Повышение качества гидравлических машин поршневого типа

Полный текст

Одними из самых распространенных на практике типов гидравлических машин являются поршневые насосы. Типичными представителями машин данного класса, являются буровые насосы типа УНБТ. Служебное назначение данного оборудования заключается в обеспечении процесса циркуляции технических жидкостей в процессе разработки скважин.

Основным узлом, который обеспечивает выполнение машиной своего служебного назначения, является контактирующая пара поршень–втулка цилиндра. В работах [1-3] был выполнен анализ технических причин выхода из строя насосов УНБТ, а также проведена оценка рисков с декомпозицией по узлам. Результаты данных исследований показывают, что наибольшую проблему с точки зрения обеспечения качества работы насоса представляет втулка цилиндра.

Основной причиной выхода из строя втулки цилиндра является изнашивание. Буровой раствор содержит в своем составе частица, обладающие высокой абразивной способностью, что в сочетании с достаточно большой скоростью перемещения подвижных частей машины приводит к низкой долговечности деталей: 100-200 часов.

Ведущие производители оборудования рекомендуют использовать составную конструкцию втулки (см. рисунок 1) [4, 5].      

1 – Втулка цилиндра; 2 – Шток; 3 – Кожух защитный; 4 – Гайка крепежная;

5 – Уплотнение; 6 – Сердечник

Рисунок 1 – Конструкция узла

Втулка (поз. 1) на рисунке 1 собрана из двух деталей: наружная часть (корпус), которая изготавливается из стали и внутренняя рабочая часть (гильза), изготавливаемая из износостойкого материала. В качестве материала для изготовления рабочей части в промышленной практике используется износостойкие марки чугуна, прежде всего чугун ИЧХ-22. Однако можно отметить ряд недостатков такого решения: чугуны данного типа обладают ухудшенными литейными свойствами и повышенной стоимостью. Также есть необходимость предусмотреть операцию объемной закалки, что приводит к искажению детали.

В качестве альтернативного варианта предлагается изготавливать рабочую часть из серого чугуна. Поверхность рабочей части втулки с двух сторон подвергается упрочнению посредством химико-термической обработки. Упрочнение выполняется в два этапа. На первом этапе происходит насыщение поверхности серого чугуна легирующими элементами с одновременным удалением углерода основы. Это дает возможность в дальнейшем закаливать детали. Второй этап – поверхностная закалка. Использование поверхностной закалки дает возможность уменьшить деформации детали (по сравнению с базовым вариантом).

Цель данного исследования состоит в обосновании возможности повышения качества гидравлических машин поршневого типа за счет совершенствования конструкции цилиндрового узла. Для того, чтобы достичь поставленной цели, необходимо выполнить сравнение базового варианта (для втулки из высокохромистого чугуна) и предлагаемого варианта по ряду критериев:

– износостойкость;

– герметичность;

– прочность детали;

– жесткость детали;

– себестоимость изготовления.

Учитывая то, что рассматриваемые факторы имеют разную природу, для выполнения сравнения будем использовать квалиметрический анализ. В качестве метода анализа выбираем дифференциальный [6].     

основная часть

Определение интенсивности изнашивания рабочей части производилась по следующей расчетной зависимости [7]:

где σ₀ – значение напряжений, которые приводят материал втулки к разрушению за один цикл нагрузки, МПа; E – модуль продольной упругости материала рабочей части втулки, МПа; t_y – параметр, учитывающий характер кривой фрикционной усталости материала рабочей части втулки; α – коэффициент, полноту контакта поверхностей поршня и втулки; K_tv –коэффициент, который показывает количество циклов нагрузки, при котором с рабочей поверхности втулки начинают удаляться продукты износа; α_G – коэффициент, который учитывает гистерезисные явления;  – значение молекулярной составляющей коэффициента трения пары «втулка цилиндровая–шток»; τ₀, β – характеристики условий функционирования пары «втулка цилиндровая–шток»; HB – твердость деталей по шкале Бринеля; k – параметр, зависящий кот качества поверхностного слоя деталей; p –давление в зоне контакта пары «втулка цилиндровая–шток», Мпа.

