CC BY
59
4. Официальный сайт компании «Сенсор Системс Солюшнс» [Электронный ресурс]. URL: http://www.sensor-systems.ru (дата обращения: 19.01.2020).
Сладков Дмитрий Валерьевич, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODERNIZA TION OF THE PNEUMA TIC EXPERIMENTAL STAND
D. V. Sladkov
The article shows the possibility of upgrading a pneumatic experimental stand for testing steering drives. The use of modern element base and sensors makes it possible to increase the accuracy and reliability of the results obtained, and to present them in digital form, which facilitates their further processing.
Key words: steering transmission experimental setup, the sensor, the microcontroller of the measuring device.
Sladkov Dmitri Valeryevich, student, sladckov. d@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 624
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КЛАПАНА БУРОВОГО НАСОСА
П. А. Кулаков, В.Г. Афанасенко, В.Ю. Малышев, И.Р. Садыков
Проведен анализ причин отказа гидравлической части бурового насоса: было показано, что на клапанный узел бурового насоса приходится значительная часть отказов. Разработаны: трехмерная геометрическая модель клапанного узла и модель конечного элемента клапанного узла на его основе. По результатам расчётов было определено влияние изменения угла наклона оси направляющего штока, к оси посадочного отверстия в седле клапана на напряженно-деформированное состояние клапанного узла. Для исключения осевых отклонений предлагается усовершенствование клапана путем изменения конструкции корпуса верхней направляющей втулки, что повысит долговечность и надежность узла бурового насоса, путем самоцентрирования пилоно-вого и полиуретанового уплотнения.
Ключевые слова. клапан бурового насоса, поддон клапана, седло клапана, угол
наклона.
Исследованию причин отказов буровых насосов посвящено значительное число работ [1-6], по результатам которых произведены различные технические усовершенствования деталей гидравлической части.
Несмотря на улучшение конструкторско-технологических параметров, их надежность по-прежнему остается низкой [7-11]. На наработку на отказ насосов влияют как тяжелые условия эксплуатации, так и качественные характеристики деталей. С ростом глубины бурения,
усложнением условий эксплуатации и повышением абразивности применяемых промывочных растворов, значительно снижается ресурс деталей гидравлической части. Шток, цилиндрическая втулка, поршень, уплотнение штока, клапанный узел и рабочие органы компенсатора относятся к числу сменных деталей и узлов гидравлической части буровых насосов.
В таблице приведены результаты оценки параметров законов распределения наработок деталей гидравлической части двухцилиндровых буровых насосов.
Результаты оценки параметров законов распределения наработок деталей гидравлической части двухцилиндровых буровых насосов
Деталь Закон распределения Статистический параметр распределения
, * 1 ср, час * о , час * * / , * и = О / 1 ср
Поршень Экспоненциальный 97,6 80,8 0,83
Цилиндрические втулки Вентулли 204,1 106,1 0,52
Штоки Логарифмически-нормальный 106,3 51,0 0,48
Клапаны Экспоненциальный 72,5 55,8 0,77
Как видно из таблицы, особенно низкой наработкой до отказа 1*ср обладают поршни и клапаны. Выявленный экспоненциальный закон распределения их наработок (коэффициент вариации и* равен 0,48, 0,52, 0,83 и 0,77 соответственно) указывает на внезапный характер проявления отказов этих деталей.
Полученные значения среднеквадратичного отклонения о* показывают, что ресурс указанных деталей колеблется в значительных пределах, что объясняется влиянием большого числа факторов. Это совпадает и с данными других исследователей. Так, по данным, приведенным в работе, при увеличении интервала бурения с 1000...2000 до 4000...5000 м отмечено почти двукратное сокращение срока службы деталей гидравлической части насосов.
Таким образом, надежность деталей гидравлической части во многом зависит от ресурса уплотнительных устройств и, по существу, определяется сроком службы клапанов, срок службы которых при давлении 16.18 МПа не превышает 100 часов. Такая долговечность клапанов не отвечает требованиям бурения, что приводит к частым остановкам насоса с целью замены этих узлов. Замена узлов и деталей насоса требует значительных материальных и трудовых затрат с применением тяжелого ручного труда в не очень благоприятных климатических и экологических условиях [12]. Поэтому, сейчас проблема увеличения срока службы в среднем остается до 200.300 часов не решенной [13-16].
