3.12 Основи розрахунку зворотно-поступальних насосів
3.12.1 Розрахунок гідравлічної коробки насоса
Гідравлічні коробки насосів і циліндрові втулки розраховують як товстостінні посудини, що працюють під тиском. Напруження в їх стінках при перевірочних розрахунках визначаються за формулою Ляме
,
(3.57)
де
– робочий тиск в циліндрі;
– відповідно
зовнішній і внутрішній діаметр перерізу,
в якому визначається напруження;
– допустиме
напруження для матеріалу гідрокоробки.
Найчастіше гідрокоробки насосів відливають із чавуну або сталі (конструкційної чи легованої) з товщиною стінок (за конструктивними і технологічними міркуваннями) не менше 15...20 мм.
3.12.2 Розрахунок штока насоса двохсторонньої дії
Шток насоса розраховується на стійкість і втому (при розтягу-стиску). Напруження визначається в небезпечних перерізах штока (різьба, канавки для виходу різця, місце під ключ).
Знаходять максимальні та мінімальні напруження
;
(3.58)
,
(3.59)
де
і
– відповідно максимальне і мінімальне
зусилля, що діє на шток;
– площа
перерізу штока;
– найменший
діаметр штока.
Найбільше стискуюче зусилля, що діє на шток
,
(3.60)
де
– зусилля від тиску рідини ( в передній
камері насоса);
– зусилля
від тертя в циліндропоршневій парі
(ЦПП);
– робочий
тиск в циліндрі;
– діаметр
поршня;
– довжина
гумової манжети поршня;
– коефіцієнт
тертя гуми по сталі (
).
Найменше розтягуюче зусилля, що діє на шток
,
(3.61)
де
– зусилля від тиску рідини в штоковій
камері насоса;
– зусилля
від тертя в ущільненні штока;
– коефіцієнт
тертя в ущільненні штока (
).
Розрахунок штока на стійкість ведеться за рівнянням Ейлера
,
(3.62)
де
– критичне навантаження на шток;
– модуль
пружності матеріалу штока;
– момент
інерції небезпечного перерізу;
– довжина
штока.
Момент інерції визначається виразом
,
(3.63)
де – діаметр штока.
Радіус інерції перерізу
,
(3.64)
Стійкість штока
,
(3.65)
де
– коефіцієнт, що враховує спосіб
закріплення кінців стержня (для штока
).
Якщо
стійкість штока
,
то критичне навантаження визначається
за формулою Ейлера, а запас стійкості
повинен бути
.
Запас стійкості
.
(3.66)
Якщо
стійкість
,
то розрахунок ведеться за формулою
Ф. Ясінського
,
(3.67)
де
– критичні напруження для штока.
Запас стійкості штока ( )
.
(3.68)
3.13 Регулювання режиму роботи зворотно-поступальних насосів
Подача ЗПН визначається виразом
,
(3.69)
де – площа поршня (плунжера);
– довжина ходу поршня;
– частота ходів поршня;
і – кратність дії насоса;
– коефіцієнт подачі.
Із залежності (3.69) виходить, що при постійній швидкості приводного двигуна регулювати режим роботи ЗПН (змінювати його подачу) можна зміною робочого об’єму (за допомогою площі або ходу ).
Зміна
діаметра практикується в поршневих і
плунжерних насосах, які комплектуються
змінними циліндровими втулками і
поршнями (плунжерами і їх ущільненнями).
При будь-якому ступеневому регулюванні
подачі об’ємного насоса залежність
(рис.3.15) виражається сімейством ліній,
приблизно паралельних осі тисків. Ці
лінії обмежені зверху точками
,
розміщеними на гіперболі з рівною
корисною потужністю згідно рівняння
,
(3.70)
де
– номінальна корисна потужність насоса.
Граничні
точки
,
для кожної із подач
,
підраховуються за (3.70) і приводяться в
технічній характеристиці насоса.
Змінювати довжину ходу поршня (плунжера) насоса можна за допомогою зміни величини радіуса кривошипа (ексцентрика). В стаціонарних об’ємних насосах (із-за складності) цей метод майже не застосовується. Тільки при видобутку нафти штанговими свердловинними насосними установками (ШСНУ) регулювання режиму роботи свердловини можна досягати зміною величини радіуса кривошипа верстата-качалки (рис.3.16), переставляючи пальці, якими з’єднуються шатуни з кривошипами). Регулювати подачу поршневого (плунжерного) насоса можна зміною швидкості приводного двигуна (теплового, електродвигуна постійного стуму). Якщо ЗПН приводить в рух електродвигун змінного струму (з постійною частотою обертання), то регулювати частоту ходів поршня (плунжера) можна зміною передавального відношення передачі (пасової, ланцюгової, зубчастої) або за допомогою коробки змінних передач (розміщеної між електродвигуном і насосом).
Рисунок 3.15 – Ступеневе регулювання об’ємного насоса
Рисунок 3.16 – Кривошип верстата-качалки
В насосах багатократної дії зменшення подачі інколи можна досягти зниженням кратності дії (виключенням з роботи окремих камер шляхом виймання тарілок вхідних клапанів). Проте, заводи-вироб-ники забороняють регулювання подачі зменшенням кратності дії насоса, оскільки при цьому збільшуються пульсації подачі і тиску, вібрація насоса і динамічні навантаження, а значить – різко знижується ресурс насоса.
Теоретично регулювати режим роботи ЗПН можна зміною величини коефіцієнта подачі (використовуючи пневморегулятори подачі). Промислові дослідження пневморегуляторів подачі показали, що вони ускладнюють конструкцію і знижують надійність гідравлічної частини ЗПН, а тому практично використовуються дуже рідко.
Регулювати роботу об’ємних насосів можна перепуском рідини по байпасу із вихідної лінії на вхідну (метод не економічний), або періодичним їх включенням.