автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Структурно-параметрическая оптимизация и повышение технического уровня насосной части буровых установок

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДОШ НЕФТИ И ГАЗА • имени И.М.Губкина

На правах рукописи УДК 622.23.05

ВАЛИТОЗ НУХТАР ЗУ5АР0ВИЧ

СТРУКТУРНО - ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ И ПОВЫШЕНИЕ. ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ НАСОСНОЙ ЧАСТИ БУРОВаК УСТАНОВОК

Специальность 06.04.07 "Машины и агрегаты нефтяной

и газовой промышленности"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой отепени кандидата технических наук

Иосква - 1992

Работа выполнена на Волгоградском заводе буровой техники и б Волгоградском политехническом институте

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор В.А.Камаев

Официальные оппоненты

- доктор технических наук Я.С.Ыкртычан

кавдедат технических наук, доцент В.С.Шейнбауы

Ведущее предприятие

- Всесоюзный научно-исследовательский институт буровой техники (БКИИБТ)

Защита состоится 1992г. в /5 .часов на

заседании специализированного Совета К.053.27.02 в Государственной академии нефти и газа им. И. М. Губкина по адресу: 117917, Ьюсква, ГСП-1, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной академии нефти и газа им.И.М.Губкина

Автореферат разослан " /9 " КОДЕРУ 1992г.

Ученый секретарь специализированного совета

А.И.Беляев

ОЩЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одними из осноезшх проблем, требующих скорейыего разрешения, являются г.овышениэ производительности и надежности насосной части буровых установок. Являясь одним из основных агрегатов современной буровой усъ-ловки, буровой насос совместно с подпорным насосом функционирует непосредственно в среде аб-разивосодержацеЯ промывочной жидкости, подвергаясь интенсивному износу. В связи с этим насосному комплексу предъявляются достаточно жестк,;? требования по производительности и надежности.

Технико-экономические показатели бурения во многом зависят от эффективности и качества функционирования насосно-цкркуляционной системы (НДС), вкличащей, как правило, две буровые насосные установки, расположенные в насосно" блоке и циркуляционную систему.Эффективность работы бурового насоса во многом определяется схемой компоновки циркуляционной системы, а именно, полнотой очистки бурового раствора от шлама и газа, высотой расположения емкостей, наличия подпора и т.д. Поэтому исследования работы насоса, совершенствование его конструкции следует проводить с учетом влияния всей НДС, т.е. на основе системного анализа.

Большинство исследований посвящены насосам с тарельчатыми клапанами, в них недостаточно полно отражены взаимосвязи между основными и конструктивными параметрами с условиями эксплуатации с одной стороны, и техническими характеристиками и показателями - с другой.

Поэтому 2дачи разработки информационного фонда по предметной области, методов поиска новых технических решений и оценки технического уровня, математической модели рабочего процесса и конструкций, рационального проектирования узлов насосной части буровьк ус-

тшовок являются актуальными.

Цель работы. Оценка уровня и поиск новых технических решений расчет, и о:, .имизация существующих конструкций насоси'х комплексов буровых установок на основе эврис. гческого алгоритма начального этапа проектирования.

Залдчи исследования.

1. Разработка информационного фонда по предметной области.

2. Разработка специализиров^.шого алгоритма поиска новых. ■ технических решений по объемным касосам.

3. Экспериментальные и теоретические исследования рабочих процессов объемных насосов.

4. Разработка алгоритмов и программ по оценке технического уровня насосных комплексов и их узлов.

5. Создание методик ~ алгоритмов рационального проектирова-'вания объемных насосов и их функциональных узлов.

6. Разработка перспективных конструкций насосов для буровых установок.

Научная новизна. Разработаны функциональная структура насос-нс-циркуляционной системы и структура показателей ее узлов в иерархическом виде, специализированный алгоритм поиска и оценки новых технических решений в виде дерева целей.

Впервые разработан алгоритм оценки технического уровня изделий по количеству и весомости решаемых проблем и получено соотно-пение для оценки уровня.

Разработата математическая модель рабочего процесса насоса с учетом неоднородных линий всасывания и нагнетания, динамики клапанов, текущего газосодерхашя жидкости в цилиндре; конструкции объемных насосов, связывающая основные и конструктивные параметры и динамические характеристики. .

Получены уточненные соотношения для определения нера в номерует'/ подачи, углов запаздывания клапанов, предложены критерии всасывавшей способности к быстроходности насрсов, коэффициента подачи и гидравлического КПД.