Давление в зоне контакта пары определяется по формуле [7]:

где F_n –действующее усилие в зоне контакта «втулка цилиндровая–шток»; k_d – коэффициент, который позволяет учесть динамический характер действующих нагрузок; R_pr – приведенный радиус контакта пары «втулка цилиндровая–шток».

Определение параметров герметичности производилось посредством учета величины утечек в зоне контакта деталей «втулка цилиндровая–шток». Для вычисления были использованы формулы, представленные в литературе [8, 9]:

где d, l – длина и диаметр зоны контакта пары «втулка цилиндровая–шток»; u – постоянная, которая характеризует карман (константа кармана); Rz, Wz – параметры шероховатости и волнистости исполнительных поверхностей пары «втулка цилиндровая–шток»;             – поправочный коэффициент, который учитывает динамику передаваемой среды; y – величина деформации в зоне контакта, учитывающая упругую составляющую (y_уп) и пластическую (y_пл).

Величина деформации определяется с учетом свойств обеих деталей пары [8, 9]:

Расчет параметров герметичности производился в программной среде MathCad. Пример расчетной зависимости величины утечек в соединении от величины среднеарифметического отклонения профиля приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Пример расчетов

Исследование прочности и жесткости втулок производилось методом конечных элементов. Пример расчета приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Пример результата расчетов методом конечных

элементов для базового варианта

Критерий себестоимости определялся величиной приведенных затрат на изготовление чугунной втулки по базовому варианту (с сипользованием хромистого чугуна и объемной закалки) и предлагаемому варианту (с применением серого чугуна и термодиффузионного легирования). Методика расчетов приведена в источнике [10].

В таблице 1 и на рисунке 4 представлены результаты расчетов коэффциеинтов сравнения дифференциальным методом. Значения коэффициентов сравнения определялись по формулам [10]:

Выражение (1) используется в случае оценки негативных показателей, т.е. параметр оказывает отрицательное влияние на служебное назначение узла и нужно стремится в тому, чтобы у оцениваемого образца он был меньше, нежели чем у базового. Выражение (2) используется для вычисления позитивных показателей, которые оказывают положительное влияние на служебное назначение узла.

Таблица 1 - Значения коэффициентов сравнения по вариантам изготовления втулки цилиндра из хромистого чугуна (базовый вариант) и упрочненного серого чугуна (предлагаемый вариант).

Рисунок 4 – Диаграмма результатов сравнения враиантов

 выводы и заключения

На основе вычисления коэффициентов сравнения для базового и предлагаемого вариантов изготовления узла насоса можно определить результирующее значение коэффициента сравнения:

Анализируя полученные результаты можно сказать, что по рассматриваемым критериям в части выполнения служебного назначения (износостойкости и герметичности соединения) предлагаемый вариант не уступает базовому. Однако в части себестоимости изготовления использование модифицированного серого чугуна существенно эффективнее.

Следует отметить, что анализ вариантов проводился без учета технологических аспектов, таких как производительность обработки и процент брака. В качестве перспективы для дальнейших исследований, следует рассмотреть и данные критерии.

Однако даже с учетом всех недостатков дифференциального метода оценивания (который предполагает равнозначность влияния всех критериев на цель), можно сделать вывод о том, что использование модифицированного серого чугуна предпочтительнее, чем высокохромистого, т.к. по результатам расчета коэффициентов сравнения предлагаемый вариант лучше базового.   

Об авторах

Виктор Евгеньевич Овсянников

Автор, ответственный за переписку.
Email: vik9800@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7193-7197

Профессор кафедры технологии машиностроения

Роман Юрьевич Некрасов

Email: nekrasovrj@tyuiu.ru

Арсений Сергеевич Губенко

Email: gubenkoas@tyuiu.ru

Список литературы

Дополнительные файлы