【047】7BW-100型泥漿泵曲軸箱與液力端特性分析、設(shè)計(jì),047,bw,泥漿泵,曲軸,液力端,特性,分析,設(shè)計(jì) 專業(yè)文獻(xiàn)閱讀報(bào)告 專業(yè)文獻(xiàn)閱讀報(bào)告 鉆探工程廣泛地應(yīng)用于金屬與非金屬礦床，地質(zhì)勘探，水文地質(zhì)勘探與水井鉆鑿，工程地質(zhì)勘查與施工，石油天然氣和地質(zhì)勘探與開發(fā)、礦山開采等各個(gè)方面。由于使用條件不同則需要采用不同類型的鉆探設(shè)備。所謂鉆探設(shè)備是指完成一個(gè)鉆孔所必需的一切地面設(shè)備，動力裝置及其他技術(shù)設(shè)備的總稱。在一個(gè)鉆探機(jī)組，一般包括鉆機(jī) 動力機(jī)和傳動裝置以及與之配套的鉆塔，擰管機(jī)等 幾十年來，隨著鉆探方法和工藝的發(fā)展，鉆探設(shè)備有了很大的進(jìn)步。巖心鉆機(jī)經(jīng)歷了機(jī)械手把式、機(jī)械廠動液壓給進(jìn)式和全壓液動頭式三個(gè)發(fā)展階段 ；工程鉆機(jī)、水文水井鉆機(jī)也單一的機(jī)械沖擊式鉆機(jī)，發(fā)展為振動式鉆機(jī)、螺旋鉆機(jī)及機(jī)械或液壓的 “沖擊—回轉(zhuǎn)” ，“沖擊—振動—回轉(zhuǎn)”的復(fù)合式鉆機(jī)。在外觀上、結(jié)構(gòu)上、技術(shù)參數(shù)及性能方面都發(fā)生了重大變化，且已形成了比較完整的系列。與鉆機(jī)配套的鉆井泵，便量范圍增大，變量方式增大多；由于往復(fù)式鉆井泵向高速短行程發(fā)展，泵的自重和體積減小 ；由于廣泛采用三缸但作用泵，泵的排量和壓力更加穩(wěn)定。近幾年陸續(xù)研制了多種螺桿泵，結(jié)構(gòu)簡單、流量穩(wěn)定、輕便可靠 ，已應(yīng)用于實(shí)際鉆探工作。鉆塔用塔架由大斷面四角塔，向小斷面的A型塔以及各種類型的輕便塔桅發(fā)展，在結(jié)構(gòu)上、運(yùn)移性能上得到較大改善，自重減輕 。 在鉆探設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算方面，由于零件逐漸標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，設(shè)計(jì)周期縮短、互換性能改善、經(jīng)濟(jì)效益提高；由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì) 、可靠性設(shè)計(jì)以及有限元分析等方面的應(yīng)用，鉆探設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算方法已開始由傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法向現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變，在以最短的時(shí)間、最少的材料消耗、最低的成本設(shè)計(jì)研制出輕便可靠、安全高效的設(shè)備方面取得了明顯的成效。 鉆探設(shè)備的組成 1． 鉆機(jī) 是進(jìn)行鉆探工作的主要設(shè)備。它的功能一般包括兩個(gè)方面：帶動鉆具向底層深部鉆進(jìn)；通過升降機(jī)起，下鉆具。也就是說，鉆機(jī)是完成鉆進(jìn)工序和起下鉆工序的主要設(shè)備。 2，泥漿泵及泥漿制備，凈化設(shè)備 泥漿泵向孔內(nèi)輸送沖洗液以清洗孔底，冷卻鉆頭和潤滑鉆具。在使用液動沖擊鉆具時(shí)，泥漿泵還能作為能源裝置。 泥漿攪拌機(jī)用于制備泥漿及其他類型的沖洗液。 泥漿凈化設(shè)備 包括震動篩和泥漿旋流除沙器。 3．鉆塔 用于升降鉆具的構(gòu)筑物。 鉆探設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r 鑿井技術(shù)是我國古代的偉大發(fā)明之一。早在秦代就用鉆井方法開采井鹽。而近代巖芯鉆探是由歐美傳入的。有日本的利根鉆機(jī)，美國的沙利文鉆機(jī)和荷蘭的班加鉆等。 就巖芯鉆探設(shè)備而言，建國50多年來，大致可分為三個(gè)階段 第一階段：50年代 ，引進(jìn)和仿制手把鉆機(jī)時(shí)代階段 第二階段：60年代， 自行設(shè)計(jì)和制造液壓立軸及液壓轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)階段。XU-100鉆機(jī)是我國第一臺自己設(shè)計(jì)制造的液壓立軸式鉆機(jī)。在此時(shí)期還設(shè)計(jì)制造了XJ-100，XU-30，BW250/50柱塞式三缸單作用泥漿泵以及四腳金屬鉆塔。從而使我國的巖芯鉆探設(shè)備進(jìn)入了自行設(shè)計(jì)和制造的新階段。 第三階段：70年代以后，設(shè)計(jì)制造高速金剛石鉆機(jī)及其配套的泥漿泵，水文地質(zhì)和水井鉆機(jī)及其配套的泥漿泵，工程地質(zhì)勘查鉆機(jī)及工程施工鉆機(jī)。這一階段，鉆探設(shè)備設(shè)計(jì)與制造事業(yè)蓬勃發(fā)展，并已經(jīng)形成了具有我國特色的系列產(chǎn)品，完全能夠滿足國內(nèi)現(xiàn)階段鉆探工作的需要。 