0020-BW-100型泥浆泵曲轴箱与液力端特性分析、设计【全套38张CAD图+说明书】
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泥浆泵
曲轴
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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
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专业文献阅读报告 1 专业文献阅读报告 钻探工程广泛地应用于金属与非金属矿床，地质勘探 ， 水文地质勘探与水井钻凿，工程地质勘查与施工，石油天然气和地质勘探与开发 、 矿山开采等各个方面 。 由于使用条件不同则需要采用不同类型的钻探设备。所谓钻探设备是指完成一个钻孔所必需的一切地面设备，动力装置及其他技术设备的总称。在一个钻探机组 ，一般包括钻机 动力机和传动装置以及与之配套的钻塔 ， 拧管机等 几十年来 ， 随着钻探方法和工艺的发展 ， 钻探设备有了很大的进步 。 岩心钻机经历了机械手把式 、 机械厂动液压给进式和全压液动 头式三个发展阶段 ；工程钻机 、 水文水井钻机也单一的机械冲击式钻机 ， 发展为振动式钻机 、 螺旋钻机及机械或液压 的 “ 冲击 回转 ” ， “冲击 振动 回转” 的复合式钻机 。 在外观上 、 结构上 、 技术参数及性能方面都发生了重大变化 ， 且已形成了比较 完整的系列。与钻机配套的钻井泵，便量范围增大，变量方式增大多；由于 往复式钻井泵 向高速 短行程发展 ， 泵的自重和体积减小 ；由于广泛采用三缸但作用泵， 泵的排量和压力更加 稳定 。近几年陆续研制了多种螺杆泵，结构简单 、 流量稳 定、轻便可靠 ，已应用于实际钻探工作。钻塔用塔架由大断面四角塔，向小断面 的 A 型塔以及各种类型的轻便塔桅发展，在结构上 、 运移性能上得到较大改善，自重减轻 。 在钻探设备的设计计算方面，由于零件逐渐标准化 、 通用化 ， 设计周期缩短 、 互换性能改善 、 经济效益提高；由于计算机辅助设计 、 优化设计 、 可靠性设计以及有限元分析等方面的应用，钻探设备设计计算方法已开始由传统的设计方法向现代化设计方法转变，在以最短的 时间、 最少的材料消耗 、 最低的成本设计研制出轻便可靠 、 安全高效的设备方面取得了明显的成效。 钻探设备的组成 1 钻机 是进行钻探工作的主要设备。它的功能一般包括两个方面：带动钻具向底层深部钻进； 通过升降机起，下钻具。也就是说， 钻机是完成钻进工序和起下钻工序的主要设备。 2，泥浆泵及泥浆制备，净化设备 泥浆泵向孔内输送冲洗液 以 清洗孔底，冷却钻头和润滑钻具。在使用液动冲击钻具时，泥浆泵还能作为能源装置。 泥浆搅拌机用于制备泥浆及其他类型的冲洗液。 泥浆净化设备 包括震动筛和泥浆旋流除沙器。 3钻塔 用于升降钻具的构筑物。 钻探设备发展状况 凿井技术是我国古代的伟大发明之一。早在秦代就用钻井方法开采井盐。而近代岩芯钻探是由欧美传入的。 有日本的利根钻机，美国的沙利文钻机和荷兰的班加钻等。 就岩芯 钻探设备而言，建国 50 多年来，大致可分为三个阶段 第一阶段： 50 年代 ，引进和仿制手把钻机时代阶段 第二阶段： 60 年代， 自行设计和制造液压立轴及液压转盘钻机阶段。 机是我国第一台自己设计制造的液压立轴式钻机。 在此时期还设计制造了 0 柱塞式三缸单作用泥浆泵以及四脚金属钻塔。从而使我国的岩芯钻探设备进入了自行设计和制造的新阶段。 专业文献阅读报告 2 第三阶段： 70 年代以后，设计制造高速金刚石钻机及其配套的泥浆泵，水文地质和水井钻机 及其配套的泥浆泵，工程地质勘查钻机及工程施工钻机。 这一阶段，钻探设备设计与制造事业蓬勃发展， 并已经形成了具有我国特色的系列产品，完全能够满足国内现阶段钻探工作的需要。 泵的分类 泵是通过一定方式把机械能转变为液体能量的一类机械。由于能量转化方式的不同可以分为不同类型。 靠密闭容腔容积变化进行能量转换的称为容积式泵 (又称静力式泵 )。这类泵根据容 积变化的方式不同，又可分为两类，一类靠活塞 (或柱塞 )等的往复运动改变容腔容积大 小的，称为往复式泵，如活塞泵、柱塞泵、隔膜 泵 等；另一类靠旋转运动件改变容腔容积 大小的，称为回转式泵，如螺杆泵 、齿轮泵等。 靠旋转叶轮进行能量转换的称为叶片式泵 (又称动力式泵 )，如离心泵、轴流泵等。 靠其它方式进行能量转换的泵有电磁泵、水锤泵、喷射泵等。 钻探用泵是钻探设备的组成部分之一。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。在某些特种 工序中还用泥浆泵向孔内灌注水泥浆等物质。 活塞每往复一次完成一次吸入和一次排出过程的泵称为单作用往复泵，活塞每往复一次完成两次吸入和两次排出过程的泵称为双作用往复泵 。 钻 探工作对钻井泵性能的要求 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。 以后，它不能随泵的排出压力的变化而发生变化。 、易损件寿命长、便于维修保养。 适应不利条件下的工作。 性要好 泥浆泵是卧式三缸单作用活塞泵 ，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。 