Модернизация стенда испытаний секций насосов

Проектное решение.frw

Соединение.frw

прототип.frw

ступени.frw

Тензодатчик.frw

Приложение Б.cdw

Принципиальная гидравлическая

Приложение Д.cdw

ОСЕВОЕ ДАВЛЕНИЕ УПОРНО-РАДИАЛЬНОГО
Схема измерения осевого
давления вала секции насоса
ОСЕВОЕ УСИЛИЕ ПОРШНЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПРУЖИННЫМ МАНОМЕТРОМ

схема стенда.frw

Схема готового узла.frw

Курсовой проект (проектирование).doc

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
Кафедра «Технология конструирование и автоматизация
в специальном машиностроении»
«Модернизация стенда испытаний секций насосов»
Составил: студент группы ТКА 04 Комаров О.В.
Принял: преподаватель Ярушин С. Г.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Техническое задание на курсовой проект
Студента Комарова О.В. группы
Тема: Модернизация стенда испытаний секций насосов
Исходные данные для проектирования: Стенд для испытаний насосов СТППД-
Содержание расчетно-пояснительной записки:
Введение (показать актуальность заявленных целей и методов их
Проектно-конструкторский раздел:
1 Анализ проблем анализ недостатков прототипа формулирование задач
2 Литературный и патентный обзор и анализ выявленных материалов по
направлению разработки.
3 Выбор и обоснование методов проектирования
4 Выявление альтернативных вариантов выбор и обоснование
рационального технического решения объекта включая его функциональную
структурную принципиальную кинематическую электрическую гидравлическую
и иные схемы; выбор и обоснование основных конструкционных материалов.
5 Расчёт основных характеристик (параметров) проектируемого изделия
разрабатываемого технологического процесса. Выбор проектных параметров.
6 Описание состава принципа действия и основных характеристик
спроектированного изделия (оборудования).
Технологический раздел
3 Организационно-экономический раздел
Перечень графического материала: (общий вид прототипа и
спроектированного изделия различные схемы и чертежи основных узлов
подтверждающих функционирование и эффективность)
Модернизация стенда для испытаний модуль-секций погружных насосов
В настоящее время на предприятии «НОВОМЕТ-ПЕРМЬ» для испытаний секций
насосов используется стенд СТППД-400. Стенд предназначен для проведения
параметрических классификационных и прием-сдаточных испытаний секций
насосов как погружного так и наземного исполнений 7 7А 8 и 10 16
Целью модернизации является — включение в испытания секций насосов
измерение давления вала секции.
Назначение модернизации — получение экспериментальных данных о
нагрузках на осевую опору насоса с целью повышения качества выпускаемой
Пояснительная записка проекта 62 с. 28 рис. 1 табл. 5 источников
графическая часть проекта представлена на 6-ти листах формата А1.
Объектом модернизации является стенд для испытаний секций насосов СТППД-
Цель работы - модернизация стенда для включения в систему измерений
определение осевого давления вала.
Назначение оборудования - проведение параметрических классификационных
и приемно-сдаточных испытаний секций насосов как погружного так и
наземного исполнений 7 7А 8 и 10 16 габаритов.
В процессе разработки были затронуты следующие вопросы:
– ознакомление с техническим заданием постановка проблемы уточнение
условий эксплуатации;
– Поиск технического решения методы поиска патентный поиск сравнение
– Конструкторская часть прочностные расчеты.
– Анализ и заключение. Рассматриваются преимущества и недостатки общий
Проектно-конструкторский
Анализ проблем формулирование задач проектирования 6
Анализ патентный поиск обзор выбор и обоснование рационального
Расчет основных характеристик (параметров) проектируемого
Технология изготовления
Организационно-экономический
Список использованных
В последнее время значительно увеличилась добыча нефти с применением
насосов погружного типа. В связи с этим все большую актуальность
приобретает надежность промыслового оборудования — увеличение межремонтных
периодов сокращение числа подъемов насоса. В условиях растущей потребности
в погружных насосах и жесткой конкуренции на рынке производители стремятся
повысить качество своей продукции. С этой целью на предприятии «НОВОМЕТ-
ПЕРМЬ» был создан стенд СТППД-400 для испытаний секций насосов.
Данный стенд был создан для для проведения параметрических
классификационных и прием-сдаточных испытаний секций насосов как
погружного так и наземного исполнений 7 7А 8 и 10 16 габаритов.
Конструктивное исполнение основных агрегатов узлов и встроенного
оборудования определяет высокую технологичность безопасность и высокую
культуру производства при проведении испытаний.
В связи с тем что одной из причин выхода из строя секций насосов
является сильное осевое давление вала на осевую опору было принято решение
о добавлении в базу испытаний измерения осевого давления вала секции
Проектно-конструкторский раздел
1.1 Анализ проблем формулирование задач проектирования.
Центробежные насосы составляют весьма обширный класс насосов.
Перекачивание жидкости или создание давления производится в центробежных
насосах вращением одного или нескольких рабочих колес.
В результате воздействия рабочего колеса жидкость выходит из него с
более высоким давлением и большей скоростью чем при входе. Выходная
скорость преобразуется в давление перед выходом жидкости из насоса.
Преобразование скоростного напора в пьезометрический частично
осуществляется в направляющем аппарате.
Схема многоступенчатого секционного центробежного насоса показана на
рисунке 1. Каждая ступень такого насоса состоит из рабочего колеса и
направляющего аппарата который направляет поток к следующему рабочему
колесу. В таком насосе напор повышается пропорционально числу колес.
Рисунок 1. Схема многоступенчатого секционного центробежного насоса.
Применяемые в нефтедобывающей промышленности центробежные погружные
насосы характеризуются большим числом ступеней (колесо аппарат
направляющий) что является следствием большой осевой нагрузки на вал.
Для осевой разгрузки вала в корпусе секции насоса или в гидрозащите
устанавливают осевую опору. В настоящее время стоит проблема измерения
действительного давления оказываемого валом насоса на осевую опору.
В связи с решением о включении в испытания секций насосов измерение
осевого давления вала возникла необходимость модернизировать существующую
конструкцию стенда СТППД-400 (см. Приложение А). Схема стенда представлен
