Следующей конструкцией пульсационного насоса была конструкция, разработанная в 1981 г. в горном институте ДонГТУ на кафедре «Технология и техника геологоразведочных работ», целью которой было устранение недостатков конструкции. Цель достигается тем, что нижний торец спускового золотника 14 снабжен поршневым элементом 15, установленным в рабочей полости над поплавковым клапаном.

Практика применения данной конструкции пульсационного насоса показала, что после сравнительно небольшого времени его работы, на деталях системы «золотник-затвор» воздухораспределительного механизма появляются локальные пластические деформации в виде наклепа. Причем степень развития деформации на различных деталях не одинакова. Причина этому – многоточечный динамический и статический контакты стальных шариков-фиксаторов 12, имеющих высокую твердость, с вышеназванными ответственными деталями воздухораспределительными механизмами. Развитие пластических деформаций нередко приводило к заклиниванию шариков фиксаторов и отказу механизма. Визуальный контроль вышедших из строя деталей позволял выявить только места локализации деформаций. Актуальными представляются работы, направленные на повышение надежности устройства.

Конструкция насоса состоит из собранных в одном корпусе двух клапанного воздухораспределительного механизма, согласующего устройства и собственно насоса.

Воздухораспределительный механизм включает в себя выпускной клапан 7, хвостовик 9 которого с пружиной 8 размещен в центральном клапане затвора 13 и выпускного клапана 4, расположенного в центральном отверстии клапанной коробки 6, соединенной с верхним переходником 1 посредством внутреннего3 и наружного 5 патрубков. В верхнем переходнике 1 установлен воздушный фильтр 2. В согласующее устройство входит опирающийся на пружину 11 затвор 13, соединенный с шариками-фиксаторами 12 и со спусковым золотником 14, жестко связанным с поршнем 15, расположенным в центральном канале ниппеля 16. Насосную часть образует клапанная коробка 25 с отверстиями для всасывающего 24 и нагнетательного 26 клапана.

Связывающим звеном между насосной частью и согласующим устройством является поплавковый клапан 18, скользящий по тяге 20 и взаимодействующий с поршнями 15 и 22. воздухораспределительный механизм, согласующее устройство и насосная часть соединены верхним 10 и нижним 19 патрубками.

За счет того, что в отличие от предыдущей конструкции перемещение спускового золотника осуществляется действующей на поршневой элемент силой гидростатического давления столба жидкости, которая значительно больше выталкивающей силы поплавкового клапана, обеспечивается надежное переключение распределительного механизма и тем самым повышается эффективность работы насоса в целом.

1. Составлено математическое описание системы.
2. На основании этого получили расчетные формулы для расчета статических усилий возникающих в местах контакта шариков-фиксаторов с деталями системы «золотник-затвор».
3. Рассчитали напряжения в местах контакта шариков с деталями системы «золотник-затвор».
4. На основании полученного спектра напряжений рекомендовали материал и термообработку для деталей контактирующих с шариками-фиксаторами.

Магистерская работа является частью работ, выполняемых кафедрой «Технология и техника геологоразведочных работ» по созданию технических средств для бурения скважин в осложненных условиях.

Детали согласующего устройства пульсационного насоса могут быть изготовлены из группы конструкционных сталей улучшаемых либо цементируемых или может быть выбрана группа инструментальных марок стали для холодного деформирования повышенной вязкости. В связи с тем что контактирующий с этими деталями шарик-фиксатор имеет твердость на уровне 60 НRC, то желательно чтобы детали системы «золотник-затвор» имели поверхностную твердость близкую к твердости шарика-фиксатора. Поскольку в процессе работы возникают ударные нагрузки, материал должен обладать при высокой твердости и достаточным запасом пластичных свойств.

Из конструкционных улучшаемых могут быть выбраны стали: 40ХН – 50ХН. Однако у них максимальная твердость на уровне 50 – 53 НRC обеспечивается только после закалки и низкого отпуска, в результате сопротивления ударным нагрузкам может оказаться пониженным. Для сталей улучшаемых получить высокую твердость поверхности 53 – 58 НRC при высоких показателях ударной вязкости или при высоком комплексе прочностных и пластических свойств можно, если после улучшения (закалка + высокий отпуск ?550 – 580 ?С) провести закалку с использованием нагрева токами высокой частоты, но это потребует изготовление специальных индукторов, форма которых должна быть максимально приближена к форме изготавливаемой поверхности.

