前言第 1 頁(yè)（共 51 頁(yè)）柱塞式往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)與性能的研究現(xiàn)代鉆井技術(shù)的發(fā)展,對(duì)泥漿泵的工作能力提出了更高的要求。如,鉆表層時(shí)需要泥漿泵有 7.57～11.36ｍ3/ｍｉｎ的大排量;鉆中深層或鉆水平井時(shí),為了便于排屑和減少井下事故,需要泥漿泵有較高排出泵壓(52.7ＭＰａ)和較大排量;搬遷時(shí)盡量占用少的車(chē)次;海洋鉆井平臺(tái)要求泥漿泵占有空間小、質(zhì)量輕;偏遠(yuǎn)地區(qū)的鉆井作業(yè)承包商,要求泥漿泵在滿(mǎn)足鉆井作業(yè)要求的同時(shí),又能滿(mǎn)足固井作業(yè)。傳統(tǒng)的三缸單作用鉆井泵排出不均度較大,曲軸制造易產(chǎn)生誤差。泥漿泵工作時(shí)震動(dòng)不可避免。其質(zhì)重和體積大,給運(yùn)輸和搬遷帶來(lái)極大不便。為適應(yīng)鉆井承包商提高鉆速、降低作業(yè)成本以及其他一些特殊要求,各泥漿泵制造廠(chǎng)商在不斷對(duì)已有產(chǎn)品完善的同時(shí),研制出一些性能和結(jié)構(gòu)先進(jìn)的泥漿泵。1 前言1.1 課題研究的背景在中國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)、加快現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程中，必須高度重視和妥善解決能源問(wèn)題 。而石油天然氣無(wú)疑在中國(guó)能源戰(zhàn)略中具有極為重要的地位，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定、國(guó)家安全和全面建設(shè)小康社會(huì)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。我們必須抓緊制定和實(shí)施可持續(xù)發(fā)展石油資源戰(zhàn)略，搞好石油天然氣資源的勘探、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和節(jié)約使用，保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。當(dāng)前中國(guó)油氣消費(fèi)進(jìn)入快速增長(zhǎng)時(shí)期，油氣資源短缺已成為積極和社會(huì)發(fā)展的重要制約因素。1.1.1 中國(guó)石油發(fā)展現(xiàn)狀石油產(chǎn)量有所增長(zhǎng)中國(guó)主要石油資源可以劃分為東北石油區(qū)、西北石油區(qū)、東部石油區(qū)和海上石油區(qū)。東北石油區(qū)包括大慶、遼河、吉林油田，2020 年原油產(chǎn)量可能保持在 6000萬(wàn)噸左右。西部石油區(qū)包括克拉瑪依、塔里木盆地、柴達(dá)木盆地、吐一哈地區(qū)。如果加強(qiáng)規(guī)劃，加大投資力度 2020 年原油產(chǎn)量可能達(dá)到 6000 萬(wàn)噸左右。東部油田區(qū)包括勝利、大港、中原、河南、江漢、中蘇等所有其他陸上油田，通過(guò)提高采收率技術(shù)的持續(xù)應(yīng)用和其他技術(shù)進(jìn)步，2020 年原油產(chǎn)量也有可能保持在 5000 完噸-6000柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 2 頁(yè)（共 51 頁(yè)）萬(wàn)噸。海上石油區(qū)包括渤海、東海、黃海和南海。通過(guò)鼓勵(lì)各大國(guó)有石油公司、外國(guó)石油公司都積極投入力量，2020 年海上油區(qū)的原油產(chǎn)量有可能達(dá)到 5000 萬(wàn)噸-6000 萬(wàn)噸。如果這些目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了，2020 年原油產(chǎn)量可能達(dá)到 2.2 億噸--2.4 億噸。“十一五”期中國(guó)原油供應(yīng)和原油加工將繼續(xù)增長(zhǎng)，特別是“十一五”前期，即 2006—2007 年，由于受世界高油價(jià)慣性的影響和刺激，國(guó)內(nèi)原油產(chǎn)量在這 2 年仍會(huì)保持相對(duì)比較快的增長(zhǎng)速度，估計(jì)月均原油產(chǎn)量將達(dá)到 1500 萬(wàn)噸以上，國(guó)內(nèi)原油供應(yīng)量將持續(xù)增長(zhǎng)。石油進(jìn)口趨于穩(wěn)定2006 年中國(guó)石油消費(fèi)達(dá)到 3.28 億噸，已躋身與世界石油消費(fèi)大國(guó)行列。中國(guó)將繼美國(guó)之后成為世界上第二大石油消費(fèi)國(guó)，繼美國(guó)和日本之后的世界第三大石油進(jìn)口國(guó)。今后 5---10 年間，中國(guó)原油消費(fèi)量年均增長(zhǎng)率將達(dá)到 4%左右，2010 年中國(guó)的石油總需求量將達(dá)到 3.5 億噸—308 億噸，而到 2020 年中國(guó)成品油需求量將為2000 年的 2.3 倍（約 5 億噸） 。中國(guó)目前的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，燃煤占 2/3，石油天然氣正在迅速填補(bǔ)燃煤消耗相對(duì)下降的市場(chǎng)。由此看來(lái)， “十一五”期間中國(guó)石油供應(yīng)格局將由以國(guó)內(nèi)為主逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐試?guó)外為主，進(jìn)口量將會(huì)增加。但由于中國(guó)政府積極推進(jìn)石油戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備工作，加上節(jié)能政策的貫徹執(zhí)行，預(yù)計(jì)中國(guó)石油進(jìn)口將趨于穩(wěn)定，并在未來(lái)三年內(nèi)呈下降趨勢(shì)。石油需求穩(wěn)步增長(zhǎng)帶動(dòng)中國(guó)石油需求增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿κ墙煌ㄟ\(yùn)輸業(yè)、石化和農(nóng)業(yè)等。這些產(chǎn)業(yè)在“十一五”期間將會(huì)繼續(xù)得到發(fā)展和關(guān)注。未來(lái) 20 年仍將是中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，保持經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康增長(zhǎng)的目標(biāo)，決定了中國(guó)石油需求在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)必將保持持續(xù)增長(zhǎng)勢(shì)頭。預(yù)計(jì)到 2020 年石油占能源消費(fèi)總量的比例為 25.2%，天然氣占 5.3%，能源消費(fèi)總量為 25.44 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，石油、天然氣消費(fèi)量分別為 7.89 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤、2.86 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。1.1.2 國(guó)外石油勘探的發(fā)展2006 年世界勘探開(kāi)發(fā)投資繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)，北美地區(qū)投資增長(zhǎng)超過(guò)北美以外地區(qū)。自 2000 年以來(lái)，在高油價(jià)驅(qū)動(dòng)下，世界勘探開(kāi)發(fā)投資基本保持兩位數(shù)的增前言第 3 頁(yè)（共 51 頁(yè)）長(zhǎng)速度。2005 年，世界勘探開(kāi)發(fā)投資實(shí)現(xiàn)了 19.1%的增速。估計(jì) 2006 年世界勘探開(kāi)發(fā)投資將比上一年增長(zhǎng) 14.1%，達(dá)到 2262 億美元。從地區(qū)來(lái)看，在美國(guó)的投資預(yù)計(jì)增長(zhǎng) 16.5%，達(dá)到 564 億美元。其中被調(diào)查的 9 家大型石油公司預(yù)期 2006 年在美國(guó)的投資增加到 158 億美元，比 2005 年增長(zhǎng) 11.4%。近 10 年來(lái)，這些大石油公司剝離了在美國(guó)的大量資產(chǎn)，投資重點(diǎn)不斷向北美以外地區(qū)和潛力更大的深水區(qū)延伸。