泵的分類 泵是通過一定方式把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w能量的一類機(jī)械。由于能量轉(zhuǎn)化方式的不同可以分為不同類型。 靠密閉容腔容積變化進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的稱為容積式泵(又稱靜力式泵)。這類泵根據(jù)容 積變化的方式不同，又可分為兩類，一類靠活塞(或柱塞)等的往復(fù)運(yùn)動改變?nèi)萸蝗莘e大 小的，稱為往復(fù)式泵，如活塞泵、柱塞泵、隔膜泵等；另一類靠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動件改變?nèi)萸蝗莘e 大小的，稱為回轉(zhuǎn)式泵，如螺桿泵、齒輪泵等。 靠旋轉(zhuǎn)葉輪進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的稱為葉片式泵(又稱動力式泵)，如離心泵、軸流泵等。 靠其它方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的泵有電磁泵、水錘泵、噴射泵等。 鉆探用泵是鉆探設(shè)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(biāo)準(zhǔn)定為泥漿泵，泵的形式定為往復(fù)式泵。在鉆探施工中，泥漿泵擔(dān)負(fù)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)?；钊客鶑?fù)一次完成一次吸入和一次排出過程的泵稱為單作用往復(fù)泵，活塞每往復(fù)一次完成兩次吸入和兩次排出過程的泵稱為雙作用往復(fù)泵。 鉆探工作對鉆井泵性能的要求 1.鉆井泵的排量要能簡便、迅速地在較大范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，最好能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。 2.鉆井泵的排出壓力也要能在較大范圍進(jìn)行調(diào)節(jié) 3.當(dāng)根據(jù)鉆進(jìn)工藝規(guī)程將泵量調(diào)定以后，它不能隨泵的排出壓力的變化而發(fā)生變化。 4.工作可靠、易損件壽命長、便于維修保養(yǎng)。 5.要能適應(yīng)不利條件下的工作。 6.運(yùn)移性要好 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(fù)運(yùn)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(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的。 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(fù)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(jī)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(shí)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(fù)運(yùn)動，十字頭通過與它相連的活塞桿5帶動活塞4作往復(fù)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)容腔3的容積有規(guī)律地變化。 當(dāng)活塞由泵缸的左端位置(左死點(diǎn))向右方移動時(shí)，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(fù)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(jìn)入泵缸，擠開吸入閥進(jìn)入泵缸，直到活塞移至最右邊位置(右死點(diǎn))為止。這一工作過程稱為泵的吸入過程． 當(dāng)活塞到達(dá)右死點(diǎn)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(guān)閉，活塞向左方(向液力端)移動，這時(shí)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(jìn)入排出管道，這—過程稱為泵的排出過程?；钊谝淮瓮鶑?fù)過程中，此單作用泵吸入和排出液體一次，活塞不斷循環(huán)往復(fù)運(yùn)動使液以體不斷吸入和排出。 往復(fù)式泵的基本結(jié)構(gòu) 往復(fù)泵由動力段和液力端兩大部分組成。動力端的功能，是將動力機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊?或柱塞)的直線往復(fù)運(yùn)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(jié)構(gòu)型式，決定著泵的驅(qū)動方案及結(jié)構(gòu)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。