【047】7BW-100型泥漿泵曲軸箱與液力端特性分析、設(shè)計(jì)

【047】7BW-100型泥漿泵曲軸箱與液力端特性分析、設(shè)計(jì),047,bw,泥漿泵,曲軸,液力端,特性,分析,設(shè)計(jì) 外文翻譯 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文文獻(xiàn)翻譯 《石油天然氣工程標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》 泵 泵是一種將液體從一個(gè)位置驅(qū)動(dòng)到另一個(gè)位置的機(jī)械。通常情況下，工程機(jī)械用泵是用來(lái)移動(dòng)不可壓縮液體（或接近不可壓縮）或流體的泵。泵是我們?nèi)粘Ｉ钪凶钤缡褂玫臋C(jī)械設(shè)備，也是眾多使用的機(jī)械設(shè)備之一。泵更是石油，天然氣工業(yè)的一個(gè)重要組成部分，它的用途貫穿整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)，從鉆探操作到最終把產(chǎn)品交付給顧客。 泵的分類(lèi) 泵通常分兩類(lèi)：位移式泵和動(dòng)力式泵。在石油，天然氣工業(yè)上最廣泛使用的是往復(fù)式活塞泵，回轉(zhuǎn)泵和離心泵，也只有這些泵常常被細(xì)致的探索和深入地研究。往復(fù)式回轉(zhuǎn)泵的顯著特點(diǎn)是它與活塞芯子的運(yùn)動(dòng)及液泵的數(shù)量有相當(dāng)密切的關(guān)系。因此，動(dòng)力泵液體置換在理論上等于單位時(shí)間上掃過(guò)泵芯子的體積。圖3.3.3顯示了典型式動(dòng)力泵壓力變化與流量變化的框圖?？梢钥闯觯杭词贡脙?nèi)壓力產(chǎn)生較大的波動(dòng)，泵的液體排量也不會(huì)發(fā)生很大的變化。液體運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力由泵提供的能量來(lái)來(lái)抵抗。如果泵內(nèi)的壓力增加，且又要保持活塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，泵的每次沖擊力都會(huì)有一定的增加，這也是往復(fù)式活塞泵也叫做動(dòng)力泵的原因。在社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐中，壓力對(duì)這些泵的流量會(huì)產(chǎn)生很大的影響。這是因?yàn)楫?dāng)泵的壓力增加時(shí)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定程度上的泄漏，泄漏和壓力是成一定比例的，特別是當(dāng)壓力超過(guò)特定許用值時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象更為明顯。泵缸中液體理論流量和實(shí)際流量產(chǎn)生的差別叫做流量損失。圖3.3.3為流量損失圖。在動(dòng)力泵特別是離心泵中，泵內(nèi)流體的壓力決定著泵的卸荷率，在圖3.3.4中有所顯示。 往復(fù)泵 活塞泵是動(dòng)力泵中形式最簡(jiǎn)單的一種泵。泵由多種動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，如內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)等。泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，分離的泵系統(tǒng)由電力傳動(dòng)裝置連接到動(dòng)力源上，泵缸內(nèi)的流量由活塞的數(shù)量，一些元件的尺寸（鉆孔和沖擊速度）所決定。循環(huán)泵通常設(shè)計(jì)成定容量和定壓力式的，這些因素由應(yīng)用條件所決定。一旦泵的壓力和流量確定，設(shè)計(jì)者就可以跟據(jù)這些條件來(lái)確定柱塞孔，活塞往復(fù)速率的變化和動(dòng)力源為滿(mǎn)足條件所需要的產(chǎn)生動(dòng)力。往復(fù)式活塞泵通常又分為垂直式往復(fù)泵和水平式往復(fù)泵兩種。 單作用泵 單作用泵活塞在一次往復(fù)過(guò)程中只有一個(gè)工作行程。當(dāng)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)活塞壓縮時(shí)，泵的體積縮小，液缸腔內(nèi)工作液受到擠壓，液缸缸內(nèi)部壓力逐漸增大（液體視為不可壓縮的）吸入閥因受擠壓而被迫關(guān)閉，排出閥受力被推開(kāi)，使液體排出泵缸，進(jìn)入排出管道。 