3 Розрахункова частина

3.1 Розрахунок продуктивності насосу

Вихідні дані:

Діаметр циліндрової втулки:

D_max = 200 мм;

D_min = 140 мм;

Хід поршня S = 400 мм;

Число подвійних ходів поршня n = 66 об/хв;

Коефіцієнт подачі α = 0,9;

Діаметр штока d = 80 мм.

Фактична подача для заданих умов визначається за формулою:

Q_ф = α · (л/с) (3.1)

де F, f – площа перерізу циліндрової втулки, штока в дм².

Q_{ф max} = 0,9 ·

Q_{ф min} = 0,9 · .

Отже, фактична подача бурового насосу в залежності від діаметра циліндрової втулки складе: Q_{ф max} = 45,76 л/с (D_max = 200 мм); Q_{ф min} = 20,39 л/с (D_min = 140 мм).

3.2 Визначення зусиль, які діють на шток і повзун

Вихідні дані:

Діаметр циліндрової втулки D = 160 мм;

Робочий тиск P = 23,1 МПа;

Діаметр штока d = 80 мм.

Додатковими зусиллями, які виникають в результаті тертя поршня по циліндровій втулці і штока в сальнику, знехтувати.

На шток насоса діють зусилля розтягнення і знаття. Зусилля розтягнення визначають за формулою:

P_P = P · (H) (3.2)

P_P = 23,1 ·

Зусилля, що стискують шток, знаходимо за формулою:

P_ст = P · (H) (3.3)

P_ст = 23,1 H.

На повзун штока діє нормальне зусилля N, напрямок якого залежить від напрямку руху кривошипа.

Зусилля кривошипа направленого вгору протягом всього обертання кривошипа по годинниковій стрілці. Але, якщо змінити напрямок обертання, тобто проти годинникової стрілки, зміниться напрямок зусилля N.

Кривошипний вал повинен обертатися так, щоб зусилля N було направлене вгору. При цьому менше зношуються нижні направлення повзуна (крейцкопфа), а головне, при такому обертанні ( по годинниковій стрілці) здійснюється змащення крейцкопфа і підшипника малої головки шатуна способом розбризкування за допомогою колеса кривошипного валу.

В насосі подвійної дії виникають розтягуючи зусилля. Причому стискуючі зусилля більші розтягуючи. Через це подальші розрахунки проводяться з урахуванням стискуючих зусиль.

Визначаємо зусилля. Що діє на крейцкопф:

Р_кр = (H) (3.4)

де Ƞ_к – коефіцієнт корисної дії крейцкопфа, Ƞ_к = 0,95.

Р_кр = H.

Зусилля N являється максимальним при максимальному куті нахилу шатуна до горизонталі β. При куті повороту кривошипа α = 90° кут β = 13°. Тоді, максимальне нормальне зусилля, що діє на повзун, складе:

N_max = P_кр · tgβ (H) (3.5)

N_max = 977300 · 0,2306 = 225365 H.

Фактичне нормальне максимальне зусилля буде дорівнювати:

N_ф.max = N_max – G (H) (3.6)

де G – вага крейцкопфа (половина ваги шатуна і штока). Приймаю G = 4000H.

Тоді

N_ф.max = 225365 – 4000 = 221365 H.

3.3 Перевірочний розрахунок штока, крейцкопфа і пальця головки шатуна

3.3.1 Перевірочний розрахунок штока бурового насоса

Вихідні дані:

Зусилля стиснення P_ст = 928435 Н;

Зусилля розтягнення Р_р = 348163 Н;

Матеріал штоку – сталь 40Х;

Межа міцності ϭ_в = 900-1000 МПа.

Шток поршневого насосу розраховується на повздовжній згин, розтягнення і стиснення.

Розрахунок на повздовжній згин. Визначаємо гнучкість штока:

λ = (3.7)

де l – довжина штоку, l = 1240 мм;

– радіус інерції.

Для визначення ρ напишемо залежність:

ρ = (мм) (3.8)

де I – момент інерції.

I = (мм⁴) (3.9)

F – площа штока

F = (мм²) (3.10)

I = = 2009600 мм⁴

F = = 5024 мм²

ρ = = 20 мм

λ = = 62

Якщо гнучкість штока λ ˃ 105, для розрахунків використовують формулу Ейлера.

В даному випадку критичну напругу, що виникає в тілі штока діаметром 80 мм, визначаємо за формулою:

Ϭ_кр = 335,0 – 0,62 · λ (МПа) (3.11)

Ϭ_кр = 335,0 – 0,62 · 62 = 296,56 МПа.

Коефіцієнт запасу міцності:

К = (3.12)

f = (мм²) (3.13)

f = = 5024

K = = 2,48

Коефіцієнт запасу міцності на повздовжній згин достатній.

Напруга розтягнення в різьбовій частині поршневого кінця штока складає.

σ_р = (МПа) (3.14)

де f₁ – площа перерізу по внутрішньому діаметру різьби М72х3.

f₁ = (мм²) (3.15)

f₁ = = 3721 мм²

σ_р = = 93,57 МПа

Коефіцієнт запасу міцності дорівнює:

К = (3.16)

де - межа виносливості на розтягнення при дії знакоперемінних навантажень.

= 0,36 · σ_в (МПа) (3.17)

σ_-1р = 0,39 · 950 = 342 МПа

К = = 3,36

В різьбовій частині штока зі сторони, протилежної поршню, напруга стиснення дорівнює:

σ_ст = (МПа) (3.18)

де f₂ – площа перерізу по внутрішньому діаметру різьби М86х 3,

f₂ = 5806 мм²;

1,3 – коефіцієнт, що враховує вплив попереднього затягнення.

σ_ст = =168,2 МПа

Коефіцієнт запасу міцності

К = = 2,03

Що цілком достатньо.