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開題報告 畢業(yè)設計開題報告 畢業(yè)設計內(nèi)容： BW-100型泥漿泵曲軸箱與液力端特性分析、設計 1、結構形式：臥式三缸單作用往復活塞泵。 2、技術參數(shù)：（1）曲軸箱變速：2級 （2）泵量(L/min) :18、23、28、35、43、53、72、90。 （3）泵壓（MPa）: 5.6、5.6、5.6、5.6、5.4、4.5、3、.2.5； （4）驅(qū)動功率：5.5kw （5）缸徑：60mm （6）活塞行程：65mm （7）活塞往復次數(shù) （l/min）：38、47、57、70、87、106、147、181； （8）驅(qū)動方式：電動機離合器 四級變速箱 曲軸箱（剛性軸傳動）。 3、分析設計內(nèi)容:（1）分析曲軸箱的轉(zhuǎn)矩特性及轉(zhuǎn)速特性； （2）分析計算泵液力端的特性參數(shù); （3）在分析計算的基礎上設計泵的曲軸箱與液力端; （4）應用現(xiàn)代分析軟件對設計的曲軸箱、液力端進行仿真分析 析、驗證。 此開題報告根據(jù)所設計的內(nèi)容，提出設計技術方案、技術路線、存在的技術難點、關鍵技術問題的解決方案等內(nèi)容。 鉆探用泵是鉆探設備的組成部分之一。鉆探用泵主要是洗孔用泵，在我國地礦部的部頒標準定為泥漿泵，泵的形式定為往復式泵。在鉆探施工中，泥漿泵擔負著向孔內(nèi)輸送清洗液，并能使其在孔內(nèi)循環(huán)。在某些特種工序中還用泥漿泵向孔內(nèi)灌注水泥漿等物質(zhì)。 本人所設計的泥漿泵是臥式三缸單作用活塞泵，它是通過活塞部件的往復運動，引起密閉的工作腔室容積變化，從而形成腔室內(nèi)外壓力差變化，以吸入和排出液流實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的。 往復泵的工作原理 圖1—1為臥式單缸單作用活塞泵示意圖。它由濾水器l、吸入閥2、泵缸3(即工作腔室)、活塞4、活塞桿5、十字頭6、連桿7、曲柄軸8、曲柄銷9、排出閥10、排出管道11等主要零部件組成。通常以十字頭為分界線，靠近泵缸一端稱為泵的液力端，靠近動力輸入一端稱為泵的動力端。 圖1-1 往復式泵工作原理示意圖 1．濾水器 2.吸入閥 3. 泵缸 4.活塞5.活塞桿6 .十字頭 7. 連桿8. 曲柄軸 9. 曲柄 10.排出閥 11.排出管道 動力機通過皮帶、皮帶輪、齒輪等傳動件帶動主軸旋輪，曲柄軸8以角速度。隨主軸一起轉(zhuǎn)動，同時曲柄軸一端相連的連桿7隨著曲柄軸的轉(zhuǎn)動帶動連桿另—端的十字頭6作往復運動，十字頭通過與它相連的活塞桿5帶動活塞4作往復運動，從而實現(xiàn)容腔3的容積有規(guī)律地變化。 當活塞由泵缸的左端位置(左死點)向右方移動時，活塞左端泵缸容積不斷變化。由于泵缸是密閉容腔，不與外界大氣相通，所以左邊缸室內(nèi)壓力降低，形成負壓（低于大氣壓力)，吸水池中的液體在液面大氣壓力的作用下，擠開吸入閥進入泵缸，擠開吸入閥進入泵缸，直到活塞移至最右邊位置(右死點)為止。這一工作過程稱為泵的吸入過程． 當活塞到達右死點后(即曲柄轉(zhuǎn)過rad)工作液停止吸入，吸入閥在自重和彈簧力作用下被關閉，活塞向左方(向液力端)移動，這時液力端一邊泵缸的容積縮小工作液受擠壓，缸內(nèi)壓力逐漸加大，擠開排出閥，液體排出，進入排出管道，這—過程稱為泵的排出過程?；钊谝淮瓮鶑瓦^程中，此單作用泵吸入和排出液體一次，活塞不斷循環(huán)往復運動使液以體不斷吸入和排出。 設計方案: 往復式泥漿泵，絕大多數(shù)是曲柄連桿傳動的。它由動力端和液力端組成兩大部分組成。 動力端及其關鍵部件設計和解決方案: 動力端的功能，是將動力機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊? (或柱塞)的直線往復運動。它包括傳動離合裝置、變速減速裝置和曲柄連桿。