пара трения и ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса с этой парой трения

Формула изобретения

1. Пара трения, состоящая из двух деталей, при этом, по крайней мере, поверхностная часть первой детали со стороны второй детали выполнена из композиционного материала, представляющего собой монолитную структуру, состоящую из термореактивного полимерного связующего и, по крайней мере, одного слоя полиэфирного волокнистого наполнителя, а, по крайней мере, поверхностная часть второй детали со стороны первой детали выполнена из сплава железа, содержащего свободный углерод.

2. Пара трения по п.1, характеризующаяся тем, что полиэфирный волокнистый наполнитель состоит из полиоксадиазольных волокон.

3. Пара трения по п.1 или 2, характеризующаяся тем, что термореактивное полимерное связующее представляет собой фенолоформальдегидную смолу.

4. Пара трения по п.1 или 2, характеризующаяся тем, что термореактивное полимерное связующее представляет собой отверженную эпоксидную смолу.

5. Пара трения по одному из пп.1-4, характеризующаяся тем, что полиэфирный волокнистый наполнитель выполнен в виде ткани с полотняным переплетением нитей.

6. Пара трения по одному из пп.1-4, характеризующаяся тем, что полиэфирный волокнистый наполнитель выполнен в виде ткани с саржевым переплетением нитей.

7. Пара трения по одному из пп.1-4, характеризующаяся тем, что полиэфирный волокнистый наполнитель выполнен в виде войлочного полотна.

8. Пара трения по любому из предыдущих пунктов, характеризующаяся тем, что вторая деталь выполнена из сплава железа, содержащего не менее 1 мас.% свободного углерода.

9. Пара трения по любому из предыдущих пунктов, характеризующаяся тем, что вторая деталь выполнена из чугуна типа нирезист.

10. Пара трения по любому из пп.1-8, характеризующаяся тем, что вторая деталь выполнена из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

11. Пара трения по любому из предыдущих пунктов, характеризующаяся тем, что композиционный материал содержит не менее 3 мас.% твердосмазочного наполнителя

12. Пара трения по п.11, характеризующаяся тем, что твердосмазочный наполнитель представляет собой графит.

13. Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащая, по крайней мере, две детали, представляющие собой направляющий аппарат и рабочее колесо, а также, по крайней мере, одну антифрикционную износостойкую шайбу, выполненную из композиционного материала, представляющего собой монолитную структуру, состоящую из термореактивного полимерного связующего и, по крайней мере, одного слоя полиэфирного волокнистого наполнителя, при этом антифрикционная износостойкая шайба зафиксирована на одной из деталей с возможностью скольжения по опорной поверхности второй детали, выполненной из сплава железа, содержащего свободный углерод.

14. Ступень по п.13, характеризующаяся тем, что полиэфирный волокнистый наполнитель состоит из полиоксадиазольных волокон.

15. Ступень по п.14, характеризующаяся тем, что антифрикционная износостойкая шайба выполнена таким образом, что при трении антифрикционной износостойкой шайбы по опорной поверхности второй детали обеспечивается перенос части материала полиоксадиазольных волокон на чугунную поверхность второй детали, находящуюся в зоне трения.

16. Ступень по п.14 или 15, характеризующаяся тем, что опорная поверхность второй детали выполнена таким образом, что при трении по ней антифрикционной износостойкой шайбы обеспечивается перенос части материала полиоксадиазольных волокон на чугунную поверхность второй детали, находящуюся в зоне трения.

17. Ступень по одному из пп.13-16, характеризующаяся тем, что термореактивное полимерное связующее представляет собой фенолоформальдегидную смолу.

18. Ступень по одному из пп.13-16, характеризующаяся тем, что термореактивное полимерное связующее представляет собой отверженную эпоксидную смолу.

19. Ступень по одному из пп.13-18, характеризующаяся тем, что полиэфирный волокнистый наполнитель выполнен в виде ткани с полотняным переплетением нитей.

20. Ступень по одному из пп.13-18, характеризующаяся тем, что полиэфирный волокнистый наполнитель выполнен в виде ткани с саржевым переплетением нитей.