但是，隨著油氣價(jià)格持續(xù)走高，過(guò)去那些邊際油田變得盈利，特別是在油田基礎(chǔ)設(shè)施較好的美國(guó)，大石油公司更容易開(kāi)發(fā)這些油田。此外，鉆井技術(shù)不斷進(jìn)步也是國(guó)際大石油公司能夠開(kāi)發(fā)那些過(guò)去難動(dòng)用的儲(chǔ)量。因此，2005 年以來(lái)，國(guó)際大石油公司減緩了剝離資產(chǎn)的步伐。被調(diào)查的 116 家獨(dú)立石油公司 2006 年在美國(guó)的投資將增加到 406 億美元，比 2005 年增長(zhǎng) 18.6%。1.1.3 石油機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，為石油及石油化工產(chǎn)品提供了廣闊的市場(chǎng)。石油、石油化工裝備工業(yè)以我國(guó)石油和石油化工工業(yè)為依托，歷經(jīng)五十多年發(fā)展，已經(jīng)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。而石油鉆采專(zhuān)用設(shè)備是石化通用機(jī)械業(yè)的重要組成部分，對(duì)石油化工行業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用，直接服務(wù)于石油開(kāi)采業(yè)。近年來(lái)世界各國(guó)對(duì)石油能源開(kāi)發(fā)的重視和原油價(jià)格的飚升，極大拉動(dòng)了石油鉆采設(shè)備制造業(yè)的需求和發(fā)展。 1956 年太原礦山機(jī)器廠(chǎng)仿制出我國(guó)第一臺(tái) 1200 米輕型石油鉆機(jī)，1959 年蘭州石油化工機(jī)器廠(chǎng)制造成功 3200 米石油鉆機(jī)，為我國(guó)石油鉆采設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展拉開(kāi)了序幕。這期間我國(guó)制造的石油鉆機(jī)雖然檔次不高，但相應(yīng)裝備逐漸形成一定實(shí)力，尤其是鍛煉和培養(yǎng)了科研設(shè)計(jì)隊(duì)伍，為后來(lái)我國(guó)制造成套石油鉆機(jī)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。改革開(kāi)放后，我國(guó)通過(guò)許可證貿(mào)易、合作生產(chǎn)、合資等方式引進(jìn)了一批國(guó)外先進(jìn)的石油鉆機(jī)技術(shù)。目前，我國(guó)石油鉆采設(shè)備制造技術(shù)在許多方面已經(jīng)達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平，并成功地打入國(guó)際市場(chǎng)，為我國(guó)出口創(chuàng)匯做出了巨大的貢獻(xiàn)。 與此同時(shí)，外國(guó)一些著名的石油鉆采設(shè)備制造商也陸續(xù)進(jìn)入中國(guó)石化設(shè)備制造業(yè)。他們采取與中國(guó)的國(guó)有企業(yè)合資合作的形式注入資本并帶來(lái)先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，增加了中國(guó)石油鉆采設(shè)備制造行業(yè)整體的實(shí)力和競(jìng)爭(zhēng)力。 2004 年，中國(guó)經(jīng)濟(jì)依然保持強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭。在宏觀(guān)經(jīng)濟(jì)持續(xù)走好的大環(huán)境下，石柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 4 頁(yè)（共 51 頁(yè)）油鉆采設(shè)備制造行業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值、銷(xiāo)售收入以及純利潤(rùn)都保持了較快的增長(zhǎng)速度。但由于我國(guó)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家起點(diǎn)差距大，石油石化設(shè)備的整體制造水平與國(guó)際水平還有一定差距。對(duì)策是要不斷加速推廣成熟的新技術(shù)，不斷進(jìn)行技術(shù)更新，在產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、新技術(shù)應(yīng)用等方面多下功夫。除此之外，國(guó)產(chǎn)石油鉆采專(zhuān)用設(shè)備在研發(fā)投入、適應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如 API 標(biāo)準(zhǔn)） ，加強(qiáng)售前售后服務(wù)，嚴(yán)格交貨期等方面都要進(jìn)一步加強(qiáng)。這樣才能在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中逐漸樹(shù)立自己的優(yōu)勢(shì)地位。工業(yè)泵的發(fā)展2005 年，工業(yè)泵工業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到 150 億元，可實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售收入 160 億元，是1998 年的 125%。其中，工業(yè)總產(chǎn)值“十五”期間年增長(zhǎng)率為 5%；2010 年，工業(yè)泵行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值預(yù)計(jì)達(dá)到 180 億元，銷(xiāo)售收入達(dá) 190 億元，是 2000 年的 150%。行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益將得到明顯的提高。產(chǎn)品國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的占有率也將從目前的 84%左右，提高到 90%。其中，火電、核電和“三大化工”中的重點(diǎn)產(chǎn)品市場(chǎng) 2005 年和 2010 年占有率分別達(dá)到 75%和 80%以上。 產(chǎn)品重點(diǎn)發(fā)展為超臨界火電機(jī)組配套用鍋爐給水泵、空冷火力發(fā)電機(jī)組用泵、核電站用泵，逐步填補(bǔ)油田、海上采油、煉油和油品、石化等方面的特殊用泵空白，形成工業(yè)泵行業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。 根據(jù)工業(yè)泵協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，協(xié)會(huì)會(huì)員近 3 年，工業(yè)泵平均每年出口額以 200%的速度進(jìn)行增長(zhǎng)，預(yù)計(jì) 2005 年泵協(xié)會(huì)員單位出口創(chuàng)匯可達(dá)到 3 億美元，整個(gè)泵行業(yè)達(dá)到 4.5億美元左右。工業(yè)泵出口的主要國(guó)家和地區(qū)是，東南亞、孟加拉、巴基斯坦、南非等地。 表 1 2005～2010 年中國(guó)工業(yè)泵發(fā)展預(yù)測(cè) 2005 年 2010 年項(xiàng)目 單位協(xié)會(huì) 行業(yè) 協(xié)會(huì) 行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值（不變價(jià)） 億元 75 150 100 180銷(xiāo)售收入（當(dāng)年價(jià)） 億元 80 160 110 190重要產(chǎn)品產(chǎn)量 萬(wàn)臺(tái) 30.7 42.2 離心泵 萬(wàn)臺(tái) 3.4 4.2 鍋爐給水泵 萬(wàn)臺(tái) 1.4 1.5 前言第 5 頁(yè)（共 51 頁(yè)）軸流泵 萬(wàn)臺(tái) 0.1 0.2 混流泵 萬(wàn)臺(tái) 1.4 1.8 旋渦泵 萬(wàn)臺(tái) 0.7 0.9 深井泵 萬(wàn)臺(tái) 1.3 1.5 潛水電泵 萬(wàn)臺(tái) 3.6 4.8 噴灌泵 萬(wàn)臺(tái) 6 8 離心油泵（化工流程泵） 萬(wàn)臺(tái) 1.2 1.6 耐腐蝕泵 萬(wàn)臺(tái) 2 2.6 螺桿泵 萬(wàn)臺(tái) 1.3 3 污水泵 萬(wàn)臺(tái) 6.8 10.2 泥漿泵、渣漿泵 萬(wàn)臺(tái) 0.7 0.8 水環(huán)真空泵及壓縮機(jī) 萬(wàn)臺(tái) 0.5 0.6 計(jì)量泵（比例泵） 萬(wàn)臺(tái) 0.5 0.6 生產(chǎn)能力增長(zhǎng)率 ％ 50 100 50利潤(rùn) 億元 1.7 3.4 2.4 4.1稅金 億元 8.2 9.8就業(yè)人口 億元 11 21 14 2出口創(chuàng)匯 億美元 3 4.5 6 7資料來(lái)源：中國(guó)通用機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì) 目前國(guó)內(nèi)工業(yè)泵市場(chǎng)普通產(chǎn)品供大于求，高水平、高質(zhì)量的特殊產(chǎn)品供不應(yīng)求，還需從國(guó)外進(jìn)口，產(chǎn)品的水平與用戶(hù)要求差距較大。