（机械工程专业论文）无液力平衡增压注水泵的研究与结构设计.pdf

北京化1 = 大学1 = 程硕士研究生学位论文 无液力平衡增压注水泵的研究与结构设计 摘要 随着各油田的不断开采，地层压力越来越高，原来的注水系统 管网已经不能适应当前的注水压力，这就需要从新铺设管线，原来 的管线就浪费掉了，为了利用原来的管线，需要采用增压注水泵。 国内油田原来使用的增压注水泵采用的是液力平衡增压注水 泵，而现有的液力平衡增压注水泵存在结构十分复杂，难于维修， 工作十分复杂，使用时必须平衡大小头柱塞的平衡，并且容易引起 注水泵的“发烧”。因此为油田开发一种简单、高效的增压注水泵迫 在眉睫。 通过研究，设计了一种无液力平衡增压注水泵的结构，去掉平 衡管，采用水平直通泵头结构，柱塞采用常规柱塞，不需要大小头 柱塞。 本论文在研究了无液力平衡增压泵的工作原理、结构特点的基 础上，设计研制了无液力平衡增压注水泵，通过改进该泵结构简单， 现场使用简单，维修、维护非常方便。 关键词：液力平衡增压注水泵泵头结构平衡率 北京化工大学工程硕士研究生学位论文 t h es t u d ya n ds t r u c t u r a l d e s i g n i n go nn o n - l i q u i db a l a n c ep r e s s u r e i n c r e a s e ，a t e ri n j e c t i o np u m p a b s t r a c t a tp r e s e n t ，也eq u o n d 锄w a t e ri n j e c t i o ns y s t e mm a n i f o l db a v e n o tb e e ns u i t a b l ef o rt 1 1 ew a t e ri n j e c t i o np r e s s u r eb e c a u s eo ft l ec o n t i n u e d e v e l o p m e n to fe a c ho i l f i e l da i l dt h ef o n l l a t i o np r e s s u r ei sh i g h e ra n d h i g h e r i ft h ep i p e l i n ei sr 印l a c e db yn e wp i p e l i n e ，i ti sp o s s i b l et om a k e a 1 a 唱e w a s t e s o ，t h ep r e s s u r ei n c r e a s ew a t e ri n j e c t i o np u m pi s s u g g e s t e dt ou s ei nw a t e ri n j e c t i o ns t a _ t i o ni no r d e rt o u s eq u o n d 锄 p i p e l i n e b u tt h el i q u 试b a l a i l c ew a t e r 删e c t i o np u m pi su s e dt ob e i n s t a l l e di nc h i n e s eo i l f i e l d ，t h e r ea r es o m ed i s a d v a n t a g et ou s el i q u i d b a l a n c ep u m p ，s u c ha sc o m p i i c a t e ds t m c t u r et om a i n t e n a n c ea n de a s yt o m a k ep u m po v e rt e m p e r a t u r e s o ，i ti sn e c e s s 哪rt os t u d ya n dd e s i g na k i n do fs i m p l ea n dh i g he f f i c i e n c yp r e s s u r ei n c r e a s ep u m p f o ro i l f i e l d ak i n do fw a t e ri n j e c t i o np u m pi sd e s i g n e dw h i c hh a v et h e s p e c i a ls t i _ u c t u r et oa c h i e v en o n - l i q u i db a l a j l c ei n1 i q u i de n d t h a ti s ， b a l a n c ep i p ei sd e l e t e d ，a n dh o r i z o n t a li n t e g r a ll i q u i de n di sa d o p t e dt h e t w oe n d so fp l u