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文檔包括:
說明書一份,46頁,17400字左右.
開題報告一份.
圖紙共38張:
A0-總裝配圖.dwg
A1-曲軸箱體1.dwg
A1-曲軸箱體2.dwg
A3-曲軸.dwg
A4-16零件圖[二][16張].dwg
A4-16零件圖[一][16張].dwg
A4-兩零件[2張].dwg
開題報告
畢業(yè)設計開題報告
畢業(yè)設計內容：
BW-100型泥漿泵曲軸箱與液力端特性分析、設計
1、結構形式：臥式三缸單作用往復活塞泵。
2、技術參數：（1）曲軸箱變速：2級
（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）驅動功率：5.5kw
（5）缸徑：60mm
（6）活塞行程：65mm
（7）活塞往復次數 （l/min）：38、47、57、70、87、106、147、181；
（8）驅動方式：電動機離合器 四級變速箱 曲軸箱（剛性軸傳動）。
3、分析設計內容:（1）分析曲軸箱的轉矩特性及轉速特性；
（2）分析計算泵液力端的特性參數;
（3）在分析計算的基礎上設計泵的曲軸箱與液力端;
（4）應用現代分析軟件對設計的曲軸箱、液力端進行仿真分析
析、驗證。
此開題報告根據所設計的內容，提出設計技術方案、技術路線、存在的技術難點、關鍵技術問題的解決方案等內容。
鉆探用泵是鉆探設備的組成部分之一。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輸送清洗液，并能使其在孔內循環(huán)。在某些特種工序中還用泥漿泵向孔內灌注水泥漿等物質。
本人所設計的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，從而形成腔室內外壓力差變化，以吸入和排出液流實現能量轉換的。
往復泵的工作原理
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。隨主軸一起轉動，同時曲柄軸一端相連的連桿7隨著曲柄軸的轉動帶動連桿另—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(即曲柄轉過rad)工作液停止吸入，吸入閥在自重和彈簧力作用下被關閉，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?；钊谝淮瓮鶑瓦^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。
設計方案:
往復式泥漿泵，絕大多數是曲柄連桿傳動的。它由動力端和液力端組成兩大部分組成。
動力端及其關鍵部件設計和解決方案: 動力端的功能，是將動力機的回轉運動轉變?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構型式，決定著泵的驅動方案及結構方案的選擇。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。
按離合器的安排形式，動力端的結構方案為：利用撥叉式皮帶帶動中間裝置上的空轉輪和工作輪實現離合。按曲軸箱傳動結構方式不同，動力端的結構方案為：曲軸箱內采用具有剖分式的曲拐軸方案曲軸箱采用鑄鐵件。設計曲軸箱體時，使內部所有零部件安裝、檢修方便；有良好的潤滑條件；加工時應保證驅動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潤滑油孔，把從曲柄油道來的潤滑油通過連桿大頭倒入小頭襯套中，實現油壓潤滑。連桿大頭做成剖分式，采用部分式滑動軸承。連桿小頭用鑄鐵制造，顯微組織應為均勻回火索氏體。正火處理后硬度應達到HB230-280.十字滑塊起導向作用，采用圓筒式結構。
液力端及其關鍵部件設計和解決方案：液力端油泵頭體、缸套、活塞、活塞桿吸入閥和排出閥等組成，它的作用是通過活塞在缸套中作往復運動形成液缸容腔變化，完成能量轉化，實現吸入和排出液體。
液力端中泵頭體的設計，采用具有剖分式泵頭的結構方案。即每一泵缸具有自己單獨的泵頭，再用螺栓連接成整體。因為這種剖分的單泵頭體，體積小、鑄造容易、檢修方便。根據閥門箱的不知結構不同，液力端采用直通式結構，這樣吸入閥和排出閥處在同一軸線上，結構緊湊、余隙容積小、質量輕。泵的液缸體都采用灰鑄鐵鑄造。且應注意：1吸入閥、排出閥之間液流通道要短而直，其內徑應盡可能小些。為減小流道阻力損失，應加大拐彎處的圓角，內壁表面應當光滑。液缸內的形狀應最不利于空氣滯留。吸入、排出閥應盡量靠近缸體，以減少水利損失和余隙容積。吸入、排出口應便于同吸入、排出管道相連?；钊苫钊?、橡膠密封皮碗、壓蓋及螺帽等組成。橡膠密封部分制成碗型、，只在靠排出端一側有唇型密封皮碗，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
活塞是往復泵一個重要而又易損壞的部件，設計時要注意以下幾點:1活塞應設計為可調部件，當皮碗外唇部磨損后，通過調整壓緊裝置，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，運轉時絕不允許出現松扣現象 3皮碗損壞后應可以更換，其缸芯部分則可以繼續(xù)使用4皮碗唇部形狀應有利于自封。活塞桿的設計及其密封 活塞桿是用來把十字滑塊傳來的作用力傳遞給活塞，它制成整體式結構?；钊麠U由40Gr鋼制成，它的密封放在單獨的殼體內，有彈性的唇型密封圈組成，并永鋼鐵套筒和帶兩個雙頭螺栓得法蘭壓緊。缸套設計及密封 缸套用45號鋼制成，正火處理后的硬度為HB200-270，內孔表面淬火硬度為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缸套進行密封。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，它在啟動中伴有旋轉運動，球面磨損均勻，流道圓滑，液流阻力小，便于制造，互換性強、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。
整體設計：動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絲扣于活塞桿連接?；钊麠U通過兩層密封圈后進入缸套。曲軸箱內的傳動軸上裝一對雙聯(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，用八根長螺栓把缸套緊固于泵頭與曲軸箱之間，在曲軸上有導正套是缸套定位。泵頭端用定位臺階和尼龍墊片，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。泵頭的閥門結構為直通式，泵頭的進水，拍水通道為三缸所共有，分別安裝在泵頭的上面和下面。每個通道兩端結構相同，可以在任一端接進水管和排水管接頭，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。泵頭內裝六個尺寸相同的閥座，用40Gr鋼制成，壓裝在泵頭體上。閥座帶四個導向爪，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，產生密封。曲軸箱內采用飛濺潤滑，油面采用量油尺測量，油箱底部安放油螺塞，曲軸箱蓋為ZL103鑄鋁合金制造。
關鍵技術難題：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，是鉆探設備中的一個薄弱環(huán)節(jié)。在實際生產活動中，因為泵出事故或損壞而停鉆幾乎每天可以遇到。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。這對鉆探設備的設計來說也是一個關鍵問題，因而給我此次設計帶來了一定困難，首先要知道易損件。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。易損件的結構、加工制造質量與裝配公差；材料性能；摩擦副的潤滑；泵所輸送介質的排量，壓力，溫度，化學性質，介質中所含磨礪性顆粒的性質，形狀，大小，多少；維修，保養(yǎng)，包裝，運輸及儲存等工作性質的好壞等都是影響易損件壽命的主要因素，因此設計時要特別注意。
往復式泵通過曲柄連桿機構將原動機的等速回轉運動變?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。往復式泵活塞運動速度不是定值，而是每一瞬時都在變化，這會使泵產生流量不均勻現象，對于三缸單作用泵，其曲柄互成120度夾角。曲柄回轉一周，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值之和，
三缸單作用泵瞬時排量曲線
往復式泵的流量不均勻度過大，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；會導致液流壓力波動增大，從而引起孔壁坍塌或嚴重漏失；
