【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) 摘 要 鉆探用泵是鉆探設(shè)備的重要組成部分之一。鉆探用泵主要是洗孔用泵，在我國(guó)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)的作用。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)。 泥漿泵是石油礦場(chǎng)鉆井作業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的性能、結(jié)構(gòu)、可靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性以及使用壽命，直接影響著鉆井質(zhì)量的好壞。泥漿泵是往復(fù)泵的一種。本人所設(shè)計(jì)的泥漿泵是臥式三缸單作用往復(fù)式活塞泵，它是通過活塞部件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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。該臥式三缸單作用泵在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 泥漿泵 ，往復(fù)泵，鉆井 ABSTRACT The drilling pump is one important part of drilling equipment. The drilling pumps are mainly used to wash hole, in our country geology and mining depart- ment proclaimed the standard decides as the mud pump, the form of the pumps designed as the reciprocating pump. In the drilling construction, the mud pump is used to transport the cleaning liquid to the hole, and make it at the hole continual recycling. Also using the mud pump in certain special working procedures to pour matter and cement mortar to the hole. A mud pump is one of the critical equipments for petroleum drilling operations, the performance, structure, reliability, suitability, cost and service life of a mud pump will directly affect the drilling operations. The mud pump is a kind of the reciprocating pump. The pump designed myself is three plunger reciprocating pump, it is through the piston part reciprocal motion, causes the airtight work cavity room volume change, thus forms the pressure of the cavity room in side and outside different, and discharges the energy by the inspiration. The successful development of the pump produces a good profit for our factory, and plays an important active role in oil field development and full use of the resources. Keyword：mud pump , reciprocating pump, drilling. 第一章 緒論 1.1 往復(fù)泵的應(yīng)用與發(fā)展 往復(fù)泵是最早出現(xiàn)的泵類機(jī)械，曾在工業(yè)界廣泛使用。19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，德國(guó)的魏斯特法爾(M.WestPha1)和貝爾格(H. Berg)等人曾對(duì)往復(fù)泵技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究做出了杰出的貢獻(xiàn)。貝爾格的《活塞泵》一書是當(dāng)時(shí)關(guān)于往復(fù)泵原理和設(shè)計(jì)的權(quán)威性著作。這本著作中有關(guān)泵閥運(yùn)動(dòng)的分析和公式，吸入、排出過程中液缸內(nèi)壓力變化的規(guī)律，吸入管中的慣性水頭值計(jì)算等至今仍被引用。但在20世紀(jì)中，后起的離心泵、轉(zhuǎn)子泵等在許多應(yīng)用領(lǐng)域取代了往復(fù)泵。 其主要原因就是它們的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)。受此影響，往復(fù)泵的技術(shù)基礎(chǔ)理論和沒計(jì)、制造技術(shù)的研究發(fā)展工作長(zhǎng)期停滯不前，特別是在基礎(chǔ)理論方面，往復(fù)泵無論是與內(nèi)燃機(jī)、活塞式壓縮機(jī)等往復(fù)式機(jī)械相比，還是與離心系等動(dòng)力式泵相比，其差距都是相當(dāng)大的。 但是，往復(fù)泵所具有的一些性能上的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是其它類型泵無法比擬的。因而它的應(yīng)用也不可被取代。除了上面提到的在泵壓變化的條件下可實(shí)現(xiàn)排量恒定外，還有能在嚴(yán)苛條件下泵送特種介質(zhì)(腐蝕性、磨礪性、高粘度、離密度、高溫等)，效率高，排出壓力高等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了往復(fù)泵將在下列領(lǐng)域保留它的應(yīng)用： (1)在化工廠中用于泵送特種介質(zhì)； (2)用于礦業(yè)生產(chǎn)中輸送煤漿、金屬礦漿等，包括遠(yuǎn)距離輸送作業(yè)； (3)用于石油、天然氣礦場(chǎng)的鉆井、固井、壓裂、注水等作業(yè)； (4)石化、藥品、食品等生產(chǎn)流程中的配料計(jì)量泵； (5)為水壓機(jī)等鍛壓機(jī)提供動(dòng)力的高壓液壓泵。 在以上幾種應(yīng)用場(chǎng)合中，不但所要求的排量、壓力、功率和驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)型式相差甚遠(yuǎn)，而且為適應(yīng)各種不同的特種介質(zhì)和性能要求，泵的液力端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差別很大。