21. Ступень по одному из пп.13 - 18, характеризующаяся тем, что полиэфирный волокнистый наполнитель выполнен в виде войлочного полотна.

22. Ступень по любому из пп.13-21, характеризующаяся тем, что содержание полиэфирного волокнистого наполнителя в композиционном материале находится в пределах от 55 до 85 мас.%.

23. Ступень по любому из пп.13-22, характеризующаяся тем, что полиоксадиазольные волокна сформированы путем вытяжки при температуре, находящейся в пределах от 400 до 500^oС.

24. Ступень по любому из пп.13-23, характеризующаяся тем, что материал полиоксадиазольных волокон содержит бром в количестве от 3 до 6 мас.%.

25. Ступень по любому из пп.13-24, характеризующаяся тем, что вторая деталь выполнена из сплава железа, содержащего не менее 1 мас.% свободного углерода.

26. Ступень по п.25, характеризующаяся тем, что вторая деталь выполнена из чугуна типа нирезист.

27. Ступень по п.25, характеризующаяся тем, что вторая деталь выполнена из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

28. Ступень по любому из пп.13-27, характеризующаяся тем, что композиционный материал содержит не менее 3 мас.% твердосмазочного наполнителя.

29. Ступень по п.28, характеризующаяся тем, что твердосмазочный наполнитель представляет собой графит.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в узлах трения, работающих в сложных условиях, например, при создании погружных центробежных насосов для добычи нефти, в частности износостойких погружных насосов, предназначенных для работы в скважинах с высоким содержанием механических примесей в пластовой жидкости, а также в условиях повышенной температуры и химической агрессивности пластовой жидкости.

Основной причиной выхода из строя погружных насосов для добычи нефти является преждевременный износ трущихся поверхностей ступеней насосов, главным образом деталей пары трения, образуемой опорным буртом направляющего аппарата и текстолитовой антифрикционной износостойкой шайбой, запрессованной в расточку рабочего колеса (см. А. А. Богданов Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти, М., Недра, 1968, с. 47). Текстолитовые шайбы не обладают в полной мере износостойкостью, механической прочностью и химической стойкостью, требуемой для обеспечения надежной работы тяжелонагруженных и высокоскоростных узлов трения. Текстолиты, содержащие в своем составе хлопчатобумажную ткань, не обладают стойкостью к воздействию химически агрессивных веществ, содержащихся в пластовой жидкости, а использование стеклотекстолитовых антифрикционных шайб приводит к быстрому износу ответной металлической поверхности пары трения вследствие абразивного воздействия стекловолокна.

Известен антифрикционный композиционный материал для подшипников скольжения различного назначения (см. патент RU 2137790 С1, С 08 L 61/10, 20.09.1999), представляющий собой композиционный материал, выполненный в виде монолитной структуры, состоящей из термореактивного полимерного связующего и нескольких слоев ткани, изготовленной из полиоксадиазольных волокон.

Применение описанного композиционного материала для изготовления антифрикционных шайб позволит получить ряд преимуществ: уменьшить коэффициент трения, повысить износостойкость и, следовательно, повысить долговечность ступени погружного насоса. Однако низкий коэффициент трения и высокая износостойкость подобных композитов определяются специфическими процессами, протекающими на поверхности трения, в частности эффектом фрикционного переноса на участки ответной поверхности трения полиоксадиазольной составляющей композита с формированием на этих участках поверхностного слоя, который обеспечивает снижение коэффициента трения и, как следствие, понижение температуры в зоне трения. Интенсивность описанного процесса в значительной степени определяется свойствами ответной поверхности, образующей пару трения с композитом, то есть в полной мере свои свойства композит может проявить только в составе определенной пары трения.

Наиболее близким аналогом для каждого изобретения заявленной группы изобретений по совокупности существенных признаков является ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, описанная в патенте US 5,133,639 А, 28.07.1992, F 04 D 29/02, содержащая направляющий аппарат, рабочее колесо и шайбу, имеющую поверхностный антифрикционный износостойкий слой, образованный композиционным материалом на основе термореактивного полимерного связующего, при этом антифрикционная износостойкая шайба зафиксирована на одной из деталей с образованием пары трения с опорной поверхностью второй детали, сформированной керамической вставкой.

