CC BY
3
УДК 62-383.1
Способ повышения ресурса импортных поршневых уплотнений в период действия санкционного режима
Р.Э. Кобыльский, С.С. Бусаров
ФГАОУ ВО «Омский государственный технический университет»
A way to increase service life of the imported piston seals during the period of the sanctions'
R.E. Kobylsky, S.S. Busarov
Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education Omsk State Technical University
Рассмотрена проблема ремонта и дальнейшей эксплуатации импортных поршневых компрессоров, работающих без смазки. На сегодняшний день зарубежные фирмы-производители отказались от проведения сервиса, шеф-ремонтов и поставки запасных частей, инструментов и принадлежностей. Ввиду того, что довольно сложно, а зачастую практически невозможно подобрать отечественный аналог зарубежному материалу или технологию его производства, комплектующие изделия, изготовленные средствами ре-монтно-механических заводов, работают в 10 раз меньше и снижают качественные показатели технологического оборудования. Проведено исследование по определению способа повышения ресурса зарубежных изделий, применяемых в поршневых компрессорах, работающих без смазки, на примере пары трения гильза — поршневое кольцо. Выдвинуто предположение о замене стальной гильзы на гильзу из антифрикционного самосмазывающегося материала, твердость которого меньше, чем у материала, из которого выполнено поршневое кольцо. Для проверки этого предположения изготовлены экспериментальные образцы из следующих материалов: АФГМ, Ф4, Ф4К15М5, полиамид 6 и сталь 45. Результаты испытаний образцов подтвердили возможность повышения ресурса пары трения предложенным способом.
EDN: UBDQIJ, https://elibrary/ubdqij
Ключевые слова: поршневой компрессор, массовый износ, антифрикционный материал, пара трения
The paper considers a problem of repairing and further use of the foreign piston compressors operating without lubrication. As of today, the foreign manufacturing companies refused to provide services, repair supervision and supply of the spare parts, tools and accessories. Taking into account that it is quite difficult, and often almost impossible, to find a domestic analogue of a foreign material or technology of its production, components manufactured by the mechanical repair plants work several times less and reduce the technological equipment quality indicators. A study was carried out to determine a method in increasing service life of the foreign products used in the piston compressors operating without lubrication on the example of a liner - piston ring friction pair. The paper proposes to replace the steel liner with the one made of the anti-friction self-lubricating material, which hardness is lower than that of material used in the piston ring manufacture. To test the proposal, experimental samples were manufactured from the following materials: AFGM, F4, F4K15M5, polyamide 6 and steel 45. The samples' test results confirmed a possibility of increasing the friction pair service life using the proposed method.
EDN: UBDQIJ, https://elibrary/ubdqij
Keywords: piston compressor, mass wear, antifriction material, friction pair
С середины прошлого столетия почти во всех отраслях народного хозяйства происходит замена поршневых компрессоров (ПК), функционирующих со смазкой цилиндра, на ПК, работающие без смазки цилиндра. Основные причины такой замены и достоинства ПК подробно описаны в публикациях [1-4].
Основной проблемой при переходе на бессмазочный режим работы стал чрезвычайно быстрый износ цилиндропоршневых уплотнений, приводящий к продолжительным простоям технологического оборудования. Главной задачей на ближайшие десятилетия стала разработка и исследование антифрикционных самосмазывающихся материалов для ПК без смазки, а также подбор оптимальной пары трения.
В результате многолетних исследований, выполненных И.И. Новиковым, П.И. Пласти-ниным, М.И. Френкелем, В.П. Захаренко и другими ведущими отечественными учеными, в лаборатории «Компрессоры без смазки», открытой при ЛенНИИхиммаш и Всесоюзном научно-исследовательском институте кислородного машиностроения, были разработаны три перспективные конструкции ПК без смазки [1, 2 ,5-7]: с графитовыми кольцами, с композитными кольцами на основе фторопласта и с нанесенным на зеркало цилиндра антифрикционным материалом.
Несмотря на обширную наработанную базу типоразмерного ряда ПК, крупные отечественные заводы, выпускающие ПК (Краснодарский компрессорный завод, Кировский завод «Маяк», Сумское НПО, Борец, Бежевский завод, Румо и т. д.), оснащены импортным оборудованием (до 60 %) [6-9], включая ПК, работающие без смазки. Особо широкое применение нашли ПК зарубежных фирм Howden Thomssen Compressors, Neuman & ESSER GmbH & Co, HOERBIGER и Burckhardt Compression.