它們的相互位 置與安排決定著泵的總體結構型式，決定著泵的驅(qū)動方案及結構方案的選擇。動力端的主要 零部件包括皮帶輪，離合器曲軸箱體及其 中的傳動軸，齒輪副，曲軸 ，連桿及十字頭滑塊。 按離合器的安排形式，動力端的結構方案為：利用撥叉式皮帶帶動中間裝置上的空轉(zhuǎn)輪和工作輪實現(xiàn)離合。按曲軸箱傳動結構方式不同，動力端的結構方案為：曲軸箱內(nèi)采用具有剖分式的曲拐軸方案曲軸箱采用鑄鐵件。設計曲軸箱體時，使內(nèi)部所有零部件安裝、檢修方便；有良好的潤滑條件；加工時應保證驅(qū)動部分零件之間有精確配合，特別要保證缸心距的精度要求。曲軸采用曲拐軸形式。如圖 連桿大頭與曲軸相連，小頭與十字銷相連，中間部分為連桿體。桿體截面采用工字形。桿體中間沿軸線方向設潤滑油孔，把從曲柄油道來的潤滑油通過連桿大頭倒入小頭襯套中，實現(xiàn)油壓潤滑。連桿大頭做成剖分式，采用部分式滑動軸承。連桿小頭用鑄鐵制造，顯微組織應為均勻回火索氏體。正火處理后硬度應達到HB230-280.十字滑塊起導向作用，采用圓筒式結構。 液力端及其關鍵部件設計和解決方案：液力端油泵頭體、缸套、活塞、活塞桿吸入閥和排出閥等組成，它的作用是通過活塞在缸套中作往復運動形成液缸容腔變化，完成能量轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)吸入和排出液體。 液力端中泵頭體的設計，采用具有剖分式泵頭的結構方案。即每一泵缸具有自己單獨的泵頭，再用螺栓連接成整體。因為這種剖分的單泵頭體，體積小、鑄造容易、檢修方便。根據(jù)閥門箱的不知結構不同，液力端采用直通式結構，這樣吸入閥和排出閥處在同一軸線上，結構緊湊、余隙容積小、質(zhì)量輕。泵的液缸體都采用灰鑄鐵鑄造。且應注意：1吸入閥、排出閥之間液流通道要短而直，其內(nèi)徑應盡可能小些。為減小流道阻力損失，應加大拐彎處的圓角，內(nèi)壁表面應當光滑。液缸內(nèi)的形狀應最不利于空氣滯留。吸入、排出閥應盡量靠近缸體，以減少水利損失和余隙容積。吸入、排出口應便于同吸入、排出管道相連。活塞由活塞座、橡膠密封皮碗、壓蓋及螺帽等組成。橡膠密封部分制成碗型、，只在靠排出端一側有唇型密封皮碗，皮碗緊靠在尼龍塑料支撐環(huán)上。為了避免皮碗與襯圈接觸處產(chǎn)生撕裂或剝落，制成由聚酯與合成橡膠為材料的組合式活塞。如圖 活塞是往復泵一個重要而又易損壞的部件，設計時要注意以下幾點:1活塞應設計為可調(diào)部件，當皮碗外唇部磨損后，通過調(diào)整壓緊裝置，使皮碗中間部分壓緊，唇部被擠壓少許，仍能壓緊缸套2活塞與活塞感的縮緊裝置要牢固可靠，運轉(zhuǎn)時絕不允許出現(xiàn)松扣現(xiàn)象 3皮碗損壞后應可以更換，其缸芯部分則可以繼續(xù)使用4皮碗唇部形狀應有利于自封。活塞桿的設計及其密封 活塞桿是用來把十字滑塊傳來的作用力傳遞給活塞，它制成整體式結構?；钊麠U由40Gr鋼制成，它的密封放在單獨的殼體內(nèi)，有彈性的唇型密封圈組成，并永鋼鐵套筒和帶兩個雙頭螺栓得法蘭壓緊。缸套設計及密封 缸套用45號鋼制成，正火處理后的硬度為HB200-270，內(nèi)孔表面淬火硬度為HRC50-60，淬火表層厚度為1.2~1.7mm。采用聚酰胺擋圈和有自封性的唇形橡膠對缸套進行密封。采用鋼球閥，原因是閥球和閥座直接靠近金屬面密封，密封接觸面小可以避免液體中的固體顆粒楔入密封面，它在啟動中伴有旋轉(zhuǎn)運動，球面磨損均勻，流道圓滑，液流阻力小，便于制造，互換性強、拆裝方便，便于清洗。閥座又5Gr鋼制成，整體淬火，淬硬層厚度為2-4mm。表面硬度HRC50-55以上，鋼球材由合金鋼制成。 整體設計：動力端的曲軸上裝三根相同連桿，連桿與十字頭用十字頭銷軸連接。十字頭的另一端通過絲扣于活塞桿連接?；钊麠U通過兩層密封圈后進入缸套。曲軸箱內(nèi)的傳動軸上裝一對雙聯(lián)齒輪，可分別與曲軸上的大小齒輪箱嚙合，得兩組不同的速度，從而擴大泵的變量范圍。泵頭體與缸套做成分離件，鋼制缸套裸露于外，用八根長螺栓把缸套緊固于泵頭與曲軸箱之間，在曲軸上有導正套是缸套定位。