BW-100型泥漿泵曲軸箱與液力端特性分析、設(shè)計(jì)【含圖紙】

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開(kāi)題報(bào)告 畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告 畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容： BW-100型泥漿泵曲軸箱與液力端特性分析、設(shè)計(jì) 1、結(jié)構(gòu)形式：臥式三缸單作用往復(fù)活塞泵。 2、技術(shù)參數(shù)：（1）曲軸箱變速：2級(jí) （2）泵量(L/min) :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) （l/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、分析設(shè)計(jì)內(nèi)容:（1）分析曲軸箱的轉(zhuǎn)矩特性及轉(zhuǎn)速特性； （2）分析計(jì)算泵液力端的特性參數(shù); （3）在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)泵的曲軸箱與液力端; （4）應(yīng)用現(xiàn)代分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的曲軸箱、液力端進(jìn)行仿真分析 析、驗(yàn)證。 此開(kāi)題報(bào)告根據(jù)所設(shè)計(jì)的內(nèi)容，提出設(shè)計(jì)技術(shù)方案、技術(shù)路線、存在的技術(shù)難點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決方案等內(nèi)容。 鉆探用泵是鉆探設(shè)備的組成部分之一。鉆探用泵主要是洗孔用泵，在我國(guó)地礦部的部頒標(biāo)準(zhǔn)定為泥漿泵，泵的形式定為往復(fù)式泵。在鉆探施工中，泥漿泵擔(dān)負(fù)著向孔內(nèi)輸送清洗液，并能使其在孔內(nèi)循環(huán)。在某些特種工序中還用泥漿泵向孔內(nèi)灌注水泥漿等物質(zhì)。 本人所設(shè)計(jì)的泥漿泵是臥式三缸單作用活塞泵，它是通過(guò)活塞部件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起密閉的工作腔室容積變化，從而形成腔室內(nèi)外壓力差變化，以吸入和排出液流實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的。 往復(fù)泵的工作原理 圖1—1為臥式單缸單作用活塞泵示意圖。它由濾水器l、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(xiāo)9、排出閥10、排出管道11等主要零部件組成。通常以十字頭為分界線，靠近泵缸一端稱(chēng)為泵的液力端，靠近動(dòng)力輸入一端稱(chēng)為泵的動(dòng)力端。 圖1-1 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 動(dòng)力機(jī)通過(guò)皮帶、皮帶輪、齒輪等傳動(dòng)件帶動(dòng)主軸旋輪，曲柄軸8以角速度。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—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(chēng)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)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—過(guò)程稱(chēng)為泵的排出過(guò)程?；钊谝淮瓮鶑?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。 設(shè)計(jì)方案: 往復(fù)式泥漿泵，絕大多數(shù)是曲柄連桿傳動(dòng)的。它由動(dòng)力端和液力端組成兩大部分組成。 動(dòng)力端及其關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和解決方案: 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? (或柱塞)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，特別要保證缸心距的精度要求。曲軸采用曲拐軸形式。如圖 連桿大頭與曲軸相連，小頭與十字銷(xiāo)相連，中間部分為連桿體。桿體截面采用工字形。桿體中間沿軸線方向設(shè)潤(rùn)滑油孔，把從曲柄油道來(lái)的潤(rùn)滑油通過(guò)連桿大頭倒入小頭襯套中，實(shí)現(xiàn)油壓潤(rùn)滑。連桿大頭做成剖分式，采用部分式滑動(dòng)軸承。連桿小頭用鑄鐵制造，顯微組織應(yīng)為均勻回火索氏體。正火處理后硬度應(yīng)達(dá)到HB230-280.十字滑塊起導(dǎo)向作用，采用圓筒式結(jié)構(gòu)。 液力端及其關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和解決方案：液力端油泵頭體、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。因?yàn)檫@種剖分的單泵頭體，體積小、鑄造容易、檢修方便。根據(jù)閥門(mén)箱的不知結(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。泵的液缸體都采用灰鑄鐵鑄造。且應(yīng)注意：1吸入閥、排出閥之間液流通道要短而直，其內(nèi)徑應(yīng)盡可能小些。為減小流道阻力損失，應(yīng)加大拐彎處的圓角，內(nèi)壁表面應(yīng)當(dāng)光滑。液缸內(nèi)的形狀應(yīng)最不利于空氣滯留。吸入、排出閥應(yīng)盡量靠近缸體，以減少水利損失和余隙容積。吸入、排出口應(yīng)便于同吸入、排出管道相連?；钊苫钊⑾鹉z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。為了避免皮碗與襯圈接觸處產(chǎn)生撕裂或剝落，制成由聚酯與合成橡膠為材料的組合式活塞。