Разработан ряд технических решений (TP) на уровне изобретений, позЕОляюя^ие реаить проблемы поеышьп.я наработки, на отказ ци-лиэдропоршневой пары путем кратного снижения контактного давления в паре,углов запаздывания клапанов путем полупринудительного их открытия и закрытия, регулирования подачи насоса от 0 до максимума путем „^дерзки закрытия всасывающего клапана.

Практическая ценность. На основе математического моделпрова-' ния разработаны алгоритмы и программа рационального проектирования поршневых буровых насоств. С использованием специализированного алгоритма разработано 24 изобретения. Алгоритмы и программы использованы при проектировании буровых насосов КБТ-600-I, НБТ-475. Некоторые алгоритм и программа натай применение в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании в Волгоградском политехническом институте.

Внедрение разработанных методов, математических моделей, алгоритмов и программ в практику проектирования позволило оптимально согласовать осногкке параметры насос3 и условия эксплуатации с конструктивными парамзтрами цилиндра, клапанов, пневмокс..:пенсато-ров, вь'брать быстроходность насоса из условий ограничения массы, объемных потерь и обеспечения требуемого уровня надежности.

Апробация г^.боты. Основные результаты работы докладывались на научных семшарах по автоматизации проектирования ВолгПИ (Волгоград, 1989, 1990 гг); на III Всесоюзной конференции по динамике, прочности и надежности нефтепромыслового оборудования (Баку, 1963 г); ;п областной научно-технической конференции молодых спе-

циалистов "Проблемы качества и совершенствования оборудования тяжелого, энергетического, транспортного и химического машиностроения" (Сверг;ловск, 1986 г); на Всесоюзной научно-технической конфе-ренц;н; "Автоматизированное проектирование машин, оборудования, прибсрэи и технологических процессов в машиностроении" (Устинов, 1966 г); на заседании кафедры "Гидравлические машины и гидравлика Зоромковградского машиностроительного института (Ворошиловград, 1936 г); на семинаре "Проблема! ¿.армирования систем машин и техники новых поколений" (МоскЕа, 1990 г); на 1У Всесоюзной научной конференции "Автоматизация поискового конструирования и подготовка инженерных кадров" (Волгоград, 1987 .г); на научно-технической конференции "Надежность и эксплуатация технических систем и комплектующих изделий" (Севастополь, 1990 г); на научно-техническом совете ОлБ-3 Волгоградского завода буровой техники (Волгоград, '1990 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 научных работ, в т.ч. 24 изобретения.

Основные вопросы изложены в 2-х томах научно-технического отчета по теме НИР НГ1-406-83 "Оптимизация конструкции буровых насосов с помощью математического моделирования, определение путей снижения металлоемкости, увеличение срока службы поршней, цилиндровых втулок и клапанов в два раза" (ответственный исполнитель -аЕтор). По разработанным методам изданы в синекопиях расчеты бурового насоса НБТ-600-I.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения; содержит 154 страниц машинописного текста, 16 таблиц, 56 рисунка? 12о наименований литературы и 7 прилоясе ий. • •

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ..

f е

Во введении показана актуальность работы, обоснованы направления исследования, дана характеристика его задач и целей.

В первой главе проведен анализ существующих конструкций и схемных решений насосного комплексе буровой устнэновки, методов исследования,. проектирования, поискового проектирования, оценки технического уровня и автоматизации начального этапа проектирования.

о

В работе проводится обзор исследований рабочих процессов и конструкций объемных насосов. Исследованию объемных насосов посвящены труды А.А.Алексеева, Т.М.Быпты, Г.Берга, Л.Н.Бритвина, В.А. Кресина, Ю.М.Орлова, И.Фезандье, И.А.Чиняева и др. Вопросы, связанные с особенностями конст^/кцкк и функционирования буровых насосов рассмотрены Л.С. Айрапетовым, О.С.Верзилиным, В.А.Вишняковым, Л.Н.Гороновичем, А.Л.Ильским, М.А.Караевым, В.А.Косенко-Бе-линским, С.В.Ловчевым, Я.С.Мкртычаном, А.С.Киколичем, S.L-CotiLBr и др. Исследования!«; надежности объемных насосов посвящены работы Т.М.Башты, В.М.Литвинова, Я.С.Цкртычана, А.С.Николича и др. Вопросам оптимального проектирования посвящены труды 11.А.Караева, З.Г.Керимсва, С.В.Ловчева и др.