Клапанные устройства, используемые в буровых насосах, отличаются друг от друга конструкцией уплотнительного элемента, местом его установки, способом фиксации, а также конструкцией опоры и направляющих.
Изучая характеристику условий работы и анализируя процесс износа клапанов буровых насосов, следует отметить, что износ встречается на направляющих поверхностях; базовой и посадочной поверхностях; а также в уплотнительных устройствах.
При изучении основных проблем, связанных с износом клапанов, предлагается модернизировать клапан, то есть изменить втулку направляющей в клапанном узле.
Выполнение корпуса верхней направляющей втулки со сферическим упором, центр сферы которого расположен в середине втулки нижней направляющей, позволяет обеспечить самоцентрирование тарели в седле, в результате чего обеспечивается безопасность в работе клапанного узла. На рис. 1 представлен предложенный клапанный узел.
Рис. 1. Усовершенствованная модель клапана
Клапанный узел содержит тарель со штоками, которые расположены в корпусах верхней и нижней направляющих втулок, и седло. Корпус верхней направляющей втулки выполнен со сферическим упором, центр сферы которого расположен посередине втулки нижней направляющей.
Под давлением перекачиваемой жидкости тарель клапана поднимается, перемещаясь вдоль направляющих втулок. После снятия давления, под действием пружины, тарель движется вниз.
Возможные угловые смещения верхней направляющей втулки относительно нижней компенсируются выполнением поверхности упора в виде сферы.
Наблюдениями установлено, что механический износ резинового элемента клапана независимо от его расположения и в местах наибольшего напряжения начинается с первых часов работы. Один из таких участков -часть манжеты, непосредственно примыкающая к месту сопряжения таре-ли с седлом. В момент закрытия клапана расстояние между тарелью и седлом клапана быстро уменьшается, так что иногда посадка тарелки происходит с ударом. Это возможно в случаях, когда вследствие инерции тарелки, прежде чем клапан успеет закрыться, начинается обратное течение жидкости, увлекающее уплотняющую деталь в уменьшающийся зазор. В то же время, возможно, резина зажимается между металлическими по-
407
верхностями, и, при дальнейшем закрытии седла, с ростом давления, защемленный объем отрывается, что приводит к быстрому выходу уплотняющего элемента из строя. Удары также приводят к повреждению основных и сжатых металлических деталей клапанного узла.
Поскольку задача решается способами, которые, в целом, не выявлены в других технических решениях, можно сделать вывод, что предлагаемое решение соответствует повышению надежности работы клапана за счет обеспечения самоцентрирования тарели.
Повышение их надежности и долговечности, являясь важнейшим фактором, определяющим рост конкурентоспособности изделий, связано с достоверным определением "опасных" мест конструкции.
Наиболее эффективным, широко используемым, современным средством достижения цели является использование метода конечных элементов [12]. Сейчас существует большое количество комплексов метода конечных элементов, включая ANSYS. Особенностью ANSYS является чрезвычайно широкий спектр задач, которые он способен решить. Программный комплекс позволяет решить проблемы расчетов на прочность (как линейных, так и нелинейных), теплообмена, гидродинамики, смешанные и даже акустики [17].
Математическое моделирование широко применяется при оценке изменения несущей способности конструкций, долговечности и устойчивости сосудов и оборудований нефтеперерабатывающего и нефтехимического производств, эксплуатируемых длительное время. Однако при выполнении расчетов прочности сосудов и устройств по нормативно-технической документации, не считается, что в процессе их длительной эксплуатации происходит изменение механических характеристик металла, включая охрупчивание, изменение структуры и фазового состава [18]. В качестве объекта исследования выбран клапанный узел бурового насоса УНБ-600 из легированной стали 45X.
Авторами были рассмотрены следующие задачи: создание трехмерной (3D) геометрической модели, а также конечно-элементной модели клапанного узла; анализ влияния конструктивных особенностей на напряженно-деформируемое состояние устройства.
Для определения влияния изменения угла наклона оси направляющей тарели к седлу клапана на напряженно-деформируемое состояние клапанного узла, проводится сравнительный анализ результатов расчетов моделей клапанного узла: соосное положение направляющей тарели и седла в идеальном состоянии (без угла отклонения); соосность направляющей тарели и седла с отклонением на 0,5°.