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(fù)運(yùn)動形成液缸容腔變化，完成能量轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)吸入和排出液體。 此泵曲軸箱由兩極齒輪變速機(jī)構(gòu)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成。曲軸箱的輸入軸和輸出軸通過牙鉗聯(lián)軸器 對接傳動。當(dāng)曲軸箱的輸入軸上的雙聯(lián)變速齒輪分別和曲軸上的對應(yīng)齒輪相嚙合，曲軸可得到快慢兩級轉(zhuǎn)速。加上變速箱的四級變速。曲軸上總共可獲得8級轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)8級變速。液力端屬于直通式結(jié)構(gòu)，便于制造，裝配精度高。 住復(fù)式鉆井泵的流量及其變化規(guī)律 1．曲柄連桿機(jī)構(gòu)及活塞的運(yùn)動規(guī)律 往復(fù)式泵通常都是通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)將原動機(jī)的等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)榛钊耐鶑?fù)直線運(yùn)動，并通過活塞將原動機(jī)的能量傳遞給液體。由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特點(diǎn)，決定了活塞 的運(yùn)動是遵循著一定規(guī)律而變化的，這種規(guī)律又決定著液體在缸內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律。因此研究 流量的變化規(guī)律首先要研究活塞的位移、速度、加速度的變化規(guī)律。 曲柄連桿機(jī)構(gòu)與活塞的運(yùn)動情況如 圖1—2所示。若曲柄回轉(zhuǎn)中活塞 中心線位于同一個(gè)水平面內(nèi)，以塞 在泵缸左端終點(diǎn)位置為坐標(biāo)原點(diǎn) 此時(shí)圖中A、4角均等于零。當(dāng)曲柄 順時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，則活塞自左向右運(yùn)動， 其運(yùn)動距離為， 圖1-2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)與活塞運(yùn)動情況示意圖 上式按牛頓二項(xiàng)式展開，可得： 往復(fù)式泵活塞運(yùn)動速度u不是定值，而是每一瞬時(shí)都在變化，而且是近似按正弦規(guī)律變化；從上式可知，活塞運(yùn)動加速度a也是在變化的，它在往復(fù)運(yùn)動過程中，近似按余弦規(guī)律變化。以單杠泵為例，它在排出液體過程中，活塞自某時(shí)刻t起，經(jīng)過時(shí)間，活塞移動距離為，則在t時(shí)刻泵的瞬時(shí)排量為： 式中 S—活塞沖程，為曲柄半徑的2倍。 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(gè)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(shí)流量應(yīng)是各條曲線在同一時(shí)刻的縱坐標(biāo)數(shù)值之和， 三缸單作用泵瞬時(shí)排量曲線 活塞的運(yùn)動規(guī)律決定了瞬時(shí)流量的變化規(guī)律。不同缸數(shù)的往復(fù)式泵，其瞬時(shí)流量的變化范圍不同，產(chǎn)生流量不均勻 。 往復(fù)式泵的流量不均勻度過大，將給鉆探工作帶來以下不良影響： 1．使沖洗液攜帶巖粉的能力降低，容易造成埋鉆、糊鉆等事故； 2．會導(dǎo)致液流壓力波動增大，從而引起孔壁坍塌或嚴(yán)重漏失； 3．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(qiáng)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； 4．當(dāng)給渦輪鉆具、螺桿鉆具等提供動力介質(zhì)時(shí)，沖洗液流量的波動會使鉆具運(yùn)轉(zhuǎn)不 平穩(wěn)，時(shí)快時(shí)慢，還使得原動機(jī)功率的無謂消耗增加 往復(fù)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(shè)備中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。在實(shí)際生產(chǎn)活動中，因?yàn)楸贸鍪鹿驶驌p壞而停鉆幾乎每天可以遇到。在石油鉆井中曾有人作過統(tǒng)計(jì)：當(dāng)鉆身為2500M時(shí)，有28．4％的每天支出費(fèi)用花在鉆井泵上，有49.3％的鉆井沒備修理工時(shí)是用在修理鉆井泵上。而鉆井泵的事故絕大多數(shù)是由于易損件損壞造成的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，蘇聯(lián)1970年鉆井總進(jìn)尺 為1382萬米，而消耗缸套達(dá)89200件、活塞175000件、閥238000套。