§ 6. КОНСТРУКЦИЯ БУРОВЫХ НАСОСОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

  Главная      Учебники - Разные     Буровые машины и механизмы (Лесецкий В.А.) - 1980 год

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..     34      35      36      37     ..

 

 

 

§ 6. КОНСТРУКЦИЯ БУРОВЫХ НАСОСОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ


В настоящее время применяют буровые насосы двух видов: трехцилиндровые одностороннего действия и двухцилиндровые двустороннего действия.

Насосы состоят из двух основных частей: гидравлической и трансмиссионной. Конструктивно буровые насосы выполняются довольно разнообразно, но отдельные элементы насосов выполняются однотипно. Особенно это относится к трансмиссионной части. Коренной вал трансмиссионной части трехцилиндрового насоса имеет три кривошипа, а двухцилиндровые — два. Гидравлические части различаются числом цилиндров и клапанов и их расположением.

В трехцилиндровом насосе одностороннего действия в отличие от двухцилиндрового насоса двустороннего действия нет камеры со штоком и уплотняющего сальника, что не только упрощает конструкцию, но и исключает износ штока и облегчает эксплуатацию насоса, так как не надо подтягивать и менять сальники и изношенные штоки. Кроме того, зеркало цилиндра со стороны коренного вала открыто и позволяет его интенсивно обмывать, охлаждать и очищать от бурового раствора.

Насосы имеют одинаковую схему трансмиссий, крепятся на салазках для перевозки по промыслу.

 

Конструкция трехцилиндрового насоса НБТ-600

Общий вид трехцилиндрового насоса завода «Баррикады» НБТ-600 показан на рис. VII.6, а.

Гидравлическая часть насоса состоит из всасывающего коллектора 1 и всасывающего компенсатора-колпака 2, гидравлической коробки 3, в которой размещены три цилиндра с поршнями, втулками и клапанами, сбрасывающей линии, предохранительного клапана, нагнетательного коллектора 4 с компенсатором высокого давления 5.

Вращение трансмиссионного вала 6 от двигателя передается клиноременной или цепной передачей. Гидравлическая  коробка 3 прикреплена к станине 8 при помощи болтов. Насос смонтирован на раме-салазках 7.

На рис. VII.7, б показан разрез этого насоса. Буровой раствор поступает в нагнетательную камеру из всасывающего коллектора 1 через всасывающий клапан 2, при ходе вправо поршня со штоком 7. Последний соединен быстросъемным хомутом 8 с контрштоком 9, который соединен резьбой с ползуном 10. При ходе влево поршень выталкивает раствор из камеры через нагнетательный клапан 4 в напорный коллектор 5, на котором укреплен шаровой диафрагменный компенсатор 15.

Трансмиссионная часть насоса состоит из вала 13 с зубчатой шестерней, передающей вращение зубчатому колесу, укрепленному на коренном валу 14. На этом валу смонтированы на роликоподшипниках шатуны 11, соединенные пальцем с ползуном 10. Станина насоса 12 имеет съемную крышку и укреплена на раме-салазках.

Втулки цилиндров 6 крепятся к гидравлической коробке быстросъемным соединением, а крышки клапанов — зажимами 3.

 

Конструкция двухцилиндрового насоса У8-6МА2

Двухцилиндровый буровой насос двустороннего действия У8-6МА2, выпускаемый Уралмашзаводом, показан на рис. VII.7.

Каждый цилиндр имеет две. камеры. При ходе поршня вправо раствор из всасывающего коллектора поступает в переднюю камеру и наполняет ее, а из задней камеры при этом раствор через нагнетательный клапан выталкивается в нагнетательный коллектор с пневмокомпенсатором. При ходе поршня влево раствор выталкивается в нагнетательную линию из передней камеры, а задняя заполняется.

В каждой клапанной коробке этого насоса установлены два всасывающих и два нагнетательных клапана. Гидравлическая часть присоединяется к станине приводной части на шпильках. Каждый клапан имеет крышку для его осмотра и смены. В двухцилиндровом насосе клапаны располагают с внешней стороны цилиндров, что позволяет сблизить оси цилиндров.

Трансмиссионная часть насоса У8-6МА2 так же, как и насоса НБТ-600, имеет трансмиссионный вал, передающий через зубчатую пару вращение коренному валу, на котором смонтированы шатуны. Станина насоса укреплена на раме-салазках.

Основные характеристики буровых насосов, выпускаемых в Советском Союзе, приведены в табл. VII.4. 

 

 Трансмиссионная часть буровых насосов

Трансмиссией бурового насоса называется механизм, преобразующий вращательное движение ведущего вала в возвратнопоступательное движение поршней и снижающий частоту вращения коренного вала. Этот механизм передает поршням энергию, полученную от силового привода.

Трансмиссионная часть большинства буровых насосов состоит из литого или сварного корпуса, в котором смонтированы коренной вал в сборе с зубчатым колесом, узел трансмиссионного вала с шестерней и шкивом, шатун, ползун и промежуточный шток.