活塞運(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)的曲軸帶動(dòng)曲軸連桿完成，而曲軸則由電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。單作用泵通常有3個(gè)、5個(gè)，甚至有7個(gè)活塞組成。帶有奇數(shù)個(gè)活塞的單作用泵經(jīng)試驗(yàn)顯示液壓缸內(nèi)液體流動(dòng)比較平穩(wěn)。至少采用3個(gè)活塞的泵可以減少泵缸內(nèi)的液體波動(dòng)。通常具有3個(gè)活塞的單作用泵叫做三缸泵，含5個(gè)或7個(gè)活塞的單作用泵叫做多缸泵。 雙作用泵 雙作用泵活塞在一次往復(fù)過(guò)程中有兩個(gè)工作行程。液缸中的液體被活塞分為兩個(gè)密封腔。當(dāng)活塞向一側(cè)液腔推動(dòng)時(shí)，受擠壓的液腔縮小，缸內(nèi)液體壓力增大，吸入閥被壓緊，排出閥受力打開(kāi)，將一部分液體排出缸外；與此同時(shí)，在另一液腔中液腔的體積增大，液體壓力降低，排出閥由于受到吸力而壓緊，吸入閥則在外力作用下被推開(kāi)，一部分液體進(jìn)入腔中，一個(gè)往復(fù)過(guò)程完成兩次液體吸入和排出。含有一個(gè)活塞的雙作用泵叫做單缸雙作用泵，含有兩個(gè)活塞的雙作用泵叫做雙缸雙作用泵。 流動(dòng)特性 所有往復(fù)泵的流量都產(chǎn)生一定的波動(dòng)性。這是由活塞的停止和反向運(yùn)動(dòng)造成的結(jié)果。靜止和反向運(yùn)動(dòng)的瞬間理論流量損失降為零。因此，泵缸內(nèi)液體的流量是時(shí)間的函數(shù)。隨時(shí)間的改變而呈周期性變化，如圖3.3.3所示。根據(jù)對(duì)往復(fù)泵的流量不均勻性的描述可知，泵的缸數(shù)越多，各缸合成的理論流量越趨于均勻，選用奇數(shù)缸比偶數(shù)缸的效果更為明顯。但多缸泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維修較困難，因而通過(guò)增加液缸數(shù)來(lái)改變泵的流量不均勻度受到一定的限制。在社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐中為了改善缸中流量不均勻的現(xiàn)象，通常采用的措施是在泵的吸入口和排出口設(shè)置空氣室。安裝在排出口的空氣室叫做排出口空氣室，安裝在吸入口的空氣室叫做吸入口空氣室，當(dāng)往復(fù)泵的排量增加到大于平均排量時(shí)，排出管道壓力升高，使空氣室內(nèi)的氣體收到壓縮，體積縮小，一部分氣體進(jìn)入空氣室儲(chǔ)存起來(lái)，而不進(jìn)入排出管道。當(dāng)泵的瞬時(shí)排量小于泵的平均排量時(shí)，排出管道壓力降低，空氣室內(nèi)被壓縮的氣體體積膨脹起來(lái)，將空氣室內(nèi)儲(chǔ)存的那部分液體基礎(chǔ)空氣室進(jìn)入排出管道，以補(bǔ)償這部分泵排量的不足。從而起調(diào)節(jié)作用，克服排量不均勻現(xiàn)象。往復(fù)式泵的流量不均勻度過(guò)大會(huì)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)，大大降低了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 泵性能的要求 鉆井泵的排量要能簡(jiǎn)便、迅速地在較大范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，最好能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。鉆井泵的排出壓力也要能在較大范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)當(dāng)根據(jù)鉆進(jìn)工藝規(guī)程將泵量調(diào)定以后，它不能隨泵的排出壓力的變化而發(fā)生變化。工作可靠、易損件壽命長(zhǎng)、便于維修保養(yǎng)。要能適應(yīng)不利條件下的工作。運(yùn)移性要好 單作用泥漿泵活塞 安裝在泥漿泵中機(jī)構(gòu)的單作用活塞包括一個(gè)活塞和末端在腔中運(yùn)動(dòng)的抬肩。裝置包括安裝在末端肩部的圓法蘭盤(pán)，一個(gè)安裝在與法蘭盤(pán)邊緣相接近的活塞蓋。這兩部分由墊圈和螺絲連接在活塞的末端。連接活塞部分有活塞桿，它包括一個(gè)圓柱形尾部和一個(gè)呈放射狀的抬肩，活塞裝配包括平的圓形法蘭盤(pán)，它的外圓直徑小于活塞桿缸的內(nèi)圓直徑。