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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 題 目： 3NB1300 鉆井泥漿泵 動(dòng)力端的設(shè)計(jì) 院 （部）： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 完成日期： I 目 錄 摘 要 .- 1 - ABSTRACT .- 2 - 1 前 言 .- 3 - 1.1 課題的背景及研究意義 .- 3 - 1.2 鉆井泥漿泵的現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析 .- 4 - 1.2.1 我國(guó)泥漿泵的現(xiàn)狀 .- 4 - 1.2.2 國(guó)外泥漿泵現(xiàn)狀 .- 4 - 1.2.3 鉆井泥漿泵的發(fā)展趨勢(shì) .- 5 - 2 鉆井泥漿泵的總體設(shè)計(jì) .- 9 - 3 鉆井泥漿泵動(dòng)力端的總體設(shè)計(jì) .- 11 - 3.1 動(dòng)力端的結(jié)構(gòu) .- 11 - 3.1.1 有曲柄軸的結(jié)構(gòu) .- 11 - 3.1.2 有偏心輪的結(jié)構(gòu) .- 12 - 3.2 動(dòng)力端軸承的選用和壽命計(jì)算 .- 12 - 3.2.1 主動(dòng)軸和被動(dòng)軸軸承的選用 .- 12 - 3.2.2 連桿兩端軸承的選用 .- 13 - 3.2.3 鉆井泵軸承壽命計(jì)算 .- 15 - 3.3 連桿、十字頭和導(dǎo)板 .- 18 - 3.4 泵內(nèi)齒輪 .- 19 - 3.4.1 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) .- 21 - 3.4.2 被動(dòng)軸軸的設(shè)計(jì) .- 26 - 3.5 傳動(dòng)端的密封和潤(rùn)滑裝置 .- 28 - 4 動(dòng)力端常見(jiàn)故障及處理 .- 31 - 4.1 軸承常見(jiàn)故障 .- 31 - 4.2 齒輪常見(jiàn)故障 .- 32 - 4.3 十字頭部分常見(jiàn)故障 .- 33 - II 4.4 連桿部分的常見(jiàn)故障 .- 33 - 5 總 結(jié) .- 35 - 謝 辭 .- 36 - 參考文獻(xiàn) .- 37 - - 1 - 3NB1300 鉆井泥漿泵動(dòng)力端的設(shè)計(jì) 摘 要 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外鉆井泥漿泵現(xiàn)狀的分析，闡述了鉆井泥漿泵的發(fā)展方向，以及研制輕 便鉆井泥漿泵過(guò)程中應(yīng)采用的新工藝、新方法和新技術(shù)，并展望了輕便鉆井泥漿泵的廣 闊前景。 本文對(duì) 3NB-1300 鉆井泥漿泵進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，重點(diǎn)是對(duì)泥漿泵的動(dòng)力 端進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。通過(guò)本文我們首先認(rèn)識(shí)了解了 3NB-1300 鉆井泥漿泵總體結(jié)構(gòu)和工 作原理，從而引出當(dāng)前結(jié)構(gòu)不合理問(wèn)題，然后主要以沖程短、泵壓偏低為出發(fā)點(diǎn),根據(jù) 泥漿泵的工作原理,經(jīng)對(duì)有關(guān)部分進(jìn)行分析、計(jì)算, 對(duì)泥漿泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足現(xiàn) 代泥漿泵的鉆井工藝。 關(guān)鍵詞：泥漿泵；動(dòng)力端；鉆井工藝；工作原理 - 2 - 3NB-1300 Mud Pump -Design of the Power System ABSTRACT Through analyzing the state of mud pump all over the world, this thesis elaborates the developing direction of mud pump, and analyzes the new method and technology of manufacturing the portable mud pump. Moreover, this thesis forecasts the broad prospects of the portable mud pump. This thesis analyzes the overall structure of 3NB-1300 mud pump, and designs the power system. In this thesis, the overall structure and the operating principle of 3NB-1300 mud pump can be firstly understood. Accordingly, this thesis raises the irrational structure of mud pump. Aim at the short stroke of punch and low pump pressure, this thesis analyzes and computes the structure of power system at the basis of the operating principle of mud pump, to meet the drilling technology of the modern mud pump. Key Words: Mud Pump; Power system; Drilling technology; Operating principle - 3 - 1 前 言 1.1 課題的背景及研究意義 泥漿泵是在鉆井過(guò)程中，將泥漿加壓后攜帶出井底的巖屑和供給井底動(dòng)力鉆具的動(dòng) 力，向井底輸送和循環(huán)鉆井液的往復(fù)泵。泥漿泵的主要作用是利用鉆井沖洗液（統(tǒng)稱泥 漿）使井筒內(nèi)外的循環(huán)，沖洗井底，冷卻鉆頭，并把巖屑攜帶到地面。在采用井下水力 鉆具（如渦輪鉆具或螺桿鉆具）時(shí)，利用沖洗液傳遞能量，推動(dòng)井下水力鉆具旋轉(zhuǎn)。采 用噴射式鉆頭，由鉆頭水眼噴射出高速?zèng)_洗液，有利于破碎巖層，提高鉆井速度。為了 實(shí)現(xiàn)高壓噴射鉆井，對(duì)鉆井泥漿泵提出了更高的要求，使用好、保養(yǎng)好泥漿泵的各部分， 延長(zhǎng)各個(gè)易損件的工作壽命，保證泥漿泵優(yōu)良的技術(shù)狀況，也是很重要的。由于石油礦 場(chǎng)上使用往復(fù)泵的條件十分惡劣，提高其易損件（泵閥，活塞和缸套）的工作壽命，成 為泥漿泵設(shè)計(jì)、制造和使用中迫切需要解決的問(wèn)題。近幾年，為了加快鉆井速度，降低 鉆井成本，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，國(guó)內(nèi)外在泥漿泵的理論和試驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)制造和選擇使 用等方面做了許多工作，對(duì)鉆井泵進(jìn)行了多次改型換代，各種新型鉆井泵也不斷研制成 功。但其基本結(jié)構(gòu)均未擺脫曲柄連桿機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)方式，在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有根本變化，因而現(xiàn) 有的鉆井泥漿泵不能完全滿足鉆井作業(yè)的需要，因而必須尋求具有更好工作性能和合理 結(jié)構(gòu)的鉆井泵以滿足石油勘探開發(fā)使用的要求。 隨著改革開放的深入及中國(guó)加入世貿(mào)組織，我國(guó)石油鉆井隊(duì)伍“充分利用國(guó)內(nèi)外 兩種資源、兩個(gè)市場(chǎng)” ，實(shí)施走出去的戰(zhàn)略，進(jìn)入國(guó)際鉆井市場(chǎng)，為了滿足參與國(guó)際市 場(chǎng)的需要，中石油、中石化都在不斷加大鉆井設(shè)備的投入，同時(shí)加快老鉆井機(jī)的更新改 造和新型輕便鉆井機(jī)研制步伐，隨著國(guó)際市場(chǎng)對(duì)鉆井泵的需求增大，使得鉆井泵的供求 矛盾更加突出，各類型鉆井泵的缺口每年達(dá) 200 臺(tái)左右。 