Расчетная часть-Расчёт усовершенствованой конструкции рольгана Комплекса для дробеструйной обработки насосных штанг-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчёт усовершенствованой конструкции рольгана Комплекса для дробеструйной обработки насосных штанг-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа
5 РАСЧЕТЫ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
5.1 расчет дробеструйной обработки на прочность
5.2 Определение параметров режима напыления покрытия металізаційного
5.3. Выбор способа нанесения полимерного покрытия
5.4. Выбор полимерной композиции.
5.5 Точность покрытия.
5.6 Прочность адгезии и внутренние напряжения в полимерных покрытиях.
5.7 Промышленные испытания износостойкости штанг с полимерными покрытиями.

5 Розрахунки працездатності
5.1 Розрахунок дробозбірника на міцність

На початку розрахунку записуємо вихідні розрахункові дані спроектованого дробозбірника:
радіус, м     ;
рівень рідини, кг/м3     ;
внутрішній тиск, МПа     ;
коефіцієнт міцності зварного шва   ;
межа текучості металу, МПа    ;
мала піввісь еліпса днища, м    ;
густина рідини, кг/м3     .
Визначаємо максимально припустиме напруження, Мпа

,      (5.1)

де – межа текучості матеріалу; = 300 МПа.
Тоді
.

Визначаємо параметр перенапруження за формулою

.   (5.2)
Тоді,
.
Внутрішній тиск на днищі, Мпа

.    (5.3)
Звідси

МПа.
Товщина стінки еліптичного днища, м

.  (5.4)
де – допоміжний коефіцієнт, = .
Тоді

м.
Визначаємо тиск циліндричної оболонки, Мпа

.    (5.5)
Тоді,

МПа.
Визначаємо товщину стінки дробозбірника, м

.  (5.6)
Тоді

м.
Визначаємо коефіцієнт товщини стінки

.      (5.7)
Звідси,

.
Виходячи з цього значення, для визначення тангенційного напруження обираємо формулу

Па.  (5.8)
Так як тангенційне напруження є меншим за допустиме, те вважаємо умову міцності виконаною.

5.2 Визначення параметрів режимові напилювання металізаційного покриття

Для нанесення цинкових металізаційних покрить застосовують цинковий дріт марки Ц-І чи Ц-2 (ДСТ 13075-77) діаметром 1-2 мм [20].
Перед напилюванням дріт необхідно очистити від пилку й мастила.
Тиск стиснутого повітря, що подається в металізатор для диспергування напилюючого металу і його транспортування на металізуючу поверхню, винний знаходитися в межах 0,5...0,6 Мпа. При виборі відстані між розпилюючою головкою металізатора і поверхнею напилення необхідно враховувати, що зменшення її сприяє зниженню непродуктивної витрати цинкового дроту і підвищенню когезії (приварки, спікання) напилюючих часток. Однак, надмірно мала відстань між напилюючою поверхнею і розпилюючою головкою металізатора, викликає значне підвищення температури основи внаслідок того, що температура і швидкість напилюючих часток високі, і при зіткненні часток з основою відбувається не тільки процес теплопередачі від розплавленого металу до поверхні виробу, алі і перетворення кінетичної енергії рухові часток у теплову. У результаті цих явищ у тілі деталі виникають термічні напруження, що є причиною її деформації (коробления). Високі температури поверхні основи сприяють утворенню окислів, що значно погіршують адгезію покриття [8]. Відстань, що рекомендується, від розпилювальної голівки металізатора до металізуючої поверхні при напилюванні цинкові винна знаходитися в межах 100 мм [20].
Найкращі показники горіння дуги в електрометалізаторі досягаються при використанні постійного струмові, і коли дуговий проміжок (тобто відстань між кінцями анода і катода) не перевищує 0,8 мм [7]. Для надійної усталеної роботи металізатора необхідно, щоб сила струмові на дузі була значною, що сприяє миттєвому і повному розплавлюванню електродів. Однак занадто високе значення сили струмові обумовлює виникнення значних теплових потоків, що ведуть до перепалення металу й утворенню окислів, що погіршують когезію й адгезію покриття. Величина напруги вибирається з умови безпеки роботи з металізатором. Значення сили струмові, що рекомендується, і напруги при електродуговому способі напилювання складають І=(160...180) А; U=(25...30) У [20]. На товщину покриття впливає відносна швидкість переміщення деталі і металізатора. Для одержання покриття дуже високої якості, товщина напиленого кулі не винна перевищувати 0.05...0.06 мм [20]. Дослідженнями [13] установлено, що оптимальною товщиною цинкового покриття є розмір, що знаходиться в межах 0.15 мм. Отже, посилаючись на [20], для одержання покриття високої якості, з оптимальною товщиною, ту саму поверхню необхідно піддати металізації не менш 2-3 разів, тобто досягти необхідної товщини напилюючого покриття за два – три технологічних проходи, що в стільки ж раз знижує продуктивність праці процесу металізації. Тому, допустивши, що раніше обрані параметри: тиск стиснутого повітря, конструкція повітряного сопла, сила струмові на дузі, відстань від розпилюючої голівки металізатора до основи, – забезпечують високу якість покриття, розрахуємо відносну швидкість металізуючої деталі з товщиною покриття 0.15 мм, одержуваної за один технологічний прохід [20]:

