книги / Поршневые буровые насосы

При толщине щели приблизительно от десятых долей микрона до 3 мк жидкость в щели неподвижна относительно сопряженных деталей, трение носит граничный характер.

Полученная оценочная величина предельного зазора ftn= 3 ,l мк

модействующими профилями исследованной им зубчатой передачи с независящим от скорости относительного скольжения значением коэффициента трения. Близкое совпадение величин Л,г и h под­ тверждает преобладающее влияние на состояние жидкости в уз­ ком зазоре молекулярных сил, связывающих жидкость у поверх­ ности обеих стенок щели поршень — цилиндровая втулка так же, как и на поверхности взаимодействующих профилей зубьев в экс­

периментах К. С. Серова.

Толщина слоя h жидкости, протекающей между параллельны­ ми поверхностями поршня и зеркала цилиндровой втулки, может быть также вычислена при помощи известной формулы гидроме­

вязкой жидкости. При 'Меньших значениях объемных потерь дей­ ствительный размер щели становится больше вычисленного по этим же формулам, так как сопротивление увеличивается на неко­ торую величину, которая добавлена к вязкостному сопротивлению, обусловленную влиянием сил, действующих в молекулярном поле у стенок щели, для объяснения которой недостаточно понятия вяз­ кости.

После появления на поверхности цилиндровой втулки продоль­ ных рисок или возникновения других дефектов, а также хотя бы местного увеличения толщины щели, достигающей, например 1Û мк, скорость жидкости в щели возрастает в соответствии с за­ конами гидравлики вязкой жидкости пропорционально квадрату увеличения зазора, поскольку расход пропорционален кубу зазора, а площадь пропорциональна зазору в первой степени, т. е. для ус­ ловий примера скорость увеличится в (10/3,1)2= 10,4 раза, что

создает условия для разрушения стенок щели абразивосодержа­ щей струей промывочной жидкости и повреждения цилиндро-

поршневой пары.

Для гидростатических подшипников, работающих на чистом фильтрованном масле в режиме жидкостного трения, рекомен­ дуется *, чтобы минимальный зазор hmm более чем в 40 раз пре­ вышал среднеквадратичное отклонение Нск неровностей от сред­ ней линии профиля шероховатости, т. е.

и (45), рекомендуемым на основе практического опыта, видно, что при гидродинамическом режиме толщина щели должна быть су­ щественно (не менее чем на один порядок) больше толщины в ус­

ловиях граничного трения.

Эластичное уплотнение, легко, без касания огибающее неров­ ности поверхности контртела, прижатое через пленку разделитель­ ной жидкости к контртелу давлением, т. е. опирающееся на свя­ занные поверхностными силами трущихся тел цепочки молекул жидкости, создает для поддержания режима граничного трения более благоприятные условия, чем, например, в гидростатических подшипниках.

Граничное трение необходимо в нормально работающем эластичном уплотнении, где требуется совокупность свойств плот­ ности и подвижности соединения при изменении скорости поступа­ тельного движения поршня насоса от 0 до 1,5 м/с по длине хода. Частичное возникновение условий сухого трения является неже­ лательным.

Вывод о граничном характере трения весьма важен для пра­ вильного выбора материалов цилиндро-поршневой пары и анти­ фрикционных или антиизносных добавок к промывочной жидкости.

1 Проектирование гидростатических подшипников. Под редакцией Гарри Риппела. Перевод с английского ииж. Г. А. Андреевой. М., «Машиностроение», 1967, с. 136.

Виды поршней и характер их изнашивания

Основные разновидности поршня бурового насоса показаны

на рис. 35.

Цилиндрическая металлоарматура резино-металлического поршня (см. рис. 35, а) состоит из ступицы 1 с центральным ко-

Рис. 35. Типичные конструкции поршней.

а — резино-металлического; б — сборного с резиновым уплотнитель­ ным (У) и пластмассовым подклад­ ным (2) кольцами: в — к насосу с цилиндрами одностороннего дейст­

вия.

нусным отверстием для посадки на шток, среднего разделитель­ ного фланца 4 и боковых фланцев 6 меньшего диаметра. Две ре­ зиновые уплотнительные манжеты 7 привулканизированы к металлоарматуре по обе стороны среднего разделительного фланца.