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理的現(xiàn)象尤為明顯，產(chǎn)品達(dá)到當(dāng)代世界先進(jìn)水平極少，大部分僅達(dá)到 80 年代末 90 年代初的水平，不能適應(yīng)市場(chǎng)需求結(jié)構(gòu)的變化。一方面產(chǎn)品積壓嚴(yán)重，另一方面市場(chǎng)急需的產(chǎn)品試制太慢或短缺，沖不出傳統(tǒng)產(chǎn)品的格局。與國(guó)外的動(dòng)態(tài)差距并沒(méi)有縮小，形勢(shì)不容樂(lè)觀(guān)。1.2 柱塞式往復(fù)泵鉆井泵是鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，一般用以在高壓下向井底輸送高粘度、柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 6 頁(yè)（共 51 頁(yè)）大比重和含砂量較高的液體，以便冷卻鉆頭和攜帶出巖屑，同時(shí)作為井底動(dòng)力鉆具的動(dòng)力液。鉆并泵的種類(lèi)較多，分類(lèi)方法也不一樣，歸納起來(lái)大致可按以下特點(diǎn)分組(1)按液缸數(shù)目分，有雙缸泵、三缸泵等。(2)按一個(gè)活塞在液缸中往返—次吸入或排出液體的次數(shù)分，吸液或排液一次的，為單作用泵；兩次的，為雙作用泵。(3)按液缸的布置方案及相互位置分，有臥式泵、立式泵(4)按擠液方式分，有活塞泵、柱塞泵和隔膜泵等。通常以上述主要特征區(qū)別不同類(lèi)型的泵，并冠以稱(chēng)號(hào)，如三缸單作用臥式活塞泵，雙缸雙作用臥式活塞泵等等。由于鉆井泵輸送的液體通常是泥漿，故習(xí)慣上又稱(chēng)之為泥漿泵。三缸單作用鉆井泵與雙缸雙作用鉆井泵相比較，無(wú)論在結(jié)構(gòu)或性能方面都有較大的區(qū)別，并且具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)主要是：(1)三缸系的缸徑小、沖程短、沖次高，在功率相同的條件下，體積小、重量輕。據(jù)同一工廠(chǎng)生產(chǎn)的 956kW(1300 馬力)兩種系相比較，三缸單作用泵比雙缸雙作用泵長(zhǎng)度短 25％，重始輕 27％。(2)缸套在汲缸外部用夾持器( 卡箍等)固定，活塞桿與介桿也用夾持器固定，因而抒皺方便；活塞桿無(wú)需密封，有利于節(jié)省維修時(shí)間和延長(zhǎng)活塞桿壽命。(3)活塞單面工作，可以從后部噴進(jìn)冷卻液，對(duì)缸套和活塞進(jìn)行沖洗和潤(rùn)滑，有利于延長(zhǎng)缸套和活塞的使用壽命。(4)泵的流量均勺，壓力波動(dòng)小。計(jì)算表明，—臺(tái)沒(méi)有安裝空氣包的雙缸雙作用泵，其瞬時(shí)流量在平均值上下波功分別為 26．72％和 21．56％，總計(jì)達(dá)48．28％，而三缸單作用泵瞬時(shí)流量在平均值上下波動(dòng)分別為 6．64％和18．42％，總計(jì)為 2i．06％。泵的壓力是隨流量的平方而變化的，三缸單作用泵流量變化小，壓力波動(dòng)就受比雙缸雙作用泵小很多。 但是，三缸單作用泵也存在一些特殊的問(wèn)題。首先是由于泵的沖次提高導(dǎo)致自吸能力降低，通常情況下應(yīng)該配備灌注系統(tǒng)，即由另一臺(tái)灌注泵向三缸泵的吸入口供給一定壓力的液體，這樣便增加了附屬設(shè)備。目前，在灌注用離心泵的壽命問(wèn)題還未先全解決的條件下，三缸泵的應(yīng)用廣度及效前言第 7 頁(yè)（共 51 頁(yè)）益部受到一定的影響。為了避開(kāi)灌注泵問(wèn)題，我國(guó)一些油田采用高架吸入罐，使吸入液池的液面高于泵缸中心線(xiàn)，或者降低泵速使用。勝利油田鉆井工藝研究院還根據(jù)油田的需要和使用經(jīng)驗(yàn)，提出了“適當(dāng)降低沖數(shù)，合理增加沖程” ，發(fā)展“中速”系列三缸單作用泵的沒(méi)想，并先后設(shè)計(jì)制造了 SL3NB—1000、 SL3NB—1300A 和SL3NB—1600A 等三缸單作用泵，很快在勝利油田和國(guó)內(nèi)其它一些油田上推廣使用。近年來(lái)，灌注泵的研究已取得了進(jìn)展，其中，由西南心油學(xué)院等沒(méi)計(jì)研制的灌注泵已取柑良好的試驗(yàn)效果。無(wú)論中速或高速鉆井泵，配用性能良好的灌注泵，都可以改善吸入工況，提高效率。其次，由于單作用泵活塞后端外露，且外露圓周比雙作用泵活塞桿密封圓周大得多，在自吸的條件下，當(dāng)處于吸入過(guò)程時(shí)，液缸內(nèi)壓力降低，作用在活塞密封上的力與運(yùn)動(dòng)方向相反。假如缸套和活塞磨損使之處于松弛狀態(tài)，則外部空氣有可能進(jìn)入液缸，從而導(dǎo)致泵工作不平穩(wěn)，容積效率降低。在噴淋系統(tǒng)正常工作時(shí)，活塞和缸套間的磨損會(huì)減緩，噴淋液也可能對(duì)空氣起到水封作用。如果泵是在灌注的條件下工作，就不存在空氣從活塞后部進(jìn)入液缸的問(wèn)題。但目前，油田多使用三缸單作用泵。隨著石油事業(yè)的發(fā)展,相關(guān)的石油機(jī)械也發(fā)生著日新月異的變化.1.3 國(guó)內(nèi)鉆井泵現(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(jī), 因此,輕便鉆井泵的市場(chǎng)前景基本依從于 4ｋｍ以下鉆機(jī)的使用現(xiàn)狀和發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)擁有鉆機(jī)1000 余臺(tái),占世界鉆機(jī)總量的 32%,其中,中石油集團(tuán)公司就擁有 700 余臺(tái),因此, 中石油集團(tuán)公司的鉆機(jī)情況基本反映了國(guó)內(nèi)鉆機(jī)的現(xiàn)狀。在中國(guó)石油集團(tuán)公司擁有的 700余臺(tái)鉆機(jī)中,4 ｋｍ以下的鉆機(jī)占總量的 80%。平均新度系數(shù)僅為 0 4,其中,48%的鉆機(jī)新度系數(shù)小于 0 3;有 500 臺(tái)左右的鉆機(jī)服役 10ａ以上,亟待更新, 與之配套的鉆井泵相應(yīng)也需要更新。我國(guó)每年所鉆 4ｋｍ以下的井?dāng)?shù)為總井?dāng)?shù)的 98 5%,4ｋｍ以下的進(jìn)尺為總進(jìn)尺的 95 2%。1.4 國(guó)外三缸鉆井泵的現(xiàn)狀1.4.1 美國(guó)三缸單作用鉆井泵系列 柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 8 頁(yè)（共 51 頁(yè)）美國(guó)鉆井泵大量采用三缸單作用泵,生產(chǎn)廠(chǎng)家主要有ＬＥ ＴＯＵＲＮＥＡＵＥＬＬＩＳＷＩＬＬＩＡＭＳ公司、ＩＤＥＣＯ公司、ＥＭＳＣＯ公司和ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＯＩＬＷＥＬＬ公司等 ,ＥＭＳＣＯ公司的設(shè)計(jì)技術(shù)已由我國(guó)寶雞石油機(jī)械廠(chǎng)引進(jìn),并已形成Ｆ系列泵。各個(gè)公司輸入功率小于956ｋＷ (1300Ｈｐ)的產(chǎn)品自成系列 ,ＩＤＥＣＯ公司為Ｔ系列、ＬＥＷＣＯ公司為ＷＨ系列、ＮＡＴＩＯＮ ＡＬ ＯＩＬＷＥＬＬ公司Ｐ系列,具體參數(shù)省略。1.4.2 美國(guó)三缸單作用鉆井泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 美國(guó)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(jié)構(gòu)。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(jī)座多為焊接結(jié)構(gòu),小齒輪用鍵固定在傳動(dòng)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(jié)構(gòu)。采用雙列向心球面調(diào)心軸承。十字頭滑動(dòng)面經(jīng)表面淬火磨削。