法蘭的中心有一個(gè)孔，孔的直徑與前面所說(shuō)的活塞桿末端的直徑相等，安裝的法蘭與靠近肩部的圓柱末端相配合，目的是使法蘭和活塞桿之間形成密封。安裝在靠近法蘭尾部的圓形平轂，它的外圓直徑小于法蘭的外圓直徑，轂的中央有一個(gè)孔，孔的直徑大小等于活塞桿末端部分直徑，轂有一個(gè)周向較厚的圓形的可移動(dòng)的橡膠活塞杯，它與前面所說(shuō)的法蘭相連。它的外緣有一個(gè)十分光滑的環(huán)，環(huán)的外圓直徑比前文所說(shuō)的缸筒內(nèi)徑大，活塞杯有一個(gè)中心孔，孔的直徑與轂的外圓直徑相同?；钊闹行妮S向厚度至少要等與轂的厚度。安裝在活塞尾部的可以移動(dòng)的圓形平墊圈，它的外圓直徑大于轂的外圓直徑，而內(nèi)圓直徑正好等于活塞桿末端直徑?？s緊螺母的螺紋與活塞桿末部相連接，促使墊圈與轂加緊。圖為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的基本區(qū)別，活塞工作在密閉的圓柱形液缸中。活塞缸與柱塞缸的區(qū)別如下圖所示，活塞缸中活塞的長(zhǎng)度比液壓缸體的長(zhǎng)度短，而柱塞缸的活塞長(zhǎng)度比液壓缸的長(zhǎng)度長(zhǎng)。另一個(gè)顯著特點(diǎn)是活塞整體包在液缸內(nèi)，而柱塞則進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)，一部分在液壓缸中，另一部分漏在外面。當(dāng)液缸中活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，密封系統(tǒng)在活塞上，而柱塞缸的密封系統(tǒng)則嵌在液壓缸缸體上。 泵的工作原理 一般來(lái)說(shuō)往復(fù)泵通常分為兩種：抽水泵和動(dòng)力泵。當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)又可分為單作用往復(fù)泵和雙作用往復(fù)泵。抽水泵是一種單作用泵。當(dāng)活塞借助外力向外抽出時(shí)，液腔內(nèi)壓力降低，在外界大氣壓力作用下，排出閥被關(guān)緊，吸入閥被推開(kāi)，液體進(jìn)入到液缸中；然后活塞借助外力向壓縮時(shí)，壓力增加，吸入閥被頂死，而排出閥被推開(kāi)，液體排出缸外，活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，液體被吸入又被排出。動(dòng)力泵的活塞運(yùn)動(dòng)與之相似。 泥漿泵 泥漿泵消耗了旋轉(zhuǎn)鉆探系統(tǒng)總馬力的60%以上。當(dāng)進(jìn)行鉆探時(shí)，泥漿泵通過(guò)泥漿循環(huán)系統(tǒng)來(lái)循環(huán)鉆探泥漿。泥漿泵向孔內(nèi)輸送沖洗液以清洗孔底，冷卻鉆頭和潤(rùn)滑鉆具。在使用液動(dòng)沖擊鉆具時(shí)，泥漿泵還能作為能源裝置。 像在圖4.4.1所示的有兩個(gè)液壓缸體泵通常叫做雙缸泵，有三個(gè)液壓缸組成的泵叫做三缸泵，如圖4.4.2所示。雙缸泵通常用于雙重作用，三缸泵則用于單獨(dú)作用。泥漿泵由動(dòng)力端和液力端組成。動(dòng)力端如圖4.4.4所示，將電動(dòng)機(jī)（通常為柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)）軸上的功率輸送到泵的機(jī)軸上；液力端則用來(lái)把液體泵出缸外，液力端的橫截面如圖4.4.5所示。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。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。 泵的安裝 泵的抽水馬達(dá)被泥漿泵引長(zhǎng)，主要依靠吸水管系統(tǒng)而呈機(jī)械形式排列，當(dāng)離心泵（如輔助泵幫助把泥漿將送入泥漿泵）不用時(shí)，泵的液壓缸內(nèi)充滿(mǎn)了靜態(tài)的液體。泵缸中填充物得不完善，將產(chǎn)生噪音，產(chǎn)生破壞性的壓力，嚴(yán)重縮短了泥漿泵的使用壽命。在較高速運(yùn)動(dòng)的活塞缸中，填充物越來(lái)越受到人們的重視，成為一個(gè)很大的技術(shù)難題。抽水泵壓力通過(guò)吸入閥和吸入閥座時(shí)受到不同程度的損失，在通常情況下不可避免。由于最大限度可以利用的大氣壓力為14.7PSI（海平面）,因此安裝在泵體底部的吸水坑應(yīng)該被除去，取而代之的是吸水泵，它安裝在相對(duì)于泵體比較高的位置，以確保獲得正的吸水壓頭。圖4.4.6所顯示的是一種相對(duì)比較理想的安裝方式，它受到最小的摩擦力和較小的慣性。錯(cuò)誤的安裝抽水泵的入口相當(dāng)于增加30倍管道內(nèi)部摩擦力。