現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)外鉆井泥漿泵主要存在 5 方面的問(wèn)題，即，鉆井泵質(zhì)量大，制約鉆機(jī)的 移運(yùn)性，難以適應(yīng)現(xiàn)代輕便鉆機(jī)的要求；沖程短，沖次高，鉆井泵在不合適的沖次范圍 內(nèi)工作，致使液力端壽命短；泵壓偏低，不能完全滿足現(xiàn)代鉆井工藝的需要；結(jié)構(gòu)不合 理，部分強(qiáng)度冗余，部分剛度不足，可靠性低，難以滿足鉆井機(jī)高可靠性要求；缸套壽 命短，難以滿足鉆機(jī)高效率要求。因此，合理降低泵的沖次，適當(dāng)增加泵的沖程長(zhǎng)度， 既滿足鉆井過(guò)程中的排量要求，又能確保泵的自吸性能，充分發(fā)揮了泵的功效，成為今 后鉆井泵的設(shè)計(jì)方向。 - 4 - 1.2 鉆井泥漿泵的現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析 1.2.1 我國(guó)泥漿泵的現(xiàn)狀 輕便鉆井泵功率在 955kW 以下，主要配套于 4000m 以下鉆機(jī)，因此，輕便鉆井泵的 市場(chǎng)前景基本依從于 4000m 以下鉆機(jī)的使用現(xiàn)狀和發(fā)展。根據(jù) 2000 年的統(tǒng)計(jì)，中國(guó)擁 有鉆機(jī) 1000 余臺(tái)，占世界鉆機(jī)總量的 32%，其中，中石油集團(tuán)公司擁有 702 臺(tái)，因此， 中石油集團(tuán)公司的鉆機(jī)的情況基本反映了國(guó)內(nèi)鉆機(jī)的現(xiàn)狀。在中國(guó)石油集團(tuán)公司擁有的 702 臺(tái)鉆機(jī)中，4000m 以下的鉆機(jī)占總量的 80%。平均新度系數(shù)僅為 0.4，其中 48%的鉆 機(jī)新度系數(shù)小于 0.3,有 500 臺(tái)左右的鉆機(jī)服役 10 年以上，期待更新。在“十五”期間， 中石油集團(tuán)公司投入巨資更新鉆機(jī)，隨之配套的鉆井泵相應(yīng)也需要更新。據(jù) 2000 年統(tǒng) 計(jì)，中國(guó)石油集團(tuán)公司年累計(jì)完成井?dāng)?shù)為 7165 口，進(jìn)尺數(shù)為 10908km，其中井深小于 4000 m 的井?dāng)?shù)和進(jìn)尺數(shù)分別為 7056km 和 10383km，所占比例分別為 98.5%和 95.2%。 從以上分析數(shù)據(jù)可知，在用鉆機(jī)主要為 4000 m 以下鉆機(jī)。 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鉆井泵的企業(yè)主要有:寶雞石油機(jī)械廠、蘭州石油機(jī)械廠等，但由于各自 產(chǎn)品為多年前開發(fā)，結(jié)構(gòu)不盡合理，難以滿足現(xiàn)代鉆井工藝要求。目前 ，三缸單作用 往復(fù)式鉆井泵存在以下主要問(wèn)題。 (1) 鉆井泵質(zhì)量大，難以適應(yīng)現(xiàn)代輕便鉆機(jī)的要求，制約著鉆機(jī)的移運(yùn)性。 (2) 沖程短，沖次高鉆井泵在不適合的沖次范圍內(nèi)工作，致使液力端壽命短。 (3 )泵壓偏低，不能完全滿足現(xiàn)代鉆井工藝的需要。 (4) 結(jié)構(gòu)不合理，部分強(qiáng)度冗余，部分剛度不足，可靠性低，難以滿足鉆機(jī)高可靠性要 求。 (5) 缸套壽命短，難以滿足鉆機(jī)高效率要求。 1.2.2 國(guó)外泥漿泵現(xiàn)狀 美國(guó)鉆井泵大量采用三缸單作用泵，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：泵的液力端、閥箱采用 L 型，閥 箱的吸入閥和排出閥為分體結(jié)構(gòu)，吸入閥采用螺紋壓緊，其殼體與閥箱螺紋連接，球形 吸入空氣包。泵機(jī)座多為焊接結(jié)構(gòu)，小齒輪用鍵固定在傳動(dòng)軸上，大齒輪套安裝在曲軸 上。曲軸采用直軸與偏心輪一起鑄造的結(jié)構(gòu)。軸承采用雙列向心球面調(diào)心軸承。十字頭 滑動(dòng)面經(jīng)表面淬火磨削。齒輪采用斜齒或無(wú)槽人字齒輪。為了加強(qiáng)易損件的互換，閥腔 和活塞桿制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。隨機(jī)輔助工具齊全，有閥座液壓拉拔器液壓拆卸器、缸套 - 5 - 拆卸器等。 俄羅斯三缸單作用鉆井泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：俄羅斯三缸泵的液力端，閥箱采用I形直通 式和L形，閥箱的吸入閥和排出閥不是分體結(jié)構(gòu)，而是一體式液力模塊。L形閥箱又有吸 入閥在前、排出閥在后的常規(guī)型和吸入閥在后、排出閥在前的變L形結(jié)構(gòu)。 動(dòng)力端機(jī)座有鑄件和焊接件，傳動(dòng)采用小螺旋角斜齒輪傳動(dòng)和寬槽人字齒輪。曲軸 是由鑄造的偏心輪套在直軸上組成的。采用雙列圓錐滾子軸承。十字頭滑動(dòng)面經(jīng)表面淬 火磨削。介桿采用雙室密封。隨機(jī)輔助工具齊全，有閥座液壓拉拔器、液壓拆卸器、缸 套拆卸器等。 總的來(lái)說(shuō)，國(guó)外三缸泵易損件的使用壽命較低。與先進(jìn)水平相比，尚有不小差距。 然而，由于其三缸泵多數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)速度較小(如額定速度為135r/min的泵，經(jīng)常以70- 80r/min運(yùn)轉(zhuǎn))，而且傳動(dòng)可以調(diào)速，因此，泵的功效發(fā)揮較好。 1.2.3 鉆井泥漿泵的發(fā)展趨勢(shì) 隨著鉆井工藝技術(shù)，特別是高壓噴射鉆井、近平衡鉆井、叢式定向井、水平井等新 工藝、新技術(shù)的發(fā)展，鉆井泵進(jìn)一步向大功率、大排量和高泵壓方向推進(jìn)，作為鉆機(jī) “心臟”的鉆井泵，其性能水平和使用壽命同鉆井速率和生產(chǎn)成本有著直接關(guān)系，同時(shí) 其工作條件又十分惡劣，工況也異常復(fù)雜，因此，對(duì)鉆井泵工作的可靠性和安全的要求 也越來(lái)越高。 多年來(lái)鉆井的實(shí)踐證實(shí)，只有臥式活塞泵能滿足鉆井工藝要求，鉆井使用的活塞泵 傳動(dòng)功率由300kW到2000kW，最大排量8-50L/s，最小排量下的最高壓力為9-40MPa。從 排量的均衡性，對(duì)不同結(jié)構(gòu)泵排量的不均勻度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，曲柄錯(cuò)角120的 三缸泵比其他曲柄錯(cuò)角的多缸泵都有利;三缸以上的泵由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修困難和易磨 損而難以廣泛應(yīng)用。近年相繼開始研制出5缸、7缸斜盤型軸向柱塞泵、雙缸單作用液壓 鉆井泵等新型鉆井泵，但由于維修不便及使用壽命等因素限制了其推廣應(yīng)用。所以目前 國(guó)內(nèi)外鉆井泵的主要形式仍為三缸單作用往復(fù)泵。 國(guó)內(nèi)外三缸泵的優(yōu)點(diǎn)有:液力端L形結(jié)構(gòu)，復(fù)合錐面閥膠皮，冷卻缸套活塞的內(nèi)孔噴 射移動(dòng)式噴淋裝置，直立式吸入空氣包;動(dòng)力端的體外強(qiáng)力潤(rùn)滑系統(tǒng)，閉式內(nèi)固定導(dǎo)板 機(jī)構(gòu)。鉆井技術(shù)的發(fā)展方向是提高時(shí)效，降低成本和采用能夠降低成本的新工藝、新技 術(shù)和新裝備。運(yùn)用大排量高壓噴射鉆井工藝即是這一趨向的必然選擇。高壓噴射則由高 可靠性的鉆井泵來(lái)保證。因此，鉆井泵的發(fā)展趨勢(shì)是:降低額定沖數(shù)，由150沖/min降 - 6 - 到110一120沖/min,長(zhǎng)沖程，最大沖程已達(dá)300mm以上。降低沖次，降低沖次不僅可 以提高易損件如活塞密封、缸套的使用壽命，而且還可以減少慣性損失，改善泵的吸入 性能，同時(shí)提高泵動(dòng)力端齒輪、軸承等零部件的使用壽命，大大提高鉆井泵的可靠性。 因此合理降低泵的沖次，適當(dāng)增加泵的沖程長(zhǎng)度，既滿足鉆井過(guò)程中的排量要求，又能 確保泵的自吸性能，充分發(fā)揮了泵的效能，成為今后鉆井泵設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。 1.3 研究?jī)?nèi)容與關(guān)鍵技術(shù) 鉆井行業(yè)的發(fā)展方向是提高時(shí)效，降低成本和采用能夠降低成本的新工藝、新技術(shù) 和新裝備。運(yùn)用高速高壓噴射鉆井工藝即是這一趨向的必然選擇。 