 

 

 

 

 

Рис. VII.6. Трехцилиндровый насос одностороннего действия НБТ-600-
а — общий вид; б — продольные разрез

 

 

 

Рис. VII.7. Двухцилиндровый насос двустороннего действия У8-6МА2:
а — общий вид; б — разрез; 1 — рама-салазки; 2 —станина; 3, 6 — клапаны всасывающий и нагнетательный; 4 — трубопровод всасывающий; 5 — цилиндр с поршнем; 7 — трубопровод нагнетательный с компенсатором; 8 — трансмиссионный вал; 9 — ползун со штоком; 10— кривошипно-шатунный механизм 

 

Конструкция трансмиссионной части играет очень важную роль в конструкции насосов, особенно двухцилиндровых двойного действия, так как она определяет ширину насоса, а следовательно, и его массу. Для насосов небольших мощностей (200—300 кВт) конструкция не имеет большого значения, так как небольшая масса их не влияет на монтажеспособность.

Большая масса мощных насосов снижает их монтажеспособность.

На рис. VII.8, а показана схема двухцилиндрового насоса с двумя отдельными коренными валами 1 и 2 и двумя зубчатыми передачами. Такая конструкция проста в изготовлении, но из-за наличия щек коренных валов и двух центральных подшипников трансмиссионная часть имеет большую ширину.

На рис. VII.8, б показана схема двухцилиндрового насоса с одним кривошипным валом и одной зубчатой передачей, что значительно уменьшает ширину насоса. Однако наличие щек на коренном валу 1 нерационально увеличивает ширину насоса, а при одной зубчатой передаче трансмиссионный вал 2 должен иметь большую длину. Для обеспечения жесткости его приходится монтировать на четырех опорах, что усложняет конструкцию и изготовление.

При использовании эксцентриков вместо кривошипов или колен ширина насоса сокращается и уменьшается его масса.

 

 

 

 

 

Таблица VII.4

 

 

На рис. VII.8, в приведена схема насоса с коренным валом 1 и креплением его в станине на подшипниках качения, установленных на его эксцентриках. Такой монтаж обеспечивает надежное крепление вала, так как диаметры подшипников больше, чем в конструкциях с консольным расположением шатунов на кривошипах. Шатуны 2 крепятся на эксцентриках, в связи с чем значительно уменьшается ширина насоса, так как на валу нет щек. Такая конструкция позволяет крепить трансмиссионный вал на двух подшипниках, а не на четырех. Необходимая жесткость этого вала обеспечивается увеличением его диаметра.

На рис. VII.8, г показана схема трехцилиндрового насоса с креплением трех шатунов 2 на эксцентриках коренного вала 1. Ввиду сложности монтажа в этих насосах используют схему с расположением опорных подшипников на концах вала и одной зубчатой передаче 3 между ними. Эксцентрики и оси цилиндров расположены на равном расстоянии. Общая ширина насоса определяется шириной гидравлической части.

Масса и габаритные размеры современных двухцилиндровых горизонтальных буровых насосов двустороннего действия мощностью 700—1000 кВт намного меньше, чем масса и габаритные размеры насосов старых конструкций. Это достигнуто в результате усовершенствования приводной части и увеличения числа ходов с 50 до 65, а масса трехцилиндровых насосов одностороннего действия на 30—35% меньше, чем двухцилиндровых.

На рис. VII.9 показан коренной вал в сборе двухцилиндрового насоса. Привод осуществляется от косозубой цилиндрического колеса, насаженного на коренной вал, который установлен на двух роликовых опорах. Мотылевые головки шатунов смонтированы на двухрядных конических роликоподшипниках.

Конструкция трансмиссионной части трехцилиндрового насоса показана на рис. VII. 10. Коренной вал укреплен в корпусе на конических роликоподшипниках, установленных на концах вала. Литой эксцентриковый барабан укреплен на валу на шпонке и посадке. Шатуны смонтированы на эксцентриках на двухрядных конических роликоподшипниках. Коренной вал смонтирован в корпусе также на двухрядных конических роликоподшипниках, а шатуны на двухрядных сферических ролико-подшипниках. Такой монтаж позволяет некоторую самоуста-новку шатуна при переносе осей пальца головки и коренного вала. При этом ползун должен быть с плоскими поверхностями. При цилиндрическом ползуне возможны поворот шатуна и выход из строя привода.

На рис. VII.11 показана трансмиссионная часть трехцилиндрового насоса в разобранном виде, с литым коренным валом, шевронной зубчатой передачей и разъемным шатуном.

 

 

Рис. VII.8. Схемы трансмиссионных частей буровых насосов 

 

 

Конструкция элементов трансмиссионной части

Станина является основной, наиболее сложной и дорогой деталью буровых насосов. Она представляет собой металлический коробчатый корпус, соединяющий трансмиссионную и гидравлические части. Станины изготовляют литыми из стали 35Л или высокопрочных чугунов, а также сварными из стальных листов. Преимущество стальной сварной станины перед стальной литой или чугунной заключается в том, что при одинаковой прочности первая может иметь меньшие толщину стенок и массу. В мощных насосах для облегчения их применяют сварные станины, в менее мощных — литые из высокопрочных чугунов.

