本科畢業(yè)設計說明書題 目：3NB-1300 鉆井泥漿泵 —液力端系統(tǒng)的設計 院 （部）：機電工程學院專 業(yè)：機械工程及自動化班 級：姓 名：學 號：指導教師：完成日期： 年 6 月 20 日 I目 錄摘 要 .IIIABSTRACT IV1 前 言1.1 課題的背景及研究意義 - 1 -1.2 鉆井泥漿泵的現(xiàn)狀與趨勢分析 - 3 -1.2.1 我國鉆井泥漿泵現(xiàn)狀 - 3 -1.2.2 鉆井泥漿泵的發(fā)展趨勢 .- 4 -1.3 現(xiàn)有研究的不足及本文研究的內容 - 5 -2 鉆井泵基本參數的確定2.1 排量 - 7 -2.2 泵壓 - 7 -2.3 沖程及沖程長度 .- 7 -2.4 泵的額定功率 .- 8 -2.5 額定活塞推桿力 - 8 -3 鉆井泥漿泵液力端總體設計3.1 液力端的總體方案結構設計 - 9 -3.1.1 缸蓋結構 - 10 -3.1.2 凡爾體結構 .- 10 -3.1.3 拉桿結構 .- 11 -3.1.4 活塞結構 - 13 -3.1.5 缸套結構 - 13 -3.1.6 閥箱結構 - 14 -3.2 鉆井泥漿泵的主要作用及工作機構 - 15 -4 液力端易損件設計分析II4.1 泵閥設計分析 - 17 -4.2 活塞設計分析 .- 19 -4. 3 缸套設計分析 .- 22 -總 結 .- 24 -謝 辭 .- 25 -參考文獻 .- 26 -III摘 要為了滿足國際市場的需要，石化行業(yè)都在不斷加大鉆井設備的投入，同時加快了老鉆機的更新改造和新型輕便鉆機的研制步伐，加之國際市場對鉆井泵的需求量增大，使得鉆井泵的供求矛盾更加突出。隨著新鉆井工藝的應用和發(fā)展，要求開發(fā)具有更高更好性能的新型鉆井泵。本文在液力端系統(tǒng)總體結構和工作原理的基礎上,對 3NB-1300 鉆井泥漿泵液力端系統(tǒng)進行詳細的結構設計與分析，重點對沖程、沖次及液力端易損件進行設計與計算。關鍵詞：鉆井泥漿泵；液力端系統(tǒng)；沖程；沖次IV3NB-1300 Mud Pump --Design of the Hydraulic System ABSTRACTIn order to meet the demand of international drilling market, the petrifaction industry are constantly increasing the investment in drilling equipment, and speeding up the upgrading of the old driller and the development of the new driller. With the increased demand of mud pump at the international market, the contradiction between the supply and demand of the mud pump is more prominent. With the application and development of new drilling technology, the market requires the better performance of new drilling pump.This thesis detailed designs the structure of the hydraulic system of 3NB-1300 mud pump at the basis of overall structure and operating principle, and focus on the design and computing of the stroke, frequency and the wearing part.Key Words: Mud pump; Hydraulic system; Stroke; Frequency山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 1 -1 前 言1.1 課題的背景及研究意義石油鉆井技術發(fā)展 90 年代, 由于海洋深水油氣田的開發(fā)和大量水平井鉆井的需要, 不僅使鉆機的功率加大, 提升能力加強, 而且使鉆井泥漿泵功率也增加到1470～1618kW(2000～2200hp)。泵壓則由 35MPa 提到 52.7MPa。這種新參數的泥漿泵已經在半潛式、浮動鉆井船, 改造的自升式平臺上大量采用。并在英國北海油田、美國墨西哥灣油田、西非海岸的油氣開發(fā)中服役。在南中國海也將 3NB1600 型泵的泵壓提高到 52.7MPa 后使用在鉆井平臺上。預計在未來的幾年中, 在我國的各類海洋平臺和鉆井船上 3NB1300 型和 3NB1600 型泵也將陸續(xù)改造為 52.7MPa 或更換成 3NB2200 型泵。而在沙漠中大于 7000m 的油氣井也將用 3NB2200 型泵來完成。采用大功率泥漿泵主要是解決在水平井段防止鉆桿卡鉆和清除井底巖屑, 加快進尺, 為井下提供動力, 縮短鉆井周期, 降低鉆井成本。