= 0.94103 ,     (5.9)
де – максимальна швидкість повздовжнього переміщення деталі відносно металізатора, що забезпечує одержання заданої товщини покриття за один прохід, м/хв;
– коефіцієнт використання металу, що враховує вигорання металу, порохоутворення, для цинкові; = 0,64;
– продуктивність апарата, залежить від швидкості подачі дроту і його діаметра, змінюється в межах від 10 до 80 кг/рік;
– щільність металізаційного покриття, для цинкові; =500 кг/м3;
max – задана товщина покриття; max=0.15 мм;
(( – виправлення (((=0,3(().
Розрахуємо продуктивність металізатора припустивши, що швидкість плавлення електродів однакова.
Продуктивність апарата

G=2Un ,     (5.10)
де Un – швидкість подачі дроту; м/с;
– густина матеріалу дроту, для цинкові =6400 кг/м3;
d – діаметр дроту, 2 мм.
Підставивши вираз (5.10) у (5.9), одержиме залежність для визначення повздовжньої швидкості переміщення штанги відносно металізатора:

V=0,94103 0,47103  (5.11)
Підставивши чисельні значення постійних у формулу (5.11) і зробивши обчислення, одержиме вираз, що встановлює зв'язок між повздовжньою швидкістю переміщення штанги відносно металізатора і швидкістю подачі дроту:

V=0,47103  (5.12)
Відносна швидкість переміщення, що рекомендується, деталі коливається в межах (2...4) м/хв.
Для одержання якісного і стабільного за всіма показниками покриття необхідно, щоб при його нанесенні перекриття шарів відбувалося приблизно на 1/3 розміру ефективної площі ділянки (плями) обробки [20]. Отже, крок подачі не повинний перевищувати 20 мм, тоді число обертів, що зробить штанга в процесі її повної металізації, складі:

nn=l/20=8000/20=400 обертів,   (5.13)
де l – довжина штанги, 8 м.
При цьому частота обертання штанги:

n=nn/t,     (5.14)
де t – година її повної обробки металізатором,
t=l/      (5.15).
При розрахунку економічної ефективності від застосування металізації якісним показником є витрата металу, якові розраховуємо по формулі [20]:

G=FS/(k1k2k3),     (5.16)
де G – маса розпиленого металу, кг;
F – площа, на якові нанесене покриття, м2;
S – товщина покриття, S=0,15 мм;
– об'ємна маса напиленого металу (для цинкові =6400 кг/м3);
k1– коефіцієнт використання металу, що враховує вигорання, порохоутворення (для цинкові k1=0,64);
k2– коефіцієнт, що враховує витрата металу при налагодженні металізатора, а також для перекриття шарів на 1/3, приймається рівним 0,7;
k3– коефіцієнт, що враховує форму металізуючої поверхні, для тіл обертання діаметром до 100 мм k3=2.
Площа, на які наноситися покриття:

F=dшl,    (5.17)
де dш – діаметр штанги, м;
l – довжина штанги, м.
Діаметр штанг коливається від 16 до 25 мм,
Тоді,
Fmax=3,1425810-3=0,628 м2,
Fmіn=3,1416810-3=0,402 м2,
Тобто, площа основи змінюється від 0,4 до 0,63 м2.
Тоді теоретична витрата цинкові при металізації однієї штанги складі:

G=(0.63(0.00015(6400)/(0.64(0.7(2)=0.675 кг.
Таким чином, якщо при металізації однієї штанги витрачається не більше 0,675кг цинкового дроту, виходить, що металізаційний матеріал використовується раціонально. У даний година в середньому втрати металу при металізації до 30-40 % вважаються нормативними [20].
Показники режимові напилювання цинкового металізаційного покриття на насосну штангу, отримані в ході теоретичних досліджень, наведені в табл. 5.1.

Таблиця 5.1 – Параметри режимові металізації
Найменування параметра Значення параметра
1 2
1. Напилюючий метав Цинк
2. Діаметр дроту, мм 2
3. Тип металізаційного апарату ЭМ-14
4. Сила струмові на дузі, А 160......180
5 Напруга, У 25...30...30
6Тиск стиснутого повітря, МПа 0.5......06
7.Відстань від розпилюючої голівки до основи, мм 100
8. Швидкість подачі дроту, м/хв. 12
9. Повздовжня швидкість переміщення деталі відносно металізатора, м/хв. 0.55
10. Частота обертання штанги, хв-1 27.5
11. Крок повздовжнього зміщення штанги, мм 20
12. Година металізації однієї штанги, хв. 14.5
13. Товщина покриття, мм 0.15
14. Продуктивність металізатора, кг/рік. 2.7
15. Питома витрата напилюючого металу, кг/шт. 0.675
Отримані в ході теоретичних досліджень параметри режимові металізації приймаються за основу при проведенні експериментальних досліджень.

5.3. Вибір способу нанесення полімерного покриття.

В даний час відомо кілька способів нанесення полімерних покрить на циліндричні поверхні, зокрема:
Відцентровий.
Нанесення покрить у “киплячому шарі”.
Електростатичний метод напилювання полімерів.
Футеровка шляхом напресовування тонкостінних полімерних утулок з наступною механічною обробкою.
Газопламенне напилювання.
В даний час найбільш прийнятним способом нанесення полімерного покриття є спосіб одержання полімерних покрить шляхом затвердіння полімерних композицій у щілинному зазорі.
Спосіб нанесення полімерного покриття на поверхню складається в заповненні рідкою полімерною композицією (з наступним її затвердінням) щілинного зазору між поверхнею, що покривається, відповідно підготовленій для забезпечення гарної адгезії покриття, і поверхнею формуююго елемента, що має високу чистоту й обробленої з метою виключення до неї адгезії полімеру.

5.4. Вибір полімерної композиції.

Досліджувалися композиції на основі акрилових і епоксидних смол. До акрилових пластмас відносяться бутакрил і АСТ-Т. Акрилові пластмаси і пластмаси на основі епоксидних смол коррозіонностойкі, мають задовільні механічні характеристики, дають малу усадку, мають мале вологовбирання і гарну адгезію (прилипання) до металів.
Для поліпшення антифрикційних властивостей досліджуваних пластмас використаний сріблистий графіт ДСТ 5279-61. Застосування в якості наповнювача порошкоподібного графіту знижує усадку пластмаси, що сприяє підвищенню точності формовання. Хімічна стійкість покриття при такому наповнювачі також зростає.
Іспиту показали, що для складання графітових композицій на основі акрилових смол оптимальною кількістю графіту варто вважати 10 мас.ч., а для композицій на основі эпоксидных смол - 15 мас.ч. Такі композиції мають досить високу адгезію (прилипання) до поверхні металів, малою усадкою, високими прочностними характеристиками, гарними антифрикційними властивостями.
Експериментально встановлено, що для одержання полімерних покрить найкращими є композиції складу (мас.ч.):
а) бутакрил (порошок) - 100, бутакрил (рідина) - 100, графить ДСТ 5279-61-10;
б) АСТ-Т (порошок) -85, АСТ-Т (рідина) - 85, графить ДСТ 5279-61-10;

в) ЭД-20 - 100, пластифікатор МГФ-9 - 15, графить (ДСТ 5279-61) - 15, отвердитель - полиэтиленполиамин (ПЭПА) - 12 -15.