Вопросы поискового конструирования исследованы и ргзвиты в трудах Г.Я.Буша, Б.С.Воинова, Дж.К.Джонсг., М.Ф.Зерипова,. В.А.Ка-маева, H.H.Моисеевой, А.И.Половинкина, Й.Ко££ВГ, J, Muffe Г и др.

Исследованиям в области оценки технических решений посвящены работы Дя.К.Дяонса, С.В.Никитина, В.А.Симонова, TL.SOCftj и др., а расчета технико-экономических показателей изделий - работы М.И. Ипатова, А.П.Ковалева, Ю.Н.Мымрина, Т.И.Солода и др.

Работы в области исследования буровых насосов проводятся на

Урллмакзаводе, Волгоградском заводе буровой техники (ВЗБТ), в ГАНГ им.И.М.Губкина, во ВШИнефтемаше, в АзНЕЗТЕХШ и др., в обле сти поисков -•о прсектировакия-в Волгоградском политехническом инс тит;,те, карийском политехническом нстатуте, Ивановском университете и др.

Анализ исследований насосной -сети буровых установок и объем .чых насосоз выявил взаимосвязанные методу собой нерешенные проблем повышения производительности, над гиости и снижения кассы и габар тов. Существующие пути и методы устранения указанных недостатков, как правило, приводят к увеличению массы и энергопотребления НЦС. Поэтому решение этих проблем возможно с помощью комплекса мер, ох-сятыв?щих всю структуру насосной части и весь спектр показателей функциональных узлов.

Рассматривая процесс проектирования и модернизации как разно-йидность обряботки информации, в работе предложена схема проектирс ;онил, состоящая из этапов обработки нечеткой информации с использованием банка денных по предметной области и количественной инфор убции на основе математического моделирования. Это позволяет иссле довить и анализировать пирокий спектр технических решений во всем ■'-ункционельным узлам КЦС, взаимосвязь параметров и показателей, оценить технический уровень узлов.

В ..гключение формулируются цели исследования.

Во второй главе излагаются вопросы разработки базы инженерных знаний по предметной области, поиска, оценки технических решений на основе структурного анализа насосного комплекса и показателей его функциоанльных узлов.

НЦС буровой установки представлена в виде И4Ш!-дерева, включающая около 80 верами, расположенных на II уровнях. В результате анализа взаимосвязи параметров и показателей для каждого функцио-

..зльного узла 'вершины дерева) составлена обойденная схема пара-' метров и показателей, представляющая собой шестиурояенную иерархическую структуру, исходящие из основных.параметров, конструктивных параметров и технических характеристик. При этом показатели каждого функционального узла структурированы.

База инженерных знаний включает фонды научно-технической литературы (НТЛ) и технических решений (изобретений), в которых информация представлена в структурированном виде. Фонд НТЛ построен по алфавитно-предметной execre с указанием решаемых технических проблем чогдач), а фонд изобретений заполнен в виде морфологического ящика со структуризацией по странам, функциональным узлам и решаемым техническим задачам. Составлен также фонд эвристических приемов и алгоритмов.

Поиск элементов НДЛ осуществляется в диалоговом ре:химе на ЭВМ. Работа ведется по процедуре "меню" с использованием ключевых слов, отражающих предметную область.

Поиск и выбор необходимых ТР осуществляется с использованием алгоритмов и программ, разработанных на основе использования метода экспертных оценок. Процедура выбора "основывается в последовательной обработке матриц попарных сравнений показателей и альтернатив по всем показателям. Указанная программа помимо выявления степени предпочтительности альтернатив, позволяет определить "узкие места" в ТР, неудовлетворительно функционирующие узлы .я синтезировать насос из предпочтительных узлов.

Проектирова: че изделий проводится, как правило, с целью улучшения его показателей по сравнению с аналогами, что позволяет рассматривать этот процесс как решение комплекса технических проблем (задач). С использованием обобщенной схемы параметров и показателей и структуры самой НДС разрабатывалось дерево целей, ни-

нестоящие вершины которого конкретизируют "глобальную" цель, выражают альтернативные направления, пути, способы решения общих проблем и конкретные технические устройства. Кроме десятичного т'.::г;& и методе решения проблемы -> верпинс- укапываются источники инфо^мпг'ии, негативные последствия (вновь вносимые дефекты), номера ¡зерлин для "нейтрализации" этих Дефектов, использованный эвристический прием. При построении дерева использовалась состав -ленная для кслуюго функционалы иго узла ретроспективная цепочка технических решений. Для КЦС дерево целей содержит около 1500 еераин на 25 уровнях. При движении по дереву сверху вниз происходит дифференциация показателей в.характеристики и далее в параметры, что соответствует разделения направлений в пути, способы и устройства по решаемым проблема«. Поэтому один и тот же источник мо:к-т относится к неско.-^ким вершинам в силу решения им не одной проблемы (задачи). В результате элементы фондов НТЛ и ТР образуют динамическую структуру знаний, причем любые две вершины имеют одну общгп.

