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机械毕业设计130BW-100型泥浆泵曲轴箱与液力端特性分析、设计论文 .doc
机械毕业设计130BW-100型泥浆泵曲轴箱与液力端特性分析、设计论文
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机械毕业设计130BW-100型泥浆泵曲轴箱与液力端特性分析、设计论文 ,机械毕业设计论文
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1 摘 要 钻探用泵是钻探设备的 重要 组成部分之一。钻探用泵主要是洗孔用泵，在我国地矿部的部颁标准定为泥浆泵，泵的形式定为往复式泵。在钻探施工中，泥浆泵担负着向孔内输送清洗液，并能使其在孔内 循环 的作用 。在某些特 种工序中还用泥浆泵向孔内灌注水泥浆等物质。 泥浆泵是 石油矿场钻井 作业中的关键设备之一，它的性能、结构、可靠性、适应性、经济性以及使用寿命，直接影响着钻井质量的好坏 。 泥浆泵是往复泵的一种。 本人所设计的泥浆泵是卧式三缸单作用往复式活塞泵，它 是通过活塞部件的往复运动，引起密闭的工作腔室容积变化，从而形成腔室内外压力差变化，以吸入和排出液流实现能量转换的。该卧式三缸 单作用 泵在生产实践中得到 了 广泛的应用。 关键词： 泥浆泵 ，往复泵，钻井 nts 2 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. nts 3 第一章 绪论 1.1 往复泵的应用与发展 往复泵是最早出现的泵类机械，曾在工业界广泛使 用。 19世纪末和 20世纪初，德国的魏斯特法尔 (M.WestPha1)和贝尔格 (H. Berg)等人曾对往复泵技术基础理论 的研究做 出了 杰出的贡献。贝尔格的活塞泵 一书是当时关于往复泵原理 和设计的权威性著 作。这本 著 作 中有关泵阀运动的分析和公式，吸 入、排出过程中液缸内 压力变化的规律，吸入管 中的惯性水头值计算等至今仍被引用。但在 20世纪中 ，后起的离心泵、转子泵等在许多应用领域取代了往复泵。 其主要原因就是它们的结构简单，通用性强。受此影响，往复泵的技术基础理论和没计、制造技术的研究发展工作长期停滞不前，特别是 在基础理论方面，往 复泵 无论是与内燃机、活塞式压缩机等往复式机械相比，还是与离心系 等动力式泵相比，其差 距都是相当大的。 但是，往复泵 所具有的一些性能上的特点和优点是其它类型泵无法比拟的。因而它的应用也 不可被取代。除了上面提到的在泵压变化的条件下可实现排量恒 定外，还有能在严苛条件 下 泵送特种介质 (腐蚀性、磨砺性 、高粘度、离密度、 高温 等 )，效率高，排 出压力高等 特点。这些特点决定了往 复泵将在下列领域保留它的应用： (1)在化工 厂中用于泵送特种介质； (2)用于矿 业 生产中输送煤浆、金属 矿浆等，包括远距离 输送作业； (3)用于石油、天然气矿场的钻井、固井、压裂、注水等作业； (4)石化、药品、食品等生产流程中的配料计量泵； (5)为水压机等锻压机提供动力的高压液压泵。 在以上几种应用场合中，不但所要求的排量、压力、功率和驱动、传动型式相差甚远， 而且为适应各种不同的特种介质和性能要求，泵的液力端结构设计差 别很大。从这个意义上来说，往复泵在今日已不再是一种“通用机械”了。 nts 4 一方面各应用领域内生产产品、 工 艺规模的发展变化，使各类往复系 统 更好地适应 和满足生产部门的需要；另一方面各类往复泵之间仍需要 相互借鉴和启 发。 在本世纪后半叶，由于应用往复泵的资源开发、石油化工及其它化工、重型机器制造等 工业部门的发展需要， 往复泵的基础 理论与研究和新 产品开发工作又受到一定程度的重视。主要研究成果大多以该应用领域用泵，如计量泵、钻井泥浆泵 、化工用泵 等专著的形式出现。 针对往复杂、制造成本高的 特点，要努力提高各类 往复泵的标准化和通用化水 平。模块化设计是一个方向，即以最少数量的液力端和传动端的模块 组合成适应范围极广的 变型 泵结构夏 产品。还可以用同一尺寸 的液 力端改变材料后适应不问的介质和压力，相同的传动端并 联 成不同缸数的泵， 等等。 在提高标液化和通用化程度的基础上： 普及 CAD CAM技术的应用，加强可靠性的研究。 