CC BY
97
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2018. № 3
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
УДК 621.822.178 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-3-101-106
РАСЧЕТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК УЗЛА ТРЕНИЯ «ПОЛЗУН - НАПРАВЛЯЮЩИЕ» ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
© 2018 г. С.О. Киреев, М.В. Корчагина, С.Л. Никишенко, С.С. Троянский
Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия
KINETICS OF THE PROCESS OF SURFACE ALOTING OF POWDER STEELS
S.O. Kireev, M.V. Korchagina, S.L. Nikishenko, S.S. Troyanskiy
Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia
Киреев Сергей Олегович - д-р техн. наук, профессор, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: kireevso@yandex.ru
Корчагина Марина Валерьевна - канд. техн. наук, доцент, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: ms.korchagmamv@mail.ra
Никишенко Сергей Леонидович - доцент, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. Е-mail: nikish1947@mail.ru
Троянский Сергей Сергеевич - магистрант, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. Е-mail: troyanskiysergey@mail.ru
Kireev Sergey Olegovich - Doctor of Technical Sciences, professor, Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: kireevso@yandex.ru
Korchagina Marina Valerievna - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: ms.korchaginamv@maiLru
Nikishenko Sergey Leonidovich - assistant professor, Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: nikish1947@mail.ru
Troyanskiy Sergey Sergeevich - graduate-student, Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: troyanskiysergey@mail.ru
Рассматривается узел трения-скольжения ползуна (крейцкопфа) приводной части плунжерного насоса высокого давления с самосмазывающимися направляющими, изготовленными из металлофторо-пластового материала с каркасом из бронзы. Применение таких направляющих с эффектом самосмазывания позволяет значительно улучшить конструкцию крейцкопфного узла и повысить ее долговечность. Производится расчет основных рабочих характеристик узла трения скольжения - удельного давления; температуры; минимальной толщины смазочного слоя. На основе из полученных расчетных величин сделан вывод о возможности применения рассматриваемого материала в узле трения скольжения крейцкопфа.
Ключевые слова: узел трения-скольжения ползуна (крейцкопфа); самосмазывающийся подшипник; металлофто-ропластовый материал на основе бронзы; плунжерный насос высокого давления; крейцкопф.
The article deals with the friction-slip unit of the slider (crosshead) of the drive part of the high-pressure plunger pump with self-lubricating guides made of metal-fluoroplastic material with a bronze frame. The use of such guides with the effect of self-lubrication can significantly improve the design of the crosshead Assembly and increase its durability. The work is the calculation of the main performance characteristics of the node of sliding friction, unit pressure; the temperature; the minimum thickness of a lubricant layer. Based on the obtained calculated values, the conclusion about the possibility of using the material in the friction unit of the crosshead slide is made.
Keywords: crosshead slip-slip joint; self-lubricating bearing; metal-fluoroplastic material based on bronze; high-pressure plunger pump; crosshead.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
Введение
В современном машиностроении применяются новые материалы, физико-механические и триботехнические свойства которых превосходят своих предшественников. В механизмах и узлах эксплуатируемых агрегатов используются подшипники из антифрикционных самосмазывающихся материалов. Такие материалы позволяют работать узлам трения в режимах ограниченной смазки, а также дают возможность исправной работы без традиционных смазочных систем.
В настоящее время наметилась тенденция применения спеченных пористых материалов, пропитанных фторопластом, в узлах трения скольжения насосов нефтегазовой отрасли. Такие материалы, благодаря высоким антифрикционным свойствам фторопласта, перспективны для применения в узлах трения скольжения, в частности, для пары «ползун - направляющие». В дальнейшем будем пользоваться для обозначения ползуна более распространённым в нефтега-зопромысловой литературе термином «крейцкопф», как более точно отражающим конструктивные особенности плунжерных насосов высокого давления с раздельными гидравлической и механической частями. Для применения в узле трения скольжения крейцкопфа рассмотрим ме-таллофторопластовый материал на стальной подложке [1].
Детали узлов трения, изготовленные из ме-таллофторопласта, применяются в нефтепромысловом оборудовании. Подобные материалы имеют высокую прочность благодаря подложке, выполненной из конструкционного материала, а также обладают хорошими антифрикционными свойствами фторопласта, который прочно удерживается на рабочей поверхности слоем пористой бронзы. Во время работы слой фторопласта с наполнителем частично срабатывается, в результате чего оголяется некоторое количество частиц бронзы, что придает материалу высокую износостойкость при трении даже без смазочного материала. Данный материал используется при изготовлении поршневых колец, ползунов, втулок различных диаметров с внутренней и наружной поверхностями трения, скользящих опор и др. [2].