С использованием дерева целей разработана новая методика оценки технического уровня изделий или перспективности направлений и путей их совершенствования по количеству и весомости решаемых проблем, причем весомость определяется расположением-исполь-зовинных технически решений е дереве целей. Вновь вводимый "коэффициент технического уровня К ту мояет быть определен по формуле

_ П Л£ Мл _п Рк Л^

Ати = £ "7 ^ ~ТГ ' у ы у«/ 1 кч ы К

где Му - устраненный дефект I -го уровня с порядковым номером/'; д/ - вносимый дефект /Г -го уровня с номером / ; /77/- ко-

. тчесгво устраненных и вновь вносимая дефектов, Л - число уров-• ней дерев». г

Достаточная "прозрачность" дерева целей и его насыщенность информацией позволяет использовать дерево для генерации новых ве-раик, точнее - поиска новых ТР. Процедура поиска включает этапы составления списков недостатков и дефектов; технических проблем и противоречий; постановки задач и формулировки технических идей, гипотез, как правило, в виде специализированных эвристических при'жв. Применительно для объемных насосов выявлены следующие приемы для поиска новых верлин:

- "доращивгние" выявленных идей до технических решений с использованием заимствованных процедур из параллельных вершин;

- использование математических и логических соотношений, связывающих параметры, характеристики и показатели изделия (узла);

- сравнение работы реального и "идеального" изделий сиспо-

*

льзовением математической модели;

- сопоставление ретроспективной цепочки ТР и соответствующей ветки дерева.

Информационный фонд позволяет хранить любые вида знаний по предметней области; проводить экспертизу на новизну .знаний по данной области; оценку технического уровня решений и перспективность кгправлений, путей, способов; выявить тенденции, закономерности развития конструкции изделия; выявить новые методы гашения технических проблем.

Ттстья глав'' посвящена разработке математической модели рабочих процессов бурового насоса с учетом влияния линий всасывания и нагнетания, экспериментальным исследованиям с целью проверки и уточнения математической модели.

Изучение рабочего процесса бурового насоса проводилось методом машинного расчета на ОВМ дифференциальных уравнений и анали-

•гиче^ким методом. Буровой насос со всасывгщей и напорной трубопроводными системами исходя из особенностей протекающих процессов . условно ри.(бит на 5 участков: всасывающая линия '. I), всасывающие коллектор, клапан и каналы цилиндра 2); рабочий цилиндр (3); на-гнететельные клапан и коллектор (4); нагнетательная лики '5). Рабочий цлхл разделен на 2 интервала и б пределах каждого из них пр гтессы во всасывающей и нагнетательной частях изолированы одним из клапанов.

Интервал I. Посадка нзгнетг.тельногс клапана '(участки 2, 4, 5 и дсикение жидкости во всасывающей линии (участок I). ■

Интервал 2. Процесс всасывания (участки 2, 3) и движение жидкости в напорной линии (участок 5);

Интервал 3. Процесс нагнетания (участки 3, 4, Б) и движение жидкости во всасывающей .мнии (участок I).

В результате численного интегрирования систем уравнений получены зависимости изменения давлений л расходов жидкости во всех характерных сечениях и перемещения тарелок клапанов.

Выявлено, что в цилиндре и на выходе насоса возникают высоко^ чЕстоткые свободные колебания давления .с амплитудой до 2,5-3,5 МП и частотой 60-80 Гц, а в начале цикла всасывания в цилиндре возни' кзет вакуум несмотря на роботу с подпором." При работе насоса на самовсасывание тарелка всась.зающего клапана функционирует неустой' чиво и со значительным, запаздыванием закрытия.

С целью более глубокого изучения рабочего процесса, выявления количественной взаимосвязи между параметрами и характеристиками проводилось аналитическое исследование по упрощенной линеаризованной математической модели.

Получены уточненные разлокение в ряд ; 'новенной подачи, соотношения для определения степени и коэффициента неравномерности

подачи с учетом конечной длины шатуна, диаметра штока, запаздывания открытия клапанов.