決定鉆井泵易損件壽命和工作效率的參數(shù)為泵沖次、沖程、排出壓力和吸人壓力。 這些參數(shù)與有關(guān)壽命之間的關(guān)系是指數(shù)函數(shù)。實(shí)踐表明鉆井泵80%的故障是由于缸套活 塞組的磨損引起的。 1.3.1鉆井泥漿泵主要參數(shù)的選擇 鉆井泵的性能取決于鉆井泵技術(shù)參數(shù)的合理匹配。從提高泵的吸入性能出發(fā)，優(yōu)化 選擇泵的性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)是非常重要的。 （1）泵的額定沖次n ：鉆井泵的沖次n是泵的主要參數(shù)之一。目前的發(fā)展趨勢(shì)是降 低沖次，相同功率下，沖次低使得泵體積小，質(zhì)量輕，進(jìn)而制造費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用和維護(hù) 保養(yǎng)費(fèi)用較小;沖次高則不能充分發(fā)揮三缸單作用泵的效能，因此，對(duì)沖次的選定將決 定鉆井泵的性能可靠性、使用性和經(jīng)濟(jì)性。 降低沖次可以提高泵吸入性能，特別是提高三缸泵的自吸能力。降低沖次可延長(zhǎng)易 損件的使用壽命。鉆井泵沖次的高低對(duì)易損件的壽命有很大影響。活塞失效的主要原因 是擠傷和磨損，由于活塞平均速度與沖次成正比，當(dāng)沖次降低后，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度 減慢，活塞與缸套之間的摩擦功耗產(chǎn)生的摩擦熱減少，從而延長(zhǎng)活塞密封的 使用壽命，也提高了缸套的使用壽命。同時(shí)，十字頭、導(dǎo)板、閥和閥座的壽命都有所提 高。另外，沖次降低后，慣性損失減少，泵不易產(chǎn)生“水擊”現(xiàn)象，慣性力減弱，將會(huì) 提高泵動(dòng)力端齒輪、軸承等零部件的使用壽命。 （2）泵的沖程長(zhǎng)度：泵的沖程長(zhǎng)度是鉆井泵的另一重要指標(biāo)。由相關(guān)資料可知，在 降低沖次的前提下，適當(dāng)加長(zhǎng)沖程長(zhǎng)度是合理的，而且還可以進(jìn)一步改善其吸入性能。 經(jīng)合理搭配泵的沖程長(zhǎng)度，泵的額定沖次，缸套直徑，在泵的理論排量、排出壓力滿足 鉆井工藝要求的前提下使泵的慣性水頭系數(shù)小于 時(shí)，能夠確保鉆井泵自吸性能2m/s 0.34 - 7 - 良好。 （3）正確設(shè)計(jì)吸入管線：正確設(shè)計(jì)吸入管線也是鉆井泵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為保證液流與 活塞同步增速，液流需要消耗一定的能量，即稱為“加速度水頭損失”或“慣性損失” 。 隨著所用吸入管線的形式不同，這種損失可能加大或減小。要控制慣性損失，提高泵的 吸入性能，應(yīng)注意以下幾方面問(wèn)題。 1) 吸入管線應(yīng)有足夠的液體。 2) 選用直通式泵頭。 3) 吸入系統(tǒng)應(yīng)絕對(duì)密封。 1.3.2鉆井泥漿泵運(yùn)動(dòng)對(duì)排量的影響 鉆井泵工作時(shí)排量不斷變化，壓力也隨之變化。排量和壓力的波動(dòng)會(huì)降低泵的機(jī)械 效率、容積效率及縮短泵和管線的使用壽命，甚至導(dǎo)致井壁的坍塌和鉆進(jìn)液的漏失。為 了減小泵的排量和壓力的波動(dòng)，常用的方法是在泵的排出口安裝空氣包，或在吸入口安 裝空氣包。泵工作時(shí) ，閥盤作間歇運(yùn)動(dòng)。當(dāng)閥盤上升時(shí)，它與閥座間有一空間，從液 缸內(nèi)排出的液體有一部分儲(chǔ)存其中，使流經(jīng)閥隙的液體量小于液缸內(nèi)排出液體量;當(dāng)閥 盤下落時(shí)，下部空間減少，把原來(lái)儲(chǔ)存的小部分液體排出，使流經(jīng)閥隙的液體量大于由 液缸內(nèi)排出的液體量。從本質(zhì)上說(shuō)，泵閥在閥腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)效果就相當(dāng)于一臺(tái)“開式”往 復(fù)泵，閥盤相當(dāng)于一個(gè)活塞。對(duì)鉆井泵而言，為了滿足鉆井工藝對(duì)排量和壓力的要求， 通常采用換缸套的方法。根據(jù)泵閥理論，閥盤的運(yùn)動(dòng)存在滯后現(xiàn)象，在排出過(guò)程終止時(shí)， 閥盤并未落回閥座。吸入過(guò)程開始時(shí)，閥盤在自重、彈簧力及閥盤上下壓力差的作用下， 快速下落，產(chǎn)生沖擊力。閥盤上下壓力差越大，閥盤的沖擊力越大，閥盤和閥座所受的 力就越大。同樣，由于泵在高壓狀態(tài)下使用的是小缸套，在 中，F(xiàn)1rsintQ 值較小，泵的排量變化值較大。所以在設(shè)計(jì)泵時(shí)，通常采用泵的小缸徑參數(shù)。為了減小 泵閥運(yùn)動(dòng)對(duì)泵排量不均度的影響，應(yīng)盡可能地減小閥盤的直徑和運(yùn)動(dòng)速度，盡可能地使 用直徑較大的缸套，使F/f閥的值較大，也就是說(shuō)，在泵的使用過(guò)程中，盡可能使用大 直徑缸套，既可以提高鉆井液的循環(huán)量，又可以保證泵的瞬時(shí)排量相對(duì)穩(wěn)定，從而保證 鉆井質(zhì)量。 本文主要完成 3NB-1300 鉆井泥漿泵動(dòng)力端設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)原始參數(shù)為： 泵型：臥式三缸單作用 輸入功率：956 千瓦 - 8 - 齒輪傳動(dòng)比：I=128/35=3.657 主動(dòng)軸額定轉(zhuǎn)速：437.77 轉(zhuǎn)/分 外形尺寸（長(zhǎng)*寬*高）：5050*2406.5*2655 總質(zhì)量（包括皮帶輪、予壓空氣包和噴淋系統(tǒng)）：22300Kg； 通過(guò)與其他一些系列的鉆井泵型號(hào)與參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可以得出 3NB1300 鉆井泵沖 程長(zhǎng)度長(zhǎng)，額定沖次低，最高工作壓力大，外形尺寸大，并且質(zhì)量重。通過(guò)對(duì)鉆井泵工 作原理及工作環(huán)境的了解，可以知道因鉆井泵與泥漿接觸，在工作過(guò)程中一直受著強(qiáng)烈 的磨粒磨損，使其壽命低，原材料大量消耗，生產(chǎn)設(shè)備時(shí)嚴(yán)重浪費(fèi)，維修費(fèi)用大量增加， 鉆井效率大幅度降低，因此在對(duì)動(dòng)力端進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要將這些因素考慮在內(nèi)。 1.了解鉆井泥漿泵的基本構(gòu)成及工作原理，熟悉其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的基本知識(shí)。 2.進(jìn)行鉆井泥漿泵動(dòng)力端的設(shè)計(jì)。 3.畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書。 本次設(shè)計(jì)基本要求為： 1.能獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、分析、繪圖、數(shù)據(jù)處理、撰寫技術(shù)報(bào)告。 2.掌握工程技術(shù)設(shè)計(jì)的基本方法，學(xué)會(huì)調(diào)查研究，查閱技術(shù)文獻(xiàn)、資料、手冊(cè)、工 具書等。 3.使用 Solid Works 進(jìn)行泥漿泵動(dòng)力端零部件及裝配設(shè)計(jì)。 4.進(jìn)行指定部件設(shè)計(jì)，圖紙表達(dá)完整，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 - 9 - 2 鉆井泥漿泵的總體設(shè)計(jì) 3NB-1300 鉆井泥漿泵主要有動(dòng)力端、泵殼、液力端三大部分組成，如圖 2.1 所示： 圖 2.1 3NB-1300 泥漿泵示意圖 從結(jié)構(gòu)性能上看, 這種泵應(yīng)將目前世界上三缸泵的先進(jìn)技術(shù)溶合到設(shè)計(jì)中, 以高科 技、機(jī)電一體化、智能化等先進(jìn)性能去贏得市場(chǎng)。所以國(guó)產(chǎn)3NB-1300 型泵必須具備以 下特點(diǎn)。 a) 最高泵壓必須達(dá)到45MPa。 b) 液力端應(yīng)是活塞、缸套與柱塞、盤根2 種形式并存, 當(dāng)泵壓超過(guò)42M Pa 時(shí), 采用 柱塞盤根結(jié)構(gòu)。 