книги из ГПНТБ / Антонов А.А. Пневматические фрикционные муфты в нефтяной промышленности

Находим расчетный коэффициент динамичности для каждого режима подъема бурильной колонны

Необходимые расчетные коэффициенты запаса муфты по моменту

Превышение расчетных значений коэффициентов запаса муфты по моменту над фактическими при оперативном включении примерно на 20% вызвано тем, что затягивается заполнение камеры муфты

подъеме бурильной колонны весом 22,5—80 тс находится в пределах

в главе I I . Если расчетная долговечность муфты будет ниже заданной, то необходимо выбрать другой типоразмер муфты и проверочный рас­ чет повторить. Если муфта используется в качестве устройства для соединения валов, то в дальнейших расчетах следует учесть к. п. д. муфты и дополнительные нагрузки на валы по методике, изложенной ниже.

О с н о в ы технологии изготовления муфт и материалы для них

Современные пневматические фрикционные муфты состоят из узлов и деталей, изготовленных из каучука, кордных тканей, фрик­ ционных материалов и сталей различных марок. Наиболее сложной является технология изготовления резино-кордных баллонов, пнев­ матических камер и колодок с фрикционными накладками.

Технологический процесс изготовления баллонов состоит в под­ готовке материалов, сборке полуфабрикатов и их вулканизации. Первая часть работ заключается в приготовлении каучуков и резино­ вых смесей, пропитке, обрезинивании и раскрое корда, шприцева­ нии (выдавливании) и стыковке камер, шприцевании и закрое про­ текторов, подготовке металлоарматуры. Затем собирают заготовки для баллона, монтируют их в прессформу и вулканизируют. Заклю­ чительная стадия работ — оснащение колодками и монтаж муфты.

Принципиальная схема технологического процесса производства баллонов шиннопневматических муфт мало отличается от изгото­ вления автомобильных шин. Технологический процесс производства баллонов шиннопневматических муфт [8] показан на рис. 7.

Р е з и н а используется для создания герметичности пневма­ тических камер и нажимных устройств, а также для повышения по­ датливости муфт в тех случаях, когда крутящий момент передается ими с помощью резино-кордного баллона.

Всостав резины для узлов и деталей муфт входят натуральный

исинтетический каучук и различные наполнители, вулканизирующие агенты, ускорители вулканизации и другие материалы. Сырой, невулканизированной резине, обладающей большой пластичностью, можно придать необходимую форму детали. После вулканизации

К основным свойствам, определяющим работоспособность резины, относятся: упругость, усталостная прочность, теплостойкость, гистерезисные потери при переменных нагрузках. Все перечисленные свойства могут изменяться в широких пределах в зависимости от

из перекрещивающихся слоев обрезиненного корда. Каждый слой корда представляет собой ряд параллельных нитей, покрытых сы­ рой резиной. При сборке изделия слои обрезиненного корда на­ кладывают друг на друга под определенным углом и после прида­ ния изделию необходимой конфигурации вулканизируют.

Резина и корд, входящие в конструкцию изделия, имеют различ­ ные жесткости, отличающиеся почти в 1000 раз. Например, модуль упругости резины находится в пределах 10—50 кгс/см2 , а модуль продольной упругости текстильного корда равен примерно 10 000— 20 000 кгс/см2 . Поэтому деформация элемента стенки изделия, связанная с удлинением нитей, ничтожна по сравнению с деформа­ цией, при которой изменяются углы ромбиков, образованные ни­ тями соседних слоев корда.

При расчете резино-кордных конструкций их можно рассматри­ вать как нерастяжимые сетки с ромбическими ячейками и считать, что:

нити корда нерастяжимы; деформации корда возможны только при изменении угла между

нитями его соседних слоев; напряжения в резине ничтожны по сравнению с напряжениями

внитях корда;

деформации ромбов происходят практически без затраты энергии. Для изготовления корда пневматических фрикционных муфт применяют ткани с основой из хлопчатобумажных, вискозных и капроновых нитей. Во всех случаях уток берется из хлопчато­ бумажной пряжи. Наиболее распространены корды на основе ви­

скозных нитей по ГОСТ 72661—69.

В табл. 6 приведена краткая техническая характеристика корд­

тические фрикционные муфты работают в условиях сухого трения при отсутствии какой-либо жидкости между трущимися поверх­ ностями.