n g e ri st h es a m ed i a m e t e r 北京化工大学工程硕十研究生学位论义 i nm i sp 印e r ，a tt h eb a s i co fs t u d y i n gw o r kp r i n c i p l ea n d s t m c t u r a lc h a r a c t e r s ， d e s i g nm en o n - l i q u i dp r e s s u r e i n c r e a s ew a t e r i n j e c t i o np u m p ，a n dm a n u f a c t u r et h es a m p l ep u m pt ou s ei no i l 疗e l d ，i ti s p r o v e dm a tt h i sk i n do fp u m pi se a s yt oo p e r a t i o n a n dc o n v e n i e n t m a i n t e n a i l c e k e yw o r d ： l i q u i db a l a n c e ，p r e s s u r ei n c r e a s ew a t e ri n j e c t i o np u m p ， s t m c t u r eo f l i q u i de n d ， b a l a n c er a t i o 北京化工大学工程硕士研究生学位论文 柱塞每分钟往复次数，s p m 阀座孔最大瞬时流速，m l n s “ 泵的排压p ：和吸入压力p 之差，m p a 材料的允许比压，m p a 柱塞最小截面面积，m m 许用应力，m p a 填料的径向厚度，m m 每联往复运动部分质量，k g s2 m “ 柱塞、十字头挺杆、十字头部件质量，k g s 2 m 转化成往复泵运动质量系数 连杆质量，k g s 2 m 。 最大柱塞力 泵的最大排出压力，m p a 连杆比 曲柄角速度 转化到曲柄销中心的曲拐不平衡质量，堙 不平衡的旋转运动质量，堙 曲柄半径，n l n l 不平衡旋转质量到主轴颈的距离，m m 曲柄厚度，m m 曲柄销长度，m m 两曲柄销中心距，即泵头中心距，m m 曲柄两侧台肩厚度，m m 杆体中间截面尺寸的当量直径，m m n ) ， y “ 。 甜 啼 厂 陆 眠 七 风 丑 甜 。 o ， 三 d 。 以 北京化t 大学= _ 【_ _ 程硕十研究生学位论文 e 杆体中截面的压缩应力，m p a 杆体中截面面积，m p a 垂直于连杆摆动平面( z x 平面) 内的弯曲应力，m p a 杆体中截面对x 轴的惯性矩，m i l l 4 杆体中截面对y 轴的惯性矩，m m 4 与材料性能有关的系数，对常用连杆可取c 。 0 0 0 1 5 0 0 0 5 连杆材料的弹性模量，m p a q 厶 以 以： 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：筮查：! 型!日期：翌竺! 墨望兰! 北京化工大学工程硕 ：铆f 究生学位论文 1 1 题目来源 第一章前言 目前油田注水、压裂和酸化等是提高油层产量和采收率的重要措施，我国各 油田都广泛采用，并取得明显效果。国内油田开采逐步进入后期开采，开采的 注水区块越来越多，地层压力也不断增大，开采难度越来越大，如果完全更换新 的输送管线，这笔费用相当巨大，通过在原来的输送管线上通过增加增压泵来打 接力，提高注水压力，这样既可以利用原来的管线，节约基建投资，而且可以节 约相当大的能源，避免了将原来管线的水压力释放掉，造成相当大的浪费。n 1 现在许多区块都逐步采用增压注水泵这种形式进行接力注水，但目前我们国 家使用的增压注水泵都采用我厂原来设计的液力平衡式注水泵，这种液力平衡式 增压注水泵在使用初期确实起到了节约基建投资，及节能的效果，但是由于其结 构复杂，设计、制造和维修都十分困难，其中的部分部件由于固有的结构因素影 响，寿命极其短，使得后期维护成本大大增加，原来各采油厂使用这种液力平衡 增压泵数量少，维修维护基本还可以应付，但随着这几年国际油价不断上涨，各 油田采油厂不断开发新的区块，其中使用了大量的液力平衡增压泵来增加油的产 量，这就造成各采油厂维护困难，而且也增加了不少采油成本，用户对此颇有意 见，因此研制一种新型的增压注水泵，来降低采油成本，降低维修成本，减少制 造成本，成为迫在眉睫的事。 国外也有关于注水泵的许多研究，其中锅炉喂水泵“，离心泵“”1 ，隔膜泵池1 、 真空泵、泥浆泵州、轴流泵3 ”1 、各种容积泵2 13 哺1 2 ”3 ”3 ，但其中增压注水 泵研究的很少。 经过中成公司有关专家多方论证，决定研究开发一种新型增压注水泵来解决 目前老式液力平衡增压注水泵存在的问题，从而实现低成本、高效节能。 1 2 研究领域的历史、现状和前沿发展情况分析 往复泵是泵类产品中出现最早的一种，至今已有2 1 0 0 多年的历史。