Боковая поверхность резиновой части поршня в сечениях, сов­ падающих с боковыми фланцами 6, снабжена круговыми высту­ пами, наружный диаметр £)пыст которых в свободном состоянии

несколько больше диаметра цилиндровой втулки Оц.пт, диаметр Оф среднего разделительного фланца меньше диаметра цилиндра DIt.вт на величину радиального зазора Ô/2.

В среднем и одном из боковых фланцев металлоарматуры рас­ положены отверстия Зу служащие во время изготовления поршня для прохода резины при ее односторонней заливке в пресс-форме. Боковые фланцы 6 и глубокие лабиринтные проточки 2 защищают резину вулканизированного поршня от продавлиъаиия через отвер­ стия давлением жидкости, попеременно действующим на поршень

справа и слева.

В насосной камере при нагнетании прижатие давлением жид­ кости одного из уплотнительных колец поршня двустороннего действия через пленку граничной смазки к зеркалу цилиндровой втулки обеспечивает плотное прилегание резины и создает усло­ вия, необходимые для высокого вакуума в другой насосной ка­ мере, расположенной по другую сторону поршня в том же цилинд­ ре. Во всасывающих камерах цилиндра двустороннего действия исключается подсос воздуха из атмосферы через двустороннее уплотнение поршня, возможный в цилиндре одностороннего дей­

ствия.

По обе стороны среднего разделительного фланца на боковой поверхности поршня имеются круговые углубления 5, попере­ менно являющиеся в работе резервуаром для накопления и рав­ номерного распределения по окружности поршня жидкости, слу­ жащей его смазкой. Определенная часть давления нагнетания (около 80 кгс/см2) затрачивается на предварительную деформа­ цию манжеты, в результате которой вся его боковая поверхность приходит в соприкосновение с цилиндровой втулкой. Давление на трущейся поверхности в опорной части кольца уменьшается на ве­ личину, затраченную для деформирования резины.

Ось поршня обычно не совпадает с осью цилиндровой втулки. Уплотняемый радиальный зазор фланец—втулка не остается по­ стоянным по всей окружности поршня, а изменяется в зависимо­

в промывочном растворе после гидроциклонной очистки. Поэтому зерна абразива, проникающие в зазор, свободно в нем проходят, не раздробляясь между металлическими деталями, и застревают в резине, углубляясь в нее.

Поршень при движении счищает зерна абразива, находящиеся на свободной поверхности цилиндра, пескобрейной кромкой 8, плотно прилегающей к зеркалу, которое служит опорой для ман­ жеты.

Трение поршня о зеркало цилиндра при наличии граничного слоя смазки между ними происходит только резиновой боковой по­ верхностью, шаржированной абразивом, чем достигается минимум

абразивного воздействия. Фланец металлоарматуры не касается зеркала цилиндра.

Материал манжет — резина по ГОСТ 11267—65. Прочность ее крепления к металлу через латунь + лейконат + клей на основе при­ меняемого каучука, как правило, превышает 50 кгс/см2 и доходит до 150 кгс/см2. Применяется клей хемлак или хемосил 220 и хемо­ сил 211. Средняя скорость возвратно-поступательного движения поршня допускается до 1 м/с.

пластмассовым (например полиуретановым) опорным 2. Назначе­ ние опорного кольца заключается в том, чтобы: а) центрировать поршень в цилиндре, предотвращая соприкосновение фланца ме­ таллоарматуры с зеркалом; б) перекрыть уплотняемый зазор, обес­ печить работу резинового уплотнительного кольца в условиях так называемого нулевого зазора и этим предотвратить выдавливание резины в зазор и ее усталостное вырывание в уплотняемом зазоре, являющееся основным видом изнашивания резино-металлического поршня и в) предотвратить возникновение высокотемпературных режимов в опорной части, принять на себя работу в зоне повы­ шенных температур, так как материал кольца более теплостоек, чем резина.