從這個(gè)意義上來說，往復(fù)泵在今日已不再是一種“通用機(jī)械”了。 一方面各應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品、工藝規(guī)模的發(fā)展變化，使各類往復(fù)系統(tǒng)更好地適應(yīng)和滿足生產(chǎn)部門的需要；另一方面各類往復(fù)泵之間仍需要相互借鑒和啟發(fā)。 在本世紀(jì)后半葉，由于應(yīng)用往復(fù)泵的資源開發(fā)、石油化工及其它化工、重型機(jī)器制造等工業(yè)部門的發(fā)展需要，往復(fù)泵的基礎(chǔ)理論與研究和新產(chǎn)品開發(fā)工作又受到一定程度的重視。主要研究成果大多以該應(yīng)用領(lǐng)域用泵，如計(jì)量泵、鉆井泥漿泵、化工用泵等專著的形式出現(xiàn)。 針對(duì)往復(fù)雜、制造成本高的特點(diǎn)，要努力提高各類往復(fù)泵的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化水平。模塊化設(shè)計(jì)是一個(gè)方向，即以最少數(shù)量的液力端和傳動(dòng)端的模塊組合成適應(yīng)范圍極廣的變型泵結(jié)構(gòu)夏產(chǎn)品。還可以用同一尺寸的液力端改變材料后適應(yīng)不問的介質(zhì)和壓力，相同的傳動(dòng)端并聯(lián)成不同缸數(shù)的泵，等等。 在提高標(biāo)液化和通用化程度的基礎(chǔ)上：普及CAD／CAM技術(shù)的應(yīng)用，加強(qiáng)可靠性的研究。提高曲軸、缸體、泵殼等復(fù)雜形狀零部件的設(shè)計(jì)、工藝水平，提高軸承、密封件等基礎(chǔ)元件的質(zhì)量，提高裝配工藝水平。還應(yīng)指出，往復(fù)泵多用來泵送特種介質(zhì)，這是它的優(yōu)勢(shì)所在，但由此產(chǎn)生的問題是液力端零件，特別是易損件的壽命較低，因此，重視液力端水力過程機(jī)制的研究及其零件失效原因的研究，提高零件的使用壽命，減少停機(jī)修理時(shí)間，合理安裝與維護(hù)也是進(jìn)一步發(fā)揮往復(fù)泵特長(zhǎng)的重要課題。 1.2 泥漿泵的發(fā)展情況 到目前為止，使用泥漿泵鉆井己有一百多年的歷史。早期的泥漿泵的功能僅在于循環(huán)泥漿、冷卻井底、攜帶巖屑和在井壁形成泥餅。在四十年代末，采用了噴射式鉆井，以及后來的井下動(dòng)力鉆具鉆井，利用高壓泥漿的沖蝕力輔助破碎巖石可以加快鉆井速度，利用泥漿的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)井下渦輪鉆具也可以旋轉(zhuǎn)鉆井，從而擴(kuò)大了泥漿泵的功能和使用范圍。 泥漿泵早期的典型結(jié)構(gòu)是雙缸雙作用泵，這種泵使用時(shí)比較可靠，但是體積和重量都較大，效率低，壓力波動(dòng)大。隨著鉆井井深的增加和套管層次的增多，對(duì)鉆井泵的排量和泵壓提出了愈來愈高的要求。這也導(dǎo)致了泵功率的急劇加大，泵的重量和外形尺寸也隨之增加。為減輕泵重，當(dāng)時(shí)在雙缸泵的設(shè)計(jì)上較大的改進(jìn)是以鋼代鐵和減小泵寬。以鋼帶鐵是用鋼板焊接的泵殼代換鑄鐵泵殼，并將一些零件改用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造;減小泵寬是應(yīng)用大直徑的滾動(dòng)軸承作連桿大端支撐，摒棄懸臂曲拐軸設(shè)計(jì)。這樣，兩缸中心距明顯縮小。這些都是50年代雙缸泵的主要改進(jìn)之處。當(dāng)然，除此之外在細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)上也有不少改進(jìn)。盡管在50-60年代噴射鉆井工藝本身提出了Pa的泵壓要求，但雙缸泵的實(shí)際持續(xù)工作泵壓只能達(dá)到Pa左右。限制泵壓提高的主要因素是活塞橡膠皮碗的壽命。雙缸雙作用泵的活塞是“捂”在缸體里的，冷卻散熱條件極差。盡管沖次不高，但在高壓下由于活塞皮碗與缸套的摩擦，仍將產(chǎn)生100℃上下的溫度:再加上與缸套間的各種磨損作用，皮碗很快老化破裂，不能保證鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行和使用的合理壽命。但這種單向活塞和敞口缸套的結(jié)構(gòu)給吸入帶來了特殊的問題，即三缸泵的吸入過程中，只要缸內(nèi)壓力低于當(dāng)?shù)卮髿鈮?，空氣就可能從活塞背后侵入液缸而破壞正常吸入。所以，在原則上三缸泵應(yīng)配置灌注泵，這也是國(guó)外通常的做法。三缸單作用泥漿泵的優(yōu)點(diǎn)在于體積小、重量輕、效率高、壓力波動(dòng)小，特別適用于鉆井。三缸單作用泥漿泵經(jīng)過三十多年的不斷改進(jìn)和完善，在性能上、結(jié)構(gòu)上、可靠性、適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性等方面，已經(jīng)走向成熟，使用效果也很顯著。 在我國(guó)，第一臺(tái)泵是五十年代誕生的，為雙缸泵。在七十年代，由于鉆井工藝的試驗(yàn)和推廣，引進(jìn)國(guó)外三缸泵及技術(shù)。從此開始了三缸泵的研制工作，它在短短的數(shù)年中取代了雙缸泵，成為提高噴射鉆井水平的關(guān)鍵設(shè)備。 1.3 泥漿泵的作用和特點(diǎn)： 在使用旋轉(zhuǎn)鉆井法鉆石油、天然氣井的作業(yè)中，鉆井往復(fù)泵用于泵送鉆井液—泥漿，使其循環(huán)流動(dòng)進(jìn)行沖井。所以鉆井泵通常被稱為泥漿泵。按其工作重要性，又被比擬為“鉆機(jī)的心臟”。 泥漿循環(huán)是旋轉(zhuǎn)鉆井過程中的關(guān)鍵作業(yè)，主要有以下作用: 1、清除井底的巖屑并將其經(jīng)由環(huán)形空間攜至地面； 2、在井壁上造泥餅，防止井壁坍塌； 3、平衡或控制已鉆開的井段中的油、氣、水層壓力，防止井噴； 4、處理井下復(fù)雜情況。如遇裂縫地層時(shí)泵入堵漏材料，遇卡鉆時(shí)泵入原 油、柴油解卡等。 5、冷卻鉆頭，潤(rùn)滑旋轉(zhuǎn)的鉆柱。 與目前在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用較廣泛的其他往復(fù)泵相比，地質(zhì)鉆探用泥漿泵的作業(yè)條件有所不同，主要有以下幾個(gè)方面: 1、 排量和功率大。在機(jī)動(dòng)往復(fù)泵中，常用的化工用泵、計(jì)量泵、高壓液 壓泵等的排量為2-20L/s，功率至多550kw。鉆井中為保證泥漿在環(huán)形空間中有足夠的上返速度和鉆頭上有足夠的壓力降，一般要求鉆井泵單泵有30-50L/s的排量;而功率最大的鉆井泵已達(dá)1481kw。 2、 鉆井泵持續(xù)工作于野外，并經(jīng)常移運(yùn)。安裝時(shí)不可能配有講究的基礎(chǔ)。所謂“泵房”最多不過是一架簡(jiǎn)易的頂棚。環(huán)境條件與維護(hù)保養(yǎng)非常差。這種條件不但無法與固定廠房里的泵相比，甚至也不能和固井壓裂泵相比:固井壓裂泵雖然也在井場(chǎng)工作，但可以較穩(wěn)固地安裝在重型汽車上，在野外工作數(shù)小時(shí)后即可駛回基地檢修。 