礦用泥漿泵的設(shè)計全套畢業(yè)設(shè)計

礦用泥漿泵的設(shè)計全套畢業(yè)設(shè)計,泥漿泵,設(shè)計,全套,畢業(yè)設(shè)計 摘 要 本文主要介紹了3NB-150/3.0-11型礦用泥漿泵的設(shè)計。在煤炭行業(yè)需求持續(xù)升溫的背景下鉆探工業(yè)迫切需要我們設(shè)計生產(chǎn)出高效率的鉆探工具。泥漿泵是鉆探行業(yè)中的一個重要部分，本設(shè)計運行機理是由YB160M---4型電動機輸出動力，通過行星減速裝置調(diào)整到生產(chǎn)所需的轉(zhuǎn)速，用聯(lián)軸器將其與泵軸連接，泵軸通過回轉(zhuǎn)運動帶動柱塞往復(fù)運動進而使鋼球上下運動實現(xiàn)液體的吸排，為保證泥漿在吸排過程中能穩(wěn)定運行，在排出管道中接入空氣室，并安裝安全閥保證泵的安全使用。通過分析其機理按設(shè)計要求結(jié)合給定的參數(shù)從動力源的選擇到泥漿的排出進行一一計算，務(wù)求通過創(chuàng)新設(shè)計出一款滿足企業(yè)需求的低成本高效率的泥漿泵。 關(guān)鍵詞：泥漿泵；煤炭需求；煤炭行業(yè) Abstract This book is mainly introduce the 3NB-150/3.0-11 mud pump.As the economic highly developed in our country including the need of coal mining is obviously improved.That urge us to design a high efficiency mining tool.and mud pump is the most important part of it.The theory of the pump is we got power from the electromotor. Through the Planetary reducer transport the power to the working setting and make it suited. And used the coupling connected with the axle which make it moving around to bring the pommel to work .Through this way we can get the mud out of the well. In order to make the fluid stablely we install an air chamber in the output pipeline.Away from this we must make sure that the mud pump can working safety.so we also install a relief valve in the pipeline. At last I combined the pump we had in our market with the request of the company’need to make a innovation designing Key word: mug pump；requirement of coal mining；coal industry 目 錄 摘要………………………………………………………………………………I Abstract…………………………………………………………………………II 第一章 緒論.....................................................1 1.1 泵的發(fā)展歷程.............................................1 1.2 中國泵的發(fā)展過程.........................................2 1.3 本文設(shè)計的內(nèi)容...........................................2 第二章 泥漿泵的總體概述.........................................3 2.1 柱塞泥漿泵的工作原理.....................................3 2.2 泥漿泵的主要性能參數(shù).....................................4 第三章 方案設(shè)計與選擇...........................................5 3.1 方案一...................................................5 3.2 方案二...................................................6 3.3 方案三...................................................6 3.4 方案比較.................................................7 第四章 電動機的選擇.............................................8 4.1 電動機的介紹.............................................8 4.2 三相異步交流電動機型號的選擇.............................8 第五章 行星減速機的選擇........................................10 5.1 行星減速機的介紹........................................10 5.2 行星減速機的重要優(yōu)勢....................................11 5.3 行星減速機的整體設(shè)計....................................11 第六章 聯(lián)軸器的選擇............................................16 6.1 聯(lián)軸器的原理與分類......................................16 6.2 聯(lián)軸器的選用及其特點....................................16 第七章 泥漿泵的零件設(shè)計........................................17 7.1 泵主要參數(shù)的合理選擇....................................18 7.2 鉆井泵閥運動對排量的影響...............................19 