（机械设计及理论专业论文）1300hp泥浆泵动力端参数优化研究.pdf

硕士学位论文 摘要 泥浆泵( 钻井泵) 是钻机的三大功能部件之一，其在钻井过程中起 着携带井底的岩屑和供给井底动力钻具动力的作用。石油工业的发展对 泥浆泵提出了更高的要求，主要是泵的压力越来越高，功率越来越大， 体积不能过大和质量不能过重，流量波动不能太大。目前广泛使用的是 三缸单作用往复泵( 简称三缸泵) 。三缸泵虽然在压力和流量上基本上满 足了现代钻井的需要，但是其采用曲柄滑块机构驱动，存在着不可避免 的缺点。其质量重、流量波动大、效率低、功能部件寿命低等缺点与现 代泥浆泵高效节能、快速移运的发展方向是不相符的并且我国泥浆泵的 技术和研究比以前有很大的提高但跟国际水平相比还有很大的差距，很 多泥浆泵的参数都是沿用很多年前国外泥浆泵参数，只能基本满足钻井 的要求。本文正是基于三缸泵的以上缺点而展开优化系统参数，来降低 泵生产成本和提高钻井效率研究。本文钻井泵是由电机、曲轴、连杆、 人字齿轮、十字介杆、活塞等部分组成。动力由电机提供，曲柄滑块驱 动。 本文概述了目前泥浆泵的发展现状，然后从运动学、动力学等方面 研究1 3 0 0 h p 泥浆泵结构，之后利用s o l i d w o r k s 软件对该泵的关键部件 进行三维建模和虚拟装配，再利用c o s m o s m o t i o n 对其进行动态仿真， 并且通过定义装配体中各个配合面就可以得出仿真结果，接着将运动中 受力比较大的几种工况载荷状况导入到w o r k b e n c h 软件里，对其进行受 力分析最后利用受力分析得出的结果作为优化分析的约束条件得到了连 杆优化尺寸分别为：大端尺寸为9 0 0 8 m m 、小端尺寸为3 2 0 6 m m 、连杆长 为1 1 2 2 6 m m ，和齿轮轴的优化尺寸分别为：模数为8 、压力角为2 0 。、 螺旋角为2 2 。使目前国内外在用最多的13 0 0 h p 三缸单作用泥浆泵动 力端获得优化，最后得出具有传动平稳、质量轻、效率高、移运快速、 流量波动小、功率组合更加合理等优点。 关键词：13 0 0 h p 泥浆泵；动力端；有限元分析；动态仿真；优化 a b s t r a c t t h ed r i l l i n gp u m pi so n eo ft h et h r e ef u n c t i o np a no fd r i l l i n gr i g ，i t c a r r y st h er o c k ys c r a pf r o mt h eb o t t o mo fp u m pa n ds u p p l yt h ep o w e rt ot h e p o w e rd r i l lo ft h eb o t t o m t h ed e v e l o p i n go f t h ei n d u s t r yo fo i ln e e dh i g h e r d e m a n d st ot h ep u m p i tm a i n l ya 【b o u tt h ep r e s s u r eo ft h ep u m pi sh i g h e ra n d h i g h e r ，t h ep o w e ri sb i g e ra n db i g e r ，w h i l et h ec o s to ft h em a k ea n dk e e pi n r e p a i ri ss m a l l e ra n ds m a l l e r ，a n dt h e v o l u m ea n dw e i g h tc a n n tb et o o h i g h ，t h en u c t u a t i o n so ft h en o wc a n n tb et o ob i g a tp r e s e n t ，t h et r i p l e x r e c i p r o c a t i n gi sw i d e s p r e a du s e d a l t h o u g ht h et r i p l e xp u m pp r e s s u r e a n d n o wt om e e tt h eb a s i cn e e d so nt h en e e d so fm o d e r nd r i l l i n g ，t h e r ea r e s h o r t c o m i n g sa si tu s ec r a n ka n dc o n n e c t i n gr o dd r i v e t h ew e i g h ti sb i g ，t h e t h en u c t u a t i o n so ft h en o wi sb i g ，w h i l et h ep o w e ri sl o w ，a n dt h el i f eo f t h e f u n c t i o np a r ti ss h o r