提高曲轴、缸体、泵壳等复杂 形状零 部件的设计、工艺水平，提高轴承、密封件等基础元件 的质量，提高装配工艺水平。还应指出，往复泵多用来泵送特种介质，这是它的优势所在，但由此产 生的问题是液力端零件，特别是易损件的寿命较低，因此，重 视液力端水力过程机制的 研究及其零件失效原因 的研究，提高零件的使用寿命，减少停机修理时间， 合理安装与维护 也是进一步 发挥往复泵 特长的重要 课题。 1.2 泥浆泵的发展情况 到目前为止，使用泥 浆泵钻井己有一百多年的历史。早期的泥浆泵的功能仅在于循环泥浆、冷却井底、携带岩屑和在井壁形成泥饼。在四十年代末，采用了喷射式钻井，以及后来的井下动力钻具钻井，利用高压泥浆的冲蚀力辅助破碎岩石可以加快钻井速度，利用泥浆的动力驱动井下涡轮钻具也可以旋转钻井，从而扩大了泥浆泵的功能和使用范围。 泥浆泵早期的典型结构是双缸双作用泵，这种泵使用时比较可靠，但是体nts 5 积和重量都较大，效率低，压力波动大。随着钻井井深的增加和套管层次的增多，对钻井泵的排量和泵压提出了愈来愈高的要求。这也导致了泵功率的急剧加大，泵的重量和外形尺 寸也随之增加。为减轻泵重，当时在双缸泵的设计上较大的改进是以钢代铁和减小泵宽。以钢带铁是用钢板焊接的泵壳代换铸铁泵壳，并将一些零件改用优质合金钢制造 ;减小泵宽是应用大直径的滚动轴承作连杆大端支撑，摒弃悬臂曲拐轴设计。这样，两缸中心距明显缩小。这些都是50年代双缸泵的主要改进之处。当然，除此之外在细节结构上也有不少改进。尽管在 50-60年代喷射钻井工艺本身提出了 5210 10 Pa的泵压要求，但双缸泵的实际持续工作泵压只能达到 5150 10 Pa左右。限 制泵压提高的主要因素是活塞橡胶皮碗的寿命。双缸双作用泵的活塞是“捂”在缸体里的，冷却散热条件极差。尽管冲次不高，但在高压下由于活塞皮碗与缸套的摩擦，仍 将 产生 100上下的温度 :再加上与缸套间的各种磨损作用，皮碗很快老化破裂，不能保证钻井作业的正常进行 和使用 的合理寿命。但这种单向活塞和敞口缸套的结构给吸入带来了特殊的问题，即三缸泵的吸入过程中，只要缸内压力低于当地大气压，空气就 可能从活塞背后侵入液缸而破坏正常吸入。所以，在原则上三缸泵应配置 灌注泵，这也是国外通常的做法。三缸单作用泥浆泵的优点在于体积小、重量轻 、效率高、压力波动小，特别适用于钻井。三缸单作用泥浆泵经过三十多年的不断改进和完善，在性能上、结构上、可靠性、适应性与经济性等方面，已经走向成熟，使用效果也很显著。 在我国，第一台泵是五十年代诞生的，为双缸泵。在七十年代，由于钻井工艺的试验和推广，引进国外三缸泵及技术。从此开始了三缸泵的研制工作，它在短短的数年中取代了双缸泵，成为提高喷射钻井水平的关键设备。 1.3 泥浆泵的作用和特点： 在使用旋转钻井法钻石油、天然气井的作业中，钻井 往复泵用于泵送钻井nts 6 液 泥浆，使其循环流动进行冲井。所以钻井泵通常被称为泥浆 泵。按其工作重要性，又被比拟为 “ 钻机的心脏 ” 。 泥浆循环是旋转钻井过程中的关键作业，主要有以下作用 : 1、清除井底的岩屑并将其经由环形空间携至地面； 2、在井壁上造泥饼，防止井壁坍塌 ； 3、平衡或控制已 钻开的井段中的油、气、水层压力，防止井喷； 4、处理井下复杂情况。如遇裂缝地层时泵入堵漏材料，遇卡钻时泵入原 油、柴油解卡等。 5、冷却钻头，润滑旋转的钻柱。 与目前在工业生产中实际应用较广泛的其他往复泵相比， 地质钻探用 泥浆泵的作业条件有所不同， 主要有以下几个方面 : 1、 排量和功率大。在机动往复泵中，常用的化工用 泵、计量泵、高压液 压泵等的排量为 2-20L/s，功率至多 550kw。钻井中为保证泥浆在环形空间中有足够的上返 速度和钻头 上有 足够的压力降，一般要求钻井泵单泵有 30-50L/s的排量 ;而功率最大的钻井泵已达 1481kw。 2、 钻井泵持续工 作于野外，并经常移运。安装时不可能配有讲究的基础。所谓“泵房”最多不过是一架简易的顶棚。环境条件与维护保养非常 差。这种条件不但无法与固定厂房里的泵相比，甚至也不能和固井压裂泵相比 :固井压裂泵虽然也在井场工作，但可以较稳固地安装在重型汽车上，在野外工作数小时后即可驶回基地检修 。 3、 钻井泵输送的介质是泥浆，其中含有碱、酸、硫化氢等腐蚀成分和细 小的岩屑及大量未知的杂质。 因此，钻井泵液力端的零件在工作时经受介质的腐蚀，磨砺和冲蚀。 在 上述的基本工作条件 工作 又为钻井 泥浆 泵的设计带来以下的特点 : 1、冲次低。