УДК 66.02.071.7.

Д.т.н. Досжанов М.Ж., Жубанов О., Жолдасова А.

Кызылординский государственный университет имени Коркыт Ата

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ  МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗИН НА РАСТЕЖЕНИЕ

 

ДНУ с гибким тяговым органом относятся к новому поколению глубиннонасосных установок. В мировой и отечественной практике известны ДНУ, различающиеся как по типу гибкого тягового органа, так и по типу наземного привода. Сравнение существующих установок, а также анализ известных патентных решений показали, что наиболее перспективными являются установки с низкопрофильными приводами лебедочного типа.

        Одним из путей решения проблемы увеличения отбора жидкости из скважины, эффективности и надежности работы глубиннонасосных установок является создание длинноходовых насосных установок (ДНУ) с длиной хода плунжера, значительно превышающей существующие, что достигается за счет использования гибкого тягового органа, наматываемой на барабан привода.

Известно что, долговечность резинотросового тягового органа ДНУ должна определяться долговечностью армирующих тросов и долговечностью резиновой матрицы, которая не только защищает тросы от коррозии, но и испытывает сжатие между тросами и поверхностью отклоняющего шкива, а также сжатие и сдвиговые деформации на приводной бобине (барабане) ДНУ.

Плоская задача теории упругости рассматривает два частных случая напряженно-деформированного состояния: плоскую деформацию и плоское напряженное состояние. В обоих случаях все параметры напряженно-деформированного состояния зависят лишь от двух координат, в то же время основные соотношения плоской деформации и плоского напряженного состояния отличаются лишь упругими контактами. Ниже рассматривается решение плоской задачи теории упругости методом конечных элементов на основе плоского напряженного состояния.

При выводе основных соотношений исходим из общепринятой гипотезы об отсутствии напряжений в плоскостях, нормальных к рассматриваемой плоскости. С учетом данной гипотезы функционал потенциальной энергии внутренних сил может быть представлен в виде [1].

                              (2.1)

где   - нормальные и касательное напряжение;  - относительные линейные и угловая деформация.

         Для изотропного материала при плоском напряженном состоянии напряжения определяют по формулам:

                               (2.2)                                     

а относительные линейные ex и ey и угловую деформацию gxy по формулам [2]

                         (2.3)

В выражениях (2.2) и (2.3)  Е – модуль упругости;  m - коэффициент Пуассона;  u и v - линейные перемещения по направлению осей x, y, соответственно.

         Для удобства дальнейших преобразований выражения (2.2) и (2.3) представим в матричной форме

                 (2.4)

                         (2.5)

         Отметим, что в приведенных выше выражениях (и в дальнейшем) матрицы и векторы будут обозначены по разному: матрицы – это выражения в квадратных скобках, а векторы – в фигурных.

         Обозначив вектор  через q, матрицу в выражении (2.4) через Е, а в выражении (2.5) через D, эти соотношения запишем в матричных символах

{s}=[E]{e},         {e}=[D]{q}.                                     (2.6)

С учетом соотношений (2.6) функционал потенциальной энергии внутренних сил можно представить в компактной форме

                                    (2.7)

Для плоского конечного элемента толщиной h выражение (2.7) принимает вид

                                 (2.8)

где F – площадь элемента.

         На основании принципа возможных перемещений, учитывая виртуальный характер работы внутренних сил, можно выражение (2.8) записать

,

где Кij – соответствующий элемент матрицы жесткости конечного элемента. С учетом выражения (2.6)

                               (2.9)

         Выражение (2.9) будем применять в последующих разделах для определения элементов матрицы жесткости треугольного конечного элемента.

Наиболее часто при расчетах конструкций и их элементов применяют метод конечных элементов, основанный на идее метода перемещений. В этом случае задаются перемещения узлов конечного элемента и через перемещения определяют деформации и напряжения в нем.

Для численного решения задачи о напряженном состоянии резиновой матрицы резинотросового тягового органа длинно ходовой насосной установки на отклоняющем шкиве методом конечных элементов необходимо знать механические характеристики применяемых резин.

Целью проводимых экспериментальных исследований являлось выяснение характера нелинейных зависимостей напряжений от относительных деформаций при сжатии для основных типов резин, используемых для изготовления резинотросовых канатов и лент.

Объектом исследований является ГТО ДНУ в виде РТК, прочность и долговечность которого зависят от механических показателей работоспособности его элементов. Показателями работоспособности армирующих тросов является их агрегатная прочность при испытаниях на разрыв.

Внутренний слой резины обеспечивает адгезионную связь латунированной или оцинкованной поверхности проволок тросов с резиной. Показателем качества такой связи резины с тросом является усилие вырыва троса при испытаниях стандартного трехтросового образца. Наружный слой резины должен быть твердым, износостойким и достаточно эластичным.