Описание шатунно-крейцкопфного механизма
В качестве типичного представителя плунжерных насосов высокого давления сервиса нефтегазовых скважин использовали конструк-
цию насоса НП-720 компании ЗАО «Траст-Инжениринг» как в наибольшей степени отвечающую современным требованиям, предъявляемым к нефтегазопромысловому оборудованию подобного рода, и, в то же время, являющуюся унифицированной с конструкциями лучших мировых образцов насосов подобного типа [3].
Приводная часть плунжерного НП 720 (рис. 1) включает сварную неразъемную станину, в которой смонтированы три продольно расположенные шатунно-крейцкопфные группы и поперечно установленный коренной кривошипный вал с тремя эксцентрично расположенными шейками.
1 2
3
4 5 6
Рис. 1. Основные элементы конструкции шатунно-крейцкопфного механизма привода плунжерного
насоса высокого давления: 1 - вал кривошипный; 2 - вкладыш; 3 - шатун; 4 - палец шатуна; 5 - направляющие;
6 - крейцкопф; 7 - корпус приводной части насоса / Fig. 1. The main elements of the design of the crank-cross mechanism of the drive of the high-pressure plunger pump: 1 - crank shaft; 2 - liner; 3 - connecting rod; 4 - connecting rod finger; 5- guides; 6 - crosshead; 7 - pump drive housing
Шатунно-крейцкопфные группы включают стальные кованые крейцкопфы и шатуны, в малые головки которых запрессованы антифрикционные втулки, охватывающие пальцы крейцкопфов. В больших головках шатунов размещены антифрикционные полувкладыши разъемных подшипников скольжения, охватывающие шейки кривошипов коленчатого вала. Большие головки шатунов соединены с крышками болтами-стяжками.
Коренной вал - коленчатого типа, четыре-хопорный, его опорами служат специальные роликовые подшипники. По оси кривошипов коренного вала имеются отверстия для подвода по радиальным каналам смазки на трущиеся поверхности шеек кривошипов.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Система смазки насоса обеспечивает принудительную раздельную смазку подвижных узлов приводной и гидравлической частей насоса [4].
Узел трения крейцкопф - направляющие предполагает наличие в нём, при установившемся режиме движения механизма, гидродинамического режима трения, для чего на контактных поверхностях крейцкопфа выполнены четыре взаимно перпендикулярные смазочные канавки, в которые под давлением подается смазочное масло из отверстий в направляющих.
В работе [5] выполнен анализ основных проблем, возникающих при эксплуатации узла трения скольжения крейцкопфа в насосе НП-720. Наиболее важными из них представляется нарушение гидродинамического режима смазки на переходных режимах работы насоса в моменты пуска и остановки, приводящее к повышенному износу направляющих крейцкопфа. Исходя из этого, можно сделать вывод о целесообразности применения для их изготовления таких материалов, которые могут работать также и без принудительной смазки.
Материалы и методы исследования
В работе предлагается рассмотреть бронзо-фторопластовый материал на основе БрОЮФт для изготовления направляющих крейцкопфа. На основе композиции металл -фторопласт разработана группа металл - фторопластовых материалов с высокими антифрикционными свойствами [6]. К этой группе относятся пористые бронзовые каркасы, пропитанные фторопластом, и биметаллические ленты. Пористый каркас изготавливается спеканием металлических порошков различной формы примерно такого состава: ^ 90, Sn 10 % или ^ 88, Sn 6 Zn 6 % в форме, имеющей размеры готового изделия с пористостью 30 -35 %. Полученная заготовка пропитывается фторопластом. В случае биметаллического ленточного материала технология изготовления заключается в следующем: пористый слой порошка бронзы припекается к стальной ленте, после чего следует пропитка фторопластовой суспензией пор. Форма направляющих рассматриваемого узла требует применения именно такого варианта изготовления антифрикционного материала.
Рассматриваемый металлофторопластовый материал БрОЮФт с каркасом из бронзы обладает следующими свойствами: прочность при растяжении, Н/мм2 - 3,0; твердость по Бринеллю, Н/мм2 - 25 - 40; скорость скольжения, м/с - 50;
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
коэффициент трения - 0,05; максимально допустимая температура - 250 oC; пористость материала - 50 %.