泵頭端用定位臺階和尼龍墊片，以保證泵頭缸套及曲軸箱三者之間在同一中心線上并使泵頭接觸處密封。泵頭的閥門結構為直通式，泵頭的進水，拍水通道為三缸所共有，分別安裝在泵頭的上面和下面。每個通道兩端結構相同，可以在任一端接進水管和排水管接頭，而另一端接注水杯已備急用。排水通道的另一端裝安全閥等件。泵頭內(nèi)裝六個尺寸相同的閥座，用40Gr鋼制成，壓裝在泵頭體上。閥座帶四個導向爪，并裝有鋼球閥。缸蓋帶的短軸頭限制吸入閥的升程，排出閥的升程有泵頭體上的閥蓋限制。采用橡膠件皮碗，與活塞座及壓蓋一起裝在活塞趕上，橡膠活塞的直徑稍大于缸套直徑，產(chǎn)生密封。曲軸箱內(nèi)采用飛濺潤滑，油面采用量油尺測量，油箱底部安放油螺塞，曲軸箱蓋為ZL103鑄鋁合金制造。 關鍵技術難題：往復式泵的易損件及影響其壽命的主要因素 鉆井泵工作條件惡劣，是鉆探設備中的一個薄弱環(huán)節(jié)。在實際生產(chǎn)活動中，因為泵出事故或損壞而停鉆幾乎每天可以遇到。研究易損件的破壞機理及其壽命的影響因素，從而提高易損件壽命和工作可靠性，對于減少人力、物力消耗、提高鉆進效率、降低成本有十分重要的意義。這對鉆探設備的設計來說也是一個關鍵問題，因而給我此次設計帶來了一定困難，首先要知道易損件。往復式泵易損件主要包括缸套、活塞(或柱塞及其盤根)、閥和閥座、活塞桿及其盤根等。都是往復運動件及其密封摩擦副的對磨零件，它們有兩個共同特點：一是對磨零件是彈性體，它可以變形；二是在工作過程中承受著一定的壓力差。因此它與兩個剛性零件形成的摩擦副不同，其摩擦和磨損規(guī)律的研究更困難。易損件的結構、加工制造質(zhì)量與裝配公差；材料性能；摩擦副的潤滑；泵所輸送介質(zhì)的排量，壓力，溫度，化學性質(zhì)，介質(zhì)中所含磨礪性顆粒的性質(zhì)，形狀，大小，多少；維修，保養(yǎng)，包裝，運輸及儲存等工作性質(zhì)的好壞等都是影響易損件壽命的主要因素，因此設計時要特別注意。 往復式泵通過曲柄連桿機構將原動機的等速回轉(zhuǎn)運動變?yōu)榛钊耐鶑椭本€運動，并通過活塞將原動機的能量傳遞給液體。往復式泵活塞運動速度不是定值，而是每一瞬時都在變化，這會使泵產(chǎn)生流量不均勻現(xiàn)象，對于三缸單作用泵，其曲柄互成120度夾角。曲柄回轉(zhuǎn)一周，三個液缸各排出液體一次，故流量變化曲線圖上有三條近似正弦曲線。泵的瞬時流量應是各條曲線在同一時刻的縱坐標數(shù)值之和， 三缸單作用泵瞬時排量曲線 往復式泵的流量不均勻度過大，給鉆探工作帶很多不良影響，如使沖洗液攜帶巖粉的能力降低，容易造成埋鉆、糊鉆等事故；會導致液流壓力波動增大，從而引起孔壁坍塌或嚴重漏失； 造成吸入系統(tǒng)內(nèi)液流慣性增大，使吸入性能變壞，使液缸內(nèi)出現(xiàn)強烈的沖擊現(xiàn)象，還可能形成排出系統(tǒng)發(fā)生振動，降低泵及其附件的使用壽命；當給渦輪鉆具、螺桿鉆具等提供動力介質(zhì)時，沖洗液流量的波動會使鉆具運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，時快時慢，還使得原動機功率的無謂消耗增加等。設計泵體時要對流量產(chǎn)生的影響注意。 技術路線：綜合運用工程圖學、理論力學、流體力學等知識分析計算要求的特性參數(shù)，采用現(xiàn)代工程分析設計軟件ADAMS對設計的曲軸箱，液力端進行仿真分析驗證。 參考文獻 [1]成大先。 機械設計手冊。北京：化學工業(yè)出版社，2002 [2]楊惠民。 鉆探設備。北京：地質(zhì)出版社，1998 [3]馮德強。 鉆機設計。武漢：中國地質(zhì)大學出版社，1993 [4]趙貴祥。 鉆探液壓技術。北京：煤炭工業(yè)出版社，1985 [5]張連山。我國鉆井泵技術發(fā)展方發(fā)展方向。石油機械，1988，16（2）:5~7 [6]沈?qū)W海。 鉆井往復泵原理與設計。北京：機械工業(yè)出版社，1990