Коэффициент избыточной полечи с учетам вышеуказанных факторов определяется по формуле

(Ш)(<*С05%) у 7к(а,л,г, I,

2* Но

где й - отношение рабочих площадей поршня со стороны птоковой и поршневой полостей; % - угол запаздывания открытия клапанов;Е~ число цилиндров;^, - относительная амплитуда К гармоники га-зложения подави; ¿ = ¿7 - для насосов одностороннего и£-/- двустороннего действия;/1^=А'при 2= 2 = I - / и Ко ' ~ для остальных насосов (К- 2,3, ■ ■■).

В результате исследования неравномерности подачи многоцилиндровых насосов выявлено следующее:

- коэффициенты при синусах и косинусах разложения подачи отличны ст нуля;

- коэффициент избыточной подачи насосов с нечетным числом цилиндров резко возрастает с увеличением запаздывания открытия клапанов, а при они теряют свои преимущества по сравнению с насосами с четным числе • цилиндров;

- резкое возрастание избыточно" подачи двухцилиндрового насоса при<7£^объясняется тем, что период первой гармоники разложения подачи равен

Получены формулы для определения вынужденных и свободных колебаний дарения при различных компановках линий обвязки насоса. Амплитуда давления в цилиндре во многом определяется соотношением размеров коллектора, патрубка пневмоксмпенсатора, каналов цилиндра, причем при достаточном диаметре коллектора (150-160 мм) пульсация давления определяется лишь параметра.™ цилиндра и клапанов.

Выявлены три рс?яв.«£ всасывания: бескевктационное, всасывание с "ограниченной" и "развитой" кавиташеР.

гэскг эитационное всасывание обеспечивается путем применения подпер, или достигается при досх годном гдессодеркняии етдкости, которое при снитении наполнения, цилиндре, ^¡дкостью, расг^'сяясь, п;'едотг-.:^,чйст кевиталию.

Вследствие запаздывания открытия Есасывглзщего клапана ь цилиндре возникает высокочастотна• собствегаг.те колебания, которые уогут привести к быстро протекающей С "ограниченной") кавитации. ТакиГ рским может наблюдаться и при наличии подпора..

Значительные гидравлические и инерционные потери, вызванные кинематикой поршней, могут привести к относительно продолжительной, "развитой" кавитации, которая прекращается при снижении расхода через клапан, икет: • ;онкых потерь или после накопления в цилиндре достаточного количестве воздуха.

Получены соотношения для определения режима всасывания и ус-тановивиегсся значения газосодержания в цилиндре при кавитационных рекимах.

Теоретически обоснован? особенность работы всасывающего клапана, которая проявляется при отсутствии подпора или значительном г-зосодержании жидкости. Выявлен", что запаздывание закрытия клапана .-.гряду с конструктивным* параметрами самого клапана определяется вредным объемом цилиндра, характером изменения давления в цилиндре, текущим газосодержанием.

Анализ рабочего процесса показывает, что объемные потери складываются из пяти составляющих, вызываемых соответственно запаздыванием закрытия всасывавшего и нагнетательного клапанов, сжатием жидкости и начальной газовой фазы, кавитаций вследствие ' приращения объема газа. Выявлено, что при 2/? газосодержании около 60-

7Ой потерь приходится на потери от сжатия газа, а 15-20^ - от-сжатия жидкости. Это вызвано в первуи очередь значительным вредным объемом циливдра буровых насосов.

Получена уточненная формула для определения гидравлического КЦД объемного насоса с учетом синусоидального характера изменения расхода через клапаны и сжатия жидкости и газа в цилиндре до давления нагнетения1 при отсутствии подачи.

Проведены экспериментальные исследования буровых насосов КЕТ-600, КБТ-600-1 в за^цских и промысловых условиях с целью корректировки математической модели. На заводском стенде записывались давления на входе, выходе, в крайних цилиндрах, пневмоком-пенсаторях и перемещения тарелок клапанов при нормальной компоновке всасывающей и напорной линии; отсутствии компенсатора на выходе; работе на самовсасывание и отсутствии компенсатора нг входе; отсутствии компенсаторов и подпора.

Экспериментальные исследования подтвердили следующие результаты, полеченные из теоретических исследований:

- возникновение в цилиндрах и на выходе насоса высокочастот-!1ых колебаний давления с амплитудой до 3,5 Ша и частотой 6575 Гц; - . ■

- чрезмерное снижение давления в цилиндрах в начале цикла Есасывания несмотря на наличие подпора;

- неустойчивая работа всасывающего клапана со значительным запаздыванием закрытия при работе насоса без подпора;

- незначительные пульсации давления в пневмокомпексаторах; .