Металлофторопластовый материал с каркасом из бронзы предназначен для работы в узлах трения скольжения и выдерживает допустимый показатель PV до 11,7 МПа [6].
При проектировании узла трения скольжения «крейцкопф - направляющие» необходимо выполнить расчет основных рабочих характеристик. Расчет подшипников скольжения произведен по критерию работоспособности узла трения, работающего в гидродинамическом режиме, так как основное время узел работает именно в таком режиме. Свойство самосмазываемости материала не исключает работу в режиме подачи смазочного материала [7], но улучшает работу узла в режимах граничного трения, возникающего в моменты пуска и остановки насоса. Расчет осуществлялся по трем основным параметрам [8]: удельное давление p, МПа; допустимая температура t, °C; допустимая минимальная толщина смазочного слоя h, мкм.
Данные параметры должны находиться в допустимых пределах и обеспечивать безотказное функционирование узла трения скольжения крейцкопфа [9].
Расчет узла трения скольжения
Исходными данными для расчета являются характеристики режима работы и геометрические параметры системы скольжения «крейцкопф - направляющие»: нагрузка, максимальная скорость движения крейцкопфа, температурно-вязкостная характеристика смазочного материала и конструктивные размеры направляющих.
Основной целью расчета является проверка работоспособности рассматриваемой системы скольжения. При расчете определяются минимальная толщина смазочного слоя, несущая способность направляющих крейцкопфа, потери мощности на трение, температура масла в смазочном слое.
Как правило, в узлах трения скольжения с применением традиционных антифрикционных материалов сопряжение деталей осуществляется с некоторым зазором, от величины которого меняется характер контакта и методика определения контактных давлений. Особенностью использования самосмазывающихся направляющих крейцкопфа является необходимость обеспечения как можно меньшего значения зазора. С другой стороны, в традиционных конструкциях
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
уменьшение зазора может вызывать перегрев подшипника и заклинивание вала. Поэтому оптимальные значения зазоров в рассматриваемом узле установлены из рекомендаций практики [10].
Величина расчетного относительного зазора уэф зависит от допуска в сопряжении крейцкопфа и его направляющих и от характеристик их теплового расширения.
В рабочем состоянии относительный зазор между сопряженными поверхностями определяется соотношениями:
У max
У min
D - d ■
max min • d ' D - d
min max .
d '
Ут =■
^max ymin
2
(1) (2) (3)
Эффективный зазор установки крейцкопфа между направляющими, рассчитанный для реко-Н 9
мендуемой посадки-, составил ут = 0,0045 .
Если Й1В - коэффициент линейного теплового расширения крейцкопфа, °С-1, йш - коэффициент линейного теплового расширения направляющих, °С-1, то
Ау = [йшСи -20 °С) -а1В(ГВ -20 °С)]- Ут
Ау = [21 • 10-5 (70 - 20) -11 • 10-6 (70 - 20)] х х 0,0045 = 4,46 • 10-5.
Эффективный (расчетный) относительный зазор будет равен
Уэф =Ут+аУ ;
= 450 • 10-5 + 4,46 • 10-5 = 454,46 • 10-5 .
У эф
Потери мощности на трение в нагруженной зоне «крейцкопф - направляющие», Вт:
Рр = / • Р • V,
где v - линейная скорость крейцкопфа, м/с, v - 1,047 м/с; f - коэффициент трения трибосо-пряжения; F - максимальная сила действующая на направляющую крейцкопфа [4], Н;
Ртр = 0,05 • 86020 • 1,047 = 4503,147 Вт .
Эффективная (рабочая) температура t несущего смазочного слоя определяется из уравнения теплового баланса (равновесия между тепловыделением от трения в подшипнике и отвода теплоты маслом Ра и конвективной теплоотдачей Ра).
Рис. 2 Пояснительная схема к формулам (1) - (3) / Fig. 2 is an explanatory diagram to formulas (1) - (3)
Тепловой баланс выражается равенством
Ртр = Ра = к • A(tn - ta),
где Ртр - мощность потерь на трение, Вт; k - коэффициент теплоотдачи, выбираем в пределах 15 - 20 Вт/(м2°С); А - площадь теплопередающей поверхности крейцкопфа, м2; tn - температура подшипника, °С; ta - температура окружающей подшипник среды, °С.