Рисунок 2. Схема стенда СТППД-400.
Опора секций насоса;
Запорно-регулирующий блок;
Муфта предохранительная;
Датчик крутящего момента;
Стенд представляет собой автоматизированное изделие с временным
пребыванием обслуживающего персонала (во время установки секции наладки
регулирования и осмотра приборов арматуры и оборудования) в зоне
Рама обеспечивает возможность регулировки положения элементов насосной
установки и испытуемой секции во всех направлениях и крепиться к
фундаменту. Конструкция опор секций позволяет устанавливать различные по
конструкциям длинам и габаритам секции насосов без изменения положения их
оси вращения и жестко фиксировать установленную секцию к раме а
конструкция опоры выходного модуля дополнительно имеет возможность
передвигаться вдоль всей станины.
Узел подвода предназначен:
для передачи крутящего момента от электродвигателя к насосу;
для восприятия осевой нагрузки вызванной перепадом давлений (до 10т
при частоте вращения вала 4200обмин и мощности 400 кВт);
для подвода перекачиваемой жидкости в насос;
для создания герметичной системы для чего в узле подвода установлено
торцевое уплотнение.
Предохранительная муфта предназначена для передачи крутящего момента от
электродвигателя узлу подвода и прерывает передачу мощности при достижении
крутящего момента до 160 кг·м.
Принципиальная гидравлическая схема стенда представлена в приложении Б.
Задачей проектирования является включение в текущую конструкцию стенда
устройства позволяющего замерять осевое давление вала секции насоса в
пределах от 1 до 35 МПа.
1.2 Анализ патентный поиск обзор выбор и обоснование рационального
технического решения
Существует два направления модернизации стенда:
– проектирование нового узла который будет включен в конструкцию
– модернизация существующей конструкции путем доработки отдельных
Первое направление подразумевает создание средства измерения как
Преимуществом данного подхода является относительная свобода
проектирования (конструкция зависит от минимального числа факторов).
К недостаткам можно отнести:
– увеличение габаритов и массы стенда;
– создание нового узла как правило требует больших затрат времени и
Второе направление подразумевает создание средства измерения на базе
уже существующего узла конструкции.
К преимуществам этого направления относятся:
– меньшие расходы ресурсов и времени;
– габариты и масса стенда практически не изменятся.
Недостаткам является зависимость проектного решения от конструкции
дорабатываемого узла.
На основе анализа достоинств и недостатков выше перечисленных
направлений выбор был сделан в пользу второго варианта как наиболее
экономически выгодного.
При анализе конструкции стенда и хода испытаний в качестве
дорабатываемого узла был выбран узел подвода (Приложение В). Во-первых его
конструкция довольно проста и тем проще будет ее изменить а самое главное
— этот узел воспринимает осевое давление вала.
Конструкция узла подвода изображена на рис. 3.
Рисунок 3. Конструкция узла подвода.
Как видно по конструкции осевая нагрузка вала насоса через шлицевую
муфту передается на вал узла подачи и в последующем воспринимается
подшипниковым узлом защищенным от попадания воды крышкой и торцовым
Так как конструкция узла не позволяет подключить какой-либо измеряющий
прибор непосредственно к валу следует разработать принцип передачи
давления от вала к измеряющему устройству.
Сложность поставленной задачи заключается в том что вал узла подвода
не только воспринимает осевое давление вала насоса но и передает через
муфты крутящий момент от вала электродвигателя к валу насоса.
Патентный поиск проводился в библиотеке им. Горького г.Перми. Поиск
производился по следующим направлениям:
Испытание насосов и насосных установок;
В результате было найдено небольшое количество патентов предлагающих
решение проблемы измерения осевого усилия создаваемого крутящемся валом.
Ниже представлены патенты с наиболее подходящими решениями для
поставленной задачи. Все предложенные решения можно разделить на три
группы: решения с использованием магнитоупругого эффекта (Виллари эффект)
с использованием тензодатчиков и решения основанные на механике и
свойствах материалов. В последнюю группу входит только одно изобретение
запатентованное в 1982 г.
Цель изобретения — обеспечение возможности определения величины и
направления осевой силы в условиях интенсивного вибрационного режима без
изменения эксплуатационных характеристик насосного агрегата.
На рис. 4 изображено устройство разрез; на рис. 5 — пример исполнения
шайбы из пластического материала например анодированного алюминия.
Шайба 1 толщиной 3-4 мм из пластичного мягкого материала с выполненным
в ней тонким торцовым кольцевым выступом 2 переменной высоты на которой
нанесены риски 3 начального отсчета зажата (рис. 4) между торцом корпуса 4
и подшипником 5 так что внутренняя часть кольцевого выступа 6 переменной
высоты касается внутреннего кольца шарикоподшипника 7.
В зависимости от приложенной силы кольца подшипника 5 сдвигаются друг
относительно друга на некоторую величину и тонкий кольцевой выступ 2 на
эту величину стирается. Поскольку выступ имеет переменную высоту то по
величине стертой дуги отсчитываемой от риски 3 начального отсчета можно
определить осевое смещение колец подшипника 5. Естественное биение колец
шарикоподшипника 5 из-за допусков на геометрические размеры и допуска на
чертежный зазор учитывается предварительной градуировкой в соответствии с
которой наносится риска 3.
Измерение перемещения колец шарикоподшипника друг относительно друга
под действием определенной нагрузки на силоизмерительной машине до и после
наработки ресурса в агрегате показывают что в одном и том же
шарикоподшипнике это перемещение стабильно и разброс не превышает 2-3%.
Таким образом общая точность измерения не будет ниже 3-4%.
Использование изобретения позволяет определять максимальную осевую силу
в работающем насосном агрегате без изменения его эксплуатационных
К достоинствам этого изобретения можно отнести простоту и минимальные
требования для осуществления измерения осевого давления вала секции насоса.
Недостатками данного изобретения является необходимость сборки и
разборки секции насоса до и после испытания сложность измерения в
следствии применения градуировки а также затраты на изготовления такой
шайбы для каждого испытания что в сумме уменьшает экономическую