5.5 Точність покриття.

Поверхня циліндра(штанги), облицьованого полімерною композицією, не піддається механічній обробці. Для одержання необхідної точності циліндрів необхідно було установити фактори, що впливають на точність формовання покриття.
При нанесенні полімерного покриття на циліндричну поверхню формующим елементом служить стрижень, установлюваний концентрично щодо поверхні. При отвердінні полімерної композиції в щілинному зазорі її усадка спрямована по нормалі до поверхні циліндра. Після затвердіння полімерної композиції внутрішній діаметр футерованного циліндра буде більше діаметра формуюючого стрижня на величину

, (5.18.)

де - усадка полімеру в першу добу після нанесення покриття;
- усадка за час .
Величина не залежить від діаметра циліндра, але прямо пропорційна товщині шаруючи полімерного покриття:

, (5.19)

де ky - коефіцієнт пропорційності, що виражає невільну усадку полімеру;
t - товщина шаруючи полімерного покриття.
Величина ky дорівнює сумі величин ky24 і ky , що виражають усадку через добу після нанесення полімерного покриття й усадку за час , тобто

ky=ky24+ky . (5.20)

Значення k для ряду полімерних композицій, застосовуваних з метою нанесення покриття, приведені в табл. 5.1





Таблиця 5.1 - Визначення коефіцієнтів усадки.

Зразкова композиція ky24 ky
ky=ky24+ky

АСТ-Т + 10% графіту 0,017 0,005 0,022
Бутакрил + 10% графіту 0,017 0,005 0,022
ЭД-20 + 15% графіту, отвердитель ПЭПА 0,015 0,005 0,020

Аналіз даних вимірів діаметрів циліндрів з полімерними покриттями показав, що розсіювання величини усадки підкоряється законові нормального розподілу. Основні статистичні характеристики, що визначають розподіл досліджуваних розмірів - центр групування і середнє квадратичне відхилення , виражені наступними співвідношеннями:

, (5.21)
де ky - коефіцієнт пропорційності, значення якого для ряду полімерних композицій приведені в табл. 5.1;
t - товщина шаруючи полімерного покриття;

, (5.22)

де , - верхня і нижня границі розсіювання величини усадки.
Границі розсіювання також пропорційні товщині полімерного покриття, тобто

, (5.23)
де ky2 - коефіцієнт пропорційності;
t - товщина шаруючи покриття;

, (5.24)
де ky1 - коефіцієнт пропорційності;
t - товщина шаруючи покриття.
Середнє квадратичне відхилення виражається залежністю

. (5.25)
Значення коефіцієнтів ky, ky1і ky2 для ряду композицій приведені в табл. 5.2.

Таблиця 5.2 – Кофіцієнт пропорційності
Полімерна композиція ky ky1 ky2
АСТ-Т + 10% графіту, рідина - порошок 1:1 0,022 0,008 0,036
Бутакрил + 10% графіту, рідина - порошок 1:1 0,022 0,008 0,036
ЭД-20 + 15% графіту, отвердитель ПЭПА 0,20 0,01 0,030


5.6 Міцність адгезії і внутрішні напруження в полімерних покриттях.

Надійність роботи з полімерними покриттями визначається головним чином міцністю адгезії пластмаси до поверхні металу, тобто міцність адгезії повинна бути значно вище всіх можливих внутрішніх напружень, що виникають у полімерному покритті. Ця умова може бути представлено вираженням

, (5.26)
де - величина міцності адгезії до поверхні металу;
- сумарні напруги в шарі полімерного покриття.
Напруги, що виникають у шарі полімерного покриття, можуть бути представлені вираженням