7.3 吸漿泵與排漿泵的選擇與直徑計算.........................20 7.4 缸套材料的選擇與強度計算...............................21 7.5 連桿十字頭連接處銷子的強度計算.........................23 7.6 空氣室容積及強度計算...................................25 7.7 安全閥的選用...........................................27 7.8 軸的強度計算...........................................30 7.9 球閥的選用.............................................38 第八章 泥漿泵的使用與維護.....................................40 8.1 泥漿泵的安裝...........................................40 8.2 泥漿泵的維護...........................................40 8.3 正確使用維護...........................................41 8.4 泥漿泵的潤滑...........................................41 8.5 常見故障及排除.........................................42 8.6 其他注意事項...........................................42 結(jié)論...........................................................43 致謝...........................................................44 參考文獻.......................................................45 CONTENTS Abstract ………………………………………………………………………...…II Chapter 1 Introduction……….………..………………………………………..1 1.1 The development of pump……………………………….………..…1 1.2 Pumps of China……………………………………………….…..….2 1.3 The topics of the design……………..…………………………….…2 Chapter 2 The introduction of the mud pump.................................................3 2.1 The principle of the pommel pump………..…………………….….3 2.1 The major parameter of the pump……………………………...…...4 Chapter 3 Scheme’s designing and selection...............................................….5 3.1 Scheme 1…………………………………………………………….5 3.2 Scheme 2………………………………………………….…..……..6 3.3 Scheme 3……………………………………………………....…….6 3.1 Comparison………………………………………………………….7 Chapter 4 The selection of the electromotor…………………………..……....8 4.1 The introduction of the electromotor………………………………..8 4.2 Selection of the electromotor………………………………….…….8 Chapter 5 The selection of the Planetary reducer………………………...…10 5.1 Introduction of Planetary reducer…………….……………………10 5.2 Advantage………………………………………………………….11 5.3 Designing……………………………………………………………11 Chapter 6 The selection of the coupling……………………………………...16 6.1 Principle of the coupling and it’s assortment…………………..….16 6.2 Characteristic of the coupling………………………………...……16 Chapter 7 Designing of the mud pump’ component………………….……..17 7.1 Selection of the mud pump’ major parameter……………………....18 7.2 Influence of the displacement……………………………………....19 7.3 The calculation of the input-output pipeline…………………...…...20 7.4 Selection of the Cylinder liner and it’s strength calculation..……....21 7.5 Calculation of the dowel in crosshead….………………………...…23 7.6 The calculation of the air chamber……………………………….....25 7.7 relief valve…………………………………………………………..27 7.8 Calculation of the axle…………………………………………...….30 7.9 Ball valve…………………...………………………………………..37 Chapter 8 Uses and maintains………………………………………….…..…39 8.1 Installation……………………………………………….……..…...39 8.2 maintains………………………………………………………….....39 8.3 Correct use of mud pump……………………………………………40 8.4 lubrication………………………………………………………...…40 8.5 Out-of-order and elimination…………………………………….