В период действия санкционного режима со стороны западных стран проблема ремонта и дальнейшей эксплуатация ПК без смазки становиться наиболее актуальной, так как зарубежные фирмы-производители отказались от проведения сервиса, шеф-ремонтов и поставки запасных частей, инструментов и принадлежностей.
Ввиду того, что довольно сложно, а зачастую практически невозможно подобрать отечественный аналог зарубежному материалу или
технологию его изготовления (особенно полимерных композиционных материалов), комплектующие изделия, изготовленные средствами ремонтно-механических заводов, работают в 10 раз меньше и снижают качественные показатели технологического оборудования.
Основными зарубежными материалами, которым стремятся подобрать отечественный аналог, являются Мшошс 90, Hastelloy С276 и 1псопе1 Х-750.
Цель работы — поиск способа повышения ресурса зарубежных изделий, применяемых в ПК, работающих без смазки на примере пары трения гильза — поршневое кольцо.
Предположено, что это можно реализовать путем замены гильзы, выполненной из стали, на гильзу, изготовленную из антифрикционного самосмазывающегося материала, чья твердость меньше, чем у материала, из которого сделано поршневое кольцо. Как известно, гильзу изготовить дешевле и проще, чем поршневое кольцо, так как ее производство включает в себя шесть технологических операций, а его — тринадцать [10-15].
Объект исследования. Для подтверждения выдвинутого предположения изготавливали прямоугольные и квадратные образцы, имитировавшие соответственно гильзу — контртело (рис. 1) и поршневое кольцо — тело (рис. 2). Тело выполняли из стали 45, Ф-4 и полиамида 6, контртело — из Ф4К15М5 и АФГМ. Указанные материалы имели следую-
1 2 3
■ й _ ■' о
Рис. 1. Внешний вид образцов контртела, выполненных из стали 45 (1), полиамида 6 (2) и Ф4 (3)
Рис. 2. Внешний вид образцов тела, изготовленных из АФГМ (1) и Ф4К15М5 (2)
щую твердость по Бринеллю [1, 2, 16], МПа: сталь 45 — 170; Ф4 — 29...39; полиамид 6 — 50; Ф4К15М5 — 60; АФГМ — 67.143.
Ширина всех контртел составляла 22 мм, длина — 110 мм, размер стороны тела — 15,5 мм. Шероховатость поверхностей контртела и тела Яа = 1,5 мм.
Испытания на износостойкость проводили на лабораторном экспериментальном стенде (рис. 3), позволяющем в полной мере воссоздать условия работы действительного ПК [16, 17]. В разработанном стенде присутствует возможность регулирования скорости скольжения поршня, температуры в зоне трения и нагрузки.
Выбраны следующие пары трения: АФГМ-Ф4, Ф4К15М5-Ф4, Ф4К15М5-сталь 45 и
АФГМ-полиамид 6, где первым указан материал, из которого изготовлено тело, вторым — контртело. За критерий оценки принят массовый износ, который в первую очередь определяли для пары трения Ф4К15М5-сталь 45, результаты остальных пар трения оценивали по массовому износу в сравнительном анализе с массовым износом пары трения Ф4К15М5-сталь 45.
Методика проведения эксперимента. Испытания включали в себя следующие этапы:
1) проверка исправности основного и вспомогательного оборудования;
2) выбор испытуемой пары трения и проведение ее притирки (рис. 4);
3) обработка тела и контртела влажной спиртовой салфеткой и их высушивание при комнатной температуре в течение 60 мин;
4) подготовка аналитических весов ЛВ-210А к взвешиванию образцов;
5) определение начальной массы М\ тела и контртела до испытаний (рис. 5); внесение полученных результатов в таблицу;
6) установление испытуемой пары трения на экспериментальный стенд, нагружение тела (8,4 кг), обеспечение требуемой скорости и температуры в зоне трения;
7) по истечении требуемого времени завершение эксперимента, удаление пары трения с экспериментального стенда, протирание тела и контртела влажной спиртовой салфеткой и их
Рис. 3. Внешний вид лабораторного экспериментального стенда: 1 — строительный фен РЕСАНТА ФЭ-2000К; 2 — нагрузка; 3 — электронный усилитель HX711; 4 — контроллер Arduino Uno; 5 — тензодатчик YZC131; 6 — персональный компьютер; 7 — редуктор; 8 — частотный преобразователь Hyundai N700E; 9 — электродвигатель; 10 — контртело; 11 — тело; 12 — бесконтактный температурный сенсор GY-906-BAA
Рис. 4. Внешний вид пары трения после процесса притирки
высушивание при комнатной температуре в течение 60 мин;
8) определение конечной массы М2 тела и контртела после испытаний; внесение полученных результатов в таблицу;
9) расчет скорости изнашивания материала по формуле
_ М1 - М2 1м _-
г
Рис. 5. Фрагмент процесса взвешивания
(г — время одного эксперимент); внесение полученных результатов в таблицу;
10) выбор следующей пары трения и выполнение ее притирки;
11) повтор п. 3-10.