c) 高壽命的易損件是獲得良好經(jīng)濟(jì)效益的前提條件。用新材料、新工藝來(lái)解決易損件 壽命短的問(wèn)題。 d) 液力端結(jié)構(gòu)采用L 型為佳, 便于維修或更換易損件, 液缸內(nèi)表面要進(jìn)行自增強(qiáng)理。 e) 動(dòng)力端的各傳動(dòng)元件應(yīng)有良好的耐磨、抗沖擊及抗疲勞性能, 保證各元件壽命超過(guò) 15000h。齒輪軸和大齒圈要進(jìn)行整體加工, 以保證齒輪副的精度, 減小泵的體積。 f ) 動(dòng)力端的所有運(yùn)動(dòng)零件都要有壓力循環(huán)的潤(rùn)滑系統(tǒng), 并具有欠壓及超壓的報(bào)警系統(tǒng)。 - 10 - g) 泵主機(jī)質(zhì)量應(yīng)控制在40t 以內(nèi)。 鉆井泥漿泵在海上油田的采用, 勢(shì)必?cái)U(kuò)展到陸上超深井和水平井鉆機(jī)上, 就像過(guò)去 三缸單作用泵在海洋鉆機(jī)上替代雙缸雙作用泵一樣, 形成一場(chǎng)革命, 很快擴(kuò)展到陸地鉆 機(jī)。隨著泵壓的升高, 對(duì)鉆機(jī)中各類鉆具的性能要求也將隨之提高。本文對(duì)泥漿泵動(dòng)力 端進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。 - 11 - 3 鉆井泥漿泵動(dòng)力端的總體設(shè)計(jì) 3.1 動(dòng)力端的結(jié)構(gòu) 動(dòng)力端主要包括：主軸、被動(dòng)軸、齒輪副、連桿、十字頭和中間拉桿等幾部分。鉆 井泥漿泵動(dòng)力端又因其主軸對(duì)連桿相互位置的不同而分為兩大類：有曲柄軸的結(jié)構(gòu)和有 偏心輪結(jié)構(gòu)。 3.1.1 有曲柄軸的結(jié)構(gòu) 在此結(jié)構(gòu)中，曲柄軸上使用鍵裝著可拆卸的曲柄。人字齒或斜齒的圓柱齒輪副，位 于兩主軸承之間。連桿大頭尺寸較小，便于檢修。這種結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)固，但存在的缺點(diǎn)是： 由于齒輪和曲柄銷之間，要裝兩幅軸承和曲柄夾板，致使兩個(gè)液缸中心距增大，從而增 加了泵的寬度和重量；換主軸承時(shí)，須先拆曲軸。NB1-470 泵采用這種結(jié)構(gòu)，如圖 3.1 所示。 圖 3.1 NB1-470 泵示意圖 - 12 - 3.1.2 有偏心輪的結(jié)構(gòu) 在這種結(jié)構(gòu)中，連桿是由主軸上的偏心輪帶動(dòng)的。這種結(jié)構(gòu)使液缸中心距縮小到 最小，因此大大減少了泵的寬度和重量；主軸承上的負(fù)荷也較第一種結(jié)構(gòu)小。這種結(jié)構(gòu) 的強(qiáng)度最好，工作可靠，維修方便，但制造較復(fù)雜，而且需要大直徑的滾動(dòng)軸承。但隨 著大直徑滾動(dòng)軸承的解決，這一結(jié)構(gòu)得到了非常廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的 3NB-1300 鉆 井泥漿泵就是采用這種結(jié)構(gòu)。 3.2 動(dòng)力端軸承的選用和壽命計(jì)算 查閱資料，確定 3NB-1300 鉆井泥漿泵動(dòng)力端的總體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力計(jì)算。 結(jié)構(gòu)如圖 3.2 所示： 圖 3.2 泥漿泵動(dòng)力端的總體結(jié)構(gòu) 3.2.1 主動(dòng)軸和被動(dòng)軸軸承的選用 各個(gè)廠生產(chǎn)的三缸泵動(dòng)力端中，主動(dòng)軸、減速齒輪、被動(dòng)軸、連桿和十字頭等的布 - 13 - 置都是相似的。但是，要注意軸承的選用。鉆井泥漿泵動(dòng)力端內(nèi)的軸承全部都是滾子軸 承，對(duì)兩根軸的支撐軸承，目前絕大多數(shù)生產(chǎn)廠是選用短圓柱滾子軸承作為主動(dòng)軸的支 承；選用調(diào)心滾子軸承作為曲軸的支承，這種設(shè)計(jì)是合理的，使用中問(wèn)題較少。主動(dòng)軸 的短圓柱滾子軸承較易實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)，有利于人字齒輪的均勻嚙合；被動(dòng)軸的調(diào)心軸承 承載能力高、耐沖擊。國(guó)民公司的三缸泵，其主動(dòng)軸選用調(diào)心軸承，使用表明，這種軸 承組合不盡合理，因?yàn)檎{(diào)心軸承在軸向不能游動(dòng)，人字齒輪常發(fā)生偏磨；，礦場(chǎng)維護(hù)困 難。表 3.1 是幾種泵選用軸承的類型和尺寸。 表 3.1 泵選用軸承的類型和尺寸 泵 型 號(hào) 類 型 內(nèi) 徑 外 徑 寬 度 動(dòng)負(fù)荷能力 主動(dòng) 軸軸 承 10-P-130 FA-1300 3NB-1300 調(diào)心 短圓滾子 短圓滾子 220 220 220 370 350 460 120 98.4 145 - 1246 1450 被動(dòng) 軸軸 承 10-P-130 FA-1300 3NB-1300 雙列錐滾 調(diào)心滾子 調(diào)心滾子 368.75 300 300 522 500 500 216 160 160 3382 2273 1726 鉆井泵被動(dòng)軸和主動(dòng)軸的軸承承載受較重和帶有沖擊的負(fù)荷，故軸與軸承內(nèi)圈的配 合易選得緊些，一般選用 m6 配合。軸承套和軸承外圈的配合可選 H7 或 M7. 3.2.2 連桿兩端軸承的選用 連桿大端都選用大直徑的短圓柱滾子軸承。連桿小端則有兩種設(shè)計(jì)。多數(shù)泵采用 圖 3.3 所示的設(shè)計(jì)，十字頭銷固定在十字頭上，連桿小端通過(guò)一個(gè)雙列長(zhǎng)圓柱滾子軸承 在銷上擺動(dòng)。我國(guó)和羅馬尼亞的部分泵采用圖 3.4 的設(shè)計(jì)，連桿小端與銷的中段用鍵固 定在一起，銷的兩端通過(guò)一對(duì)短圓柱滾子軸承裝在十字頭體的兩側(cè)上。 - 14 - 1.下導(dǎo)板座 2.下導(dǎo)板 3.十字頭體 4.十字頭銷 5.雙列長(zhǎng)圓柱滾子軸承 6. 連桿小端 7.上導(dǎo)板 8.上導(dǎo)板座 9.移動(dòng)潤(rùn)滑油管 圖 3.3 埃姆斯科泵連桿小端與十字頭的聯(lián)接 1.連桿小端 2.鍵 3.十字頭 4.介桿 5.十字頭銷 - 15 - 圖 3.4 3NB-1300 型泵連桿小端與十字頭的裝配關(guān)系 部分國(guó)產(chǎn)泵的連桿大端的軸承在使用不久后出現(xiàn)所謂“跑圈”現(xiàn)象，即軸承內(nèi)外圈 的配合松動(dòng)，發(fā)生滑動(dòng)。其主要原因是配合選擇不當(dāng)。連桿大端軸承承受很重的脈動(dòng)變 載荷。而其內(nèi)、外圈都是薄壁套圈。若仍選取與小直徑軸承相同的配合公差，計(jì)算和實(shí) 際使用都表明是不恰當(dāng)?shù)?，尤其是?nèi)圈和偏心軸頸不能抱緊；即使剛裝上去時(shí)能抱緊， 在脈動(dòng)的重載荷下工作一段時(shí)間后，由于薄壁內(nèi)圈的變形，配合也會(huì)松動(dòng)。 即與軸承內(nèi)圈結(jié)合的偏心軸頸應(yīng)選用 r7 配合，與軸承外圈結(jié)合的連桿大端內(nèi)孔應(yīng) 選用 N7 配合。并在裝配后加壓板使內(nèi)外圈軸向固定。裝配后，連桿大端軸承的徑向游 隙以在 0.06-0.16mm 之間為宜。按使用經(jīng)驗(yàn)，裝配后的徑向游隙愈小愈好，可以至零。 但我國(guó)的軸承精度較低，泵工作時(shí)油溫較高，游隙不宜過(guò)小。 3.2.3 鉆井泵軸承壽命計(jì)算 鉆井泵滾動(dòng)軸承的正常失效原因有兩種，即軸承滾動(dòng)體表面疲勞破壞和滾動(dòng)體表 面磨損。在密封和潤(rùn)滑條件良好的情況下，失效形式是疲勞剝落；反之則是因滾動(dòng)表面 磨損到一定程度后軸承游隙過(guò)大而失效。以磨損失效的軸承壽命要短于因疲勞失效的軸 承壽命。在我國(guó)礦場(chǎng)，以磨損破壞居多。造成軸承磨損的主要因素有： （1）軸承滾子和跑道間潤(rùn)滑不足而造成粘著磨損； （2）軸中雜物和塵埃，特別是齒輪表面剝落的金屬磨屑使軸承滾動(dòng)面發(fā)生磨料磨損； （3）混入潤(rùn)滑油中的水分和其它腐蝕液使?jié)L動(dòng)體表面銹濁而剝落。 目前還沒(méi)有滾動(dòng)軸承磨損壽命計(jì)算的可靠方法，只有個(gè)別軸承廠提出的估算方法。 但以疲勞破壞為條件的滾動(dòng)軸承壽命計(jì)算則早已獲得公認(rèn)，并應(yīng)用了可靠性的設(shè)計(jì)方法。 