t a 1 1t h e s ei n c o m p a t i b l ew i t ht h em o d e r nd r i l l i n gr i g w h oi s e n e r g y e f 6 c i e n ta n df a s t m o v i n g ，a n d c h i n a s d r i l l i n gp u m p t e c h n o l o g ya n dr e s e a r c hh a v eg r e a t l yi m p r o v e d t h a ni nt h ep a s tb u t t h e r ea r e s t i l il a r g eg a p sw i t ht h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s m a n yo ft h ep a r a m e t e r so f d r i l l i n gp u m p sw h i c hf o r e i g nc o u n t r yu s e dm a n yy e a r sa g o ，c a no n l ym e e t t h eb o r i n gb a s i c a l l yr e q u i r e m e n t s t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ea b o v e s h o r t c o m i n g so ft h et r i p l e xp u m p a n do p t i m i z et h es y s t e mp a r a m e t e r s s t a r t e dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h es t u d y i nt h i sa r t i c l e ，d r i l l i n gp u n l pi s c o m p o s i t i o nb ym o t o r ，c r a n k s h a f t ，c o n n e c t i n gr o d ，h e r r i n g b o n eg e a r ，u n d e r c r o s sr e f e r r a l ，p i s t o na n do t h e rp a r t s t h ep o w e ri sp r o v i d e db ye l e c t r i c i t y m o t o r ，a n dd r i v e nb yt h ep i s t o n s i nt h i sp a p e r ，i tg i v e sa no v e r v i e wo ft h ed r i l l i n gp u m p sd e v e l o p m e n t a tp r e s e n ta t f i r s t ，a n dt h e nr e s e a r c ht h em u dp u m p13 0 0 h ps t r u c t u r ef r o m t h ek i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n do t h e ra s p e c t s ，a f t e rt h a t u s et h es o l i d w o r k s s o f t w a r et od ot h f e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n dv i r t u a la s s e m b l yf o rt h ek e y c o m p o n e n t s ，t h e nu s et h ec o s m o s m o t i o nt o d o i t s d y n a m i c s i m u l a t i o n g e t i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t st h ed e n n i t i o n o fe a c ha s s e m b l yw i t ht h e s u r f a c ea n dp a r t s t h e ni m p o r tt h em o f es t r e s so ft h el o a ds i t u a t i o no f w o r k i n gc o n d i t i o ni n t ot h ew o r k b e n c hs o f t w a r e m a k es t r e s sa n a l y s i s ，a n d u s et h ep a r a m e t e r so ft h er e s u l