книги / Поршневые буровые насосы

Касательные напряжения в площадке элемента dXy параллель­ ной поверхности трения и находящейся на расстоянии dX, при­ нимаем при этом равными нулю, исходя из предпосылки, что соот­

от поверхности трения можно существенно изменить распределе­ ние напряжений в резине и управлять величиной контактного да ве­ ления, изменять вид эпюры контактного давления.

Используя известный способ разложения показательной функ-

ции в степенной ряд, можно формулу (39) записать в виде ра­ венства:

где в скобках достаточно вычислить четыре или пять слагаемых из-за их быстрого убывания.

Если коэффициент трения существенно изменяется по длине уплотнения в связи, например, с температурной деструкцией гра­ ничных слоев смазки (по М. М. Хрущову и P М. Матвеевскому) и переходом в опорной части кольца к смешанному режиму гра­ ничного и сухого трения, то вместо выражения (39), справедли­ вого для одного участка трения, нетрудно получить формулу для двух участков

в котором для решения практических задач можно ограничиться использованием четырех или пяти слагаемых в скобках.

Подставляя значение функции а из формулы (39) в выраже­ ние (35), полупим зависимость для определения силы трения поршня:

Величина силы трения определяется экспериментально. Экспоненциальный характер функции (39) подтверждается

измерениями при помощи встроенных датчиков давления, мето­ дами фотоупругости, а также косвенным путем, например, изме­ рением температуры в поверхностном слое уплотнительного кольца, показывающим ее быстрый рост по ширине кольца. При дав­ лении нагнетания ПО кгс/см2 температура на поверхности тре­ ния поршневого уплотнительного кольца увеличивается на уча­ стке 0—25 мм от ПО до 120° С (рис. 34, а) и далее до 190° С. Сни­ жение температуры в начале участка 25—30 мм так же, как и удельного давления на поверхности трения, объясняется в данном конкретном случае существованием кольцевого выступа а метал-

лоарматуры и углубления б на боковой поверхности резинового поршневого кольца. Без выступа а металлоарматуры и углубле­ ния б на поршневом кольце температура на поверхности трения изменяется, как изображено пунктирной линией в. Измерения произведены -на насосе 13Гр с поршнями диаметром 100 мм при

dns

Рис. 34. Графики, характеризующие тепловые процессы па поверхности трения эластичного уплотнительного кольца (по данным Г. Р. Иоиесяна и др. ).

а — распределение температуры в контакте при различных давлениях нагнетания; б — зави­

симость средней температуры в контакте от температуры промывочного раствора и давле­ ния нагнетания.

числе двойных ходов 70 в 1 мин при нагнетании глинистого раст­ вора плотностью 1,7 г/см3-с весовым содержанием 7% кварце­ вого песка и 10% сырой нефти. Результаты измерения свидетель­ ствуют о значительной напряженности температурного режима на поверхности трения в условиях эксперимента на насосе 13Гр.

Нагрев резины на поверхности трения по-разному зависит в условиях опыта от двух основных переменных: температуры про­ мывочного раствора и давления нагнетания.

Из рис. 34, б видно, что при низком давлении нагнетания (кри­ вая р = 0 ) преобладающее влияние на температуру поверхности трения оказывает температура среды. С увеличением давления нагнетания влияние температуры промывочной жидкости умень­

ши

Шается, а определяет температуру на поверхности трения давле­

ным, более эффективно снижение средней скорости поршня, снижение коэффициента трения, повышение прочности слоев гра­ ничной смазки методами физико-химической механики или охлаж­ дение цилиндровой втулки непосредственно в зоне контакта тру­ щихся деталей.

На торцовой опорной поверхности поршневого уплотнительного кольца, прилегающей к разделительному фланцу поршня, возни­ кает такое же, как и на поверхности трения, давление, необходи­ мое для равновесия элемента, выделенного в материале резино­

вого кольца у уплотняемого зазора.

Экспериментом подтверждается этот вывод, так как кольцевое углубление образующееся в результате усталостного выры­ вания поршневой резины в уплотняемом зазоре, симметрично от­ носительно биссектрисы угла а (см. рис. 33).

На неприработанных концевых участках зеркала или для новой цилиндровой втулки с одинаковой по всей длине поверхности по­ перечной шероховатостью Нск= 0,4 —0,8 мк, оставшейся после обработки станочным инструментом, величина коэффициента тре­ ния резины по стали показана на графике (см. рис. 30, верхняя кривая). Этой величиной коэффициента пользуются для определе­ ния максимального усилия трения в начале и конце хода поршня.

Тепло, образующееся при работе, цилиндро-поршневой пары в результате трения резины о закаленную сталь, отводится от каж­ дого элемента поверхности трения в направлении нормали, в ос­ новном через стальную стенку цилиндровой втулки, интенсивно охлаждаемую омывающей ее жидкостыд. Температура на доста­ точной глубине от трущейся поверхности цилиндровой втулки бу­ рового насоса экспериментально не определялась, однако следует полагать, что она существенно ниже температуры трущейся по­ верхности и мало превышает температуру нагнетаемой насосом жидкости, так как тепло легко отводится через массивную стенку втулки.