滾子軸承的額定壽命 （3.1） 3.pd6fn01CLA 式中 -可靠度為 90%的軸承的額定的疲勞壽命，也稱 B-10 壽命。按軸承設(shè)AL 計(jì)的習(xí)慣，此處 的單位為 h（小時(shí)） ； -所選軸承的額定動(dòng)載荷。dC - 16 - -軸承所受的動(dòng)負(fù)荷。如果工作過(guò)程中負(fù)荷是變化的，則應(yīng)求得平均當(dāng)P 量動(dòng)負(fù)荷； -附加負(fù)荷系數(shù)。在鉆井泵軸承計(jì)算中，對(duì)傳動(dòng)軸承，因皮帶或鏈條傳pf 動(dòng)引起的附加負(fù)荷較大，取 =1.8；對(duì)其它軸承，取 =1.2.pf pf 設(shè)計(jì)鉆井泵時(shí)，被動(dòng)軸、主動(dòng)軸和連桿兩端軸承的選用基本上決定于這些零件的結(jié) 構(gòu)尺寸。一般，主動(dòng)軸和連桿上滾子軸承可有足夠高，即 30000h 以上的 B-10 壽命。但 被動(dòng)軸軸承的壽命可能較低，有時(shí)需要適當(dāng)加大軸頸尺寸或選用較寬系列的軸承。 計(jì)算被動(dòng)軸軸承的壽命。設(shè)泵為正轉(zhuǎn)。先求平均當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷 P，即左、右軸承支反 力 、 的平均當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷 、 中的大者。1F21P2 （3.2） 3.13601i.i1PF 式中 在泵的每一次沖擊中，對(duì)應(yīng)于間隔為 每一次曲軸轉(zhuǎn)角的 值。3.i1F011F 同理， 3.13601i.i22P （3.3） 、 在一沖中的變化如圖 3.5 所示。由式（3.2）和式（3.3）算得 =538KN,1F2 1P =528KN,故 = =538KN.2PP1 - 17 - a.左軸承支反力 b.右軸承支反力1F 2F 圖 3.5 某 N=1180kw 的三缸泵的曲軸軸承支反力 當(dāng)然，計(jì)算軸承的平均當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷時(shí)也可適當(dāng)將被動(dòng)軸轉(zhuǎn)角間隔加大，例如，加大 到 6，同時(shí)將式（3.2）和式（3.3）中的 360 換為 60。由上圖可以看出，被動(dòng)軸軸承 支反力是每 60一階躍，故當(dāng)手算時(shí)可將計(jì)算間隔加大到 60，一沖中取 6 點(diǎn)反力值 而求其均 3.3 次方根值，結(jié)果也是令人滿意的。 被動(dòng)軸軸承的轉(zhuǎn)數(shù) 可代之以鉆井泵的額定沖次數(shù) 或?qū)嶋H常用工作沖次數(shù) ，dnan0n 視實(shí)際情況而定。在本例計(jì)算中，取 =90r/min。dn 根據(jù)軸的初定尺寸，選取 3660 調(diào)心滾子軸承為被動(dòng)軸軸承。它的內(nèi)徑為 300mm， 外徑 620mm，寬度為 185mm，額定動(dòng)負(fù)荷 =2860KN.dC 于是，本例中曲軸軸承的 B-10 壽命為： =25000 h 3.61.2x58090AL 根據(jù)滾動(dòng)軸承疲勞壽命可靠性的研究，軸承失效概率近似地服從二參數(shù)威布爾分 布。對(duì)所選軸承，如果工作時(shí)有理想的潤(rùn)滑和密封條件，則壽命不足 25000h 的占 10%，壽命在 25000h 至 100000h 的占 50%，其余 40%的壽命則高于 100000h。按鉆井 泵每年工作 3000h 計(jì)算，軸承壽命為 25000h 時(shí)可工作 8 年，壽命為 100000h 時(shí)可工作 33 年。但在野外工作的鉆井泵的實(shí)際潤(rùn)滑和密封條件或多或少總有不利因素，部分軸 承是因磨損而失效的，壽命達(dá)不到那么高。美國(guó)鉆井泵軸承平均壽命可達(dá) 10 年至 15 年。 - 18 - 3.3 連桿、十字頭和導(dǎo)板 圖 3.6 是常見(jiàn)的三缸泵連桿設(shè)計(jì)。連桿有兩種方法制造：一種是鑄造的，另一種 是用厚鋼板做毛坯。這兩種連桿的大、小端都是封閉環(huán)。大、小端之間的部分稱為桿身。 大、小端的中心距稱為連桿長(zhǎng)度，與 值有關(guān)；而大、小端的直徑?jīng)Q定于軸承的選用， 故鉆井泵連桿的尺寸基本上決定于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 實(shí)際使用中尚未發(fā)現(xiàn)連桿因強(qiáng)度不夠或失穩(wěn)而破壞的情況。三缸泵連桿的桿身在排 出沖程時(shí)應(yīng)校核它的疲勞強(qiáng)度。在一些文獻(xiàn)中給出了以材料力學(xué)連桿計(jì)算公式為基礎(chǔ)的 大、小端環(huán)部應(yīng)力計(jì)算公式。但是，應(yīng)力測(cè)試和有限元法計(jì)算結(jié)果都指出，因桿身和大、 小端的過(guò)渡處有應(yīng)力集中，此處的應(yīng)力最高。根據(jù)有限元法的初步計(jì)算結(jié)果，三缸泵連 桿上危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞安全系數(shù)可達(dá) 3 以上。連桿在加工后應(yīng)進(jìn)行超聲波探傷。 圖 3.6 材料為 ZG35CrMo 三缸泵的連桿 圖 3.7 為 3NB-1300 型泵的十字頭體。從工藝的角度看，十字頭和導(dǎo)板這兩個(gè)零件 的毛坯只能是鑄件。而鑄鐵的減摩性、抗磨性和承受壓力的特點(diǎn)也正好和這兩個(gè)零件的 受力特點(diǎn)相吻合。導(dǎo)板的材料一般選用牌號(hào)為 HT200、HT250 的灰鑄鐵。十字頭體與介 桿聯(lián)結(jié)的螺紋處需要一定的強(qiáng)度，故十字頭一般選用 QT600-2、QT500-5 球墨鑄鐵或 KTZ550-04 可鍛鑄鐵，也有選用 35CrMo 鑄鋼的。 對(duì)大功率鉆井泵，還可考慮在十字頭體上鑲滑板，以免十字頭體這一大件以外損傷 報(bào)廢?；宓牟牧蠟榍嚆~或灰鑄鐵。 裝配時(shí)，在導(dǎo)板下加墊片，以調(diào)整十字頭和導(dǎo)板間的間隙。若使十字頭座在下導(dǎo)板 上，上導(dǎo)板與十字頭的間隙應(yīng)為 0.25-0.4mm。 - 19 - 圖 3.7 3NB-1300 型泵的十字頭 3.4 泵內(nèi)齒輪 現(xiàn)有鉆井泵的傳動(dòng)齒輪多采用漸開線齒形。圓弧齒輪齒面承載能力強(qiáng)，其接觸沿齒 高為線接觸，當(dāng)受載變形后為一塊接觸區(qū)面，接觸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漸開線齒輪；圓弧齒輪 在嚙合過(guò)程中，接觸點(diǎn)沿嚙合線作軸向移動(dòng)，即齒面之間相對(duì)滾動(dòng)，這對(duì)建立油膜極為 有利，較厚的油膜不僅可提高齒面的接觸強(qiáng)度，而且可減少摩擦磨損，提高傳動(dòng)效率。 為了獲得所需要的泵沖次，鉆井泵傳動(dòng)端內(nèi)有一對(duì)減速齒輪。速比多數(shù)為 2.5-5， 在三缸泵中，除美國(guó)油井公司一家采用斜齒輪外，國(guó)內(nèi)外其它泵均采用人字齒輪。油井 公司斜齒輪的節(jié)圓螺旋角為 730，一般泵內(nèi)人字齒輪的螺旋角為 2533。 前面已指出，泵內(nèi)齒輪的工作條件比較惡劣；齒輪所在軸是兩端簡(jiǎn)支的長(zhǎng)軸，齒輪 位置遠(yuǎn)離支軸承；潤(rùn)滑油很難保持無(wú)污染；焊接泵殼的剛性也較差。在這種工作條件下， 泵內(nèi)齒輪的正常失效方式是磨損。國(guó)外三缸泵齒輪的磨損壽命約為 10 年。但實(shí)際上三 缸泵面接觸疲勞破壞（點(diǎn)蝕）現(xiàn)象也很普遍，有一定數(shù)量的泵內(nèi)齒輪在運(yùn)行 2 年左右即 因點(diǎn)蝕發(fā)展，齒面大面積剝落而失效。 在 API Spec7 中規(guī)定需對(duì)鉆井泵的齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為： rzigfdkN - 20 - （3.4） 式中 -齒面接觸強(qiáng)度允許的鉆井泵輸入功率；gN -齒寬系數(shù)。fi -功率系數(shù)。當(dāng)泵的額定功率 N1000hp 時(shí)， =1.4；當(dāng) N1000hp，r rf =1.6-（N/5000）;rf -決定于齒面硬度和齒輪傳動(dòng)比的系數(shù)。rk -決定于小齒輪轉(zhuǎn)速和節(jié)圓直徑的系數(shù)。 