ta st h ec o n s t r a i n t st od oo p t i m i z a t i o n a n a l y s i sa n dc a ng e tt h ep a r t s so p t i m a ls i z e s u c ha st h eo p t i m i z e ds i z eo f n 硕士学位论文 l i n k ：ab i gs i z ei s9 0 0 8 m m 、as m a l ls i z ei s3 2 0 6 m m 、t h ec o n n e c t i n 2r o d l e n g t hi s 1 l2 2 6 m m ，a n dt h eo p t i m i z e ds i z eo fg e a rs h a f t ：m o d u l u si s8 、 p r e s s u r ea n g l ei s2 0 。、h e l i xa n g l ei s2 2 。s ot h em u dp u m p1 3 0 0 h p ，s p o w e rc l i e n ti so p t i m i z a e d a tl a s t ，t h ed r i l l i n g p u m ph a sas m o o t h ，l i g h t w e i g h t ，h i g he m c i e n c y ，r a p i dm o v e m e n t ，t h en o wn u c t u a t i o n si nv e r ys m a n ， m o r ef l e x i b l ec o m b i n a t i o no fp o w e ra n ds oo n k e yw o r d s ：t h e1 3 0 0 h pm u dp u m p ；p o w e rc l i e n t；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o n ； i i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名：柄广吼吁厂月碧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 日期：叼年 日期妣7 年 厂月矿日 占只宫b 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 钻井泵研究的目的和意义 石油是工业经济的命脉，是整个国民经济运转的血液。随着我国改 革开放和现代化建设进程的加快，目前，我国石油资源的探明储量和开 采能力都显得不足。为了更好地支援国民经济建设，提供更多的石油资 源，我国历来就非常重视石油资源的勘探开发，特别是上个世纪9 0 年代， 我国自主投入和依靠国际投资来不断提高勘探和开发水平。几十年来， 我国的石油钻采设备研发和制造水平在广大科研人员和工程技术人员的 努力下取得了很大的提高，石油钻采设备基本上能够实现自给。但是我 们在技术上与外国先进水平还有不小的差距，特别是在现代先进的钻采 设备，如海洋深井和超深井钻采设备，我国还是空白。同时，国家也提 出了加大我国大型装备国产化的目标，石油高校和科研院所都在加大对 石油钻采设备的科研工作。可见，对石油钻采设备的研究任重道远。 在现代石油钻井中，泥浆起着冷却钻头、破碎岩石、携带岩屑等作 用，被称为是钻井生产的“血液刀。泥浆泵作为钻井液循环系统的“心脏， 是钻井过程中不可缺少的设备实践证明：钻井速度的快慢和钻井质量的 好坏，在很大程度上取决于钻井泥浆泵的技术性能和稳定运行的可靠度。 同时，泥浆泵工作环境恶劣，调速和排量稳定性要求较高，故其是钻机系 统中较容易损坏的设备之一，所以，泥浆泵一直是人们关注和研究的对 象纠。 1 2 钻井泵研究的现状 泥浆泵的使用历史大约有l0 0 多年了，早期泥浆泵的功能主要是循环 泥浆、冷却井底和携带岩屑。随着深井和超深井的出现，对泥浆泵的功率、 压力、流量和可靠性等提出了更高的要求。 1 2 1 国内钻井泵研究现状 我国的泥浆泵是从上世纪6 0 年代才开始由引进美国技术发展起来的， 目前也是随着世界先进技术的发展而发展。根据2 0 0 8 年的统计，中国拥有 钻机10 0 0 余台，占世界钻机总量的3 2 ，其中中石油集团公司拥有7 0 2 台， 因此，中国石油集团公司的钻机的情况基本反映了国内钻机的现状1 。国 1 3 0 0 h p 泥浆泵动力端参数优化研究 内生产钻井泵的企业主要有：宝鸡石油机械有限公司、兰州兰石国民油井 石油工程有限公司等。 宝鸡石油机械有限公司具有4 0 多年设计和制造泥浆泵的历史，公司生 产的f 一5 0 0 、f 一8 0 0 、f 一10 0 0 泵，是经美国l t v 公司授权并按该公司的图 纸、技术资料和工艺文件生产的产品，完全符合该公司的技术要求并获得 使用其注册商标。宝鸡石油机械有限责任公司生产的f 系列泵包括动力端、 液力端、喷淋系统、润滑系统和灌注系统。