 

 

 

 

Рис. VI 1.9. Коренной вал двухцилиндрового бурового насоса в сборе:
1 — вал; 2 — подшипники; 3 — шатун; 4 — : зубчатое колесо
 

Рис. VII. 10. Трансмиссионная часть бурового трехцилиндрового насоса НБТ-600:
1, 2 — эксцентриковые барабаны вала; 3 - зубчатое колесо; 4 — подшипник шатуна; 5 — стакан; 6 — подшипник; 7 — вал; 8, 9, 11 — секторы крепления подшипников шатунов;
10 — шатун; 12 — подшипник трансмиссионного вала; 13 —трансмиссионный вал; 14 — шестерня

 

 

Рис. VII.11. Детали сборки трансмиссионной части трехцилиндрового насоса:
1 — трансмиссионный вал; 2 — шпонка: 3 — коренной вал; 4 — крышка шатуна; 5 — зубчатое колесо; 6, 7, 8 и 9 — подшипники шатуна, коренного и трансмиссионного валов и головки шатуна; 10 — шатун; 11 — контршток; 12 — ползун; 13 — палец ползуна

 

 

Крышки сварной станины трехцилиндрового бурового насоса изготовляют из тонколистовой стали: корпуса подшипников неразъемные, люки закрываются крышками из тонколистовой стали или литыми из чугуна.

Внутренняя полость станины должна быть закрыта и сообщаться с атмосферой через фильтр, находящийся в сапуне, установленном в верхней точке. Приводная часть от гидравлической изолируется сальником промежуточного штока, расположенным в разделяющей стенке корпуса.

 

Масляная ванна вместимостью 0,3 л на 1 кВт мощности насоса снабжается указателем уровня, заправочной горловиной, сливным отверстием и трубкой, отводящей масло из сливного отверстия.

Зубчатая передача предназначена для снижения частоты вращения коренного вала с 250—600 до 35—180 об/мин. Первичные двигатели, приводящие буровые насосы, обычно имеют частоту вращения 700—1500 об/мин. Между двигателем и коренным валом насоса применяют передачи, редуцирующие частоту вращения в 5—20 раз. Такую редукцию осуществлять в одной передаче нерационально, поэтому обычно ее разбивают на две или три ступени. Между двигателем и трансмиссионными валом насоса находится клиноременная передача и при больших мощностях многорядная цепная передача. Передаточное отношение их  = 24----3,5.

Вторую передачу встраивают непосредственно в насос между трансмиссионным и коренным валами. В ней применяются цилиндрические зубчатые колеса с косым (угол наклона 6—7°) или шевронным зубом и эвольвентным зацеплением, зацеплением Новикова или многорядные роликовые цепи. В насосах небольшой мощности иногда используются прямозубые колеса или роликовые многорядные цепи. Передаточное отношение этой пары u = 3,0-----5,5. Модуль зубчатой передачи 8— 14 мм. Зубчатые венцы изготовляют из легированных хромоникелевых сталей марки 40ХН или 38ХМ с поверхностной закалкой зуба токами высокой частоты до твердости HRC 54----57.

Для косозубых передач на трансмиссионных и кривошипных валах устанавливают подшипники, воспринимающие осевые нагрузки. При шевронных прямозубых и цепных передачах осевых нагрузок не возникает, если один из валов допускает осевое перемещение. Обычно это осуществляют на трансмиссионном валу как менее нагруженном и не связанном с другими элементами насоса. Трансмиссионный вал крепят на двух или четырех опорах. Наличие большого числа опор при небольших неточностях изготовления вызывает преждевременный износ подшипников и поломки вала, поэтому их сейчас применяют редко.

В некоторых случаях при монтаже буровой установки требуется размещать приводной шкив справа или слева от насоса; для этого трансмиссионные валы изготовляют с двумя выступающими концами.

Шестерня с валом представляют собой либо откованную за одно целое деталь, либо отдельные детали, соединяемые шпонками. Кривошипно-шатунная группа состоит из коренного вала с зубчатым колесом, шатуном, ползунов и промежуточных штоков.

Коренные валы изготовляют коваными (коленчатые и кривошипные) или литыми (эксцентриковые, пальцевые). Коленчатые валы в крупных современных насосах не применяют. Кривошипный вал насоса состоит из вала, на который насажено косозубое колесо. На цилиндрические поверхности вала двухцилиндрового насоса насажены кривошипы под углом 90° друг к другу, а в трехцилиндровых—под углом 120°. На мотылевых шейках кривошипа монтируют головки шатунов на сдвоенных конических роликоподшипниках, закрытых крышкой. Коренной вал монтируют на двух опорах, состоящих из двух сдвоенных конических или сферических роликоподшипников.

