Пара трения радиального подшипника
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в узлах трения, работающих в сложных условиях, например при создании погружных центробежных насосов для добычи нефти, предназначенных для работы в скважинах с высоким содержанием механических примесей в пластовой жидкости. Пара трения содержит подвижную и неподвижную полупары, выполненные из твердых износостойких материалов. Подвижная полупара по первому варианту выполнения выполнена целиком из порошкового материала на основе одного из следующих керамических и металлокерамических материалов: WCCo, WCCoCr, Cr3C2NiCr, Al2O3, ZrO2, с добавкой медного сплава, например бронзы, в количестве от 5 до 40 вес.%. методом порошковой металлургии. По второму варианту выполнения подвижная полупара, по меньшей мере, со стороны неподвижной полупары выполнена с покрытием из материала вышеуказанного состава. Поверхность подвижной полупары, по меньшей мере, со стороны неподвижной полупары и/или поверхность неподвижной полупары, по меньшей мере, со стороны подвижной полупары может быть выполнена с пропиткой раствором фторсодержащих поверхностно-активных веществ. Технический результат: снизить коэффициент трения и увеличить износостойкость пары трения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в узлах трения, работающих в сложных условиях, например при создании погружных центробежных насосов для добычи нефти, предназначенных для работы в скважинах с высоким содержанием механических примесей в пластовой жидкости.
Известна пара трения, содержащая подвижную и неподвижную полупары, выполненные из твердых износостойких сплавов (патент РФ № 2114334, 1998 г.). Известная пара трения предназначена для использования в погружных центробежных насосах в качестве радиального подшипника, включающего ступицу направляющего аппарата (неподвижный элемент пары трения) и втулку рабочего колеса (подвижный элемент пары трения). В качестве твердого износостойкого сплава при изготовлении обоих элементов используется высоколегированная порошковая сталь, представляющая собой смесь спрессованных, а затем спеченных между собой порошков железа, углерода, меди, хрома и молибдена.
В условиях высокого содержания абразивных частиц в откачиваемой насосом пластовой жидкости, среди которых имеется кварцевый песок, закачиваемый в скважину при разрыве пласта, известная пара трения несмотря на высокую твердость ее элементов обладает недостаточной износостойкостью. Кроме того, достаточно высокий коэффициент трения между элементами пары приводит к повышению энергопотребления насоса, а также из-за большого тепловыделения к перегреву пластовой жидкости, что приводит к образованию пресыщенного раствора и соответственно выделению из него солей, забивающих насос, тем самым преждевременно выводя его из строя.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является снижение коэффициента трения между подвижным и неподвижным элементами пары трения, а также повышение износостойкости пары.
Технический результат достигается тем, что в паре трения, содержащей подвижную и неподвижную полупары, выполненные из твердых износостойких материалов, по первому варианту ее исполнения подвижная полупара выполнена методом порошковой металлургии из порошкового материала на основе одного из следующих керамических и металлокерамических материалов: WCCo, WCCoCr, Cr3C2NiCr, Al2O3, ZrO2, с добавкой медного сплава, например бронзы, в количестве от 5 до 40 вес.%.
Кроме того, поверхность подвижной полупары, по меньшей мере, со стороны неподвижной полупары и/или поверхность неподвижной полупары, по меньшей мере, со стороны подвижной полупары может быть выполнена с пропиткой раствором фторсодержащих поверхностно-активных веществ.
По второму варианту выполнения пары трения, содержащей подвижную и неподвижную полупары, выполненные из твердых износостойких материалов, подвижная полупара, по меньшей мере, со стороны неподвижной полупары выполнена с покрытием из порошкового материала на основе одного из следующих керамических или металлокерамических материалов: WCCo, WCCoCr, Cr3C2NiCr, Al2O3, ZrO2, с добавкой медного сплава, например бронзы, в количестве от 5 до 40 вес.%. Кроме того, покрытие может быть выполнено с пропиткой раствором фторсодержащих поверхностно-активных веществ, при этом поверхность неподвижной полупары, по меньшей мере, со стороны подвижной полупары также может быть выполнена с пропиткой раствором фторсодержащих поверхностно-активных веществ.
Все пары трения, в которых подвижная полупара либо полностью выполнена методом порошковой металлургии из порошкового материала, включающего один из следующих керамических или металлокерамических материалов: WCCo, WCCoCr, Cr3C2NiCr, Al2O3, ZrO2, и медный сплав в количестве от 5 до 40 вес.%, либо поверхность которой выполнена с износостойким покрытием из вышеуказанного порошкового материала, существенно снижают коэффициент трения и, соответственно, выделение тепла на радиальном подшипнике погружного насоса. Добавка медного сплава к керамическому материалу обеспечивает последнему необходимую вязкость при сохранении его износостойкости. Процентное содержание медного сплава в составе используемого материала обусловлено тем, что при содержании менее 5% медного сплава керамика становится более хрупкой из-за исчезновения вязких свойств и не снижается коэффициент трения, а при содержании медного сплава более 40% существенно снижается износостойкость материала.