целесообразность использования данного изобретения в составе испытаний
секций насосов. Еще одним недостатком является невозможность наблюдения за
изменением осевого давления вала.
Магнитоупругий эффект (Виллари эффект) - открытое итальянским физиком
Э. Виллари (E. V 1865) явление изменения намагниченности тела при
его деформации. Виллари эффект обусловлен изменением под действием
механических напряжений доменной структуры ферромагнетика определяющей его
Решение проблемы измерение осевой силы крутящегося вала с
использованием магнитоупругого эффекта отраженно в следующих двух патентах.
Сущность изобретения заключается в том что магнитная система
устройства представляет собой кольцевой замкнутый магнитопровод на
внутренней поверхности которого расположены два параллельных ряда
электромагнитов. Полюса электромагнитов охватывают вал и соединены в две
группы в каждую из которых включены обмотки электромагнитов поочередно то
одного то другого ряда. Концы всех электромагнитов одной группы
расположенных в одном ряду образуют одни и те же полюса а в другом ряду —
противоположные. Линии полюсов смежных электромагнитов каждой группы
расположены под углом 45° к оси вала.
На рис. 6 изображено устройство и его установка на контролируемом валу;
на рис. 7 — то же в поперечном разрезе; на рис. 8 — развертка магнитной
Устройство состоит из двух систем электромагнитов 1 закрепляемых на
поверхности контролируемого вала 2.
Магнитная система устройства выполнена в виде кольцевого замкнутого
магнитопровода 3 снабженного двумя рядами параллельно расположенных
электромагнитов 4 установленных на внутренней поверхности магнитопровода.
В качестве магнитопровода могут быть применены пакеты статорных пластин.
Между магнитопроводами установлены про-кладки 5 6 и 7 из магнитомягкого
Обмотки одной А1 — А12 магнитной системы включены в сеть переменного
тока а другой В1 — В12 подключены к измерительному прибору. Обмотки А1 —
А12 включены последовательно или параллельно так чтобы образовать
чередующуюся полярность полюсов N и S. Распределение полярности полюсов
обмоток А1 — А12 соответствует одному из полупериодов напряжения питания
Обмотки В1 — В12 для обеспечения максимальной чувствительности
устройства соединены последовательно с согласным включением.
Устройство включает в себя двенадцать одинаковых магнитных систем А1А2
— В1В2 А2А3 — В2В3 А3А4 — В3В4 и т. д. При этом оси полюсов с обмотками
А1 — А12 образуют угол в 45° к направлению продольного усилия в материале
контролируемого вала что обеспечивает максимальную чувствительность
устройства к деформациям упора и исключает влияние деформации кручения.
Описываемое устройство представляет собой развитие и дальнейшее
усовершенствование предыдущего. Оно отличается тем что с целью исключения
влияния скорости вращения вибрации и магнитной неоднородности вала на
результат измерения в нем задающая обмотка электромагнита закрепленного
на контролируемом валу подключена к рас-положенной на валу дисковой
обмотке являющейся вторичной обмоткой трансформатора первичная обмотка
которого включенная в сеть переменного тока смонтирована на неподвижном П-
образном сердечнике в вырезы которого входит дисковая обмотка а
измерительная обмотка электромагнита подключена к расположенной на валу
второй дисковой обмотке являющейся первичной обмоткой трансформатора
вторичная обмотка которого установлена на втором неподвижном П образном
На рис. 9 показана конструктивная схема устройства для случая одного
магнитоупругого преобразователя; на рис. 10 — то же разрез по А-А на
Устройство состоит из сердечника 1 с обмоткой 2 и сердечника 3 с
обмоткой 4. Оба сердечника закреплены на контролируемом валу 5. Выводы
обмотки 2 подключены к концам дисковой обмотки 6 являющейся вторичной
обмоткой трансформатора первичная обмотка 7 которого размещена на
сердечнике 8 заключенном в корпусе 9. Концы обмотки 4 подключены к выводам
дисковой обмотки 10 служащей первичной обмоткой трансформатора вторичная
обмотка 11 которого размещена на сердечнике 12 и подключена на вход
электронного усилителя 13. На выходе усилителя подключен измерительный
прибор — вольтметр 14.
Дисковые обмотки 6 и 10 намотаны на кольцевые сердечники 15 из
трансформаторного железа. Между этими сердечниками и валом помещены
кольцевые прокладки 16 из немагнитного материала. К обмотке 7
расположенной на сердечнике 8 подводится напряжение из сети переменного
тока. Это напряжение трансформируется в обмотку 6 и прикладывается к концам
При отсутствии осевого давления и при изотропном материале вала в
обмотке 4 э.д.с. будет равна нулю. При наличии осевого давления (упора) в
обмотке 4 будет наводиться э.д.с. пропорциональная осевому давлению. Под
действием этой э.д.с. по обмотке 10 потечет переменный ток который будет
трансформироваться в обмотку 11 сердечника 12. Электродвижущая сила обмотки
усиливается усилителем и измеряется вольтметром. Так как сердечники 1 и
закреплены на валу а каждый виток обмоток 6 и 10 представляет собой
кольцо то очевидно что э.д.с. обмотки 11 сердечника 12 а следовательно
и показания вольтметра не зависят от скорости вращения вала. Вибрация вала
также не оказывает влияния на показания вольтметра. Продольные смещения
вала не изменят суммарного воздушного зазора между обмотками 6 и 10 и
соответствующими сердечниками 8 и 12. Поперечные перемещения вала
обусловленные вибрацией изменят лишь глубину вхождения обмоток 6 и 10 в
вырезы сердечников 8 и 12 что изменит лишь магнитное сопротивление на
участках этих сердечников. Однако даже всем магнитным сопротивлением
сердечников можно пренебречь по сравнению с магнитным сопротивлением
воздушного зазора. Выходная э.д.с. Измерителя также не зависит от
естественной магнитной анизотропии вала так как сердечники 1 и 3 вращаются
вместе с валом будучи закрепленными на нем.
Недостатками таких решения являются сложность конструкции а
следовательно и высокая стоимость реализации. Также возникает опасность
короткого замыкания в следствии возможной утечки жидкости в узле подвода.
Следующее изобретение основано на измерении кинематических параметров
подшипника зависящих от величины осевой нагрузки.
Цель изобретения — повышение точности измерения осевой нагрузки. Для
этого измеряют частоты вращения сепаратора и кольца подшипника определяют
отношение этих частот а осевую нагрузку определяют по величине отношения
измеренных частот вращения.