Основными данными для оценки свойств фрикционной пары являются коэффициент трения и износостойкость. Трение и износ представляют неотделимые процессы, параметры которых зависят

в основном от конструкции муфт, характеристики материалов, со­ стояния трущихся поверхностей и условий работы. Коэффициент трения фрикционной пары и ее износостойкость зависят от многих факторов, основными из которых являются температура трущихся

На основании этой теории при определении коэффициента трения предусматривается наличие абсолютно гладких поверхностей тре­ ния, обладающих молекулярной шероховатостью. Реальное состоя­ ние поверхностей трения приводит к отступлениям от этого закона.

Наиболее распространенным способом определения коэффициента

где Т — сила трения; N — нормальное усилие, прижимающее де­ тали фрикционной пары друг к другу.

При определении коэффициента трения по формуле (1.39) учи­ тывается, кроме того, зависимость и. от ряда факторов

с различными сталями могут дать большое число возможных пар трения. К наиболее распространенным фрикционным материалам следует отнести материалы на асбестовой основе с различными свя­ зующими веществами.

Основными требованиями к фрикционным материалам для ко­ лодок муфт являются:

достаточно высокий коэффициент трения; стабильность коэффициента трения, т. е. небольшая зависимость

его от температуры, скорости скольжения и удельного давления; высокая износостойкость.

К дополнительным требованиям следует отнести прочность, вы­ сокую теплопроводность и теплоемкость, хорошую прирабатываемость, незначительную гигроскопичность и др.

Фрикционные материалы на асбестовой основе можно разделить на три вида в зависимости от типа связующего вещества — асбобакелитовые, асбокаучуковые и пластмассовые. По способу изготовле­ ния фрикционные накладки делятся на плетеные, тканые, формо­ ванные, вальцованные и прессованные.

В процессе нагревания асбест претерпевает ряд изменений в ре­ зультате потери воды. При температуре 400° С гигроскопическая вода, содержащаяся между кристаллами, теряется полностью, а проч­ ность и эластичность снижается. После прекращения воздействия

высокой температуры первоначальные свойства асбеста восстанавли­ ваются. При нагревании до 450° С и выше асбест теряет прочность безвозвратно и легко растирается в порошок.

Фрикционные материалы на асбестовой основе с синтетическим каучуком и различными наполнителями — асбокаучуки — полу­ чили широкое применение. Накладки из этих материалов изгото­ вляют горячим или холодным формованием, или вальцеванием. В качестве наполнителей используют порошкообразные компоненты,

Рис. 8. Зависимости коэффициента трения от скорости скольжения и удельного давления.

придающие фрикционным накладкам определенные свойства. На­ пример, окись цинка улучшает износостойкость; железный сурик повышает коэффициент трения; графит придает термостойкость и ста­ билизирует коэффициент трения; свинцовый глет и латунная стружка

из асбокаучуковой композиции используют коротковолокнистый дешевый асбест.

На рис. 8, а показана зависимость коэффициента трения от ско­

скорости скольжения и удельного давления для фрикционной пары

личие от материала 6КХ-1 ретинакс (ФК-24А) отличается высокой теплостойкостью и допускает большие удельные давления.

При его использовании повышается коэффициент трения с уве­ личением температуры [7, 9] . Характеристика этих пластмасс при­ ведена в табл. 7.

39-70, 43266 и др. Эти материалы в паре со сталями имеют более высокий коэффициент трения (в пределах 0,35—0,50). Стабильность коэффициента в зоне рабочих температур пневматических фрик­ ционных муфт весьма высокая.

Фрикционный материал 143-63 сохраняет значение коэффициента трения 0,41—0,46 при повышении температуры до 400° С. При даль­ нейшем увеличении температуры коэффициент трения этого мате­ риала резко падает. Фрикционный материал 39-70 имеет коэффициент

значение коэффициента трения материалов 143-63 и 39-70 подтвер­ ждено исследованиями ВНИИнефтемаша.

Фрикционный материал 43266 имеет стабильный коэффициент трения 0,38 при температурах до 200° С; в диапазоне температур 400—600° С он снижается, а затем медленно возрастает и при 700° С становится равным 0,46—0,48.

