1、三缸單作用往復(fù)泵機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)第一章緒論1.1泥漿泵的應(yīng)用與發(fā)展到目前為止，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(lái)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(lái)愈高的要求。這也導(dǎo)致了泵功率的急劇加大， 泵的重量和

2、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 210xi05Pai勺泵壓要求，但雙缸泵的實(shí)際持續(xù)工作泵壓只能達(dá) 到150 M105Pa&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

3、在高壓下 由于活塞皮碗與缸套的摩擦，仍將產(chǎn)生100c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(lái)了特殊的問(wèn)題，即三缸泵的吸入過(guò) 程中，只要缸內(nèi)壓力低于當(dāng)?shù)卮髿鈮海諝饩涂赡軓幕钊澈笄秩胍焊锥茐恼?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(guò)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

4、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(kāi)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。第二章泥漿泵的工作原理2.1 工作原理泥漿泵是地質(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(kāi)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

5、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(wú)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)。該泥漿泵是三缸單作用泵，對(duì)單作用泵來(lái)說(shuō)其工作原理可下圖簡(jiǎn)化說(shuō)明圖21為單缸單作用泵工作原理示意圖。它由濾水器 1、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

6、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(guò)皮帶、皮帶輪、齒輪等傳動(dòng)件帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，曲柄軸8以角速度® 0 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)連桿另一 端的十字頭6作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，十字頭通過(guò)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

7、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(kāi)吸入閥進(jìn) 入泵缸，擠開(kāi)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(guò)程稱為泵的吸入過(guò)程.當(dāng)活塞到達(dá)右死點(diǎn)后 （即曲柄轉(zhuǎn)過(guò)冗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(kāi)排出閥，液體排出， 進(jìn)入排出管道，這一過(guò)程稱為泵的排出過(guò)程。活塞在一次往復(fù)過(guò)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

8、作過(guò)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 泥漿泵的基本結(jié)構(gòu)往復(fù)泵由動(dòng)力端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ɑ蛑┑闹本€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

9、十字頭滑塊。液力端由泵頭體、缸套、活塞、 活塞桿吸入閥和排出閥等組成，它的作用是通過(guò)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(guò)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 精度局。2.3 往復(fù)式泥漿泵的變化規(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(guò)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?復(fù)直線

10、運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)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、加速若曲柄回轉(zhuǎn)中心與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*, P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：x =r(1-cos®) 士L(1-cosP)(21)式中：L一連桿長(zhǎng)度，m；R一曲軸半徑，m；個(gè)一曲柄的轉(zhuǎn)角；P一連桿的擺角。當(dāng)活塞自右向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)算式相同，但右邊兩項(xiàng)之間取“一”號(hào)，將cosP值換為三角函數(shù)表示則

11、應(yīng)為L(zhǎng) sin ： = r sinsin : _匚 _sin Lcos - = .1 -sin2 - 二 1 一 ' 2sin2上式按牛頓二項(xiàng)式展開(kāi)，可得：cos : =1 - 12sin2 - 1 4sin4 - 6sin6 -2816活塞的位移，速度，加速度的近似計(jì)算方程：x =r(1-cos )u = r sin(22)(23)(24)(25)(26)a = r 2 cos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(guò) 程中，近似按余弦規(guī)律變化。以單缸泵為例，它在排出液體過(guò)程中，活塞自

12、某時(shí) 刻t起，經(jīng)過(guò)時(shí)間活塞移動(dòng)距離為Ax,則在t時(shí)刻泵的瞬時(shí)排量為：ns-：(29)Q = F (sinsin2 )602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)生流量不均勻第三章 泥漿泵關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)3.1 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

13、） :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 主要部件設(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

14、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ɑ蛑?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

15、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：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,中間用螺栓與齒輪相連接，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，另一邊與活塞桿相連接，它 傳遞交變應(yīng)力圖3-3 十字頭3

16、.2.2 液力端及其關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和解決方案液力端由泵頭體、缸套、活塞、活塞桿吸入閥和排出閥等組成，它的作用是 通過(guò)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)

17、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3-4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(guò)調(diào)整壓緊裝置，使皮碗中間部分

18、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(lái)把十字滑塊傳來(lái)的作用力傳遞給活塞，它制成整體式結(jié)構(gòu)。活塞桿由 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 1.21.7mm。 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

19、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 整體情況動(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(guò)絲扣于活塞桿連接。活塞桿通過(guò)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

20、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

21、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3-5 連桿受力圖作用在活塞上的力為：2f 126fR = D2P0.062 5.6 106Pa =15825.6N44D-缸套內(nèi)徑mP-一般取泵的排出壓力總摩擦力為Pf與運(yùn)動(dòng)方向相反，取R的10%15%(31)Ff

