Курсовая работа. НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ 4АН-700 ДЛЯ КИСЛОТНОЙ ОБРАБОТКИ СКВАЖИН-Курсовая работа

В насосном агрегате 4АН–700 привод насоса осуществляется от автономной
силовой установки через четырёхскоростную коробку передач и зубчатую муфту. Насос агрегата снабжен сменными плунжерами для изменения подачи и давления. Конструкция насоса позволяет использовать его для нагнетания абразивосодержащих жидкостей. Смазка приводной части насоса осуществляется разбрызгиванием из масляной ванны. Для смазки плунжеров предусмотрены пресс-масленки. Насос развивает давление до 70 МПа.
На основе всестороннего анализа в качестве базовой модели принимаем насосный агрегат 4АН–700, который является универсальным и может применяться как для закачки в скважину жидкости-песконосителя при гидроразрыве пласта или гидроперфорации, так и для закачки раствора кислоты при соляно-кислотной обработке скважин.
Насосный агрегат 4АН–700 монтируется на базе автомобиля КрАЗ 257. Агрегат состоит из силовой установки с приводным двигателем В2-800ТК-С2, четырёхскоростной коробки передач, а также трёхплунжерного горизонтального насоса простого действия 4Р–700, который устанавливается на платформе агрегата перпендикулярно к оси автомобиля над его задним мостом и состоит из гидравлической и приводной частей.
Силовая установка помимо двигателя включает в себя систему питания, смазки и охлаждения, а также другие вспомогательные узлы и механизмы.
Двигатель силовой установки В2-800ТК-С2 12-цилиндровый, четырехтактный с V-образным расположением цилиндров. Наддув воздуха осуществляется турбокомпрессором ТКР14-2.
Двигатель силовой установки соединен с коробкой передач насоса фрикционной и зубчатой муфтами. Фрикционная муфта позволяет в случае необходимости быстро отключать двигатель и останавливать насос.
Внешний вид насосного агрегата 4АН–700 представлен на рисунке 3.
Непосредственно за кабиной водителя 1 расположен щит электроаппаратуры 2 и силовая установка 3. Двигатель силовой установки соединен коробкой перемены передач 6 посредством зубчатой муфты 5 с насосом высокого давления 7, установленного поперек автомобиля. Блок управления коробкой передач 8 расположен справа по ходу автомобиля. Рядом с ним установлен блок аккумуляторов 9. Бак для топлива 11 и бак для масла 10 установлены слева от силовой установки. Также справа по ходу автомобиля расположен вспомогательный трубопровод 4.
Насос 4Р – 700 представлен на рисунке 4.
Расположение нагнетательных клапанов над всасывающими позволяет значительно снизить массу клапанной коробки 1. Клапанная коробка отлита из трех одинаковых блоков, соединенных между собой. Блок крепится к станине 2 семью шпильками и центруется корпусом сальника штока. Цилиндровые втулки в клапанной коробке 1 удерживаются прижимной коронкой и прижимаются
цилиндровой крышкой 3. Уплотнение осуществляется резиновыми само
уплотняющимися манжетами.
Давление и производительность изменяют при помощи сменных плунжеров диаметром 90 и 100 мм.
Плунжеры насоса самоуплотняющегося типа, насажены на цилиндрический
хвостовик штока и уплотнены резиновыми манжетами. Плунжеры выполнены из качественной стали, закалены на большую твердость с помощью ТВЧ.
В месте соединения гидравлической и приводной частей шток уплотнен сальником.
Сварной приемный коллектор 4, расположенный в нижней части клапанной коробки 1, является также и воздушным колпаком, к которому одновременно можно присоединить четыре вспомогательных агрегата таких как автоцистерны и смесительные агрегаты.
Трансмиссионный 5 и коленчатый 6 валы приводной части размещены в
расточках корпуса станины 1 и закрыты сварной крышкой 7. На консольной части трансмиссионного вала установлена ведомая шестерня редуктора привода насоса. Опорами трансмиссионного вала служат сферические роликоподшипники, а кривошипного вала и мотылевых головок шатунов – цилиндрические роликоподшипники.
Коленчатый вал 6 состоит из двух эксцентриков, отлитых за одно целое со ступицей колеса и одного эксцентрика отлитых за одно целое со ступицей второго зубчатого колеса.
На эксцентриках коренного вала на специальных подшипниках установлены большие головки шатунов 8 насоса. [3]

1.5 Постановка задачи проекта.