Эксцентрики валов отливают из стали марки 35Л или легированных высокопрочных чугунов с добавкой никеля, хрома, ванадия и др. Зубчатый венец обычно насадной. В первых конструкциях насосов с эксцентриками валов шатуны монтировали на подшипниках скольжения, но такие насосы широко не применяли из-за сложности изготовления и ремонта подшипника большого размера, небольшой их долговечности и необходимости применять бронзу для изготовления вкладышей.

Подшипники качения применяют роликовые двухрядные конические, сферические, игольчатые и однорядные конические и цилиндрические, обеспечивающие сроки службы не менее 10000 ч. Для крепления коренного вала применяют двухрядные конические роликоподшипники, так как они имеют небольшую ширину, большой диаметр и достаточную работоспособность.

 Подшипники, устанавливаемые в мотылевую часть шатуна, двухрядные конические или сферические, обеспечивающие восприятие радиальных и осевых усилий и компактность конструкции. Для лучшего восприятия действующих на коренной вал бурового насоса толчкообразных нагрузок подшипники собирают с предварительным натягом.

Эксцентриковые коренные валы и трансмиссионные валы устанавливают на цилиндрических, однорядных или двухрядных конических или сферических роликоподшипниках.

Для восприятия осевой нагрузки, создаваемой косозубыми колесами, на трансмиссионном валу используют двухрядные конические роликоподшипники. Сферические роликоподшипники устанавливают при больших расстояниях между опорами для компенсации прогибов вала.

На пальце ползуна в мощных насосах применяют двухрядные игольчатые роликоподшипники, которые воспринимают большую нагрузку. Для удобства демонтажа подшипников должна предусматриваться возможность захвата каждого кольца подшипника съемником, для чего кольцо выступает над поверхностью бурта или заплечика, в который оно упирается.

Подшипники скольжения используют в головках шатунов насосов малых и средних мощностей. Шатуны буровых насосов изготовляют коваными или литыми из стали с целой или разъемной мотылевой головкой.

Ползуны в буровых насосах применяют для того, чтобы направлять промежуточный шток и освободить его от действия тангенциальных усилий, возникающих на головке шатуна, и не связывать ее непосредственно с поршнем.

Для предохранения от износа направляющих в станине устанавливают накладки. Чтобы обеспечить нормальную работу, зазор между направляющими ползуна, накладкой и станиной должен быть 0,2—0,5 мм. Накладки собирают со станины с точностью прилегания до 0,08 мм, а зазор между втулкой и пальцем должен быть 0,05—0,1 мм.

Для компенсации износа накладок служат тонкие прокладки из листовой латуни между корпусом станины и накладкой. Палец ползуна надежно укрепляют в отверстии при помощи цилиндрической или конусной посадок с натягом, фиксируют шпонкой или торцовой планкой и болтами. Пальцы необходимо периодически осматривать и подтягивать в период эксплуатации.

Передняя часть корпуса ползуна имеет резьбовое отверстие, в которое ввинчивается или крепится болтами удлинитель штока, соединяемый далее при помощи конусной или цилиндрической посадки со штоком поршня. Все резьбовые соединения штока при помощи контргаек надежно застопориваются от отвинчивания.

На рис. VII.12 показан составной шток насоса двойного действия.

 

 

 

 

Рис. VII.12. Составной шток насоса двустороннего действия:
1- поршень; 2 шток; 3 труба для поливки; 4 — удлинитель; 5 — накладка станины 6 — контргайка; 7 — ползун; 5—уплотнение удлинителя; 9 — диск отражатель- 10, 12-
гайка и контргайка; 11 — уплотнитель штока

 

Приводной клиноременный шкив или цепное колесо устанавливают на консоли трансмиссионного вала. Шкивы обычно изготовляются из чугуна с 12—20-ю канавками для клиновидных ремней профилей Г, Д или Е. На валу они крепятся конусной или цилиндрической посадкой и шпонкой. Стальные литые или сварные шкивы применяют редко. Цепные колеса изготовляют коваными или литыми из стали.

Смазка зубчатой передачи и всех трущихся элементов трансмиссии насоса осуществляется централизованно масляным насосом путем разбрызгивания масла или погружения в масляную ванну на глубину 0,75 высоты зуба.

Подшипники качения смазываются маслом, попадающим в подшипниковые камеры в результате разбрызгивания (коренные и эксцентриковые подшипники) или поступающим самотеком по специальным каналам из коробок или полостей станины, в которые собираются скребком с поверхности зубчатого колеса или шестерни (подшипники трансмиссионного вала и мотыле-вые, направляющие ползуна и его палец). Подшипники качения, располагающиеся в изолированных камерах, смазываются мазями (трансмиссионный вал, мотылевые подшипники).

В мощных насосах смазка подается автоматическими при помощи масляных насосов. Для смазки сальника контрштока масло подводится от масляного насоса.

Штоки поршня обмываются водой или маслом, подаваемым другим смазочным насосом, приводимым индивидуальным электродвигателем. Смазочный агрегат встраивается в буровой насос. Применение масла вместо воды для обмывки штоков увеличивает срок их службы в несколько раз.

