6.2 Нагрузки, действующие на насос
При определении мощности приводного двигателя и нагрузок, действующих на элементы насоса, следует учитывать, что насос может перекачивать воду и тяжелые буровые растворы как с подпором, так и с большой высотой всасывания.
Наихудшие условия для расчета, т. е. наибольшая требуемая приводная мощность, будут при наибольшем коэффициенте наполнения насоса. Чем выше подпор на всасывающей линии, тем больше коэффициент наполнения; при свободном всасывании и перекачке воды он будет выше, чем при перекачке вязких буровых растворов.
Гидравлическую коробку насоса рассчитывают на статическую прочность по давлению опрессовки, механическую часть — на усилия, действующие в его элементах при наибольшем крутящем моменте, развиваемом двигателем:
(VII.37)
где кд — коэффициент перегрузки двигателя; Мд — номинальный крутящий момент, развиваемый двигателем, Нм; идн — передаточное отношение от двигателя к приводному валу насоса; Nд— мощность двигателя; кВт; wд — угловая скорость вращения двигателя, с-1.
Условия работы и фактические нагрузки зависят от ряда случайных факторов; расчетные нагрузки выбирают с учетом вероятности их возникновения в зависимости от параметров предохранительного клапана, степени неравномерности давления, коэффициента наполнения и т. д.
6.3 Расчет на прочность гидравлической части насоса
На прочность рассчитывают клапанные коробки, напорные коллекторы и трубопроводы, штоки, крепления поршня, крышки и их крепление, тарелки клапанов, пружины и др. За расчетное давление для цилиндров и трубопроводов может быть принято давление опрессовки, которое обычно должно быть в 1,5 раза выше наибольшего давления, развиваемого насосом. Толщина стенки клапанной коробки
(VII.38)
где Гнар и гвн— наружный и внутренний радиусы коробки. Радиус гвН задается, а гнар (в м) определяется из формулы
(VII.39)
где [σ] —допустимое напряжение на растяжение, принимаемое для стали 45 равным 50—70 МПа, для легированных сталей до 100 МПа; р — наибольшее давление в коробке, МПа.
При расчете болтов, шпилек, крепящих крышек клапанов и цилиндров на прочность необходимо учитывать усилие предварительной затяжки. На каждый болт действует часть давления жидкости на крышку и сила предварительной затяжки. Расчет ведется по наиболее ослабленному сечению — внутреннему диаметру резьбы болта.
При расчете штока влиянием сальника пренебрегаем и считаем, что оба его конца защемлены. Шток рассчитывается на сжатие — растяжение. При определении нагрузки в качестве расчетного сечения выбирают наиболее ослабленное (в резьбовой части штока со стороны, противоположной поршню).
Напряжение сжатия (в Па) в ослабленном сечении
(VII.40)
где 1,3 — коэффициент, учитывающий влияние предварительной затяжки гайки; Рсж — усилие, действующее на поршень; fсж — площадь ослабленного сечения (по внутреннему диаметру резьбы).
При расчете штока на растяжение в ослабленном сечении (это сечение по резьбовой части, где он соединяется с поршнем) усилие растяжения будет меньше усилия сжатия при том же давлении, так как
(VII.41)
где рmax — максимальное давление в нагнетательной линии насоса, Па; F — площадь поршня, м2. Усилие растяжения (в Н)
(VII.42)
(f — площадь рабочего сечения штока, м2). Напряжение (в Па) в ослабленном сечении
(VII.43)
В обоих случаях коэффициент запаса прочности n≥5 относительно предела текучести, т. е.
(УН.44)
После расчета штока на сжатие и растяжение следует проверить его на продольный прогиб. Для этого определяем гибкость штока:
(VII.45)
Здесь l — длина штока, м; i — радиус инерции сечения штока
(VII.46)
(d — диаметр штока, м).
Обычно λ≥105. При этом критическое напряжение (МПа) при гибкости λ<105 определяют по формуле
(VII.47)
Коэффициент запаса прочности
(VII.48)
При расчете штока за максимальную следует принимать нагрузку Рс, действующую на шток (в МН)
(VII.49)
где K= 1,15-1,2 — коэффициент запаса, учитывающий вероятность превышения давления в случае несработки предохранительного клапана насоса; рн — давление насоса, МПа; F— площадь поршня в м2, при которой развивается давление рн; n5m= 0,96-0,98— к. п. д. уплотнения штока и поршня.