多余的吸入管道摩擦力是導(dǎo)致吸入口凝聚物突然增大的主要因素，使吸入管的直徑明顯減小，吸入管底部和許多裝置順著吸入管安裝，目的是能夠最大限度的降低吸入速度和減少泥漿質(zhì)量。通常在實(shí)際生產(chǎn)中，采用直徑較大且較短的管道。由于抽水泵的功用有時(shí)不能很好的滿(mǎn)足人們的要求，就會(huì)采用上水泵作為輔助工具，這種方式已經(jīng)廣泛地被現(xiàn)代生產(chǎn)中所使用。 泵內(nèi)泥漿的冷卻 150度的泥漿會(huì)給泥漿泵帶來(lái)很大的破壞性，液壓缸中的泥漿在較低壓力或有真空存在下會(huì)沸騰，因而會(huì)大大降低泥漿泵的效率，當(dāng)有油存在時(shí)，熱的泥漿還會(huì)加速管道內(nèi)部橡膠部件的損壞。在社會(huì)實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用帶有冷卻表面的大泥漿桶來(lái)減少這種現(xiàn)象所帶來(lái)的破壞。 油氣和氣體的分離 當(dāng)進(jìn)行吸氣沖程時(shí)，缸內(nèi)壓力降低，以氣泡形式存在于泥漿中的油氣和氣體會(huì)發(fā)生膨脹，某種程度上降低了抽水泵的效率?；谀酀{底部的油氣也會(huì)自然的加速橡膠部件的老化，通常分離油氣較為困難，因而實(shí)際生產(chǎn)中人們常常靠改變泥漿的組成物來(lái)減少這種現(xiàn)象給泵所帶來(lái)的破壞。 沉淀物 通常泥漿具有很好的潤(rùn)滑性，但也會(huì)被沒(méi)有從泥漿中濾出去的細(xì)沙所破壞。采用適當(dāng)?shù)某恋韯┖驼駝?dòng)器會(huì)減少這種麻煩，有時(shí)候也采用泥漿除沙器。 泵的卸出只管 一個(gè)設(shè)計(jì)較差的卸出只管會(huì)引起振動(dòng)波動(dòng)和過(guò)大的壓力，這一部分安裝應(yīng)該盡可能的短和采用直接安裝避免任何轉(zhuǎn)彎。通常小的氣室由泵內(nèi)壓力自行來(lái)填充，只受到一個(gè)中等的緩沖作用，為了達(dá)到最佳效果，應(yīng)盡可能采用大的充氣室。這部分泵排量的不足。從而起調(diào)節(jié)作用，克服排量不均勻現(xiàn)象。采用預(yù)先加壓也可以減少波動(dòng)和過(guò)大的壓力 泵的磨損 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。泵易損件的磨損，一般又分為正常磨損和非正常磨損。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。 泵的操作 活塞在干燥的液缸中沖擊可能會(huì)損壞襯套，當(dāng)泵不受重力，液缸長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)或活塞不停的往復(fù)運(yùn)動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致活塞泵吸入閥的開(kāi)啟 清洗進(jìn)水岐管 由于泥漿泵的管路常被凝固的沙子和抽水坑中的碎片，殘骸所填充，這將導(dǎo)致不規(guī)則的低速振動(dòng)。多檢查和清洗抽水泵的進(jìn)水岐管是有必要的。如果不能經(jīng)常清洗，采用過(guò)濾器的辦法也是可行的。 不循環(huán)材料 通常一些特殊的固體，如堅(jiān)果殼，石灰石，膨脹的石灰?guī)r等夾雜在泥漿中，嚴(yán)重的影響鉆井的野外作業(yè)。大部分的無(wú)用填充材料都會(huì)影響泵中某些元件的使用壽命。當(dāng)它們堆積在閥體和閥座之間時(shí)會(huì)特別的堅(jiān)硬而難以去除。 清洗出口過(guò)濾器 出口過(guò)濾器廠被閥管和膠管堵塞，這將增加泵內(nèi)的壓力，而這并不顯示在壓力表上。過(guò)濾器應(yīng)該經(jīng)常清洗，防止壓力堆積 泵室 泵室是專(zhuān)門(mén)為高壓設(shè)備服務(wù)的，通常用較好的材料，采用特別加工方法制造而成。在鉆探設(shè)備的氣室中，所有金屬零件都要采取保護(hù)，防止其銹蝕和損壞，橡膠零件要避免過(guò)度的扭曲，不能暴露在光、熱、油中。一般而言，零件要用抗腐蝕的材料保護(hù)起來(lái)。粗制活塞會(huì)導(dǎo)致泵體內(nèi)部的過(guò)早損壞，把它們隨意地放在缸中都會(huì)損壞泵缸。偶然從泵缸內(nèi)脫落的金屬零件，應(yīng)該及早除去換上新的零件。 《Standard Handbook of Petroleum & Natural Gas Engineering》 By Lyons, William C.; Plisga, Gary S. Publication: Burlington, MA Elsevier, 2005