 

Гидравлическая часть насоса

В гидравлической части бурового насоса происходит передача энергии от поршней к жидкости. Гидравлические части выполняются по различным схемам и отличаются по конструкции. Они различаются расположениями всасывающего и нагнетательного клапанов — несоосное в разных коробках или соосное в одной, а также конструкцией элементов крепления втулки, поршня и штока.

На рис. VII.13 приведены конструкции гидравлических частей трехцилиндрового насоса одностороннего действия. В первом случае всасывающий и нагнетательный клапаны расположены ступенчато и имеют различные крышки. Втулка и поршень закреплены на быстросъемных устройствах, благодаря чему осмотр и смена этих элементов достаточно просты и не требуют много времени. Недостатком конструкции являются удлиненные каналы всасывающего и нагнетательного клапанов.

Во втором случае клапаны расположены соосно, и извлечение всасывающего клапана и седла, а также смена втулки сложнее. Преимуществом этой конструкции являются короткие каналы и небольшой объем мертвого пространства.

Основными элементами гидравлической части бурового насоса являются клапанная коробка, всасывающий и нагнетательный коллекторы, цилиндровые втулки, поршни, штоки и клапаны. В двухцилиндровых насосах двустороннего действия гидравлические коробки более сложны, чем в трехцилиндровых одностороннего действия.

Конструкция большинства элементов гидравлических частей насосов одностороннего и двустороннего действия различны, кроме клапанов, их крышек, седел и манжет поршней.

Гидравлическая коробка служит для образования рабочих камер, и каналов, по которым жидкость подводится к рабочим камерам и отводится от них, а также для размещения и крепления клапанов и остальных элементов гидравлической части.

Гидравлическая коробка может быть литой из стали, кованой и сварной из отдельных элементов (рис. VII. 14). Достоинствами кованой коробки являются простота изготовления, небольшая масса при больших давлениях насоса.

В гидравлических коробках двухцилиндровых насосов цилиндры изготовляют литыми вместе с клапанными коробками из качественной углеродистой стали с толщиной стенок 20— 30 мм. В клапанных коробках двухцилиндровых буровых насосов нагнетательные клапаны располагаются или над гидравлическим цилиндром, или с небольшим смещением относительно его оси. Всасывающие клапаны находятся снизу с внешней стороны гидравлических цилиндров. Объем рабочей камеры в конце хода нагнетания, или так называемое вредное пространство, должен быть минимальным.

Клапаны, поршни, втулки цилиндров, сальники и штоки работают при высоких давлениях в среде высокоабразивной жидкости и сильно изнашиваются, поэтому эти детали не могут обеспечить срока службы в несколько тысяч часов, как это требуется от бурового насоса. Эти детали изготовляют наиболее простой конструктивной формы, что обеспечивает их быструю замену.

Цилиндровые втулки буровых насосов являются наиболее ответственными сменными деталями насоса. Для каждого насоса предусматривается комплект втулок, отличающихся внутренними диаметрами, что позволяет осуществлять ступенчатое регулирование подачи насоса. Большое число промежуточных подач позволяет улучшить использование мощности буровых насосов при бурении.

 

 

 

 

Рис. VII. 13 Гидравлическая часть насоса одностороннего действия с различными клапанными коробками:
а —несоосное (ступенчатое) расположение клапанов насоса НБТ-600; б —соосное расположение клапанов насоса УНБТ-800; 1- гидравлическая коробка; 2, 10 — всасывающий и нагнетательный коллекторы; 3, 4 — крепление штока и втулки, 5 — крышка клапанной коробки; 6 — поршень и шток; 7 —втулка; 8, 9 — нагнетательный и всасывающий клапаны 

 

 

 

Наружная посадочная часть втулок изготовляется цилиндрической одного диаметра с расточкой в клапанной коробке. Втулка имеет бурт для крепления и предохранения ее от осевого сдвига. В зависимости от конструкции упорный бурт располагают в различных частях по длине втулки. Для уменьшения износа внутреннюю поверхность втулки тщательно шлифуют. Поверхностная твердость внутренней части втулки очень высокая.

Для насосов, работающих при высоких давлениях (более 20 МПа), цилиндровые втулки изготовляют «двухслойными», т. е. внутренняя часть из высокохромистых сталей или отбеленных чугунов типа 260X28 с содержанием хрома 27—30%, марганца до 1 % и других легирующих элементов. После термической обработки поверхность зеркала цилиндра имеет твердость HRC 65. Наружная часть втулки изготовляется из конструкционных углеродистых сталей.

Такие втулки изготавливаются либо центробежным литьем, либо запрессовыванием тонкостенной гильзы (толщина стенки 5,5—6 мм) во втулку из стали марки 65Г с толщиной стенки 10 мм и более. Некоторые зарубежные фирмы наносят на внутреннюю поверхность трения стальной втулки слой металлического хрома толщиной 0,6—0,7 мм.

Благодаря этим мероприятиям поверхность трения цилиндра долго сохраняет хорошее состояние при высоких давлениях, хорошо сопротивляется коррозии, что также благоприятно влияет на долговечность поршней насоса.