На рис. 11 показано устройство реализующее предлагаемый способ
определения осевой нагрузки.
В неподвижном кольце 1 установлены шарики помещенные в сепаратор 2
и вращающееся кольцо 3. Отметчик 4 оборотов сепаратора связан с
сепаратором вращение которого регистрируется датчиком 5 частоты вращения
Отметчик оборотов кольца 6 установлен на кольце 3 вращение которого
регистрируется датчиком 7 частоты вращения кольца. Датчик частоты вращения
сепаратора и кольца 57 соединенны соответственно с формирователями-
усилителями сигналов 8 и 9 которые связаны с частотомером 10.
Перед началом измерения усилий устройство тарируют в условиях
приблизительно идентичных тем при которых будет измеряться нагрузка на
шарикоподшипник. Тарировка заключается в установлении зависимости
отношения частот вращения сепаратора 2 и кольца подшипника 3 от осевой
нагрузки действующей на подшипник.
Затем измеряют отношения частот вращения сепаратора 2 и кольца
подшипника 3 во время работы подшипника в натурных условиях и определяют
осевую нагрузку на подшипник пользуясь полученной при тарировке
зависимостью. Сигналы с датчиков 5 и 7 усиливаются формирователями-
усилителями сигналов 8 и 9. На выходе частотомера 10 образуется сигнал
равный отношению частот вращения сепаратора 2 и кольца 3. Пользуясь
тарировочным графиком определяют величину осевой нагрузки.
Это изобретение также имеет ряд недостатков основным из которых
является необходимость тарирования.
Следующие изобретения для измерения осевого усилия крутящегося вала
используют тензодатчики.
Тензодатчик предназначен для преобразования создаваемого усилия при
деформации твёрдого тела в электрический сигнал пропорционально
производимой нагрузке и дальнейшей его регистрации. Тензодатчики получили
широкое применение в качестве весоизмерительных элементов в современном
научном и испытательном оборудовании в дозаторах и во всех видах весов.
Тензодатчик работает следующим образом (см. рис. 12): ток возбуждения
протекает по резистору (отводы 1(земля) и 3(напряжение)) а подаваемое к
диафрагме давление воздействуя на диафрагму изгибает резистор. Изгиб
приводит к возникновению в резисторе поперечного электрического поля
которое проявляется как напряжение на отводах 2(выходное напряжение с « +
») и 4(выходное напряжение с « - ») соединенных со средней точкой
резистора. Выходной сигнал изменяется пропорционально прилагаемому
Рисунок 12. Принцип работы тензодатчика.
На рис. 13 дана конструкция устройства. Устройство содержит корпус 1
две цапфы с крышками-мембранами 2 деформируемыми от воздействия осевых
усилий телескопирующих карданных валов (на рисунке не показаны) и
закрепленными на корпусе с помощью болтов 3 пружинными шайбами. Рабочий
элемент выполнен в виде втулки 4 в которой по направляющей 6 перемещаются
пробки 6 со сферическими концами в виде шариков 7 упирающихся в крышки-
мембраны. Пробки жестко соединены с концами плоских пружин 8 с наклеенными
на их плоскостях тензодатчиками 9 образующими измерительный полумост
Уитстона. Втулка закреплена неподвижно в корпусе устройства с помощью
текстолитового кольца 10.
Воздействие осевого усилия на цапфу приводит к прогибу крышки-мембраны
изготовленной за одно целое с цапфой устройства. Прогиб мембраны вызывает
перемещение пробки в направляющей втулке рабочие пружины с тензодатчиками
предварительно изогнутые еще больше деформируются (изгибаются). Причем
верхние датчики работают на растяжение нижние — на сжатие. В случае когда
осевое усилие направлено в другую сторону весь процесс протекает в
обратном направлении: крышка-мембрана прогибается в другую сторону пробки
скользят в сторону прогиба вызывая выпрямление пружин. Верхние
тензодатчики работают на сжатие нижние — на растяжение.
Недостатками такой конструкции является то что в процессе эксплуатации
концы валов могут откланяться от центральной оси что приведет к
погрешностям измерения и вибрациям и тензодатчики включенные в
измерительную схему не позволяют исключить влияния крутящего момента вала
на измерения. Данная конструкция не отвечает требованиям надежности так
как крышка-мембрана будет подвергаться усталостному напряжению что
приведет к ее быстрому разрушению.
В предлагаемом устройстве в одном из фланцев упругой муфты запрессована
втулка с мембраной а в другом фланце на резьбе установлен регулируемый
упорный винт закрепленный от проворачивания контргайкой и деформирующий
мембрану с наклеенным на ней рабочим тензодатчиком.
На рисунке 14 показана конструкция предлагаемого устройства.
Оно выполнено в виде упругой муфты состоящей из левого фланца-мембраны
Во фланец-мембрану 1 запрессована мембрана 3 расположенная с ним в
одной плоскости. На левой стороне мембраны 8 наклеен рабочий тензодатчик
а на-правой стороне фланца-мембраны 1 — компенсационный тензодатчик 5.
Тензометрические датчики связаны через провода 6 с токосъемником который
в свою очередь соединен с тензоаппаратурой.
Фланец 2 с помощью центрирующего буртика центрируется относительно
левого фланца-мембраны 1 и крепится к нему болтами 7.
Соосно с осью правого фланца 2 на резьбе установлен упорный винт 8 при
вращении которого может быть задана определенная осевая деформация мембраны
винт 8 крепится от проворачивания контргайкой 9.
Работает устройство следующим образом. При появлении осевого усилия на
валу левый фланец-мембрана деформируется в осевом направлении относительно
правого фланца. Деформация приводит к изменению деформации мембраны винтом
а следовательно к изменению деформации тензодатчика 4.
Таким образом изменение осевых усилий на валу изменяет девормацию
тензодатчика а следовательно обеспечивает измерение осевых усилий на
Предлагаемый датчик не чувствителен к крутящему моменту на валу так
как изменение крутящего момента не изменяет деформации мембраны на которой
наклеен рабочий тензодатчик 4.
Изобретение относится к области измерительной техники в частности к
устройствам для измерения осевых сил действующих на радиально-упорные
подшипники. На рисунке 15 изображено описываемое устройство в продольном
Устройство для измерения осевых сил действующих на радиально-упорные
подшипники содержит электроконтактный датчик 1 и гидравлический измеритель
усилия который выполнен с двумя кольцевыми полостями А и Б разделенными
поршнем 2. В поршне установлен контролируемый подшипник 3.
Устройство работает следующим образом.