, (5.27)
де - усадочні напруги, що виникають унаслідок хімічної усадки полімеру;
- термічні напруги, що виникають унаслідок різниці коефіцієнтів лінійного розширення металу і пластмаси при температурних перепадах;
- робочі напруги, що виникають від тиску робітничого середовища.
Таким чином, при нанесенні полімерного покриття на поверхні циліндрів необхідна кількісна оцінка міцності адгезії даного полімеру до поверхні металу і всіх можливих внутрішніх напружень, що виникають у полімерному покритті, що діють проти сил адгезії. Це дозволяє визначити надійність з'єднання полімеру з металом і працездатність металлопластмассового виробу в цілому.
Міцність адгезії полімерних композицій на основі акрилових і єпоксидних смол до поверхні металів визначали в такий спосіб.
Циліндричні зразки, що складаються з двох половин, були склеєні досліджуваною полімерною композицією в спеціальній обоймі, що забезпечує їхня співвісність. Склеєні зразки закріплювали в затисках розривної машини і руйнували клейове з'єднання з фіксуванням максимального навантаження. Для кожного варіанта випробували 50 склеєних зразків. Міцність адгезионного з'єднання визначали по формулі

, (5.28)
де P - руйнівне навантаження, Н;
F - площа зразка, м2 .
Міцність адгезії композицій на основі пластмаси бутакрил до поверхні стали складає 20 Мпа, міцність адгезії композиції на основі пластмаси АСТ-Т - 19,3 Мпа, міцність адгезії композиції на основі эпоксидной смоли ЭД-20 - 18,6-23,0 Мпа.
Як показали дослідження, найбільшими по величині і відповідно найбільш небезпечними є термічні напруги, що виникають унаслідок різниці коефіцієнтів лінійного розширення полімеру і металу. Такі напруги можуть бути визначені розрахунковим шляхом по формулі

, МПа. (5.28)
Тут - коефіцієнт лінійного розширення полімеру, 1/град;
- те ж металу, 1/град;
Т - перепад температури, ДО
- модуль пружності полімеру, Н/м2;
- коефіцієнт Пуассона полімеру;

, (5.29)
де Тс - температура склеювання полімеру;
Тр - робоча температура.
Для композицій на основі акрилових пластмас (бутакрила й АСТ-Т) були визначені наступні необхідні фізичні характеристики: 1/град, Тс=70о З, ЕП = 1,4*109 Н/м2,
Для композиції на основі епоксидной смоли ЭД-20 фізичні характеристики наступні: 1/град, Тс = 70о З, ЕП = 1,4*109 Н/м2,
Внутрішні “заморожені” напруги в полімерному покритті при температурі 20о Зі складають:


Циліндри з полімерними покриттями за умовами роботи можуть знаходитися при температурі -60о С. Внутрішні напруження в полімерних покриттях при цьому будуть складати:


Надійність адгезійного з'єднання полімерного покриття з металом буде забезпечена при виконанні співвідношення

(5.30)
У випадку застосування композицій на основі акрилових і епоксидних смол маємо наступні дані:

19,3 МПа + 7 МПа > 18,0 МПа;
18,6 МПа + 7 МПа > 18,0 МПа,
т.е. при температурі -60о З відшарування полімерного покриття на основі акрилових або эпоксидных смол від поверхні металу не відбудеться.
5.7 Промислові іспити зносостійкості штанг з полімерними покриттями.

Іспиту були проведені на ряді підприємств. Установлено, що припустима величина зносу покриття без утрати герметичності поршня складає 0,2 мм.
Залежність зносу покриття від часу наробітку виробу (шляхи тертя), представлена на мал.4.2., апроксимується рівнянням

(5.31)
де - величина зносу покриття в досліджуваний момент часу;
- величина зміни діаметра циліндра в режимі сталого зносу;
- безрозмірний коефіцієнт, що виражає інтенсивність зносу;
L - шлях тертя, м.
Значення досліджуваних параметрів наступні: при швидкості 0,5 м/с мм, - L*105 = 8-10 м.
Рівняння залежності зносу від часу наробітку можна вирішити щодо шляху тертя і по припустимій величині зносу штанги визначити можливий час наробітку.
 Рисунок 5.1 - Рівень залежності зносу від часу наробітку

Досвід експлуатації штанг з полімерними покриттями показує, що зносостійкість покриття не уступає зносостійкості мета