中、大功率双缸钻井 泥浆 泵的冲次为 60-65/min，三缸泵的使nts 7 用冲次为 90-120/min。在机动往复泵中是最低的。冲次难以提高的首要原因在于钻井泵的功率和排量很大， 且 安装条件又差， 故对对 冲次提高 而 引起的冲击、振动较为敏感 :此外，易损件的寿命和吸入条件也是限制冲次提高的重要因素 。 2、钻井 泥浆 泵不仅排量大，而且泥浆有一定的粘度。有时还需在泥浆中混入纤维状或片、粒状的堵井漏材料。因此，钻井泵除要求吸入、排出管线有较大的流道面积外，还要求有相当大的阀座孔流道面积和阀升程。钻井泵的阀座孔流道直径为 100mm左右，阀升程为 20mm左右， 这比其它种类的往复泵要大的多。这一特点首先决定了钻井泵的泵阀开启、关闭滞后角较大， 一般在 10度 -20度，这对 容积效率和吸入管中的 惯性水头值有很 大的影响。其次，阀盘直径 大，其上受的总液压力 也大。其结果，一是恶化了面积有限的阀体 -阀座接触面的受载 ;二是阀体为具 有足够的强度必须做得较厚实，增大了它的质量和惯性，这也是不利于提高泵速的因素之一。 3、外形尺寸大。泵的排量决定于冲次、活塞直径和冲程长度，钻井泵的排量大而冲 次低， 因而必须加大活塞和加长冲程。按它的外形尺寸和重量，钻井泵为往复泵中的巨型泵。 4、钻井泵是在环境条件很差的野外作业，它的某些结构设计也反映了这一特点。主要一点是在传动端全部采用滚动轴承而避免采用 由 液体润滑的高比压滑动轴承。在曲轴连杆部件中，由于不采用滑动轴承，曲轴只能在两端简支，三个曲轴之间没有支点 。这一方面减弱了曲轴的强度和刚度，另一方面又将泵内减速齿轮置于 曲柄之间而不是靠近轴承。而在一般减速箱的设计中，要求齿轮尽可能靠近轴承，以保证较好的啮合。 5、由于 钻井 泵 输 送的介质具有腐蚀性和 较强的 磨砺性 ,再加上矿场维护保养条件 很 差 ,钻井泵液力端的易损件寿命比之其它行业应用的往复泵都要低。 1.4 钻探工作对钻井泵性能的要求 钻探工作队钻井泵的要求主要有以下几点 ： nts 8 1.钻井泵的排量要能简便、迅速地在较大范围 进行调节，最好能实现无级调节 ; 2.钻井泵的排出压力也要能在较大范围进行调节 ; 3.当根据钻进工艺规程将泵量调定以后，它不能随泵的排出压力的变化而 发生变 化 ; 4.工作可靠、易损件寿命长、便于维修保养 ; 5.要能适应不利条件下的工作 ; 6.运移性要好 . 1.5 修 井 作业简介 在油井自喷或抽油过程中，常会发生一些油井或设备故障，造成油井减产，甚至停产。为了恢复油井的正常生产，必须采取相应的措施，排除故障，有时，由于井况发生变化，需要对井下设备进行更换，以调整油井参数。这种排除故障或调整油井参数，恢复油井正常生产等作业，称作修井。所用的一切设备或工具，称为修井设备或工具。 破坏油井正常生产的井下故障很 多，一般由两方面原因所引起 :一是油井本身故障，如井下砂堵，井内严 重结蜡、结盐，油层堵死，渗透率降低，油管断裂、脱扣和渗漏，套管挤扁、断裂和渗漏等 ;二是采油设备本身的故障，如抽油泵游动阀磨损或卡死，抽油杆弯曲、断裂或脱扣等。所有这些故障均可导致油井减产或停产，必须进行修井作业。 修井作业的内容主要有以下几个方面 : 1、更换抽油杆、油管和深井泵。 2、 清除沙堵 (捞砂或冲砂 )和防砂 (造人工井壁等 )。 3、 清除蜡堵或蜡卡。 4、封堵外来水 (上层水或下层水 )和本层水，一般可采用挤水泥或下附加 套管然后注水泥的办法予以隔绝。 5、 修补套管。 nts 9 6、打捞。 7、回采上部或下部 生产层 . 修井作业方式可以归纳为三大类 : 1、起下作业。如油管、抽油杆、深井泵等井下设备及工具的起下，以及抽汲、捞砂、机械清蜡的起下等 2、 液体循环作业。如冲砂、热洗、挤水泥及循环泥浆等。 3、旋转作业。如钻水泥塞，钻沙堵，以及扩孔、重钻、加深和修补套管等。完成上述作业的设备，也基本上分为起下设备 (如通井机、轻型修井机等 )，冲洗设备 (如洗并机、水泥车、锅炉车等 )，以及配备有起升系统、旋转系统和循环系统的中型、重型修井机等。这些设备大多数都是由一些与钻机相类似的机组组成。不同的是这些设备所需的功率相对较小，机 动性较高，一般都固装于汽车、拖拉机或拖车上。 1.6 设计的提出及设计说明书的主要工作 泥浆泵是石油矿场钻井作业中的关键设备之一，它的性能、结构、可靠性、适应性、经济性以及使用寿命，直接影响着钻井质量的好坏。