在旋转 北京化工夫学工程硕 一研究生学位论文 目前国外生产高压注水泵主要有美国、德国、日本、英国、俄罗斯、意 大利等国家，其中以美国和德国的产品技术水平和系列化程度为最高”“”3 。本 文所提到的增压注水泵就是是往复泵的一种，液力平衡增压泵设计于9 0 年初期， 到9 0 年代中期才在国内开始较为广泛的应用，国外由于很少向国内这样大批量 的注水，关于增压注水泵的资料基本没有，而国内宁波也研制过此类增压注水泵， 但由于无法解决泵体发热问题、液力端承载不够等因素，没有研制成功，目前采 油厂使用的增压注水泵仍然是液力平衡增压注水泵，这种老式增压泵带有一套平 衡管装置，柱塞具有大小头结构，泵在运转前需要严格的确定进出口的压力，通 过计算进出口的压差及平衡率，来确定现场应用的柱塞大小头尺寸，期间如果底 层压力变化过大，很容易造成液力端柱塞受力不平衡，使得泵体动力端承受力量 过大，往往导致烧泵，而现场工人真正能够懂得计算的很少，因此往往造成很大 的人力和物力浪费，维修工人也不愿意维修。 1 3 本文主要研究内容 目前用的增压注水泵主要是采用平衡管，使液力端平衡，这种原理设计出的 增压注水泵，其液力端结构复杂，不易维护和制造。 本文所研究的增压注水泵，去掉了平衡管，并在结构上进行大的改进，从而 使的这种新的增压泵具有高效、节能、降低制造成本，降低维修成本，具有很强 的市场竞争力，有较高的研究价值，填补国内空白。 ( 1 ) 从新的角度设计增压注水泵的结构。 ( 2 ) 试验样机，其产品填补国内空白。 本文主要研究内容： ( 1 ) 增压注水泵的相关理论研究； ( 2 ) 增压注水泵结构的研究； ( 3 ) 增压注水泵的液力端的研究； ( 4 ) 增压注水泵的动力端研究； ( 5 ) 关键部件强度和安全性校核： ( 6 ) 挡油头的密封研究 北京化工大学工程硕士研究生学位论文 ( 7 ) 现场应用情况。 4 北京化工大学工程硕上研究生学位论文 第二章增压注水泵的研究及设计 2 1 柱塞泵的结构及组成 我们研究的增压泵是石油矿场上常用的设备，它是往复式柱塞泵的一种，因 此其大体组成比较相似，其主要是由传动装置( 皮带轮传动或是齿轮传动形式) 、 曲轴、连杆、十字头、箱体及润滑系统组成动力端；由泵头、阀体、阀片、盘根 盒、柱塞及其密封装置组成液力端。当动力机带动曲轴旋转时，柱塞在液缸内做 往复运动，通过柱塞在液缸内体积的变化，实现吸入和排出。 柱塞泵与活塞泵的区别主要在于往复运动件的密封形式上。活塞泵的活塞直 径外表面与缸套内表面紧密配合，活塞往复泵运动改变缸套内部容积，实现吸入 和排出。柱塞泵的柱塞则采用外密封结构，柱塞运动不断改变液缸内充液容积， 实现吸入和排出。柱塞密封在泵缸之间外，便于拆装，调节，还可以通过冷却液 冲洗摩擦表面，并降低温度。 柱塞泵通常由柴油机、电动机等做动力，有的在泵外减速，动力直接传递到 曲轴上，有的在泵内装有减速机构“；曲轴通常采用偏心结构式，冲程较短而 冲刺较高。柱塞泵的布置型式有卧 式、立式和v 型，缸数有三缸、五缸 等。目前石油矿场上使用的多为三缸 泵，结构相对简单。 柱塞泵的液力端一般根据地层 压力情况，其受力也非常不相同，造 成其结构变化较大，其结构的变化， 同样也必然引起动力端的受力变化， 因此我们不但要研究液力端的结构， 受力，也要研究动力端的受力，使 其有更合理的强度和结构型式。 1 盘根盒，2 平衡管，3 阀体，4 柱寨，5 泵头 图2 1 液力平衡增压泵结构 北京化工犬学工程硕士研究生学位论文 尸持一排出压力，m p a s 大一柱塞大头面积，脚z s 4 、一柱塞小头面积，所小z 船环一柱塞环形面积，m m 2 平衡率的计算公式如下： 舟= 币p 持“瓦a s ( 2 5 ) 0 7 兰f m 1 常规型的液力平衡增压泵需要进口压力与出口压力平衡，其平衡率不能小于 7 0 ，更不能大于1 。 由上面平衡率公式我们可以看出， ( 1 ) 进口压力或者出口压力调整，可能引起柱塞所受到的推力e 。增大， 就无法达到平衡效果，如果当柱塞一定时，地层压力，也就是排出压力降低时其 平衡率降低；或当吸入口压力增大时其平衡率也会降低，因此必须从新计算平衡 率，更换不同大小头柱塞来达到平衡柱塞力的平衡。期间如果柱塞所受到的推力 略超过泵所能承受的极限，那么就会造成烧泵。 ( 2 ) 进口压力或者出口压力调整，可能引起柱塞所受到的推力f “减少， 也就是说当柱塞一定时，地层压力，也就是排出压力升高时其平衡率升高；或当 吸入口压力降低时其平衡率也会升高，其平衡率如果过大，平衡率远远大于l ， 就有可能对挺杆和十字头产生拉力，柱塞泵设计时挺杆和十字头都是按照受推力 计算的，如果受到拉力，就有可能造成强度不够，而引起断裂，其后果不堪想象。 液力平衡增压泵需要根据地层的压力不断的调整柱塞大小头直径，而地层压 力并非恒定不变的，因此需要非常专业的知识去维护观察，而现场又不可能具备 这样的条件，因此常常造成烧泵，这就需要我们进一步去研究一种简单易行的增 压泵。 