Основными недостатками прототипа являются недостаточная надежность и долговечность шайбы, так как в паре трения, образуемой указанными выше материалами не возникает эффект фрикционного переноса полимерной составляющей композита.

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании износостойкой пары трения и ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса с этой парой трения, предназначенной для работы в скважинах с высоким содержанием механических примесей в пластовой жидкости, а также в условиях повышенной температуры и химической агрессивности пластовой жидкости.

Технический результат, достигаемый при реализации каждого изобретения заявленной группы изобретений, заключается в уменьшении коэффициента трения и обеспечении стабильности триботехнических характеристик при повышенных температурах и жестких режимах нагружения, а также в увеличении срока службы ступени погружного насоса за счет уменьшения износа и снижения темпов коррозии опорных поверхностей деталей ступени, повышения износостойкости, прочности, ударной вязкости и усталостной прочности антифрикционной износостойкой шайбы осевой опоры ступени и повышения стойкости шайбы к воздействию агрессивной среды.

Согласно изобретению пара трения состоит из двух деталей, при этом, по крайней мере, поверхностная часть первой детали со стороны второй детали выполнена из композиционного материала, представляющего собой монолитную структуру, состоящую из термореактивного полимерного связующего и, по крайней мере, одного слоя полиэфирного волокнистого наполнителя. По крайней мере, поверхностная часть второй детали со стороны первой детали выполнена из сплава железа, содержащего свободный углерод.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения полиэфирный волокнистый наполнитель может состоять из полиоксадиазольных волокон.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения термореактивное полимерное связующее может представлять собой фенолоформальдегидную смолу.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения термореактивное полимерное связующее может представлять собой отвержденную эпоксидную смолу.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения полиэфирный волокнистый наполнитель может быть выполнен в виде ткани с полотняным переплетением нитей.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения полиэфирный волокнистый наполнитель может быть выполнен в виде ткани с саржевым переплетением нитей.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения полиэфирный волокнистый наполнитель может быть выполнен в виде войлочного полотна.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения вторая деталь может быть выполнена из сплава железа, содержащего не менее 1 мас.% свободного углерода.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения вторая деталь может быть выполнена из чугуна типа нирезист.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения вторая деталь может быть выполнена из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения композиционный материал может содержать не менее 3 мас.% твердосмазочного наполнителя.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения твердосмазочный наполнитель может представлять собой графит.

Согласно изобретению ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит, по крайней мере, две детали, представляющие собой направляющий аппарат и рабочее колесо, а также, по крайней мере, одну антифрикционную износостойкую шайбу, выполненную из композиционного материала. Композиционный материал представляет собой монолитную структуру, состоящую из термореактивного полимерного связующего и, по крайней мере, одного слоя полиэфирного волокнистого наполнителя. Антифрикционная износостойкая шайба зафиксирована на одной из деталей с возможностью скольжения по опорной поверхности второй детали, выполненной из сплава железа, содержащего свободный углерод.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения полиэфирный волокнистый наполнитель может состоять из полиоксадиазольных волокон.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения антифрикционная износостойкая шайба может быть выполнена таким образом, что при трении антифрикционной износостойкой шайбы по опорной поверхности второй детали обеспечивается перенос части материала полиоксадиазольных волокон на чугунную поверхность второй детали, находящуюся в зоне трения.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения опорная поверхность второй детали может быть выполнена таким образом, что при трении по ней антифрикционной износостойкой шайбы обеспечивается перенос части материала полиоксадиазольных волокон на чугунную поверхность второй детали, находящуюся в зоне трения.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения термореактивное полимерное связующее может представлять собой фенолоформальдегидную смолу.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения термореактивное полимерное связующее может представлять собой отвержденную эпоксидную смолу.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения полиэфирный волокнистый наполнитель может быть выполнен в виде ткани с саржевым переплетением нитей.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения полиэфирный волокнистый наполнитель может быть выполнен в виде ткани с полотняным переплетением нитей.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения полиэфирный волокнистый наполнитель может быть выполнен в виде войлочного полотна.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения содержание полиэфирного волокнистого наполнителя в композиционном материале может находиться в пределах от 55 до 85 мас.%.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения полиоксадиазольные волокна могут быть сформированы путем вытяжки при температуре, находящейся в пределах от 400 до 500^oС.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения материал полиоксадиазольных волокон может содержать бром в количестве от 3 до 6 мас.%.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, вторая деталь может быть выполнена из сплава железа, содержащего не менее 1 мас.% свободного углерода.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения направляющий аппарат и рабочее колесо могут быть выполнены из чугуна типа нирезист.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения направляющий аппарат и рабочее колесо могут быть выполнены из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения композиционный материал может содержать не менее 3 мас.% твердосмазочного наполнителя