Крепление и уплотнение втулки в гидравлической коробке необходимо, чтобы втулка была неподвижна, гермитична. Крепление и герметичность не должны нарушаться при смене поршня. Конструкция креплений и уплотнения должна допускать быструю и легкую смену втулки и обладать необходимой долговечностью.

Сложность конструкции этого узла в насосах двойного действия заключается в том, что необходимо осуществить уплотнение и крепление крышки цилиндров и втулки одновременно. В насосах одностороннего действия эта задача решается проще, так как при высоком давлении внутри камеры в процессе нагнетания втулка выталкивается наружу с большей силой, чем сила трения поршня о втулку, действующая в противоположном направлении. Поэтому в насосах одностороннего действия уплотняющий элемент втулки устанавливают со стороны жидкости.

В насосах двустороннего действия выталкивающая сила жидкости действует на втулку попеременно с обеих сторон. В этих насосах уплотнение втулки изнашивается. Лучшие результаты дают конструкции с раздельным креплением и подтягиванием уплотнений крышки и втулки. В корпусе цилиндра, делается отверстие, позволяющее контролировать герметичность уплотнения.

В насосах одностороннего действия нарушение герметичности уплотнения заметно по утечке жидкости.
 

 

 

 

Рис VII 14 Элементы кованой гидравлической коробки трехцилиндрового насоса одностороннего действия
1 — гидравлическая коробка, 2, 6 — всасывающий и нагнетательный коллекторы, 3 — элементы крепления всасывающего клапана 4 — крепление втулки 5, 7 — крышка и стакан клапанной коробки

 

 

 Уплотнение пространства между втулкой и корпусом в насосах двустороннего действия изолирует две рабочие камеры, находящиеся по обе стороны поршня. Нарушение уплотнения втулки приводит к промыванию каналов в ее бурте и корпусе гидравлической коробки вследствие перетока жидкости (под действием полного давления нагнетания) из камеры, в которой происходит нагнетание, в камеру, где происходит всасывание. Поэтому для этих насосов лучшим является независимое крепление втулки от поджимного устройства для подтягивания уплотнения.

Уплотнение втулок цилиндра осуществляется резиновыми и резинометаллическими кольцами различных конструкций. Такое уплотнение состоит из двух металлических колец и резиновых манжет.

Крышки цилиндров обычно изготовляют из литой стали с ребрами жесткости и крепят на шпильках к гидравлической коробке. Крышки уплотняются при помощи прокладок или манжетных сальников из резины или Пластмассы. Прокладки закладываются в выточки, исключающие их выжимание под действием давления жидкости.

Поршень бурового насоса не только обеспечивает уплотнение и длительную службу, но и быструю смену его при изменении диаметра втулки или при износе. Для обеспечения уплотнения, удобства разборки и быстрой смены поршня соединение его со штоком в насосах двустороннего действия осуществляется на конической посадке, а в насосах одностороннего действия — на цилиндрической посадке с манжетным уплотнением.

Поршень состоит из стального сердечника и одной или двух съемных или привулканизированных к нему резиновых манжет.

Увеличение диаметра манжет поршня относительно диаметра отверстия втулки создает предварительный натяг, обеспечивающий правильное действие всякой самоуплотняющейся манжеты. Под действием давления жидкости резина манжеты еще плотнее прижимается к рабочей поверхности втулки, создавая надежное уплотнение.

 

 

 

Рис. VI 1.15. Конструкции поршней буровых насосов:
1 — ступица; 2— манжета поршня; 3 — контрольная проточка; 4 — кольцо манжеты; 5 — шайба манжеты; 6 — запорное кольцо; 7 — очищающие манжеты

 

 

В поршнях буровых насосов наружный диаметр манжеты в свободном состоянии на 2—3 мм больше внутреннего диаметра втулки, а длина конической части каждой манжеты составляет 25—27 мм при общей длине поршня 135—150 мм.

Поршни имеют различную конструкцию. Монолитный поршень насоса двустороннего действия (рис. VII. 15, а) состоит из металлического сердечника и привулканизированных к нему с двух сторон уплотняющих манжет. Для увеличения прочности соединения резины с металлом на сердечнике имеются фигурные проточки. Недостатком поршней такой конструкции является необходимость смены всего поршня при износе резиновой его части. В поршнях такой конструкции манжеты изготовляют из синтетической маслонефтестойкой резины с твердостью по Шору 80---90.

На рис. VII. 15, б показан поршень с комбинированными сменными уплотняющимися манжетами. Они состоят из двух раздельных или прочно свулканизированных между собой частей: уплотняющей, изготовленной из полиуретана или маслостойкой синтетической резины, и резинотканевой основы. Эти поршни широко применяются в практике. Их преимуществом является возможность смены манжет без снятия сердечника со штока.

На рис. VII.15, в приведен поршень насоса одностороннего действия с обратной очищающей манжетой. Тыльная часть — резинотканевая с подкладкой из полиуретана или резины. Конструкция обеспечивает большую устойчивость манжеты и ее смену при ремонтах. Уплотнение внутренней части осуществляется сжатием шайбой торца манжеты. Поршень со стороны штока иногда снабжают манжетой для очистки цилиндра.