常规型的增压泵一般都采用上下直通式结构，或者阶梯式结构，对于三缸泵 来说需要六个阀组，阀组较多容易出故障，维修也极为不方便，不容易寻找故障 原因。 北京化工大学工程硕l 研究生学位论文 第三章新型无液力平衡增压泵液力端的结构设计 3 1 泵头的结构设计及研究 柱塞泵是以卧式三缸单作用泵液力端最为普遍，以下我们都以这种三泵作为 研究对象，但其具有普遍性。 卧式三缸单作用泵泵头，按照泵的吸入阀、排出阀的布置形式，液流特性和 结构可以分为：直通式、直角式、阶梯式，见图3 一l 。 当泵头的每一个缸的吸、排液阀中心轴线均为同一轴线时，称为直通式泵头，见 图3 一l a ，；当吸、排液阀轴线互相垂直时称为直角式泵头，见图3 一l b ；若吸、排 液阀轴线互相平行但不是同一轴线时，称为阶梯式泵头，见图3 1 c 。 图3 - i 卧式三缸柱塞泵泵头形式 直通式泵头，过流性能好，余隙容积小，结构紧凑，尺寸小。但泵头内部存 在十字交叉孑l ，两垂直孔相交处应力集中很大，常由此而导致泵头缸体疲劳损坏， 开裂，特别是输送强腐蚀性介质时，因腐蚀、疲劳互为补充更易引起开裂，并且 拆装吸、排液阀时必须按先取出上面的排液阀，才能取出吸液阀，维修很繁琐。 直角式泵头，吸、排液阀可以分别拆装和更换，所以使用、维修比较方便： 但加工制造比较困难，并且也存在t 字交叉孔，在相交处j 下好也是存在交变力的 地方，虽然交变应力比十字交叉孔改变的不少，但仍然存在很大的交变应力，容 易引起泵头开裂。 阶梯式泵头的吸、排液阀都可以单独拆装和更换，不必拆开管路，因此，当 要求经常快速更换阀时，多采用阶梯式泵头，但这种泵头形式余隙容积较大，排 磬驿 北京化工大学工程顺士研究生学位论文 式泵头存在的交叉相贯孑l 是泵头开裂的根源。 全国各往复泵生产厂家都在研究解决泵头早期丌裂失效问题。大港油田中成 公司为了更好的服务用户，自8 0 年代末就开始研究提高泵头寿命的方法。 采用分体式泵头结构： 大港油田中成公司在9 0 年代初研制分体式泵头结构，每个柱塞都有一个分 体泵头，当其中一块分体泵头开裂失效时，也只是造成一块分体泵头失效，不至 于影响其他部分，这样可以降低损失，减少维修费用。但由于这种泵头的密封面较 多，经常因为密封不严造成泄漏，并且吸排液岐管设置复杂，在维修、装配上非 常困难，所以这种结构形式的泵头一直未得到广泛的推广。 泵头复合强化工艺： 泵头复合强化工艺是大港油田中成公司与北京石油大学大学合作共同研制 的。所谓复合强化就是对经薄壳硬化自增强处理后具有压应力场的泵头内腔表面 进行强力喷丸。这是一种应力喷丸，比普通喷丸有更高的残余压应力。经复合强 化后，泵头内腔表面可获得残余压应力场，从而提高泵头的疲劳强度，并改善其 腐蚀疲劳性能。硬化层内的最高残余压应力由0r m a x = 一2 5 0 m p a 可增至0 r m a x = 一1 2 3 0 m p a 。往复泵高压泵头经该工艺实施后，使泵头寿命有了一定的提高。 泵头复合强化工艺虽然提高了泵头内孔表面的压应力，可延长泵头的使用寿 命，但由于该工艺相当复杂，且对泵头材料要求较高，这无疑会增大冶炼和热处 理的难度，增加生产成本。该工艺虽然提高了泵头材料的抗疲劳强度，但相贯孔 处应力值较大易产生裂纹的现象依然存在。 以上提高泵头寿命的常用方法，从某些方面延缓了泵头的使用寿命，但是没 有从根本上解决泵头早期失效，寿命较短的问题。 提高泵头寿命的有效途径是改进泵头结构，减少应力集中现象。我们通过对 往复泵工作机理的学习探讨和对往复泵液力端泵头结构的分析后，我们以提高泵 头使用寿命，降低成本和方便维修为设计重点，对泵头结构进行大胆的改进，经 过多次反复设计、论证，我们开发研制了“水平直通式组合阀整体泵头”( 参见 图4 1 ) 。泵头主要由三大部分组成：泵头阀总成吸入弹簧座( 隔套) 。在 开发设计的过程中，我们认为泵头压力交变腔内交叉相贯孔是导致泵头早期失效 的根本原因。因此在设计泵头结构时去掉了相贯孔，极大地减小了泵头体的应力 集中现象。 o 北京化工大学工程硕十研究生学位论文 3 3 1 泵头壁厚确定 技术指标： 增压泵的进口压力1 0m p a 出口压力4 0 m p a 流量8 1 m 3 h 1 输送介质：污水。 ( 1 ) 假定泵头为一外圆半径r ：，内圆半径r l 的等厚圆筒且壁厚5 ( r 2 r 。 1 5 ) 时，则可由薄壁简公式确定壁厚： j ： 旦! 垒 + c ( 3 一1 ) p 】。y p 公式中： j 一壁厚，m m v 一焊接系数，无焊接v = l ： p 一缸内最大工作压力，m p a d l 一泵头内径，m m c 一考虑到铸造偏心和腐蚀所留的裕量，一般取c = 3 8m m 对于灰铸铁，球墨铸铁等脆性材料，许用应力p 】可按照抗拉强度o 。选取 p 】= o n “。n n 一般取8 1 2 。即对普通铸铁可取【盯】= 1 5 1 6m p a ，对高强度铸 铁p 】= 2 0 2 3m p a ，对球墨铸铁可取 a = 6 0 8 0m p a 。 