本课题的目的就是设计出一种能够满足生产实践要求的泥浆泵，并对其主要零部件特别是油田作业时易产生失效的零部件如曲轴、齿轮等进行相应的强度校核。 1.7 本章小结 本章介绍了泥浆泵的作用和特点、发展情况以及修井作业的工作内容和作业方式。提出了设计题目及设计说明书的主要内容，从而为设计出 BW-100型 卧式三缸 单作用泥浆泵打下了 一定 的基础。 nts 10 第二章 泥浆泵的运动机理 2.1 引言 泥浆泵是地质钻探设备的心脏，它是固井、压裂、酸化等作业中的关键设备之一，它在石油化工、煤气化工工程、电站、矿山开采、船舶等行业中也起着重要作用。泥浆泵属于往复泵，往复泵的突出优点是 :高泵压，泵压不随流量 (排量 )变化，泵的效率高、并且不随流量变化，能输送高粘度、高含砂量及含磨砺性固体颗粒的液体 .同其它类型泵相比，往复泵的缺点是 :流量比较小，瞬时流量和泵压是脉动的，泵的体积大，易损件较多，维修工作量大。 尽管往复泵有上述不足，但是，这 并不意味着往复泵有全部被其它类型泵所取代的趋势。今后往复泵发展的趋势是 :充分发挥往复泵配套性强，适应介质广泛的优势，充分发挥往复泵在流量较小而排出压力很高时整机效率高及运转性能好的优势，充分发挥往复泵的流量与排出压力无关的优势 .当然，要使往复泵不断发展，不仅要充分发挥它的优势，而且还要不断地克服它的缺点。 BW-100型泥浆泵是三缸单作用泵，对单作用 泵来说其工作原理可下图简化说明 图 2 1 为 单缸单作用泵工作原理示意图。它由滤水器 l、吸入阀 2、泵缸3(即工作腔室 )、活塞 4、活塞杆 5、十字头 6、连杆 7、曲柄轴 8、曲柄销 9、排出阀 10、排出管道 11 等主要零部件组成。 图 2-1 往复式泵工作原理示意图 1滤水器 2.吸入阀 3. 泵缸 4.活塞 5.活塞杆 6 .十字头 7. 连杆 8. 曲柄轴 9. 曲柄 10.排出阀 11.排出管道 nts 11 通常以十字头为分界线，靠近泵缸一端称为泵的液力端，靠近动力输入一端称为泵的动力端。 动力机通过皮带、皮带轮、齿轮等传动件带动主轴旋轮，曲柄轴 8 以角速度 。随主轴一起转动，同时曲柄 轴一端相连的连杆 7 随着曲柄轴的转动带动连杆另 端的十字头 6 作往复运动，十字头通过与它相连的活塞杆 5 带动活塞4 作往复运动，从而实现容腔 3 的容积有规律地变化。 当活塞由泵缸的左端位置 (左死点 )向右方移动时，活塞左端泵缸容积不断变化。由于泵缸是密闭容腔，不与外界大气相通，所以左边缸室内压力降低，形成负压（低于大气压力 )，吸水池中的液体在液面大气压力的作用下，挤开吸入阀进入泵缸，挤开吸入阀进入泵缸，直到活塞移至最右边位置 (右死点 )为止。这一工作过程称为泵的吸入过程当活塞到达右死点后 (即曲柄转过 rad)工作液停止吸入，吸入阀在自重和弹簧力作用下被关闭，活塞向左方 (向液力端 )移动，这时液力端一边泵缸的容积缩小工作液受挤压，缸内压力逐渐加大，挤开排出阀，液体排出，进入排出管道，这 过程称为泵的排出过程。活塞在一次往复过程中，此单作用泵吸入和排出液体一次，活塞不断循环往复运动使液以体不断吸入和排出。 由泥浆泵的工作过程可以得出 :泥浆泵是一个往复泵，它之所以能够实现吸、排液体，是由于活塞在泵头体内作往复运动 .使泵头体工作腔的容积发生周期性变化，从而使吸入管产生真空，使排出管压力升高 。由于泥浆泵是借助于工作腔容积变化进行吸、排液体的，所以泥浆泵 也 是一种容积式泵。 2.2 往复式泵的基本结构 往复泵由动力段和液力端两大部分组成。动力端的功能，是将动力机的回转运动转变为活塞 (或柱塞 )的直线往复运动。它包括传动离合装置、变速减速装置和曲柄连杆。它们的相互位置与安排决定着泵的总体结构型式，决定着泵的驱动方案及结构方案的选择。动力端的主要零部件包括皮带轮，离合器曲轴nts 12 箱体及其中的传动轴，齿轮副，曲轴，连杆及十字头滑块。液力端油泵头体、缸套、活塞、活塞杆吸入阀和排出阀等组成，它的作用是通过活塞在缸套 中作往复运动形成液缸容腔变化，完成能量转化，实现吸入和排出液体。 此泵曲轴箱由两极齿轮变速机构和曲柄连杆机构组成。曲轴箱的输入轴和输出轴通过牙钳联轴器对接传动。当曲轴箱的输入轴上的双联变速齿轮分别和曲轴上的对应齿轮相啮合，曲轴可得到快慢两级转速。加上变速箱的四级变速。曲轴上总共可获得 8 级转速，实现 8 级变速。液力端属于直通式结构，便于制造，装配精度高 。 