На резиновое поршневое уплотнительное кольцо возлагаются функции: 1) защиты поверхности трения от абразива путем его удаления пескобрейной кромкой; 2) обеспечения эластичного оги­ бания неровностей зеркала цилиндровой втулки и поддержание граничного режима смазки в щели между поверхностью кольца и зеркалом с целью предотвратить перетекание жидкости в щели под действием перепада давления на поршне; 3) передачи давле­ ния на скошенную часть полиуретанового кольца с целью его прижатия к поверхности зеркала и достижения минимальной вели­ чины уплотняемого зазора и уменьшения выдавливания резины; 4) создание герметичного уплотнения между ступицей металличе­ ского сердечника и внутренней поверхностью кольца.

Наружный диаметр полиуретанового опорного кольца больше, чем фланДа металлоарматуры, но несколько меньше диаметра отверстия цилиндровой втулки. Материал опорного кольца доста­ точно жесткий и в зазор между фланцем поршня и цилиндровой втулкой не выдавливается. Опорное кольцо широкое, и удельное давление на поверхности его цилиндрической центрирующей часта не счищает пленку граничной смазки с цилиндровой втулки. Ско­ шенная часть кольца Нод давлением резины деформируется, вплот­ ную прилегая к постепенно увеличивающейся в диаметре цилинд­ ровой втулке по мере Qe изнашивания.

Менее эластичный, чем резина, полиуретан не может подобно ей легко деформироваться и огибать неровности рельефа цилинд­

ровой втулки, чистота поверхности которой должна быть более вы­ сокой, чем при применении резиновых уплотнений.

Зерна абразива не попадают на поверхность трения полиурета­ нового кольца о цилиндровую втулку, счищаясь пескобрейной кромкой манжеты или застревая в резине. Поршневые кольца за­ креплены на металлическом сердечнике шайбой 3 и пружинным кольцом 4 (см. рис. 35,6). Кроме того, их рекомендуется для боль­ шей надежности при давлении нагнетания выше 175 кгс/см2 склеи­ вать друг с другом и с сердечником. Независимо от этого замок должен быть рассчитан на то, чтобы, прочно удерживать неприклеенную манжету как при всасывающем, так и при нагнетатель­ ном ходе поршня.

При хорошем качестве материалов, в частности клея и полиуре­ тана, с присущей им высокой износостойкостью, срок службы сборных поршней с пластмассовым опорным кольцом весьма про­ должителен. У поршня для насоса с цилиндрами одностороннего действия смазка вводится через отверстия фланца (рис. 35, в).

Фирма «Мншн» рекомендует одновременно с изношенной порш­ невой резиной заменять у своих поршней при давлении нагнетания до 105 кгс/см2 металлический сердечник, если линейный износ его фланца достигает 0,75 мм, а при давлении нагнетания от 105 до

помощи круговых контрольных канавок разной глубины, наноси­ мых на цилиндрической поверхности фланца при изготовлении сердечника, или по ширине канавки треугольного сечения, кото­ рая сужается при износе фланца.

Если давление нагнетания выше 175 кгс/см2, то фирма реко­ мендует заменять поршни целиком, не допуская замены поршне­ вых колец на работавшем в насосе сердечнике.

В обоснование этих рекомендаций фирма приводит график (рис. 36) зависимости срока службы поршневых колец от радиаль­ ного зазора между фланцем сердечника и зеркалом цилиндровой втулки, показывающий, что при зазорах и давлениях нагнетания, превышающих указанные значения, относительная величина срока службы е (в %) быстро уменьшается.

Три названные конструкции являются типичными — они вклю­ чают основные элементы, входящие в различные поршни.

Изучение отработавших в различных условиях эксплуатации поршней позволило выявить четыре основных вида их изнаши­ вания.

1.Изнашивание боковой поверхности с равномерной потерей

диаметральных размеров поршневой резины (рис. 37, о) харак­ терно для поршней с пластмассовым опорным кольцом, работаю­ щих в промывочном растворе со значительным содержанием абра­ зива, и для резино-металлических сварных поршней при давле­ нии нагнетания менее 100 кгс/см2.

Рис. 36. Зависимость срока службы порш­ невых колец от величины уплотняемого за­ зора и давления нагнетания р в кгс/см2:

/ — 105, 2 —140, 3— 210.

Рис. 37. Основные виды изнашивания поршней буровых насосов.

изнашивание поршневой резины, выдавливаемой в уплотняемый зазор; г — отрыв привулканкзированных поршневых колец.