При выборе фрикционных материалов для пневматических муфт, применяемых в нефтяной промышленности, следует учитывать, что среднеобъемная температура фрикционных колодок оператив­ ных муфт во время работы доходит до 200—250° С.

Фрикционный материал асбобакелит, применяемый для колодок баллонов пшннопневматических муфт, представляет собой асбесто­ вую ленту, пропитанную бакелитовой смолой. Максимальный ко­ эффициент трения асбобакелита по стали составляет 0,325. Однако этот коэффициент имеет весьма низкую стабильность и уменьшается в процессе работы до 0,18.

При повышении температуры материала до 300° С коэффициент снижается почти в 2 раза. При расчетах шиннопневматических

муфт, оснащенных баллонами с колодками из асбобакелита, коэффи­ циент трения принимается равным 0,22. В процессе исследований работы муфт во ВНИИнефтемаше коэффициент трения асбобакелита колебался в пределах 0,18—0,29.

вать в отрыве от свойств обеих трущихся поверхностей. Произволь­ ное сочетание фрикционного материала с металлическим может привести к преждевременному выходу муфты из строя.

На основе опыта эксплуатации, расчета и конструирования пневматических фрикционных муфт металл фрикционной пары дол­ жен иметь:

высокую теплопроводность; низкий коэффициент теплового расширения, обеспечивающий

минимальные тепловые напряжения между внешними и внутренними слоями металла;

высокую удельную теплоемкость, позволяющую поглотить боль­ шие количества тепла при минимальном повышении температуры; высокий коэффициент теплоотдачи поверхности детали, обеспе­

чивающий наибольшую отдачу лучеиспусканием и конвекцией; высокий модуль упругости и высокую механическую прочность; высокую износоустойчивость металлического элемента при мини­

мальном изнашивании фрикционного материала; достаточно высокие значения коэффициента трения.

Металлические детали фрикционной пары — шкивы и диски муфт наиболее целесообразно изготовлять из марганцовистой горя­ чекатаной стали марки 60Г по ГОСТ 1050—60. В качестве замени­ телей могут быть использованы углеродистые стали 40 и 50. Детали должны быть термически обработаны и иметь твердость H R C 50-^-55. Поверхности трения должны быть отшлифованы.

Г л а в а II

М У Ф Т Ы П Н Е В М А Т И Ч Е С К И Е С Ц И Л И Н Д Р И Ч Е С К И М Ф Р И К Ц И О Н Н Ы М У С Т Р О Й С Т В О М

К о н с т р у к ц и я ш и н н о п н е в м а т и ч е с к и х муфт

Шиннопневматические муфты широко используются в машинах и механизмах, применяемых в нефтяной промышленности и особенно

вбуровых установках советского, румынского и американского

производства. Они используются для оперативного включения и разобщения передач, а также для соединения валов различных агрегатов. За 25 лет эксплуатации практикой выявлен ряд существен­ ных преимуществ этих муфт перед муфтами других типов: простота конструкции, облегчение монтажа соединяемых ими агрегатов, не­ большое время, необходимое для замены вышедших из строя муфт, возможность некоторой компенсации несоосности соединяемых ва­ лов, быстрота разобщения передач и надежное дистанционное упра­ вление.

Основной недостаток шиннопневматических муфт — более бы­ стрый перегрев баллонов при частых включениях передач под на­ грузкой по сравнению, например, с пневмокамерными муфтами. Перегрев происходит в результате интенсивного выделения тепла в процессе буксования и быстрой передачи тепла от фрикционных колодок резине баллона из-за недостаточной теплоизоляции и от­

Шиннопневматические муфты делятся на обжимные и разжим­ ные. В первых — резино-кордная шина охватывает вращающийся внутри нее цилиндрический шкив, с которым она сцепляется при включении. В разжимной муфте, наоборот, шина находится внутри шкива. У обжимной муфты баллон крепится к стальному ободу внешней частью, а на внутренней цилиндрической поверхности смон­ тированы колодки, облицованные фрикционными накладками. У муфты разжимного типа колодки крепятся к наружной поверх­ ности шины.

Колодки обжимных муфт и внутренняя часть баллона при вращении отжимаются центробежной силой от поверхности шкива. Это умень­ шает силу их прижатия к шкиву под давлением сжатого воздуха, и, следовательно, понижает передаваемый муфтой крутящий момент. В то же время муфты такого типа в процессе работы выключаются