2.3 住复式钻井泵的流量及其变化规律 2.3.1 曲柄连杆机构及活塞的运动规律 往复式泵通常都是通过曲柄连杆机构将原动机的等速回转运动变为活塞的 往复直线运动，并通过活塞将原动机的能量传递给液体。由于曲柄连杆机构的运动特点，决定了活塞的运动是遵循着一定规律而变化的，这种规律又决定着液体在缸内的运动规律。因此研究流量的变化规律首先要研究活塞的位移、速度、加速度的变化规律。曲柄连杆机构与活塞的运动情况如图 2 2 所示。 图 2-2 曲柄连杆机构与活塞运动情况示意图 若曲柄回转中活塞中心线位于同一个水平面内，以 活 塞在泵缸左端终点位置为坐标原点 。 此时图中角 ， 均等于零。当曲柄顺时针转动时，则活塞自左向右运动，其运动距离为 ： (1 c o s ) (1 c o s )x r L （ 2 1） 式中 ： L 连杆长度， m； nts 13 R 曲轴半径， m； 曲柄的转角； 连杆的摆角。 当活塞自由向左运动时，计算式相同，但右边两项之间取“ ”号，将 cos值换为的三角函数表示则应为 s i n s i nLr （ 2 2） sinsinrL （ 2 3） 2 2 2c o s 1 s i n 1 s i n (2 4) 上式按牛顿二项式展开，可得： 2 2 4 4 6 61 1 1c o s 1 s i n s i n s i n . . . . . .2 8 1 6 （ 2 5） 活塞的位移，速度，加速度的近似计算方程： (1 c o s )xr （ 2 6） sinur （ 2 7） 2 cosar （ 2 8） 往复式泵活塞运动速度 u 不是定值，而是每一瞬时都在变化，而且是近似按正弦规律变化；从上式可知，活塞运动加速度 a 也是在变化的，它在往复运动过程中，近似按余弦规律变化。以单杠泵为例，它在排出液体过程中，活塞自某时刻 t 起，经过时间 t ，活塞移动距离为 x ，则在 t 时刻泵的瞬时 排量为： ( s i n s i n 2 )6 0 2nsQF （ 2 9） 式中 S 活塞冲程，为曲柄半径的 2 倍。 nts 14 对于三缸单作用泵，其曲柄互成 120 度夹角。曲柄回转一周，三个液缸各排出液体一次，故流量变化曲线图上有三条近似正弦曲线。泵的瞬时流量应是各条曲线在同一时刻的纵坐标数值之和， 如下图所示： 图 2-3 三缸单作用泵瞬时排量曲线 活塞的运动规律决定了瞬时流量的变化规律。不同缸数的往复式泵，其瞬时流量的变化范围不同，产生流量不 均匀 。 2.4 泥浆泵流量不均度 流量不均度是用来衡量往复泵流量脉动程度的指标。 m a x m i nmmQ QQQ （ 2 10） 式中：maxmQ 泵的最大瞬时流量 minmQ 泵的最小瞬时流量 Q 泵的理论平均流量。 3 3(1 )6 0 2 6 0 23 360Xn S F n S FnSF =0.14 （ 2 11） 往复式泵的流量不均匀度过大，将给钻探工作带来以下不良影响： nts 15 1 使冲洗液携带岩粉的能力降低，容易造成埋钻、糊钻等事故； 2 会导致液流压力波动增大，从而引起孔壁坍塌或严重漏失； 3 造成吸入系统内液流惯性增大，使吸入性能变坏，使液缸内出现强烈的冲击现象，还可能形成排出系统发生振动，降低泵及其附件的使用寿命； 4 当给涡轮钻具、螺杆钻具等提供动力介质时，冲洗液流量的波动会使 钻具运转不 平稳，时快时慢，还 使得原动机功率的无谓消耗增加。 2.5 本章小结 本章主要介绍了泥浆泵的工作原理，分析了活塞的运动规律、泥浆泵的流量曲线和流量不均度对 泥浆泵 工作 产生 的影响，为 BW-100型 泥浆泵下一步的设计打下坚实的基础 . nts 16 第三章 泥浆泵整体及其关键部件的设计 3.1 BW-100型泥浆泵主参数的确定 主要 技术参数：（ 1）曲轴箱变速： 2 级 （ 2）泵量 (L/min) :18、 23、 28、 35、 43、 53、 72、 90。 （ 3）泵压（ MPa） : 5.6、 5.6、 5.6、 5.6、 5.4、 4.5、 3、 .2.5； （ 4）驱动功率： 5.5kw （ 5）缸径： 60mm （ 6）活塞行程： 65mm （ 7）活塞往复次数 （ r/min）： 38、 47、 57、 70、 87、 106、 147、181； （ 8）驱动方式：电动机离合器 四级变速箱 曲轴箱（刚性轴传动）。 3.2 整体设计方案 单作用 往复式 泥浆泵，绝大多数是采用曲柄连杆传动的。本设计也采用此 种方案，它由动力端和液力端两大部分 组成。 