其中动力端主要有机架、曲轴、 小齿轮轴、十字头和中间拉杆组成，具有以下特点：无退刀槽人字齿轮传 动：合金钢曲轴：可更换的十字头导板：机架采用钢板焊接件，强度高，刚 性好，重量轻；中间拉杆盘根采用双层密封结构，密封效果好，动力端采 用强制润滑和飞溅润滑相结合的润滑方式。f 系列三缸泵具有冲程长、冲 次低的优点。为了满足油田高泵压和大排量钻井工艺的要求，宝鸡石油机 械有限公司自行设计和制造了f 一13 0 0 、f l 6 0 0 、f l6 0 0 h l 、f 一2 2 0 0 和 f 一2 2 0 0 h 大功率高压泥浆泵h 1 。 兰州兰石国民油井石油工程有限公司是中国兰州石油化工机械设备 工程集团公司和美国国民油井国际公司共同投资建立的中美合资经营企 业。兰州兰石国民油井石油工程有限公司生产的泥浆泵具有以下特点：动 力端壳体为钢板焊接结构，焊后消除内应力。动力端传动齿轮为渐开线 齿形，运转平稳、效率高、寿命长。曲轴为空心的整体铸件。动力端润 滑为飞溅润滑：液力端吸入、排出法兰符合a n si 和a p i 规范；活塞杆与介 杆间采用卡箍连接，可实现快速装拆；阀腔孔的底部带有台阶，防止阀 座下沉。活塞和缸套由一个独立的喷淋泵装置冷却和润滑，使用寿命长； 易损件通用性强。该公司生产的3 n b 系列三缸泵符合a p i 规范，功率从 8 0 0 h p 到16 0 0 h p ，也广泛用于各大油田哺1 。从总体上说我国对石油钻井泵 的研究起步较晚，但通过技术引进、自主研发，我国与国外先进技术的 差距在逐步缩小。 1 2 2 国外钻井泵研究现状 国外对钻井泵的研究起步早、技术精，目前国外钻井泵技术朝着大 功率、长冲程、低冲次、大缸径、高泵压的方向发展。钻井泵最初是双 缸双作用泵，由于该种类型的钻井泵体积大、重量大、输出流量波动大， 现在除了俄罗斯仍在使用外，其他国家大量研究和使用三缸单作用泵。 美国大量采用三缸单作用泵，生产厂家主要有l e t o u r n e a ue l l i s w i l l i a m s 公司、i d e c o 公司、e m s c o 公司和n a t i o n a l o i l w e l l 公 司等，e m s c o 公司的设计技术已由我国宝鸡石油机械厂引进，并已形成f 2 硕士学位论文 系列泵。美国n a t i o n a l o i l w e l l 公司三缸泵的液力端，阀箱采用l 型， 阀箱的吸入阀和排出阀为分体结构。吸入阀采用螺纹压紧，其壳体与阀 箱螺纹联接，球形吸入空气包。泵机座多为焊接结构，小齿轮用键固定 在传动轴上，大齿轮套安装在曲轴上。曲轴采用整体铸造的结构。采用 双列向心球面调心轴承。十字头滑动面经表面淬火磨削。齿轮采用斜齿 或无槽人字齿轮。为了加强易损件的互换，阀腔和活塞杆制定了相应的 a p i 标准。随机辅助工具齐全，有阀座液压拉拔器、液压拆卸器、缸套拆 卸器等。俄罗斯三缸钻井泵起步较晚，发展较慢，至今在钻井实践中， 仍大量采用双缸泵。但其三缸泵已形成系列，而且发展势头较快。如俄 罗斯石油钻机主要生产厂家，乌拉尔重型机械制造联合公司计划新建一 个生产三缸泵的专业化分厂。俄罗斯现有4 个功率级别的三缸泵，即，6 0 、 8 0 、9 5 0 和1 18 0 k w 。俄罗斯三缸泵的液力端阀箱采用i 型直通式和l 型，阀 箱吸入阀和排出阀不是分体结构，而是一体式液力模块。l 型阀箱又有吸 入阀在前、排出阀在后的常规型和吸入阀在后、排出阀在前的变l 型结构。 吸入阀采用液力压紧装置，不依靠螺纹压紧，压紧装置内充满液压油， 其壳体与阀箱螺纹联接。排出阀用冠形螺纹压盖压紧。阀盘以锥面和端 面与阀座接触，阀盘质量较轻，接触应力较小。阀胶皮保证可靠的密封。 活塞一缸套之间有独特的水封装置，喷淋冷却管有铰链装置，可提高可 靠性，减少机修时间和使用费用。喷淋泵的开关与钻井泵传动机组联锁， 电动泵未起动，钻井泵不能起动，以保护主泵。缸套采用离心浇铸的双 命属毛坯或双金属轧制钢管制造。外层是中碳结构钢，内层为高铬耐磨 不锈钢。使用寿命为5 0 0 h 左右，最高可达8 0 0 9 0 0 h 。目前，国内外三缸 单作用往复式钻井泵存在的主要问题钻井泵质量大，难以适应现代轻便 钻机的要求，制约钻机的移运性；冲程短，冲次高；钻井泵在不适合的 冲次范围内工作，致使液力端寿命短；泵压低，不能完全满足钻井工艺 的需要；结构不合理，部分强度冗余，部分刚度不足，可靠性低，难以 满足钻机高可靠性要求：缸套寿命短，难以满足钻机高效率要求1 引印1 。 由于三缸泵存在以上缺点，目前国内外又研制了一些新型的钻井泵，主 要有以下几种： 1 ) 新型液压驱动双作用钻井泵n 们瑞典h k 工程公司和娜威n c o r e m 海洋 研究所共同研制了一种立式新型液压驱动双缸钻井泵，是由变量液压泵 驱动的双缸钻井泵，没有曲柄连杆机构及齿轮，彻底摆脱了传统的双缸 和三缸泵结构，成为一种先进、新颖的钻井泵该泵具有密封性能好、使 用寿命长、磨损小、结构简单、体积小、重量轻等优点，但也存在清洗 冷却液对泥浆有稀释作用，会降低泥浆的比重。