目前在一般水深小于 1200m 的油田, 半潛式鉆井船日租費用為$2.5 萬元/天, 而在超深水域半潛式鉆井船將高達$12 萬元/天。因此, 采用安全可靠、性能先進的高壓大功率泥漿泵是提高鉆井效益的有效途徑。目前, 國產大功率三缸泵最大為3NB1600型泵, 且壓力為35MPa。為了盡快適應日益發(fā)展的鉆井技術的需要, 應加快研制國產3NB2200型泥漿泵。大功率泥漿泵在海上油田的采用, 勢必擴展到陸上超深井和水平井鉆機上, 就像過去三缸單作用泵在海洋鉆機上替代雙缸雙作用泵一樣, 形成一場革命, 很快擴展到陸地鉆機。隨著泵壓的升高, 對鉆機中各類鉆具的性能要求也將隨之提高, 否則, 采用高壓大功率泥漿泵后帶來的鉆井效益將由于鉆具的頻繁損壞而殆盡。國外三缸單作用鉆井泵的結構特點如美國三缸泵的液力端，閥箱采用L型，閥箱的吸入閥和排出閥為分體結構。吸入閥采用螺紋壓緊，其殼體與閥箱螺紋聯(lián)接，球形吸入空氣包。泵機座多為焊接結構，小齒輪用鍵固定在傳動軸上，大齒輪套安裝在曲軸上。曲軸采用直軸與偏心輪一起鑄造的結構。采用雙列向心球面調心軸承。十字頭滑動面經表面淬火磨削。齒輪采用斜齒或無槽人字齒輪。為了加強易損件的互換，閥腔和活塞桿制定了相應的 標準。隨機輔助工具齊全，有閥座液壓拉拔器、液壓拆卸器、缸套拆卸器等。俄羅斯三缸鉆井泵的現(xiàn)狀 俄羅斯三缸鉆井泵起步較晚，發(fā)展較慢，至今在鉆井實踐中，仍大量采用雙缸泵。但其三缸泵已形成系列，而且發(fā)展勢頭較快。如俄羅斯石山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 2 -油鉆機主要生產廠家，烏拉爾重型機械制造聯(lián)合公司計劃新建一個生產三缸泵的專業(yè)化分廠，將生產整體人字齒輪。俄羅斯現(xiàn)有四個功率級別的三缸泵，即600、800、950、和1180kw。俄羅斯三缸泵的液力端，閥箱采用I 型直通式和Ｌ 型，閥箱吸入閥和排出閥不是分體結構，而是一體式液力模塊。Ｌ 型閥箱又有吸入閥在前、排出閥在后的常規(guī)型和吸入閥在后、排出閥在前的變Ｌ型結構。吸入閥采用液力壓緊裝置，不依靠螺紋壓緊，壓緊裝置內充滿液壓油，其殼體與閥箱螺紋聯(lián)接。排出閥用冠形螺紋壓蓋壓緊。閥盤以錐面和端面與閥座接觸，閥盤質量較輕，接觸應力較小。閥膠皮保證可靠的密封?；钊滋字g有獨特的水封裝置，噴淋冷卻管有鉸鏈裝置，可提高可靠性，減少機修時間和使用費用。噴淋泵的開關與鉆井泵傳動機組聯(lián)鎖，電動泵未起動，鉆井泵不能起動，以保護主泵。缸套采用離心澆鑄的雙金屬毛坯或雙金屬軋制鋼管制造。外層是中碳結構鋼，內層為高鉻耐磨不銹鋼。內層的金相組織為細針狀馬氏體和部分殘余奧氏體。使用壽命為500h 左右，最高可達800～900 h。為了方便用戶，減少易損件規(guī)格，制造的600、800、950及1180KW泵的缸套可以通用。吸入空氣包有球形及筒形兩種。動力端機座有鑄件和焊接件，傳動采用小螺旋角斜齒輪傳動和寬槽人字齒輪。曲軸是由鑄造的偏心輪套在直軸上組成的。采用雙列圓錐滾子軸承。十字頭滑動面經表面淬火磨削。介桿采用雙室密封。隨機輔助工具齊全，有閥座液壓拉拔器，液壓拆卸器，缸套拆卸器等。關于輕便鉆井泵功率在955KW以下，主要配套于4000m以下鉆機，因此，輕便鉆井泵的市場前景基本依從于4000m以下鉆機的使用現(xiàn)狀和發(fā)展。隨著改革開放的深入及中國加入世界貿易組織（WTO），我國石油鉆井隊伍“充分利用國內外兩種資源、兩個市場”，實施走出去的戰(zhàn)略，進入國際鉆井市場，為了滿足參與國際市場的需要，中石油、中石化都在不斷加大鉆井設備的投入，同時加快了老鉆機的更新改造和新型輕便鉆機的研制步伐，加之國際市場對鉆井泵的需求量增大，使得鉆井泵的供求矛盾更加突出，各類型鉆井泵的缺口每年達200臺左右。隨著新鉆井工藝的應用和發(fā)展，要求開發(fā)具有更高更好性能的新型鉆井泵。因此該項目具有良好的市場前景。 隨著越來越多的國產設備步入國際市場，也會極大地提高我國石油裝備制造企業(yè)的國際聲譽，創(chuàng)造出更多的商機。山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 3 -1.2 鉆井泥漿泵的現(xiàn)狀與趨勢分析1.2.1 我國鉆井泥漿泵現(xiàn)狀輕便鉆井泥漿泵功率在956kW以下，主要配套于4km以下鉆機，因此，輕便鉆井泵的市場前景基本依從于4km以下鉆機的使用現(xiàn)狀和發(fā)展。據統(tǒng)計，我國擁有鉆機1000余臺，占世界鉆機總量的32%，其中，中石油集團公司就擁有700余臺，因此，中石油集團公司的鉆機情況基本反映了國內鉆機的現(xiàn)狀。在中國石油集團公司擁有的700余臺鉆機中，4km以下的鉆機占總量的80%。平均新度系數僅為0.4，其中，48%的鉆機新度系數小于0.3；有500臺左右的鉆機服役10年以上，亟待更新，與之配套的鉆井泵相應也需要更新。我國每年所鉆4km以下的井數為總井數的98.5%，4km以下的進尺為總進尺的95.2%。目前鉆井泵主要的特點有：(1）排量和功率大。(2）鉆井泵持續(xù)工作于野外，并經常移運。(3）泵送的介質是泥漿，其中含有堿、酸、硫化氫等腐蝕成分和細小的巖屑。