3、 鉆井泵輸送的介質(zhì)是泥漿，其中含有堿、酸、硫化氫等腐蝕成分和細(xì) 小的巖屑及大量未知的雜質(zhì)。因此，鉆井泵液力端的零件在工作時(shí)經(jīng)受介質(zhì)的腐蝕，磨礪和沖蝕。 在上述的基本工作條件工作又為鉆井泥漿泵的設(shè)計(jì)帶來以下的特點(diǎn): 1、沖次低。中、大功率雙缸鉆井泥漿泵的沖次為60-65/min，三缸泵的使用沖次為90-120/min。在機(jī)動(dòng)往復(fù)泵中是最低的。沖次難以提高的首要原因在于鉆井泵的功率和排量很大，且安裝條件又差，故對(duì)對(duì)沖次提高而引起的沖擊、振動(dòng)較為敏感:此外，易損件的壽命和吸入條件也是限制沖次提高的重要因素。 2、鉆井泥漿泵不僅排量大，而且泥漿有一定的粘度。有時(shí)還需在泥漿中混入纖維狀或片、粒狀的堵井漏材料。因此，鉆井泵除要求吸入、排出管線有較大的流道面積外，還要求有相當(dāng)大的閥座孔流道面積和閥升程。鉆井泵的閥座孔流道直徑為100mm左右，閥升程為20mm左右，這比其它種類的往復(fù)泵要大的多。這一特點(diǎn)首先決定了鉆井泵的泵閥開啟、關(guān)閉滯后角較大，一般在10度-20度，這對(duì)容積效率和吸入管中的慣性水頭值有很大的影響。其次，閥盤直徑大，其上受的總液壓力也大。其結(jié)果，一是惡化了面積有限的閥體-閥座接觸面的受載;二是閥體為具有足夠的強(qiáng)度必須做得較厚實(shí)，增大了它的質(zhì)量和慣性，這也是不利于提高泵速的因素之一。 3、外形尺寸大。泵的排量決定于沖次、活塞直徑和沖程長(zhǎng)度，鉆井泵的排量大而沖次低，因而必須加大活塞和加長(zhǎng)沖程。按它的外形尺寸和重量，鉆井泵為往復(fù)泵中的巨型泵。 4、鉆井泵是在環(huán)境條件很差的野外作業(yè)，它的某些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也反映了這一特點(diǎn)。主要一點(diǎn)是在傳動(dòng)端全部采用滾動(dòng)軸承而避免采用由液體潤(rùn)滑的高比壓滑動(dòng)軸承。在曲軸連桿部件中，由于不采用滑動(dòng)軸承，曲軸只能在兩端簡(jiǎn)支，三個(gè)曲軸之間沒有支點(diǎn)。這一方面減弱了曲軸的強(qiáng)度和剛度，另一方面又將泵內(nèi)減速齒輪置于曲柄之間而不是靠近軸承。而在一般減速箱的設(shè)計(jì)中，要求齒輪盡可能靠近軸承，以保證較好的嚙合。 5、由于鉆井泵輸送的介質(zhì)具有腐蝕性和較強(qiáng)的磨礪性,再加上礦場(chǎng)維護(hù)保養(yǎng)條件很差,鉆井泵液力端的易損件壽命比之其它行業(yè)應(yīng)用的往復(fù)泵都要低。 1.4鉆探工作對(duì)鉆井泵性能的要求 鉆探工作隊(duì)鉆井泵的要求主要有以下幾點(diǎn)： 1.鉆井泵的排量要能簡(jiǎn)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(jí)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(zhǎng)、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. 1.5 修井作業(yè)簡(jiǎn)介 在油井自噴或抽油過程中，常會(huì)發(fā)生一些油井或設(shè)備故障，造成油井減產(chǎn)，甚至停產(chǎn)。為了恢復(fù)油井的正常生產(chǎn)，必須采取相應(yīng)的措施，排除故障，有時(shí)，由于井況發(fā)生變化，需要對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行更換，以調(diào)整油井參數(shù)。這種排除故障或調(diào)整油井參數(shù)，恢復(fù)油井正常生產(chǎn)等作業(yè)，稱作修井。所用的一切設(shè)備或工具，稱為修井設(shè)備或工具。破壞油井正常生產(chǎn)的井下故障很多，一般由兩方面原因所引起:一是油井本身故障，如井下砂堵，井內(nèi)嚴(yán)重結(jié)蠟、結(jié)鹽，油層堵死，滲透率降低，油管斷裂、脫扣和滲漏，套管擠扁、斷裂和滲漏等;二是采油設(shè)備本身的故障，如抽油泵游動(dòng)閥磨損或卡死，抽油桿彎曲、斷裂或脫扣等。所有這些故障均可導(dǎo)致油井減產(chǎn)或停產(chǎn)，必須進(jìn)行修井作業(yè)。 修井作業(yè)的內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面: 1、更換抽油桿、油管和深井泵。 2、清除沙堵(撈砂或沖砂)和防砂(造人工井壁等)。 3、清除蠟堵或蠟卡。 4、封堵外來水(上層水或下層水)和本層水，一般可采用擠水泥或下附加 套管然后注水泥的辦法予以隔絕。 5、修補(bǔ)套管。 6、打撈。 7、回采上部或下部生產(chǎn)層. 修井作業(yè)方式可以歸納為三大類: 1、起下作業(yè)。如油管、抽油桿、深井泵等井下設(shè)備及工具的起下，以及抽汲、撈砂、機(jī)械清蠟的起下等 2、液體循環(huán)作業(yè)。如沖砂、熱洗、擠水泥及循環(huán)泥漿等。 3、旋轉(zhuǎn)作業(yè)。如鉆水泥塞，鉆沙堵，以及擴(kuò)孔、重鉆、加深和修補(bǔ)套管等。完成上述作業(yè)的設(shè)備，也基本上分為起下設(shè)備(如通井機(jī)、輕型修井機(jī)等)，沖洗設(shè)備(如洗并機(jī)、水泥車、鍋爐車等)，以及配備有起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)的中型、重型修井機(jī)等。這些設(shè)備大多數(shù)都是由一些與鉆機(jī)相類似的機(jī)組組成。不同的是這些設(shè)備所需的功率相對(duì)較小，機(jī)動(dòng)性較高，一般都固裝于汽車、拖拉機(jī)或拖車上。 1.6 設(shè)計(jì)的提出及設(shè)計(jì)說明書的主要工作 泥漿泵是石油礦場(chǎng)鉆井作業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的性能、結(jié)構(gòu)、可靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性以及使用壽命，直接影響著鉆井質(zhì)量的好壞。本課題的目的就是設(shè)計(jì)出一種能夠滿足生產(chǎn)實(shí)踐要求的泥漿泵，并對(duì)其主要零部件特別是油田作業(yè)時(shí)易產(chǎn)生失效的零部件如曲軸、齒輪等進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度校核。 1.7 本章小結(jié) 本章介紹了泥漿泵的作用和特點(diǎn)、發(fā)展情況以及修井作業(yè)的工作內(nèi)容和作業(yè)方式。提出了設(shè)計(jì)題目及設(shè)計(jì)說明書的主要內(nèi)容，從而為設(shè)計(jì)出BW-100型臥式三缸單作用泥漿泵打下了一定的基礎(chǔ)。 第二章 泥漿泵的運(yùn)動(dòng)機(jī)理 2.1 引言 泥漿泵是地質(zhì)鉆探設(shè)備的心臟，它是固井、壓裂、酸化等作業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它在石油化工、煤氣化工工程、電站、礦山開采、船舶等行業(yè)中也起著重要作用。