Применение цементируемых сталей может обеспечить высокую поверхностную твердость примерно 57 – 62 единицы НRC в слое глубиной 1 – 2 мм при вязкой сердцевине. Однако это потребует проведение длительной дорогостоящей обработки: цементация с выдержкой не менее 10 часов, закалки и низкого отпуска. Стали: 20Х, 18ХГТ – 25ХГТ, 12ХН2А.

Из сталей инструментальных может быть выбрана сталь 6ХС которая предназначена для изготовления пневматических зубил, рубильных ножей. Данная сталь после закалки от температуры 840 – 860 ?С с охлаждением в масле и отпуске при температуре 240 – 270 ?С обеспечивает твердость 53 – 56 НRC при уровне ударной вязкости 20 – 24 Дж/см?.

Визуальный осмотр элементов системы "золотник-затвор" пневматического вытеснителя, показал недопустимо быстрый и неравномерный износ конической и цилиндрической частей ниппеля 5 и золотника 3, контактирующих с шариками-фиксаторами 6. Кроме того, наличие в точках контакта пластических деформаций в виде наклепа, свидетельствует об их ударном происхождении. Таким образом, главным аспектом повышения надежности пневматического вытеснителя с погружным воздухораспределителем является изучение динамики деталей, входящих в систему "золотник-затвор", во время работы пневматического вытесни-теля. Это позволит прогнозировать нагрузки и напряжения в точках их контакта с шариками-фиксаторами и даст возможность выявить элементы конструкции, наиболее подверженные износу. Расчетная схема системы в положении, когда затвор не взведен, изображена на рисунке

При работе воздухораспределительного механизма динамика элементов системы "золотник-затвор" пневматического вытеснителя следующая.

На этапе нагнетания золотник 3 перемещается вниз за счет усилия P, приложенного к его хвостовику со стороны тяги. Вместе с золотником 3 перемещается затвор 1, опирающийся на заневоленную пружину 4. Связующим звеном между золотником 3 и затвором 1 являются шарики-фиксаторы 6. Пройдя расстояние АБ, последние входят в коническую расточку ниппеля 5. Произойдет размыкание связи затвора 1 с золотником 3, который получит возможность переместиться относительно затвора 1 до упора в его нижние буртики. Только после этого происходит открытие выпускного клапана (не показан) и выхлоп сжатого воздуха из вытеснительной камеры в атмосферу. Под действием гидростатического давления, жидкость поступит в вытеснительный цилиндр (начало этапа заполнения). Пружина 2 выпускного клапана разожмется, и реакция со стороны ее на затвор 1 исчезнет. При возвращении затвора 1 в исходное положение под действием силы упругости пружины затвора 4 происходит удар шариков-фиксаторов 6 по конической поверхности ниппеля 5 в точке H0, о чем свидетельствует наличие на ней локальных пластических деформаций в виде наклепа. Цилиндрическая поверхность затвора 3 будет предотвращать выкатывание шариков-фиксаторов 6 из конической расточки ниппеля 5. Таким образом, затвор 3 окажется во взведенном состоянии, аккумулировав энергию пружины 4, необходимую для перестановки клапанов.

В конце этапа заполнения за счет гидростатического давления жидкости на нижний торец поршня, жестко связанного с хвостовиком золотника 3, последний переместится вверх до момента, пока его коническая проточка совместится с шариками-фиксаторами 6. Шарики-фиксаторы войдут в эту проточку и освободят затвор 1. Затвор 1 при своем движении вверх под действием пружины 4 переставит клапаны воздухораспределительного механизма. Таким образом, завершится рабочий цикл пневматического вытеснителя с погружным воздухораспределителем.

Следует отметить, что поведение шариков-фиксаторов 6 вышеназванной системы во время ее работы существенно влияет на формирование нагрузок в местах контакта с шариками 6 деталей 1, 3 и 5. При этом весьма трудно, не выходя за рамки механики твердого тела, корректно учесть силу трения между шариками-фиксаторами 6 и деталями, с которыми они контактируют. Поэтому автором предложено и изучено три наиболее вероятных гипотезы их поведения:

1. Шарик-фиксатор 6 заклинен между золотником 3 и затвором 1. В процессе перемещения не проворачивается, а скользит по поверхности ниппеля 5.
2. Шарик-фиксатор 6 проворачивается по отношению к золотнику 3 и затвору 1, катясь без скольжения по ниппелю 5.
3. Шарик-фиксатор 6 проскальзывает во всех трех точках касания.