造成吸入系統(tǒng)內液流慣性增大，使吸入性能變壞，使液缸內出現強烈的沖擊現象，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；當給渦輪鉆具、螺桿鉆具等提供動力介質時，沖洗液流量的波動會使鉆具運轉不平穩(wěn)，時快時慢，還使得原動機功率的無謂消耗增加等。設計泵體時要對流量產生的影響注意。
技術路線：綜合運用工程圖學、理論力學、流體力學等知識分析計算要求的特性參數，采用現代工程分析設計軟件ADAMS對設計的曲軸箱，液力端進行仿真分析驗證。
參考文獻
[1]成大先。 機械設計手冊。北京：化學工業(yè)出版社，2002
[2]楊惠民。 鉆探設備。北京：地質出版社，1998
[3]馮德強。 鉆機設計。武漢：中國地質大學出版社，1993
[4]趙貴祥。 鉆探液壓技術。北京：煤炭工業(yè)出版社，1985
[5]張連山。我國鉆井泵技術發(fā)展方發(fā)展方向。石油機械，1988，16（2）:5~7
[6]沈學海。 鉆井往復泵原理與設計。北京：機械工業(yè)出版社，1990
摘 要
鉆探用泵是鉆探設備的重要組成部分之一。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輸送清洗液，并能使其在孔內循環(huán)的作用。在某些特種工序中還用泥漿泵向孔內灌注水泥漿等物質。
泥漿泵是石油礦場鉆井作業(yè)中的關鍵設備之一，它的性能、結構、可靠性、適應性、經濟性以及使用壽命，直接影響著鉆井質量的好壞。泥漿泵是往復泵的一種。本人所設計的泥漿泵是臥式三缸單作用往復式活塞泵，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，從而形成腔室內外壓力差變化，以吸入和排出液流實現能量轉換的。該臥式三缸單作用泵在生產實踐中得到了廣泛的應用。
關鍵詞： 泥漿泵 ，往復泵，鉆井
ABSTRACT
The drilling pump is one important part of drilling equipment. The drilling pumps are mainly used to wash hole, in our country geology and mining depart- ment proclaimed the standard decides as the mud pump, the form of the pumps designed as the reciprocating pump. In the drilling construction, the mud pump is used to transport the cleaning liquid to the hole, and make it at the hole continual recycling. Also using the mud pump in certain special working procedures to pour matter and cement mortar to the hole.
A mud pump is one of the critical equipments for petroleum drilling operations, the performance, structure, reliability, suitability, cost and service life of a mud pump will directly affect the drilling operations. The mud pump is a kind of the reciprocating pump. The pump designed myself is three plunger reciprocating pump, it is through the piston part reciprocal motion, causes the airtight work cavity room volume change, thus forms the pressure of the cavity room in side and outside different, and discharges the energy by the inspiration. The successful development of the pump produces a good profit for our factory, and plays an important active role in oil field development and full use of the resources.
Keyword：mud pump , reciprocating pump, drilling.
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摘 要
鉆探用泵是鉆探設備的重要組成部分之一。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輸送清洗液，并能使其在孔內循環(huán)的作用。在某些特種工序中還用泥漿泵向孔內灌注水泥漿等物質。
泥漿泵是石油礦場鉆井作業(yè)中的關鍵設備之一，它的性能、結構、可靠性、適應性、經濟性以及使用壽命，直接影響著鉆井質量的好壞。泥漿泵是往復泵的一種。本人所設計的泥漿泵是臥式三缸單作用往復式活塞泵，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，從而形成腔室內外壓力差變化，以吸入和排出液流實現能量轉換的。該臥式三缸單作用泵在生產實踐中得到了廣泛的應用。
關鍵詞： 泥漿泵 ，往復泵，鉆井
ABSTRACT
The drilling pump is one important part of drilling equipment. The drilling pumps are mainly used to wash hole, in our country geology and mining depart- ment proclaimed the standard decides as the mud pump, the form of the pumps designed as the reciprocating pump. In the drilling construction, the mud pump is used to transport the cleaning liquid to the hole, and make it at the hole continual recycling. Also using the mud pump in certain special working procedures to pour matter and cement mortar to the hole.
A mud pump is one of the critical equipments for petroleum drilling operations, the performance, structure, reliability, suitability, cost and service life of a mud pump will directly affect the drilling operations. The mud pump is a kind of the reciprocating pump. The pump designed myself is three plunger reciprocating pump, it is through the piston part reciprocal motion, causes the airtight work cavity room volume change, thus forms the pressure of the cavity room in side and outside different, and discharges the energy by the inspiration. The successful development of the pump produces a good profit for our factory, and plays an important active role in oil field development and full use of the resources.
Keyword：mud pump , reciprocating pump, drilling.