因此，鉆井泵液力端的零件在工作時經受介質的腐蝕，磨礪和沖蝕。上述的基本工作條件又為鉆井泵的設計帶來以下的特點： (1）沖次低。中、大功率雙缸鉆井泵的沖次為 60～65min -1，三缸泵的使用沖次為 90～120min -1。在機動往復泵中是最低的。沖次難以提高的首要原因在于鉆井泵功率和排量很大，安裝條件又差，故對因沖次提高引起的沖擊、振動較為敏感；此外，易損件的壽命和吸入條件也是限制沖次提高的重要因素，例如，即使在有噴淋水冷卻的條件下橡膠活塞皮碗的運動平均速度一般須控制在 0.9m/s 以下。低的沖次要求動力機和曲柄連桿機構之間的傳動比大，傳動環(huán)節(jié)多。(2）鉆井泵不但排量大，而且泥漿有一定的粘度。有時還需在泥漿中混入纖維狀或片、粒狀的堵井漏材料。因此，鉆井泵除要求吸入、排出管線有較大的流道面積外，還要求有相當大的閥座孔流道面積和閥升程。鉆井泵的閥座孔流道直徑為 100m左右，閥升程為 20mm 左右，這比其它種類的往復泵要大得多。這一特點首先決定了鉆井泵的泵閥開啟、關閉滯后角較大，達 10～20 度。這對容積效率和吸入管中的慣性水頭值有較大的影響。其次，閥盤直徑大，其上受的總液壓力也大。其結果，一是惡化了面積有限的閥體一閥座接觸面的受載；二是閥體為具有足夠的強度必須做得較厚實，增大了它的質量和慣性，這也是不利于提高泵速的因素之一。(3）外形尺寸大。泵的排量決定于沖次、活塞直徑和沖程長度，鉆井泵的排量大而沖次低，因而必須加大活塞和加山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 4 -長沖程。按它的外形尺寸和重量，鉆井泵為往復泵中的巨型泵。(4）鉆并泵是在環(huán)境條件很差的野外工作，它的某些結構設計也反映了這一特點。主要一點是在傳動端全部采用滾動軸承而避免采用液體潤滑的高比壓滑動軸承。在曲軸連桿部件中，由于不采用滑動軸承，曲軸只能在兩端簡支，三個曲柄之間沒有支點。這一方面減弱了曲軸的強度和剛度，另一方面又將泵內減速齒輪置于兩個曲柄之間而不是靠近軸承。而在一般減速箱的設計中，要求齒輪盡可能靠近軸承，以保證較好的嚙合。(5）由泵送的介質具有腐蝕性和磨礪性，再加上礦場維護保養(yǎng)條件差，鉆井泵液力端的易損件壽命比之其它行業(yè)應用的往復泵都要低。設計泵時必須考慮裝卸易損件方便。1.2.2 鉆井泥漿泵的發(fā)展趨勢隨著鉆井工藝技術，特別是高壓噴射鉆井、近平衡鉆井、叢式定向井、水平井等新工藝、新技術的發(fā)展，鉆井泵進一步向大功率、大排量和高泵壓方向推進，作為鉆機“ 心臟”的鉆井泵，其性能水平和使用壽命同鉆井速度和生產成本有著直接關系，同時其工作條件又十分惡劣，工況也異常復雜，對鉆井泵的可靠性和安全性提出越來越高的要求。對于輕型鉆井泵來說，排出壓力將進一步增高，以適應現(xiàn)代鉆井工藝的要求。多年來，鉆井的實踐證實，只有臥式活塞泵能滿足鉆井工藝要求，鉆井使用的活塞泵傳動功率由300～2000kW，最大排量8～50L/s，最小排量下的最高壓力為9～40MPa。從排量的均衡性，對不同結構泵的排量不均度進行分析，結果表明，曲柄錯角120o的三缸泵比其他方曲柄錯角等的多缸泵都有利；三缸以上的泵由于結構復雜、維修困難和易磨損而難以廣泛應用。近年相繼開始研制出5缸、7缸斜盤型軸向柱塞泵、雙缸單作用液壓鉆井泵等新型鉆井泵，但由于維修不便及使用壽命等因素限制了其推廣應用。所以目前國內外鉆井泵的主要型式仍為三缸單作用往復泵。三缸泵的液力端為L 形結構，復合錐面閥膠皮，冷卻缸套活塞內孔噴射移動式噴淋裝置，直立式吸入空氣包；動力端體外強力潤滑系統(tǒng)，閉式內固定導板機構。因此，輕便鉆井泥漿泵的發(fā)展趨勢是降低額定沖數，由150min-1降到110～120min-1；增大沖程，最大沖程已達300mm以上。降沖次可以提高易損件壽命，如，活塞密封、缸套的使用壽命，還可以減少慣性損失、改善泵的吸入性能，同時提高泵動力端齒輪、軸承等零部件的使用壽命，大大提高鉆井泵的可靠性。合理降低泵的沖次，適當增加泵的沖程長度，既滿足鉆井過程中的排山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 5 -量要求，又能確保泵的自吸性能，充分發(fā)揮了泵的效能，成為今后鉆井泵設計的發(fā)展方向。1.3 現(xiàn)有研究的不足及本文研究的內容一、鉆井泵存在的主要問題目前，國內外三缸單作用往復式鉆井泵存在的主要問題包括以下幾個方面：a） 鉆井泵質量大，難以適應現(xiàn)代輕便鉆機的要求，制約鉆機的移運性。b）沖程短，沖次高。鉆井泵在不適合的沖次范圍內工作，致使液力端壽命短。c）泵壓低，不能完全滿足鉆井工藝的需要。d）結構不合理，部分強度冗余，部分剛度不足，可靠性低，難以滿足鉆機高可靠性要求。e）缸套壽命短，難以滿足鉆機高效率要求。 二、鉆井泵主要參數的合理選擇（1）泵的額定沖次n鉆井泵的沖次n 是泵的主要參數之一。相同功率下，沖次高使得泵體積小、質量輕，制造費用、運輸費用和維護保養(yǎng)費用較??；沖次高則不能充分發(fā)揮三缸單作用泵的效能，因此，對沖次的選定將決定鉆井泵的性能可靠性、使用性和經濟性。降低沖次還可以提高泵吸入性能，特別是提高三缸泵的自吸能力。可延長易損件的使用壽命。