При естественном охлаждении корпуса крейцкопфа скорость потока воздуха Va> 1,047, м/с:
к = 7 + Ujvä,
к = 7 +12^1,047 = 19,27 Вт/м2 ^°С, Ртр = РА = 19,27 • 0,049 • (70 - 50) = 47,2 Вт.
В уравнении теплового баланса температура масла на входе в нагруженную зону смазочного слоя принята температурой среды, окружающей узел трения крейцкопфа, т.е. t1 = tn, а за эффективную температуру смазочного слоя принята температура направляющих крейцкопфа =70 оС. Допускаемая температура t системы скольжения зависит от характеристик смазочных и материалов сопрягаемых поверхностей t = 90 °С. Условие соблюдается.
Предельные значения механических нагрузок должны удовлетворять условию прочности материалов крейцкопфа и его направляющих
F
Р =
(b • l)
< [ Р],
где F - радиальное усилие на направляющую крейцкопфа, Н; Ь - рабочая ширина контактной
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
поверхности крейцкопфа, м; l - длина рабочего участка крейцкопфа, м;
Р =
86020
(0,125 • 0,196)
= 3,52 МПа
Отсутствие износа гарантируется, если смазочный материал обеспечивает полное разделение сопряженных поверхностей скольжения и выполняется условие [8]:
кш1п > [к] ,
[к] = я2х + Я22,
где Яг и Яг - параметры шероховатости сопрягаемых поверхностей соответственно крейцкопфа и направляющих [6], мкм;
[к] = 0,8 + 0,8 = 1,6 ,
где йшт - минимальная толщина масляной прослойки, вычисляемая по формуле [11], мкм:
hmin =
ц • V • I
0,2
c • p
где с - поправка на конечную ширину пластинки; ц - динамическая вязкость масла, Пас;
, Ь
с = 1 + ь ; (12)
с = 1 + 0125. = 1,34;
0,196
hmin = 0,26-у
0,0094 • 1,047 • 0,196
0,2
1,34 • 3,52 • 10
6
= 10 мкм;
10 мкм > 1,6 мкм.
Выводы
Таким образом, в результате проведенных расчетов были определены основные параметры, характеризующие работу системы скольжения «крейцкопф - направляющие». Минимальная толщина смазочного слоя составила 10 мкм, потери мощности на трение составляют 47,2 Вт, температура масла в смазочном слое 70 °С,
несущая способность сопрягаемых поверхностей, оцениваемая показателем удельного давления, составляет 3,52 МПа, что не превышает допустимый показатель РУ = 11,7 МПа, а значит, данная конструкция узла трения скольжения крейцкопфа с самосмазывающимися направляющими из металлофторопласта на бронзовой основе БрОЮФт является работоспособной.
Литература
1. Авдеев Д.Т., Бабец Н.В., Мусиенко С.С. Материалы и конструкции самосмазывающихся подшипников скольжения. Новочеркасск, Новочерк. Гос. техн. ун-т., 1993. 112 с.
2. Штрейберг Г.К., Перлин С.М., Шибряев Б.Ф. Конструкционные материалы в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности. М.: Машиностроение, 1969. 396 с.
3. Киреев С.О., Попов В.П. Трёхплунжерные насосы высокого давления ЗАО «Траст-Инжениринг» // Юг оборудование. 2010. № 40. С. 8 - 11.
4. Киреев С.О. [и др.] Анализ условий работы узлов трения скольжения приводной части плунжерных насосов высокого давления сервиса нефтегазовых скважин // Химическое и нефтяное машиностроение. 2016. № 5 С. 25 - 30.
5. Троянский С.С., Корчагина М.В, Киреев С.О. Проблемы, возникающие при эксплуатации узла трения скольжения крейцкопфа и пути их решения / Сетевое научно-практическое издание: Наука среди нас: архив. сб. ст. раз. тех. науки. № 1(5) 2018. Магнитогорск. [Электронный ресурс] - URL: http://nauka-sn.ru/filestore/1(5)2018/ TroyanskiySS.pdf (дата обращения 25.02.2018)
6. Федорченко И.М., Пугина ЛИ. Композиционные спеченные антифрикционные материалы. Киев: Наукова. думка, 1980. 404 с.
7. ГОСТ 26719-85 Материалы антифрикционные порошковые на основе меди. Марки. М.: Из-во стандартов. 1986.