第一章 緒論
1.1 往復泵的應用與發(fā)展
往復泵是最早出現的泵類機械，曾在工業(yè)界廣泛使用。19世紀末和20世紀初，德國的魏斯特法爾(M.WestPha1)和貝爾格(H. Berg)等人曾對往復泵技術基礎理論的研究做出了杰出的貢獻。貝爾格的《活塞泵》一書是當時關于往復泵原理和設計的權威性著作。這本著作中有關泵閥運動的分析和公式，吸入、排出過程中液缸內壓力變化的規(guī)律，吸入管中的慣性水頭值計算等至今仍被引用。但在20世紀中，后起的離心泵、轉子泵等在許多應用領域取代了往復泵。 其主要原因就是它們的結構簡單，通用性強。受此影響，往復泵的技術基礎理論和沒計、制造技術的研究發(fā)展工作長期停滯不前，特別是在基礎理論方面，往復泵無論是與內燃機、活塞式壓縮機等往復式機械相比，還是與離心系等動力式泵相比，其差距都是相當大的。
但是，往復泵所具有的一些性能上的特點和優(yōu)點是其它類型泵無法比擬的。因而它的應用也不可被取代。除了上面提到的在泵壓變化的條件下可實現排量恒定外，還有能在嚴苛條件下泵送特種介質(腐蝕性、磨礪性、高粘度、離密度、高溫等)，效率高，排出壓力高等特點。這些特點決定了往復泵將在下列領域保留它的應用：
(1)在化工廠中用于泵送特種介質；
(2)用于礦業(yè)生產中輸送煤漿、金屬礦漿等，包括遠距離輸送作業(yè)；
(3)用于石油、天然氣礦場的鉆井、固井、壓裂、注水等作業(yè)；
(4)石化、藥品、食品等生產流程中的配料計量泵；
(5)為水壓機等鍛壓機提供動力的高壓液壓泵。
在以上幾種應用場合中，不但所要求的排量、壓力、功率和驅動、傳動型式相差甚遠，而且為適應各種不同的特種介質和性能要求，泵的液力端結構設計差別很大。從這個意義上來說，往復泵在今日已不再是一種“通用機械”了。
一方面各應用領域內生產產品、工藝規(guī)模的發(fā)展變化，使各類往復系統(tǒng)更好地適應和滿足生產部門的需要；另一方面各類往復泵之間仍需要相互借鑒和啟發(fā)。
在本世紀后半葉，由于應用往復泵的資源開發(fā)、石油化工及其它化工、重型機器制造等工業(yè)部門的發(fā)展需要，往復泵的基礎理論與研究和新產品開發(fā)工作又受到一定程度的重視。主要研究成果大多以該應用領域用泵，如計量泵、鉆井泥漿泵、化工用泵等專著的形式出現。
針對往復雜、制造成本高的特點，要努力提高各類往復泵的標準化和通用化水平。模塊化設計是一個方向，即以最少數量的液力端和傳動端的模塊組合成適應范圍極廣的變型泵結構夏產品。還可以用同一尺寸的液力端改變材料后適應不問的介質和壓力，相同的傳動端并聯(lián)成不同缸數的泵，等等。
在提高標液化和通用化程度的基礎上：普及CAD／CAM技術的應用，加強可靠性的研究。提高曲軸、缸體、泵殼等復雜形狀零部件的設計、工藝水平，提高軸承、密封件等基礎元件的質量，提高裝配工藝水平。還應指出，往復泵多用來泵送特種介質，這是它的優(yōu)勢所在，但由此產生的問題是液力端零件，特別是易損件的壽命較低，因此，重視液力端水力過程機制的研究及其零件失效原因的研究，提高零件的使用壽命，減少停機修理時間，合理安裝與維護也是進一步發(fā)揮往復泵特長的重要課題。
1.2 泥漿泵的發(fā)展情況
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，以及后來的井下動力鉆具鉆井，利用高壓泥漿的沖蝕力輔助破碎巖石可以加快鉆井速度，利用泥漿的動力驅動井下渦輪鉆具也可以旋轉鉆井，從而擴大了泥漿泵的功能和使用范圍。
泥漿泵早期的典型結構是雙缸雙作用泵，這種泵使用時比較可靠，但是體積和重量都較大，效率低，壓力波動大。隨著鉆井井深的增加和套管層次的增多，對鉆井泵的排量和泵壓提出了愈來愈高的要求。這也導致了泵功率的急劇加大，泵的重量和外形尺寸也隨之增加。為減輕泵重，當時在雙缸泵的設計上較大的改進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)質合金鋼制造;減小泵寬是應用大直徑的滾動軸承作連桿大端支撐，摒棄懸臂曲拐軸設計。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之處。當然，除此之外在細節(jié)結構上也有不少改進。盡管在50-60年代噴射鉆井工藝本身提出了Pa的泵壓要求，但雙缸泵的實際持續(xù)工作泵壓只能達到Pa左右。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，但在高壓下由于活塞皮碗與缸套的摩擦，仍將產生100℃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)的正常進行和使用的合理壽命。但這種單向活塞和敞口缸套的結構給吸入帶來了特殊的問題，即三缸泵的吸入過程中，只要缸內壓力低于當地大氣壓，空氣就可能從活塞背后侵入液缸而破壞正常吸入。所以，在原則上三缸泵應配置灌注泵，這也是國外通常的做法。三缸單作用泥漿泵的優(yōu)點在于體積小、重量輕、效率高、壓力波動小，特別適用于鉆井。三缸單作用泥漿泵經過三十多年的不斷改進和完善，在性能上、結構上、可靠性、適應性與經濟性等方面，已經走向成熟，使用效果也很顯著。