Результаты исследований. Проведенные экспериментальные исследования позволили определить массовый износ различных пар трения, а также силу трения. Результаты проведенных ис-
Результаты испытаний пар трения
Элемент пары
М1, г М2, г ДМ, г Fтр, Н т, ч 1м, г/ч
трения
Для пары трения АФГМ-Ф4
Тело 17,7904 17,7900 - 11,0 30 0,001350
Контртело 37,9208 37,8801 0,0407
Для пары трения Ф4К15М5-Ф4
Тело 18,1272 18,1269 - 9,2 40 0,001270
Контртело 37,8709 37,8201 0,0508
Для пары трения Ф4К15М5-сталь 45
Тело 18,1269 18,1259 - 5,5 36 0,000028
Контртело 200,8 200,8 0,001
Для пары трения Ф4К15М5-полиамид 6
Тело 18,1252 18,1250 - 8,3 35 0,000431
Контртело 45,2452 45,2301 0,0151
Для пары трения АФГМ-полиамид 6
Тело 17,7877 17,7881 - ОО 2Л П ПППЛ 2Л
Контртело
45,2172
45,2043
0,0129
пытаний приведены в таблице, где ДМ = Ml -- M2; Fтр — сила трения; т — продолжительность испытания; знак «-» означает что, изменение массы тела или контртела меньше либо равно погрешности весов (0,0004 г).
Из таблицы следует, что наименьший массовый износ контртела (0,000431 г/ч) имеют пары трения Ф5К15М5-полиамид 6 и АФГМ-полиамид 6 (0,000430 г/ч), а наименьшую силу трения (5,5 Н) — пара трения Ф4К15М5-сталь 45.
Литература
Вывод
Подтверждено предположение о том, что использование гильзы из антифрикционного самосмазывающегося материала позволяет почти полностью исключить износ поршневого кольца, вследствие чего появляется возможность продлить срок службы зарубежного оборудования. При критическом износе гильзы ее заменяют с минимальными потерями для производства.
[1] Захаренко В.П. Основы теории уплотнений и создание поршневых компрессоров без
смазки. Дисс. ... док. тех. наук. Санкт-Петербург, СПбГУНиПТ, 2001. 159 с.
[2] Новиков И.И., Захаренко В.П., Ландо Б.С. Бессмазочные поршневые уплотнения в ком-
прессорах. Ленинград, Машиностроение, 1981. 238 с.
[3] Щерба В.Е. Теория, расчет и конструирование поршневых компрессоров объемного дей-
ствия. Москва, Юрайт, 2023. 323 с.
[4] Никифоров А.Г., Анатольевна М.Л. Анализ работы одноступенчатых поршневых ком-
прессоров при различных режимах эксплуатации. Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение, 2023, т. 7, № 3, с. 9-14, https://doi.org/10.25206/2588-0373-2023-7-3-9-14
[5] Костецкий Б.И., Носовский И.Г., Баршадский Л.И. Надежность и долговечность ма-
шин. Киев, Техшка, 1975. 408 с.
[6] ГОСТ 31843-2013. Нефтяная и газовая промышленность. Компрессоры поршневые.
Общие технические требования. Москва, Стандартинформ, 2015. 173 с.
[7] Дайджест Нефтегаз, 2018, № 4. 22 с.
[8] Алиев В.И., Гасанов И.И. Повышения эффективности уплотнения компрессорных ци-
линдров газомотокомпрессоров в системе газлифтной добычи нефти морских месторождений. Проблемы машиностроения и надежности машин, 2023, № 6, с. 96-101.
