【047】7BW-100型泥漿泵曲軸箱與液力端特性分析、設(shè)計

【047】7BW-100型泥漿泵曲軸箱與液力端特性分析、設(shè)計,047,bw,泥漿泵,曲軸,液力端,特性,分析,設(shè)計 專業(yè)文獻閱讀報告 專業(yè)文獻閱讀報告 鉆探工程廣泛地應用于金屬與非金屬礦床，地質(zhì)勘探，水文地質(zhì)勘探與水井鉆鑿，工程地質(zhì)勘查與施工，石油天然氣和地質(zhì)勘探與開發(fā)、礦山開采等各個方面。由于使用條件不同則需要采用不同類型的鉆探設(shè)備。所謂鉆探設(shè)備是指完成一個鉆孔所必需的一切地面設(shè)備，動力裝置及其他技術(shù)設(shè)備的總稱。在一個鉆探機組，一般包括鉆機 動力機和傳動裝置以及與之配套的鉆塔，擰管機等 幾十年來，隨著鉆探方法和工藝的發(fā)展，鉆探設(shè)備有了很大的進步。巖心鉆機經(jīng)歷了機械手把式、機械廠動液壓給進式和全壓液動頭式三個發(fā)展階段 ；工程鉆機、水文水井鉆機也單一的機械沖擊式鉆機，發(fā)展為振動式鉆機、螺旋鉆機及機械或液壓的 “沖擊—回轉(zhuǎn)” ，“沖擊—振動—回轉(zhuǎn)”的復合式鉆機。在外觀上、結(jié)構(gòu)上、技術(shù)參數(shù)及性能方面都發(fā)生了重大變化，且已形成了比較完整的系列。與鉆機配套的鉆井泵，便量范圍增大，變量方式增大多；由于往復式鉆井泵向高速短行程發(fā)展，泵的自重和體積減小 ；由于廣泛采用三缸但作用泵，泵的排量和壓力更加穩(wěn)定。近幾年陸續(xù)研制了多種螺桿泵，結(jié)構(gòu)簡單、流量穩(wěn)定、輕便可靠 ，已應用于實際鉆探工作。鉆塔用塔架由大斷面四角塔，向小斷面的A型塔以及各種類型的輕便塔桅發(fā)展，在結(jié)構(gòu)上、運移性能上得到較大改善，自重減輕 。 在鉆探設(shè)備的設(shè)計計算方面，由于零件逐漸標準化、通用化，設(shè)計周期縮短、互換性能改善、經(jīng)濟效益提高；由于計算機輔助設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計 、可靠性設(shè)計以及有限元分析等方面的應用，鉆探設(shè)備設(shè)計計算方法已開始由傳統(tǒng)的設(shè)計方法向現(xiàn)代化設(shè)計方法轉(zhuǎn)變，在以最短的時間、最少的材料消耗、最低的成本設(shè)計研制出輕便可靠、安全高效的設(shè)備方面取得了明顯的成效。 鉆探設(shè)備的組成 1． 鉆機 是進行鉆探工作的主要設(shè)備。它的功能一般包括兩個方面：帶動鉆具向底層深部鉆進；通過升降機起，下鉆具。也就是說，鉆機是完成鉆進工序和起下鉆工序的主要設(shè)備。 2，泥漿泵及泥漿制備，凈化設(shè)備 泥漿泵向孔內(nèi)輸送沖洗液以清洗孔底，冷卻鉆頭和潤滑鉆具。在使用液動沖擊鉆具時，泥漿泵還能作為能源裝置。 泥漿攪拌機用于制備泥漿及其他類型的沖洗液。 泥漿凈化設(shè)備 包括震動篩和泥漿旋流除沙器。 3．鉆塔 用于升降鉆具的構(gòu)筑物。 鉆探設(shè)備發(fā)展狀況 鑿井技術(shù)是我國古代的偉大發(fā)明之一。早在秦代就用鉆井方法開采井鹽。而近代巖芯鉆探是由歐美傳入的。有日本的利根鉆機，美國的沙利文鉆機和荷蘭的班加鉆等。 就巖芯鉆探設(shè)備而言，建國50多年來，大致可分為三個階段 第一階段：50年代 ，引進和仿制手把鉆機時代階段 第二階段：60年代， 自行設(shè)計和制造液壓立軸及液壓轉(zhuǎn)盤鉆機階段。XU-100鉆機是我國第一臺自己設(shè)計制造的液壓立軸式鉆機。在此時期還設(shè)計制造了XJ-100，XU-30，BW250/50柱塞式三缸單作用泥漿泵以及四腳金屬鉆塔。從而使我國的巖芯鉆探設(shè)備進入了自行設(shè)計和制造的新階段。 第三階段：70年代以后，設(shè)計制造高速金剛石鉆機及其配套的泥漿泵，水文地質(zhì)和水井鉆機及其配套的泥漿泵，工程地質(zhì)勘查鉆機及工程施工鉆機。