齒輪采用斜齒或無(wú)槽人字齒輪。為了加強(qiáng)易損件的互換,閥腔和活塞桿制定了相應(yīng)的ＡＰＩ標(biāo)準(zhǔn)。隨機(jī)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。1.4.3 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(shí)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(shì)頭較快。如俄羅斯石油鉆機(jī)主要生產(chǎn)廠(chǎng)家 ,烏拉爾重型機(jī)械制造聯(lián)合公司(Л Ｏ“ＹａлＭａщ”) 計(jì)劃新建一個(gè)生產(chǎn)三缸泵的專(zhuān)業(yè)化分廠(chǎng), 將生產(chǎn)整體人字齒輪。俄羅斯現(xiàn)有 4 個(gè)功率級(jí)別的三缸泵, 即,600、800、950 和1180ｋＷ(主要參數(shù)略 )。往復(fù)泵的液力端包括液缸體,吸入閥,排出閥, 活塞和填料箱, 缸蓋,閥蓋及其密封等主要零部件.其結(jié)構(gòu)主要取決于液缸數(shù) ,液缸的位置 ,作用數(shù)及吸入閥,排出閥的布置型式等。1.5 目前柱塞式往復(fù)泵的設(shè)計(jì)方向解決柱塞式往復(fù)泵工作噪音問(wèn)題一直都是泵領(lǐng)域十分重要的研究課題，很多專(zhuān)家學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行過(guò)大量的研究?，F(xiàn)有技術(shù)中的柱塞往復(fù)泵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通常是采用電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)曲軸和飛輪一起運(yùn)轉(zhuǎn)，采用連桿將曲軸和往復(fù)泵的柱塞連接。制造中的綜合精度技術(shù)要求，必需具備高精度的機(jī)械加工設(shè)備和具備一定技能的技術(shù)工方案的論證第 9 頁(yè)（共 51 頁(yè)）人，因此加工維修難、成本高；且在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中摩擦力，不僅損失相當(dāng)一部分功能，而且設(shè)備零部機(jī)件易磨損、壽命短，還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重噪聲。最近發(fā)展起來(lái)的帶滑靴連桿—柱塞組件的非點(diǎn)接觸徑向柱塞泵,改變了這一狀況 ,出現(xiàn)了低噪聲,耐沖擊的高性能徑向柱容泵，并在鑿巖、冶金機(jī)械等領(lǐng)域獲得應(yīng)用,代表了徑向柱塞泵發(fā)展的趨勢(shì)。柱塞式往復(fù)泵的工作壽命是非常值得關(guān)注的問(wèn)題。許多泵都選用新型材料制作泵的活塞。其中 YB 系列油壓陶瓷柱塞輸漿泵由油壓驅(qū)動(dòng)、柱塞由高耐麿的耐腐蝕氧化鋁陶瓷作成，泵體根據(jù)陶瓷行業(yè)、化工行業(yè)等不同的特點(diǎn)要求可化作成鑄鐵、不銹鋼等。該泵分為高壓泵、低壓大流量泵和變量泵。高壓泵適合于遠(yuǎn)距離或向高空輸送漿料，低壓大流量泵適合于穩(wěn)定地大量地輸送漿體，變量泵則適合于各種壓濾機(jī)、過(guò)濾置配套使用，此種泵會(huì)隨著過(guò)濾密度的增加自動(dòng)使壓力提高，流量減少。此外還有很多企業(yè)在對(duì)往復(fù)泵設(shè)計(jì)理論及機(jī)械 CAD 技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合企業(yè)多年來(lái)往復(fù)泵的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn),運(yùn)用 VB 6.0 開(kāi)發(fā)出了高效實(shí)用的三柱塞往復(fù)泵 CAD 系統(tǒng)軟件.該模塊建立了 Access 數(shù)據(jù)庫(kù),能夠把 CAD 系統(tǒng)軟件計(jì)算的有用數(shù)據(jù)保存起來(lái), 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢(xún)、參數(shù)化繪圖、數(shù)據(jù)報(bào)表創(chuàng)建等功能.這一CAD 系統(tǒng)的曲軸設(shè)計(jì)模塊開(kāi)發(fā)過(guò)程.該模塊能夠進(jìn)行三柱塞往復(fù)泵曲軸的尺寸計(jì)算、強(qiáng)度校核、剛度校核,并以廣泛使用的繪圖軟件 SolidWorks 為基本平臺(tái),開(kāi)發(fā)出三柱塞往復(fù)泵曲軸模塊的參數(shù)化繪圖程序,實(shí)現(xiàn)了繪制曲軸的自動(dòng)化2 方案的論證2.1 柱塞式往復(fù)泵工作原理柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 10 頁(yè)（共 51 頁(yè)）臥示三缸單作用往復(fù)式活塞泵的示意圖。主要由液缸、活塞、吸入閥、排出閥、閥室、曲柄（或曲軸） 、連桿、十字頭、活塞桿，以及齒輪、皮帶輪和傳動(dòng)軸等零部件組成。當(dāng)動(dòng)力機(jī)通過(guò)皮帶、齒輪或其他傳動(dòng)件帶動(dòng)曲軸或曲柄以角速度 ω 按圖示方向，從左邊水平位置開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)，活塞向右邊移動(dòng)，液缸內(nèi)形成一定真空度，吸入池中的液體也液面壓力 Pa 的作用下，推開(kāi)吸入閥。進(jìn)入液壓缸內(nèi)，直到活塞移到右死點(diǎn)位置為止。這個(gè)過(guò)程，稱(chēng)作液缸的吸入過(guò)程。曲柄繼續(xù)傳動(dòng)，活塞開(kāi)始向左移動(dòng)，缸套內(nèi)液體受擠壓，壓力升高，吸入閥關(guān)閉，排出閥被推開(kāi)，液體經(jīng)排出閥和排水管進(jìn)入排出池，直到活塞移動(dòng)到左死點(diǎn)時(shí)為止。這一過(guò)程稱(chēng)作液缸的排出過(guò)程。曲柄連續(xù)旋轉(zhuǎn)，每一周內(nèi)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，單作用泵的液缸完成一次吸入和排出過(guò)程。2.2 主要結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)如下：(1) 動(dòng)力端動(dòng)力端由小齒輪軸、主軸、泵殼、連桿、十字頭等部件組成。其動(dòng)力傳動(dòng)方向是：小齒輪軸通過(guò)一對(duì)齒輪傳到主軸上，主軸通過(guò)連桿、十字頭將動(dòng)力傳遞。主軸總成：主軸總成包括主軸、右旋齒輪、組合連桿等。軸上的軸承和襯套的潤(rùn)滑油是從主軸軸孔打入的。小齒輪軸總成：小齒輪軸總成：小齒輪軸總成由小齒輪軸、左旋小齒輪、軸承等組成。小齒輪軸總成是大泵的動(dòng)力輸入機(jī)構(gòu)。(2) 液力端主要由泵頭體、柱塞、盤(pán)根、吸入排出凡爾及凡爾座、排出管口、吸入管口等組成。泵頭體采用整體式合金鍛件。泵液力端結(jié)構(gòu)緊湊，易損件更換方便。（3）吸入管匯配備主管線(xiàn)、連接發(fā)蘭、由壬等。吸入口為外扣由壬。（4） 排出管匯由高壓管匯。排出管匯的試驗(yàn)壓力為 50MPa。（5） 安全系統(tǒng)：為保證壓裂施工的安全，在泵的排出口一端安裝有安全系統(tǒng)。它通過(guò)三通與液力端連接。在三通的左端安裝有直感式壓力表，右端安裝有成組剪銷(xiāo)式安全閥，泵排出口左端管匯上安裝有電感式壓力傳感器,用于撬裝泵或者遙控箱上的超壓保護(hù)。主要零件的結(jié)構(gòu)第 11 頁(yè)（共 51 頁(yè)）（6 ）潤(rùn)滑系統(tǒng)由動(dòng)力端潤(rùn)滑系統(tǒng)和液力端潤(rùn)滑系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。動(dòng)力端潤(rùn)滑系統(tǒng)由動(dòng)力端潤(rùn)滑油泵、動(dòng)力端潤(rùn)滑油箱、液壓管線(xiàn)、油壓表、油濾器、溢流閥、回油管等組成。動(dòng)力端潤(rùn)滑系統(tǒng)的循環(huán)動(dòng)力是由傳動(dòng)箱取力器口帶動(dòng)潤(rùn)滑油泵提供的。其回油是靠油的自流來(lái)完成的。回油管是為了滿(mǎn)足循環(huán)要求而設(shè)計(jì)的。3 主要部件結(jié)構(gòu)研究3.1 柱塞泵的動(dòng)力端柱塞式往復(fù)泵可以分為動(dòng)力端和液力端兩部分 ，其中動(dòng)力端主要部件包括(1) 動(dòng)力端動(dòng)力端由小齒輪軸、主軸、泵殼、連桿、十字頭等部件組成。