在我國，第一臺泵是五十年代誕生的，為雙缸泵。在七十年代，由于鉆井工藝的試驗和推廣，引進國外三缸泵及技術。從此開始了三缸泵的研制工作，它在短短的數年中取代了雙缸泵，成為提高噴射鉆井水平的關鍵設備。
1.3 泥漿泵的作用和特點：
在使用旋轉鉆井法鉆石油、天然氣井的作業(yè)中，鉆井往復泵用于泵送鉆井液—泥漿，使其循環(huán)流動進行沖井。所以鉆井泵通常被稱為泥漿泵。按其工作重要性，又被比擬為“鉆機的心臟”。
泥漿循環(huán)是旋轉鉆井過程中的關鍵作業(yè)，主要有以下作用:
1、清除井底的巖屑并將其經由環(huán)形空間攜至地面；
2、在井壁上造泥餅，防止井壁坍塌；
3、平衡或控制已鉆開的井段中的油、氣、水層壓力，防止井噴；
4、處理井下復雜情況。如遇裂縫地層時泵入堵漏材料，遇卡鉆時泵入原
油、柴油解卡等。
5、冷卻鉆頭，潤滑旋轉的鉆柱。
與目前在工業(yè)生產中實際應用較廣泛的其他往復泵相比，地質鉆探用泥漿泵的作業(yè)條件有所不同，主要有以下幾個方面:
1、 排量和功率大。在機動往復泵中，常用的化工用泵、計量泵、高壓液
壓泵等的排量為2-20L/s，功率至多550kw。鉆井中為保證泥漿在環(huán)形空間中有足夠的上返速度和鉆頭上有足夠的壓力降，一般要求鉆井泵單泵有30-50L/s的排量;而功率最大的鉆井泵已達1481kw。
2、 鉆井泵持續(xù)工作于野外，并經常移運。安裝時不可能配有講究的基礎。所謂“泵房”最多不過是一架簡易的頂棚。環(huán)境條件與維護保養(yǎng)非常差。這種條件不但無法與固定廠房里的泵相比，甚至也不能和固井壓裂泵相比:固井壓裂泵雖然也在井場工作，但可以較穩(wěn)固地安裝在重型汽車上，在野外工作數小時后即可駛回基地檢修。
3、 鉆井泵輸送的介質是泥漿，其中含有堿、酸、硫化氫等腐蝕成分和細
小的巖屑及大量未知的雜質。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。
在上述的基本工作條件工作又為鉆井泥漿泵的設計帶來以下的特點:
1、沖次低。中、大功率雙缸鉆井泥漿泵的沖次為60-65/min，三缸泵的使用沖次為90-120/min。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的功率和排量很大，且安裝條件又差，故對對沖次提高而引起的沖擊、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。
2、鉆井泥漿泵不僅排量大，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100mm左右，閥升程為20mm左右，這比其它種類的往復泵要大的多。這一特點首先決定了鉆井泵的泵閥開啟、關閉滯后角較大，一般在10度-20度，這對容積效率和吸入管中的慣性水頭值有很大的影響。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-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、鉆井泵是在環(huán)境條件很差的野外作業(yè)，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由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，三個曲軸之間沒有支點。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、由于鉆井泵輸送的介質具有腐蝕性和較強的磨礪性,再加上礦場維護保養(yǎng)條件很差,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。
1.4鉆探工作對鉆井泵性能的要求
鉆探工作隊鉆井泵的要求主要有以下幾點：
1.鉆井泵的排量要能簡便、迅速地在較大范圍進行調節(jié)，最好能實現無級調節(jié);
2.鉆井泵的排出壓力也要能在較大范圍進行調節(jié);
3.當根據鉆進工藝規(guī)程將泵量調定以后，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.
1.5 修井作業(yè)簡介
在油井自噴或抽油過程中，常會發(fā)生一些油井或設備故障，造成油井減產，甚至停產。為了恢復油井的正常生產，必須采取相應的措施，排除故障，有時，由于井況發(fā)生變化，需要對井下設備進行更換，以調整油井參數。這種排除故障或調整油井參數，恢復油井正常生產等作業(yè)，稱作修井。所用的一切設備或工具，稱為修井設備或工具。破壞油井正常生產的井下故障很多，一般由兩方面原因所引起:一是油井本身故障，如井下砂堵，井內嚴重結蠟、結鹽，油層堵死，滲透率降低，油管斷裂、脫扣和滲漏，套管擠扁、斷裂和滲漏等;二是采油設備本身的故障，如抽油泵游動閥磨損或卡死，抽油桿彎曲、斷裂或脫扣等。所有這些故障均可導致油井減產或停產，必須進行修井作業(yè)。
修井作業(yè)的內容主要有以下幾個方面:
1、更換抽油桿、油管和深井泵。
2、清除沙堵(撈砂或沖砂)和防砂(造人工井壁等)。
3、清除蠟堵或蠟卡。
4、封堵外來水(上層水或下層水)和本層水，一般可采用擠水泥或下附加
套管然后注水泥的辦法予以隔絕。
5、修補套管。
6、打撈。
7、回采上部或下部生產層.