- снижение неравномерности подачи и давления на выходе насоса вследствие демпфирировакия пульсаций упругими свойства!® жидкости.

Выявлено, что собственные колебания давления, возникающие в

цилиндрах при всасывании, затухают с большой интенсивностью вследствие Езделения воздуха из жидкости. Значительный диаметр всасывающего тр} г'опровода и несовместимость характеристик бурового и подпорного насосов приводят к воз. ¡кновению значительных пульсаций дагления, вибрации и к неустойчивой работе подпорного насоса при отсутствии пневмокомпенсатора.

Прсг.ысловые испытания подтвердили, что возникающие в цилиндрах и на выходе насоса свобрдньк- высокочастотные колебания давления, особенно при увеличении запаздаваниа открытия клапанов, приводят к чрезвычайным вибрациям насосного блока, манифольдной линии. Это Еыззано наличием поворотов ман^фольдной линии, вследствие чего в конечных сечениях прямых участков мгновенные значения давления резко отличаются из-за разности фаз колебаний. Предложены рекомендации по снижению вибрации насоса и трубопроводной системы.

В четвертой главе проведена структурно-параметрическая оптимизация объемных насосов. Разработаны методики, алгоритмы и программы рационального проектирования буровых и поршневых насосов и их узлов, выявлены новые технические решения по их совершенствованию.

Ь результате анализа конструкции буровых насосов получена зависимость для определения приведенного объема их конструкции с учетом длины хода поршня диаметра цилиндра наибольшего раз-

мера (¿Т^), частоты ходов поршня (/7), требуемой долговечности подшипников (Тр), числа цилиццров (£ ) и кратности действия поршней.

Исходя из условий ограничения максимальной скорости жидкости в щели, наибольшего перепада давления в клапане, запаздывания закрытия и непревышения площади щели над плопрдью прохода седла получены уточненные соотношения для определе-ия диаметра седла я высоты подъема тарелки с учетом вредного объема цилиедра (),

.ззосодержания ятадлости У о - '

Для определения быстроходности насосоа предложены'три группы критериев в•совокупности с регламентированными исходными данными. ■ Первая группа критериев позволяет определять диапазон изменения быстроходности при известных условиях всасывания в заданном режиме всасыЕанпя. Основные критерии позволяют определить частоту ходов поршня из условий достижения требуемой производительности, ограничения массы и минимизации суммарной металлоемкости насоса. Критерии надежности получеь;^ исходя из условий ограничения запаздывания закрытия клапанов, скорости поршня, износа узлов гидравлической части и обеспечения требуемой наработки на отказ насоса.

В качестве примера на рисунке приведены графики завис.аюсти

па триплекс (а) (при работе с подпором) и дуплекс (б) (при рабо?е на самевсасывание) мощностью 600 кВт при двухпроцентном газосодержании рабочей жидкости. В результате получено, что оптимальная быстроходность буровых насосов с тарельчатыми клапанами типа дуплекс и триплекс находится соответственно в пределах 60-70 ход/мин и 120-150 ход/мин.

Анализ конструкций поршневых насосов.и математических соот-нопений, связыващих гидравлические и конструктивны*5, параметра, позволил получить полуэмпирическуп формулу для определения относительного объема вредного пространства цилиндра насосов с самодей-с~ —

необходимого давления подпора массы (Д^) и суммарной зг

весь срок службы металлоемкости (И НС)» запаздывания закрытия всасывающего клапана (^ ) от быстроходности буровых насосов ти-

■ где Kt*f,2 при 2?3 и Kf*J/f при/* 2 ¡/(¿"l/i- отношение диаметров кла-

п, ход/мин.

ы

град. 20

15

п № К,,'/, 30

0,3

10-86-15

5-0,1

Мне,:

45

35

— ЛКп\

—Кп

Мнс^

40 ю 6 120 л, ход/мин.

Графики для определения оптимальной быстроходности насосов типа триплекс (а) и дуплекс (б):(&ЦМн]-соответственно допускаемые наименьшая подача и масса насоса.

иана и седла;отношение высоты клапанной коробки к диаметру седла;J) - отношение площадей прохода седла и щели;р - плотность яидкости\Рк - наибольший перепад давления в цели клапана; £ - отношение площади седла к полной его площади; -наибольший и текущий объемы рабочей полости цилиндра; § - отношение площадей штока и поршня наибольшего диаметра; Q2 - наибольшая подога насоса; J1- коэффициент расхода клапана.