其動(dòng)力傳動(dòng)方向是：電動(dòng)機(jī)通過(guò)紅色軸把動(dòng)力傳遞給紅色帶輪，帶輪帶動(dòng)藏青色小齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，藏青色小齒輪軸通過(guò)一對(duì)齒輪傳到主軸上，主軸通過(guò)連桿、十字頭將動(dòng)力傳遞。其部分部件裝配如下3.1.1 各部分零件曲軸它是往復(fù)泵中重要的運(yùn)動(dòng)件。它將驅(qū)動(dòng)機(jī)軸的自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變成為曲柄銷(xiāo)（曲柄的組成部分）的圓周運(yùn)動(dòng)。由于承受較大的交變載荷和摩擦磨損，所以對(duì)疲柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 12 頁(yè)（共 51 頁(yè)）勞強(qiáng)度與耐磨性要求較高。小齒輪軸的作用是將動(dòng)力通過(guò)齒輪傳遞給曲軸。曲軸為曲柄連桿機(jī)構(gòu)由活塞連桿組、曲軸飛輪組等兩部分組成。其功用：一是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。因設(shè)計(jì)的泵為三缸往復(fù)泵，所以曲軸的結(jié)構(gòu)為三相曲柄，相鄰軸拐的夾角為結(jié)構(gòu)如圖所示3603 =120o連桿 連桿是連接曲軸與活塞的部件。它將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并將外界輸入功率傳遞給活塞組件。它與活塞桿通過(guò)鉸鏈連接。其結(jié)構(gòu)如圖所示十字頭它是連接活塞桿與連桿的部件。它在導(dǎo)軌里作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并將連桿的動(dòng)力傳遞給活塞部件。對(duì)十字頭的基本要求是重量輕、耐磨并具有足夠的強(qiáng)度。活塞桿 活塞連桿的組成：它主要由活塞、活塞環(huán)、活塞銷(xiāo)、連桿、連桿瓦組成。4 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定鉆井泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括缸 i、活塞直徑 D、連桿長(zhǎng)度 l、活塞直徑 d 以及活塞沖主要零件的結(jié)構(gòu)第 13 頁(yè)（共 51 頁(yè)）程長(zhǎng)度 s 等.在動(dòng)力機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)及泵外傳動(dòng)方案一定的條件下，泵的沖次 n 取決于泵內(nèi)的齒輪傳動(dòng)比，因而也可以視 n 為泵的結(jié)構(gòu)參數(shù).4.1 泵的沖次和沖程就鉆井泵而言，S 和 n 是結(jié)構(gòu)參數(shù)中影響最大的兩個(gè)因素，必須首先加以確定。但因?yàn)槟壳斑€缺乏一系列有關(guān)泵工作可靠性的統(tǒng)計(jì)資料，所以只能根據(jù)多年實(shí)踐驗(yàn)證過(guò)的鉆井泵的 S 和 n 的統(tǒng)計(jì)數(shù)值，找出一定的規(guī)律性，它在某種程度上反映了現(xiàn)有鉆井泵設(shè)計(jì)和使用的合理性和可靠性。需要特別指出的是，為了延長(zhǎng)鉆井泵易損件（泵閥、活塞等）的壽命。目前在三缸單作用鉆井泵的設(shè)計(jì)中，傾向于適當(dāng)降低泵速，合理增加沖程，以便既保證一定的流量要求，又不使泵的重量過(guò)大。一般使泵在額定轉(zhuǎn)速的 70-80%范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以大大延長(zhǎng)易損件壽命。鉆井泵的沖次 n 和沖程 S 對(duì)其工作性能、使用壽命等都有重要的影響，確定時(shí)，應(yīng)該考慮多方面的因素。當(dāng)然，滿(mǎn)足所有方面的要求是困難的，目前只能在保證泵正常吸入和閥的適當(dāng)壽命的前提下，兼顧其他要求。所以取泵的沖程為 254mm ，沖數(shù)為 140r/min 4.2 往復(fù)泵的平均流量往復(fù)泵在單位時(shí)間內(nèi)理論上應(yīng)輸送的液體體積，稱(chēng)作泵的理論平均流量，它與泵的活塞截面積 F、活塞行程長(zhǎng)度 S 以及活塞每分鐘在缸套中往復(fù)的次數(shù) n 有關(guān)。對(duì)于三缸單作用泵，理論平均流量為 Q 理均=3FSn=1764實(shí)際上，往復(fù)泵工作時(shí)，由于吸入閥和排出閥一般不能及時(shí)關(guān)閉；泵閥、活塞和其他密封處可能有高壓液體漏失；泵缸中或液體內(nèi)含有氣體，降低吸入充滿(mǎn)度等等，都可能使泵的實(shí)際輸送量有所降低，因而往復(fù)泵的實(shí)際平均流量要低于理論平均流量。設(shè)實(shí)際平均流量為 Q， 則 =a Q=a =1730????理均 ??理均式中 a---流量系數(shù)，一般在 0.85—0.95 范圍內(nèi)，對(duì)于大型的吸入條件較好的新泵，a 可取得大一些，有的可達(dá)到 0.97—0.99。柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 14 頁(yè)（共 51 頁(yè)）4.3 選擇電動(dòng)機(jī)正確選擇電動(dòng)機(jī)額定功率的原則是：在電動(dòng)機(jī)能夠滿(mǎn)足機(jī)械負(fù)載要求的前提下，最經(jīng)濟(jì)、最合理地決定電動(dòng)機(jī)的功率。柱塞式往復(fù)泵屬非連續(xù)工作機(jī)械，而啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁。因此選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)與其工作特點(diǎn)相適應(yīng)。柱塞往復(fù)泵主要采用交流變頻電動(dòng)機(jī)。該卷?yè)P(yáng)機(jī)輸出功率 =Fv=800K2pF——工作時(shí)壓力V——液體流速——柱塞泵的整機(jī)傳動(dòng)效率?可設(shè)定效率 ＝0.85，則輸入功率 ＝ / ＝3.33 × w÷0.85＝3.922kw。1p2?310根據(jù)該卷?yè)P(yáng)機(jī)的工作特點(diǎn)可選 Y 系列異步電動(dòng)機(jī)。據(jù)化學(xué)工業(yè)出版社 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版可選電動(dòng)機(jī)：YJ13N其技術(shù)參數(shù)如表 2：表 2 技術(shù)參數(shù)型號(hào) 功率/kw 轉(zhuǎn)速 r/min 最高恒功率轉(zhuǎn)速YJ13N 800 791 1067r/min4.4 確定傳動(dòng)比按額定轉(zhuǎn)速初定總傳動(dòng)比 總傳動(dòng)比按下式計(jì)算= =5.56ejni?791140式中 ——電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（ r/min）en——曲軸轉(zhuǎn)速（r/min）即泵的沖數(shù)j4.5帶論及V帶的選擇4.5.1帶輪設(shè)d1為電動(dòng)機(jī)皮帶輪直徑, d2為主軸皮帶輪直徑, 采用 V帶傳動(dòng), 其計(jì)算直主要零件的結(jié)構(gòu)第 15 頁(yè)（共 51 頁(yè)）徑分別為(d1 - 10) 和(d2 - 10) ,則：取 d1 = 100 mm , 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n1 = 791 r/ min , 主軸轉(zhuǎn)速 n2 = 578 r/ min , 彈性滑動(dòng)率ε= 0.02 , 則:??2=??1??2(??1?10)(1?ε )+10=791??2578(791?10)(1?0.02)+10=1016mm即: d1 = 100 mm , d2 = 1016mm皮帶輪材料通常采用灰鑄鐵, 其鑄鐵牌號(hào)根據(jù)皮帶輪外緣的線(xiàn)速度而定, 當(dāng)≤25 m/ s 時(shí), 用HT150 ; 當(dāng) =25～30 m/ s 時(shí), 用HT200。由于V線(xiàn) V線(xiàn)故皮帶輪 d1和 d2的材料都采用HT150。4.5.2V 帶計(jì)算計(jì)算功率 cP查表得, 工作情況系數(shù) Kg = 1.3 , 故 = ·P =1.3 ×5.5 = 7.15 kWcgK選擇 V 帶型號(hào)根椐 P c= 7115 , = =201rad/s, 由選型表,選擇B 型V帶。?小 192460??