修井作業(yè)方式可以歸納為三大類:
1、起下作業(yè)。如油管、抽油桿、深井泵等井下設備及工具的起下，以及抽汲、撈砂、機械清蠟的起下等
2、液體循環(huán)作業(yè)。如沖砂、熱洗、擠水泥及循環(huán)泥漿等。
3、旋轉作業(yè)。如鉆水泥塞，鉆沙堵，以及擴孔、重鉆、加深和修補套管等。完成上述作業(yè)的設備，也基本上分為起下設備(如通井機、輕型修井機等)，沖洗設備(如洗并機、水泥車、鍋爐車等)，以及配備有起升系統(tǒng)、旋轉系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)的中型、重型修井機等。這些設備大多數都是由一些與鉆機相類似的機組組成。不同的是這些設備所需的功率相對較小，機動性較高，一般都固裝于汽車、拖拉機或拖車上。
1.6 設計的提出及設計說明書的主要工作
泥漿泵是石油礦場鉆井作業(yè)中的關鍵設備之一，它的性能、結構、可靠性、適應性、經濟性以及使用壽命，直接影響著鉆井質量的好壞。本課題的目的就是設計出一種能夠滿足生產實踐要求的泥漿泵，并對其主要零部件特別是油田作業(yè)時易產生失效的零部件如曲軸、齒輪等進行相應的強度校核。
1.7 本章小結
本章介紹了泥漿泵的作用和特點、發(fā)展情況以及修井作業(yè)的工作內容和作業(yè)方式。提出了設計題目及設計說明書的主要內容，從而為設計出BW-100型臥式三缸單作用泥漿泵打下了一定的基礎。
第二章 泥漿泵的運動機理
2.1 引言
泥漿泵是地質鉆探設備的心臟，它是固井、壓裂、酸化等作業(yè)中的關鍵設備之一，它在石油化工、煤氣化工工程、電站、礦山開采、船舶等行業(yè)中也起著重要作用。泥漿泵屬于往復泵，往復泵的突出優(yōu)點是: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，往復泵的缺點是:流量比較小，瞬時流量和泵壓是脈動的，泵的體積大，易損件較多，維修工作量大。
盡管往復泵有上述不足，但是，這并不意味著往復泵有全部被其它類型泵所取代的趨勢。今后往復泵發(fā)展的趨勢是:充分發(fā)揮往復泵配套性強，適應介質廣泛的優(yōu)勢，充分發(fā)揮往復泵在流量較小而排出壓力很高時整機效率高及運轉性能好的優(yōu)勢，充分發(fā)揮往復泵的流量與排出壓力無關的優(yōu)勢.當然，要使往復泵不斷發(fā)展，不僅要充分發(fā)揮它的優(yōu)勢，而且還要不斷地克服它的缺點。
BW-100型泥漿泵是三缸單作用泵，對單作用泵來說其工作原理可下圖簡化說明
圖2—1為單缸單作用泵工作原理示意圖。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。
圖2-1 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
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。
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。隨主軸一起轉動，同時曲柄軸一端相連的連桿7隨著曲柄軸的轉動帶動連桿另—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(即曲柄轉過rad)工作液停止吸入，吸入閥在自重和彈簧力作用下被關閉，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?；钊谝淮瓮鶑瓦^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。由泥漿泵的工作過程可以得出:泥漿泵是一個往復泵，它之所以能夠實現吸、排液體，是由于活塞在泵頭體內作往復運動.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行吸、排液體的，所以泥漿泵也是一種容積式泵。
2.2 往復式泵的基本結構
往復泵由動力段和液力端兩大部分組成。動力端的功能，是將動力機的回轉運動轉變?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構型式，決定著泵的驅動方案及結構方案的選擇。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，完成能量轉化，實現吸入和排出液體。
此泵曲軸箱由兩極齒輪變速機構和曲柄連桿機構組成。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速。加上變速箱的四級變速。曲軸上總共可獲得8級轉速，實現8級變速。液力端屬于直通式結構，便于制造，裝配精度高。
2.3 住復式鉆井泵的流量及其變化規(guī)律
2.3.1 曲柄連桿機構及活塞的運動規(guī)律
往復式泵通常都是通過曲柄連桿機構將原動機的等速回轉運動變?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。曲柄連桿機構與活塞的運動情況如圖2—2所示。
圖2-2 曲柄連桿機構與活塞運動情況示意圖
若曲柄回轉中活塞中心線位于同一個水平面內，以活塞在泵缸左端終點位置為坐標原點。此時圖中角，均等于零。當曲柄順時針轉動時，則活塞自左向右運動，其運動距離為：
（2—1）
式中：L—連桿長度，m；
R—曲軸半徑，m；
—曲柄的轉角；
—連桿的擺角。
當活塞自由向左運動時，計算式相同，但右邊兩項之間取“—”號，將值換為的三角函數表示則應為
（2—2）
（2—3）
(2—4)
上式按牛頓二項式展開，可得：
（2—5）
活塞的位移，速度，加速度的近似計算方程：
（2—6）
（2—7）
（2—8）
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，經過時間，活塞移動距離為，則在t時刻泵的瞬時排量為：
（2—9）
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值之和，如下圖所示：
圖2-3 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。不同缸數的往復式泵，其瞬時流量的變化范圍不同，產生流量不均勻 。
2.4 泥漿泵流量不均度
流量不均度是用來衡量往復泵流量脈動程度的指標。
（2—10）
式中：—泵的最大瞬時流量
—泵的最小瞬時流量
—泵的理論平均流量。
=0.14 （2—11）
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)內液流慣性增大，使吸入性能變壞，使液缸內出現強烈的沖擊現象，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時，沖洗液流量的波動會使
鉆具運轉不
平穩(wěn)，時快時慢，還使得原動機功率的無謂消耗增加。
2.5 本章小結
本章主要介紹了泥漿泵的工作原理，分析了活塞的運動規(guī)律、泥漿泵的流量曲線和流量不均度對泥漿泵工作產生的影響，為BW-100型泥漿泵下一步的設計打下堅實的基礎.