泥漿泵屬于往復(fù)泵，往復(fù)泵的突出優(yōu)點(diǎn)是:高泵壓，泵壓不隨流量(排量)變化，泵的效率高、并且不隨流量變化，能輸送高粘度、高含砂量及含磨礪性固體顆粒的液體.同其它類型泵相比，往復(fù)泵的缺點(diǎn)是:流量比較小，瞬時(shí)流量和泵壓是脈動(dòng)的，泵的體積大，易損件較多，維修工作量大。 盡管往復(fù)泵有上述不足，但是，這并不意味著往復(fù)泵有全部被其它類型泵所取代的趨勢(shì)。今后往復(fù)泵發(fā)展的趨勢(shì)是:充分發(fā)揮往復(fù)泵配套性強(qiáng)，適應(yīng)介質(zhì)廣泛的優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮往復(fù)泵在流量較小而排出壓力很高時(shí)整機(jī)效率高及運(yùn)轉(zhuǎn)性能好的優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮往復(fù)泵的流量與排出壓力無關(guān)的優(yōu)勢(shì).當(dāng)然，要使往復(fù)泵不斷發(fā)展，不僅要充分發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，而且還要不斷地克服它的缺點(diǎn)。 BW-100型泥漿泵是三缸單作用泵，對(duì)單作用泵來說其工作原理可下圖簡(jiǎn)化說明 圖2—1為單缸單作用泵工作原理示意圖。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。 圖2-1 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 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(dòng)力輸入一端稱為泵的動(dòng)力端。 動(dòng)力機(jī)通過皮帶、皮帶輪、齒輪等傳動(dòng)件帶動(dòng)主軸旋輪，曲柄軸8以角速度。隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)曲柄軸一端相連的連桿7隨著曲柄軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿另—端的十字頭6作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，十字頭通過與它相連的活塞桿5帶動(dòng)活塞4作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)，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。活塞在一次往復(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(dòng)使液以體不斷吸入和排出。由泥漿泵的工作過程可以得出:泥漿泵是一個(gè)往復(fù)泵，它之所以能夠?qū)崿F(xiàn)吸、排液體，是由于活塞在泵頭體內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng).使泵頭體工作腔的容積發(fā)生周期性變化，從而使吸入管產(chǎn)生真空，使排出管壓力升高。由于泥漿泵是借助于工作腔容積變化進(jìn)行吸、排液體的，所以泥漿泵也是一種容積式泵。 2.2 往復(fù)式泵的基本結(jié)構(gòu) 往復(fù)泵由動(dòng)力段和液力端兩大部分組成。動(dòng)力端的功能，是將動(dòng)力機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊?或柱塞)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。它包括傳動(dòng)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(dòng)方案及結(jié)構(gòu)方案的選擇。動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)接傳動(dòng)。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(duì)應(yīng)齒輪相嚙合，曲軸可得到快慢兩級(jí)轉(zhuǎn)速。加上變速箱的四級(jí)變速。曲軸上總共可獲得8級(jí)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)8級(jí)變速。液力端屬于直通式結(jié)構(gòu)，便于制造，裝配精度高。 2.3 住復(fù)式鉆井泵的流量及其變化規(guī)律 2.3.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)及活塞的運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛钊耐鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)，并通過活塞將原動(dòng)機(jī)的能量傳遞給液體。由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，決定了活塞的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)情況如圖2—2所示。 圖2-2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)與活塞運(yùn)動(dòng)情況示意圖 若曲柄回轉(zhuǎn)中活塞中心線位于同一個(gè)水平面內(nèi)，以活塞在泵缸左端終點(diǎn)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)。此時(shí)圖中角，均等于零。當(dāng)曲柄順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則活塞自左向右運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)距離為： （2—1） 式中：L—連桿長(zhǎng)度，m； R—曲軸半徑，m； —曲柄的轉(zhuǎn)角； —連桿的擺角。 當(dāng)活塞自由向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)算式相同，但右邊兩項(xiàng)之間取“—”號(hào)，將值換為的三角函數(shù)表示則應(yīng)為 （2—2） （2—3） (2—4) 上式按牛頓二項(xiàng)式展開，可得： （2—5） 活塞的位移，速度，加速度的近似計(jì)算方程： （2—6） （2—7） （2—8） 往復(fù)式泵活塞運(yùn)動(dòng)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(dòng)加速度a也是在變化的，它在往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(dòng)距離為，則在t時(shí)刻泵的瞬時(shí)排量為： （2—9） 式中 S—活塞沖程，為曲柄半徑的2倍。 