При действии осевой силы в направлении стрелки В на подшипник 3
последний вместе с поршнем 2 перемещается в ту же сторону замыкаются
контакты датчика 1 в полости А.
Для замера действующей силы в полость А под давлением подается рабочая
Определение величины этой силы производят по тарировочному графику в
зависимости от величины давления жидкости в полости А в момент равновесия
осевой силы действующей на подшипник 3 и силы возникающей от действия
рабочей жидкости на поршень 2.
Для замера осевой силы действующей в противоположном стрелке
направлении рабочую жидкость под давлением подают в полость Б. Замер
производят аналогичным образом.
Недостатки такой конструкции:
необходимость включения в состав стенда узла подачи жидкости под
большие погрешности при слишком быстрых перепадах давления.
Цель изобретения — обеспечение возможности измерения больших сил путем
повышения устойчивости тензопреобразователя.
Цель достигается тем что в устройство для измерения осевого усилия
содержащее вал на котором установлен радиально-упорный подшипник
тензопреобразователь выполненный в виде полого цилиндра установленный
концентрично оси введен силопередающий полый цилиндр который установлен по
скользящей посадке на тензопреобразователь при этом один торец
силопередающего цилиндра прижат к радиально-упорному подшипнику а другой
жестко соединен с одним торцом тензопреобразователя другой торец которого
жестко соединен с валом.
На рисунке 16 изображено предлагаемое устройство.
Устройство содержит силопередаюший элемент 1 с конической опорной
поверхностью а внутри которого расположен упругий элемент 2 в виде гильзы
с фланцем внутренняя поверхность которого снабжена резьбой а наружная
сопрягается с силопередающим элементом 1. На упругом элементе 2 наклеены
тензорезисторы 3. Винтами 4 упругий элемент 2 соединен с силопередающим
элементом 1 а с валом 5 — резьбой.
Во фланце упругого элемента 2 закреплен штепсельный разъем 6 который
соединен с тензорезисторами 3 и предназначен для подключения кабеля.
Осевое усилие от втулки 7 через упорный подшипник 8 и сферическую шайбу
передается на силопередающий элемент 1 и растягивает упругий элемент 2
деформация которого тензорезисторами 3 преобразуется в сигнал который
регистрируется тензостанцией.
Все выше перечисленные изобретения не могут являться решениями
поставленной задачи. К таким причинам можно отнести:
Экономическую нецелесообразность решения когда следует значительно
переделать существующую конструкцию или ввести новый дорогостоящий
элемент а также когда присутствуют текущие расходы на выполнение
испытания (например затраты на электроэнергию);
Усложнение процесса измерения в следствии наличия дополнительных
операций (тарирование перевод физических величин сборка и разборка
оборудования или изделия и др.);
Устройство не дает полной картины о процессах проходящих во время
испытания (замеряется только максимальное усилие).
На основе достоинств и недостатков каждой из конструкций предложено
новое решение поставленной задачи проектирования.
Основываясь на анализе изобретений представленных выше было сделано
предположение о том что наилучшим решением было бы связать механизм
передающий осевое усилие от вала узла подвода к измерительному прибору и
вал узла подвода через подшипник обеспечив при этом свободу перемещения
подшипников в осевом направлении.
Такая связь показана на рис. 17.
Для измерения осевого усилия действующего момента можно применить
Конструкции с использованием тензодатчика были рассмотрены выше и все
они не отвечают требованиям задачи проектирования
Альтернативой тензодатчику был взят пружинный манометр.
Пружинные манометры используют для измерения больших давлений; они
могут быть различных типов.
Принцип работы пружинного манометра (см. рис. 18): манометр состоит из
корпуса 1 шкалы 2 латунной трубки — пружины эллиптического сечения 5
стрелки 4 передаточного механизма 5. Манометр свободным концом трубки
подсоединяется к жидкости в точке где измеряется давление. При увеличении
давления трубка 3 стремится разогнуться или сжаться при уменьшении
давления. С помощью передаточного механизма 5 приводится в движение стрелка
которая на шкале 2 показывает определенную величину давления. Шкала
предварительно должна быть протарирована.
Рисунок 18. Устройство манометра.
Преимуществами манометра являются простота и низкая стоимость.
Недостаток использования манометра — необходимость преобразования
давления вала в давление жидкости.
В соответствие с техническими заданием манометр должен работать в
диапазоне нагрузок от 1 до 35 МПа (102 кг·ссм2 и 3569 кг·ссм2
соответственно) и погрешность измерений не должна превышать 06% (что
соответствует классу точности 06).
В связи с этим был выбран манометр МПТИ кл.т. 06 (Монометр
Манометр серии МПТИ предназначен для измерения избыточного и
вакуумметрического давления неагрессивных некристаллизующихся жидкостей
газа и пара в том числе кислорода и применения в сферах государственного
метрологического контроля и надзора (ГМКиН) и государственной системы
промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).
Основные технические характеристики:
Диапазоны показаний: от 0 до 400 кг·ссм2 (по заказу приборы
поставляются в единицах измерения кПа Мпа);
Диаметр корпуса — 160 мм;
Класс точности приборов — 06;
приборов - не более 15 кг;
Средний срок службы - 10 лет;
Приборы выдерживают воздействие вибрации в диапазоне частот от 5 до 25
Гц с амплитудой 01 мм (группа L3 по ГОСТ 12997-84);
Измеряемая среда — жидкость пар газ;
Резьба присоединительного штуцера - метрическая М20х15-8g;
Доработанный узел подвода представлен на рис. 19 (см. также Приложение
Рисунок 19. Доработанный узел подвода.
В процесс измерения осевого давления вала секции насоса заложен принцип
преобразования механического давления в гидравлическое и обратно (см.
Вал секции насоса соединен с валом узла отвода через шлицевую муфту.
При осевом смещении давление вала насоса через шлицевую муфту передается
валу узла подвода. Далее перемещаясь в осевом направлении вал узла отвода
также двигает и подшипники которые на нем закреплены. Перемещаясь в осевом
направлении внешнее кольцо левого подшипника (рис. 19) начинает давить на
упор 1. Тот в свою очередь давит на поршень 3 который вытесняет жидкость
из цилиндра 4 в втулку 5. В втулку 5 ввинчивается трубопровод 6 на другой
конец которого навинчивается переходник 7. Завершает конструкцию манометр