第三章 泥漿泵整體及其關鍵部件的設計
3.1 BW-100型泥漿泵主參數的確定
主要技術參數：（1）曲軸箱變速：2級
（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）驅動功率：5.5kw
（5）缸徑：60mm
（6）活塞行程：65mm
（7）活塞往復次數 （r/min）：38、47、57、70、87、106、147、181；
（8）驅動方式：電動機離合器 四級變速箱 曲軸箱（剛性軸傳動）。
3.2整體設計方案
單作用往復式泥漿泵，絕大多數是采用曲柄連桿傳動的。本設計也采用此
種方案，它由動力端和液力端兩大部分組成。
3.2.1動力端及其關鍵部件設計和解決方案
動力端的功能，是將動力機的回轉運動轉變?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構型式，決定著泵的驅動方案及結構方案的選擇。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。按離合器的安排形式，動力端的結構方案為：利用撥叉式皮帶帶動中間裝置上的空轉輪和工作輪實現離合。按曲軸箱傳動結構方式不同，動力端的結構方案為：曲軸箱內采用具有剖分式的曲拐軸方案，曲軸箱采用鑄鐵件。設計曲軸箱體時，使內部所有零部件安裝、檢修方便；有良好的潤滑條件；加工時應保證驅動部分零件之間有精確配合，特別要保證液缸中心距的精度要求。
曲軸
曲軸是泥漿泵的重要部件，本設計中傳動軸采用曲拐軸形式。如下圖所示：
圖3-1 曲軸
曲拐軸采用球墨鑄鐵制成，三個曲柄相互相位差為120度，兩端與軸承相配合，中間用螺栓與齒輪箱連接，傳遞力和扭矩。因此曲軸是泥漿泵的重要組成部件
連桿
圖 5-3 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到HB230-280.滿足要求。
十字頭
十字頭是起起導向作用的連桿部件，本設計采用圓筒式結構，如上圖所示一邊連接連桿，另一邊與活塞桿向連接，它傳遞交變應力
圖5-4 十字頭
3.2.2液力端及其關鍵部件設計和解決方案
液力端油泵頭體、缸套、活塞、活塞桿吸入閥和排出閥等組成，它的作用是通過活塞在缸套中作往復運動形成液缸容腔變化，完成能量轉化，實現吸入和排出液體。液力端中泵頭體的設計：采用具有剖分式泵頭的結構方案，即每一泵缸具有自己單獨的泵頭，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。根據閥門箱的布置結構不同，液力端采用直通式結構，這樣吸入閥和排出閥處在同一軸線上，結構緊湊、余隙容積小、質量輕。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，其內徑很小?？紤]為減小流道阻力損失，加大拐彎處的圓角，使內壁表面光滑。液缸內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3-5 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
活塞是往復泵一個重要而又易損壞的部件，采用上述設計時可以收到很好的效果且有以下幾個特點:1此活塞設計為可調部件，當皮碗外唇部磨損后，通過調整壓緊裝置，使皮碗中間部分壓緊，唇部被擠壓少許，仍能壓緊缸套；2活塞與活塞桿的縮緊裝置牢固可靠，運轉時不會出現松扣現象；3皮碗損壞后應可以更換，其缸芯部分則可以繼續(xù)使用；4皮碗唇部形狀應有利于自封?；钊麠U的設計及其密封 活塞桿是用來把十字滑塊傳來的作用力傳遞給活塞，它制成整體式結構?；钊麠U由40Gr鋼制成，它的密封放在單獨的殼體內，有彈性的唇型密封圈組成，并永鋼鐵套筒和帶兩個雙頭螺栓得法蘭壓緊。缸套設計及密封：缸套用45號鋼制成，正火處理后的硬度為HB200-270，內孔表面淬火硬度為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缸套進行密封。泵閥采用鋼球閥，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，它在啟動中伴有旋轉運動，球面磨損均勻，流道圓滑，液流阻力小，便于制造，互換性強，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整體設計
動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絲扣于活塞桿連接?；钊麠U通過兩層密封圈后進入缸套。曲軸箱內的傳動軸上裝一對雙聯(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，用八根長螺栓把缸套緊固于泵頭與曲軸箱之間，在曲軸上有導正套是缸套定位。泵頭端用定位臺階和尼龍墊片，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。泵頭的閥門結構為直通式，泵頭的進水，拍水通道為三缸所共有，分別安裝在泵頭的上面和下面。每個通道兩端結構相同，可以在任一端接進水管和排水管接。泵頭內裝六個尺寸相同的閥座，用40Gr鋼制成，壓裝在泵頭體上。閥座帶四個導向爪，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，產生密封。曲軸箱內采用飛濺潤滑，油面采用量油尺測量，油箱底部安放油螺塞，曲軸箱蓋采用鑄鐵制造。
3.3泥漿泵主要零部件強度校核
3.3.1 曲軸連桿機構的受力分析
在往復泵中，曲軸連桿機構是把旋轉運動變成活塞往復運動的機構。工作中，作用在曲軸連桿機構上的力有：活塞上的液體壓力;各摩擦部位（活塞與缸套，十字頭與滑套，連桿大小頭的鉸點等）的摩擦力；曲軸連桿機構中運動部件的慣性力以及曲柄上的旋轉力矩，這些力均與曲柄轉角有關。
下圖是單缸作用曲柄連桿機構的受力圖：
圖3-6 連桿受力圖
作用在活塞上的力為：
（3—1）
D-缸套內徑m
P-一般取泵的排出壓力
總摩擦力為與運動方向相反，取的10% ～15%
=（0.1～0.15）=1582.56N～2373.84N （3—2）
計算慣性力，首先把曲柄連桿機構的不平衡質量換算到往復運動的十字頭銷中心和作旋轉運動的曲軸中心。