這一階段，鉆探設(shè)備設(shè)計與制造事業(yè)蓬勃發(fā)展，并已經(jīng)形成了具有我國特色的系列產(chǎn)品，完全能夠滿足國內(nèi)現(xiàn)階段鉆探工作的需要。 泵的分類 泵是通過一定方式把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w能量的一類機械。由于能量轉(zhuǎn)化方式的不同可以分為不同類型。 靠密閉容腔容積變化進行能量轉(zhuǎn)換的稱為容積式泵(又稱靜力式泵)。這類泵根據(jù)容 積變化的方式不同，又可分為兩類，一類靠活塞(或柱塞)等的往復運動改變?nèi)萸蝗莘e大 小的，稱為往復式泵，如活塞泵、柱塞泵、隔膜泵等；另一類靠旋轉(zhuǎn)運動件改變?nèi)萸蝗莘e 大小的，稱為回轉(zhuǎn)式泵，如螺桿泵、齒輪泵等。 靠旋轉(zhuǎn)葉輪進行能量轉(zhuǎn)換的稱為葉片式泵(又稱動力式泵)，如離心泵、軸流泵等。 靠其它方式進行能量轉(zhuǎn)換的泵有電磁泵、水錘泵、噴射泵等。 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，在我國地礦部的部頒標準定為泥漿泵，泵的形式定為往復式泵。在鉆探施工中，泥漿泵擔負著向孔內(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)。活塞每往復一次完成一次吸入和一次排出過程的泵稱為單作用往復泵，活塞每往復一次完成兩次吸入和兩次排出過程的泵稱為雙作用往復泵。 鉆探工作對鉆井泵性能的要求 1.鉆井泵的排量要能簡便、迅速地在較大范圍進行調(diào)節(jié)，最好能實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。 2.鉆井泵的排出壓力也要能在較大范圍進行調(diào)節(jié) 3.當根據(jù)鉆進工藝規(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。 4.工作可靠、易損件壽命長、便于維修保養(yǎng)。 5.要能適應不利條件下的工作。 6.運移性要好 泥漿泵是臥式三缸單作用活塞泵，它是通過活塞部件的往復運動，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現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的。 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，靠近泵缸一端稱為泵的液力端，靠近動力輸入一端稱為泵的動力端。 圖1-1 往復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 動力機通過皮帶、皮帶輪、齒輪等傳動件帶動主軸旋輪，曲柄軸8以角速度。隨主軸一起轉(zhuǎn)動，同時曲柄軸一端相連的連桿7隨著曲柄軸的轉(zhuǎn)動帶動連桿另—端的十字頭6作往復運動，十字頭通過與它相連的活塞桿5帶動活塞4作往復運動，從而實現(xiàn)容腔3的容積有規(guī)律地變化。 當活塞由泵缸的左端位置(左死點)向右方移動時，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，擠開吸入閥進入泵缸，擠開吸入閥進入泵缸，直到活塞移至最右邊位置(右死點)為止。這一工作過程稱為泵的吸入過程． 當活塞到達右死點后(即曲柄轉(zhuǎn)過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，這時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，擠開排出閥，液體排出，進入排出管道，這—過程稱為泵的排出過程。活塞在一次往復過程中，此單作用泵吸入和排出液體一次，活塞不斷循環(huán)往復運動使液以體不斷吸入和排出。 往復式泵的基本結(jié)構(gòu) 往復泵由動力段和液力端兩大部分組成。