对于钢制泵头许用应力【o - 】若按抗拉强度o 。，n “应大于4 ，按屈服强度o ， 取【盯】= o 。n 。，取n ，= 2 3 。即一般碳素钢许用应力p 】：1 3 0 1 5 0m p a 。 ( 2 ) 当壁厚较厚( r 。r ，】5 ) 时，沿壁厚应力分布不能再看成是均匀分布 的。此时则假定泵头为一等厚，且轴向较长的圆筒，且内壁作用着沿轴向不变的 均匀内压，此时： ( a ) 对脆性材料，当介质温度t 3 5 0 。c 时，其壁厚6 为： 艿= ( 一! 业e l - p 一1 ) m m ( 3 2 ) r i 一泵头内半径，m m ( b ) 对塑性材料泵头体则按下式确定： 北京化工大学工程硕士研究生学位论文 嘲( 、热_ 1 ) 删 ( 3 一s ) 对于泵头材料我们采用不锈钢z g 2 c r l 3 ，这种不锈钢可以抵抗污水中的酸性 物质或是碱性物质，铸钢件进行正火或是时效处理以消除残余应力，改善机加工 性能。在粗加工后和精加工之前还应该进行一次调质处理以获得较高的机械性 能。 首先根据结构先确定r = 5 5 研研 查手册 o = o 。n ；= 6 2 0 4 = 1 5 5m p a ， p 2 4 0m p a ， 渊s j 熹一 = 6 3 9 朋研 然后再根据结构设计，我们取壁厚6 为8 0m 坍 3 3 2 泵头强度校核 ( 1 ) 对薄壁筒( r ：r ，1 5 ) ： j = 对于厚壁筒( r ：r 。1 5 ) 壁厚已知时的最大切向力为： 舞 ：4 0 。! ：芝篁 4 1 8 ) ( 4 1 9 ) ( 4 - 2 0 ) 2 9 x 北京化工大学工程颁士研究生学位论文 3 4 1 泵阀几何参数的确定： 阀座孔过流面积： 4 = 三m m ( 3 9 ) 4 = 玎d ，矗s i n 口小m ( 3 1 0 ) 式中： 4 一阀座孑l 当量面积，川所 巩一阀座孔当量直径，m 卅 4 一阀隙当量环面积，聊棚 以一阀板当量直径，m 脚 一阀板轴向升程，m 研 口一锥形阀锥角之半，删 玩 s i n a 研m 我们采用平板阀，因为平板阀广泛应用于输送常温清水，低粘度油或类似于 清水的介质。结构简单、制造较容易。见图3 4 平板阀的实际巩，d ，即为当量值。而且 口= 9 0 s i n 口= l ( 1 ) 阀座孔径矾的确定 阀座孔径巩可以按经验，根据阀孔最大流速 初步确定 样跞 图3 4 闽体结构简图 ( 3 一1 1 ) 驴急耐百 净 式中： 盔一阀座孔径，研m q f ，一通过一个阀( 吸入阀或是排出阀) 的理论平均流量，卅3 s “ 北京化工人学工程硕士研究生学位论文 第四章新型增压泵的动力端结构及设计的研究 4 1 曲轴的尺寸设计 在往复泵中，曲轴是把原动机的旋转运动转化为柱塞往复运动的重要部件之 一。工作时，它将承受周期性的交变载荷，产生交变的扭转应力和弯曲应力，因 此也是曲柄连杆机构中最重要的受力部件。 往复泵中常用的曲轴可以分为曲拐轴、曲柄轴、偏心轮轴和“n ”形轴等形 式。我们采用最简单最常用的两支承三曲拐轴。这种形式的曲轴，因支承少，使 曲轴和机体的加工量减少，传动端装配也简单，但因为曲柄错角为1 2 0 。的三拐 二支承曲轴不能简化成平面曲轴，故受力状况复杂，刚度和强度较差。 三缸泵不仅错角为1 2 0 。( 各错角均等) ，而且若以靠近曲轴输入端为第一 曲柄，第二曲柄与第一曲柄间的错角为2 4 0 。，第三曲柄与第一曲柄的错角为1 2 0 。 4 1 1 曲轴的尺寸确定 ( 1 ) 曲柄销的确定 曲轴主要尺寸取决于曲轴上的作用力，力矩 和曲轴轴颈间距等。 曲拐轴的曲柄直径d 可以按照下述经验 公式确定： d = ( 5 4 7 2 ) p = ( 5 4 7 2 ) 3 8 4 8 4 = 1 0 5 9 1 4 1m m 根据结构选取曲柄直径d = 5 ”= 1 2 7 m m ( a ) 主轴颈d l d 】= ( o 8 1 1 ) d = ( o 8 1 1 ) 1 2 7 = 1 0 1 6 1 3 9 7 研脚 掺 | l 图4 一l 曲轴简图 ( 4 1 ) ( 4 2 ) 北京化t 大学t 程硕 研究生学位论文 4 2 连杆的尺寸设计 连杆应具有足够的刚度和强度，工 作时不至于破裂或者弯曲变形，大、小 头结构合理，适应装配有足够的承载能 力的轴瓦，并且应在满足条件下，应尽 可能选取合理的外形、截面尺寸、减轻 重量，即可以减少运动质量也有利于加 工制造和拆装。 常规液力平衡增压泵动力端连杆小 头采用滑动轴承，这对于连杆小头处于 图4 - 2 连杆小头 摆动状态的铜套，无法充分润滑，而且 磨损总是在前部铜套受力部分，一般两到三个月就必须更换铜套，更换铜套十分 麻烦，需要把曲轴、连杆、十字头全部拆除，才能把铜套换下，此外，铜套的刮 研，必须十分仔细，不能存在大大小小的高低点，刮研必须均匀，没有经验的维 修工无法做到。 