ввинчиваемый в переходник 7 с другого конца. Винт 2 ввинчиваемый в упор
служит для предотвращения закручивания и ограничения перемещения поршня
т.к. тот может уперется в стенку цилиндра 4 что может повлечь за собой
Результаты исследования
Исследование проводилось сравнением. В результате проведенных
исследований и анализа различных конструкций измерения осевого давления
вала секции насоса была разработана конструкция изображенная на рис. 19
как самая оптимальная по ряду показателей:
Относительная простота;
Пределы и погрешности измерения соответствуют заданным;
в исходной конструкции узла подвода — минимальны;
Данная конструкция удовлетворяет всем требованиям технического задания
и является оптимальной из всех рассматриваемых вариантов.
Расчет основных характеристик (параметров) проектируемого изделия
В качестве расчетных характеристик проектируемого изделия взяты
следующие параметры:
– запас прочности упора.
Эти параметры взяты в связи с тем что именно на винт и упор действуют
самые большие нагрузки. Следовательно работа всего узла зависит от их
Расчет диаметра винта.
Винт предназначен для предотвращения прокручивания упора и для
ограничения перемещения упора. Наибольшей нагрузке винт подвергается когда
стопорит упор о корпус узла подвода (рис. 20). В этом положении винт
работает на срез т.е. в поперечных сечениях возникает только поперечная
Рисунок 20. Крайнее положение упора.
Расчетная схема представлена на рис. 21а.
Рисунок 21. Расчетная схема винта.
Для определения поперечной силы Q применим метод сечений
Из условия равновесия отсеченной части винта получим: Y=0 F – Q = =
Q = F F - A=0 откуда получим условие прочности при сдвиге:
где []-допускаемое касательное напряжение на срез []=(025÷035)T.
В качестве материала для винта была взята Сталь 40Х13 ГОСТ 5632-72 для
которой [] = 150 МПа.
Сила действующая на винт определяется по формуле:
где q – давление на винт создаваемое упором (q = 35 МПа);
S – площадь цилиндрической поверхности винта воспринимающей
где h – длина части винта вкручиваемой в упор (исходя из
конструктивных особенностей примем равной 15 мм);
Учитывая что на этот участок будет нарезаться резьба возьмем d = 8 мм.
Расчет упора на прочность выполнен в системе Simulation на основе
твердотельной модели построенной в системе SolidWorks.
Вид твердотельной модели упора представлен на рис. 22.
Рисунок 22. Вид твердотельной модели упора.
Геометрия модели была выбрана в соответствии особенностям всей
конструкции в целом. Материалом служит Сталь 40Х13 ГОСТ 5632-72.
Simulation - мощный и простой в использовании программный комплекс для
проведения инженерных расчетов.
Созданный для нужд аэрокосмической промышленности Simulation позволяет
решать любые инженерные задачи.
Simulation имеет широкий спектр специализированных решателей
позволяющих провести анализ большинства встречающихся задач для деталей и
Линейный статический анализ
Определение собственных форм и частот
Расчет критических сил и форм потери устойчивости
Совместный термостатический анализ
Расчет сборок с использованием контактных элементов
Оптимизация конструкции
Расчет электромагнитных задач
Определение долговечности конструкции
Расчет течения жидкостей и газов
Схема нагружения упора представлена на рис. 23.
Рисунок 24. Схема нагружения.
В соответствии с положением упора в узле подвода и с прилагаемыми к
нему нагрузками была сформирована модель нагружения.
В качестве элементов ограничивающих перемещение упора в пространстве
взяты отверстие в которое ввинчивается винт (полностью зафиксировано в
пространстве) и поверхность 2 (см. рис. 11) перемещение которой возможно
лишь в осевом направлении (к радиальному перемещению применено ограничение
симулирующее стенку корпуса узла отвода). Нагрузкой является давление
распределенное по всей поверхности 1 (рис. 24) и равняющееся
наибольшему давлению вала секции насоса а именно 35 МПа (или 3569
Эпюры результатов расчета показаны на рис. 25-28 (см. также Приложение
Е) также результаты приведены в таблице 1.
Тип результата Минимальное значение Максимальное значение
Напряжение 2589 кНм2 4591 кНм2
Результирующее 0 м 95·10-6 м
Эквивалентная 2·10-6 13·10-4
Рисунок 25. Эпюра напряжений.
Как видно по эпюре даже в самом нагруженном сечение напряжения не
превышают предела текучести что говорит о правильности выбора конструкции
Рисунок 26. Эпюра перемещений.
Так как самое большое перемещение в упоре под действием нагрузок не
превышает 001 мм то для наглядного представления о перемещениях был
использован коэффициент масштабирования в графическом представлении
Рисунок 27. Эпюра деформаций.
Деформации в упоре под действием заданных нагрузок крайне малы поэтому
для наглядности был также применен коэффициент масштабирования в
графическом представлении результата.
Эпюра распределения запаса прочности
Рисунок 28. Эпюра распределения запаса прочности.
Данная эпюра представляет наибольший интерес так как она определяет
наименьший во всей конструкции коэффициент запаса прочности что позволяет
судить о надежности конструкции.
Из эпюры представленной на рис. 28 видно что наименьший коэффициент
запаса прочности составляет 741 это говорит о довольно хорошей надежности
Расчет коэффициент запаса прочности велся по максимальным напряжениям.
Технологический раздел.
Проектирование технологических процессов.
Для проектирования технологического процесса изготовления изделия
необходимо иметь следующую информацию:
краткое описание определяющее служебное назначение изделия;
технические условия и нормы определяющиеся ее служебным назначением;
рабочие чертежи изделия;
данные о количестве изделий намеченных к выпуску по неизменным
условия в которых предполагается организовать и осуществить
подготовку изготовление и выпуск изделия (действующий завод или вновь
создаваемое производство цех участок);
местонахождение завода цеха с целью выяснения возможности
кооперирования с другими заводами цехами или участками;
плановые сроки подготовки освоения нового вида изделия и организации
Задачей каждого технологического процесса является наиболее экономичное
изготовление изделия отвечающего служебному назначению.
В соответствии с этим технологический процесс рекомендуется
разрабатывать (проектировать) в следующей последовательности:
Ознакомление и изучение служебного назначения изделия.
Изучение и критический анализ условий и норм точности