Кроме того, в частном случае реализации изобретения твердосмазочный наполнитель может представлять собой графит.

На фиг. 1 изображена ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса.

На фиг. 2 изображены графики зависимостей изменения коэффициента трения от приложенной нагрузки для двух разных пар трения.

На фиг.3 изображены графики зависимостей мощности трения от приложенной нагрузки для тех же пар трения.

Ступень 1 погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит направляющий аппарат 2 и рабочее колесо 3, выполненные из чугуна типа нирезист. Рабочее колесо установлено в направляющем аппарате и опирается на опорный бурт 4 через антифрикционную износостойкую шайбу 5, запрессованную в расточку, выполненную в нижнем диске рабочего колеса 3. Вторая антифрикционная износостойкая шайба 6, выполненная из того же материала, что и шайба 5, но имеющая меньшую толщину, запрессована в расточку, выполненную в верхнем диске рабочего колеса 3.

Антифрикционные износостойкие шайбы 5 и 6 выполнены из композиционного материала типа "карбонит" ("оксалон"), представляющего собой монолитную структуру, состоящую из термореактивного полимерного связующего, нескольких слоев полотна, представляющего собой синтетическую ткань, полотняного плетения и 3 мас.% графита, выполняющего функцию твердосмазочного наполнителя.

Количество ткани в составе композиционного материала находится в пределах от 55 до 85 мас.%, так как дальнейшее увеличение содержания армирующей ткани приведет к недостатку связующего для образования непрерывной бездефектной пленки полимера на нитях ткани, снижению текучести при прессовке материала, образованию дефектов и перенапряжений в системе, нарушению монолитности композита, что вызывает снижение прочности материала. При содержании тканого наполнителя ниже 55 мас.% не происходит формирования армирующего каркаса, прослойка полимерной матрицы между нитями и слоями ткани утолщается, что приводит к повышению усадочных напряжений и количества микротрещин в ней, нарушается однородность материала, усиливается дефектность системы, ее напряженность, что вызывает снижение прочности композита.

Ткань изготовлена из нитей, выработанных из полиоксадиазольных волокон. Материал полиоксадиазольных волокон содержит бром в количестве от 3 до 6 мас. %, экспериментально установлено, что при указанном содержании брома в материале полиоксадиазольного волокна наблюдается резкое увеличение его термостойкости. Кроме того, на свойства композита оказывает влияние температура вытяжки полиоксадиазольных волокон, оптимальное значение которой находится в пределах от 400 до 500^oС.

Термореактивное полимерное связующее представляет собой фенолоформальдегидную или эпоксидную смолу. Эпоксидные связующие обладают высокой стойкостью к растворителям и щелочам, отличаются повышенной термостабильностью (до 280^oС), износостойкостью, прочностью и безусадочностью, а фенолоформальдегидные связующие отличаются высоким модулем упругости при изгибе, в том числе при высоких температурах, высокой прочностью при сжатии, обладают низким коэффициентом теплового расширения, размерной стабильностью в интервале температур до 210^oС, химической стойкостью, сопротивлением ползучести, огнестойкостью.

