АНАЛІЗ НАПРУЖЕНОГО СТАНУ ШТОКА ПОРШНЕВОГО НАСОСА ІЗ ФУНКЦІОНАЛЬНИМ ПОКРИТТЯМ ЗА НАЯВНОСТІ ГЕОМЕТРИЧНИХ ДЕФЕКТІВ СИСТЕМИ "КРЕЙЦКОПФ – НАПРЯМНІ"
DOI:
https://doi.org/10.31471/1993-9965-2025-1(58)-51-64Ключові слова:
функціональне покриття, шток, буровий насос, кінематичне навантаження, аналітична модель, зношування, міцністьАнотація
В сучасному машинобудуванні особлива увага приділяється підвищенню ресурсу та ефективності відповідальних конструктивних елементів, що експлуатуються в умовах складних навантажень. Зокрема, для гідромеханічних систем нафтогазової галузі актуальною є проблема забезпечення надійності деталей, які зазнають інтенсивного зношування та функціонують у вузлах із підвищеними триботехнічними вимогами. Це дослідження присвячено аналізу змін напруженого стану штока із захисним покриттям, що виникають внаслідок похибок виготовлення чи зношування пари ”крейцкопф – напрямні" поршневого насоса. Запропоновано узагальнену інженерну модель штока з урахуванням фактичних експлуатаційних відхилень, спричинених геометричними дефектами напрямної системи. Модель формалізовано як тричі статично невизначувану стержневу систему, в якій кінематичне навантаження від просідання крейцкопфа задається в явному вигляді. Аналітичний розв’язок побудовано із застосуванням методу сил у матричній формі, що дозволяє враховувати різну жорсткість ділянок штока та поетапно відстежувати вплив геометричних дефектів на силовий і напружений стан системи впродовж усього циклу її роботи. Встановлено, що навіть за дотримання регламентованих допусків на зношування, рівень додаткових напружень у критичних зонах може бути суттєвим, а тому має обов’язково враховуватись у розрахунках ресурсу деталі. Запропоновано також аналітичну модель ділянки штока з функціональним покриттям як істотно неоднорідного стрижня з двозв’язною геометрією поперечного перерізу зі змінними по товщині властивостями. Отримано розподіл еквівалентних напружень та проведено оцінку міцності такої ділянки штока з урахуванням поєднання штатних і додаткових навантажень. Показано, що запропонована модель придатна до узагальнення на випадок багатошарових покриттів.
Завантаження
Посилання
Awang, M., Khalili, A. A., & Pedapati, S. R. (2020). A review: Thin protective coating for wear protection in high-temperature application. Metals, 10(1), Article 42. https://doi.org/10.3390/met10010042
Bogatu, N., Buruiana, D. L., Muresan, A. C., Ghisman, V., Lupu, A., Mardare, L., Herbei, E. E., Basliu, V., Ceoromila, A., & Florescu, S. (2025). Assessment of the effectiveness of protective coatings in preventing steel corrosion in the marine environment. Polymers, 17, 378. https://doi.org/10.3390/polym17030378
Fotovvati, B., Namdari, N., & Dehghanghadikolaei, A. (2019). On coating techniques for surface protection: A review. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 3, Article 28. https://doi.org/10.3390/jmmp3010028
Hoornaert, T., Hua, Z. K., & Zhang, J. H. (2009). Hard wear-resistant coatings: A review. In J. Luo, Y. Meng, T. Shao, & Q. Zhao (Eds.), Advanced tribology (pp. 1647–1652). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-642-03653-8_257
Mugale, M., Choudhari, A., Karki, S., et al. (2025). Investigation of protective coatings for reducing high-temperature oxidation of steels. JOM, 77, 653–664. https://doi.org/10.1007/s11837-024-06912-9
Shatskyi, I., Makoviichuk, M., Ropyak, L., & Velychkovych, A. (2023). Analytical model of deformation of a functionally graded ceramic coating under local load. Ceramics, 6, 1879–1893. https://doi.org/10.3390/ceramics6030115
Shatskyi, I., Makoviichuk, M., & Ropyak, L. (2024). Plane deformation of contrast layered coating under local load. Procedia Structural Integrity, 59, 407–412. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2024.04.058
Shatskyi, I. P., Makoviichuk, M. V., & Ropyak, L. Y. (2023). Equilibrium of laminated Cu/Ni/Cr coating under local load. Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii, 21(2), 379–389. https://doi.org/10.15407/nnn.21.02.379
Ostapovych V. V., Ropyak L. Ya., & Godlevskyi A. Yu. (2011). Vplyv znosu detalei pary kreitskopf – napriamni porshnevogo nasosa dvostoronnioi dii na iogo kinematychni ta sylovi parametry. Naukovyi visnyk Ivano-Frankivskogo natsiopnalnogo tekhnichnogo universytetu nafty i gazu.