例如在钻井试验中，在 1 3 0 0 h p 泥浆泵动力端参数优化研究 12 h 内加入清水，泥浆的比重将从1 3 9 8 9 c m 3 下降到1 3 5 8 9 c m 3 。 2 ) 新型液压驱动三缸钻井泵尽管与目前的三缸泵与双缸泵相比具有 很多优点，但还是体积大、质量大、加工制造装配工作量大，近年来美 国研究开发了新型液压驱动三缸泵，各种技术指标均较三缸泵优越。新 型液压驱动三缸泵没有齿轮、曲柄连杆机构和十字头等部件，由一台柴 油机或电动机带动一台变量液压泵驱动3 个液压缸，3 个液压缸分别驱动 三个活塞杆作往复运动。该泵具有冲程长、变排量、波动小、振动小、 泵压高等优点。 3 ) m u d m a s t e r 液压驱动钻井泵挪威m a i r i t m eh y d r a l i c 利用该公司液压 驱动技术的特长，研究开发了m u d m a s t e r 液压驱动钻井泵，也没有齿轮、 十字头和空气包，是一个全新结构钻井泵。钻井泵结构以双缸单作用为 基本单元，还可以组成两组四缸、三组六缸等形式。该泵具有结构简单、 体积小、质量轻、流量波动小、寿命长等优点。 4 ) 偏斜曲柄连杆机构钻井泵偏斜曲柄连杆机构钻井泵是指曲柄的旋 转中心不在缸套和活塞中心的水平面上，而是离开水平面有一定的距离。 目前国外有两种偏斜曲柄连杆机构钻井泵。( 1 ) 小偏斜值钻井泵：美国 e m s c o 公司生产的钻井泵曲柄中心低于缸套和活塞中心水平面卜2 m m ，其 主要目的在于：当导板磨损后，使曲柄中心与十字头中心处于同一水平面 上，确保传动性能良好；( 2 ) 大偏斜值钻井泵：美国m i s s i o n 公司提出加 大偏斜值的设想，其目的在于加大吸入冲程时间和减少排出冲程时间， 以进一步提高钻井泵的吸入性能。 5 ) 新型r d 系列三缸钻井泵，美国n a i t i o n a lo i l w e l l 公司研制出了新型 h d 系列三缸钻井泵，主要为北海地区低温条件下钻并而研究开发的产品。 由于该地区温度最低达一4 5 ，适用的钻井泵压力31 6 m p a ，常规的钻井 泵已经无法在该地区进行钻井。h d 系列三缸泵只有两种规格，h d l4 0 0 一 p t 型和h d l7 0 0 p t ，冲程3 0 5 m m ，冲次为12 0 次分钟。 6 ) 六角形钻井泵1 同，美国n a i t i o n a lo i l w e l l 公司研制了一种功率为 1 10 3 3 k w ( 15 0 0 h p ) 的巧15 0 型六角形钻井泵。该钻井泵的质量只有普通三 缸泵2 3 ，体积比后者小1 3 。这种六角形无脉动钻井泵有6 个活( 柱) 塞， 这些活( 柱) 塞垂直安装在圆筒形的泵体中。一种特殊凸轮安装在活( 柱) 塞的上方，凸轮转动时带动这些活( 柱) 塞相继产生吸排作用。采用这种。 凸轮带动活( 柱) 塞，可以使泵的输出脉动减小到极限。此外，美国m a t t c o 公司还研究开发了一种吸入阀水平放置的新型三缸钻井泵t 型泵头，由排 出液缸、吸入液缸和t 式通道三部分组成，是专门为大功率钻井泵而设计 和配置的。 4 硕士学位论文 从以上国内外的研究现状可以看出，目前在广泛使用的是由曲柄连 杆机构驱动的三缸单作用泵，而且这种泵还有继续生产和使用的大趋势。 三缸单作用钻井泵具有体积大、重量大、冲次高、冲程短、液力端部件 容易损坏、输出流量波动大等缺点，而且由于其结构的原因，使得这些 缺点很难加以克服。本文正是针对三缸单作用钻井泵的缺点，对其进行参 数优化来提高效率和减小体积。 1 3 本文研究的主要内容 本文首先对目前国内外在用最多的13 0 0 h p 三缸单作用泥浆泵动力端 的曲柄连杆式三缸泵进行了分析，然后用s o l i d w o r k 构建三维模型，应用 c o s m o s m o t i o n 插件进行运动仿真和w o r k b e n c h 力学分析，提出了目前由曲 柄连杆驱动的三缸泵存在的的问题。通过13 0 0 h p 三缸单作用泥浆泵动力 端优化研究，获得了泵优化参数。以下是本文研究的主要内容； 1 ) 对目前国内外钻井泵技术的研究和发展进行了分析； 2 ) 对曲柄连杆机构优缺点进行了分析和比较； 3 ) 泥浆泵动力端三维建模； 4 ) 泥浆泵动力端建立了动力学模型并进行了仿真分析； 5 ) 泥浆泵动力端部分部件进行了有限元分析； 6 ) 泥浆泵部件优化； 7 ) 得出结论。 1 4 本文研究的技术路线 先从理论分析泥浆泵动力端， s o l i d e w o r k s 三维软件进行建模， 学分析和优化。 主要优化路线如图卜1 所示： 找出影响动力端性能的参数。然后用 c o s m o s m o t i o n 动态仿镇，w o r k b e n c h 力 5 1 3 0 0 h p 泥浆泵动力端参数优化研究 图卜1主要优化路线 1 5 本文的主要创新之处 本文的主要创新之处体现在以下几个方面： 1 ) 本课题把传统设计方法与现在设计方法( 有限元软件) 相结合， 对具体工程实例做了探讨分析。 