鉆井泵沖次的高低對易損件的壽命具有很大影響?；钊У闹饕蚴菙D傷和磨損，由于活塞平均速度與沖次成正比，當沖次降低后，活塞往復運動的速度減慢，活塞與缸套之間的摩擦功耗產生的摩擦熱減少，從而延長活塞密封的使用壽命，也提高了缸套的使用壽命。同時，十字頭、導板、閥和閥座的壽命都有所提高。另外，沖次降低后，慣性損失減少，泵不易產生水擊現(xiàn)象，慣性力減弱，將會提高泵動力端齒輪、軸承等零部件的使用壽命。（2）泵的沖程長度泵的沖程長度是鉆井泵的另一重要指標。在降低沖次的前提下，適當加長沖程長度是合理的，而且還可以進一步改善其吸入性能。經合理搭配泵的沖程長度，泵的額定沖次，缸套直徑，在泵的理論排量、排出壓力滿足鉆井工藝要求的前題下使泵的慣性水頭系數小于0.34m/s2時，能夠確保鉆井泵自吸性能良好。（3） 正確設計吸入管匯山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 6 -為保證液流與活塞同步增速，液流需要消耗一定的能量，即稱為加速度水頭損失或慣性損失。隨著所用吸入管線的形式不同，這種損失可能加大或減小。要控制慣性損失，提高泵的吸入性能，應使吸入管線應有足夠的液體；選用直通式泵頭；吸入系統(tǒng)應絕對密封。因此，以此為契機我們把鉆井泵沖次及沖程長度作為鉆井泵的重要參數。三、設計原始參數本文主要完成 3NB-1300 鉆井泥漿泵液力端系統(tǒng)設計。設計原始參數為：① 泵型：臥式三缸單作用② 輸入功率：956 千瓦③ 齒輪傳動比：I=128/35=3.657 ④ 主動軸額定轉速：437.77 轉/分⑤ 外形尺寸（長*寬*高）：5050*2406.5*2655⑥ 總質量（包括皮帶輪、予壓空氣包和噴淋系統(tǒng)）：22300Kg設計任務：本題目將設計一臺3NB-1300鉆井泥漿泵，主要有液力端部分，泵殼部分、動力端部分、潤滑部分等組成。本子題目將對3NB-1300鉆井泥漿泵液力端進行系統(tǒng)的設計。具體內容為：① 3NB-1300鉆井泥漿泵的總體設計② 對3NB-1300鉆井泥漿泵的液力端進行詳細設計，繪制總裝配圖和零件圖若干；③ 翻譯英文文獻不少于3000單詞；基本要求：① 查閱文獻，并寫出文獻綜述；② 提出可行性方案，并寫出開題報告；③ 設計并選擇總體設計方案；④ 進行3NB-1300鉆井泥漿泵液力端和潤滑部分的詳細設計和計算。用 AutoCAD2004 軟件畫出平面圖形。用Solid Works軟件進行三維造型。山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 7 -2 鉆井泵基本參數的確定2.1 排量鉆井泵的排量取決子鉆井工藝的要求，大多數情況下，主要是噴射鉆井水力計算的結果。而鉆井工藝的最低要求是排量應滿足坡低返速值。最低返速是指保證巖屑能被攜出地而的最低的鉆井液自環(huán)形空間上返的速度。令上返速度為 Vd，則Vd=4Z0Qr∕3.14(d h-db)。式中 Z0鉆機中聯(lián)工作的鉆井泵臺數。一般，在完井井段Z0=1，在開鉆井段 Z0=1～2，Qr―一臺泵的實際排量；dh― 井眼直徑；db―一鉆桿外徑；在我國，完井井段要求的最低返速為 0.8m /s，開鉆井段的最低返速為0.4～0.6m/s。鉆井泵的最大排最應滿足開鉆井段的要求，而對應于完井井段泵壓的排童應滿足完井井段最低返速的要求。2.2 泵壓主要是選定一臺鉆井泵的最高排出壓力，即這臺泵的最高設計壓力。它取決于：(1）鉆井工藝的需要。目前鉆井中一般使川的最高泵壓為 20 兆帕。個別情況下使用 25 兆帕左右的泵壓。再高的一個鉆井地面壓力是 34.3 兆帕。目前因鉆桿接頭密封，泵的易損件等還不配套，不能實行，但應作為泵具有的儲備能力。(2）液力端密封的耐壓極限。2.3 沖程及沖程長度活塞往復運動的距離稱為沖程長度，以 S 表示；單位時間內的往復次數稱為沖次，以 n 表示。沖程的起點和終點稱為活塞運動的死點?？總鲃佣艘粋鹊乃傈c為后死點，靠液力端一側的為前死點。山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 8 -在選取泵的沖次時，主要考慮兩點：泵的吸入性能和易損件（特別是活塞皮碗）的合理壽命。在配有灌注泵，吸入性能有保證的情況下，則主要考慮易損件的壽命。為使活塞和缸套有合理的壽命，必須限制泵的活塞速度 u。 ，為使閥和閥座有合理的壽命，必須限制泵的最大排量。但對于某一功率等級的三缸泵，不同制造廠的產品的最大缸套尺寸和閥腔尺寸變化范圍不大，故根據美國近幾印的實踐經驗，只要將三缸泵的 u 限制在 180ft／min＝0.915m/s，即可保證所有易換件的合理壽命。u 的定義是： u=2Sn/60=Sn/30 沖程長度： S=2R2.4 泵的額定功率泵的性能參數的頭兩項為泵壓和排量。泵壓和排量的乘積為功率。由于功率數能綜合地反映一臺泵的能力大小，并能告訴使用者應為它配備多大的動力，故它往往成為選擇泵時考慮的首要參數。泵的額定功率值即起這一作用。現(xiàn)公認的三缸鉆井泵額定功率 N 的計算式是。N=P d′Qr/0.9 式中Qr-在額定沖次 n 時對應于某一尺寸缸套的理論排量；Pd′-對應于同一尺寸缸套的最高泵壓2.5 額定活塞推桿力從活塞桿推力數值可以看出傳動端所承受的纂本載荷，所以，也將活塞桿推力列為泵的基本參數之一。