[9] Кульбякина А.В., Савельева А.И., Озеров Н.А. и др. Системный анализ как инструмент
реализации малоотходного и безотходного производства на предприятиях нефтегазовой отрасли. Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение, 2023, т. 7, № 3, с. 36-45, doi: https://doi.org/10.25206/ 2588-0373-2023-7-3-36-45
[10] Крагельский И.В. Трение и износ. Москва, Машиностроение, 1968. 480 с.
[11] Гаркунов Д.Н. Триботехника. Конструирование, изготовление и эксплуатация машин. Москва, Изд-во МСХА, 2002. 632 с.
[12] Ястребова Н.А., Кондаков А.И., Лубенец В.Д. и др. Технология компрессоростроения. Москва, Машиностроение, 1987. 336 с.
[13] Корсаков В.С. Основы технологии машиностроения. Москва, Высшая школа, 1974. 335 с.
[14] Корсаков В.С., Замятин В.К., ред. Сборка и монтаж изделий машиностроения. Москва, Машиностроение, 1983. 480 с.
[15] Трухин А.Х. Повышение надежности и долговечности поршневых компрессорных машин. Москва, Машиностроение, 1972. 176 с.
[16] Кобыльский Р.Э., Бусаров С.А. Прогнозирование ресурса работы цилиндропоршне-вых уплотнений поршневых компрессоров. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2023, № 3, с. 38-41.
[17] Кобыльский Р.Э. Применение комбинированного уплотнения для снижения нагрузки, действующей на цилиндропоршневое уплотнение. Вестник БГТУ им. Шухова, 2022, № 7, с. 117-125, doi: https://doi.org/10.34031/2071-7318-2022-7-7-117-125
References
[1] Zakharenko V.P. Osnovy teorii uplotneniy i sozdanie porshnevykh kompressorov bez smazki.
Diss. dok. tekh. nauk [Fundamentals of seal theory and development of piston compressors without lubrication. Doc. tech. sci. diss.]. Sankt-Petersburg, SPbGUNiPT Publ., 2001. 159 p. (In Russ.).
[2] Novikov I.I., Zakharenko V.P., Lando B.S. Bessmazochnye porshnevye uplotneniya v kompres-
sorakh [Lubricantless piston seals in compressors]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1981. 238 p. (In Russ.).
[3] Shcherba V.E. Teoriya, raschet i konstruirovanie porshnevykh kompressorov obemnogo
deystviya [Theory, calculation and design of reciprocating compressors of volumetric action]. Moscow, Yurayt Publ., 2023. 323 p. (In Russ.).
[4] Nikiforov A.G., Anatolyevna M.L. The analysis of single-stage piston compressors operation
under various conditions. Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoe i energetich-eskoe mashinostroenie [Omsk Scientific Bulletin. Ser. Aviation-Rocket and Power Engineering], 2023, vol. 7, no. 3, pp. 9-14, https://doi.org/10.25206/2588-0373-2023-7-3-9-14 (in Russ.).
[5] Kostetskiy B.I., Nosovskiy I.G., Barshadskiy L.I. Nadezhnost i dolgovechnost mashin [Reliabil-
ity and durability of machines]. Kiev, Tekhnika Publ., 1975. 408 p. (In Russ.).
[6] GOST 31843-2013. Neftyanaya i gazovaya promyshlennost. Kompressory porshnevye. Ob-
shchie tekhnicheskie trebovaniya [State standard GOST 31843-2013. Petroleum and natural gas industries. Reciprocating compressors. General technical requirements]. Moscow, Standartinform Publ., 2015. 173 p. (In Russ.).
[7] Neftegaz Digest, 2018, no. 4. 22 p. (In Russ.).
[8] Aliev V.I., Gasanov I.I. Increase of efficiency of sealing of compressor cylinders of gas motor
compressors in the system of gas-lift oil production of offshore fields. Problemy mashi-nostroeniya i nadezhnosti mashin, 2023, no. 6, pp. 96-101. (In Russ.).
[9] Kulbyakina A.V., Savelyeva A.I., Ozerov N.A. et al. System analysis as a tool for implement-
ing low-waste and waste-free production at oil and gas industry enterprises. Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoe i energeticheskoe mashinostroenie [Omsk Scientific Bulletin. Ser. Aviation-Rocket and Power Engineering], 2023, vol. 7, no. 3, pp. 3645, doi: https://doi.org/10.25206/2588-0373-2023-7-3-36-45 (in Russ.).