无液力平衡增压泵动力端连杆小头采用滚针轴承，如图4 2 尽管连杆小头作 摆动运动，但是滚针轴承的滚针做圆周运动，每个滚针都可以得到充分润滑，得 到充分使用，因此该部件已经不在是易损配件，减少了易损配件的成本，同时减 少了工人的劳动强度。此外由于采用这种结构，只要进口的螺丝强度足够，进口 压力可以达到3 0 4 0 m p a ，这对于原来增压泵是无法达到的。 ( 1 ) 连杆宽度确定 毋b 。 ( 4 - 6 ) 7 9 m m 取连杆宽度为8 9 m m ( 2 ) 杆体中间截面尺寸 杆体中间截面尺寸的当量直径屯 以= ( 2 2 2 8 ) 4 p m 。1 0 0 0 m m( 4 - 7 ) 式中：p 为最大柱塞力培 北京化工大学工程硕士研究生学位论文 屯= ( 2 2 2 薹基霉 茫= $ i ；! 祚鲐鹩面朗力鲠甄； 哩罐蝉萎蒿魏翮雒 剿一霈；璇 ；匿i ；。 雾 奇g 箕薹 ? 毒主享鲁i 叮i 扰酏蚴蟛掣烈缎酬驯。涵曙等後 h m 一襄鲮； 。鏊篝囊蓥瞽麓 疆季! 薹毫羹 l l ；雨分哪莹巍剽 酣s i 薹i 一；二! ! 萋 t i 奎? 誉一：i i i 詈菱拿? 妻 ti g i 册 可求得隔套允许壁厚值为5 6 6 坍m ，而实际隔套壁厚为1 2 5 m 肌。其次是泵头， 泵头的强度也根据机械手册按厚壁筒公式计算，得出泵头允许最小壁厚为 2 3 4 n m ， 而实际设计为8 0 m m ；“1 计算出泵头应力为6 1 5 m p a ，而许用应力 为1 5 0 m p a ，由此可以看出，这种泵头的安全系数很高，从根本上解决了泵头早 期开裂失效的问题。 3 。3 泵头壁厚确定及强度校核 泵头可视为是一种特殊的高压容器，它是往复泵中最重要的承受液压零件0 1 。 泵头与输送介质直接接触并承受交变的内压，而且由于泵头与阀组、压紧法兰、 管路、泵体等配置和连接的需要，其内部流道孔和外表形状都很复杂。流道孔相 交造成的应力集中可能使局部应力高出若干倍；形状复杂使应力状况和分布也很 复杂，致使用一般分析方法难以准确的计算出泵头危险点和最大应力。此外，当 输送高温介质时，因内、外壁温度不同还会造成温差应力，因泵阀等冲击还会 造成附加应力，当输送强腐蚀介质时，还兼有应力腐蚀和腐蚀疲劳。出于这些原 因，使得泵头的强度校核更加困难。 虽然采用如有限元法等等现代技术在原则上可以获得较为精确的计算结果。 但在实际计算时其精度取决于合理简化的计算模型及网络结点数量及其合理分 布，从而使计算工作量甚大。而由于泵头形状、尺寸的不统一，计算出结果也只 能使个别的得到解决。因此，本文没有采用。 北京化工大学工程硕_ i ：研究生学位论文 3 1 4 1 5 9 37 0 3 0 = 3 8 7 d 。p t # 。 ( 4 2 5 ) 就= d d m “ l 4 一z b ) p 冉。一泵的最大排出压力，m p a p m 。= 0 2 5 3 1 4 1 5 3 5 x3 , 5 4 0 0 = 3 8 4 8 4 4 8 k g 。而丽 3 8 4 8 4 4 8 ( 1 2 7 2 ) 2x ( 3 1 4 1 5 3 7 0 3 0 ) 2 ( 1 + 0 3 8 ) = 1 1 3 4 堙 不平衡的旋转运动质量 m h = m b + ( 1 一k ) k g ( 4 2 6 ) 式中： 一转化到曲柄销中心的曲拐不平衡质量，堙 曲轴是绕不通过重心的主轴颈旋转的如下图，主轴颈质量及主轴颈中线0 - - 0 为对称中心的曲拐部分质量帆集中在o 点。因这郝分质量的重心加速度为零， 因此在计算旋转惯性力时不计入。曲拐剩下的不平衡质量为m ：和m ，。m ，是以盐 柄销为对称中心的曲拐部分质量，重心在曲柄销中心点d 点。为将旋转质量全部 转化到曲柄销中心上，可以不必代换，而曲轴的另一部分质量则需代换。按 静力学代换惯性力相等的条件，将也转化到d 点时的m ：为： 式中 ，一曲柄半径 珊2 = 一x m 2 k g ， h 一不平衡旋转质量m ：到主轴颈的距离 ：坚一0 a ： 北京化t 大学t 程硕斗研究生学位论文 这样，转化到曲柄销中心d 点的曲拐不平衡旋转质量为 ：+ 旦。坛 ， 略去曲拐不平衡质量旦。历：，则 ， 式中 m b = 聊3 = 手d 2x 。疋g 2 聊32 i 。l 。疋 以一材料密度，7 8 0 0 k g m 4 m b ：一t 0 1 2 7 2 0 0 8 9 2 鸭。i “o 。 = 0 8 9 k g 全部转化到曲柄销中心d 点上的不平衡旋 量为： m = + m # ( 1 一t ) 培 = 0 8 9 + o 3 4 2 = 1 3 4 9 k g 由于把全部机构的往复运动质量集中 字头中心线，所以往复惯性力大小就等于往 ( 4 2 8 ) ( 4 - 2 9 ) 动质量与十字头中心加速度的乘积，方向则与加 图4 - 4 连杆体 速度方向相反。十字头的加速度大小，方向与柱塞的 大小方向相同，故往复泵惯性力为： l = 一。