對(duì)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，如下圖所示： 圖2-3 三缸單作用泵瞬時(shí)排量曲線 活塞的運(yùn)動(dòng)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 。 2.4 泥漿泵流量不均度 流量不均度是用來衡量往復(fù)泵流量脈動(dòng)程度的指標(biāo)。 （2—10） 式中：—泵的最大瞬時(shí)流量 —泵的最小瞬時(shí)流量 —泵的理論平均流量。 =0.14 （2—11） 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(huì)導(dǎo)致液流壓力波動(dòng)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(dòng)，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(dòng)力介質(zhì)時(shí)，沖洗液流量的波動(dòng)會(huì)使 鉆具運(yùn)轉(zhuǎn)不 平穩(wěn)，時(shí)快時(shí)慢，還使得原動(dòng)機(jī)功率的無謂消耗增加。 2.5 本章小結(jié) 本章主要介紹了泥漿泵的工作原理，分析了活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、泥漿泵的流量曲線和流量不均度對(duì)泥漿泵工作產(chǎn)生的影響，為BW-100型泥漿泵下一步的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ). 第三章 泥漿泵整體及其關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì) 3.1 BW-100型泥漿泵主參數(shù)的確定 主要技術(shù)參數(shù)：（1）曲軸箱變速：2級(jí) （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(dòng)功率：5.5kw （5）缸徑：60mm （6）活塞行程：65mm （7）活塞往復(fù)次數(shù) （r/min）：38、47、57、70、87、106、147、181； （8）驅(qū)動(dòng)方式：電動(dòng)機(jī)離合器 四級(jí)變速箱 曲軸箱（剛性軸傳動(dòng)）。 3.2整體設(shè)計(jì)方案 單作用往復(fù)式泥漿泵，絕大多數(shù)是采用曲柄連桿傳動(dòng)的。本設(shè)計(jì)也采用此 種方案，它由動(dòng)力端和液力端兩大部分組成。 3.2.1動(dòng)力端及其關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和解決方案 動(dòng)力端的功能，是將動(dòng)力機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊?或柱塞)的直線往復(fù)運(yùn) 動(dòng)。它包括傳動(dòng)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(dòng)方案及結(jié)構(gòu)方案的選擇。動(dòng)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(dòng)軸，齒輪副，曲軸，連桿及十字頭滑塊。按離合器的安排形式，動(dòng)力端的結(jié)構(gòu)方案為：利用撥叉式皮帶帶動(dòng)中間裝置上的空轉(zhuǎn)輪和工作輪實(shí)現(xiàn)離合。按曲軸箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方式不同，動(dòng)力端的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)曲軸箱體時(shí)，使內(nèi)部所有零部件安裝、檢修方便；有良好的潤(rùn)滑條件；加工時(shí)應(yīng)保證驅(qū)動(dòng)部分零件之間有精確配合，特別要保證液缸中心距的精度要求。 曲軸 曲軸是泥漿泵的重要部件，本設(shè)計(jì)中傳動(dòng)軸采用曲拐軸形式。如下圖所示： 圖3-1 曲軸 曲拐軸采用球墨鑄鐵制成，三個(gè)曲柄相互相位差為120度，兩端與軸承相配合，中間用螺栓與齒輪箱連接，傳遞力和扭矩。因此曲軸是泥漿泵的重要組成部件 連桿 圖 5-3 連桿 連桿是泥漿泵中重要的連接部件。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。連桿大頭做成剖分式，連桿小頭用鑄鐵制造，顯微組織為均勻回火索氏體，正火處理后硬度已達(dá)到HB230-280.滿足要求。 十字頭 十字頭是起起導(dǎo)向作用的連桿部件，本設(shè)計(jì)采用圓筒式結(jié)構(gòu)，如上圖所示一邊連接連桿，另一邊與活塞桿向連接，它傳遞交變應(yīng)力 圖5-4 十字頭 3.2.2液力端及其關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)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(fù)運(yùn)動(dòng)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。液力端中泵頭體的設(shè)計(jì)：采用具有剖分式泵頭的結(jié)構(gòu)方案，即每一泵缸具有自己?jiǎn)为?dú)的泵頭，再用螺栓連接成整體。這種剖分的單泵頭體，體積小、鑄造容易、檢修方便。根據(jù)閥門箱的布置結(jié)構(gòu)不同，液力端采用直通式結(jié)構(gòu)，這樣吸入閥和排出閥處在同一軸線上，結(jié)構(gòu)緊湊、余隙容積小、質(zhì)量輕。泵的液缸體采用灰鑄鐵鑄造，吸入閥、排出閥之間液流通道要短而直，其內(nèi)徑很小。考慮為減小流道阻力損失，加大拐彎處的圓角，使內(nèi)壁表面光滑。液缸內(nèi)的形狀不利于滯留空氣。吸入、排出閥靠近缸體，減少了水利損失和余隙容積。方案使吸入、排出口便于同吸入、排出管道相連。 活塞 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，只在靠近排出端一側(cè)有唇型密封皮碗，皮碗緊靠在尼龍塑料支撐環(huán)上。且為了避免皮碗與襯圈接觸處產(chǎn)生撕裂或剝落，采用由聚酯與合成橡膠為材料的組合式活塞。如下圖所示： 圖3-5 活塞部件 1．活塞桿 2.活塞座 3.橡膠活塞 4.壓蓋 5. 缸套 6.緊定螺母 活塞是往復(fù)泵一個(gè)重要而又易損壞的部件，采用上述設(shè)計(jì)時(shí)可以收到很好的效果且有以下幾個(gè)特點(diǎn):1此活塞設(shè)計(jì)為可調(diào)部件，當(dāng)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活塞與活塞桿的縮緊裝置牢固可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)松扣現(xiàn)象；3皮碗損壞后應(yīng)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(yīng)有利于自封。