Существенное влияние на возникновение эффекта фрикционного переноса полиоксадиазольной составляющей композита оказывает характер строения межфазного слоя в композите, зависящий от химической природы волокон тканого наполнителя и полимерного связующего. Межфазный слой формируется за счет взаимодействия связующего с наполнителем с образованием гибридных полимерных слоев, состоящих из фрагментов обоих компонентов, кроме того, происходит сорбция связующего поверхностным слоем наполнителя. Использование эпоксидного или фенолоформальдегидного связующего обеспечивает максимальную скорость и глубину взаимодействия с полиоксадиазольными волокнами тканого наполнителя.

Описанный композиционный материал характеризуется хорошей тепло- и температуропроводностью, что обеспечивает диссипацию тепла, выделяющегося в зоне трения, и способствует повышению износостойкости материала, таким образом, композит сохраняет работоспособность при жестких режимах нагружения и контактной температуре до 250^oС. Кроме того, материал обладает стабильными триботехническими характеристиками при одновременном воздействии высоких давлений (около 50 МПа) и температур (около 250^oС), при этом коэффициент трения практически не изменяется при увеличении температуры и давления (см. фиг.2 кривая В).

Технология изготовления антифрикционной износостойкой шайбы из предложенного композиционного материала включает в себя пропитку ткани смолой и последующее прессование при нагреве изделия с заданными геометрической формой и размерами.

При работе насоса рабочее колесо 3 ступени приводится во вращение относительно направляющего аппарата 2, при этом между наружной поверхностью шайбы 5 и поверхностью опорного бурта 4 образуется пара трения чугун нирезист-полиоксадиазольный композит, в которой происходит фрикционный перенос на чугунную деталь полиоксадиазольной составляющей композита и формирование на, по крайней мере, части чугунной поверхностности полимерного слоя, таким образом происходит самосмазывание трущихся поверхностей, что обеспечивает низкий коэффициент трения (около 0,10) при отсутствии на поверхностях каких-либо внешних смазочных компонентов. Кроме того, за счет снижения мощности трения обеспечивается также снижение рабочей температуры поверхности трения. Формирование на трущейся чугунной поверхности слоя из полиоксадиазольной составляющей композита практически сводит к нулю износ чугунной поверхности и существенно замедляет процесс коррозии, происходящей под действием попадающей в зону трения пластовой жидкости, что также положительно сказывается на износостойкости чугунной поверхности и повышает общую долговечность ступени насоса, а также позволяет производить капитальный ремонт насоса путем замены антифрикционных шайб 5 и осуществлять его повторную эксплуатацию с рабочими колесами и направляющими аппаратами, установленными в насосе при изготовлении.

Экспериментально установлено, что эффект фрикционного переноса полиоксадиазольной составляющей, необходимый для достижения указанного выше технического результата, проявляется только в том случае, если полиоксадиазольная составляющая композита взаимодействует с материалами, содержащими не менее 1 мас. % свободного углерода, такими как чугун типа нирезист или высокопрочный чугун с шаровидным графитом. На фиг.2 и 3 представлены кривые зависимостей изменения коэффициента трения и мощности трения от приложенной нагрузки для двух вариантов пар трения, построенные по результатам испытаний, где кривая А соответствует паре трения полиоксадиазольный композит - среднеуглеродистая коррозионно-стойкая сталь (4013), а кривая В соответствует паре трения полиоксадиазольный композит - чугун нирезист.

Кроме того, взаимодействие полиоксидиазольных волокон с металлом, содержащим значительное количество свободного углерода, существенно уменьшает абразивные свойства волокон.

На некоторых режимах работы, например, во время его запуска при открытой задвижке осевые силы, действующие на рабочее колесо 3, могут быть направлены вверх, что приводит к так называемому "всплытию" рабочего колеса, верхний диск которого упирается в направляющий аппарат расположенной выше ступени, в этом случае шайба 6 работает аналогично шайбе 5.