8. Васильев Б.Н. Васильев М.А. Основы проектирования и расчета узлов трения: учеб. пособие; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск; ЮРГПУ(НПИ), 2013. 126 с.
9. Корчагина М.В., Киреев С.О., Никшенко С.Л., Кузин А.Д. Узел трения-скольжения головки шатуна плунжерного насоса высокого давления с применением самосмазывающегося подшипника из порошкового антифрикционного материала // Вестн. ДГТУ. 2017. № 1(88). С. 28 - 34.
10. Kireev S.O. Korchagina M. V., Kuzin A.D.The application of self-lubricating bearing of antifriction powder material in the friction Assembly connecting rod piston high pressure pump // «Social Science and Humanity» № 3 September 2016, SCIEURO International Conferences, London, 23-29 September 2016. Р. 10 - 17.
11. Кадыров А. М. Нефтепромысловые компрессоры. Баку, 1952. 230 с.
References
1. Avdeev D.T., Babets N.V., Musienko S.S. Materialy i konstruktsii samosmazyvayushchikhsyapodshipnikov skol'zheniya [Materials and designs of self-lubricating sliding bearings]. Novocherkassk: Novocherk. Gos. tekhn. un-t., 1993, 112 p.
2. Shtreiberg G.K., Perlin S.M., Shibryaev B.F. Konstruktsionnye materialy v neftyanoi, neftekhimicheskoi i gazovoi promyshlennosti [Structural materials in petroleum, petrochemical and natural gas industries]. Moscow: Mashinostroenie, 1969, 396 p.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
3. Kireev S.O., Popov V.P. Trekhplunzhernye nasosy vysokogo davleniya ZAO "Trast-Inzheniring" [Three-plunger high pressure pumps, ZAO "Trast-Engineering"]. Yug oborudovanie, 2010, no. 40, pp. 8-11. (In Russ.)
4. Kireev S.O. et al. Analiz uslovii raboty uzlov treniya skol'zheniya privodnoi chasti plunzhernykh nasosov vysokogo davleniya servisa neftegazovykh skvazhin [Analysis of operating conditions of sliding friction units of the drive part of high-pressure plunger pumps for oil and gas well service]. Khimicheskoe i neftyanoe mashinostroenie, 2016, no. 5, pp. 25 - 30. (In Russ.)
5. Troyanskii S.S., Korchagina M.V., Kireev S.O. Problemy, voznikayushchie pri ekspluatatsii uzla treniya skol'zheniya kreitskopfa i puti ikh resheniya [Problems arising in the operation of the friction unit of the crosshead and ways to solve them]. Setevoe nauch-no-prakticheskoe izdanie: Nauka sredi nas: arkhiv. sb. st. raz. tekh. nauki, 2018, no. 1(5). Aviable at: URL: http://nauka-sn.ru/filestore/1(5)2018/TroyanskiySS.pdf.
6. Fedorchenko I.M., Pugina L.I. Kompozitsionnye spechennye antifriktsionnye materialy [Composite sintered antifriction materials]. Kiev: Nauk. Dumka, 1980, 404 p.
7. GOST 26719-85 Materialy antifriktsionnye poroshkovye na osnove medi [State standard 2.001-2013 Materials anti-friction powder based on copper brands]
8. Vasil'ev B.N. Osnovy proektirovaniya i rascheta uzlov treniya: ucheb. posobie [Fundamentals of design and calculation of friction units: studies. textbook]. Novocherkassk: YuRGPU(NPI), 2013, 126 p.
9. Korchagina M.V., Kireev S.O., Nikshenko S.L., Kuzin A.D. Uzel treniya - skol'zheniya golovki shatuna plunzhernogo nasosa vysokogo davleniya s primeneniem samosmazyvayushchegosya podshipnika iz poroshkovogo antifriktsionnogo materiala [A host of friction-sliding connecting rod piston high pressure pump with the use of self-lubricating bearing, powder antifriction material]. VestnikDGTU, 2017, no.1(88), pp. 28 - 34. (In Russ.)
10. Kireev C.O., Korchagina M.V., Kuzin A.D. The application of self-lubricating bearing of antifriction powder material in the friction Assembly connecting rod piston high pressure pump "Social Science and Humanity", London, 23-29 September 2016, pp. 10 - 17.
11. Kadyrov A.M. Neftepromyslovye kompressory [Oilfield compressors]. Baku, 1952, 230 p.
Поступила в редакцию /Receive 23 марта 2018 г. /March 23, 2018