活塞桿的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)?；钊麠U由40Gr鋼制成，它的密封放在單獨(dú)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(gè)雙頭螺栓得法蘭壓緊。缸套設(shè)計(jì)及密封：缸套用45號(hào)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(duì)缸套進(jìn)行密封。泵閥采用鋼球閥，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(dòng)中伴有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，球面磨損均勻，流道圓滑，液流阻力小，便于制造，互換性強(qiáng)，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。 3.2.3整體設(shè)計(jì) 動(dòng)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(jìn)入缸套。曲軸箱內(nèi)的傳動(dòng)軸上裝一對(duì)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(kuò)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(zhǎng)螺栓把缸套緊固于泵頭與曲軸箱之間，在曲軸上有導(dǎo)正套是缸套定位。泵頭端用定位臺(tái)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(jié)構(gòu)為直通式，泵頭的進(jìn)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(gè)通道兩端結(jié)構(gòu)相同，可以在任一端接進(jìn)水管和排水管接。泵頭內(nèi)裝六個(gè)尺寸相同的閥座，用40Gr鋼制成，壓裝在泵頭體上。閥座帶四個(gè)導(dǎo)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(rùn)滑，油面采用量油尺測(cè)量，油箱底部安放油螺塞，曲軸箱蓋采用鑄鐵制造。 3.3泥漿泵主要零部件強(qiáng)度校核 3.3.1 曲軸連桿機(jī)構(gòu)的受力分析 在往復(fù)泵中，曲軸連桿機(jī)構(gòu)是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。工作中，作用在曲軸連桿機(jī)構(gòu)上的力有：活塞上的液體壓力;各摩擦部位（活塞與缸套，十字頭與滑套，連桿大小頭的鉸點(diǎn)等）的摩擦力；曲軸連桿機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)部件的慣性力以及曲柄上的旋轉(zhuǎn)力矩，這些力均與曲柄轉(zhuǎn)角有關(guān)。 下圖是單缸作用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力圖： 圖3-6 連桿受力圖 作用在活塞上的力為： （3—1） D-缸套內(nèi)徑m P-一般取泵的排出壓力 總摩擦力為與運(yùn)動(dòng)方向相反，取的10% ～15% =（0.1～0.15）=1582.56N～2373.84N （3—2） 計(jì)算慣性力，首先把曲柄連桿機(jī)構(gòu)的不平衡質(zhì)量換算到往復(fù)運(yùn)動(dòng)的十字頭銷中心和作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的曲軸中心。 連桿的質(zhì)量分成兩部分。一部分集中在十字頭銷中心其質(zhì)量為；另一部分集中在曲柄銷中心，其質(zhì)量為，若連桿的總質(zhì)量為 =+kg （3—3） 這兩部分質(zhì)量的重心應(yīng)和連桿的重心相一致 =（- ） （3—4） —連桿重心到十字頭銷中心的距離； —連桿長(zhǎng)度。 = = =（0.3～0.4）kg = (0.7～0.6) kg 曲軸的質(zhì)量分成三部分。其中不平衡質(zhì)量為和見圖 圖3-7 曲軸不平衡質(zhì)量換算 把和換算到曲柄銷上的質(zhì)量為： =+ kg （3—5） 若活塞組件的總質(zhì)量為，則作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的總質(zhì)量為 =+ kg （3—6） 作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力為： =a =r (+) N （3—7） 換算到曲柄中心的不平衡旋轉(zhuǎn)部分的總質(zhì)量為 =+ （3—8） 作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性力其方向與曲柄半徑的方向相同 =r N （3—9） 次泥漿泵的最高轉(zhuǎn)速為18 r/min小于300r/min，按式1，2 計(jì)算后所得的慣性力很小忽略不計(jì) 作用在十字頭銷上的力P為： P=+ =（1.1～1.13）=（1.1～1.15） （3—10） =0.86～0.9N =（0.86～0.9） =（2889.6～3024）N 把分解為沿連桿方向的力和垂直于液缸軸線的分力 = （3—11） = （3—12） 作用在連桿上的力視角和連桿強(qiáng)度和穩(wěn)定性的主要依據(jù)，力沿連桿傳到曲柄銷上又可以分解為兩個(gè)力：沿曲軸半徑的力和垂直于曲柄的切向力 == （3—13） 切向力和徑向力是校核曲軸強(qiáng)度和剛度的主要依據(jù)當(dāng)時(shí)曲軸的受力最大 ==3024N =-=-3024N M=Tr=302432.5 （3—14） =98.28N 三缸單作用泵的曲柄互成相位差，所以存在一個(gè)液缸排液和兩個(gè)液缸同時(shí)排液的情況 當(dāng)時(shí)只有一個(gè)液缸排液 =98.28N 當(dāng)0和時(shí) 有兩個(gè)液缸同時(shí)排液 第一個(gè)液缸產(chǎn)生的作用在曲軸的力矩為 = （3—15） 第二個(gè)液缸產(chǎn)生的作用在曲軸的力矩為 = = （3—16） =+ （3—17） 當(dāng)=時(shí)， =由和兩式可知，這時(shí)曲軸的力矩最大 ==98.28N 受到的力和也最大 =3024N =-=-3024N 力垂直向上 連桿負(fù)荷 —曲軸的轉(zhuǎn)角 —連桿轉(zhuǎn)角 連桿負(fù)荷用力多邊形計(jì)算 =- =- 將作用在連桿上的力繪成力多邊形 -曲軸半徑 -連桿的長(zhǎng)度 =0.196 由=0 2號(hào)缸處于排出沖程連桿軸承負(fù)荷 = ==15825.6N ==16658.5N 應(yīng)力計(jì)算 銷： =550MPa ==275MPa 剪切應(yīng)力= （3—18） =165MPa V-外拉力 A-銷的有效截面積 V=16658.5N = 3.3.2齒輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核 泥漿泵齒輪組由大齒輪1 ，小齒輪2，雙級(jí)齒輪3，4組成 其中齒輪1與齒輪3嚙合；齒輪2與4嚙合 有動(dòng)力段輸入的軸功率 = -滾動(dòng)軸承效率 -齒輪傳動(dòng)效率 =KW=4.66KW 雙級(jí)齒輪轉(zhuǎn)速 =128r/min 由于要求的曲軸最低轉(zhuǎn)速為38 3.37 曲軸的第2轉(zhuǎn)速為47 r/min =2.7 即=3.37 =2.7 采礦設(shè)備使用壽命長(zhǎng)，選用齒輪材料40，表面淬火，齒面硬度48～55HRC 機(jī)械齒輪傳動(dòng)對(duì)齒輪精度無特別要求，軒齒輪8級(jí)精度。 