根據活塞桿推力計算公式計算得活塞桿推力的最大值為泵的額定活塞推桿力 F=1.06Pd′A,泵的額定功率:N=P d′Qr/0.9=0.05 P d′ASn/0.9 由以上兩式可得活塞推桿力 ：F=19.08×(N/Sn)山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 9 -3 鉆井泥漿泵液力端總體設計3.1 液力端的總體方案結構設計查閱資料，確定 3NB-1300 鉆井泥漿泵液力端的總體設計方案，進行運動和動力計算。結構如圖 3.1 所示：1-定位銷 2-閥箱 3-閥蓋法蘭 4-螺柱 M36X3X190 5-螺母 M36X3 6-閥蓋壓筒 7-提環(huán)1 8-閥蓋 9-閥蓋密封圈 10-扶正套 11-O 型密封圈 12-彈簧 13-泵閥 14-盤根 15-螺柱 M36X3X224 16-缸蓋法蘭 17-缸蓋壓筒 18-缸蓋總成 19-壓塊 20-上水閥蓋 21-密封圈 22-耐模板 23-耐模板墊 24-缸套壓圈 25-大絲扣圈 26-螺柱 M36X3X210 27-缸套 28-活塞桿 29-密封圈 30-活塞總成 31-自鎖螺母 32-螺柱 M36X3X130圖 3.1 液力端的總體結構山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 10 -歸納起來大致分為五部分：即缸蓋總成、凡爾總成、拉桿、活塞、缸套部分等構成。3.1.1 缸蓋結構缸蓋總成（如圖 3.2）的作用是封住液缸、壓緊缸套及調節(jié)缸套盤根的松緊，使其保證良好的密封狀態(tài)，以保證鉆井泵的正常工作。根據泵的傳動功率、工作壓力的大小，缸蓋總成的結構可分為兩大類。但不論哪一種結構，缸蓋總成都承受全部的液力負荷。特別是高壓噴射鉆井工藝，對泵提出的要求更高。圖 3.2 缸蓋結構圖3.1.2 凡爾體結構鉆井泵全部采用的是錐形盤狀凡爾體（如圖3.3） ，液體沿凡爾體的外緣流動，它的密封是靠凡爾體上的凡爾膠皮合金書面語凡爾座的金屬接觸實現(xiàn)的。凡爾膠皮突出干凡爾體的金屬部分，因此，凡爾膠皮除了起密封作用外，還對凡爾關閉起緩沖作用。凡爾彈簧的主要作用是保證凡爾及時關閉。為了使凡爾體平穩(wěn)準確地座落在凡爾座上，凡爾還配備有導向裝置。凡爾座與凡爾穴孔靠一定加工精度的錐度配合來實現(xiàn)密封的。山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 11 -圖 3.3 凡爾體結構圖3.1.3 拉桿結構拉桿（如圖 3.4）一端與中間拉桿相連，一端與活塞相接，通過拉桿把動力傳給活塞。拉桿與活塞的配合：拉桿的一端靠錐度與活塞相配合，而實現(xiàn)密封。因此對拉桿錐度要進行精密加工，以保證錐度配合有較大的接合面（要大于 70%） 。錐面上只要有很少一點銹，潤滑液或泥漿都會妨礙配合。所以，在安裝活塞前，一定要將活塞孔和拉桿錐度部分洗凈抹干。必要時，可用較好的剛砂布或砂紙打磨，在安裝時，不使用潤滑劑，因為潤滑油膜會妨礙拉桿和活塞的金屬面接觸，易使活塞松脫，這樣，泥漿會將活塞錐孔和拉桿的錐度部分刺壞，另外，一定要按規(guī)定擰緊拉桿螺帽，以保證活塞的正常工作。山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 12 -圖 3.4 拉桿結構圖拉桿盤根：拉桿盤根是用來封嚴拉桿和后缸之間的間隙的。最早采用的拉桿盤根是壓緊式矩形盤根。這種結構全靠拉桿盤根擠緊拉桿實現(xiàn)密封的，工作時發(fā)熱十分嚴重，僅適于在 70 大氣壓以下工作。目前最常見的拉桿盤根有兩種結構。一種是采用自封式多皮碗的拉桿盤根。這種盤根是靠泥漿壓力將拉桿盤根唇部撐開，對拉桿實現(xiàn)密封的。因此，在低壓時，有時會有些泥漿通過拉桿盤根滲出來，等壓力提高了，滲漏的現(xiàn)象就消失了。又因為是采用的多件自封式盤根，當有砂粒進入盤根盒后，就留在盤根的溝槽內，不僅保護了拉桿，而且也避免刺壞盤根。上述兩種結構的盤根使用上都應注意：1.在拉桿周圍用粘度較低的油去潤滑和冷卻，將會延長拉桿與拉桿盤根的壽命。油的排量愈大，效果愈好。2.這兩種結構切忌過分擰緊盤根，避免盤根、拉桿嚴重發(fā)熱。3.在新的拉桿上要裝新的拉桿盤根。4.必須保持拉桿盤根盒內各個零件的良好工作狀況（包括尺寸、倒角、光潔度） 。5.泵的液力端和動力端的同心度是保證拉桿與拉桿盤根正常工作的重要條件，同時液力端和動力端的不同心，還會造成拉桿和中間拉桿絲扣的斷裂。山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 13 -6.拉桿表面硬化也是提高拉桿與拉桿盤根壽命的重要措施。目前經碳氮硼三元共滲和輝光離子氮化處理的拉桿，都大大延長了使用壽命。3.1.4 活塞結構目前活塞基本分為兩大類，即整體式活塞和組裝式活塞。圖 3.5 為所設計的活塞。圖 3.5 活塞結構圖整體式活塞的皮碗硫化在鑄鐵的活塞芯子上，皮碗和芯子成一整體，又稱硫化活塞。更換活塞時，皮碗和芯子一起換掉。由于活塞的壽命很短，因此又發(fā)展了單獨更換皮碗、鋼芯可重復使用的組裝式活塞。組裝式活塞的皮碗套在鋼芯上，靠壓板和卡簧固定。