22、= (0.1 0.15) Ph=1582.56N2373.84N(32)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 mx；另一部分集中在曲柄銷中心，其質(zhì)量為 my,若連桿的總質(zhì)量為mimi =mx + my這兩部分質(zhì)量的重心應(yīng)和連桿的重心相一致mx I1 = my ( 1 - 11 )I1一連桿重心到十字頭銷中心的距離；I 一連桿長(zhǎng)度。I -11 mx=F -II1 my =mI -(33)(34)mx= (0.30.4) mImy = (0.70.6) mi曲軸的質(zhì)量分成三部分。其中不

23、平衡質(zhì)量為m1和m2見(jiàn)圖把m1和mb換算到曲柄銷上的質(zhì)量為mk :P mk=mi + m2 (35)r若活塞組件的總質(zhì)量為mp,則作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的總質(zhì)量為msms=mp+ mi*(36)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力為：Is=misa = m>sr co2(cos 中 十 九cos 2中)(37)換算到曲柄中心的不平衡旋轉(zhuǎn)部分的總質(zhì)量為mrmr=mik+my(38)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Is=mr r ©2(39)此泥漿泵的最高轉(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：(310)2P=R+ Pf =

24、(1.1 1.13) P= (1.1 1.15) D2P4=0.86 0.9 D2P =(0.86 0.9 ) 0.062 5.6 106=(2889.6 3024) N把P分解為沿連桿方向的力R和垂直于液缸軸線的分力NP,、P=(311) cos :N=PtgP(312)作用在連桿上的力R視角和連桿強(qiáng)度和穩(wěn)定性的主要依據(jù)，力R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Pr和垂直于曲柄的切向力TT = P sin( + P 尸P s”(中:口)N(313)cos :TT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)中=-時(shí)曲軸的受力最大2Pmax=Tmax=3024NFr=- P =

25、-3024NM=Tr=302432.5 10 二(314)=98.28N三缸單作用泵的曲柄互成相位差 竺,所以存在一個(gè)液缸排液和兩個(gè)液缸同時(shí)排液 3的情況當(dāng)工 < 中 < 生時(shí)只有一個(gè)液缸排液33Tmax=98.28N當(dāng)0 <平< |和曰 < 中< n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M1 = P r sinW 酒)(3-15)cos -1第二個(gè)液缸產(chǎn)生的作用在曲軸的力矩為sin(M2= P r ：；，1-2)cos ：23cos(:- - , 2)sin(； , , 2)二 P r 22cos : 2(316)(317)Mk = Mi

26、+M2當(dāng)邛二工時(shí)，Pi =尾由Mi和M2兩式可知，這時(shí)曲軸的力矩最大 6M1 = P r=98.28N受到的力pr和t也最大連桿負(fù)荷8曲軸的轉(zhuǎn)角 180_4一連桿轉(zhuǎn)角連桿負(fù)荷用力多邊形計(jì)算F12 =- F32F32 =- F34將作用在連桿上的力繪成力多邊形r -曲軸半徑l-連桿的長(zhǎng)度l =0.196 m由中=0 2號(hào)缸處于排出沖程連桿軸承負(fù)荷F4cosF4 = A Pmax=15825.6NF34 =15825.6=16658.5N8s sin(;0應(yīng)力計(jì)算銷：cr二 s=550MPak- I - ；s=550=275MPa n 2(318)剪切應(yīng)力Ss(max) = V AI 1-0.6

27、I- =165MPaV-外拉力 A-銷的有效截面積V=16658.5N16658.5S ,、二9s(max) 一 (0.0162 -0.0082)416658.50.0015= 111.06MPa3.3.2齒輪的強(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p=p總22，-滾動(dòng)軸承效率 -齒輪傳動(dòng)效率22一P =5 0.995 0.97 KW=4.66KW雙級(jí)齒輪轉(zhuǎn)速17 18n =1440128r/min59 58由于要求的曲軸最低轉(zhuǎn)速為128i1 =3.373838曲軸的第2轉(zhuǎn)速為47 r/min128 i2 =

28、47=2.7即 Z1 =3.37Z2 =2.7Z3乙采礦設(shè)備使用壽命長(zhǎng)，選用齒輪材料 40MnB,表面淬火，齒面硬度4855HRC機(jī)械齒輪傳動(dòng)對(duì)齒輪精度無(wú)特別要求，軸齒輪8級(jí)精度選 Z3 =18 Z1 =Z3 i1 =60.66 取 Z1 =61按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)2KTY； Yfs YSaz2 ( qF因載荷有輕微沖擊K4=1.5初選載荷系數(shù)Kt =2Ti =9.55 106P 9.55 106 4.66ni -1285= 3.48 10 N *m11Z1 Z2= 1.88 -3.2()cos -11-=1.88 -3.2()cos -18 61=1.55Y . = 0.25w-0.75%