選=18 ==60.66 取=61 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 因載荷有輕微沖擊=1.5初選載荷系數(shù)=2 =1.55 =0.73 查表得： =0.7 =2.78 =1.56 =2.25 =1.75 查表得： =0.85 =0.88 由表選 =1.25 由圖按齒面硬度均值51HRC，在ML線上查得： =450MPa =306MPa =316MPa =0.0141 =0.0123 取 =0.0141 設(shè)計(jì)齒輪模數(shù) 將確定后的各項(xiàng)數(shù)值代入設(shè)計(jì)公式，求得： =3.8 修正： =0.54m/s 查表得： =3.92 查表，選取第一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) =4mm。 所以齒輪的主要幾何尺寸為： =72mm， =244mm， =158mm =24mm 取=30mm =25mm 4.較核齒面接觸疲勞強(qiáng)度： 查得，=0.88 按不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕，查得：=0.91 按齒面硬度均值51HRC在MQ和ML線中間查出 =1060MPa，取 =1 =1060MPa，取 =1 =932MPa =964MPa 將確定出的各項(xiàng)數(shù)值代入接觸強(qiáng)度較核公式，得： 接觸強(qiáng)度滿足。 齒輪2和齒輪4設(shè)計(jì) =57 =22 =288 =88 =158mm =25mm 取 =25mm =30mm 較核齒面接觸疲勞強(qiáng)度： 查得，=0.88 按不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕，查得：=0.91 按齒面硬度均值51HRC在MQ和ML線中間查出 =1060MPa，取 =1 =1060MPa，取 =1 =932MPa =964MPa 將確定出的各項(xiàng)數(shù)值代入接觸強(qiáng)度較核公式，得： 189.82.50.88=679MPa 接觸強(qiáng)度滿足。 （以上齒輪強(qiáng)度校核參看《機(jī)械設(shè)計(jì)》 譚慶昌 趙洪志主編） 曲拐直徑取60mm,端部直徑為48mm 對(duì)曲軸進(jìn)行校核 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力=185MPa =98.28Nm = （3—19） ==98.28Nm = =3.14=0.00004239=4.24m （3—20） ==2.32 3.3.3 活塞桿校核 對(duì)活塞桿進(jìn)行校核l=100mm r=24mm=750MPa P=1.58N = ==3.5Pa （3—21） 3.3.4花鍵軸校核 花鍵軸校核： 按定心 Z-Ddb=6-403510 矩形花鍵軸抗扭截面系數(shù)經(jīng)查表知=4.77 花鍵齒數(shù)Z=6； b 為鍵齒寬 =195MPa 花鍵軸受扭矩T=3.48Nmm ===73MPa 花鍵軸滿足強(qiáng)度條件 3.4基本結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 缸徑D=60mm； 沖程S=65mm； 缸數(shù)i=3； 往復(fù)次數(shù)n=38.47.57.70.87.106.147.181.（L/min） 3.4.1吸入閥和排出閥孔徑和的確定 在地質(zhì)鉆探用泵實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，考慮到制造和加工方便，以及閥的互換性，常取=，流速一般為3～5m/s Q= d=1.13 d=1.13=20mm ==20mm 3.4.2球閥及其升程確定 鋼球閥選用標(biāo)準(zhǔn)系列d=28mm 球閥升程h的確定 球閥升程最大值0.15d=0.1528=4.2mm （3—22） 因?yàn)殚y蓋限制球閥的升程，所以根據(jù)球閥的最大升程可以確定閥蓋的尺寸和安裝位置。 3.5本章小結(jié) 本章在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)情況的基礎(chǔ)上，確定了BW-100型泥漿泵的主要參數(shù)，對(duì)動(dòng)力端，液力端的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)說明，同時(shí)動(dòng)力端齒輪進(jìn)行了齒面接觸強(qiáng)度，齒根彎曲強(qiáng)度校核，也對(duì)吸入閥和排出閥的孔徑進(jìn)行確定和球閥的選擇。為下一步進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。 第四章 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(dòng)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(tái)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(duì)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(duì)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(duì)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(tái)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(shí)各種因素對(duì)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(dòng)件及其密封摩擦副的對(duì)磨零件，它們有兩個(gè)共同特點(diǎn)：一是對(duì)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。 4.1易損件的磨損 4.1.1 易損件的正常磨損 泥漿泵所輸送的沖洗液中，常常含有大量磨礪性顆粒，又是高達(dá)5-10%，顆粒直徑有的達(dá)到1.5-2.0mm，其微觀硬度達(dá)到180-230。當(dāng)易損件在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，由于壓差的作用楔狀液流夾帶著顆粒侵入摩擦接觸表面，從而使密封件或剛性件產(chǎn)生劃痕或刻槽長(zhǎng)期的結(jié)果，易損件失去正常工作能力。因此易損間正常磨損一般均沿摩擦副零件的圓周形成與往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向一致的溝槽，有的地方還可看到液流沖蝕的痕跡。