3.1.5 缸套結構一般選用雙金屬缸套的優(yōu)點是抗腐蝕性，抗研磨性，很好的磨合性及工作表面的高光滑度。缸套（如圖 3.6）采用雙金屬制作，內套用高鉻鑄鐵，外套用 45 鋼，經調質處理獲得回火索氏體組織，具有較好的綜合性能。山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 14 -圖 3.6 缸套結構圖3.1.6 閥箱結構閥箱（如圖 3.7）是三缸泵液力端的主體零件，外表呈方形。直通式液力端有三塊閥箱，而 L 形有六塊閥箱，閥箱可視為開有交叉內孔的厚壁高壓容器，閥箱內安裝吸入和排出閥的部位稱為閥腔。實際使用中閥箱的正常失效形勢是由脈動內壓和介質腐蝕引起的內表面應力集中點的疲勞開裂。閥箱內交叉孔的相貫線上和內圓柱面直徑變化處都有明顯的應力集中（1）將閥箱內交叉孔的相貫線處用手砂輪或其它工具打圓，圓角半徑 5～10mm。閥箱內表面的其它尺寸突變處也應盡量避免尖角。（2）當鋼浸泡在泥漿中時，其循環(huán)基數為 107 的疲勞極限大約只有在空氣中測得的常規(guī)持久限數據的 1／2。（3）注意閥箱的質量控制。山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 15 -圖 3.7 閥箱結構圖3.2 鉆井泥漿泵的主要作用及工作機構鉆井泥漿泵的主要作用是使鉆井沖洗液（通稱泥漿）造成井筒內外的循環(huán)，沖洗井底，冷卻鉆頭，并把巖屑攜帶到地面。在采用井下水力鉆具旋轉。采用噴射式鉆頭，由鉆頭水眼噴射出高速沖洗液，有利于破碎巖層，提高鉆井速度。圖 3.8 鉆井泵的主要工作機構山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 16 -1-吸入閥 2-液缸 3-活塞 4-排除閥 5-十字頭 6-連桿 7-曲柄 8-排出空氣包鉆井往復泵屬容積式泵。它的主要工作機構（如圖 3.8）是往復運動的活塞（或柱塞）和自動開、閉的吸入、排出閥。處于活塞-介質作用面和吸入、排出閥之間的空間稱為液缸?；钊⒈瞄y、液缸以及包容它們的缸體（或閥箱） ，再加上液體的引入，排出管匯及空氣包、安全閥等附件，便構成了往復泵的液力端?；钊麠U被動力機驅動。如果動力機是旋轉運動的內燃機或油壓缸，則稱為蒸汽（或油壓）直接作用泵，泵缸的活塞桿和蒸汽機或油壓缸的拉桿直接相連，中間無需曲柄軸連桿機構。山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 17 -4 液力端易損件設計分析4.1 泵閥設計分析鉆井泵工作時排量不斷變化，壓力也隨之變化。排量和壓力的波動會降低泵的機械效率、容積效率及縮短泵和管線的使用壽命，甚至導致井壁坍塌和鉆進液漏失。為了減小泵的排量和壓力波動，常用的方法是在泵的排出口安裝空氣包，或在吸入口安裝空氣包。泵工作時，閥盤作間歇運動。當閥盤上升時，它與閥座之間有一空間，從液缸內排出的液體有一部分儲存其中，使流經閥隙的液體量小于液缸內排出液體量；當閥盤下落時，下部空間減少，把原來儲存的小部分液體排出，使流經閥隙的液體量大于由液缸內排出的液體量。從本質上說，泵閥在閥腔內的運動效果就相當于一臺開式往復泵，閥盤相當于一個活塞。對鉆井泵而言，為了滿足鉆井工藝對排量和壓力的要求，通常采用換缸套的方法。根據泵閥理論，閥盤的運動存在滯后現(xiàn)象，在排出過程終止時，閥盤并未落回閥座。吸入過程開始時，閥盤在自重、彈簧力及閥盤上下壓力差的作用下，快速下落，產生沖擊力。閥盤上下壓力差越大，閥盤的沖擊力越大，閥盤和閥座所受的力越大。同樣，由于泵在高壓狀態(tài)下使用的是小缸套， 泵的排量變化值較大。所以，在設計泵時，通常采用泵的小缸徑參數。為了減小泵閥運動對泵排量不均度的影響，應盡可能地減小閥盤的直徑和運動速度，盡可能地使用直徑較大的缸套，使 閥的值較大，也就是說，在泵的使用過程中，盡可能使用大直徑缸套既可以提高鉆井液的循環(huán)量，又可以保證泵的瞬時排量相對穩(wěn)定，從而保證鉆井質量。1. 泵閥的結構設計：泵閥包括閥、閥座、閥彈簧和導向機構。閥又由閥體、閥膠皮和壓板（或壓帽）等組成。為了方便維修和更換，吸入閥和排出閥都制成相同的結構。為使泵閥在介質吸入、排出過程中正常而有效地進行水力切換，對閥的要求是： 山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 18 -(1) 正確選擇閥彈簧的剛度和預壓力，控制閥的開度，使閥開啟時的水力損失較小，關閉時滯后角小，對閥座的撞擊輕； (2) 閥座通孔處水力阻力??；(3) 對泥漿的神蝕、腐蝕有較強的抵抗能力；金屬密封錐面疲勞強度高，閥與閥座問密封可靠。圖 4.1 給出了四種不同結構的鉆井泵泵閥。圖 4.1（a）中泵閥的特點是將閥膠皮裝在閥座上面。閥運動時膠皮不運動。閥體上、下導桿均在導向套內運動。下導向架固定在閥座之下。這樣，閥本身只有閥體一個零件，將閥的質量和運動慣性減到最小，以便使閥的開啟、關閉及時。但這種泵閥更換閥膠皮不方便。圖 4.1（b）所示是一種較常用的泵閥結構。閥膠皮為平板狀，它山金屬壓板和壓環(huán)壓緊在閥體上 。下導向架也固定在閥體上，下導向架四個爪的外圓起導向作用。圖 4.2（c）所示泵閥的特點是下導桿較長。