，2 ( c o sr p + 2 c o s 2 ( a ) ( 4 2 9 ) 北京化工大学工程硕士研究生学位论文 ( 2 ) 连杆体稳定性计算 3 8 4 8 4 1 0 0 l = 3 8 4 8m p a 8 0m p a 由于杆体截面沿杆体中心线是变化的，因此，选取杆体的中间截面作为计算 面积。在连杆力，。的作用下，在连杆的摆动平面和垂直于摆动的平面都会产生 弯曲。但二者的边界条件不同；对于摆动平面，可把连杆看作是以连杆长度为，的 两端铰支连接的压杆；在垂直于摆动平面内，可把连杆看作两端固定的压杆。 杆体的压杆柔度为 式中 以一连杆摆动平面的柔度 如 勺：专 厶一垂直于连杆摆动平面的柔度 t 一连杆摆动平面内的杆体中间截面惯性半径 t 一垂直于摆动平面内的杆体中间截面惯性半径 截面惯性半径 t = 2 8 9 ( 4 3 6 ) ( 4 3 4 ) ( 4 3 5 ) 图4 7 连杆中截面尺 北京 宣z 誊薹 乎嚯匡譬；宴 l ；哩宣i 蓁；萎 l ，帮垂妻誊弓 垮t 是 ， s 篱2 巴 i i 薹雪重 苣睦莩嚣 ! ? 圣誊 羹。凄 i j 囊篓委黉攀 蚕霪囊黧佛蠢鬟疆 圣 i 二一! ；i 5 皆三j 氢 季三 基一? l | | 0 0 ：i i 妻量 芝；垂蒌妻 ；l i 蠢蒸霉蠢斗菱纛静穆群笺财 掣鲜坠曩琴摩鼬匿蠢碍a 必掣灶引引划嚣蓦撩翌琵嚣；篁耄奏鼍要荟_ 惠w鬻枣过许用值 ，可以使用。 3 5 盘根盒总成结构设计及研究 3 5 1 去掉了平衡管 常规增压注水泵出于泵头与盘 根盒安装完成以后，平衡管的安装， 属于过定位安装，因此安装不正确， 就可能引起平衡管的扭劲，容易刺 漏，因此要求加工精度必须高。 新型无液力平衡增压泵去掉了常 北京化工大学工程硕士研究生学位论文 式中： 盯 _ 纽 以 ，2 c 尸帆 一等 1 2 ( 4 4 3 ) ( 4 4 4 ) ( 4 4 5 ) ( 4 4 6 ) j ：垒! ! 墨二监! ! 重 ( 4 4 7 ) 1 2 c 。3 万2 e d 碡一杆体中截面压缩、弯曲联合作用下的总应力，m p a 仉一在连杆摆动平面( z y 平面) 内的总应力，m p a 仃：一在垂直于连杆摆动平面的平面( z y 平面) 内的总应力，m p a 民一杆体中截面的压缩应力，m p a 以一杆体中截面面积，删”2 仃。一连杆摆动平面( z y 平面) 内的弯曲应力，p a 口一垂直于连杆摆动平面( z x 平面) 内的弯曲应力，m p a ，一连杆长，珊m 六一杆体中截面对x 轴的惯性矩，m m 4 ( 4 4 8 ) 北京化工大学工程硕士研究生学位论文 j r 一杆体中截面对y 轴的惯性矩，m m 4 c 一与材料性能有关的系数，对常用连杆可 取 c z 0 0 0 1 5 0 0 0 5 以一连杆材料的屈服极限，m p a e 连杆材料的弹性模量，m p a p 】一许用应力，m p a ，对球墨铸铁和碳素钢取 【盯】_ 8 0 1 2 0 m p a 以= 型喾丛 9 5 5 5 一8 6 3 1 j = 一 1 2 = 1 1 1 0 6 以= 塑譬乒丝 一3 1 x ( 9 5 - 8 6 ) 3 + 8 6 x 9 5 3 一西一 = 6 1 5 1 0 。 。一f 2 c 只。 2 丁一 3 3 2 2 2 7 5 l o 一3 3 8 4 8 8 4 = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 1 1 1 0 0 1 0 6 m p a 图4 8 连杆尺寸 3 7 北京化工大学t 程硕士研究生学位论文 麓一麟 一霪薹三i 圭霉= 窒兽皂；砖一鼍主塞室垂墓? 霉 一霎翼鍪薹| l | 鋈爱一 曲复、f 喜量司萤亭 垂。一墓型一萋雩 甬背￥喜事圭薹爹! 一? t 蓁茎；冀 牡。，霪 i 璧 三重蓠霉。蓥 童鼋主耋 蓬? 耄妻蚕雾引 6 ；5 爱y 器61 t 岳! 鼍鬲妻，萋 嚣蚕丢j 雩l 垂喜 军；至三薯v 耄蘑| ： l 参量差! 萎妻警 串b 芦；雾善鏖蠹琏国 | i 用碳 素纤维，碳素纤维有良好的自润滑性，而且耐酸性也强，价 格便宜，作为普通用填料非常经济实用。 填料箱主要尺寸的确定： 北京化_ t 大学工程硕上研究生学位论文 因此强度合格 = 2 9 7m p a 8 0m p a 通过对增压注水泵的各种参数和尺寸的优化设计“，我们与2 0 0 5 年完成了 该增压注水泵的设计及制造工作。并对该泵进行工业现场试验。 北京化工大学工程硕士研究生学位论文 第五章十字头挺杆的挡油头密封 8 0 年代以来，三缸单作用往复泵在钻井机械中得到了广泛应用，作为钻 井用泵被称为钻机的心脏。往复泵的十字头挺杆密封是往复式动密封，由于十字 头挺杆运动速度快，使十字头挺杆密封装置的工作条件恶化，由于它属于轴向往 复运动的密封，较之旋转轴的密封更为困难，技术难度较大一如果十字头挺杆密 封不可靠，往复泵液力端泄漏的介质就会通过它进人动力端，污染润滑油。如果 输送的介质中含有磨砺性物质( 如高硬度石英砂等) ，将会对动力端内各摩擦副造 成严重损伤。