к твердости трущейся поверхно­ сти цилиндровой втулки, которая с целью снижения износа должна быть возможно высокой, достигать значения HRC = 68 и более, но во всяком случае не быть ниже HRC = 60—64.

Твердость менее HRC 58 соответствует максимальному изна­ шиванию и недостаточна для поверхностей уплотняемых деталей, работающих в среде абразивосодержащей промывочной жид­ кости.

Введение в 1970 г. ГОСТ 14329—69 «Насосы поршневые буро-

89

вые. Технические требования», которым установлена для трущих­ ся в среде промывочной жидкости поверхностей уплотняемых де­

служит цели повышения времени непрерывной работы буровых насосов в эксплуатации.

4. Учитывая влияние на интенсивность изнашивания разме­ ров зерен, можно для одинаковой конструкции поршней и одина­ кового фракционного состава абразивных зерен по крупности и природе считать линейный износ цилиндровых втулок прямо про­ порциональным давлению нагнетания. Поддержание в эксплуата­ ции неоправданно высокого давления нагнетания, связанного с несовершенством методов регулирования подачи, вызывает уве­ личение расхода цилиндровых втулок. Применение гибкого регу­ лирования подачи жидкости плавным изменением числа двойных ходов поршня в 1 мин и поддержание оптимального давления бо­ лее целесообразно.

5. Аналогично предыдущему для прочих равных условий можно считать линейный износ пропорциональным пройденному поршнем пути, что показывает выгодность применения поршней большего диаметра при малой скорости движения по сравнению с поршнями малого диаметра, которые для достижения той же величины по­ дачи жидкости должны перемещаться с большей скоростью и про­ ходить больший суммарный путь.

Введение в 1965 г. ГОСТ 6031—65 «Насосы поршневые буро­ вые. Основные параметры», в который включены насосы гидравли­ ческой мощностью до 1000 л. с , несмотря на то, что в промыш­ ленности применялись насосы наибольшей гидравлической мощностью лишь до 450 л. с, имеет теоретической основой выше­ приведенные положения теории изнашивания и отвечает цели уменьшения изнашивания в насосах при бурении.

Наблюдающийся в практике процесс увеличения гидравличе­ ской мощности выпускаемых насосов и переход от применения насосов малой гидравлической мощности к насосам большей гид­ равлической мощности также находит обоснование в приложении

нально снижается линейный износ цилиндровой втулки и соответ­ ственно увеличивается ее срок службы.

Теория абразивного изнашивания металлов находит таким об­ разом прямое приложение к теории поршневых буровых насосов и позволяет найти пути повышения их эксплуатационных качеств.

90

Распределение контактного давления на поверхности трения эластичного поршневого кольца

Для перемещения поршня в цилиндре необходимо по оси его штока приложить усилие

где Рр — сила, направленная вдоль оси цилиндра, с которой дей­ ствует на поршень давление нагнетаемой жидкости; Тп — сила тре­ ния поршня о стенки цилиндра при поступательном движении.

нагнетание происходит в штоковой камере цилиндра; р — давление

ная длина уплотнительного кольца. Учитывая, что коэффициент трения является функцией давления на опорной поверхности, не­ обходимо принимать его среднее значение для расчетного интер­

91