Согласно приведенной формуле, вредный объем цилиндра пропорцией? лен наибольшей подачесв степени 0,5, быстроходности и уменьшается с ¿величением количества рабочих полостей, пропускной способности клапанов. 3 силу указанных причин вредный объем цилиндра буровых насосов в 2-4 раза превышает рабочий объем.

Выявлено, что наряду с объемом компенсатора на эффективность, ггяения пульсации давления влияет размеры линий, соединяющих цилиндр с компенсатором. Наименьшая площадь прохода коллекторной линии vis условия минимизации пульсации давления в цилиндре определяется по формуле

где РЛ,Рк ~ площади по; лил и тарелки клапана;/77^ - масса тарелки клапана.

С использованием математической модели разработаны методика, алгоритм и программа рационального проектирования бурового нассса, позволяющие оптимизировать основные конструктивные параметры насоса, паргмеа„л и размеры клапанов, гасителей пульсации и выбрать быстроходность. Проектирование ведется в диалоговом режиме, причем подпрограммы могут быть использованы и в автономном режиме.

С использованием разработанного специализированного алгоритма выявлено более 150 ноеых технических решений, в т.ч. 24 из них

приппг.'гл изобретениями.

Б результате целенаправленного поиске, выявлены TP на уровне v.rncпозволяющие рэиить следеячие проблемы:

- ".ногократноз увеличение кар 'отки на отказ цилиндропорпше-ъо'"; П£-,р:: ',0 изобретений);

- с.'г.::<онпе углов фазораспределЕния клапяьов путем полуприну- ■ дителыгого их срабатывания (II изобретений);

- плавное регулирование пода- '! нясоса ст нуля до максимума ,2 изобретения).

С использованием обобщенной схемы параметров и показателей, структура показателей функциональных узлов разработана методика

технико-экономических показателей узлов, построена морфологическая таблица, служащая исходной базой при разработке математической модели НДС.

В пят г. У гляве излагается результаты внедрения б практику .расчета и прсектирвания насосного комплекса бурзвый установки разработанных методов, алгоритмов, программ и некоторых изобретений.

Результаты исследований использованы при проектировании и р-.счето буровых насосов НБТ-6С0-1, НЕТ-475 на ВЗБТ. Нике приведено г.ратг.сё опнсег.пс внедренных разработок:

1. Разработаны информационный фонд известюк технический реше-и ¡i.. ;огмации, программное сродство, которые используются также

с учебно!; процессе в Волгоградски-: политехническом институте (БолгП!!).

2. Специализированной алгоритм поиска новых технических реше-кпГ: апробирован не практике и с его помощью выявлено около 150 новых технических решений, в ток числе 24 изобретения.

3. Разработаны алгоритм и программа по экспертной оценке технического уровня функциональных узлов насосного комплекса, которая

J2I

лрименяется при проведении исследовательских, поисковых работ и' в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании в ВолгПИ. . .. •

4. Разработаны методика, алгоритм и программа рационального проектирования бурового насоса. В результате определены оптимальные соотношения размеров цилиндра, быстроходность насоса по 8 критериям, размеры' и параметры клапанов, пневмокомпенсаторов и коллекторов. Выявлено, что оптимальное число ходов поршня hscoccd типа дуплекс составляет 50^70 ход/ыин, триплекс - 120-150 ход/мин. Быстроходность, размеры коллекторных линиЯ насосов НБТ-600-I и НБТ-47'5, выпускаемых ВЗБТ, выбраны с использованием рекомендаций автора.

5. Разработаны методика, алгоритм и программы численного ра-. счета рабочего процесса поршневого насоса, которые используются при проектировании буровых насосов на БЗБТ.

Таким образом, внедрение в практику проектирования новых разработок позволило получить эфйект за счет улучшения технико-экономических показателей проектируемых насосов путем более обоснованного Еыбора вариантов и уменьшения стоимости машинных расчетов и поиска информации.

СОЮЗНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе информационного фонда ио предметной области и математической модели процессов и конструкций разработан специализированный алгоритм начального этапа проектирования и модернизации насосной части буровой установки, свякыващий в единую процедуру обработку нечеткой и количественной информации.

2. Построенный по предметно-узловому принципу и решаемым проблемам банк инженерных знаний позволил связать всю информационную сеть в единую динамическую иерархическую структуру с одной общей

вершиной.