動力端的功能，是將動力機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊?或柱塞)的直線往復運動。它包括傳動離合裝置、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)動方案及結(jié)構(gòu)方案的選擇。動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，它的作用是通過活塞在缸套中作往復運動形成液缸容腔變化，完成能量轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)吸入和排出液體。 此泵曲軸箱由兩極齒輪變速機構(gòu)和曲柄連桿機構(gòu)組成。曲軸箱的輸入軸和輸出軸通過牙鉗聯(lián)軸器 對接傳動。當曲軸箱的輸入軸上的雙聯(lián)變速齒輪分別和曲軸上的對應齒輪相嚙合，曲軸可得到快慢兩級轉(zhuǎn)速。加上變速箱的四級變速。曲軸上總共可獲得8級轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)8級變速。液力端屬于直通式結(jié)構(gòu)，便于制造，裝配精度高。 住復式鉆井泵的流量及其變化規(guī)律 1．曲柄連桿機構(gòu)及活塞的運動規(guī)律 往復式泵通常都是通過曲柄連桿機構(gòu)將原動機的等速回轉(zhuǎn)運動變?yōu)榛钊耐鶑椭本€運動，并通過活塞將原動機的能量傳遞給液體。由于曲柄連桿機構(gòu)的運動特點，決定了活塞 的運動是遵循著一定規(guī)律而變化的，這種規(guī)律又決定著液體在缸內(nèi)的運動規(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、加速度的變化規(guī)律。 曲柄連桿機構(gòu)與活塞的運動情況如 圖1—2所示。若曲柄回轉(zhuǎn)中活塞 中心線位于同一個水平面內(nèi)，以塞 在泵缸左端終點位置為坐標原點 此時圖中A、4角均等于零。當曲柄 順時針轉(zhuǎn)動時，則活塞自左向右運動， 其運動距離為， 圖1-2 曲柄連桿機構(gòu)與活塞運動情況示意圖 上式按牛頓二項式展開，可得： 往復式泵活塞運動速度u不是定值，而是每一瞬時都在變化，而且是近似按正弦規(guī)律變化；從上式可知，活塞運動加速度a也是在變化的，它在往復運動過程中，近似按余弦規(guī)律變化。以單杠泵為例，它在排出液體過程中，活塞自某時刻t起，經(jīng)過時間，活塞移動距離為，則在t時刻泵的瞬時排量為： 式中 S—活塞沖程，為曲柄半徑的2倍。 對于三缸單作用泵，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。泵的瞬時流量應是各條曲線在同一時刻的縱坐標數(shù)值之和， 三缸單作用泵瞬時排量曲線 活塞的運動規(guī)律決定了瞬時流量的變化規(guī)律。不同缸數(shù)的往復式泵，其瞬時流量的變化范圍不同，產(chǎn)生流量不均勻 。 往復式泵的流量不均勻度過大，將給鉆探工作帶來以下不良影響： 1．使沖洗液攜帶巖粉的能力降低，容易造成埋鉆、糊鉆等事故； 2．會導致液流壓力波動增大，從而引起孔壁坍塌或嚴重漏失； 3．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)強烈的沖擊現(xiàn)象， 還可能形成排出系統(tǒng)發(fā)生振動，降低泵及其附件的使用壽命； 4．當給渦輪鉆具、螺桿鉆具等提供動力介質(zhì)時，沖洗液流量的波動會使鉆具運轉(zhuǎn)不 平穩(wěn)，時快時慢，還使得原動機功率的無謂消耗增加 往復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)備中的一個薄弱環(huán)節(jié)。在實際生產(chǎn)活動中，因為泵出事故或損壞而停鉆幾乎每天可以遇到。在石油鉆井中曾有人作過統(tǒng)計：當鉆身為2500M時，有28．