zd 其中 由下式計(jì)算： 1260nduzCDP （3.5） 式中 -小齒輪節(jié)圓直徑；pD -小齒輪轉(zhuǎn)速（r/min） ；1n （3.6）12n78/p0DC 在 API Spec7 中沒(méi)有給出鉆井泵齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)其 它標(biāo)準(zhǔn)校核齒根強(qiáng)度。實(shí)踐證明，對(duì)額定功率為 1180kw 和 96OkW 的三缸泵齒輪，取 法向模數(shù) =10mm，對(duì) 740kw 和 59Okw 的三缸泵齒輪，取法向模數(shù) =8mm 可有足夠nm nm 的齒根強(qiáng)度。 多年來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還指出，除潤(rùn)滑條件外，齒面硬度和加工、裝配精度對(duì)齒輪壽命 的影響最大。 近年來(lái)，我國(guó)制造廠應(yīng)用實(shí)體滾切中硬齒面齒輪的新工藝將大、小齒輪的硬度范圍 分別提高到 289321HB 和 341385HB。從初步使用的情況來(lái)看，對(duì)防止齒輪表面?？?的生成或發(fā)展是有效的。 鉆井泵齒輪精度等級(jí)為 8-7-7 或 8-8-7，即齒輪運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性指標(biāo)為 8 級(jí)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 性指標(biāo)為 7 級(jí)或 8 級(jí)，齒面載荷分布均勻性指標(biāo)為 7 級(jí)。 - 21 - 為改善泵內(nèi)齒輪的嚙合性能，還可采用變位齒輪設(shè)計(jì)。如果變位設(shè)計(jì)的目的是為改 善齒輪的強(qiáng)度和磨損，則對(duì)斜齒輪不宜采用角度變位（即兩街輪變位系數(shù)之和不為零的 變位設(shè)計(jì)） ，因?yàn)檫@會(huì)使嚙合接觸線縮短而降低承載能力。采用高度變位（兩齒輪變位 系數(shù)之和為零）可以降低齒面嚙合的滑動(dòng)系數(shù)的最大值，提高傳動(dòng)效率；減緩齒面的磨 損和點(diǎn)蝕；同時(shí)重迭系數(shù)降低很少，具有較滿意的綜合效果，適用于象鉆井泵齒輪這樣 的傳動(dòng)比較大的人字齒輪傳動(dòng)。建議設(shè)計(jì)時(shí)用齒條型刀具加工的外齒輪的線圖選擇變位 系數(shù)。當(dāng)傳動(dòng)比小于等于 3 時(shí)，大、小齒的變位系數(shù)分別取-0.33 和 0.33，當(dāng)傳動(dòng)比 大于 3 時(shí)，分別取-0.4 和 0.4。 鉆井泵齒輪精度等級(jí)不算高，但承受變動(dòng)的和帶有沖擊的載荷。因此對(duì)齒形修形將 對(duì)改善傳功的平穩(wěn)性和避免齒面拉傷等產(chǎn)生明顯的效果。一般只對(duì)齒頂部分修形，修形 量 0.1-0.2mm，修形高度為法向模數(shù)之半，即 0.5 。見(jiàn)圖 3.8。nm 圖 3.8 齒形修形量 3.4.1 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) 1.選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 這里選用人字齒圓柱齒輪傳動(dòng)。泥漿泵傳動(dòng)速度不高，故選用 7 級(jí)精度。選擇小齒 輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 240HBS，大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為 280HBS。 選擇小齒輪齒數(shù) ,大齒輪齒數(shù) ， 。初步選定螺旋角 135Z218Z213.65Z =30。 2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 齒輪分度圓的直徑公式如下式所示： - 22 - （3.7）3 2d1tt1 .2HEZTK （1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1）試選載荷系數(shù)： =1.6；t 2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 mNT 751 1086.27.43960. ； 3）齒寬系數(shù)： d； 4) 選取區(qū)域系數(shù)： =2.433；HZ 5）查得 =0.78 ， =0.87，則 = + =1.65；1212 6）材料的彈性影響系數(shù)： 8.9MPaE； 7）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPaH501lim；大齒輪的接觸疲勞 強(qiáng)度極限 PaH502lim； 8）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 911 1053.)108362(17.436 hjLnN ； 892 05.053. ； 9）接觸疲勞壽命系數(shù) 1HNK； 9.2HN； 10）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，得： MPaSHNH 517094.1lim11 ； K398.2li21 ； （2）計(jì)算齒輪分度圓的直徑 1） 試用公式（2.7）算小齒輪分度圓直徑 td1；代入 H中較小的值 - 23 - mm=348.3mm；3 2t1 5178.9x43.2.65.208xd 2） 計(jì)算圓周速度 V s mndt 98.60.43.8106 ； 3） 計(jì)算齒寬 b dt 3.48.1； 4） 計(jì)算齒寬與齒高之比 b/h 模數(shù) =9.65；1ttzcosm 齒高 mht3875.25. ； b ； 5） 計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù) ，7 級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù) ；人字齒輪，假設(shè) .98mvs 1.02vKAtKFb 。查得 ；查得使用系數(shù) ；查得 7 級(jí)精度、小齒輪懸臂布0N1.2HFKA 置時(shí)， 3b=1.2421.2060.d 由 58h b ， 4.H，查得 FK；故載荷系數(shù)： 52.14.2.1VAK； 6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑得： mdtt 76.3231 ； 7） 計(jì)算模數(shù)： z .10 。 3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式為 )(213FSadYZKTm （3.8） - 24 - （1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1）查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 MPaFE3801； 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 FE2； 2）查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 95.1NK； 9.2FN； 3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，得：MPaSFENF86.25711 ；KFEF22 ； 4）計(jì)算載荷系數(shù) K 4.18.20.1FVA 5）查取齒形系數(shù) 69.21FaY ； 356.2FaY 6）查取應(yīng)力校正系數(shù) 57.1Sa ； 84.12Sa 7）計(jì)算大、小齒輪的 F Y 并加以比較 01643.8.257691FSaY 92.32FSa 小齒輪的數(shù)值大。 （2）齒根彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算 由公式(3.8)得： mm01.935142.02864.23 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù) m 大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模 - 25 - 數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度 所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得 的模數(shù) 9.01 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m10。 