3.2.1 动力端及其关键部件设计和解决方案 动力端的功能，是将 动力机的回转运动转变为活塞 (或柱塞 )的直线往复运 动。它包括传动离合装置、变速减速装置和曲柄连杆。它们的相互位置与安排决定着泵的总体结构型式，决定着泵的驱动方案及结构方案的选择。动力端的主要零部件包括皮带轮，离合器曲轴箱体及其中的传动轴，齿轮副，曲轴 ， 连杆及十字头滑块。按离合器的安排形式，动力端的结构方案为：利用拨叉式皮带带动中间装置上的空转轮和工作轮实现离合。按曲轴箱传动结构方式不同，动力端的结构方案为：曲轴箱内采用具有剖分式的曲拐轴方案 ， 曲轴箱采用铸铁件。设计曲轴箱体时，使内部所有零部件安装、检修方便； 有良好的润滑条nts 17 件；加工时应保证驱动部分零件之间有精确配合，特别要保证 液 缸 中 心距的精度要求。 曲轴 曲轴是泥浆泵的重要部件，本设计中 传动 轴采用曲拐轴形式。如 下图所示： 图 3-1 曲轴 曲拐轴采用球墨铸铁制成，三个曲柄相互相位差为 120 度，两端与轴承相配合，中间用螺栓与齿轮箱连接 ，传递力和扭矩。 因此曲轴是 泥浆泵的重要组成部件 连杆 连杆是泥浆泵中重要的连接部件。 连杆大头与曲轴相连，小头与十字销相连，中间部分为连杆体。 杆体截面采用工字形。连杆大头做成剖分式 ， 连杆小头用铸铁制造，显微组织 为均匀回火索氏体， 正火处理后硬度已 达到 HB230-280.满足要求。 十字 头 十字头是起起导向作用的连杆部件，本设计采用圆筒式结构，如上图所示一边连接连杆，另一边与活塞杆向连接，它传递交变应力 图 5-3 连杆 nts 18 图 5-4 十字头 3.2.2 液力端及其关键部件设计和解决方案 液力端油泵头体、缸套、活塞、活塞杆吸入阀和排出阀等组成，它的作用是通过活塞在缸套中作往复运动形成液缸容腔变化，完成能量转化，实现吸入和排出液体。 液力端中泵 头体的设计：采用具有剖分式泵头的结构方案， 即每一泵缸具有自己单独的泵头，再用螺栓连接成整体。 这种剖分的单泵头体，体积小、铸造容易、检修方便。根据阀门箱的布置 结构不同，液力端采用直通式结构，这样吸入阀和排出阀处在同一轴线上，结构紧凑、余隙容积小、质量轻。泵的液缸体采用灰铸铁铸造 ， 吸入阀、排出阀之间液流通道要短而直，其内径很小 。 考虑 为减小流道阻力损失，加 大拐弯处的圆角，使内壁表面 光滑。液缸内的形状 不利于滞留 空气。吸入、排出阀 靠近缸体， 减少 了 水利损失和余隙容积。 方案使吸入、排出口 便于同吸入、排出管道相连。 活塞 活塞 由活塞座、橡胶密封皮碗、压盖及螺帽等组成。橡胶密封部分制成碗型 ，只在靠 近 排出端一侧有唇型密封皮碗，皮碗紧靠在尼龙塑料支撑环上。 且为了避免皮碗与衬圈接触处产生撕裂或剥落， 采用 由聚酯与合成橡胶为材料的组合式活塞。如 下 图 所示： nts 19 图 3-5 活塞部件 1活塞杆 2.活塞座 3.橡胶活塞 4.压盖 5. 缸套 6.紧定螺母 活塞是往复泵一个重要而又易损坏的部件， 采用上述 设计时 可以收到很好的效果且有以下几个特点 :1 此活塞 设计为可调部件，当皮碗外唇部磨损后，通过调整压紧装置 ，使皮碗中间部分压紧，唇部被挤压少许，仍能压紧缸套 ； 2活塞与活塞杆的缩紧装置牢固可靠，运转时不会 出现松扣现象 ； 3 皮碗损坏后应可以更换，其缸芯部分则可以继续使用 ； 4 皮碗唇部形状应有利于自封。活塞杆的设计及其密封 活塞杆是用来把十字滑块传来的作用力传递给活塞，它制成整体式结构。活塞杆由 40Gr 钢制成，它的密封放在单独的壳体内，有弹性的唇型密封圈组成，并永钢铁套筒和带两个双头螺栓得法兰压紧。缸套设计及密封 ： 缸套用 45 号钢制成，正火处理后的硬度为 HB200-270，内孔表面淬火硬度为 HRC50-60，淬火表层厚度为 1.21.7mm。采用聚酰胺挡圈和有自封性的唇形橡胶对缸套进行密封。 泵阀 采用钢球阀，原因是阀球和阀座直接靠近金属面密封，密封接触面小可以避免液体中的固体颗粒楔入密封面，它在启动中伴有旋 转运动，球面磨损均匀，流道圆滑，液流阻力小，便于制造，互换性强， 拆装方便，便于清洗。阀座又 5Gr 钢制成，整体淬火，淬硬层厚度为 2-4mm。表面硬度 HRC50-55 以上，钢球材由合金钢制成。 3.2.3 整体设计 动力端的曲轴上装三根相同连杆，连杆与十字头用十字头销轴连接。十字nts 20 头的另一端通过丝扣于活塞杆连接。活塞杆通过两层密封圈 后进入缸套。