Наибольшая сходимость результатов наблюдалась при выполнении расчетов для второй гипотезы поведения шариков-фиксаторов, поэтому она принимается за основу всех остальных расчетов.

Впервые описана динамика элементов системы «золотник-затвор» пневматического вытеснителя и получена формула для прогноза усилий.

Аналитические выражения для расчета сил нормального давления со стороны шариков-фиксаторов 6 на ниппель 5 Nн, золотник 3 Nзл и затвор 1 Nзт позволяют прогнозировать зависимость этих сил от угла наклона a к вертикали конической расточки на золотнике 3 . Это дает возможность рассчитать угол a, при котором Nн, Nзл и Nзт будут максимально соизмеримы. Соизмеримость Nн, Nзл, Nзт обеспечивает равномерность силового воздействия со стороны шарика-фиксатора на контактирующие с ним детали.

Это выгодно в плане обеспечения равномерности износа деталей системы "золотник-затвор". Зависимости Nзт=f(a), Nзл=f(a) и Nн=f(a) приведены на рис. 5. Расчет проведен применительно к реальной конструкции: mзт =2.2 кг, mзл =0.6 кг, fзл= fзт = fн = 0.15, Sп =0.00363 м2, С1 =3500 Н/м, С2 =6300 Н/м, h1 =0.064 м, h2 =0.061 м. Значение координаты х в данном случае будет равно АБ и в расчете принималось 0.005 м.

Износ детали в большей степени определяют напряжения, возникающие при силовом воздействии на ее поверхности.

На рис. 6, 7 и 8 приведены соответственно графики изменения наибольшего сжимающего напряжения q0, наибольшего касательного напряжения max t и наибольшего растягивающего напряжения max o в зависимости от величины угла наклона a к вертикали конической расточки золотника 3. Эти параметры рассчитывались применительно к реальной конструкции. Из рисунков видно, что равенство контактных напряжений на ниппеле и золотнике (точка g), затворе и ниппеле (точка p) и золотнике и затворе (точка k) обеспечивается при углах a соответственно 42 0 ,54 0 и 78 0 . Причем при угле a = 78 0 равные контактные напряжения на золотнике и затворе будут минимальны. Минимальным будет и контактное напряжение на ниппеле (точка n).

Из вышеизложенного следует, что рациональное значение угла a, при котором обеспечивается выгодная для равномерного износа соизмеримость и минимизация напряжений в местах контакта шариков–фиксаторов с деталями системы "золотник-затвор" при статических нагрузках, составляет 78 0 .

Результаты расчета параметров q0, max t и max o, при воздействии наибольших нормальных давлений со стороны шарика фиксатора на контактирующие с ним поверхности ниппеля золотника и затвора при угле a = 78 0 приведены в табл. 1

Таблица 1

Значения q0, max t и max o, при воздействии наибольших нормальных давлений со стороны шарика фиксатора на контактирующие с ним поверхности ниппеля, золотника и затвора.

1. Филимоненко Н.Т., Каракозов А.А., Поцепаев В.В. Сравнительная оценка теоретических моделей призабойной пульсирующей промывки при бурении скважин //Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. Випуск 54 / Редкол.: Башков Е. О. (голова) та інш. – Донецьк, ДонНТУ, 2002. – С. 13-15.

2. Филимоненко Н.Т., Каракозов А.А., (ДонНТУ), Кущ О.А, Козырев О.М. (по „Укруглегеология”) Совершенствование технологии бурения скважин в проницаемых зонах на угольных месторождениях Донбасса // Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. Випуск 45 / Редкол.: Башков Е. О. (голова) та інш. – Донецьк, ДонНТУ, 2002. – С. 72 – 77.

3. Филимоненко Н. Т. О возможности применения пульсирующей промывки при бурении глубоких скважин // Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія гірничо-геологічна. Випуск 11 / Редкол.: Башков Е.О. (голова) та інш. – Донецьк, ДонДТУ, 2000. – С. 54 – 58.