按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 d349； 算出小齒輪齒數(shù) 5.1Z；大齒數(shù) 1282Z。 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度， 并做到了結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。 4.幾何尺寸計(jì)算 （1）計(jì)算分度圓直徑 mZd3501； mZd12802 （2）計(jì)算中心距 a81)(21 （3）計(jì)算齒輪寬度 mdb3501 取 B3502 ； B。 5驗(yàn)算 NdTFt k2.19.3502861 ； mKNbKtA .4.3509 ，合適。 6齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制零件圖 （1）通過(guò)前面的大量設(shè)計(jì)計(jì)算，我們可以算得大小齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 3.2 所示。 表 3.2 大小齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù) 小齒輪 Z1 大齒輪 Z2 模數(shù) 10 壓力角 20 - 26 - 齒定高系數(shù) 1 中心距 8150.1 頂隙系數(shù) 0.25 齒數(shù) 35 128 分度圓直徑 350 1280 基圓直徑 328.88 1202.76 齒頂圓直徑 370 1353.14 齒根圓直徑 325 1188.57 齒頂高 10 10 齒根高 12.5 12.5 齒全高 22.5 22.5 齒厚 15.7 15.7 （2）大齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于大齒輪需要安裝在軸上，通過(guò)與小齒輪的嚙合，使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞到 傳動(dòng)軸上。而大齒輪與輪軸的軸向定位則需采用鍵連接。鍵的選擇在下面的軸的設(shè)計(jì)中 有說(shuō)明。 3.4.2 被動(dòng)軸軸的設(shè)計(jì) 1求輸出軸上功率 2P、轉(zhuǎn)速 2n和轉(zhuǎn)矩 2T 若取每級(jí)齒輪傳動(dòng)的效率 97.0，則W5.8.956221 min 7.19.37412 rn NPT7262 0.05.9 2求作用在齒輪上的力 已知大齒輪直徑 md182得 - 27 - NmgFt 1638.9501.31 rdTt1252 NFtr 2.408an2 圓周力 1,t、徑向力 1,rF的方向如圖 3.9 所示 圖 3.9 傳動(dòng)軸的受力圖 3初步確定軸的最小直徑 選取軸的材料為 40Cr 鋼，調(diào)質(zhì)處理。查表取 ，按下式初步估算軸的最小1260A 直徑，于是得 m5.487.1908npd330minA 4.通過(guò)上面的計(jì)算，可以設(shè)計(jì)出傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)如圖 2.10 所示。 - 28 - 圖 3.10 被動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 5確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 （1）為了滿足軸向定位要求，且滿足前支座與軸的間隙配合，通過(guò)前面的計(jì)算 I-II 軸 段直徑選為最小直徑 300mm。 （2）由上面取得安裝齒輪處軸段 II-III 的直徑為 325。已知齒輪的輪轂寬度為 310，故采用 II-III 軸段的長(zhǎng)度為 325。齒輪的左、右端均采用套筒定位，套筒高 度 h0.07d,取 h=24,則軸環(huán)處的直徑為 350。此時(shí)便可滿足齒輪的軸向固定要求。 （3）齒輪與軸和偏心輪與軸的軸向定位均采用平鍵連接。按照齒輪與軸的直徑由手冊(cè) 查表得平鍵截面 bh=7036(GB/T1095-1979)。鍵槽用鍵槽銑加工，長(zhǎng)為 303同 時(shí)為了保證齒輪與軸和前輪與軸的配合有良好的對(duì)中性，故選擇輪轂與軸的配合為 H7/h6.支座與軸的軸向定位是采用間隙配合來(lái)保證。 （4）主動(dòng)軸與此軸上的齒輪相嚙合時(shí)，可看作是減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)被動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 3.5 傳動(dòng)端的密封和潤(rùn)滑裝置 傳動(dòng)端的密封和潤(rùn)滑裝置的可靠性對(duì)傳動(dòng)端零部件的壽命有著重大的意義， - 29 - a）1.油封 2.張緊簧 3.卡簧 4.介桿b） 1.油封 2.隔環(huán) 3.壓板 4.介桿 c）1. 隔板 2.浮動(dòng)式泊油盒 3.黃油嘴 4.泥漿擋板 5.油封 6.隔環(huán) 7.介桿 圖3.11 幾種介桿密封裝置 鉆井泵介桿密封是一個(gè)關(guān)鍵的密封部位。而且它是往復(fù)式動(dòng)密封，技術(shù)難度較高。 如果介桿密封不可靠，液力端泄露的泥漿就會(huì)通過(guò)它進(jìn)入傳動(dòng)端而污染潤(rùn)滑油。泥漿中 含有固體顆粒，有時(shí)還可能含有高硬度的石英砂等，這對(duì)傳動(dòng)端內(nèi)的各摩擦副是致命的。 某些鉆井泵的介桿密封設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)陋，加上十字頭至活塞部分同心度差，以及泵反轉(zhuǎn) 時(shí)十字頭跳動(dòng)等因素，致使密封效果較差。圖 3.11 介紹了幾種較好的介桿密封設(shè)計(jì)。 圖 3.11 a 的特點(diǎn)是以張緊簧使兩個(gè)油封與軸緊緊地接觸，從而獲得較好的密封效果， 圖 3.11 b 使用了兩對(duì)背靠背的油封，一對(duì)阻止油流出傳動(dòng)端，另一對(duì)阻止泥漿滲入傳 動(dòng)端；圖 3.11 c 給出了浮動(dòng)式油封盒的結(jié)構(gòu)，油封盒相對(duì)于隔板可以移動(dòng)，可根據(jù)裝 配后介桿的實(shí)際位置相應(yīng)調(diào)整移動(dòng)油封盒后再將它固定。 目前美國(guó)的鉆井泵一般都有雙重的潤(rùn)滑系統(tǒng)，即除飛濺供油潤(rùn)滑外，還有強(qiáng)制潤(rùn)滑 - 30 - 系統(tǒng)向兩根軸的軸承和十字頭供油。使用情況表明，單純的飛濺供油潤(rùn)滑已不能滿足三 缸泵傳動(dòng)端零部件的潤(rùn)滑要求，增加強(qiáng)制潤(rùn)滑對(duì)延長(zhǎng)傳動(dòng)端零部件的壽命有顯著的功效。 強(qiáng)制供油不但油量充足，可防止意外事故；而且，油進(jìn)入油泵前經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾，噴向潤(rùn) 滑部位的油較干凈；再配用磁性吸屑器以防止金屬屑末隨潤(rùn)滑油被送到軸承、導(dǎo)板、齒 輪等摩擦面上，效果更好。 對(duì)于曲軸結(jié)構(gòu)采用的是黃油和機(jī)油甩油潤(rùn)滑兩種方式，兩副主軸承、兩副曲柄軸承 采用黃油潤(rùn)滑，其它部分采用機(jī)油甩油潤(rùn)滑。 帶偏心輪結(jié)構(gòu)，全部采用機(jī)油潤(rùn)滑。潤(rùn)滑方式有兩種，一種是采用甩油潤(rùn)滑，另一 種是在動(dòng)力端各部分采用機(jī)油強(qiáng)制潤(rùn)滑，即潤(rùn)滑油經(jīng)濾清器吸入齒輪油泵（其上帶有安 全閥） 。一般在油泵排出管線上串連著兩個(gè)濾清器：一為磁力濾清器，可過(guò)濾油中的鐵 末子；一為普通濾清器，可過(guò)濾油中其它雜質(zhì)。在各個(gè)潤(rùn)滑部位均設(shè)有噴嘴，實(shí)現(xiàn)噴油 潤(rùn)滑。當(dāng)管路或?yàn)V清器堵塞時(shí)，齒輪泵上的安全閥打開，以保護(hù)其不被憋壞。在整個(gè)管 路里有一個(gè)壓力表，指示著回路里的壓力。 對(duì)動(dòng)力端進(jìn)行潤(rùn)滑時(shí)，必須采用粘度合適而且清潔的油。根據(jù)目前井場(chǎng)上油料情況， 冬、夏季均采用 14 號(hào)柴油機(jī)油。要堅(jiān)持每天檢查油底殼油面，發(fā)現(xiàn)油面過(guò)低時(shí)應(yīng)添足， 并找出漏油部位，加以堵塞。每班要檢查各軸承的溫度，不得超過(guò) 70 度。