同时，十字头挺杆密封的失效还会造成动力端润滑油的泄漏，污染 环境 随着动力端润滑油的减少将会导致动力端润滑不良如果十字头挺杆密封寿 命短，则需经常停机检修、更换，影响泵正常工作由于其失效后会造成严重后果， 所以越来越受到设计、使用等有关技术人员的关注为使在用的三缸往复泵十字头 挺杆密封装置得到合理使用。 5 1 目前使用较为广泛的几种密封形式： 5 1 1 单唇口密封 目前往复泵使用这种密封比较广泛，它是 仅靠单层骨架油封作为密封，其结构简单，安 装方便，但是容易漏油，使用寿命时间短。 5 1 2 随动波纹管式挺杆密封装置 随动波纹管式十字头挺杆密封装置是我 国近几年研制投产的新产品，其结构如图5 一l t 连接扳2 风扳3 沉 头螺钉4 赢承座5 螺 钉组件6 。渡纹管7 卡 子8 奉| 瞄9 弁扦 所示，该结构完全取消了摩擦副的静密封， 即密封件本身( 波纹管) 随十字头挺杆的往复 图孓1 波纹管式静密封 运动作伸缩运动，与十字头挺杆之间无相对运动，不存在摩擦磨损波纹管：两端 北京化t 大学t 程硕士研究生学位论文 结构以获得理想的十字头挺杆密封效果。 该密封装置的工作原理，该结构是在 十字头挺杆密封盒内安装两个骨架密封 圈，利用胶料本身的弹性及骨架内的弹簧 作用与十字头挺杆形成过盈，实现自封。 密封圈之问有隔环将其分开、第一道 密封圈刮下的油可以通过垫圈的通道，流 回箱体，余下的油膜，可以被第二道密封 挡住。该结构的可靠性取决于密封圈唇口 的弹性和摩擦副的温升状况，只要密封圈 胶质的耐磨性好，温升正常，就可达到 较理想的密封效果。 1 挡油头体，2 骨架油封，3 垫圈，4 密封垫， 5 弹簧垫，6 六角头螺栓，7 o 型罔，8 压帽 往复泵十字头挺杆密封的密封效 图5 2 挡= 由：头总成 果和寿命取决于密封装置的结构、密封元件的材料及型式和几何尺寸同时还要受 到泵的技术参数、机壳及相关零件制造精度的影响，在使用中由于变形和磨损这 些影响还会加大密封盒的设计就是要使之适应以上复杂工况并使之有良好效果 和较长寿命 4 2 北京化工大学工程硕士研究生学位论文 ( 3 ) 试验仪器 表6 - 2 往复泵试验仪器 序号测试项目 仪表名称规格 精度等级 1 电功率三相电动表 d 3 3 一w1 级 2 电流 电流表t 1 5 一al 级 3 电压电压表d 2 6 一w0 5 级 4 压力 压力表 d m p ao 5 级 5 振动测振仪 c d lg e 一4 6 噪声声级表n d e1 级 7转速 转速表 s z d 一2 0 8 流量高压涡轮流量传感器l w s o gl w s o e 9 温度高压涡轮流量温度计 ( 4 ) 执行标准 ( 5 ) 往复泵 a ) g b t 9 2 3 4 机动往复泵 b ) j b t 9 0 8 7 油田用往复式油泵、注水泵 c ) j b t 9 0 9 0 容积式零部件液压与渗漏试验 d ) g b t 7 7 8 4 机动往复泵试验方法 e ) a p ir p6 7 4 往复泵推荐标准 ( 6 ) 电机及电器设备 a ) g b t 7 5 5 2 0 0 0 旋转电机基本技术要求 b ) g b t 3 8 3 6 卜2 0 0 0 爆炸性环境用防爆电器设备通用要求 c ) g b t 3 8 3 6 2 - 2 0 0 0 爆炸性环境用防爆电器设备隔爆型电器设备 d ) g b t 3 8 3 6 3 - 2 0 0 0 爆炸性环境用防爆电器设备增安型电器设备 e ) g b t 5 0 0 5 8 - 9 2 爆炸和火灾危险环境电力设计规范 ( 7 ) 压力容器 a ) g b t 1 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器 b ) 压力容器安全技术监察规程 ( 8 ) 测试记录 4 4 北京化工大学工程硕士研究生学位论文 流量：8 1 m 3 h ( 4 ) 往复泵测试主要参数 图6 1现场r 作图 进口压力、出口压力、出口流量、泵体温度、电机温度、噪音、泄露量、效率 ( 5 ) 测试记录( 部分) 表6 - 4 往复泵现场测试记录 吸入压力 排出压力 流量 电压电流电机温度 曲轴箱温 时间 m p am p am 3 hva 0 5 1 1 0 51 0 4 07 93 8 01 3 9 5 55 0 0 5 1 1 0 61 04 07 9 3 8 41 3 8 5 65 2 0 5 1 1 0 71 04 08 o3 8 l1 4 05 65 4 0 5 1 1 0 81 04 08 o3 8 31 3 95 85 3 0 5 1 1 0 91 04 07 93 8 11 4 0 5 7 5 5 0 5 1 1 1 01 04 07 93 8 11 4 05 85 4 0 5 1 1 1 21 0 4 08 03 8 21 3 95 95 4 北京化工大学工程硕士研究生学位论文 0 5 1 1 1 31 04 08 13 8 31 3 95