對于閥的上下運動的定位作用較好，不容易發(fā)生偏斜現(xiàn)象。由于閥座內下支承架向下部延伸，使液流的通道面積增大，減少了水力阻力。閥膠皮是一個大 O 形圈，在液壓作用下應有較好的密封性能。圖 4.2（d）是使用較普遍的帶筋閥,在閥盤錐面和閥座錐面接觸時，閥盤下底面和閥座的筋也同時接觸，從而顯著降低了錐面上的接觸應力。閥座內的下支承架與閥座制成一體，可以增加閥座的剛性。此外，閥膠皮是用盤形螺母固定的，容易壓緊，拆裝方便。鉆井泵不但排量大，而且泥漿具有一定的重度和粘度，流動較困難。為使泥漿通過閥座和閥體時流線變化平緩，水力損失小，鉆井泵都采用錐形閥而不采用平板閥。閥錐面與水平線的夾角為 50～55 度。錐面也是密封面。閥膠皮不但起密封作用，還能減緩兩個金屬錐面之間的撞擊。膠皮錐面應比全屬錐面突出 0.3～0.8mm。2.泵閥的材料和熱處理圖 4.1 中所示的接觸面 A 處必須淬硬，以提高其接觸疲勞強度和耐磨性，閥座外錐面配合面 L 的接觸應力也較大．閥體兩端的導向摩擦而也要求耐磨。同時，閥體和閥座在工作時不斷地撞擊，故這兩個零件也應具有較好的沖擊韌性。因此，它們一般用 山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 19 -20cr 、 20CrMo 、 18CrMnT 等滲碳鋼，或用 40Crsi 、 40CrNiMo 、 40CrMo 、 35CrNi2 等調質鋼制造，并經仔細的熱處理和精加工。接觸面和導向面的硬度應達到 55 ～ 62HRC 。滲碳層的厚度為 1.8～2.5mm。 閥膠皮的材料一般采用丁腈橡膠，也有少數采用聚胺脂的。聚胺脂的強度和彈性都比橡膠好，但在熱泥漿中不穩(wěn)定。圖 4.1 四種不同結構的泵閥4.2 活塞設計分析1.活塞和缸套的失效原因三缸泵是單作用泵，故活塞也是單向的，而且現(xiàn)在國內外基本上都采用組裝式的結構如圖 4.2，活塞皮碗用壓板和卡簧裝在活塞芯上，當皮碗損壞后活塞芯可以重復使用。在活塞和缸套的表面，所有形式的磨損都會發(fā)生。在排出沖山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 20 -程中，活塞皮碗徑向膨脹而與缸套貼緊形成密封。但會有少許泥漿被封隔在變形的皮碗外表面上。因泥漿中有巖屑和砂粒存在，無論它們是嵌入皮碗中還是在皮碗和缸套之間滾功，在皮碗和缸套表面上都將發(fā)生磨料磨損，當泥漿流動時對缸套內壁產生沖蝕磨損；可能侵入活塞芯和皮碗間隙的泥漿在受壓時被擠出間隙，又會對兩個零件產生沖蝕磨損，相互壓緊并相對運動的皮碗和缸套間會發(fā)生粘著磨損，通常是小塊的橡膠從表面撕裂，這種現(xiàn)象發(fā)生在皮碗根部時就是常說的“擠入” , 即根部材料被擠入活塞芯和缸套的間隙而產生撕裂破壞。 “擠入”是最常見的活塞皮碗失效形式?；钊竞透滋椎拈g隙愈大，或泵壓愈高，發(fā)生“擠入”破壞的可能就愈大。圖 4.2 用于三缸泵的不同結構的活塞組件2.不同活塞結構的比較為防止皮碗因上述“擠入”現(xiàn)象而很快失效，皮碗根部必須用夾布橡膠或尼龍材料加強。這部分加強環(huán)是和皮碗本體硫化在一起的。圖 4.2（a）中的結構目前使用較普遍。如果活寒組件的制造質量好，尺寸情確，其使用效果也較好。使用中發(fā)現(xiàn)，皮碗內徑和活塞芯之間有時配合不緊，泥漿通過這一間隙發(fā)生竄流而沖蝕零件。圖 4.2(b)的結構正是針對這一問題而設計的。由于減小了加強環(huán)，皮碗的內孔部分彈性較好，用壓板壓緊后，較易保證皮碗內孔處的密封。一般想象略向外張開的活塞唇口尖部在工作時起著自封的作用。但在某些實驗中發(fā)山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 21 -現(xiàn)，唇口尖部在實際液壓力作用下，不是向外張開，而是向缸套中心線摺下?；谶@一事實，美國油井公司近年開發(fā)了一種大倒角唇口設計 4.3(c)。據稱這種形狀的皮碗在壓力作用下，其外圓和缸套之間的壓力分布與一般 20 度唇口的皮碗不同，皮碗的壽命較高。蘇聯(lián)的研究者曾對三種不同結構的活塞進行使用性能試驗，結果表明：4.3（a）所示的活塞使用壽命最低，沒有工業(yè)使用價值。主要是皮碗根部的橡膠容易擠入間隙中去而破壞。4.3（b） 所示結構使用壽命最高，其皮碗根部有一個尼龍墊圈，提高了抗擠出能力，此外，活塞芯與皮碗硫化在一起，在兩者之間的結合面上不可能發(fā)生沖蝕磨損。圖 4.3（c）是一種組裝式活塞。它和圖 4.3(b)的區(qū)別在于活塞芯與皮碗是兩體，沒有硫化在一起，因而泥漿可能竄入兩零件的配合面中產生沖蝕作用。實驗表明，圖4.3（c）中的皮碗比圖 4.3(b)的皮碗壽命低 20％～25％。但前者的金屬活塞芯可以重復使用，而且在制造中免去了硫化這一工序，所以仍然獲得普遍的使用。圖 4.3 進行壽命對比實驗的三種活塞3.活寒與缸套的配合實踐證明，以下三種配合尺寸對活塞的使用性能和壽命有著重要的影響 （1）活塞唇口尺寸對缸套內徑的過盈。過盈偏小，受壓時皮碗的變形不足以貼緊缸套，不能保證密封；過盈偏大，則安裝困難，摩擦損失過大。還需指出，皮碗是橡膠件，其尺寸不能像機加工零件那樣做得很精確。皮碗唇口的直徑偏差帶只能控制在 l um 以內。