Промысловый опыт эксплуатации передвижных насосных установок доказывает, что насосные агрегаты для гидроразрыва пластов и их отдельно взятые узлы и детали характеризуются недостаточной долговечностью. В связи с этим в данном курсовом проекте ставится задача: выбрать конструктивную схему и обосновать расчетом параметры насоса, произвести проверочный расчет деталей узлов насоса, произвести патентный поиск, разработать новую конструкцию деталей насоса, выбрать материалы с применением которых повысится надежность и долговечность узлов насоса, а также увеличится срок службы насосного агрегата в целом.

1.6 Эскизная проработка узла конструкции

Как известно, в процессе работы детали насоса испытывают значительные нагрузки. В особо жестких условиях оказываются детали работающие в агрессивной среде под большими давлениями. К таким деталям относят гидравлическую коробку с клапанами и плунжер насоса.
Стандартный узел клапана, включает седло с плоской и конической
опорными поверхностями и тарель, снабженную уплотнителем и шайбой, модуль упругости которой больше чем у уплотнителя.
Недостатком такого устройства является малый срок службы шайбы ввиду её расположения между уплотнителем и тарелью и, следовательно, небольшого момента сопротивления шайбы, работающей как консоль. Такое устройство невозможно использовать при высоких давлениях нагнетания.
Целью изобретения является повышение срока службы клапанного узла. Это достигается тем, что шайба размещена на периферийной поверхности тарели и снабжена буртами, загнутыми в направлении оси тарели.
На рисунке 5 изображён клапанный узел, включающий седло 1 с плоской 2 и конической 3 опорными поверхностями, эластомерный уплотнитель 4, закрепленный на тарели 5 при помощи гайки 6. Тарель 5 снабжена шайбой 7 из полимерного материала, модуль упругости которого больше, чем у уплотнителя, выполненной с буртами 8, загнутыми в направлении оси тарели 5.
Узел клапана работает следующим образом. В первоначальный момент
при закрытии клапана уплотнитель 4, а затем шайба 7 касается конической поверхности 3 седла 1. При возрастании давления над клапаном происходит пластическая деформация шайбы 7, и тарель 5 садится на плоскую опорную поверхность 2 седла 1. При этом полностью устраняется несимметричный зазор между сопрягаемыми коническими поверхностями тарели и седла, вследствие того, что пространство между ними заполнено полимерным материалом шайбы. При последующих циклах шайба и тарель одновременно взаимодействуют с конической и плоской опорными поверхностями седла, что исключает выдавливание материала уплотнителя между тарелью и седлом, так как модуль упругости шайбы выше, чем уплотнителя. Загнутые в направлении оси тарели бурты обеспечивают крепление шайбы к тарели.
Срок службы клапанного узла увеличивается за счет увеличения срока службы шайбы, расположенной по периферии тарели, вследствие увеличения её момента сопротивления.
В качестве следующего этапа модернизации предлагается заменить
эластомер уплотнителя 4 на поликарбонат, применяемый при сборке клапанов криогенной арматуры. Один из способов сборки затвора клапана из поликарбоната состоит в том, что после механической обработки для снятия внутренних напряжений уплотнитель из поликарбоната подвергают термообработке при 130o С в течении шести часов, после чего устанавливают уплотнитель на металлический затвор и охлаждают сборку погружением в жидкий азот с временем выдержки 3...10 минут с целью исключения натягов по поверхностям, сопрягаемым с обоймой за счет температурной усадки размеров. На охлажденный затвор с кольцом устанавливают обойму и с помощью приспособления сжимают обойму и затвор в осевом направлении до упора усилием, создающим контактное напряжение на зажатом между обоймой и затвором уплотнителе в пределах 10% от разрушающего напряжения на сжатие для поликарбоната. Затем с помощью приспособления фиксируют достигнутое взаимное положение обоймы и затвора, а затем штифтуют при цеховой температуре. Благодаря этому исключается возможность разрушения уплотнителя из поликарбоната за счет деформаций при сборке и образовании трещин из-за внутренних напряжений в металле.