如圖 活塞是往復(fù)泵一個(gè)重要而又易損壞的部件，設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn):1活塞應(yīng)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，使皮碗中間部分壓緊，唇部被擠壓少許，仍能壓緊缸套2活塞與活塞感的縮緊裝置要牢固可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)絕不允許出現(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)?；钊麠U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1.2~1.7mm。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。采用鋼球閥，原因是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。 整體設(shè)計(jì)：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(xiāo)軸連接。十字頭的另一端通過(guò)絲扣于活塞桿連接?；钊麠U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(mén)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)水管和排水管接頭，而另一端接注水杯已備急用。排水通道的另一端裝安全閥等件。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，曲軸箱蓋為ZL103鑄鋁合金制造。 關(guān)鍵技術(shù)難題：往復(fù)式泵的易損件及影響其壽命的主要因素 鉆井泵工作條件惡劣，是鉆探設(shè)備中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，因?yàn)楸贸鍪鹿驶驌p壞而停鉆幾乎每天可以遇到。研究易損件的破壞機(jī)理及其壽命的影響因素，從而提高易損件壽命和工作可靠性，對(duì)于減少人力、物力消耗、提高鉆進(jìn)效率、降低成本有十分重要的意義。這對(duì)鉆探設(shè)備的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因而給我此次設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定困難，首先要知道易損件。往復(fù)式泵易損件主要包括缸套、活塞(或柱塞及其盤(pán)根)、閥和閥座、活塞桿及其盤(pán)根等。都是往復(fù)運(yùn)動(dòng)件及其密封摩擦副的對(duì)磨零件，它們有兩個(gè)共同特點(diǎn)：一是對(duì)磨零件是彈性體，它可以變形；二是在工作過(guò)程中承受著一定的壓力差。因此它與兩個(gè)剛性零件形成的摩擦副不同，其摩擦和磨損規(guī)律的研究更困難。易損件的結(jié)構(gòu)、加工制造質(zhì)量與裝配公差；材料性能；摩擦副的潤(rùn)滑；泵所輸送介質(zhì)的排量，壓力，溫度，化學(xué)性質(zhì)，介質(zhì)中所含磨礪性顆粒的性質(zhì)，形狀，大小，多少；維修，保養(yǎng)，包裝，運(yùn)輸及儲(chǔ)存等工作性質(zhì)的好壞等都是影響易損件壽命的主要因素，因此設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意。 往復(fù)式泵通過(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耐鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)活塞將原動(dòng)機(jī)的能量傳遞給液體。往復(fù)式泵活塞運(yùn)動(dòng)速度不是定值，而是每一瞬時(shí)都在變化，這會(huì)使泵產(chǎn)生流量不均勻現(xiàn)象，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， 三缸單作用泵瞬時(shí)排量曲線 往復(fù)式泵的流量不均勻度過(guò)大，給鉆探工作帶很多不良影響，如使沖洗液攜帶巖粉的能力降低，容易造成埋鉆、糊鉆等事故；會(huì)導(dǎo)致液流壓力波動(dòng)增大，從而引起孔壁坍塌或嚴(yán)重漏失； 造成吸入系統(tǒng)內(nèi)液流慣性增大，使吸入性能變壞，使液缸內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈的沖擊現(xiàn)象，還可能形成排出系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，降低泵及其附件的使用壽命；當(dāng)給渦輪鉆具、螺桿鉆具等提供動(dòng)力介質(zhì)時(shí)，沖洗液流量的波動(dòng)會(huì)使鉆具運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，時(shí)快時(shí)慢，還使得原動(dòng)機(jī)功率的無(wú)謂消耗增加等。設(shè)計(jì)泵體時(shí)要對(duì)流量產(chǎn)生的影響注意。 技術(shù)路線：綜合運(yùn)用工程圖學(xué)、理論力學(xué)、流體力學(xué)等知識(shí)分析計(jì)算要求的特性參數(shù)，采用現(xiàn)代工程分析設(shè)計(jì)軟件ADAMS對(duì)設(shè)計(jì)的曲軸箱，液力端進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證。 參考文獻(xiàn) [1]成大先。 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002 [2]楊惠民。 鉆探設(shè)備。北京：地質(zhì)出版社，1998 [3]馮德強(qiáng)。 鉆機(jī)設(shè)計(jì)。武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1993 [4]趙貴祥。 鉆探液壓技術(shù)。北京：煤炭工業(yè)出版社，1985 [5]張連山。我國(guó)鉆井泵技術(shù)發(fā)展方發(fā)展方向。石油機(jī)械，1988，16（2）:5~7 [6]沈?qū)W海。 鉆井往復(fù)泵原理與設(shè)計(jì)。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990