Отвод тепла через резину затруднен ввиду ее относительно низкой теплопроводности. Резина нагревается при трении в тон­ ком поверхностном слое. На глубине 5 мм повышение темпера­ туры вдвое меньше, чем на поверхности. Интенсивность выделения

Если примять, что местное снижение температуры на участке 25—30 мм вызвано кольцевым выступом металлоарматуры а и углублением б на боковой поверхности, снизившими удельное давление в опорной части поршневого коль­ ца, и восстановить форму кривой в, показанную пунктиром, относящуюся к сплошному поршневому кольцу без выступа а металлоарматуры и углубления б, то превышение температуры в щели над температурой среды в цилиндре дости­

ширине поршневого кольца возрастает в 95/с2 = 1,54 раза.

Разница в относительном повышении температуры по ширине поршневого кольца при давлении жидкости 175 и ПО кгс/см2 составляет всего

1,62 — 1,54

1,6 2 + 1,54 • 2.100 = 596.

Принимая во внимание, что температура в контакте при прочих равных ус­ ловиях пропорциональна произведению \xpv, где скорость v одинакова для всех точек поступательно движущегося поршневого кольца, то должно быть

1,60Цн/?н = HKPK.

Поскольку средний коэффициент трения ji в соответствии с верхней кривой на рис. 30 снижается при изменении давления нагнетаемой жидкости от 175 до 350 кгс/см2 в отношении

ц „ = 1,25цк,

следует считать, что контактное давление на опорной поверхности по ширине поршневого кольца в условиях эксперимента изменялось в 1,25*1,60 —2 раза. Корректное исследование (по данным А. С. Ахматова и X. 3. Усток) показало, что силы граничного трения растут с повышением давления. Причину снижения среднего коэффициента трения р, в* цилиндро-поршневой паре с увеличением дав­ ления р уплотняемой жидкости следует, по-видимому, искать в изме­ нении условий молекулярного взаимодействия при повышении контактной тем­ пературы, не достигающей пределов температурой прочности граничной смазки.

Величины |х и р изменяются'по ширине кольца, значение v остается постоян­ ным, а произведение \ip характеризует интенсивность выделения тепла и следует кривой изменения температуры. По физическому смыслу произведение \ip есть сила трения, приложенная к кольцевой полоске единичной ширины. Следова­ тельно, кривая распределения температуры характеризует изменение силы тре­ пня на боковой поверхности кольца.

Исходя из того, что контактная температура при трении пропорциональна произведению ppv, причем скорость v одинакова для всех точек поступательно движущегося поршневого кольца, а коэффициент трения (х принят постоянным, необходимо, чтобы в соответствие с равенством (39) было

__ I g или мХ = 0,47.

Сто

Тогда получаем, что сила трения поршневого кольца о цилиндр в соответст вин с формулой (41)

Tn = nDlKo0 (е0,47 — 1)

и средний коэффициент трения

что не отвечает действительности. Значение среднего коэффициента трении, опре­ деленные из опыта, нанесены на рис. 30.

Режим сухого трения поршневых колец возникает, например,- если насосные камеры не были залиты жидкостью перед запуском насоса. Нескольких движений поршня в пределах между его крайними положениями достаточно, чтобы привести поршень в

полную негодность.

При не 100-процентном заполнении насосной камеры промывоч­ ной жидкостью верхняя часть поршня горизонтального насоса контактирует с сухой поверхностью цилиндровой втулки во время большей части хода всасывания и некоторой части хода нагнета­ ния. Например, при наполнении насосных камер жидкостью на 0,9 их объема происходит трение несмазанной поверхности верхней части поршня и сопряженной понерхности зеркала цилиндровой втулки, продолжающееся с начала всасывающего хода до его окончания и затем на одной десятой длины нагнетательного хода. Движение поршня по сухой сопряженной поверхности при всасы­ вающем ходе поршня происходит в условиях, когда давление на­ гнетания не действует на уплотнительные кольца. Однако в верхней части цилиндра, не заполненной жидкостью, наблюдаются повреждения поршня, вызванные его работой по сухой сопряжен­ ной поверхности.

Особенности режима трения цилиндро-поршневой пары насоса хорошо иллюстрируются примером насосного стенда, построенного на базе обычного поршневого бурового насоса с длиной хода s = = 450 мм и числом двойных ходов поршня 55. в 1 мин типа У8-3, в цилиндре которого на общем штоке помещены два поршня, а ка­ мера между ними заполнена водой. После запуска стендового на­ соса в работу без давления в затворной камере постепенное по­ вышение давления в ней до 400 кгс/см2 не вызывает значитель­ ного нагрева поршневой группы при нормальном всасывании и на­

создание давления в затворной камере перед включением насос­ ной установки — приводит к тому, что после запуска установки поршневые кольца сразу сильно нагреваются и их нормальная работа становится невозможной. Во время запуска установки без давления в затворной камере нагнетаемая промывочная жид­ кость проникает в щель между поршнем и цилиндровой втулкой, распределяясь по всей поверхности поршня. Не возникает тре­ ния несмазанных поверхностей, как при предварительном созда­ нии в затворной камере давления, прижимающего резиновые уп­ лотнительные кольца неподвижного поршня к сухой сопряженной поверхности цилиндровой втулки и уплотнения штока к сухому штоку по всей площади контакта.

Следовательно, и в эксплуатации при запуске насоса необходи­ мо прежде дать ему достаточное время поработать вхолостую, без давления, чтобы нагнетаемая жидкость проникла на всю по­ верхность трения, в щель между поршнем и цилиндровой втул­