在摩擦副的彈性零件與剛性零件上溝痕往往凸凹對(duì)應(yīng)。 對(duì)于摩擦副中彈性零件來說，由于摩擦副接觸表面光潔度不理想及磨礪性顆粒的侵入，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦阻力，且隨著工作壓力加大，阻力也增加，部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，是摩擦副零件接觸表面溫度升高，而彈性橡膠的傳熱系數(shù)很低，是熱量集中在橡膠件的表層，從而導(dǎo)致橡膠加速老化，直至喪失彈性不再具有密封性能。 泥漿泵通過曲柄連桿傳動(dòng)，因此活塞在缸套內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度是變化的，沿缸套軸向磨損的程度也不同。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角時(shí)，也即是在缸套的中部，活塞運(yùn)動(dòng)速度最大，在同一摩擦力作用下，此時(shí)消耗的摩擦功最大。因此，這一段缸套的磨損量最大，越接近或賽的左右死點(diǎn)，活塞運(yùn)動(dòng)速度越小，直至為零。從缸套橫截面看因?yàn)樯沉Ｔ谀酀{中的自由下落速度為0.17-2.25m/s ，而泵送泥漿運(yùn)動(dòng)速度為0-0.75m/s，所以沙粒不易處于懸浮狀態(tài)，加上沙粒的密度往往較大，常常沉積到缸套下方，這就形成在曲柄轉(zhuǎn)角處磨損量最大。當(dāng)此處一旦被磨損形成微小間隙，高壓液流則從中刺過，大大加速磨損。 閥和閥座的破壞：大量分析結(jié)果表明，閥的壽命主要取決于閥密封的工作性能，因此閥的損壞報(bào)廢主要由于橡膠密封過早破壞，從而使閥和閥座工作表面出現(xiàn)微小縫隙，這時(shí)帶磨礪性顆粒的高壓液流，從小縫隙刺蝕閥的工作表面，使它破壞。其過程大致可以這樣來描述。當(dāng)泥漿泵工作時(shí)，動(dòng)載荷多次作用在閥上，是磨礪性顆粒牢固的嵌入閥盤和閥座的工作表面，閥盤和閥座的工作表面的金屬層長(zhǎng)生局部塑性變形，結(jié)果形成不同程度的凹痕。在閥盤和閥座再次接觸時(shí)，又有些磨礪性顆粒的對(duì)這已經(jīng)形成的凹痕，使它加深，擴(kuò)大。如此多次重復(fù)的結(jié)果，使有的金屬層表面局部撕裂和彈性剝落，最后造成閥和閥座的破壞據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料說明：由于橡膠密封圈破壞而報(bào)廢的閥盤，占閥盤總報(bào)廢數(shù)的85%，這種原因破壞的閥盤都出現(xiàn)溝槽；由于沖擊動(dòng)載荷作用下磨礪性磨損而破壞的閥座，占閥座報(bào)廢總數(shù)的70% ，這種原因破壞的閥座，工作表面上出現(xiàn)環(huán)形磨痕。 4.1.2易損件的非正常損壞 由于摩擦副中，活塞座，活塞襯套于缸套之間，拉干與盤根套筒之間間隙過大，皮碗或密封唇部在高壓下被擠入間隙內(nèi)，長(zhǎng)期反復(fù)作用的結(jié)果，將皮碗或密封的唇部撕裂。為此活塞采用尼龍襯套，當(dāng)承受高壓時(shí)，尼龍襯套或間隔套將適當(dāng)脹大，使對(duì)磨零件間的間隙縮小，不使皮碗或密封唇部擠入。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(rùn)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(chǔ)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(shè)計(jì)時(shí)要特別注意。 對(duì)泥漿泵來說，泥漿中的沙粒含量是很關(guān)鍵的因素，因此要求吸入泵之前的泥漿需要經(jīng)過很好的凈化處理 4.2泥漿泵的使用與維護(hù) 泥漿泵的正常工作對(duì)整套鉆探設(shè)備的生產(chǎn)效率起著很大的作用。正確維護(hù) 和使用泥漿泵能提高鉆進(jìn)速度和純鉆進(jìn)時(shí)間，保護(hù)孔內(nèi)清潔，并能將井壁坍和 卡鉆事故減至最小。因此我們應(yīng)當(dāng)做好泵的使用，維護(hù)和保養(yǎng)工作。為保護(hù)泥 漿泵的壽命及其正常工作，必須從包裝運(yùn)輸保存開始，直至安裝使用和維護(hù)保 養(yǎng)都精心注意。 4.2.1泥漿泵在開啟前的維護(hù)與保養(yǎng) 泥漿泵必須安裝在穩(wěn)固的基礎(chǔ)之上，必須檢查原動(dòng)機(jī)和泥漿泵皮帶輪軸的平行度及傳動(dòng)皮帶的位置，使它們都在一個(gè)平面內(nèi)，然后用地角螺釘固緊。 為了泵能正常工作，應(yīng)根據(jù)鉆機(jī)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地考慮好回水槽，沉淀池，吸水池及泵的合理安裝位置，應(yīng)盡可能縮短吸入管路和吸入高度。在高山地區(qū)或安裝位置離吸水池過高時(shí)，應(yīng)考慮用輔助吸入系統(tǒng)。 在泥漿泵開動(dòng)前應(yīng)對(duì)泥漿泵系統(tǒng)作全面檢查 首先應(yīng)仔細(xì)檢查往復(fù)式泵動(dòng)力端零部件的緊固情況，配合間隙，潤(rùn)滑狀態(tài)等。應(yīng)特別注意檢查活塞的壓緊螺帽及十字頭與活塞連桿連接是否緊固；連桿軸瓦，十字頭軸套及滑套的配合間隙是否合乎要求；離合器及變速機(jī)構(gòu)是否靈活可靠；軸承及曲軸箱內(nèi)和離合器裝置內(nèi)是否有足夠的潤(rùn)滑油；用手轉(zhuǎn)動(dòng)皮帶輪或電動(dòng)機(jī)，看看轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)內(nèi)部有無障礙,并調(diào)整皮帶輪的松緊程度。 其次對(duì)液力端的整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)作仔細(xì)檢查。應(yīng)特別注意檢查底閥和濾水器的進(jìn)水孔是否被臟物堵塞,底閥應(yīng)開閉自如,關(guān)閉嚴(yán)密.軟管兩端與濾水器及吸入口連接處應(yīng)保證密封；吸水閥運(yùn)動(dòng)是否受到障礙,閥密封是否良好；檢查個(gè)部分密封件是否密封嚴(yán)密,以防漏水漏氣然后要檢查壓力表及緩沖裝置，是否靈敏準(zhǔn)確；把三通閥轉(zhuǎn)向回水位置,是排出能流入泥漿池；打開一個(gè)吸水閥室，向吸入管道注滿水。 4.2.2泥漿泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的適用與維護(hù) 在做完以上工作之后，將離合器手柄放在空轉(zhuǎn)位置上，開動(dòng)原動(dòng)機(jī)，檢查泵的皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否符合要求。在泵空載的情況下合上離合器，操作過程應(yīng)平穩(wěn)稍慢。當(dāng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)情況正常時(shí)，在逐漸關(guān)閉回水閥，以便平穩(wěn)得想