ANALYSIS OF THE STRESS STATE OF A RECIPROCATING PUMP ROD WITH A FUNCTIONAL COATING UNDER GEOMETRIC DEFECTS OF THE "CROSSHEAD–GUIDE" SYSTEM

Authors

  • A. S. Velychkovych Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Carpathians Street 15, Ivano-Frankivsk, UA 76019 Ukrainee
  • M. V. Shovkoplias Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas 76019, Karpatska Str., 15, Ivano-Frankivsk, Ukraine
  • V. S. Vytvytskyi Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas 76019, Karpatska Str., 15, Ivano-Frankivsk, Ukraine
  • L. Ya. Ropyak Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas 76019, Karpatska Str., 15, Ivano-Frankivsk, Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.31471/1993-9965-2025-1(58)-51-64

Keywords:

functional coating, rod, reciprocating pump, kinematic load, analytical model, wear, strength

Abstract

У сучасному машинобудуванні особлива увага приділяється підвищенню терміну служби та ефективності роботи критичних конструктивних елементів, що працюють у складних умовах навантаження. Зокрема, для гідромеханічних систем у нафтогазовій промисловості питання забезпечення надійності компонентів, що піддаються інтенсивному зношуванню та функціонують у вузлах з підвищеними трибологічними вимогами, є дуже актуальним. Це дослідження присвячено аналізу змін напруженого стану штока із захисним покриттям, що виникають через виробничі дефекти або знос пари "трайккопф–напрямна" у поршневому насосі. Запропоновано узагальнену інженерну модель штока, що враховує фактичні експлуатаційні відхилення, спричинені геометричними дефектами направляючої системи. Модель формалізовано як тричі статично невизначену систему стрижнів, в якій явно введено кінематичне навантаження від просідання трайккопфа. Аналітичне рішення побудовано за допомогою силового методу в матричній формі, що дозволяє враховувати різну жорсткість перерізів стрижня та послідовно відстежувати вплив геометричних дефектів на силовий та напружений стан системи протягом усього її робочого циклу. Встановлено, що навіть у межах регламентованих допусків на знос рівень додаткових напружень у критичних зонах може бути значним і тому повинен враховуватися в розрахунках на довговічність. Також запропоновано аналітичну модель для перерізу стрижня з функціональним покриттям, що розглядається як суттєво неоднорідний стрижень з двозв'язною геометрією поперечного перерізу та властивостями, що змінюються по товщині. Отримано розподіл еквівалентних напружень та оцінено міцність такого перерізу стрижня з урахуванням комбінації експлуатаційних та додаткових навантажень. Показано, що запропонована модель застосовна для узагальнення на випадок багатошарових покриттів.

 

Downloads

Download data is not yet available.

References

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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]

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

Downloads

Published

2025-06-23

How to Cite

Velychkovych, A. S., Shovkoplias, M. V., Vytvytskyi, V. S., & Ropyak, L. Y. (2025). ANALYSIS OF THE STRESS STATE OF A RECIPROCATING PUMP ROD WITH A FUNCTIONAL COATING UNDER GEOMETRIC DEFECTS OF THE "CROSSHEAD–GUIDE" SYSTEM. Scientific Bulletin of Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, (1(58), 51–64. https://doi.org/10.31471/1993-9965-2025-1(58)-51-64

Issue

No. 1(58) (2025): SCIENTIFIC BULLETIN OF IVANO-FRANKIVSK NATIONAL TECHNICAL UNIVERSITY OF OIL AND GAS

Section

MECHANICAL ENGINEERING

License

Авторські права....