Указанные показатели оцениваются стандартными испытаниями, описанными ниже.

В целом прочность РТК оценивается величиной разрывного усилия.

Испытания выполнялись на испытательной машине ИР-5047-50. Процесс «обтяжки» тросов состоял в нагружении образцов до значения усилия (0,75-0,8) Р (Р - разрывное усилие троса),несколько раз, чтобы на результатах испытаний не сказывалась петля гистерезиса. Характеристики испытываемых тросов и результаты испытаний приведены в монографии [46].

Лабораторные исследования включают: испытания механических характеристик резин внутреннего слоя, обеспечивающих адгезию с цинковым покрытием проволок, и наружного слоя, обеспечивающих прочность и достаточную износостойкость поверхности РТК при контактах с колонной НКТ, отклоняющим шкивом и с бобиной ДНУ при многослойной навивке.

Лабораторные Испытания проводились для определения прочности резины при растяжении, относительного удлинения при разрыве (для наружного и внутреннего слоев резины), испытания на истирание и испытание на твердость (для наружного слоя резины). Эти испытания регламентированы соответствующими ГОСТами и выполняются на серийно выпускаемом оборудовании.

В соответствии с ГОСТ 270-75 – «Метод определения упруго прочностных свойств резины при растяжении» были проведены испытания по определению упруго-прочностных свойств резин, используемых для изготовления РТК (РТЛ), по показателям: прочности при растяжении, относительному удлинению при разрыве, напряжению при заданном удлинении. Прочность при растяжении выражают условным и истинным значениями, указанными ниже.

Условную прочность при растяжении fр (в МПа) образцов, изготовленных по форме двусторонних лопаток (рисунок 4.1), вычисляют по формуле

fp = Pp½(dbo),                                               (1)

 

 


l1 - общая длина; b1 - ширина широкой части; l3, bo - длина и ширина узкой части; l2 - расстояние между линиями, определяющими положение большего радиуса; r1, r2 – большой и малый радиусы; lo - расстояние между метками; d - толщина образца

Рисунок 1 - Вид образца резины для испытаний на разрыв

 

 

где Рр - сила, вызывающая разрыв образца, МН; d - среднее значение толщины образца до испытания, м; bo - ширина образца до испытания, м.

Относительное удлинение eр при разрыве образцов-лопаток (в %) вычисляют по формуле

eр = [(l – lo)½lo]100 %,                                       (4.2)

где  lp - расстояние между метками в момент разрыва образца, мм; lo - расстояние между метками образца до испытания, мм.

Сущность метода заключается в растяжении образцов с постоянной скоростью до разрыва и измерении силы при заданных удлинениях в момент разрыва.

Размеры образцов, кроме толщины bo, определяются размерами штанцевых ножей и после вырубки не контролируются. Испытываемые образцы имели следующие размеры:  l1 = 110 мм;  b1 = 25 мм;  l3 = 60 мм;  bo = 6 мм.

На узкую часть образца наносили параллельные метки для измерения удлинения. Метки наносились симметрично относительно центра образца. Количество испытуемых образцов согласно ГОСТ 270-75 составляло пять единиц.

Для испытаний применялась испытательная машина ИР 5047-50 с разрывным усилием 50 кН, обеспечивающая автоматическое измерение силы при заданных удлинениях и в момент разрыва с допускаемой погрешностью не более ±1 % от измеряемой величины, а также измерение расстояния между метками и захватами при растяжении образца устройством с ценой деления шкалы 1 мм (применялась прямопоказывающая компьютерная система определения параметров). Образец закрепляли в захватах машины по установочным меткам так, чтобы ось образца совпадала с направлением растяжения. Зажимы для образцов лопаток обеспечивали надёжное закрепление образца по установочным меткам при равномерном давлении по всей его ширине.

В ходе непрерывного растяжения образца фиксировали силу, соответствующую заданным удлинениям. В момент разрыва образца фиксировали силу F [H] и расстояние между метками L [мм]. За результат измерения принимали среднее арифметическое всех измерений. Результаты испытаний представлены в сводной таблице [46].

Таким образом на основании полученных результатов можно сделать следующий вывод - результаты лабораторных испытаний компонентов  и в целом образцов резинотросового каната (РТК) свидетельствуют о надежности использования такой конструкции в качестве гибкого тягового органа  длинно ходовой насосной установки.

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1.     Колосов Л.В., Бельмас И.В. Применение метода электрического моделирования для исследования напряженного состояния РТЛ. – Деп. рукопись. – ЦНИЭИуголь. – 1979. - № 1383-79.