Расчет методом конечных элементов выполнен для условий гидравлического испытания клапанного узла как наиболее интенсивного нагру-жения. В качестве основных данных приняты геометрические размеры клапана согласно паспорту и чертежу изготовителя. Создание геометрической модели было выполнено при использовании программы SoHdWorks (рис. 2). Далее геометрическая модель была разбита на сетку конечных элементов.
Рис. 2. Геометрическая модель в SolidWorks на персональном
компьютере «SolidWorks.»
Для определения влияния конструктивных особенностей на напряженно деформируемое состояние клапана из справочника были взяты данные для двух материалов (упругие свойства материала). Материал "Полиуретан": модуль Юнга - 12 МПа; коэффициент Пуассона - 0,496; плотность - 1210 кг/м3, а также материал "Сталь 41Cr4": модуль Юнга - 2 х 105 МПа; коэффициент Пуассона - 0,27; плотность - 7850 кг/м3.
Для построения трехмерной модели детали необходимы точные геометрические размеры. Они были взяты из рисунков и паспорта клапана бурового насоса.
Геометрия клапанной пары была разбита на сетку конечных элементов в модуле ANSYS «Meshing». Площадки со сложной геометрией автоматически разбиваются на тетраэдрические элементы. Одним из способов уменьшения погрешности вычислений, связанных с расчетной сеткой, является последовательное увеличение количества элементов и отслеживание изменений требуемого размера.
Целесообразно увеличивать количество элементов до тех пор, пока изменением требуемого размера можно пренебречь. При изучении влияния качества расчетной сетки на результаты расчета приняты следующие граничные условия: гидравлическое давление на клапан сверху - 30 МПа; гидравлическое давление на клапан снизу - 3 МПа.
При математическом моделировании получают распределения гидравлического давления для каждого набора граничных условий, полученных в ходе экспериментов: распределение напряжений с идеальной посадкой тарели на седло (рис. 3); распределение напряжений при отклонении направляющей оси на 0,5 (рис. 4)
Рис. 3. Без отклонения направляющей оси (изометрия)
409
B: Copy of Static Structural
Equivalent Stress
Type: Equivalent (von-Mises) Stress Unit; MPa Time: 1
Custom Obsolete 0i.0s.2018 11:42
268.18 238.39 208.6 178.8 149.01 119.22 89.432 59.642 29.851 0.059989
5
Рис. 4. С отклонением направляющей оси (изометрия)
На основе созданной трехмерной геометрической модели клапанного узла и его построенной модели конечных элементов, определено влияние изменения угла наклона оси направления тареля к оси посадочного отверстия в седле клапана, на напряженно-деформированное состояние клапанной пары. Также установлено, что при идеальных условиях максимальное напряжение было в пределах 140 МПа, а при отклонении 268 МПа, что почти в два раза больше. За исключением осевых отклонений предлагается улучшение клапана путем изменения конструкции корпуса верхней направляющей втулки.
Список литературы:
1. Yuan H., Guo J., Su Z., Sun Y., Qi J. Zhongguo Jixie Gongcheng, 2013. 11(24) 1425.
2. Nikulin O.V., Shabanov V.A. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science Сер. Innovations and Prospects of Development of Mining Machinery and Electrical Engineering - Power Supply of Mining Companies, 2017. 032027.
3. Romanenko E.F., Kolmykov V.I. Chemical and Petroleum Engineering, 2014. 12. P. 32.
4. Iskenderli I.N., Narimanov V.A. Chemical and Petroleum Engineering, 2017. 7. P. 46.
5. Tong Z., Liu H., Zhu F. Artificial Intelligence and Computational Intelligence, 2009. 5855. 215 p.
6. Fridman M.M., Galiullin A.A., Fomin G.D. Hydrotechnical Construction, 1978. 8. P. 14.
7. Mwachaka S.M., Wu A., Fu Q. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology, 2018. 2. P. 1.
8. Kolesnikova S.I. Methods of analyzing the informativeness of various types of attributes Vestn. Tomsk State University: Management, Computer Science and Informatics, 2009. 1(6). P. 69-80.
9. Tu B., Li D., Lin E., Ji M. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 2012. P. 182.
10. Кутлубулатов А. А., Кулаков П. А. Прогнозирование эффективности операций по гидроразрыву пласта // Известия Тульского государственного университета. Наук о Земле, 2017. Вып. 2. С. 88-102.
11. Kolesnikova S.I., Yankovskaya A.E. Estimation of significance of attributes for tests in intelligent systems RAS Theory and control systems, 2008. V. 6. P. 135-148.
12. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: справочное пособие. М.: Машиностроение, 2004. 510 с.
13. Kulakov P.A., Apparov I.H.Y., Afanasenko V.G. Improvement of mud pump valve // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2018. С. 012201.
14. Kulakov P.A., Afanasenko V.G. Influence of minimally permissible quantity of source materials on the probability of failure of a pump-tank system // Chemical and Petroleum Engineering. 2019. V. 54. № 9-10. P. 681-686.
15. Федосов А.В., Идрисова К.Р., Абдрахманов Н.Х., Ефимова А.В., Кулаков П.А., Гусева А.С., Расулов С.Р. Специальные вопросы промышленной безопасности Уфа, 2019. 175 с.
16. Vinnem E. Offshore Risk Assessment, 2013. 1. 95 p.
17. Федорова Н.Н., Вальгер С.А., Данилов М.Н., Захарова Ю.В. Основы работы в Ansys 17. М.: ДМК-Пресс, 2016. 226 с.
18. Горицкий В.М. Диагностика металлов. М.: Металлургиздат, 2004. 408 с.
Кулаков Петр Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, kulakov.p. a@,mail. ru, Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Афанасенко Виталий Геннадьевич, канд. техн. наук, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Малышев Валерий Юрьевич, магистрант, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Садыков Ильгам Радикович, магистрант, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет
IMPROVEMENT OF MUD PUMP VALVE
P.A. Kulakov, V.G. Afanasenko, I.H. Yapparov, V.Y. Malyshev, I.R. Sadykov
The valve assembly is the weak point of the drilling pump. The analysis of the reasons for the failure of the hydraulic part of the drilling pump was carried out, it was shown that the valve assembly of the drilling pump accounts for a significant part of the failures. A three-dimensional geometric model of the valve assembly and a finite-element model of the valve assembly on its basis are developed. According to the results of the calculation, the effect of changing the inclination angle of the axis of the guide tray to the axis of the landing hole in the valve seat on the stress-strain state of the valve assembly was determined. To exclude axial deviations, an improvement in the valve is suggested by changing the design of the upper guide bushing body, which will increase the durability and reliability of the mud pump assembly by self-centering the pylon and the polyurethane seal.
Key words: mud pump valve, tray of valve, saddle of valve, inclination angle.
Kulakov Petr Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, kulakov.p. a@,mail. ru, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Afanasenko Vitaliy Gennadevich, candidate of technical sciences, docent, kulakov.p. a@,mail. ru, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Malyshev Valery Yurievich, undergraduate, kulakov.p. a@,mail. ru, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Sadykov Ilham Radikovich, undergraduate, kulakov.p. a@mail. ru, Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University
УДК 621.81.004.67
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Г.Е. Кокиева, С.А. Войнаш
Предлагается способ оптимизации технологического процесса восстановления деталей по энергетическому критерию. Это вызвано тем, что на сегодняшний день в качестве основного параметра выступает себестоимость восстановления деталей или приведенных затрат, на которые на практике, во многом, воздействуют цены, и не всегда учитываются истинные издержки производства, новизна технологического процесса, все затраты энергии, в том числе и живого труда на производство продукции (энергетический критерий).
Ключевые слова: технология, энергетический критерии, восстановление деталей, электродуговая нагрузка, наработка, издержки производства, себестоимость, рациональный способ, оптимизация технологического процесса, окружающая среда, восстановление наплавкой.
Рациональная разработка технологических процессов восстановления конкретных деталей определяется главным образом выбором способа, обеспечивающего наибольшую долговечность детали при наименьших затратах на их восстановление. В настоящее время ремонтные предприятия располагают значительным количеством способов восстановления деталей, которые применяют для устранения разнообразных дефектов - (износы, механические повреждения, трещины и др.). Для восстановления одной и той же детали пригодны несколько способов, часто неравноценных по своим технико-экономическим показателям.
Цель исследования. Обоснование выбора оптимального способа восстановления детали или группы деталей в комплексе технических, экономических и организационных вопросов.
Методика исследования. На практике чаще используют первые два отношения, хотя они применимы лишь тогда, когда на предприятии уже организовано восстановление деталей сравниваемыми способами и дополнительные капитальные вложения не требуется или когда они примерно одинаковы, например, при сравнении способов механизированной электродуговой наплавки [1-3].