图 1 1 为卧式单缸单作用活塞泵示意图。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。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。 专业文献阅读报告 3 图 1 往复式泵工作原理示意图 1滤水器 3. 泵缸 7. 连杆 8. 曲柄轴 9. 曲 柄 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 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。 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。 住复式钻井泵的流量及其变化规律 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 1 2 所示。若曲柄回转中活塞 中心线位于同一个水平面内，以塞 在泵缸左端终点位置为坐标原点 此时图中 A、 4 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， 专业文献阅读报告 4 图 1柄连杆机构与活塞运动情况示意图 上式按牛顿二项式展开，可得 ： 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： 式中 S 活塞冲程，为曲柄半径的 2 倍。 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， 专业文献阅读报告 5 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 。 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： 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 往复式泵的易损件及影响其寿命的主要因素 钻井泵工作条件恶劣，是钻探设备中的一个薄弱环节。在实际生产活动中，因为泵出事故或损坏而停钻几乎每天可以遇到。在石油钻井中曾有人作过统计：当钻身为 2500M 时，有 28 4的每天支出费用花在钻井泵上，有 钻井没备修理工时是用在修理钻井泵上。而钻井泵的事故绝大多数是由于易损件损坏造成的。据统计，苏联 1970 年钻井总进尺 为 1382 万米，而消耗缸套达 89200 件、活塞 175000 件、阀 238000 套。胜利油田 1972 年73 台钻机统计，钻井泵 7 项易损件总消耗 157 万元，其中阀 58 万元、活塞 27 万元、缸套30 万元、拉杆及盘根等 42 万元。由此可见：研究易损件的破坏机理及其寿命的影响因素，从而提高易损件寿命和工作可靠性，对于减少人力、物力消耗、提高钻进效率、降低成本有十分重要的意义。这对钻探设备的设计来说也是一个关键问题。 实践表明：对于不同型式的钻井泵即使同一种易损件其使用寿命也不相同，就是同一台泵、同一种易损件，经过改进与未经改进的寿命也不相同。这就说明，在充分认识各种因素对易损件寿命的影响 之后，经过结构、材质及加工工艺方面的改进，易损件的寿命是可以提高的。 往复式泵易损件主要包括缸套、活塞 (或柱塞及其盘根 )、阀和阀座、活塞杆及其盘 根等。都是往复运动件及其密封摩擦副的对磨零件，它们有两个共同特点：一是对磨零 件是弹性体，它可以变形；二是在工作过程中承受着一定的压力差。因此它与两个刚性 零件形成的摩擦副不同，其摩擦和磨损规律的研究更困难。 往复式泵易损件的磨损，一般又分为正常磨损和非正常磨损。 易损件的结构、加工制造质量与装配公差；材料性能；摩擦副的润滑；泵所输送介质的排量，压 力，温度，化学性质，介质中所含磨砺性颗粒的性质，形状，大小，多少；维修，保养 ，包装， 运输及储存等工作性质的好坏等都是影响易损件寿命的主要因素。 设备维护的目的和要求 1设备维护的目的 设备维护的目的是保证设备经常处于良好的技术状态，延缓设备性能退化速度 设备事故 少 ，减少停工损失；又能降低维修工作量，减少维修费用。 专业文献阅读报告 6 2设备维护的八字要求 1)整齐 设备零、部件及安全防护装置齐全， 2)清洁 设备内外清洁，动导轨面无损伤。 3)润滑 按“润滑五定”要求进行润滑，润滑装置齐全，完好，油位显示清晰 ，油路畅通，油压符合要求。 4)安全 合理使用，精心维护，设备经常处于良好技术状态；严格执行定人定机和交接班制度并作好运行维护记录。 通过对有关泥浆泵方面书籍文献的阅读使我对 所 设计的泥浆泵有一定的了解和认识，为 我设计和绘制泥浆泵奠定了基础。 参考文献 1成大先。 机械设计手册。 北京： 化学工业出版社， 2002 2杨惠民。 钻探设备。 北京： 地质出版社， 1998 3冯德强。 钻机设计。 武汉： 中国地质大学出版社， 1993 4赵贵祥。 钻探液压技术。 北京： 煤炭工业出版社， 1985 5杜巧连。 液压缸密封圈使用中的问题及解决办法。 矿山机械， 1999。 4， 34 场机械 ， 2006， 35（ 1） ：
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