曲轴箱内的传动轴上装一对双联齿轮，可分别与曲轴上的大小齿轮箱啮合，得两组不同的速度，从而扩大泵的变量范 围。 泵头体与缸套做成分离件，钢制缸套裸露于外，用八根长螺栓把缸套紧固于泵头与曲轴箱之间，在曲轴上有导正套是缸套定位。泵头端用定位台阶和尼龙垫片，以保证泵头缸套及曲轴箱三者之间在同一中心线上并使泵头接触处密封。泵头的阀门结构为直通式，泵头的进水，拍水通道为三缸所共有，分别安装在泵头的上 面和下面。每个通道两端结构相同，可以在任一端接进水管和排水管接 。泵头内装六个尺寸相同的阀座，用40Gr 钢制成，压装 在泵头体上。阀座带四个导向爪，并装有钢球阀。缸盖带的短轴头限制吸入阀的升程，排出阀的升程有泵头体上的阀盖限制。采用橡胶件皮碗，与活塞座及压盖一起装在活塞赶上，橡胶活塞的直径稍大于缸套直径，产生密封。曲轴箱内采用飞溅润滑，油面采用量油尺测量，油箱底部安放油螺塞，曲轴 箱盖采用铸铁 制造。 3.3 泥浆泵主要零部件强度校核 3.3.1 曲轴连杆机构的受力分析 在往复泵中，曲轴连杆机构是把旋转运动变成活塞往复运动的机构。工作中，作用在曲轴连杆机构上的力有：活塞上的液体压力 ;各摩擦部位（活塞与缸套，十字头与滑套，连杆大 小头的铰点等）的摩擦力；曲轴连杆机构中运动部件的惯性力以及曲柄上的旋转力矩 ，这些力均与曲柄转角有关。 下图是单缸作用曲柄连杆机构的受力图： nts 21 图 3-6 连杆受力图 作用在活塞上的力为： 2 2 61 0 . 0 6 5 . 6 1 0 1 5 8 2 5 . 644 aP D P P N h （ 3 1） D-缸套内径 m P-一般取泵的排出压力 总摩擦力为 Pf与运动方向相反，取 Ph的 10% 15% Pf =（ 0.1 0.15） Ph =1582.56N 2373.84N （ 3 2） 计算惯性力，首先把曲柄连杆机构的不平衡质量换算到往复运动的十字头销中心和作旋转运动的曲轴中心。 连杆的质量 分成两部分。一部分集中在十字头销中心其质量为 mx；另一部分集中在曲柄销中心，其质量为 my，若连杆的总质量为 mlml =mx +my kg （ 3 3） 这两部分质量的重心应和连杆的重心相一致 mx l1 =my （ l - 1l ） （ 3 4） l1 连杆重心 到十字头销中心的距离； l 连杆长度。 mx =ml 1lll nts 22 my =ml 1ll mx =（ 0.3 0.4） ml kg my = (0.7 0.6) ml kg 曲轴的质量分成三部分。其中不平衡质量为 m1和 m2见图 图 3-7 曲轴不平衡质量换算 把 m1和 m2换算到曲柄销上的质量为 mk： mk =m1 +m2 r kg （ 3 5） 若活塞组件的总质量为 mp，则作往复运动的总质量为 msms =mp + mx kg （ 3 6） 作往复运动的惯性力为： Is =ms a =ms r 2 (cos + cos 2) N （ 3 7） 换算到曲柄中心的不平衡旋转部分的总质量为 mrmr =mk +my （ 3 8） 作旋转运动的惯性力其方向与曲柄半径的方向相同 Is =mr r 2 N （ 3 9） nts 23 次泥浆泵的最高转速为 18 r/min 小于 300r/min，按式 1， 2 计算后所得的惯性力很小忽略不计 作用在十字头销上的力 P为： P=Ph+ Pf=（ 1.1 1.13） Ph=（ 1.1 1.15） 24DP（ 3 10） =0.86 0.9 2DPN =（ 0.86 0.9） 20.06 65.6 10 =（ 2889.6 3024） N 把 P 分解为沿连杆方向的力 Pt和垂直于液缸轴线的分力 N Pt =cosP （ 3 11） N =P tg （ 3 12） 作用在连杆上的力 Pt视角和连杆强度和稳定性的主要依据，力 Pt沿连杆传到曲柄销上又可以分解为两个力：沿曲轴半径的力 Pr和垂直于曲柄的切向力 T T =Pt sin =P sincos N （ 3 13） 切向力和径向力是校核曲轴强度和刚度的主要依据当2时曲轴的受力最大 Pmax =Tmax =3024N Pr =-P =-3024N M=Tr=3024 32.5 310 （ 3 14） =98.28N 三缸单作用泵的曲柄互成相位差 23，所以存在一个液缸排液和两个液缸同时nts 24 排液的情况 当3 23时只有一个液缸排液 Tmax =98.28N 当 0 3和 23 时 有两个液缸同时排液 