勝利油田1972年73臺鉆機(jī)統(tǒng)計(jì)，鉆井泵7項(xiàng)易損件總消耗157萬元，其中閥58萬元、活塞27萬元、缸套30萬元、拉桿及盤根等42萬元。由此可見：研究易損件的破壞機(jī)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(jìn)效率、降低成本有十分重要的意義。這對鉆探設(shè)備的設(shè)計(jì)來說也是一個(gè)關(guān)鍵問題。 實(shí)踐表明：對于不同型式的鉆井泵即使同一種易損件其使用壽命也不相同，就是同一臺泵、同一種易損件，經(jīng)過改進(jìn)與未經(jīng)改進(jìn)的壽命也不相同。這就說明，在充分認(rèn)識各種因素對易損件壽命的影響之后，經(jīng)過結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及加工工藝方面的改進(jìn)，易損件的壽命是可以提高的。 往復(fù)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(fù)運(yùn)動件及其密封摩擦副的對磨零件，它們有兩個(gè)共同特點(diǎn)：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(gè)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。 往復(fù)式泵易損件的磨損，一般又分為正常磨損和非正常磨損。 易損件的結(jié)構(gòu)、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(xué)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(yùn)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。 設(shè)備維護(hù)的目的和要求 1．設(shè)備維護(hù)的目的 設(shè)備維護(hù)的目的是保證設(shè)備經(jīng)常處于良好的技術(shù)狀態(tài)，延緩設(shè)備性能退化速度 設(shè)備事故少，減少停工損失；又能降低維修工作量，減少維修費(fèi)用。 2．設(shè)備維護(hù)的八字要求 1)整齊 設(shè)備零、部件及安全防護(hù)裝置齊全， 2)清潔 設(shè)備內(nèi)外清潔，動導(dǎo)軌面無損傷。 3)潤滑 按“潤滑五定”要求進(jìn)行潤滑，潤滑裝置齊全，完好，油位顯示清晰，油路暢通，油壓符合要求。 4)安全 合理使用，精心維護(hù)，設(shè)備經(jīng)常處于良好技術(shù)狀態(tài)；嚴(yán)格執(zhí)行定人定機(jī)和交接班制度并作好運(yùn)行維護(hù)記錄。 通過對有關(guān)泥漿泵方面書籍文獻(xiàn)的閱讀使我對所設(shè)計(jì)的泥漿泵有一定的了解和認(rèn)識，為 我設(shè)計(jì)和繪制泥漿泵奠定了基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) [1]成大先。 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002 [2]楊惠民。 鉆探設(shè)備。北京：地質(zhì)出版社，1998 [3]馮德強(qiáng)。 鉆機(jī)設(shè)計(jì)。武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1993 [4]趙貴祥。 鉆探液壓技術(shù)。北京：煤炭工業(yè)出版社，1985 [5]杜巧連。 液壓缸密封圈使用中的問題及解決辦法。礦山機(jī)械，1999。4，34 場機(jī)械，2006，35（1）：5~9 [6]高文凱，鐘功祥，彭代清，梁政，趙俊。 往復(fù)泵自動球閥數(shù)學(xué)建模及計(jì)算。石油礦場機(jī)械，2006，35（1）：5~9 [7]顏剛，段現(xiàn)軍，谷尤勇，楊斌。鉆井設(shè)備軸承失效形式及原因分析與判別。 石油礦場機(jī)械，2006，35（2）：96~97 [8]陳寧生，王全斌，常柃。泥漿泵陶瓷缸套推廣應(yīng)用的可行性分析和試驗(yàn)。石油礦場機(jī)械，2006，35（4）：114~115 [9]沈?qū)W海。 鉆井往復(fù)泵原理與設(shè)計(jì)。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990 [10]李志繼，陳榮振。石油鉆采設(shè)備及工藝概論。石油大學(xué)出版社，1992 [11]萬邦烈，李志繼。石油礦場水力機(jī)械。北京：石油工業(yè)出版社，1990 [12]稽彭年。鉆井機(jī)械。北京：石油工業(yè)出版社，1982 [13]張望良。三缸鉆井泵介桿密封設(shè)計(jì)點(diǎn)滴。石油礦場機(jī)械，1997，26（3）：14~17 [14]張連山。我國鉆井泵技術(shù)發(fā)展方發(fā)展方向。石油機(jī)械，1988，16（2）:5~7 [15]張玉斌，劉彩玉，王景昌。鉆井泵活塞壽命可靠性研究。石油機(jī)械，1998，29（6）：17~20 [16]J.E. 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