No 3. P. 64–70. [in Ukrainian]
Tian, Q., Flores, P., & Lankarani, H. M. (2018). A comprehensive survey of the analytical, numerical and experimental methodologies for dynamics of multibody mechanical systems with clearance or imperfect joints. Mechanism and Machine Theory, 122, 1–57. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2017.12.002
Lijesh, K. P., & Khonsari, M. M. (2018). On the useful life of tribo-pairs experiencing variable loading and sliding speed. Wear, 416–417, 103–114. https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.10.005
Berglund, K., Rodiouchkina, M., Hardell, J., Kalliorinne, K., & Johansson, J. (2021). A novel reciprocating tribometer for friction and wear measurements with high contact pressure and large area contact configurations. Lubricants, 9(12), 123. https://doi.org/10.3390/lubricants9120123
Li, R., Meng, X., Dong, J., et al. (2021). Transient tribo-dynamic analysis of crosshead slipper in low-speed marine diesel engines during engine startup. Friction, 9, 1504–1527. https://doi.org/10.1007/s40544-020-0433-9
Chen, Y., Sun, Y., & Chen, C. (2016). Dynamic analysis of a planar slider-crank mechanism with clearance for a high speed and heavy load press system. Mechanism and Machine Theory, 98, 81–100. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2015.12.004
Peng, C., Guo, S., Ouyang, X., Zhou, Q., & Yang, H. (2018). An eccentric 3-D fluid-structure interaction model for investigating the effects of rod parallel offset on reciprocating-seal performance. Tribology International, 128, 279–290. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2018.07.028
Xiang, C., Tan, L., Guo, F., Huang, X., & Wang, Y. (2021). Elastohydrodynamic lubrication simulation of reciprocating rod seal with textured rod. Tribology International, 158, 106920. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.106920
Crudu, M., Fatu, A., Hajjam, M., & Cristescu, C. (2013). Numerical and experimental study of reciprocating rod seals including surface roughness effects. Sealing Technology, 2013(6), 8–11. https://doi.org/10.1016/S1350-4789(13)70224-1
Liu, S., Xiao, S., Cheng, S., Xue, X., Song, M., & Sun, X. (2017). Dynamic analysis of reciprocating compressor with clearance and subsidence. Journal of Vibroengineering, 19(7), 5061–5085. https://doi.org/10.21595/jve.2017.18771
Xiao, S., Liu, S., Jiang, F., Song, M., & Cheng, S. (2019). Nonlinear dynamic response of reciprocating compressor system with rub-impact fault caused by subsidence. Journal of Vibration and Control, 25(11), 1737–1751. https://doi.org/10.1177/1077546319835281
Xiao, S., Liu, S., Wang, H., et al. (2020). Nonlinear dynamics of coupling rub-impact of double translational joints with subsidence considering the flexibility of piston rod. Nonlinear Dynamics, 100, 1203–1229. https://doi.org/10.1007/s11071-020-05566-x
Zhang, R., Yu, Y., Ou, S., Hu, L., Cao, B., Xie, L., & Ma, B. (2025). Research on the stress response characteristics of the crank-connecting rod mechanism under lubrication failure and auxiliary equipment malfunction. Engineering Failure Analysis, 179, 109751. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2025.109751
Chen, Z., Chen, N., Wang, Q., Ran, Q., Wei, C., Tang, J., Long, J., & Zhang, Y. (2025). Research on fatigue crack propagation and fracture failure analysis of piston rod. Engineering Failure Analysis, 174, 109523. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2025.109523
Frias-Cacho, X., Castro, M., Nguyen, D.-D., Grolleau, A.-M., & Feller, J.-F. (2022). A review of in-service coating health monitoring technologies: Towards “smart” neural-like networks for condition-based preventive maintenance. Coatings, 12, 565. https://doi.org/10.3390/coatings12050565
Bandura, A., & Skaskiv, O. (2018). Asymptotic estimates of entire functions of bounded
L-index in joint variables. Novi Sad Journal of Mathematics, 48(1), 103–116. https://doi.org/10.30755/NSJOM.06997
Bandura, A. I. (2017). Composition of entire functions and bounded L-index in direction. Matematychni Studii, 47(2), 179–184. https://doi.org/10.15330/ms.47.2.179-184
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторські права....
1.png)
