Расчет на прочность и долговечность гидравлической части бурового насоса УНБ-600

 4 Расчет на прочность элементов гидравлической части бурового насоса

При конструировании буровых насосов прежде всего должны быть определены основные параметры − подача, число цилиндров, число двойных ходов поршней и развиваемые насосом давления при наибольшей и наименьшей подачах.

Элементы бурового насоса рассчитывают на прочность по наибольшим нагрузкам, возникающим при работе, а на долговечность − по эквивалентной нагрузке. Для деталей, подверженных абразивному износу, долговечность теоретически не определяется, сроки службы устанавливаются по опыту эксплуатации аналогичных конструкций в зависимости от условий работы и свойств прокачиваемого бурового раствора.

В гидравлической части бурового насоса определяют основные размеры и рассчитывают на прочность и выносливость находящиеся под давлением элементы − гидравлическую и клапанную коробки, цилиндры, выходной коллектор, штоки, крепления поршня, сальники, клапаны, седла, пружины, крышки, их крепление и др.

[pic 1]

1 − поршень; 2 − шток поршня; 3 − уплотнитель штока; 4 − шток ползуна; 5 – ползун.

Рисунок 6 − Расчетная схема поршень-шток

Эти элементы рассчитывают на статическую прочность по усилиям, возникающим в них при действии испытательного давления, принимаемого в 1,5 раза больше рабочего давления, возникающего при работе насоса с наименьшим диаметром поршней. Расчеты на выносливость ведут по переменным во времени напряжениям, действующим при асимметричном или пульсационном циклах.

Штоки насосов одностороннего действия рассчитывают на сжатие и продольную устойчивость, а двухстороннего действия — также и на растяжение.

4.1 Расчет штока на сжатие и растяжение

Наибольшее напряжение растяжения или сжатия σ  в минимальном поперечном сечении штока

σ =                          (1) [pic 2]

где     Рmax − максимальная нагрузка на шток, Н;

  f  −  наименьшая площадь сечения щтока, м2.

Нагрузка, действующая на шток в насосе двухстороннего действия, складывается из давления жидкости на поршень, трения его уплотнения о стенки цилиндровой втулки и трения штока в сальнике.

Сила, сжимающая шток Ршс , без учета сил инерции

[pic 3]         (2)

В насосах с самоуплотняющимися манжетами силы трения в сальнике можно не учитывать, так как при сжатии штока в штоковой камере происходит всасывание и давление незначительно.

Сила РШР, растягивающая шток насоса двухстороннего действия

[pic 4],                                                         (3)

где     d, D − диаметры штока и поршня, м;

          l1 и l2 − длины уплотнения соответственно поршня и сальника, м;

          μ − коэффициент трения между резиной и металлом уплотнений поршня и штока, μ = 0,1÷0,2;

kс − коэффициент среднего давления уплотнения на шток, kс = 0,15÷ 0,2.

Найдя силы, действующие в штоке, определяют напряжения в его сечениях и коэффициенты запаса прочности.

Максимальные напряжения сжатия σc max находят из формулы (1):

σc max = , где  площадь поперечного сечения штока.[pic 5][pic 6]

Коэффициент запаса прочности по текучести

ST = ,        (4)[pic 7]

где     σт − предел текучести материала штока, Па.

Коэффициент запаса прочности должен быть в пределах 2÷ 5.

На растяжение гладкое сечение штока не рассчитывается, так как Ршс>Ршр.