2 ) 介绍优化设计的基本原理和方法。利用著名有限元分析软件 c o s m o s w o r k s 、w o r k b e n c h 进行了优化设计，提高设计质量和设计效率。 利用有限元分析软件对主要零件进行仿真，能更直观观察到危险点。 3 ) 对关键零件进行了优化，得到优化值。 6 硕士学位论文 1 6 本章小结 在本章中首先指出研究钻井泵的意义、国内外对钻井泵的研究现状 以及钻井泵技术的发展趋势，然后列出本文的研究内容和技术路线，并 指出了本文主要创新之处。通过本章的介绍，读者可以了解一下本文主 要的研究对象和研究成果，为下面的叙述作好铺垫。 7 1 3 0 0 h p 泥浆泵动力端参数优化研究 第2 章 13o o hp 泥浆泵动力端分析 目前使用的泥浆泵大部分是由曲柄滑块机构来驱动，由此我们研究 泥浆泵动力端时我以曲柄四杆机构为研究模型。在此，建立运动学、动 力学，找出动力端参数( 也是后面所需要进行优化的参数) 。 2 1 泥浆泵的结构和工作原理 13 0 0 h p 泥浆泵动力端结构如图2 一l 。 图2 1 13 0 0 h p 泥浆泵动力端 卜传动轴总成2 一曲轴总成3 一飞溅润滑4 一油盒5 、6 一螺栓、铁丝7 一介杆 泥浆泵的动力端是由十字头及润滑、冷却等辅助设备所组成。以曲 柄连杆机构为传动端的往复泵，一方面通过这一机构把原动机的旋转运 动转化为活塞的往复运动，另一方面则经它把原动机的机械能传递给被 输送液体。我们知道往复泵在正常工作时，作用在曲柄连杆机构上的力 有：作用在活塞上的液体压力；运动构件( 包括活塞、活塞杆、十字头、 曲柄等) 的惯性力；运动副中的摩擦力；运动构件的重力以及作用在曲 轴上的驱动力等n 纠。在满足排量的前提下，适当增大冲程，合理降低泵 速。 其目的是降低活塞速度和泵的应力循环次数，以延长泵易损件的寿 命：控制活塞的最大加速度以改善泵的吸入性能，提高泵的容积效率， 减免水击和振动的发生，降低泵的生产成本和提高可靠性。 硕士学位论文 2 2 运动和动力特性分析 2 2 1 运动分析 正置曲柄连杆机构见图2 2 ，其曲轴中心线与活塞中心线同心。这是 泥浆泵常用的一种曲柄连杆机构，活塞的位移x 由其右止点开始计量。 x 叫( 1 一s m 妻( 1 s 卢) 】x - ， ( 1 一c o s 咖妻( 1 一c o s 鲫 ( 2 1 ) 式中：允是连杆比( 允3 手) ，是曲柄半径，是连杆大小头孔中心的 距离，a 是曲柄转角，卢是连杆转角。 因： c o s p = ( 1 一a 2 s h l 2 酬彪= 1 一譬咖2 a 一等s i i l 4 a 一 ( 2 2 ) 把式( 2 1 ) 代入( 2 1 ) ，并利用三角函数的倍角公式简化可得： x ：，( 嘞+ qc 。s a + c 。s 2 a + 口4c 。s 缸+ ( 2 3 ) 删+ 扣云“ q = 一1 ， 口= 一三九一上a ：一旦九s 41 65 1 2 矾：上+ 三允5 + 6 42 5 6 一壶a 5 9 1 3 0 0 h p 泥浆泵动力端参数优化研究 连杆比允是一个重要的结构设计参数。采用较大的九( 即较短连杆) ， 可使泥浆泵高度减小，重量减轻，但同时也使活塞的加速度和连杆的摆 角加大，相应的往复运动质量的惯性力和活塞的测推力加大。所以设计 时总要综合考虑n 们n 。即使对于较大的连杆来说，式( 2 3 ) 中含九的 三次以上个高次项的数值也很小，可略去不计，即得活塞位移近似 x = ， ( 1 - c o s a ) + 号( 1 一c o s 2 a ) 】 ( 2 4 ) 将式( 2 1 ) 对时间求导，得活塞速度 矗r s i i l ( a + 口) 1 ，= = ，w 二二二 西 c o sp ( 2 5 ) 此式是活塞速度的准确表达式。 将活塞位移的近似式( 2 4 ) 对时间求导，可得活塞速度的近似式 ，：州s i n 口+ 生s i n 2 0 f 1 、 2 7 ( 2 6 ) 用近似式计算活塞速度，在a = o o 、9 0 0 、 18 0 0 、27 0 0 时没有误差， 在其他曲拐转角时有误差。但即使对九= o 3 2 的机构，最大误差也不大 于o 0 0 5 7r ，相对误差小于0 8 3 。对于九 o 3 2 的机构误差更小。 按近似式画出活塞的速度随曲轴转角的变化的曲线。当活塞由右止点向 左止点运动时，其速度为正，反之为负。o o 9 0 0 和27 0 0 3 6 0 0 之间，活 塞速度各出现一个极值。记活塞速度达到极值时曲轴转角一则有： 老- c 0 s “( 2 c o s 2 a 一_ 1 ) = ” ( 2 7 ) 口口f97 ) a 一= 甜c 。s 【去( 1 埘2 1 ) 】 ( 2 8 ) k 2 m ( s i n a 一+ 号s i n 2 a 一) ( 2 9 ) 对于常用的入范围，活塞速度达到极值的时刻接近于连杆和曲柄相 互垂直的时刻，即a + p = 9 0 。或2 7 0 。时，并且接近于曲柄销中心的 圆周速度r w ，随连杆比入的增大，略有增大。 