Пропитка фторсодержащими поверхностно-активными веществами хотя бы одного из элементов пары трения еще больше снижает коэффициент трения между ее полупарами.
Примером рассматриваемой пары трения может служить радиальный подшипниковый узел трения погружного центробежного насоса, элементы которого, а именно цилиндрическая охватывающая поверхность - ступица направляющего аппарата и цилиндрическая охватываемая поверхность - втулка защитная вала изготовлены из твердых материалов, причем ступица направляющего аппарата, являющаяся неподвижным элементом в подшипниковом узле, может быть изготовлена из стали, например порошковой, марки ЖГр1Х7М2Д15, включающей в свой состав такие элементы, как железо, углерод, хром, молибден и медь, или металлокерамики, например сплава ВК8, включающего карбид вольфрама и 8 мас.% кобальта, или сплава СН8, включающего карбид вольфрама и 8 мас.% никеля. Втулка защитная вала может быть изготовлена из тех же материалов, что и ступица направляющего аппарата, или, например, стали марки 40Х13, с нанесением на ее поверхность (по меньшей мере, контактирующую со ступицей направляющего аппарата) покрытия из порошкового материала на основе керамического или металлокерамического материала, выбранного из числа следующих материалов и сплавов: WCCo, WCCoCr, Cr3C2NiCr, Al2O3, ZrO2, с добавкой медного сплава, например бронзы или латуни, в количестве от 5 до 40% от общего веса материала, а может быть изготовлена целиком из материала вышеприведенного покрытия методом порошковой металлургии.
Поверхность втулки защитной вала с нанесенным покрытием предлагаемого состава или целиком изготовленной из материала предлагаемого покрытия обрабатывается составом, представляющим собой композицию фторсодержащих поверхностно-активных веществ в специально подобранных растворителях. Такие растворы применяются с целью придания поверхности коррозионной стойкости, гидрофобности, износостойкости и низкого коэффициента трения. Защитная пленка, образованная раствором фторсодержащих поверхностно-активных веществ, прочно сцепляется практически с любыми поверхностями.
Фторсодержащая пропитка может быть нанесена как на всю втулку, так и только на ее наружную поверхность, контактирующую со втулкой подшипника. Сама втулка подшипника может быть также выполнена с фторсодержащей пропиткой, нанесенной, по меньшей мере, на ее внутреннюю поверхность, контактирующую с защитной втулкой.
Конкретные примеры выполнения пар трения с применением вышеуказанных материалов и их свойства, полученные при испытаниях, приведены в таблицах 1, 2.
При испытаниях за показатель износостойкости пары трения была принята величина абсолютного износа трущихся поверхностей при равномерно распределенной нагрузке на ось вращения втулки. Среда - жидкость, имитирующая пластовую, с абразивом (30 г/л) из дисперсного электрокорунда.
Из анализа таблиц 1, 2 видно, что применение твердой керамики на основе из любого из перечисленных сплавов с добавлением медного сплава для выполнения втулки защитной вала (подвижного элемента пары трения) способствует снижению коэффициента трения подшипника (до 2-х раз по сравнению с прототипом). Уменьшение коэффициента трения снижает момент трения и нагрев пары трения.
Изобретение позволяет увеличить износостойкость пары трения.
| Таблица 1 Характеристики радиальных подшипников УЭЦН с подвижным элементом, изготовленным методом порошковой металлургии из материалов на основе керамических или металлокерамических материалов с добавкой медного сплава |
||||
| Материал неподвижного эл-та (подшипника ступицы направляющего аппарата) | Материал подвижного эл-та (защитной втулки вала) | Коэффициент трения при нагрузке 650 H (±5%), * | Износ при нагрузке 650 Н (мм3/мин) (±5%) ** | |
| Керамическая основа | Содержание медного сплава, % | |||
| Порошковая сталь или твердая керамика ВК8 или СН8 | WCCo | 0 | 0,5 | 0,09 |
| 5 | 0,025 | 0,09 | ||
| 10 | 0,022 | 0,08 | ||
| 20 | 0,013 | 0,09 | ||
| 30 | 0,013 | 0,15 | ||
| 40 | 0,012 | 0,6 | ||
| 45 | 0,01 | 1,7 | ||