連桿的質量分成兩部分。一部分集中在十字頭銷中心其質量為；另一部分集中在曲柄銷中心，其質量為，若連桿的總質量為
=+kg （3—3）
這兩部分質量的重心應和連桿的重心相一致
=（- ） （3—4）
—連桿重心到十字頭銷中心的距離；
—連桿長度。
=
=
=（0.3～0.4）kg
= (0.7～0.6) kg
曲軸的質量分成三部分。其中不平衡質量為和見圖
圖3-7 曲軸不平衡質量換算
把和換算到曲柄銷上的質量為：
=+ kg （3—5）
若活塞組件的總質量為，則作往復運動的總質量為
=+ kg （3—6）
作往復運動的慣性力為：
=a =r (+) N （3—7）
換算到曲柄中心的不平衡旋轉部分的總質量為
=+ （3—8）
作旋轉運動的慣性力其方向與曲柄半徑的方向相同
=r N （3—9）
次泥漿泵的最高轉速為18 r/min小于300r/min，按式1，2 計算后所得的慣性力很小忽略不計
作用在十字頭銷上的力P為：
P=+ =（1.1～1.13）=（1.1～1.15） （3—10）
=0.86～0.9N
=（0.86～0.9）
=（2889.6～3024）N
把分解為沿連桿方向的力和垂直于液缸軸線的分力
= （3—11）
= （3—12）
作用在連桿上的力視角和連桿強度和穩(wěn)定性的主要依據，力沿連桿傳到曲柄銷上又可以分解為兩個力：沿曲軸半徑的力和垂直于曲柄的切向力
== （3—13）
切向力和徑向力是校核曲軸強度和剛度的主要依據當時曲軸的受力最大
==3024N
=-=-3024N
M=Tr=302432.5 （3—14）
=98.28N
三缸單作用泵的曲柄互成相位差，所以存在一個液缸排液和兩個液缸同時排液的情況
當時只有一個液缸排液
=98.28N
當0和時 有兩個液缸同時排液
第一個液缸產生的作用在曲軸的力矩為
= （3—15）
第二個液缸產生的作用在曲軸的力矩為
= = （3—16）
=+ （3—17）
當=時， =由和兩式可知，這時曲軸的力矩最大
==98.28N
受到的力和也最大
=3024N =-=-3024N
力垂直向上
連桿負荷
—曲軸的轉角
—連桿轉角
連桿負荷用力多邊形計算
=-
=-
將作用在連桿上的力繪成力多邊形
-曲軸半徑
-連桿的長度 =0.196
由=0 2號缸處于排出沖程連桿軸承負荷
=
==15825.6N
==16658.5N
應力計算
銷： =550MPa
==275MPa
剪切應力= （3—18）
=165MPa
V-外拉力 A-銷的有效截面積
V=16658.5N
=
3.3.2齒輪設計強度校核
泥漿泵齒輪組由大齒輪1 ，小齒輪2，雙級齒輪3，4組成 其中齒輪1與齒輪3嚙合；齒輪2與4嚙合
有動力段輸入的軸功率
=
-滾動軸承效率 -齒輪傳動效率
=KW=4.66KW
雙級齒輪轉速
=128r/min
由于要求的曲軸最低轉速為38
3.37
曲軸的第2轉速為47 r/min
=2.7
即=3.37 =2.7
采礦設備使用壽命長，選用齒輪材料40，表面淬火，齒面硬度48～55HRC
機械齒輪傳動對齒輪精度無特別要求，軒齒輪8級精度。
選=18 ==60.66 取=61
按齒根彎曲疲勞強度設計
因載荷有輕微沖擊=1.5初選載荷系數=2
=1.55
=0.73
查表得： =0.7
=2.78 =1.56
=2.25 =1.75
查表得： =0.85 =0.88
由表選 =1.25
由圖按齒面硬度均值51HRC，在ML線上查得：
=450MPa
=306MPa
=316MPa
=0.0141
=0.0123
取 =0.0141 設計齒輪模數
將確定后的各項數值代入設計公式，求得：
=3.8
修正：
=0.54m/s
查表得：
=3.92
查表，選取第一系列標準模數 =4mm。
所以齒輪的主要幾何尺寸為：
=72mm， =244mm，
=158mm =24mm
取=30mm =25mm
4.較核齒面接觸疲勞強度：
查得，=0.88
按不允許出現點蝕，查得：=0.91
按齒面硬度均值51HRC在MQ和ML線中間查出
=1060MPa，取 =1
=1060MPa，取 =1
=932MPa
=964MPa
將確定出的各項數值代入接觸強度較核公式，得：
接觸強度滿足。
齒輪2和齒輪4設計
=57 =22
=288 =88
=158mm =25mm
取 =25mm =30mm
較核齒面接觸疲勞強度：
查得，=0.88
按不允許出現點蝕，查得：=0.91
按齒面硬度均值51HRC在MQ和ML線中間查出
=1060MPa，取 =1
=1060MPa，取 =1
=932MPa
=964MPa
將確定出的各項數值代入接觸強度較核公式，得：
189.82.50.88=679MPa
接觸強度滿足。
（以上齒輪強度校核參看《機械設計》 譚慶昌 趙洪志主編）
曲拐直徑取60mm,端部直徑為48mm
對曲軸進行校核 許用扭轉切應力=185MPa
=98.28Nm
= （3—19）
==98.28Nm
= =3.14=0.00004239=4.24m （3—20）
==2.32
3.3.3 活塞桿校核
對活塞桿進行校核l=100mm r=24mm=750MPa
P=1.58N
= ==3.5Pa （3—21）
3.3.4花鍵軸校核
花鍵軸校核：
按定心
Z-Ddb=6-403510
矩形花鍵軸抗扭截面系數經查表知=4.77
花鍵齒數Z=6； b 為鍵齒寬 =195MPa
花鍵軸受扭矩T=3.48Nmm
===73MPa
花鍵軸滿足強度條件
3.4基本結構參數確定
缸徑D=60mm； 沖程S=65mm；
缸數i=3； 往復次數n=38.47.57.70.87.106.147.181.（L/min）
3.4.1吸入閥和排出閥孔徑和的確定
在地質鉆探用泵實際設計工作中，考慮到制造和加工方便，以及閥的互換性，常取=，流速一般為3～5m/s
Q= d=1.13 d=1.13=20mm
==20mm
3.4.2球閥及其升程確定
鋼球閥選用標準系列d=28mm
球閥升程h的確定
球閥升程最大值0.15d=0.1528=4.2mm （3—22）
因為閥蓋限制球閥的升程，所以根據球閥的最大升程可以確定閥蓋的尺寸和安裝位置。
3.5本章小結
本章在實際生產作業(yè)情況的基礎上，確定了BW-100型泥漿泵的主要參數，對動力端，液力端的主要結構進行了設計說明，同時動力端齒輪進行了齒面接觸強度，齒根彎曲強度校核，也對吸入閥和排出閥的孔徑進行確定和球閥的選擇。為下一步進行CAD設計打下基礎。