帶長(zhǎng)度計(jì)算與長(zhǎng)度系數(shù) 的確定LK柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 16 頁(yè)（共 51 頁(yè)）初定中心距 0a根據(jù)0.7 ( d1 + d 2 ) ≤ ≤2 ( d 1+ d 2 ) , 選 =475 mm0a0aV 帶計(jì)算長(zhǎng)度 0L=1765.6mm根據(jù)V帶長(zhǎng)度系列表 = 1740 mm , 即內(nèi)周長(zhǎng) = 1765.6mm , 確定選用V帶B cLiL- 2300。實(shí)際中心距 a為了調(diào)整和張緊方便, 可將電動(dòng)機(jī)固定螺栓在機(jī)架上的孔設(shè)計(jì)為長(zhǎng)孔, 取 a = 450～500 mm。V帶長(zhǎng)度范圍:膠帶長(zhǎng)度系數(shù) LKV 帶采用 B-1400 時(shí), 查長(zhǎng)度系數(shù)表得 = 0.9LK計(jì)算小輪上的包角 與包角系數(shù)a小 a查包角系數(shù)曲線(xiàn)得 = 0.98aK單根膠帶所能傳遞的功率 0P由于 V 帶速度查功率曲線(xiàn)圖得 = 2.78 kW0考慮傳動(dòng)比影響, 單根V帶傳遞功率應(yīng)有增量, 由于傳動(dòng)比 i = 180 × (1 – 0.02) / 132 = 1.336 , 查表得: 傳動(dòng)比系數(shù) = 1.08 , 彎曲影響系數(shù) = 19 , 而iKBK主要零件的結(jié)構(gòu)第 17 頁(yè)（共 51 頁(yè)）所以,Δ P = ( 1 - 1/ ) = 19 ×157 × (1 - 1/1.08) = 221 w = 0.22 BK?iKkW確定V帶根數(shù)Z取 Z = 5 根, 所以V帶規(guī)格: B – 2300.GB1171 -74 。4.6 齒輪基本參數(shù)的確定4.6.1 選定齒輪的精度等級(jí)和材料一般選用 7 級(jí)精度。內(nèi)齒輪采用 40Cr，其熱處理要求：調(diào)質(zhì)后表面淬火，調(diào)質(zhì)硬度為 250-280HB，齒面接觸疲勞極限應(yīng)力 ，齒輪齒根彎曲疲極限MPaH60lim??應(yīng)力 ；外齒輪（行星輪）用 20CrMnTi,滲碳淬火，低溫回火，表面硬MPaF50lim??度 ，心部 HR 為 302-388，齒面接觸疲勞極限應(yīng)力 ，齒輪6?HRC PaH1350lim??齒根彎曲疲極限應(yīng)力 。PaF80lim??4.6.2 齒輪模數(shù)的確定按輪齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)，彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式： 231()[]FaSYkTdZ???（1）根據(jù)齒輪的表面硬度 查得其彎曲疲勞強(qiáng)度極限 。60HRC90FEMPa??（2）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書(shū)中的圖 10－18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 。.82NK（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) S＝1.4??0.829546.31FNEkPa????（4）計(jì)算載荷系數(shù) K柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 18 頁(yè)（共 51 頁(yè)）??FVAK?① 試選載荷系數(shù) 3.1?tk② 計(jì)算外齒輪傳遞的扭矩 5 62 3.929.001.40.65jPT Nmn????③ 取齒寬系數(shù) 1.?d?④ 查材料的彈性影響系數(shù) ；內(nèi)齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度為218.9MaZE;外齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度為 。lim260HMPa? lim1350HMPa??⑤ 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 9160960(28)2.761hNnjL???；921.7N??⑥ 查圖得接觸疲勞壽命系數(shù) ；1HK⑦ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為 1%，安全系數(shù)是 s=1.25 MPasHNH 9.1082.35*90][1lim11 ???2li164K⑧ 試計(jì)算小齒輪分度圓直徑，帶入數(shù)據(jù)得3211 )][(*2.HEdtt ZuTkd???? 1302.9tdm?⑨ 計(jì)算圓周速度，帶入數(shù)據(jù)得 v=3.307m/s106??gtnv?⑩ 計(jì)算齒寬 1*32.9*0136.25dtbm??模數(shù) mm14.7ttmZ?初取齒高 *(2).3athc??主要零件的結(jié)構(gòu)第 19 頁(yè)（共 51 頁(yè)）所以 b/h=4.94由 v=3.307m/s，7 級(jí)精度，由圖 14-1-14 查得動(dòng)載荷系數(shù) 1.09；vK?再由表 10-3 查得齒間載荷分布系數(shù) ；1.hF?再由表 14-1-81 得 使用系數(shù) 。1AK?由表查得 7 級(jí)精度、行星輪相對(duì)支承對(duì)稱(chēng)布置時(shí)， 23231.08.0.2180106.2513HdKb??? ????????再由 ， =1.13 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》書(shū)中圖 10-13 得 =1.1254.9bhH? FK?所以載荷系數(shù) =1×1.09×1.1×1.125＝1.35??FVAK?（5）查取齒形系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書(shū)中圖 10－5 查得 ＝2.24FaY（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書(shū)中圖 10－5 查得 ＝1.75Sa（7）設(shè)計(jì)計(jì)算帶入數(shù)值得出： ＝3.60321)][(FSaYdZkTm???可取模數(shù)為 m＝3㎜。4.6.3 尺寸基本參數(shù)的選定即幾何尺寸的計(jì)算分度圓直徑 ；2211*,Zmd?齒頂圓直徑 ， ；aah?21*ahd?齒根圓直徑 ，xcf )(*1?；a1求得齒輪的尺寸如下 d1=90mm d2=230mm b1=80 b2=804.7 軸的設(shè)計(jì)軸設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：在軸系零、部件的具體結(jié)構(gòu)末確定之前，軸上力的作用點(diǎn)和柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 20 頁(yè)（共 51 頁(yè)）支點(diǎn)間的跨距無(wú)法精確確定，故彎矩大小和分布情況不能求出，因此在軸的設(shè)計(jì)中，必須把軸的強(qiáng)度計(jì)算和軸系零、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)交錯(cuò)進(jìn)行，邊畫(huà)圖、邊計(jì)算、邊修改。軸的材料種類(lèi)很多，設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對(duì)鈾的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等要求．U 及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式．同時(shí)考慮制造工藝問(wèn)題加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。軸的常用材料是 35、45、50 優(yōu)質(zhì)破累結(jié)構(gòu)鋼。最常用的是 45 鋼。在此所用的到的軸都選用 45 鋼。其性能如下：表 3 45 鋼的性能材料牌號(hào)熱處理毛坯直徑(mm)硬度(HB) 拉伸強(qiáng)度極限 B?拉伸屈服極限( )s彎曲疲勞極限()1??剪切疲勞極限( )1??許用彎曲應(yīng)力 ??1??正火 25 241?610 360 260 150正火 100 170~217 600 300 275 140回火 100~300 162~217 580 290 270 1355545調(diào)質(zhì) 200?217~255 650 360 300 155 604.7.1 輸入軸的設(shè)計(jì)軸的合理外型應(yīng)滿(mǎn)足：軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置；軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整。