| WCCoCr | 0 | 0,6 | 0,08 | |
| 5 | 0,1 | 0,08 | ||
| 10 | 0,06 | 0,08 | ||
| 20 | 0,05 | 0,08 | ||
| 30 | 0,05 | 0,12 | ||
| 40 | 0,04 | 0,5 | ||
| 45 | 0,04 | 1,3 | ||
| Cr3C2NiCr | 0 | 0,9 | 0,05 | |
| 5 | 0,036 | 0,05 | ||
| 10 | 0,012 | 0,06 | ||
| 20 | 0,012 | 0,06 | ||
| 30 | 0,012 | 0,06 | ||
| 40 | 0,014 | 0,9 | ||
| 45 | 0,014 | 1,5 | ||
| Al2O3 | 0 | 0,7 | 0,7 | |
| 5 | 0,045 | 0,8 | ||
| 10 | 0,034 | 0,8 | ||
| 20 | 0,027 | 0,9 | ||
| 30 | 0,025 | 0,9 | ||
| 40 | 0,02 | 1,5 | ||
| 45 | 0,02 | 1,9 | ||
| ZrO2 | 0 | 0,7 | 0,8 | |
| 5 | 0,046 | 0,9 | ||
| 10 | 0,02 | 0,9 | ||
| 20 | 0,009 | 0,9 | ||
| 30 | 0,008 | 0,95 | ||
| 40 | 0,008 | 1,8 | ||
| 45 | 0,008 | 2,4 | ||
| * при обработке фторполимерами коэффициент трения уменьшается в 3-5 раз, а износ - в 1,5 раза | ||||
| ** износ определялся при добавлении в рабочую жидкость абразива (-200 мкм) в количестве 30 г/л |
| Таблица 2 Характеристики радиальных подшипников УЭЦН с подвижным элементом, изготовленным из стали 40Х13 с покрытием на основе керамических или металлокерамических материалов с добавкой медного сплава |
||||
| Материал неподвижного эл-та (подшипника ступицы направляющего аппарата) | Материал покрытия подвижного эл-та (защитной втулки вала) | Коэффициент трения при нагрузке 650H (±5%) * | Износ при нагрузке 650H (мм3/мин) (±5%) ** | |
| Керамическая основа | Содержание медного сплава, % | |||
| Порошковая сталь или твердая керамика ВК8 или СН8 | WCCo | 0 | 0,45 | 0,085 |
| 5 | 0,022 | 0,09 | ||
| 10 | 0,021 | 0,08 | ||
| 20 | 0,012 | 0,08 | ||
| 30 | 0,013 | 0,17 | ||
| 40 | 0,011 | 0,65 | ||
| 45 | 0,01 | 1,65 | ||
| WCCoCr | 0 | 0,56 | 0,09 | |
| 5 | 0,12 | 0,08 | ||
| 10 | 0,06 | 0,07 | ||
| 20 | 0,06 | 0,08 | ||
| 30 | 0,05 | 0,11 | ||
| 40 | 0,04 | 0,6 | ||
| 45 | 0,03 | 1,2 | ||
| Cr3C2NiCr | 0 | 0,8 | 0,05 | |
| 5 | 0,033 | 0,05 | ||
| 10 | 0,013 | 0,06 | ||
| 20 | 0,012 | 0,06 | ||
| 30 | 0,013 | 0,06 | ||
| 40 | 0,013 | 1,0 | ||
| 45 | 0,014 | 1,47 | ||
| Al2O3 | 0 | 0,65 | 0,67 | |
| 5 | 0,043 | 0,7 | ||
| 10 | 0,032 | 0,8 | ||
| 20 | 0,027 | 0,8 | ||
| 30 | 0,023 | 0,9 | ||
| 40 | 0,03 | 1,4 | ||
| 45 | 0,02 | 1,85 | ||
| ZrO2 | 0 | 0,66 | 0,75 | |
| 5 | 0,043 | 0,8 | ||
| 10 | 0,018 | 0,83 | ||
| 20 | 0,011 | 0,9 | ||
| 30 | 0,009 | 0,9 | ||
| 40 | 0,008 | 1,9 | ||
| 45 | 0,007 | 2,3 | ||
| * при обработке фторполимерами коэффициент трения уменьшается в 3-5 раз, а износ - в 1,5 раза | ||||
| ** износ определялся при добавлении в рабочую жидкость абразива (-200 мкм) в количестве 30 г/л |
1. Пара трения, содержащая подвижную и неподвижную полупары, выполненные из твердых износостойких материалов, отличающаяся тем, что подвижная полупара выполнена методом порошковой металлургии из порошкового материала на основе одного из следующих керамических и металлокерамических материалов: WCCo, WCCoCr, Cr3C2NiGr, Al2O3, ZrO2, с добавкой медного сплава, например бронзы, в количестве от 5 до 40 вес.%.
2. Пара трения по п.1, отличающаяся тем, что поверхность подвижной полупары, по меньшей мере, со стороны неподвижной полупары и/или поверхность неподвижной полупары, по меньшей мере, со стороны подвижной полупары выполнена с пропиткой раствором фторсодержащих поверхностно активных веществ.
3. Пара трения, содержащая подвижную и неподвижную полупары, выполненные из твердых износостойких материалов, отличающаяся тем, что подвижная полупара, по меньшей мере со стороны неподвижной полупары, выполнена с покрытием из порошкового материала на основе одного из следующих керамических или металлокерамических материалов: WCCo, WCCoCr, Cr3C2NiCr, Al2O3, ZrO2, с добавкой медного сплава, например бронзы, в количестве от 5 до 40 вес.%.
4. Пара трения по п.3, отличающаяся тем, что покрытие выполнено с пропиткой раствором фторсодержащих поверхностно активных веществ.
5. Пара трения по п.4, отличающаяся тем, что поверхность неподвижной полупары, по меньшей мере, со стороны подвижной полупары выполнена с пропиткой раствором фторсодержащих поверхностно активных веществ.