 Шток бурового насоса, присоединяемый одним концом к контрштоку, а другим к поршню, служит для передачи мощности от приводной части к гидравлической. В насосах двустороннего действия шток уплотняется сальником на выходе из гидравлической коробки. В разделительной перегородке приводной части устанавливается сальник для уплотнения контрштока. Больше всего изнашивается шток в сальнике гидравлической коробки, где он находится под действием больших давлений на поверхности трения и в условиях неизбежного присутствия абразивных частиц. В разделительной перегородке сальник работает в более легких условиях.

Штоки изготовляют цельными или составными. При составных штоках часть, соединенную с ползуном, называют удлинителем или контрштоком, диаметр которого обычно больше, чем диаметр штока поршня. Длина штока зависит от хода насоса и обычно составляет в насосах одностороннего действия 0,4— 0,6 м, а в насосах двустороннего действия— 1,4—1,7 м, диаметр 50—90 мм. С одной стороны на нем нарезана резьба или фланец для соединения с контрштоком или ползуном, а с другой стороны имеются цилиндрическая или конусная часть для посадки и крепления поршня. На теле штока делают треугольные шлицы, лыски или шестигранник для вывинчивания при смене или удержания при отвинчивании гайки поршня. Конусная посадка поршня обеспечивает необходимую прочность и герметичность соединения и облегчает распрессовку в промысловых условиях. При малых конусностях на штоках предусматривают упорный торец для поршня.

Штоки буровых насосов двустороннего действия должны иметь высокую твердость поверхности для уменьшения износа и большую прочность сердцевины, для чего они изготовляются из цементуемых легированных сталей марки 12ХН4 или 20ХНЗА либо из калящихся конструкционных сталей марок 40Х, 40ХН, 38ХШЮН с нагревом токами высокой частоты и закалкой только поверхности на глубину 2—5 мм до твердости HRC 524-58. Твердость сердцевины штока НВ 280-----320.

В насосах одностороннего действия штоки изготовляют без упрочнения поверхности, так как они не изнашиваются сальником.

Сальниковые уплотнения штоков насосов двустороннего действия предназначены для уплотнения штока поршня и делятся на нажимные и самоуплотняющиеся. Нажимные сальники затягивают для создания давления между штоком и набивкой большего, чем давление жидкости. Для высоких давлений такие сальники не применяют. Самоуплотняющиеся сальники не надо сильно затягивать, так как происходит самоуплотнение. Они работают даже при износе штока на 1—1,5 мм.

Когда в уплотняемой рабочей камере совершается всасывание, трение в самоуплотняющемся сальнике незначительно. При полном давлении прижатие сальника к штоку не может быть произвольно большим, как в случае нажимного сальника. Уменьшение давления на поверхности манжета — шток обеспечивает большую продолжительность срока службы как манжеты, так и штока. Начальное обжатие штока должно быть таким, чтобы обеспечить уплотнение камеры при всасывании.

Кольца набивки нажимного уплотнения могут быть разрезными или неразрезными. Последние менее удобны.

Резьбовые втулки устраняют возможность одностороннего сжатия набивки и позволяют осуществить необходимое уплотнение. Для предохранения манжетного уплотнения от скручивания служит металлическое кольцо.

Самоуплотняющийся сальник снабжается устройством для подачи смазки.

Для уменьшения износа сальника и штока насоса шток должен обмываться чистой водой или смесью машинного масла с дизельным топливом. Обычно в насосе предусматривается трубка, непрерывно подающая на шток вблизи сальника тонкую струю воды из водопроводной сети или из бачка, устанавливаемого над насосом.

Для уплотнения штоков при низких давлениях применяют резиново-тканевые кольца, при высоких давлениях — различные комбинированные сальники, состоящие из резиновых колец с металлическим каркасом. В современных буровых насосах для уплотнения штоков при давлениях 20—40 МПа используют преимущественно сальники с самоуплотняющимися манжетами различных конструкций.

Кольца сальника имеют косые разрезы для смены их без разборки. При затяжке одно кольцо тыльной частью нажимает на выступ другого кольца, вследствие чего последнее деформируется и происходит предварительное уплотнение. В сальнике с несколькими V-образными и нажимными металлическими кольцами устанавливают 4—8 манжет, однако при работе больше изнашиваются первые две манжеты. Сальники этого типа не требуется сильно затягивать.

Уплотняемую часть манжет обычно изготовляют из масло-нефтестойкой синтетической резины твердостью по Шору 85 — 95 или из различных пластмасс.

 

 

 

 

Рис. VII.16. Клапан бурового насоса и его элементы 

 

Клапаны в буровых насосах применяют только тарельчатые.

Клапан (рис. VII.16) состоит из седла 1, тарелки со штоком 2, уплотняющего кольца 3, элементов его крепления 4 и пружины 5. Уплотняющая поверхность коническая с углом наклона 30—45°.