（2）活塞芯與缸套之間的間隙。如果間隙過大，皮碗易發(fā)生“擠入”損壞，間隙過山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 22 -小，金屬活塞芯會劃傷缸套內孔。 （3）皮碗根部加強環(huán)外徑與缸套之間的間隙。這必須考慮到尼龍或夾布橡膠加強環(huán)在工作溫度、水泡和壓力下的膨脹量。工作時皮碗外圓和缸套內孔之間應有大小適當的接觸壓力。特別要防止尼龍環(huán)膨脹后卡在缸套孔中。多年來試驗研究的結果表明，尼龍環(huán)在安裝前的實際直徑應比缸套名義內徑小 1.0～1.8mm 為宜。4. 3 缸套設計分析缸套是承受內壓的厚壁圓筒，為了變換鉆井泵的泵壓和排量，一種泵配有數種不同內徑的缸套，但其外圓的形狀和尺寸都是相同的，以利于互換。目前有三種不同材質和結構的缸套：（1）普通型一般用 70 號鍛鋼作毛坯，加工后其內表面進行高頻淬火，表面硬度達 58～63HRC 。也可以用低碳鋼作毛坯，內孔滲碳淬火，這類缸套制造工藝簡單，主要缺點是不耐腐蝕。一般壽命為 300～400h 。（2）雙金屬缸套缸套由內、外兩層組成。外層是普通碳鋼，內層是高鉻耐磨鑄鐵。按內層金屬與外套結合方式的不同，其制造工藝有離心澆注和壓配合兩種。前者是使內層金屬熔合在外層基體上。后者是內外套分別加工后壓配合在一起。（3）陶瓷缸套由金屬外層和陶瓷襯里壓配合而成。陶瓷襯里是由鋁礬土、長石、自土等粉末和粘結劑等在專門的模具中經高溫高壓燒結而成。陶瓷襯里的硬度特別高，接近于金剛石；抗腐蝕能力也極佳。 但生產陶瓷缸套需要投資添置新的加工設備，另外，在目前雙金屬缸套的壽命可穩(wěn)定在 700 ～800h 的情況下，人們的注意力主要集中在如何提高活塞的壽命。所以，盡管陶瓷缸套的壽命可超過 l000h ，目前在國內仍未能獲得推廣。鉆井泵運行時，缸套內壁與活塞外圓材料會產生磨粒磨損、粘著磨損，磨粒磨損是其主要磨損形式。而這些磨粒主要是泥漿液中含有來自地層的各種礦物硬料，其中以石英硬粒為主。石英是六方晶系的致密結晶體，泥漿中的石英粒子尺寸一般為0.09～0.30mm，硬度高達ＨＶ750～1300。當活塞在缸套中往復運動時，這些堅硬礦物粒子就對缸套內壁產生犁耕刮擦的作用，產生拉傷犁溝。當犁溝尺寸較大時，高壓鉆井液將泄漏，并山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 23 -沖刷缸套內壁，進而出現(xiàn)更嚴重的侵蝕條件下的三體硬粒磨損，使缸體、活塞、缸套在短期內失效。結構設計采用雙金屬缸套的優(yōu)點是抗腐蝕性，抗研磨性，很好的磨合性及工作表面的高光滑度。缸套采用雙金屬制作，外套用45鋼，經調質處理獲得回火索氏體組織，具有較好的綜合性能。其內層為高鉻白口合金鑄鐵，高鉻鑄鐵缸套失效的特點是，馬氏體基體的磨損及凸出的碳化物的折斷和脫落，交替發(fā)生直至失效。碳化物的折斷和脫落是缸套磨損失效的主要機制，為了提高缸套壽命，必須控制碳化物的折斷和脫落速率，優(yōu)選合適的缸套表面硬度可有效地提高高鉻鑄鐵套壽命。可采用離心澆注，經淬火＋回火處理，獲得馬氏體＋合金碳化物＋殘余奧氏體組織，硬度HRC61～68，加工內襯內孔時盡量控制內壁加工余量小于5 mm，以保留澆鑄后的細晶區(qū)。山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 24 -總 結通過四個月的努力，我們完成了本次畢業(yè)設計，在設計中查閱資料對其中的原理進行了充分的理解，提出并選擇了經濟合理的方案。通過設計，取得了階段性的成果和較大的收獲。1.首先分析當前鉆井泥漿泵的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，得出了目前鉆井泥漿泵所存在的缺點。2.本次設計根據3NB-1300鉆井泥漿泵的功能和工作原理，進行了總體設計。然后進一步介紹了鉆井泥漿泵液力端的組成，并進行了詳細的零部件設計。3. 在零件結構設計的基礎上，對液力端的泵閥、活塞等易損件進行了分析。4.使用Solid Works 進行液力端系統(tǒng)的三維造型。本次設計也存在很大的不足之處，有待在以后的工作中改進。山東建筑大學畢業(yè)設計說明書- 25 -謝 辭本文是在湯愛君老師悉心指導下完成的，從論文選題、課題調研、試驗指導、理論分析到說明書撰寫，無不傾注了老師的心血和汗水。向所有曾經關心和幫助過我的老師、同學和朋友致以誠摯的謝意！在本設計方案提出、修改、總體設計的整個過程中，自始至終都得到了湯老師的精心指導。湯老師淵博的知識、嚴謹的學風、高度的責任感給我留下了深深的印象，并將使我銘記終生。在此我謹向湯老師致以最衷心的感謝！設計不僅是一個將以前所學知識進行系統(tǒng)綜合的過程，更是一個自我考驗的過程。老師的悉心指導不僅使我們學習到的理論知識更好的應用到實踐中去，更重要的是讓我們同時學習到新的知識，使我的實踐、動手能力有了很大的提高。在說明書的整個完成過程中，整個小組的所有同學給予了我無私的幫助和熱情的鼓舞，在設計過程中，我們對設計進行了激烈的討論，這是一個相互學習和交流的過程。正是在他們的幫助下，才使我順利的將課題完成。在此向幫助我完成設計的老師和同學表示衷心的感謝！