[10] Kragelskiy I.V. Trenie i iznos [Friction abd wear]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1968. 480 p. (In Russ.).
[11] Garkunov D.N. Tribotekhnika. Konstruirovanie, izgotovlenie i ekspluatatsiya mashin [Tribo-technology. Design, manufacture and operation of machines]. Moscow, Izd-vo MSKhA Publ., 2002. 632 p. (In Russ.).
[12] Yastrebova N.A., Kondakov A.I., Lubenets V.D. et al. Tekhnologiya kompressorostroeniya
[Technology of compressor design]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987. 336 p. (In Russ.).
[13] Korsakov V.S. Osnovy tekhnologii mashinostroeniya [Fundamentals of machine building technology]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1974. 335 p. (In Russ.).
[14] Korsakov V.S., Zamyatin V.K., eds. Sborka i montazh izdeliy mashinostroeniya [Assembly of machine-building products]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1983. 480 p. (In Russ.).
[15] Trukhin A.Kh. Povyshenie nadezhnosti i dolgovechnosti porshnevykh kompressornykh mashin [Increase of reliability and durability of piston compressor machines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1972. 176 p. (In Russ.).
[16] Kobylskiy R.E., Busarov S.A. Prediction of the service life of cylinder piston seals of reciprocating compressors. Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie, 2023, no. 3, pp. 38-41. (In Russ.).
[17] Kobylskiy R.E. The use of a combined seal to reduce the load acting on the cylinder piston seal. Vestnik BGTU im. Shukhova [Bulletin of Belgorod State Technological University n.a. V.G. Shukhov], 2022, no. 7, pp. 117-125, doi: https://doi.org/10.34031/ 2071-7318-2022-7-7-117-125 (in Russ.).
Статья поступила в редакцию 23.11.2023
Информация об авторах
КОБЫЛЬСКИЙ Роман Эдуардович — аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». ФГАОУ ВО «Омский государственный технический университет» (644050, Омск, Российская Федерация, пр. Мира, д. 11, e-mail: [email protected]).
БУСАРОВ Сергей Сергеевич — кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». ФГАОУ ВО «Омский государственный технический университет» (644050, Омск, Российская Федерация, пр. Мира, д. 11, e-mail: [email protected]).
Information about the authors
KOBYLSKY Roman Eduardovich — Postgraduate, Department of Refrigeration and Compressor Engineering and Technology. Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education Omsk State Technical University (644050, Omsk, Russian Federation, Mir Ave., Bldg. 11, e-mail: [email protected]).
BUSAROV Sergei Sergeevich — Candidate of Science (Eng,), Associate Professor, Department of Refrigeration and Compressor Engineering and Technology. Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education Omsk State Technical University (644050, Omsk, Russian Federation, Mir Ave., Bldg. 11, e-mail: [email protected]).
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Кобыльский Р.Э., Бусаров С.С. Способ повышения ресурса импортных поршневых уплотнений в период действия санкционного режима. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2024, № 7, с. 88-94.
Please cite this article in English as: Kobylsky R.E., Busarov S.S. A way to increase service life of the imported piston seals during the period of the sanctions'. BMSTU Journal of Mechanical Engineering, 2024, no. 7, pp. 88-94.
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана предлагает читателям материалы конференции
«Х Энгельмейеровские чтения. Техника и инженерная деятельность: социокультурные трансформации»
Всероссийская научная конференция с международным участием «Энгельмейеровские чтения» проводится с 1997 года. После продолжительного перерыва была возобновлена традиция ежегодного проведения чтений. П.К. Энгельмейер — российский энциклопедист, выпускник Императорского Московского технического училища, инженер-изобретатель, популяризатор технической мысли, основатель философии техники в России. В сборнике публикуются материалы юбилейных Х Энгельмейеровских чтений. В конференции участвовали преподаватели, магистранты и студенты МГТУ им. Н.Э. Баумана, других московских вузов и представители ближнего зарубежья. Ответственность за содержание материала принадлежит авторам и научным руководителям.
По вопросам приобретения обращайтесь:
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. Тел.: +7 499 263-60-45, факс: +7 499 261-45-97; [email protected]; Ы^://press.bmstu.ru