軸應(yīng)具有良好的制造工藝性.影響軸結(jié)構(gòu)的主要因素有：軸的受力性質(zhì), 大小，方向及分布情況；軸上零件的布置和固定形式；所采用軸承類(lèi)型和尺寸；軸的加工工藝等。1）求出輸入軸上的轉(zhuǎn)矩其中： ---輸入功率，取 800kW；1P主要零件的結(jié)構(gòu)第 21 頁(yè)（共 51 頁(yè)）---輸入轉(zhuǎn)速，取 791 r/min；1n2）初步確定軸得最小直徑由于軸的材料選用的為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，抗拉強(qiáng)度 ,屈服MPab750??，彎曲疲勞極限 ，扭轉(zhuǎn)疲勞極限 。通過(guò)MPas50??MPa3501???21??《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版第二卷表 6-1-19 選取 =126。則有：0A暫時(shí)取軸的直徑為 44mmA B C D E圖 8 輸入軸工作簡(jiǎn)圖3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擬定軸上零件的裝配方案：（1）A-B 段接帶輪，軸伸長(zhǎng)度通過(guò)通過(guò)帶輪的寬度可確定 A-B 段即軸深長(zhǎng)為58㎜，軸深公差選用 k6，其上下偏差分別為（+0.018 、+0.002） 。其間選用 A 型平鍵（GB/T1096-1979)，尺寸為 b×h×L=10×8×53。查 《簡(jiǎn)明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表 7-2得出：采用一般鍵聯(lián)接，則鍵槽寬 b 的上下偏差為（0，-0.036） 。半聯(lián)軸器與軸的配合為 H7/k6，A-B 段直徑極限偏差為（ +0.018、+0.002 ） ；（2）B-C 段還要穿過(guò)支座、端蓋、大小軸承，還要考慮其中的間隙，可初定其長(zhǎng)柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 22 頁(yè)（共 51 頁(yè)）度為 57㎜，該段直徑為 50㎜。軸只受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，受軸向力很小，所以在軸與支架的連接處選用深溝球軸承，初步確定軸承型號(hào) （GB/T276-1994）6208 型。該段與軸承、支座、端蓋的配合公差選用 k6,其上下偏差分別為（+0.018、+0.002） ；（3）C-D 段要安裝齒輪有鍵的聯(lián)結(jié)，所選用鍵的尺寸為 b×h×L=14×9×70。采用一般鍵聯(lián)接，鍵槽寬 b 的上下偏差為（0，-0.043） 。齒輪的長(zhǎng)度為 65㎜，故可設(shè)計(jì)該段的長(zhǎng)度為 70㎜。在該段偏心套上還聯(lián)接有軸承，在此可選用雙列向心滾子軸承軸承型號(hào)是 3516，此段直徑設(shè)定為 60㎜。該段的配合公差選用 k6,其上下偏差分別為（+0.018、+0.002） ；（4）D-E 段就與軸承聯(lián)接，其長(zhǎng)度初定為 22㎜，直徑為 50㎜，故與之相聯(lián)的軸承可選深溝球軸承（GB/T276-1994）6208 型。該段的配合公差選用 k6，其上下偏差分別為（+0.018、+0.002） 。在此其間軸承的定位沒(méi)有軸肩的都是采用擋圈定位，擋圈尺寸要根據(jù)具體裝配情況而定。以上的公差配合通過(guò)查閱《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表 1.1-6 得出。4）確定軸上圓角和倒角尺寸參考課本《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 15-2，取軸端倒角為 1.6×45°，軸右端軸肩處圓角半徑為1.6㎜其余各處倒角和圓角參看附圖。4.8 泥漿泵的缸套直徑 D，連桿長(zhǎng)度 l 的確定（1）計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸液壓缸有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖 2。圖 a 為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài)，圖 b 活塞桿工作在受拉狀態(tài)。活塞桿受壓時(shí)（15）活塞桿受壓時(shí)（16）式中 ——無(wú)桿腔活塞有效作用面積（m 2）；主要零件的結(jié)構(gòu)第 23 頁(yè)（共 51 頁(yè)）——有桿腔活塞有效作用面積（m 2）；p1——液壓缸工作腔壓力（Pa）；p2——液壓缸回油腔壓力（Pa），即背壓力。其值根據(jù)回路的具體情況而定，初算時(shí)可參照表 4 取值。差動(dòng)連接時(shí)要另行考慮；D——活塞直徑（m）；d——活塞桿直徑（m）。圖 2 載荷/kN ＜5 5～10 10～20 20～30 30～50 ＞50工作壓力/MPa＜0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 ≥5表 4 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力機(jī)床機(jī)械類(lèi)型磨床 組合機(jī)床 龍門(mén)創(chuàng)床 拉床家業(yè)機(jī)械小型工程機(jī)械建筑機(jī)械液壓鑿巖機(jī)液壓機(jī)大中型挖掘機(jī)重型機(jī)械起重運(yùn)輸機(jī)械工作壓力/MPa 0.8～2 3～5 2～8 8～10 10～18 20～32表 5 執(zhí)行元件背壓力系統(tǒng)類(lèi)型 背壓力/MPa柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 24 頁(yè)（共 51 頁(yè)）簡(jiǎn)單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2～0.5回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng) 0.4～0.6回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng) 0.5～1.5用補(bǔ)油泵的閉式回路 0.8～1.5回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械 1.2～3回油路較短，且直接回油箱 可忽略不計(jì)一般，液壓缸在受壓狀態(tài)下工作，其活塞面積為（17）=155.56運(yùn)用式（17）須事先確定 A1與 A2的關(guān)系，或是活塞桿徑 d 與活塞直徑 D 的關(guān)系，令桿徑比 φ=d/D，其比值可按表 5 和表 6 選取。=140 （18）采用差動(dòng)連接時(shí)，υ 1/υ 2=（D 2-d2）/d 2。如果求往返速度相同時(shí)，應(yīng)取d=0.71D。對(duì)行程與活塞桿直徑比 l/d＞10 的受壓柱塞或活塞桿，還要做壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。當(dāng)工作速度很低時(shí)，還須按最低速度要求驗(yàn)算液壓缸尺寸式中 A——液壓缸有效工作面積（m 2）；Qmin——系統(tǒng)最小穩(wěn)定流量（m 3/s），在節(jié)流調(diào)速中取決于回路中所設(shè)調(diào)速閥或節(jié)流閥的最小穩(wěn)定流量。容積調(diào)速中決定于變量泵的最小穩(wěn)定流量。υ min——運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要求的最小工作速度（m/s）。另外，如果執(zhí)行元件安裝尺寸受到限制，液壓缸的缸徑及活塞桿的直徑須事先確定時(shí)，可按載荷的要求和液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)確定系統(tǒng)的工作壓力。主要零件的結(jié)構(gòu)第 25 頁(yè)（共 51 頁(yè)）液壓缸直徑 D 和活塞桿直徑 d 的計(jì)算值要按國(guó)標(biāo)規(guī)定的液壓缸的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。如與標(biāo)準(zhǔn)液壓缸參數(shù)相近，最好選用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸，免于自行設(shè)計(jì)加工。常用液壓缸內(nèi)徑及活塞桿直徑見(jiàn)表 7 和表 8。