第四章 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，是鉆探設備中的一個薄弱環(huán)節(jié)。在實際生產活動中，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是由于易損件損壞造成的。據統(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。這對鉆探設備的設計來說也是一個關鍵問題。 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，經過改進與未經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，經過結構、材質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。
4.1易損件的磨損
4.1.1 易損件的正常磨損
泥漿泵所輸送的沖洗液中，常常含有大量磨礪性顆粒，又是高達5-10%，顆粒直徑有的達到1.5-2.0mm，其微觀硬度達到180-230。當易損件在往復運動中，由于壓差的作用楔狀液流夾帶著顆粒侵入摩擦接觸表面，從而使密封件或剛性件產生劃痕或刻槽長期的結果，易損件失去正常工作能力。因此易損間正常磨損一般均沿摩擦副零件的圓周形成與往復運動方向一致的溝槽，有的地方還可看到液流沖蝕的痕跡。在摩擦副的彈性零件與剛性零件上溝痕往往凸凹對應。
對于摩擦副中彈性零件來說，由于摩擦副接觸表面光潔度不理想及磨礪性顆粒的侵入，在往復運動產生摩擦阻力，且隨著工作壓力加大，阻力也增加，部分能量轉變?yōu)闊崮?，是摩擦副零件接觸表面溫度升高，而彈性橡膠的傳熱系數很低，是熱量集中在橡膠件的表層，從而導致橡膠加速老化，直至喪失彈性不再具有密封性能。
泥漿泵通過曲柄連桿傳動，因此活塞在缸套內運動速度是變化的，沿缸套軸向磨損的程度也不同。實驗表明，當曲柄轉角時，也即是在缸套的中部，活塞運動速度最大，在同一摩擦力作用下，此時消耗的摩擦功最大。因此，這一段缸套的磨損量最大，越接近或賽的左右死點，活塞運動速度越小，直至為零。從缸套橫截面看因為沙粒在泥漿中的自由下落速度為0.17-2.25m/s ，而泵送泥漿運動速度為0-0.75m/s，所以沙粒不易處于懸浮狀態(tài)，加上沙粒的密度往往較大，常常沉積到缸套下方，這就形成在曲柄轉角處磨損量最大。當此處一旦被磨損形成微小間隙，高壓液流則從中刺過，大大加速磨損。
閥和閥座的破壞：大量分析結果表明，閥的壽命主要取決于閥密封的工作性能，因此閥的損壞報廢主要由于橡膠密封過早破壞，從而使閥和閥座工作表面出現微小縫隙，這時帶磨礪性顆粒的高壓液流，從小縫隙刺蝕閥的工作表面，使它破壞。其過程大致可以這樣來描述。當泥漿泵工作時，動載荷多次作用在閥上，是磨礪性顆粒牢固的嵌入閥盤和閥座的工作表面，閥盤和閥座的工作表面的金屬層長生局部塑性變形，結果形成不同程度的凹痕。在閥盤和閥座再次接觸時，又有些磨礪性顆粒的對這已經形成的凹痕，使它加深，擴大。如此多次重復的結果，使有的金屬層表面局部撕裂和彈性剝落，最后造成閥和閥座的破壞據實際統(tǒng)計資料說明：由于橡膠密封圈破壞而報廢的閥盤，占閥盤總報廢數的85%，這種原因破壞的閥盤都出現溝槽；由于沖擊動載荷作用下磨礪性磨損而破壞的閥座，占閥座報廢總數的70% ，這種原因破壞的閥座，工作表面上出現環(huán)形磨痕。
4.1.2易損件的非正常損壞
由于摩擦副中，活塞座，活塞襯套于缸套之間，拉干與盤根套筒之間間隙過大，皮碗或密封唇部在高壓下被擠入間隙內，長期反復作用的結果，將皮碗或密封的唇部撕裂。為此活塞采用尼龍襯套，當承受高壓時，尼龍襯套或間隔套將適當脹大，使對磨零件間的間隙縮小，不使皮碗或密封唇部擠入。易損件的結構、加工制造質量與裝配公差；材料性能；摩擦副的潤滑；泵所輸送介質的排量，壓力，溫度，化學性質，介質中所含磨礪性顆粒的性質，形狀，大小，多少；維修，保養(yǎng)，包裝，運輸及儲存等工作性質的好壞等都是影響易損件壽命的主要因素，因此設計時要特別注意。
對泥漿泵來說，泥漿中的沙粒含量是很關鍵的因素，因此要求吸入泵之前的泥漿需要經過很好的凈化處理
4.2泥漿泵的使用與維護
泥漿泵的正常工作對整套鉆探設備的生產效率起著很大的作用。正確維護
和使用泥漿泵能提高鉆進速度和純鉆進時間，保護孔內清潔，并能將井壁坍和
卡鉆事故減至最小。因此我們應當做好泵的使用，維護和保養(yǎng)工作。為保護泥
漿泵的壽命及其正常工作，必須從包裝運輸保存開始，直至安裝使用和維護保
養(yǎng)都精心注意。
4.2.1泥漿泵在開啟前的維護與保養(yǎng)
泥漿泵必須安裝在穩(wěn)固的基礎之上，必須檢查原動機和泥漿泵皮帶輪軸的平行度及傳動皮帶的位置，使它們都在一個平面內，然后用地角螺釘固緊。
為了泵能正常工作，應根據鉆機機場場地考慮好回水槽，沉淀池，吸水池及泵的合理安裝位置，應盡可能縮短吸入管路和吸入高度。在高山地區(qū)或安裝位置離吸水池過高時，應考慮用輔助吸入系統(tǒng)。
在泥漿泵開動前應對泥漿泵系統(tǒng)作全面檢查
首先應仔細檢查往復式泵動力端零部件的緊固情況，配合間隙，潤滑狀態(tài)等。應特別注意檢查活塞的壓緊螺帽及十字頭與活塞連桿連接是否緊固；連桿軸瓦，十字頭軸套及滑套的配合間隙是否合乎要求；離合器及變速機構是否靈活可靠；軸承及曲軸箱內和離合器裝置內是否有足夠的潤滑油；用手轉動皮帶輪或電動機，看看轉動時內部有無障礙,并調整皮帶輪的松緊程度。
其次對液力端的整個循環(huán)系統(tǒng)作仔細檢查。應特別注意檢查底閥和濾水器的進水孔是否被臟物堵塞,底閥應開閉自如,關閉嚴密.軟管兩端與濾水器及吸入口連接處應保證密封；吸水閥運動是否受到障礙,閥密封是否良好；檢查個部分密封件是否密封嚴密,以防漏水漏氣然后要檢查壓力表及緩沖裝置，是否靈敏準確；把三通閥轉向回水位置,是排出能流入泥漿池；打開一個吸水閥室，向吸入管道注滿水。
4.2.2泥漿泵在運轉過程中的適用與維護
在做完以上工作之后，將離合器手柄放在空轉位置上，開動原動機，檢查泵的皮帶輪轉動方向是否符合要求。在泵空載的情況下合上離合器，操作過程應平穩(wěn)稍慢。當泵運轉情況正常時，在逐漸關閉回水閥，以便平穩(wěn)得想