производительности и т.п. определяющих служебное назначение изделия.
Ознакомление с количеством выпуска в единицу времени по неизменным
чертежам необходимое для выбора наиболее экономичного варианта
технологического процесса; степени механизации и автоматизации.
изучение рабочих чертежей изделия и критический анализ возможности
выполнения изделием служебного назначения намечаемых конструктором
методов получения точности; выявление и исправление ошибок.
Изучение следует начинать с нахождения исполнительных поверхностей
изделия и уточнения их взаимосвязи. Поиск связей удобно начинать с
размерных цепей при помощи которых определяется расстояние между
исполнительными поверхностями изделия а затем находят размерные цепи
определяющие относительные повороты исполнительных поверхностей. Имея схемы
размерных цепей производят проверку наличия в рабочих чертежах необходимых
размеров допусков на размеры и точность относительных поворотов
поверхностей деталей. При отсутствии этих величин в рабочие чертежи
вносятся необходимые поправки.
Используя схемы размерных цепей выявляют методы достижения требуемой
точности намеченной конструкции изделия и проводят критический анализ с
целью выявления наиболее экономичного процесса изготовления изделий при
намечаемых количествах выпуска.
Разработка последовательности общей сборки изделия и выявление
требований технологии общей сборки к конструкции изделия сборочным
Анализ служебного назначения сборочной единицы и разработка
последовательности сборки регулировка и испытания выявление
требований технологии сборки к деталям.
Изучение служебного назначения деталей критический анализ технических
условий и требований к технологии сборки выявление требований к
конструкции деталей.
Выбор наиболее экономического метода получения заготовки с учетом
требований служебного назначения и намечаемого выпуска в единицу
времени по неизменным чертежам.
Разработка наиболее экономичного технологического процесса
изготовления деталей внесение коррективов в технологию сборки или в
конструкцию (если есть такая необходимость).
Проектирование или выбор приспособлений или другой технологической
оснастки инструмента.
Технология изготовления винта
Винт изготавливается из кругового проката диаметром 9мм (величина
припуска 1мм) из материала Сталь 40Х13 ГОСТ 5632-72.
Технологический процесс изготовления винта состоит из пяти операций:
Токарная: на токарном станке обрабатывается заготовка снимается
верхний дефектный слой материала (припуск) и подрезаются торцы;
штангенциркулем поверяют размеры согласно эскизу; отправляют деталь на
Винторезная: на винторезном станке нарезается резьба; производится
контроль резьбы калибром; деталь отправляется на следующую операцию.
Слесарная: с детали снимаются заусеницы притупляются острые кромки;
деталь отправляется на следующую операцию.
Промывочная: деталь промывается от остатка материала; деталь
отправляется на следующую операцию.
Контрольная: уже готовая деталь еще раз проверяется на наличие брака
после чего направляется на участок сборки.
В промышленности действует «Положение о единой системе организации
работы по охране труда». Это комплекс положений методических указаний и
рекомендаций определяющих и регламентирующих единый порядок организации
работы для создания и обеспечения безопасных и производительных условий
На предприятиях руководство работой по охране труда осуществляет: в
целом по предприятию — директор и главный инженер; в цехах отделах
лабораториях на производственных участках — их руководители.
При создании нового оборудования необходимо предусмотреть меры
обеспечивающие безопасную эксплуатацию этого оборудования:
Конструкция деталей и сборочных единиц изделия должны отвечать общим
требованиям безопасности регламентированными
ГОСТ 12.2.003-91 «Оборудование производственное. Общие требования
Все работы связанные с эксплуатацией изделия (транспортирование
размещение монтаж и демонтаж обслуживание и ремонт) должны
выполняться в соответствии с действующими документами утвержденными в
установленном порядке.
Руководящие документы: «Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к
охране поверхностных и подземных вод от загрязнения нефтью и
нефтепродуктами» ГОСТ 17.1.3.05-82.
Изделие как и любой продукт труда предназначенный для удовлетворения
определенных потребностей обладает свойствами образующими его качество
но после окончания срока эксплуатации (жизненного цикла изделия) данная
конструкция разбирается на отдельные элементы и отправляется на утилизацию.
Организационно-экономический раздел.
В последнее время значительно увеличилась доля добычи нефти с
применением насосов погружного типа. В связи с этим все большую
актуальность обретает надежность промыслового оборудования — увеличение
межремонтных периодов сокращение числа подъемов насосов. В условиях
растущей потребности в погружных насосах и жесткой конструкции на рынке
производителей для предотвращения попадания потребителю некачественной
Расширяется номенклатура выпускаемых насосов диапазон технических
параметров. Поэтому постоянно ведущиеся работы в направлении улучшения
испытательного оборудования с учетом имеющихся наработок позволяет повышать
качество продукции и конкурентоспособность производимых установок.
разработан спроектирован и изготовлен стенд предназначенный для проведения
параметрических классификационных и приемо-сдаточных испытаний секций
габаритов. Конструктивное исполнение основных агрегатов узлов и
встроенного оборудования определяет высокую технологичность безопасность и
высокую культуру производства при проведении испытаний.
В связи с решением о включении в испытания измерение осевого давления
вала секции насоса возникла необходимость в модернизации существующей
конструкции стенда. конструкции стенда под новые требования
повлекли за собой модернизацию узла подвода что с наименьшими затратами на
модернизацию позволило бы производить измерения осевого давления вала
Анализ проведён в соответствии с «Методическими рекомендациями по
оценке эффективности инвестиционных проектов и отбору их для
финансирования» Косов В.В. Лившиц В.Н. и др. М. : Экономика 2000 г.
Оценка предстоящих затрат и результатов при определении эффективности
инвестиционного проекта осуществляется в пределах расчётного периода
продолжительность которого (горизонт расчёта) принимается с учётом:
продолжительности создания эксплуатации и ликвидации объекта;