第一个液缸产生的作用在曲轴的力矩为 M1 = 11s in ( )c o sPr （ 3 15） 第二个液缸产生的作用在曲轴的力矩 为 M2 = 222s i n ( )3c o sPr = 22231c o s ( ) s i n ( )22c o sPr （ 3 16） Mk =M1 +M2 （ 3 17） 当 =6时， 1=2由 M1和 M2两式可知，这时曲轴的力矩最大 M1 =Pr =98.28N 受到的力rP和 T 也最大 Tmax =3024N rP =-P =-3024N nts 25 力14F垂直向上 连杆负荷 曲轴的转角 180 连杆转角 连杆负荷用力多边形计算 12Fur=-32Fuur32Fuur=-34Fuur将作用在连杆上的力绘成力多边形 1 s i ns i n ( )r l r -曲轴半径 l -连杆的长度 l =0.196m 由 =0 2号缸处于排出冲程连杆轴承负荷 34Fuur=4cosF4F=maxAP=15825.6N 34Fuur=11 5 8 2 5 .60 .0 6c o s s i n ( )0 .1 9 6=16658.5N 应 力计算 nts 26 销：rcs=550MPa sn =5502 =275MPa 剪切应力(max)sS=VA（ 3 18） 0.6 =165MPa V-外拉力 A-销的有效截面积 V=16658.5N (max)sS= 221 6 6 5 8 . 5 1 6 6 5 8 . 5 1 1 1 . 0 60 . 0 0 1 5( 0 . 0 1 6 0 . 0 0 8 )4M P a 3.3.2齿轮设计强度校核 泥浆泵齿轮组由大齿轮 1 ，小齿轮 2，双级齿轮 3， 4组成 其中齿轮 1与 齿轮3啮合；齿轮 2与 4啮合 有动力段输入的轴功率 P =P总 22rg r-滚动轴承效率 g-齿轮传动效率 P = 225 0 .9 9 5 0 .9 7KW=4.66KW nts 27 双级齿轮转速 n = 1 7 1 814405 9 5 8 128r/min 由于要求的曲轴最低 转速为 38 1 12838i 3.37 曲轴的第 2转速为 47 r/min 2 12847i =2.7 即13ZZ=3.37 24ZZ=2.7 采矿设备使用寿命长，选用齿轮材料 40nMB，表面淬火，齿面硬度 48 55HRC 机械齿轮传动对齿轮精度无特别要求，轩齿轮 8级精度。 选3Z=18 1Z=3Z 1i=60.66 取1Z=61 按齿根弯曲疲劳强度设计 13 212 ()F s S adFK T Y Y Ymz 因载荷有轻微冲击 K=1.5 初选载荷系数tK=2 6651 19 . 5 5 1 0 4 . 6 69 . 5 5 1 0 3 . 4 8 1 0128PT N mn c o s)11(2.388.121 zz 111 . 8 8 3 . 2 ( ) c o s1 8 6 1 =1.55 0 .7 50 .2 5Y =0.73 查表得： d=0.7 nts 28 1FaY=2.78 1SaY=1.56 2FaY=2.25 2SaY=1.75 9116 0 6 0 1 2 8 ( 1 8 3 0 0 1 0 ) 1 . 8 4 1 0hN n j L 812 5 . 4 1 0NN i 查表得： 1NY=0.85 2NY=0.88 由表选 minFS=1.25 由图按齿面硬度均值 51HRC，在 ML线上查得： m in 1 im 2Fl Fl=450MPa l i m 1 11m i n4 5 0 0 . 8 5 1 . 2 5FNF FYS =306MPa l i m 2 22m i n4 5 0 0 . 8 8 1 . 2 5FNF FYS =316MPa 1112 . 7 8 1 . 5 6 3 0 6F a S aFYYa =0.0141 2222 . 1 8 1 . 7 9 3 1 6F a S aFYYa =0.0123 取 111Fa SaFYYa =0.0141 设计齿轮模数 将确定后的各项数值代入设计公式，求得： 51 1 133 22112 2 2 3 . 4 8 1 0 0 . 7 2 0 . 1 4 1() 0 . 7 1 8t F a S at d F aK T Y Y Ymza =3.8 修正tm： nts 29
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