4. Филимоненко Н. Т. Основные результаты исследования пульсирующей промывки скважин // Совершенствование техники и технологи бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Вып. 25: Межвузовский научный тематический сборник. / Редкол.: О. В. Ошкоркин (ответственный редактор) и др. Екатеринбург: Уральская гос. горно-геол. академия, 2003. – С. 101 – 108.

5. Филимоненко Н.Т. О режимном параметре пульсирующей промывки скважин // Совершенствование техники и технологи бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Вып. 21: Межвузовский научный тематический сборник. / Редкол.: О. В. Ошкоркин (ответственный редактор) и др. Екатеринбург: Уральская гос. горно-геол. академия, 1998. – С. 125 – 132.

6. Ивачев Л.М., Юшков А.С.. Об определении расхода промывочной жидкости при разведочном бурении //Изв. вузов. Геология и разведка. – 1986. – №9. – С. 83 – 93.

7. Ивачев Л.М. Промывочные жидкости в разведочном бурении. М.:Недра, 1975. – 216 с.

8. Филимоненко Н.Т., Ивачев Л.М., Чистяков В.К. Расчет необходимой скорости восходящего потока жидкости при промывке скважин пульсационным пневмонасосом. Донецк: ДПИ, 1985. 9с. – Деп в УкрНИИНТИ № 1737.

9. Филимоненко Н.Т., Комарь П.Л. К вопросу прогнозирования интенсивности призабойной пульсирующей промывки применительно к неньютоновской жидкости // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Вып. 16. – Екатеринбург: УГИ, 1993. – С. 40 – 49.

10. Филимоненко Н.Т Результаты исследования движения неньютоновской жидкости по инерции при работе пульсационного пневматического вытеснителя // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія гірничо-геологічна. Вип.24. — Донецьк: ДонДТУ, 2001. — С.79-85.

11. Филимоненко Н.Т. О возможности прогнозирования локализации шлама по длине столба жидкости за время рейса бурения при призабойной пульсирующей промывке скважин. Науковий вісник національної гірничої академії України, №4. — Дніпропетровськ, 2000. — С. 86-88.

12. Филимоненко Н.Т., Ивачев Л.М., Чистяков В.К. Расчет необходимой скорости восходящего потока промывочной жидкости при промывке скважины пульсационным пневмонасосом. — Донецк, ДПИ, 1985. — 7 с.

13. Ивачев Л.М. Промывочные жидкости и тампонажные смеси: Учебник для ВУЗов. — М.: Недра, 1987. —242 с.

14. Сулакшин С.С. Основы теории разрушения горных пород и удаления продуктов разрушения при бурении скважин. — Томск, изд ТГУ, 1964. — 264 с.

15. Яковлев A.M., Мураев Ю.Д., Афанасьев И.С. и др. Пенистые промывочные жидкости для очистки скважин. – Разведка и охрана недр, 1978. — № 6. — С. 29-31.

16. Костюков Н. Н., Прянишников В. Е.. Новый способ промывки забоя скважины при безнасосном бурении //Бюл. ОНТИ МГ и ОН СССР. – 1958. – Вып 2. – С. 17 – 30.

17. Логов И. Я. Пневматические насосы. М: Машгиз, 1962. 207 с. .

18. Неудачин Г, //., Бажутин А. Н. Бурение скважин с очисткой забоя воздухом в геологоразведочных партиях Уральского геологического управления //Информ. бюл. №1(13). 1959. С. 45 – 54.

19. Неудачин Г. И., Бажутин А. И., Шолохов Л. Г. Опыт применения пневматических и гидравлических погружных насосов для промывки скважин в процессе бурения. М.: Госгеолтехиздат, 1962. 215 с.

20. Пульсационный насосный агрегат: А. с. 769086 СССР МКИ 4F04B47/00/ Неудачин Г. И., Пилипец В. И., Клименко П. Д.; Опубл. 7.10.1980. БИ № 8.

21. С.А. Филинов, И.В. Фиргер. Справочник термиста: изд. 4-е, доп. и перер. - М.: Машиностроение, 1975. - 352 с.

22. В.И. Журавлев, О И. Николаева. Машиностроительные стали. Справочник: изд. 3-е, доп. и перер. - М.: Машиностроение, 1984. - 391 с.

23. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, С.А. Вяткин и др.: под общ. ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.