средневзвешенного нормативного срока службы основного технологического
оборудования; достижения заданных характеристик прибыли; требований
Горизонт расчёта измеряется количеством шагов расчёта. Шагом расчёта
при определении показателей эффективности в пределах расчётного периода
могут быть: месяц квартал или год.
Затраты осуществляемые участниками подразделяются на первоначальные
(капитальные) текущие и ликвидационные которые осуществляются
соответственно на стадиях строительной функционирования и ликвидационной.
При оценке эффективности инвестиционного проекта соизмерение
разновременных показателей осуществляется путём приведения
(дисконтирования) их к ценности в начальном периоде. Для приведения
разновременных затрат результатов и эффектов используется норма дисконта
(Е) равная приемлемой для инвестора норме дохода на капитал. Техническое
приведение к базисному моменту времени затрат результатов и эффектов
имеющих место на t-ом шаге расчёта реализации проекта удобно производить
путём их умножения на коэффициент дисконтирования αt определяемый для
постоянной нормы дисконта Е
где t – номер шага расчёта (t = 012 .Т );
Т – горизонт расчёта
В качестве основных показателей используемых для расчётов
эффективности инвестиционных проектов рекомендуется:
- чистый дисконтированный доход (ЧДД);
- индекс доходности (ИД);
- внутренняя норма доходности (ВНД);
- срок окупаемости (СО).
Чистый дисконтированный доход - определяется как сумма текущих
эффектов за весь расчётный период приведённая к начальному шагу или как
превышение интегральных результатов над интегральными затратами. Если в
течение расчётного периода не происходит инфляционного изменения цен или
расчёт производится в базовых ценах то величина ЧДД для постоянной нормы
дисконта вычисляется по формуле:
где Rt – результаты достигаемые на t–ом шаге расчёта;
Зt – затраты осуществляемые на том же шаге;
Т – горизонт расчёта (равный номеру шага расчёта на котором
производится ликвидация объекта).
Эt = Rt - Зt – эффект достигаемый на t–ом шаге.
Если ЧДД инвестиционного проекта положителен проект является
эффективным и может рассматриваться вопрос о его принятии. Чем больше ЧДД
тем эффективнее проект. На практике часто пользуются модифицированной
формулой для определения ЧДД.
Для этого из состава Зt исключают капитальные вложения и обозначают
Кt – капитальные вложения на t-ом шаге; К – сумма дисконтированных
капиталовложений а через З*t - затраты на t-ом шаге при условии что в них
не входят капиталовложения. Тогда формула для определения ЧДД запишется в
Эта формула выражает разницу между суммой приведённых эффектов и
приведённой к тому же моменту времени величиной капитальных вложений (К).
Приращение чистого дисконтированного дохода предприятия за счет
внедрения данного проекта рассчитывается по формуле:
где ΔР - дополнительная прибыль предприятия за счёт увеличения объёма
выпускаемой продукции (если таковая есть)
ΔSt – годовая экономия за t-ый год или на t-ом шаге расчета ΔSt= S1+
S1 - текущие затраты производства или эксплуатации аналога;
S2 - текущие затраты производства или эксплуатации нововведения.
Индекс доходности - представляет собой отношение суммы приведённых
эффектов к величине капиталовложений:
Индекс доходности тесно связан с ЧДД. Он строится из тех же элементов и
его значение связано со значением ЧДД: если ЧДД положителен то ИД>1 и
наоборот. Если ИД>1 проект эффективен если 1 – неэффективен.
Внутренняя норма доходности – представляет собой ту норму дисконта ЕВН
при которой величина приведённых эффектов равна приведённым
капиталовложениям. Иными словами ЕВН (ВНД) является решением уравнения:
При использовании ВНД следует соблюдать известную осторожность так как
она не всегда существует или же уравнение (6) может иметь больше одного
Если расчёт ЧДД проекта дает ответ на вопрос является он эффективным
или нет при некоторой заданной норме дисконта (Е) то ВНД проекта
определяется в процессе расчёта и затем сравнивается с требуемой инвестором
нормой дохода на вкладываемый капитал.
В случае когда ВНД равна или больше требуемой инвестором нормы дохода
на капитал инвестиции в данный проект оправданы и может рассматриваться
вопрос о его принятии. В противном случае инвестиции в данный проект
Срок окупаемости – минимальный временной интервал за пределами
которого интегральный эффект становится и в дальнейшем остаётся
неотрицательным. Иными словами срок окупаемости – это период начиная с
которого первоначальные вложения и другие затраты связанные с
инвестиционным проектом покрываются суммарными результатами его
Если срок окупаемости не задан инвестором то хорошо если проект
Результаты и затраты связанные с осуществлением проекта можно
вычислять с дисконтированием или без него. Соответственно получится два
различных срока окупаемости. Срок окупаемости рекомендуется определять с
использованием дисконтирования. Срок окупаемости не учитывает влияние
доходов последних периодов выходящих за пределы срока окупаемости в
отличии от других критериев позволяет давать оценки хотя и грубые о
рискованности проекта.
Ни один из перечисленных критериев сам по себе не является достаточным
для принятия проекта. Решение об инвестировании проекта должно приниматься
с учётом значений всех перечисленных критериев и интересов всех участников.
Оценку эффективности проведём используя показатели ЧДД и ИД. Критерий
эффективности проекта ЧДД > 0 ИД > 1.
В данном курсовом проекте предложено техническое решение по
модернизации стенда СТППД-400 предназначенного для проведения
В процессе проектирования производился научно-технический анализ по
способу и оборудованию измерения осевого давления вала секции насоса.
В результате выполнения работы найдено техническое решение позволяющее
производить на стенде СТППД-400 измерение осевого давления вала секции
насоса параллельно с другими испытаниями секции насоса.
Список использованных источников
Основы конструирования. П.И. Орлов справ. В 2-х томах Москва
Машиностроение 1988 г.
Экономика организация и планирование производства на предприятии.
Г.И. Шепеленко издание четвертое дополненное и переработанное
издательский центр «МарТ» Москва - Ростов-на-Дону 2003 г.
Анурьев В.Н. Справочник конструктора — машиностроителя. - В 3-х томах.
- Москва: Машиностроение 1982 г.

Приложение А.cdw

Запорно-регулирующий блок

Приложение Г.cdw

Приложение В.cdw