29、=0.73查表得：d=0.7YFa1=2.78YSa1=1.56YFa2=2.25YSa2=1.75_ _ 9Ni =60Di jLh =60 128 (1 8 300 10)=1.84 10N8N21 =5.4 108i查表得：YN1=0.85YN2=0.88由表選 SFmi=1.25由圖按齒面硬度均值51HRC在乂線上查得:F m i n 1 ' F l i=450MPa;1Flim1 YN1SF min450 0.851.25=306MPa；2" F lim2 YN 2SF min450 0.881.25=316MPaYF 二紅3=0.0141aF1 306YFa2 Y

30、Sa2aF22.18 1.79 , =0.0123316YFa1 Ysa1 =0.0141設(shè)計(jì)齒輪模數(shù) aF1將確定后的各項(xiàng)數(shù)值代入設(shè)計(jì)公式，求得:mt -32KtTY ；（YFaiYsai,-'dZ12a Fai:3 2 2 3.48 100.72 0.141 ”。）:23.80.7 182修正mt :二 mt z nv =60 1000查表得：3.14 3.8 18 128 =0.54m/s60 1000Kv =1.18, K =1.04,K：, =1.2,K=KaKvK-1.5 1.18 1.04 1.2 =2.2m -mt3 k =3.8 3 2.2 =3.92kt查表，選取第

31、一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m =4mm。所以齒輪的主要幾何尺寸為:d1 =mz =72mm,d2 = mz3=244mm,a = m（z1 z3）=158mmb 二 1'd d 二72 0.33 =24mm取 B3=30mmBi =25mm較核齒面接觸疲勞強(qiáng)度:77 7 2kT1 U-1“H =ZH ZE Z； bd；U干H查得，ZE =189.8. MPa,ZH =2.5,Z =0.88按不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕，查得：ZN1 =0.88,ZN2=0.91按齒面硬度均值51HRC在MQ和ML線中間查出CJH liml二 Hlim2 =1060MPa,取 SHiim=11CJH limlH lim2 二10

32、60MPa,取 Shi i m=i1H liml Z N1二H1 =932MPaSH minH lim 2Z N2二H2 =964MPaSH min將確定出的各項(xiàng)數(shù)值代入接觸強(qiáng)度較核公式，得：2 2 2 2 75 3 485 4 37cH =189.8 2.5 0.88 .5210=492MPa ”二H1,25 723.37接觸強(qiáng)度滿足。齒輪2和齒輪4設(shè)計(jì)Z2 =57 Z4 =22d2 =288 d4=88a = m(z2 z4) =158mm 2b ='!'d d4=25mmB4=30mm取 B2 =25mm較核齒面接觸疲勞強(qiáng)度: 二 h =Zh Ze Z；,2J u-1 十

33、hbd1 u查得，ZE = 189.8, MPa,ZH =2.5,Z ；=0.88按不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕，查得： ZN1 =0.88,ZN2=0.91按齒面硬度均值51HRC在MQ和ML線中間查出二Hlim1 =；Hlim2 =1060MPa,取 Shi i m=11二Hlim1 =；Hlim2 =1060MPa,取 S# i m=1二 J Hlim1ZN1 =932MPaSH minZ”二H2 = Hlim2 N2 =964MPaSH min將確定出的各項(xiàng)數(shù)值代入接觸強(qiáng)度較核公式，得:2 2.2 3.485 3.68=189.8 2.5 0.88 ：2105 24 5622.68=679MPa :

34、二二hi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h】=185MPaMmax=98.28NmMx- max =maxWpMmax=Mx=98.28Nm(319)133Wp = ： D =3.14 0.061j=0.00004239=4.24 10 m16(320)98.286max=4=2.32 10< IT故滿足結(jié)束語(yǔ)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。目前國(guó)內(nèi)所使用的各種泥漿泵設(shè)備，對(duì)于修井、淺井鉆井來(lái)說(shuō)均存在結(jié)構(gòu)龐大、重量太重、移運(yùn)性差等諸多缺點(diǎn)，該泥漿泵是針對(duì)油田使用現(xiàn)狀，克服以上各類缺點(diǎn)而開(kāi)發(fā)出來(lái)的泥漿泵設(shè)備。該泥漿泵在動(dòng)力端的設(shè)計(jì)時(shí)主要借鑒了三缸活塞固井泵的設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)，并對(duì)其主要的零部件進(jìn)行了載荷計(jì)算、強(qiáng)度校核。而在液力端的設(shè)計(jì)時(shí)主要借鑒了鉆井泥漿泵的設(shè)計(jì)方法，在結(jié)構(gòu)形式上選擇的是可拆分的形式，避免了采用柱塞型式在泥漿介質(zhì)中柱塞及柱塞密封壽命過(guò)低的問(wèn)題。該設(shè)計(jì)對(duì)泥漿泵的動(dòng)力端齒輪進(jìn)行