活塞的平均速度： 志- o 6 3 6 6 刖啤均2 i 石而刈由的。刖 ( 2 10 ) 式中：s 为活塞行程m ，n 为曲轴每分钟转数r m i n ，w = 竺，将式 3 0 ( 2 5 ) 对时间求导 l o 坝士学位论文 歹= 去= 甓泸+ 名簖】 ( 2 。 衍 c o s c o s 3 。 这是活塞加速度的准确表达式。 将式( 2 6 ) 对时间求导，则可得活塞加速度的近似表达式 歹= n 扩( c o s 口+ c o s 2 口) ( 2 1 2 ) 用近似式计算活塞加速度，在a = o o 和l8 0 0 是没误差，在a = 9 0 0 和2 7 0 时误差最大。当九= o 3 2 时，近似式算出的厶和厶比准确值小 o 0 1 7 8 ，相对误差约为5 3 。对于九 o 3 2 时的机构，计算误差更 小1 【1 5 】。 2 2 2 动力特性分析 动力端受力如图2 3 。 t 图2 3 动力端受力图 动力从曲轴的齿圈传递给曲轴，曲轴通过连杆和十字头传递给活塞。 在运动的这几个传递的过程中，总效率有所损失。在理论计算上，可以 按照一定的机械效率计算各个中间部件的受力情况。 首先需要确定出活塞杆上的作用力。由于活塞有两种工作状态：吸 入过程和排出过程，所以活塞杆的受力需要首先判定活塞工作状态。 其次需要从运动学分析的角度计算各个运动部件的惯性力。并在考 虑十字头的摩擦力后，得到连杆上的作用力。最后得到连杆力在曲轴上 的径向力分量和切向力分量。 2 2 2 1 活塞杆上的作用力 按照图2 3 所示的曲轴连杆模型，在连杆绕支座做逆时针转动时， 活塞杆上的拉力或压力依据活塞处于吸入过程和排出过程，分别计算活 塞杆上的作用力。当曲柄作顺时针转动时，以下计算公式正好相反。也 就是说，吸入过程和排出过程的判断正好相反。q = o 。l8 0 。是排出过 1 3 0 0 | i p 泥浆泵动力端参数优化研究 程，a = 1 8 0 。3 6 0 。是吸入过程。 本计算只计算了逆时针转动的情况。 ( 1 ) 吸入过程 当q = 0 。18 0 时，系统处于吸入过程，活塞杆上所受的作用力等于： = 万三勿矽+ 万碣洲狮 ( 2 1 3 ) 式中：活塞杆在吸入过程中所受的作用力名= 万p 阿+ 万和蜘 d 一缸径，取最大值d = 13 0 m m p 一活塞过盈接触面上的压强，或介杆密封处盘根过盈接触面 上的压强唇口，取p = 1k g c m 2 b 一活塞过盈宽度取b = 1 6 2 4 m m b 一盘根过盈宽度取b = 3 9 m m n 一盘根数，取n = 4 f 一钢与橡胶的摩擦系数，取f = 0 2 4 d 一介杆直径，取d = 9 0 m m 按照最大缸套尺寸和载荷参数，按照( 2 13 ) 式可得活塞杆上的力 等于 = 万三勿矽+ 万碍p 勿锄= 1 3 1 6 2 4 o 2 4 + 9 l o 3 9 o 2 4 4 = 2 6 4 6k n ( 2 14 ) 在吸入过程中，活塞杆上的力为正，表示受拉力作用。 ( 2 ) 排出过程 当q = 18 0 。3 6 0 。时，系统处于排出过程，活塞杆上所受的作用力 等于 圪= 一 寻d 2 ( p 。一见) + 万d ( b 一见) 矽+ 万勿蜘】 ( 2 15 ) 式中：屹活塞杆在排出过程中所受的作用力( k n ) n 排出过程中缸套内的工作压力 b 2 3 5 m p a 见排出过程中缸套外的工作压力：见= l m p a 按照( 2 15 ) 式可得活塞杆在排出过程中所受的作用力： 圪= 一【等d 2 ( b 一见) + 万d ( p l 一见) 矽+ 万勿蜘】 q = 一 13 13 3 4 9 4 + 13 3 4 9 1 6 2 4 o 2 4 + 丌 9 1 o 3 9 0 2 4 4 = 一518 6 3 2 5 k n 在排出过程中，活塞杆上的力为负，表示受压力作用。 2 2 2 2 各缸组件往复运动的惯性力 1 2 硕十学位论文 ( 1 ) 往复部件的惯性力 在连杆往复运动的过程中，所有部件都会产生水平方向的惯性力。 下面公式用于计算往复运动部件的水平方向的惯性力分量。铅直方向的 惯性力只考虑曲轴上的部件产生的离心力影响，至于其他部件在铅直方 向的惯性力忽略不计。 i = ，( c o s q + 名c o s 2 ) ( 2 1 6 ) t 2 = m ，彬( c o s + 力c o s 2 ) 3 = 朋，彬( c o s + 力c o s 2 ) ( 2 17 ) ( 2 18 ) 式中：t 一各缸组件往复运动的惯性力( k g ) ；下标l 、2 、3 分别表 示左、中、右缸。 m ，一各缸往复组件的总质量 朋p = 聊，+ o 3 5 柳。一由活塞至十字头各件质量的总和 聊。= 3 6 0 5 9 8 = 3 6 7 3k g m 。连杆的质量 肌d 2 3 9 1 3 9 8 = 3 9 9 3k g 所以，往复组件的总质量等于： m 。