4％的每天支出費用花在鉆井泵上，有49.3％的鉆井沒備修理工時是用在修理鉆井泵上。而鉆井泵的事故絕大多數(shù)是由于易損件損壞造成的。據(jù)統(tǒng)計，蘇聯(lián)1970年鉆井總進尺 為1382萬米，而消耗缸套達89200件、活塞175000件、閥238000套。勝利油田1972年73臺鉆機統(tǒng)計，鉆井泵7項易損件總消耗157萬元，其中閥58萬元、活塞27萬元、缸套30萬元、拉桿及盤根等42萬元。由此可見：研究易損件的破壞機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，對于減少人力、物力消耗、提高鉆進效率、降低成本有十分重要的意義。這對鉆探設(shè)備的設(shè)計來說也是一個關(guān)鍵問題。 實踐表明：對于不同型式的鉆井泵即使同一種易損件其使用壽命也不相同，就是同一臺泵、同一種易損件，經(jīng)過改進與未經(jīng)改進的壽命也不相同。這就說明，在充分認識各種因素對易損件壽命的影響之后，經(jīng)過結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及加工工藝方面的改進，易損件的壽命是可以提高的。 往復式泵易損件主要包括缸套、活塞(或柱塞及其盤根)、閥和閥座、活塞桿及其盤 根等。都是往復運動件及其密封摩擦副的對磨零件，它們有兩個共同特點：一是對磨零 件是彈性體，它可以變形；二是在工作過程中承受著一定的壓力差。因此它與兩個剛性 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。 往復式泵易損件的磨損，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；摩擦副的潤滑；泵所輸送介質(zhì)的排量，壓力，溫度，化學性質(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，運輸及儲存等工作性質(zhì)的好壞等都是影響易損件壽命的主要因素。 設(shè)備維護的目的和要求 1．設(shè)備維護的目的 設(shè)備維護的目的是保證設(shè)備經(jīng)常處于良好的技術(shù)狀態(tài)，延緩設(shè)備性能退化速度 設(shè)備事故少，減少停工損失；又能降低維修工作量，減少維修費用。 2．設(shè)備維護的八字要求 1)整齊 設(shè)備零、部件及安全防護裝置齊全， 2)清潔 設(shè)備內(nèi)外清潔，動導軌面無損傷。 3)潤滑 按“潤滑五定”要求進行潤滑，潤滑裝置齊全，完好，油位顯示清晰，油路暢通，油壓符合要求。 4)安全 合理使用，精心維護，設(shè)備經(jīng)常處于良好技術(shù)狀態(tài)；嚴格執(zhí)行定人定機和交接班制度并作好運行維護記錄。 通過對有關(guān)泥漿泵方面書籍文獻的閱讀使我對所設(shè)計的泥漿泵有一定的了解和認識，為 我設(shè)計和繪制泥漿泵奠定了基礎(chǔ)。 參考文獻 [1]成大先。 機械設(shè)計手冊。北京：化學工業(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。 鉆機設(shè)計。武漢：中國地質(zhì)大學出版社，1993 [4]趙貴祥。 鉆探液壓技術(shù)。北京：煤炭工業(yè)出版社，1985 [5]杜巧連。 液壓缸密封圈使用中的問題及解決辦法。礦山機械，1999。4，34 場機械，2006，35（1）：5~9 [6]高文凱，鐘功祥，彭代清，梁政，趙俊。 往復泵自動球閥數(shù)學建模及計算。石油礦場機械，2006，35（1）：5~9 [7]顏剛，段現(xiàn)軍，谷尤勇，楊斌。鉆井設(shè)備軸承失效形式及原因分析與判別。 石油礦場機械，2006，35（2）：96~97 [8]陳寧生，王全斌，常柃。泥漿泵陶瓷缸套推廣應用的可行性分析和試驗。石油礦場機械，2006，35（4）：114~115 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