超過(guò)時(shí)，要 停車檢查，找出故障原因，排除后，再繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。采用黃油潤(rùn)滑部位，要堅(jiān)持每周打黃 油一次，每次打黃油時(shí)，要先將黃油嘴上的污垢清除干凈。 潤(rùn)滑油池的機(jī)油每工作 1000 小時(shí)（不超過(guò)三個(gè)月）就要換新油。而且應(yīng)在泥漿泵 剛剛停下來(lái)，油還是熱的情況下，進(jìn)行換油。此時(shí)，擰下油底殼的放油絲堵，排掉全部 機(jī)油。然后擰上放油絲堵，倒入 10 升柴油，使泥漿泵空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn) 5-10 分鐘，停泵。再 將柴油排凈后擰緊放油絲堵。打開后蓋檢查齒輪的嚙合情況和油底的干凈程度。情況正 常時(shí)，蓋上后蓋，加注干凈的潤(rùn)滑油。 吸入濾清器和磁力濾清器在換機(jī)油時(shí)進(jìn)行清洗。排出管路上的另一個(gè)濾清器，每工 作 300 小時(shí)清洗一次。 機(jī)油壓力表所指示的壓力，應(yīng)在各個(gè)泵規(guī)定的范圍內(nèi)。壓力過(guò)低說(shuō)明吸入濾清器堵 塞，或者吸入管線漏空氣，或者油泵嚴(yán)重磨損，也有可能是泵上或?yàn)V清器的安全閥漏； 壓力過(guò)高說(shuō)明排油管線堵塞，或者由于天氣太冷油的粘度太大，此時(shí)安全閥卡阻，在規(guī) 定壓力下不開啟造成的。 - 31 - 4 動(dòng)力端常見(jiàn)故障及處理 往復(fù)泵動(dòng)力端的故障往往都伴隨著出現(xiàn)不正常的響聲。如果是新泵或者是剛剛大修 過(guò)的泵，故障工作響聲很大，多是安裝和制造質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)于工作過(guò)一段時(shí)間的泵來(lái)說(shuō)， 動(dòng)力端出現(xiàn)不正常的響聲，說(shuō)明該泵動(dòng)力端一定有故障。為了判斷和排除這些故障，首 先要進(jìn)行泵的外殼檢查。 4.1 軸承常見(jiàn)故障 滾子軸承的主要非正常損壞現(xiàn)象有：被動(dòng)軸、主動(dòng)軸和連桿大端軸承配合松動(dòng)（俗 稱“跑圈”)，滾子和跑道磨損過(guò)快和燒毀等。其原因主要是： 1.軸承配合過(guò)松 過(guò)去我們?cè)谑蜋C(jī)械設(shè)計(jì)中，不分軸承種類、直徑和載荷特點(diǎn)，對(duì)內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的軸承， 軸的配合一律選用 m6。但經(jīng)驗(yàn)表明，鉆井泵軸承的載荷變化大，有一定沖擊，軸承內(nèi) - 32 - 圈與軸的配合應(yīng)選得緊些。連桿大端軸承的內(nèi)、外圈是薄壁套圈，配合應(yīng)更緊些。而軸 承的原始徑向游隙也應(yīng)比基本組小一級(jí)。曲軸和傳動(dòng)軸支承軸承軸頸與內(nèi)圈的配合應(yīng)選 n6。連桿大端軸承內(nèi)圈與偏心軸頸的配合應(yīng)選 r7；大端內(nèi)孔與軸承外圈的配合應(yīng)選 N7. 2.曲軸軸承座裝配不當(dāng) 圖 4.1 曲軸軸承座的裝配 曲軸軸承座裝配如圖 4.1 所示，裝配曲軸軸承座時(shí)，必須嚴(yán)格控制軸承蓋的壓緊程 度；過(guò)緊，軸承徑向游隙減少，運(yùn)轉(zhuǎn)受熱膨脹后易燒毀而卡死；過(guò)松，受變載時(shí)必然產(chǎn) 生沖擊，相關(guān)的各零件易損壞。 裝配時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按技術(shù)條件計(jì)算軸承蓋和軸承座之間調(diào)節(jié)墊片的厚度，按規(guī)定的扭 矩值上緊緊固螺栓。裝配后，檢查軸承中兩列滾子的松緊程度，在軸承頂端應(yīng)有 2-4 個(gè) 滾子被壓緊。如果發(fā)現(xiàn)過(guò)松或過(guò)緊，應(yīng)重新調(diào)整墊片。 3.潤(rùn)滑不充分 三缸泵主動(dòng)軸和被動(dòng)軸的轉(zhuǎn)數(shù)約為雙缸泵的 2 倍，僅靠齒輪濺油潤(rùn)滑是不夠的。尤 其是離齒輪較遠(yuǎn)的那一側(cè)的軸承和雙列軸承中靠泵殼墻板的那一列滾子，潤(rùn)滑條件更差， 經(jīng)常不能形成油膜，以致燒傷滾動(dòng)面。 4.傳動(dòng)端內(nèi)清潔度差 部分軸承是在滾子出現(xiàn)?？又熬瓦^(guò)度磨損而失效的。這主要是由于潤(rùn)滑油內(nèi)含有 - 33 - 固體雜物和水等引起的。 5.軸承質(zhì)量差 在美國(guó)，用于鉆井泵的滾子軸承均使用真空冶煉或電渣重熔的滲碳鋼制造，滾動(dòng)面 接觸疲勞極限高，并耐沖擊；精度等級(jí)為精密級(jí)。而在我國(guó)尚無(wú)條件普遍使用這樣的軸 承。我國(guó)絕大部分軸承仍使用大氣冶煉的軸承鋼制造，精度為普通級(jí)。 4.2 齒輪常見(jiàn)故障 泵內(nèi)減速齒輪的主要問(wèn)題是點(diǎn)蝕。計(jì)算表明，雖然齒輪具有足夠的接觸疲勞強(qiáng)度， 但我國(guó)很多泵甚至在運(yùn)行幾十小時(shí)后即開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕，運(yùn)行 4000h 左右齒輪即因點(diǎn)蝕失 效。其原因是： 1.齒輪嚙合時(shí)接觸精度低 按規(guī)定，泵內(nèi)齒輪的嚙合斑點(diǎn)沿齒長(zhǎng)方向不少于 60% ，沿齒高方向不少于 45， 但礦場(chǎng)使用的鉆井泵齒輪的實(shí)際接觸精度往往達(dá)不到這一標(biāo)準(zhǔn)。 國(guó)產(chǎn)泵與美國(guó)泵在齒輪制造上的差距主要在于加工手段。國(guó)外是用人字齒刨齒機(jī)將 左右兩邊的齒同時(shí)刨出，大齒圈是整體的，齒輪與傳動(dòng)軸為一體。國(guó)產(chǎn)泵的人字齒需分 左右兩半分別在滾齒機(jī)上滾齒，然后靠劃線找齊將左右兩半齒圈或齒輪拼裝成人字齒倫， 其精度必然較低。一般認(rèn)為，傳動(dòng)軸的軸向游動(dòng)能保證人字齒輪較完美的接觸。但實(shí)際 上，一方面皮帶或鏈條對(duì)傳動(dòng)軸有較大的橫拉力，使軸難以游動(dòng)；另一方面?zhèn)鲃?dòng)軸的轉(zhuǎn) 數(shù)是每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)，也來(lái)不及左右游動(dòng)。因業(yè)，良好的齒輪接觸仍主要依靠加工和裝配 精度來(lái)實(shí)現(xiàn)。 2.齒輪齒面硬度低 齒輪齒面硬度若過(guò)低，不但容易發(fā)生點(diǎn)蝕，而且會(huì)發(fā)生齒面的塑性變形。大、小齒 輪面加工后的硬度分別以不低于 280HB 和 320HB 為宜。 4.3 十字頭部分常見(jiàn)故障 當(dāng)十字頭銅套或軸承磨損，螺絲松動(dòng)或裝十字頭銷子的輪轂?zāi)p過(guò)大時(shí)，造成動(dòng)力 端有敲擊聲，觀察十字頭的運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)現(xiàn)，十字頭走的不均勻，即十字頭走到兩頭時(shí)，要 停頓一下，才反向運(yùn)動(dòng)。但這要與由于排出閥發(fā)生故障而引起的十字頭運(yùn)動(dòng)不均勻相區(qū) 別，即當(dāng)某一排出閥刺壞時(shí)，該閥即不工作了，這時(shí)，十字頭走到中間位置時(shí)，由于沒(méi) - 34 - 有這個(gè)閥所造成的負(fù)荷，就好像被推了一下走得快一些。 當(dāng)十字頭滑板與泵身的導(dǎo)板磨損過(guò)大，也會(huì)使動(dòng)力端出現(xiàn)敲擊聲。 當(dāng)中間拉桿與十字頭的連接松動(dòng)時(shí)，應(yīng)繼續(xù)將鎖緊螺帽鎖緊。因?yàn)橹虚g拉桿與拉桿 的連接松動(dòng)時(shí)，也會(huì)使泵的動(dòng)力端出現(xiàn)敲擊聲。 4.4 連桿部分的常見(jiàn)故障 對(duì)于采用曲柄軸結(jié)構(gòu)的動(dòng)力端來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)連桿是頓一下、松一下地走，說(shuō)明大齒 輪、曲拐的鍵松了，或者是曲軸軸承松動(dòng)了，如果此時(shí)發(fā)現(xiàn)被動(dòng)軸和連桿一起跳動(dòng)，則 說(shuō)明被動(dòng)軸的主軸承松了，如果被動(dòng)軸的主軸承牢固，被動(dòng)軸不會(huì)