2 3 6 3 3 + o 3 5 3 9 9 3 = 5 0 3 1 k g( 2 1 9 ) ( 2 ) 惯性力系数： r 一曲轴半径；按照设计图纸，取r = 15 2 5 m m w 一曲柄旋转加速度 由下式计算 w = n 3 0 = 1 2 5 7r a d s 根据以上参数，得到( 2 16 ) 式惯性力计算中的计算符号 肌。= 5 0 3 1 o 15 2 5 1 2 5 7 2 = 1 2 1 1 6 7 堙 ( 2 2 0 ) ( 3 ) 曲柄半径与连杆长度 入曲柄半径与连杆长度之比：按下式计算： 1 3 1 3 0 0 h p 泥浆泵动力端参数优化研究 a = r 1 = 1 5 2 5 11 4 5 = 0 1 3 3 1 9 a 一曲柄转角； 这三个夹角之间的关系为 呸= + 1 2 0 0 鸭= 一1 2 0 0 2 2 2 3 各十字头销钉上所受的水平力 连杆上的作用力要通过十字头传递给活塞杆。在连杆的传递过程 中，十字头部位的力要进行分解，只有连杆里的水平量f 才传递给活塞 杆( 图2 4 ) 所以需要采用如下方法，将活塞杆的力换算为连杆的力。 f 圈2 4 十字头上的力的分解示意图 ( 1 ) 吸入过程 = 0 。1 8 0 。时，系统处于吸入过程。在吸入过程，因为十字头上 的水平力等于活塞杆上的吸入情况的水平力，与摩擦力，还有惯性力的 和，即 f = 名+ 够一彤+ = 名+ 够一，j 辔i + ( 2 21 ) 所以，十字头的水平力等于： ，= 垒竺：生f = 三鱼：兰鱼兰竺z ：兰量三兰竺：! 生 1 + i 增汐， 1 1 + i 留io 1 ( 2 2 2 ) 其中的惯性力按照( 2 1 6 ) 式取值。 ( 2 ) 排出过程 当q = 1 8 0 。3 6 0 。时，系统处于排出过程。在排出过程，因为十字 头上的水平力等于活塞杆排出情况的水平力，与摩擦力还有惯性力和， 即 f = 吃+ 盯一可+ t = 尸肪+ 盯一，l 留l 厂+ ( 2 2 3 ) 1 4 硕十学位论文 所以，十字头的水平力等于： f =生墅生一 1 8 6 3 2 5 ，4 9 7 4 5 5 o 1 + 1 + l 留i 厂 1 + i 留l o 1 ( 2 2 4 ) 式中： g十字头总成的相当重量： g = q + o 3 5 q g 十字头总成的重量： g j = 3 6 0 5k g m s 2 则十字头总成的相当重量等于： g = 3 6 0 5 + 0 3 5 3 9 1 3 = 4 9 7 4 5k g m s 2 厂：铸铁与铸铁的摩擦系数；动摩擦，有润滑剂时取厂= o 0 7 一o 1 2 。 这里取厂= 0 1 。 n ：十字头在滑道上的正压力；按下式计算 n = f t g p 2 2 2 4 连杆与轴线的夹角计算 因为r s i n 口= ，s i n ，所以连杆和轴线之间的夹角等于： = a r c s i n ( 五s i n 口) ( 2 2 5 ) 2 2 2 5 各连杆上承受的作用力 十字头上的水平力f 与连杆力辟之间存在如下关系： f = 二_ i ( 2 2 6 ) l 刀c o s 一7 式中：刀连杆小头轴承的机械效率；取7 7 = 9 8 。在曲轴转动过程中， 连杆方位不断变化，所以，上式中的不断变化。需要利用连杆和曲柄 之间的几何关系( 2 2 5 ) 式确定两者的关系。 2 2 2 6 连杆力在曲轴上产生的径向分力和切向分力如图2 5 。 图2 5曲柄上力的规定 设曲柄转动的任意位置，它和滑道连线正向( 图2 5 中向右) 之间 1 3 0 0 胛泥浆泵动力端参数优化研究 的夹角为q ，连杆和滑道连线之间的夹角为b 。连杆力只在曲柄方向的分 力为r ( 向外为正) ，在切向分力为t ( 和转动方向一致为正) 。图2 5 中 切向力为负值。当曲柄转动到不同方位，对应着不同的曲柄受力情况， 下面按照曲柄的4 种不同的受力情况，给出不同的计算公式。 ( 1 ) 曲柄受拉 当0 。q + b 9 0 。时，曲柄受拉 r = c o s ( 口+ ) ，丁= 一足s i l l ( 口+ )( 2 2 7 ) ( 2 ) 曲柄受压 当9 0 。q + b l8 0 。时， r = 足c o s ( 口+ ) ，丁= 一足s i n ( 口+ ) ( 2 2 8 ) ( 3 ) 曲柄受压 当9 0 。3 6 0o q + b18 0 。时， 尺= 一c o s 1 8 0 0 一【( 3 6 0 0 一口) + 】 丁= s i n 1 8 0 。一 ( 3 6 0 。一口) + 】 ( 2 2 9 ) ( 4 ) 曲柄受拉 当0 。3 6 0 。一d + b 9 0 。时， 尺= c o s 3 6 0 。一口+ 】， 丁= 只s i n 3 6 0 。一口+ 】 ( 2 3 0 ) 这里的曲柄所受法向力r 离开圆心向外为正，切向力t 与转动方向一致 ( 逆时针) 为正。 2 2 2 7 齿圈的轴向力 根据齿圈上的力作的功率等于三个活塞所作功率的和，可以推算齿 圈上的轴切向力( 当然应该考虑功率传递过程中的机械效率) 。这里的机 械效率近似地取o 9 8 p 南( 堋一去慧( 州堋- - o 2 2 0 9 3 ( 堋 ( 2 31 ) 实际齿圈上