表 6 按工作壓力選取 d/D工作壓力/MPa ≤5.0 5.0～7.0 ≥7.0d/D 0.5～0.55 0.62～0.70 0.7表 7 按速比要求確定 d/Dυ 2/υ 1 1.15 1.25 1.33 1.46 1.61 2d/D 0.3 0.4 0.5 0.55 0.62 0.71注：υ 1—無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度；υ 2—有桿腔進(jìn)油時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度。表 8 常用液壓缸內(nèi)徑 D（mm）40 50 63 80 90 100 110125 140 160 180 200 220 250表 9 活塞桿直徑 d（mm）缸徑速比40 50 63 80 90 100 1101.46 22 28 35 45 50 55 633 45 50 60 70 80缸徑速比125 140 160 180 200 220 2501.46 70 80 90 100 110 125 1402 90 100 110 125 140 計(jì)算出直徑 Dmin必須采用標(biāo)準(zhǔn)系列的規(guī)定。鉆井泵其他各級(jí)缸套的直徑按臨界特性中所述及的等強(qiáng)度原則確定。連桿長(zhǎng)度 l 的大小決定于曲柄連桿比的選取，現(xiàn)在多數(shù)單作用鉆井泵， =??=????柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 26 頁(yè)（共 51 頁(yè)）, 值對(duì)泵體的尺寸及性能都有明顯的影響。??2??=16–17.5??綜上所述，選取缸套直徑為 140mm，連桿長(zhǎng)度為 173mm主要零件的強(qiáng)度校核第 27 頁(yè)（共 51 頁(yè)）5 泵主要零件強(qiáng)度計(jì)算鉆井泵主要零部件強(qiáng)度校核包括下列內(nèi)容：1 液力端的泵體、缸套和排出空氣包強(qiáng)度校核。計(jì)算壓力應(yīng)取試泵壓力，試泵壓力一般為該泵最小缸套極限壓力的 1.5 倍以上，即 P 試=（1.5--2）Pmax=4MPa2 動(dòng)力端齒輪、傳動(dòng)軸、曲軸及軸承等的強(qiáng)度或壽命計(jì)算。泵的零件強(qiáng)度計(jì)算多數(shù)與一般機(jī)械零件的計(jì)算方法相同。少數(shù)零件（如泵體、曲柄等）的形狀和工況非常復(fù)雜，應(yīng)該作專(zhuān)門(mén)的問(wèn)題予以研究。泵的零件強(qiáng)度計(jì)算的基準(zhǔn)點(diǎn)在于正確分析受力情況。因此，下面僅就往復(fù)泵運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的受力情況如下圖作簡(jiǎn)要分析。曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析圖5.1 活塞桿上的受力分析活塞在泵缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在每一沖程中，活塞桿受拉伸和壓縮一次，處于交變載荷作用下。當(dāng)活塞向液力端運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞桿受壓縮，作用在它上面的力是由于作用在活塞上的液體壓力和缸套與活塞之間、活塞桿與密封之間的摩檫力組成。對(duì)于高速泵，柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 28 頁(yè)（共 51 頁(yè)）應(yīng)該考慮運(yùn)動(dòng)構(gòu)件慣性力，目前所用鉆井泵多為低速，慣性力較小，在設(shè)計(jì)中一般都略去不計(jì)。液體作用在活塞的推力 P1為 P1= Pπ 4??2式中 P---活塞兩邊的壓力差，P=P 左-P 右，一般取泵的排出壓力。缸套與活塞間摩擦力 P2按下式計(jì)算P2= 1π ??????μ式中 1--活塞與缸套間摩擦系數(shù)，一般在 0.1—0.15 范圍內(nèi)；μb---活塞封嚴(yán)邊長(zhǎng)度，即活塞皮碗圓錐部分唇長(zhǎng)。當(dāng)活塞向左時(shí)，右室壓力很低，因而活塞桿與盤(pán)根間的摩擦力 P3很小，可以 略去不計(jì)。十字頭與導(dǎo)板間的摩擦力也較小，也可以略去。因此，活塞桿所受推力為P=P1+P2= P+ 1= p=42Paπ 4??2 π ??????μ π 4當(dāng)活塞向動(dòng)力端運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞桿受拉伸對(duì)單作用泵，右室內(nèi)為大氣壓 Pa,活塞桿上拉力很小。5.2 十字頭與連桿的受力分析活塞桿上所受的力，是由十字頭銷(xiāo)與連桿傳遞的，即作用于 A 點(diǎn)的力可分解為兩個(gè)力：一個(gè)是壓向十字頭導(dǎo)軌的分力 N；一個(gè)是傳到連桿上的力。 ??桿其值分別為 N=Ptgβ =??桿??????????由于連桿相對(duì)泵缸軸線(xiàn)是擺動(dòng)的，其夾角 β 不斷變化，因而 N和 也是變化??桿的。在而在曲柄轉(zhuǎn)角 Φ 接近 90°或略超過(guò) 270°時(shí)，β 最大，N 和 絕對(duì)值最大，??桿而在 Φ=0°或 Φ=180°時(shí) β=0，N=0， =P，此二值為最小。所以，??桿Nmax=8.5N,Pmax=9.6N.連桿力 P 桿傳到曲軸銷(xiāo)中心點(diǎn)后，對(duì)曲軸產(chǎn)生兩個(gè)作用：一主要零件的強(qiáng)度校核第 29 頁(yè)（共 51 頁(yè)）個(gè)是連桿力相對(duì)于曲軸中心構(gòu)成力矩M= ?h=Pr ??桿???????(Φ+??)????????這個(gè)力矩作用方向恰好與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反，起著阻止曲軸旋轉(zhuǎn)的作用。另一個(gè)是使曲軸的主軸頸在主軸承上產(chǎn)生一個(gè)作用力，這 個(gè)力可以分解為水平和垂直方向??桿兩個(gè)分力 P′ 和 P″垂直分力為P′= ?sinβ= ?sinβ=Ptgβ=N??桿Pcosβ水平分力P″= ?cosβ= ?cosβ=N??桿Psinβ即主軸承上所受的垂直分力與壓向十字頭導(dǎo)軌的力相等，所受的水平分力與活塞桿上所受的力相等。5.3 曲柄受力分析作用在曲柄銷(xiāo) B 處的力 P 桿，可以分解為垂直于曲柄軸線(xiàn)和沿曲柄軸線(xiàn)方向的兩個(gè)分力，前者為切向力 T，后者為法向力 P 曲，由圖可知T= ?sin(Φ+β)=P???桿sin(Φ +β )cosβ]≈????????Φ [1+ ????????2Φ 1-??22??????2Φ= cos(Φ+β)=P???曲 ??桿??????(Φ +β )cosβP ]≈[??????Φ ? ????????2Φ 1-??22??????2Φ5.4 齒輪受力柱塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)與性能的研究第 30 頁(yè)（共 51 頁(yè)）輸出機(jī)構(gòu)固定，內(nèi)齒輪輸出：齒輪分度圓受力 21.*ctbzTFd?表 10 輪齒受力計(jì)算公式計(jì)算公式項(xiàng)目 代號(hào)N 型傳動(dòng)，輸出結(jié)構(gòu)固定，內(nèi)齒輪輸出分度圓上1F21.*cbzTFd?圓周力節(jié)圓上t '2.oscct bz?徑向力 F? '21.in*sccbTFd??齒輪法相力 F 2.occbz?——輸出轉(zhuǎn)矩（ ＝1.4134× N·㎜）2T2T610， ——分別是齒輪和內(nèi)齒輪的齒數(shù)（ ＝70， ＝72）czb czb——齒輪分度圓直徑（ ＝280㎜）dcd——實(shí)際嚙合角（ ＝39.9°）'?'?——初選嚙合角（ ＝40°）將上述數(shù)值代入表格中的式中得出：=5889.17N， =5897.78N， =4931.31N，F(xiàn)=7687.76N。1Ft F?5.5 輸入軸的強(qiáng)度校核軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。在進(jìn)行州的強(qiáng)度校核時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況采用相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)倪x取許用應(yīng)力。在此，輸入軸受到彎矩和扭矩，按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算，其核算公式為： ????2211caMTW???????式中： ——軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa；ca?——軸所受的彎矩，N·㎜；M——軸所受的扭矩， N·㎜；T