ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕЙЦКОПФА ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 62-242.44 Клюев И. С., Васильев В.А.

Клюев И.С.

студент 2 курса магистратуры кафедры Тепловые двигатели и установки Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (г. Ижевск, Россия)

Васильев В.А.

канд. тех. наук, доцент кафедры Тепловые двигатели и установки, Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (г. Ижевск, Россия)

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕЙЦКОПФА ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА

Аннотация: приводится результаты анализа напряженно-деформированного состояния крейцкопфа плунжерного насоса НТП-175, нагруженного силой давления перекачиваемой жидкости. Рассматриваются два варианта нагружения: 50 МПа и 70 МПа.

Ключевые слова: насос, крейцкопф, давление.

Плунжерные насосы широко используются в различных сферах промышленности: нефтяной, газовой, нефтехимической за счёт упрощенной конструкции и надежности работы. Этот тип насоса используется в областях, где основные процессы включают перекачку различных жидкостей по трубопроводам под высоким давлением (до 100 МПа).

Крейцкопф - это одна из важнейших деталей насоса, связывающая шатун и шток поршня, скользящая по неподвижным направляющим в корпусе насоса (рис. 1). Он необходим для исключения перекосов штока плунжера в

уплотнениях гидроблока в следствии действия поперечных сил. От крейцкопфа требуется одновременно прочность и малый вес.

1 2 3

I., и ^ $

Г

Ш Ш /5/ 14\ Ш

Рис. 1. Насос НТП-175 в разрезе: 1 - гидроблок, 2 - крышка нажимная, 3 - винт нажимной, 4 - клапан в сборе, 5 - смазка плунжеров, 6 - плунжер, 7 - корпус сальника, 8 -шток, 9 - смазка крейцкопфов, 10 - колесо зубчатое, 11 - станина, 12 - указатель масла, 13 - вал шлицевый, 14 - вал ведущий, 15 - шатун, 16 - крейцкопф, 17 - направляющая, 18 - винт корпуса уплотнений, 19 -

коллектор всасывающий

Крейцкопфы насоса (рис. 2) изготавливаются из чугуна или стали, литые либо сварные. Накладки прикреплены к корпусу крейцкопфа, которые скользят по сменным направляющим рамы. В насосах малой мощности крейцкопф иногда изготавливается без сменных накладок. Чтобы повысить их износостойкость, поверхности трения подвергаются поверхностному упрочнению. Зазор между направляющими станины и поперечной головкой регулируется в пределах 0,2 - 0,5 мм. Шток плунжера ввинчивается в торцевую часть крейцкопфа с помощью цилиндрической или конической резьбы и фиксируется шпилькой или контргайкой.

Исследованию подвергся крейцкопф трёхплунжерного насоса НТП-175 производства ПАО «Ижнефтемаш» [1], нагружаемый силой давления

перекачиваемой жидкости величиной 50 МПа при стандартном исполнении и 70 МПа в модернизированном. Расчеты проводились методом конечных элементов в расчетном модуле АПМ программы САПР Компас 3Б.

При нагружении крейцкопфа силой от давления 50 МПа, максимальные напряжения в теле возникли величиной 210,3 МПа, что при пределе текучести материала крейцкопфа стали 35Л, составляющей 343 МПа, обеспечило запас прочности коэффициентом 1,63.

При нагружении насоса давлением 70 МПа, максимальные напряжения увеличиваются до 327,3 (рис. 2), при этом запас прочности составляет 1,05. Что недостаточно для безопасной работы детали. Необходимо усилить данную деталь так, чтобы коэффициент запаса прочности был не менее 2.

Рис. 2. Общий вид крейцкопфа (слева) и карта напряжений при давлении нагнетания 70 МПа

Для увеличения прочности крейцкопфа было предложено оптимизировать его конструкцию, а именно, исключить паз под шпонку пальца, так его кромки являются концентраторами напряжений, а также исключить резьбовое отверстие для фиксации штока плунжера, которое расположено перпендикулярно оси торцевого резьбового отверстия. За счёт этого предложения удалось снизить максимальное напряжение на 100 МПа.

Для дальнейшего увеличения прочности крейцкопфа, сбоку донной части, снаружи, дополнительно ввели два горизонтальных рёбра жёсткости шириной 15 мм в местах, где возникают большое напряжения. Также увеличили общую толщину стенки, где устанавливается палец и усилили толщину дна крейцкопфа снаружи с внутри.

Эти мероприятия позволили уменьшить напряжения, возникающие в крейцкопфе до 151,3 МПа, соответственно коэффициент запаса прочности увеличился до 2,27. Этого достаточно для безопасного использования крейцкопфа в насосе при давлениях жидкости до 70 МПа.

1. Ижевский завод нефтяного машиностроения «Ижнефтемаш» URL: https://rimera.ru/products/burenie-stroitelstvo-i-remont-skvazhin/nasosy-dlya-nagnetaniya-tamponazhnogo-rastvora-i-drugikh-neagressivnykh-zhidkostey/ (дата обращения: 25.06.2024)

Рис. 3. Крейцкопф усиленный (слева) и карта напряжений при давлении нагнетания 70 МПа

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Klyuev I.S., Vasilev V.A.

Klyuev I.S.

Izhevsk State Technical University (Izhevsk, Russia)

Vasilev V.A.

Izhevsk State Technical University (Izhevsk, Russia)

RESEARCH OF STRESS-STRAIN STATE OF CROSSHEAD PLUNGER PUMP

Abstract: the results of the analysis of the stress-strain state of the crosshead of the NTP-175 plunger pump, loaded by the pressure force of the pumped liquid, are presented. Two loading options are considered: 50 MPa and 70 MPa.

Keywords: pump, triplex pump, crosshead, finite.