На рисунке 6 показана схема затвора клапана с уплотнителем из поликарбоната. На затворе 1 с помощью обоймы 2 и штифтов 3 крепится уплотнитель 4 из поликарбоната. Данный способ сборки затвора клапана повышает герметичность замка с уплотнителем из поликарбоната за счет обеспечения его целостности, что дает возможность использовать малогабаритные затворы клапанов с неметаллическими уплотнителями в криогенных средах при больших давлениях и большом числе срабатываний.
Для уменьшения влияния абразива при возможном перекачивании абразивосодержащих жидкостей в плунжерных насосах применяют устройство для поворота штока насоса. Упрощение технологии изготовления этого устройства достигается тем, что наружная обойма обгонной муфты выполнена в виде цилиндрической расточки в корпусе, палец установлен во внутренней обойме, а винтовой паз выполнен на штоке.
Устройство для поворота штока насоса, представленное на рисунке 7, содержит корпус 1, шток 2 с винтовым пазом 3, обгонную муфту, включающую наружную обойму, выполненную в виде цилиндрической расточки 4 в корпусе1, внутреннюю обойму 5, ролики 6 и пружины7.
Во внутренней обойме 5 обгонной муфты установлен палец 8, взаимодействующий с винтовым пазом 3 штока 2. Шток 2 сопряжен с крейцкопфом 9 с возможностью относительного поворота и жестко связан с плунжером 10 насоса. При ходе крейцкопфа 9 вправо он увлекает шток 2, палец 8 взаимодействует с винтовым пазом 3 штока 2 и поворачивает внутреннюю обойму 5 обгонной муфты по часовой стрелке. Это приводит к заклиниванию
роликов 6 между внутренней 5 и наружной 4 обоймами обгонной муфты и
повороту на заданный угол штока 2 вместе с плунжером 10.
При ходе крейцкопфа 9 влево внутренняя обойма 5 обгонной муфты беспрепятственно поворачивается на тот же угол против движения часовой стрелки, поскольку ролики 6 при таком движении свободно проскальзывают. В результате этого шток 2 движется только поступательно без поворота. Далее циклы повторяются.
Выполнение винтового паза на цилиндрической поверхности штока существенно менее трудоемко, чем выполнение такого паза в корпусе. Таким образом данное техническое решение обеспечивает упрощение технологии изготовления насоса.

1.7 Патентные исследования.

Задачей патентных исследований является анализ существующих
авторских свидетельств и патентов на изобретение различных узлов и деталей
насосов высокого давления
В насосах высокого давления наиболее ответственными деталями являются клапаны и плунжеры. Повышение надежности и упрощение конструкции насосов – одна из основных задач исследовательских работ и изобретений конструкторов и проектировщиков. В этих изобретениях рассматриваются и анализируются основные неисправности и причины отказов,
нарушение работы оборудования раньше установленных сроков на ремонт.
Проанализировав все это авторы патентов предлагают пути повышения надежности оборудования и увеличения его срока службы, представляя свое изобретение.
В данном проекте представлена методика повышения и долговечности плунжера и клапанов насоса.
В таблице 4 показаны технический уровень и тенденции развития узлов насосов.