3. С использованием информационного фонда разработан специализированной алгоритм поиска новых технических решений в виде дерега целей, с помощью которого : :янг.е.ю около 150 новых решений, в том числе 24 изобретения.

4. Алгоритм и программа по экспертной сценке технического уровня методом попарных сравнений показателей и альтернатив позволяет достаточно обоснованно опред лить степень приоритетности .альтернатив по любой совокупности показателе?.

6. Получены уточненные зависимости для определения текущего газоссдер^ания жидкости в цилиндре;. углов фазораспределения клапанов; режима всасывания; коэффициента, степени неравномерности подачи и коэффициента избыточной подачи; амплитуды и частоты собственных колебаний давленг* 2 циливдре и на выходе насоса.

6. Показано, что при превышении запаздывания открытия клапанов 20-25° насосы с нечетным числом цилиндров теряют свои преимущества по равномерности подачи в сравнении с насосами с четным числом цилиндров.

7. Получены 8 критериев быстроходности, позволяющие определить рациона льнув ее величину из условий ограничения объемных потерь, v-еталлоемкости и достижения требуемого уровня надежности.

8. Получены зависимости для определения относительного объема вредного пространства цилиндра, приведенного объема конструкции насоса, объемов пневмокомпенсаторов и размеров коллекторов, размеров и параметров клапанов, оптимального соотношения размеров поршневого насоса.

9. Разработан ряд TP на уровне изобретений, позволяющие кратно снизить контактное давление в цилиадропор-чевой паре, запаздыт вание открытия и закрытия клапанов, вредный объем цилиццра и

ллавно регулировать подачу насоса от 0 до максимума.

10. Экспериментальные исследования подтвердили адекватность математической модели и возмог.ность еэ использования при проведении инженерных расчетов объемных насосов.

Основные положения диссертации изложены в следуй;;их работах:

1. Информационная поддержка процесса проектирования насосов для буровой техники //Проблемы формирования систем машин и техники новых поколений. Т.2. Ы.: ЗК<ИПМ, 1990, с.105-112 (Соавтор Л.В.Андрейчиков). с

2. Расследование неравномерности подачи и давления с учетом конструктивных и кинематических особенностей поршневого цасоса //Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления^ Вып. 15. К.: Машиностроение, IS50, с.212-224.

3. Исследование рабочего процесса поршнев^о насоса с клапанным распределением с учетом режима Есасывания. Волгоград, ВолгПИ, 1989. -28 с. -Деп. в ВНЖГй1тя--!мгл:е, Г> 322 - тм 89.

4. Исследование собственных колебаний давления в цилиндрах порпнзЕОго насоса // Гидравлические малины. Харьков, ХГШ, 1989, ? 23, с.93-99.

5. Разработка методики оценки эффективности структурных схем поршневой буровой насосной установки // Автоматизация поискового конструирования и подготовка инженерных кадров. Тезисы докладов 4-ой Всесоюзной научной конференции. T.I. Волгоград, ВолгЕМ,. 1987, , с.130-122.

6. Проблему повышения технико-экономических показателей поршневых буровых насосов // 'i.: ц11КИинформация, 1990, -40с. Деп. в ЦНИИинформацитт, $ 1984, per. № 5051.

7. Система автоматизированного проектирования бурОЕых поршневых насосов // Математические и программные инструкменты в автома-

тизированном проектировании. Тезисы стендовых докладов Всесоюзна научно-технической конференции. Устинов, 1556, с.51-92.

8. Вг^ор конструктивных параметров бурового несоса с регули руемым приводом // Научно-проиэв' аственше достижения нефтяной промышленности в новых условиях .хозяйствования. М. :ВНШ03НГ, 198 вып. 12, с.16-17 (Соавтор В.И.Пындак).

3. Расчет колебаний давления мекду насоссм и компенсатором бурового поршневого насоса с учетом присоединительной нагнетател ноя трубопроводной системы // Рациональная технология и техника бдения скважин и нефтедобычи. Куйбыаев. КуАИ, 1382, с.73-79 (Со. втор Г.М.Хохлов).

Заказ ;; 365. Подписано э,печать II.II.92г. Формат 60x84 I/16. Бушга писчая. Усл.-печ.л. 1,5. Печать офсетная. Бесшатно.

НзЕзузозскаЗ ротапрвнтныЛ участок Волгоградского ордена Трудового Красного Зшаеви политехнически ен статут Волгоград-55, ул.Советская, 35.