При прокачке буровых растворов, содержащих абразивные частицы, особенно утяжеленных растворов, срок службы клапанов значительно сокращается, а в ряде случаев вместо 300—500 ч составляет всего 20—30 ч работы, поэтому конструкция клапанов должна допускать быструю их смену, и осмотр. Для удобства эксплуатации всасывающие и нагнетательные клапаны изготовляют одинаковыми по конструкции и размерам.

Тарелка клапана снабжается направлением, обеспечивающим точную посадку на седло одновременно по всей поверхности посадочного пояска; для увеличения опорной поверхности тарелка клапана нижней плоскостью одновременно садится на ребра седла.

Наиболее ответственным элементом, определяющим долговечность клапана, является сопряжение уплотняющего элемента посадочных поверхностей седла и тарелок. Пластические материалы и резины при всестороннем сжатии жидкостью почти не меняют своего объема, но легко меняют форму и заполняют свободное пространство под действием разности давлений.

Если тарелка клапана садится на седло раньше, чем уплотняющее кольцо, то раствор, прорываясь в щель клапана, быстро размывает металлические посадочные поверхности. Если же уплотняющее кольцо садится на седло ранее тарелки, то под действием давления пластичный материал будет вдавлен в щель и быстро разрушится его уплотняющая кромка. Поэтому в настоящее время уплотняющие кольца клапанов для высоких давлений делают большого сечения со скругленными краями из жестких пластмасс (полиуретана) или синтетических резин, иногда армированных тканью.

 

 

 

 

Рис. VII. 17. Конструкции сопряжений уплотняющих элементов клапанов:
а —с кольцом одной толщины; б — со свободным кольцом; в —с кольцом круглого сечения; 1 — седло; 2 —тарелка; 3 — уплотняющее кольцо; 4— нажимной диск

 

 

На рис. VII. 17 приведены различные уплотняющие элементы клапанов, где А — деформируемая часть уплотнительного кольца под действием давления р. Для уменьшения износа уплотняющих поверхностей тарелки клапанов и седла их термически обрабатывают либо по всему объему, либо только посадочные поверхности с нагревом токами высокой частоты или цементуют и закаливают. Закалка с нагревом производится на глубину 2—4 мм. Твердость клапана HRC 55----60. Для клапанов применяют калящиеся конструкционные стали марок 40ХНМ, 40ХС, 38ХСТ и др. При цементации применяют низкоуглеродистые конструкционные стали марок 20Г, 18ХГТ, 20ХНЗ и др. Для изготовления седел клапанов используют стали марок 40ХНЗ, 40Х, при закалке после цементации — стали марок 25ХНМА, 20ХНЗ и др.
 

Твердость поверхностей седла принимается того же порядка, что и тарелки клапана. Посадочные поверхности не должны иметь чернот и других дефектов, а также должны быть концентричны с направляющими цилиндирическими поверхностями и обеспечивать одновременную посадку на коническую поверхность и на ребра.

Клапанные крышки изготовляют из стального углеродистого литья и крепят к гидравлическим коробкам для быстрой смены клапана на резьбе крупного шага или на 6—10 шпильках и уплотняют резиновым кольцом. Крышка клапана имеет центрирующий уступ. Втулка верхнего штока клапана обычно съемная.

Пружины клапанов цилиндрические, спиральные, работающие на сжатие, обычной конструкции. Материалом для их изготовления служит цельнотянутая пружинная сталь марки 60С2А с твердостью HRC 40----45. 

 

§ 7. РАСЧЕТ БУРОВЫХ НАСОСОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Мощность и к. п. д. насоса

Полезная мощность насоса (в кВТ)

 

Действующие нагрузки на насос

При определении мощности приводного двигателя и нагрузок, действующих на элементы насоса, следует учитывать, что насос может работать как на воде, так и на тяжелых буровых растворах как с подпором, так и с большой высотой всасывания.

Наихудшие условия для расчета, т. е. наибольшая потребная приводная мощность, будут при работе насоса при наибольшем коэффициенте наполнения. Чем выше подпор на всасывающей линии, тем больше коэффициент наполнения; при свободном всасывании и перекачке воды он будет выше, чем при перекачке вязких буровых растворов.

Гидравлическую коробку насоса рассчитывают на статическую прочность по давлению опрессовки, механическую часть — по усилиям, действующим в его элементах при наибольшем крутящем моменте, развиваемом двигателем:

 

 

 

Расчет на прочность гидравлической части насоса

В гидравлической части на прочность рассчитывают клапанные коробки, напорные коллекторы и трубопроводы, штоки, крепления поршня, крышки и их крепление, тарелки клапанов, пружины и др. За расчетное давление для цилиндров и трубопроводов может быть принято давление опрессовки, которое обычно должно быть в 1,5 раза выше наибольшего давления, развиваемого насосом.

Для расчета клапанной коробки на прочность используем рис. VII. 18, из которого следует

 

 

 

Расчет приводной части

Детали приводной части насоса рассчитывают по наибольшему крутящему моменту. Ниже приведен расчет кривошипно-шатунного механизма.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..     34      35      36      37     ..