….41 8.6 Other Attentions………....................................................................41 Conclusion…………………………………………………………………….......42 Thanks………………………………………………………………….……...….43 References………………………………………………………………………...44 43 第一章 緒 論 1.1 泵的發(fā)展歷程 1.1.1 泵行業(yè)歷史悠久 　　泵是古老的機械。歐洲各國第一流的泵制造廠多建于19世紀(jì)中期，如美國Wortington公司建于1880年，Ingersoll-Rand公司建于1860年，Byron-Jackson公司建于1872年，德國KSB公司建于1871年，英國Weir公司建于1871年。中國最早的泵廠出現(xiàn)在20世紀(jì)初期，如：1907年漢陽周恒順機器廠生產(chǎn)了簡單的抽水機。 1.1.2 泵傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的不斷創(chuàng)新 　　近年來，化工、石油化工、電站、礦山和船舶等工業(yè)對泵的需求日益增長，促進了泵技術(shù)的發(fā)展。泵的品種規(guī)格繁多，并向大型化、高速化方向發(fā)展。今天，全人類提出可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，泵產(chǎn)品更加強調(diào)了環(huán)保要求。隨著新技術(shù)要求，作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的泵技術(shù)不斷進步。20世紀(jì)初，首先在英國開發(fā)了無泄漏屏蔽泵；20世紀(jì)中期美國開發(fā)了高速分流泵。高溫、高壓泵日益向大型化，高可靠性發(fā)展。特殊材料泵，如陶瓷泵、石墨泵、塑料泵以及鋯、鈦等貴重合金泵也應(yīng)運而生。繼而在水力設(shè)計、誘導(dǎo)輪研究、新材料、新工藝、CAD、CAM等方面有了更新發(fā)展。 1.1.3 標(biāo)準(zhǔn)化、系列化 　　美、德、日等國家在長期的泵生產(chǎn)、使用中，建立了一整套完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，以獲得更高的效益。國外先進泵制造業(yè)，還體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、模塊化、便于生產(chǎn)管理、便于用戶維護。 1.1.4 機電一體化 　　泵的無級調(diào)速，集中控制，各類溫度傳感器，壓力傳感器，模擬可視化，實時監(jiān)控等機電一體化技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。 　　 1.2 中國泵的發(fā)展過程 　　中國泵工業(yè)起步于20世紀(jì)初，由于多年戰(zhàn)爭劫難，基本處于停滯狀態(tài)。新中國成立后，早期主要汲取前蘇聯(lián)泵技術(shù)，在計劃經(jīng)濟的模式下，政府布置，指定牽頭，布點研發(fā)，定點生產(chǎn)，在當(dāng)時的特定歷史條件下推動了泵的大發(fā)展。例如：中國“一五”期間，沈陽水泵廠已能自主設(shè)計研制具有相當(dāng)難度的多級泵、雙吸泵、不銹鋼泵等。接著不少泵行業(yè)廠在農(nóng)業(yè)排灌、電站礦山、石油、化工及軍工配套等方面研制出較高水平的新型泵。 　　中國泵行業(yè)是在新中國成立以后發(fā)展起來的，特別是改革開放以來，泵行業(yè)得到了快速發(fā)展。除少數(shù)的特殊泵類產(chǎn)品外，現(xiàn)有的產(chǎn)品品種和數(shù)量基本能滿足國民經(jīng)濟各部門的需求。泵行業(yè)主要產(chǎn)品有各類離心泵，混流泵，軸流泵，旋渦泵，回轉(zhuǎn)式容積泵，往復(fù)式容積泵和水環(huán)真空泵等。在這些泵類產(chǎn)品中，按臺數(shù)計算，離心泵約占70%，回轉(zhuǎn)式容積泵和往復(fù)式容積泵約占18%。隨著各行業(yè)尤其是流程工業(yè)的快速發(fā)展，中國的泵行業(yè)也經(jīng)歷了高速的發(fā)展。同時，水處理行業(yè)，石化行業(yè)，石油天然氣行業(yè)，電力行業(yè)繼續(xù)保持持較高的景氣度。 雖然我國的泵行業(yè)發(fā)展已有了長足的進步，但還是存在諸多問題，主要是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不完整，低端市場產(chǎn)品供大于求；企業(yè)技術(shù)水平相對較低，自主研發(fā)自主創(chuàng)新能力不強。這些問題在一定程度上阻礙了我國泵行業(yè)市場的健康發(fā)展。隨著越來越多的跨國泵生產(chǎn)企業(yè)進入中國，泵業(yè)市場競爭的國際化日益加深，國內(nèi)泵行業(yè)企業(yè)在技術(shù)，管理等方面將面臨越來越大的挑戰(zhàn)。從美國和德國等發(fā)達國家的泵行業(yè)發(fā)展過程來看，中國的泵業(yè)市場勢必要經(jīng)歷一場由外資企業(yè)主導(dǎo)的整合。這一輪整合必將淘汰一部分缺乏技術(shù)能力和市場競爭力的中小企業(yè)。這無疑有助于提高中國泵業(yè)市場的集中度，調(diào)整市場秩序。這也將使中國的泵業(yè)市場更具生機，并積極參與到全球泵業(yè)市場的競爭中。 1.3 本文設(shè)計的內(nèi)容 此次設(shè)計的內(nèi)容是3NB-150/3.0-11型礦用泥漿泵。該泵的基本參數(shù)為： 1. 額定壓力------3.0MPa 2. 額定流量------150L/min 第二章 泥漿泵的總體概述 2.1 柱塞泥漿泵的工作原理 泥漿泵是在鉆探過程中，向鉆孔輸送泥漿或水等沖洗液的機械。泥漿泵 是鉆探機械設(shè)備的重要組成部分。泥漿泵的主要作用是在鉆進過程中將泥漿隨鉆頭鉆進注入井下，起著冷卻鉆頭，清洗鉆具、固著井壁、驅(qū)動鉆進，并將打鉆后巖屑帶回地面的作用。在常用的正循環(huán)鉆探中，泥漿泵是將地表沖洗介質(zhì)─清水﹑泥漿或聚合物沖洗液在一定的壓力下，經(jīng)過高壓軟管﹑水龍頭及鉆桿柱中心孔直送鉆頭的底端，以達到冷卻鉆頭﹑將切削下來的巖屑清除并輸送到地表的目的。常用的泥漿泵是活塞式或柱塞式的，由動力機帶動泵的曲軸回轉(zhuǎn)，曲軸通過十字頭再帶動活塞或柱塞在泥漿泵泵缸中做往復(fù)運動。在吸入和排出閥的交替作用下，實現(xiàn)壓送與循環(huán)沖洗液的目的。 由圖2-1所示。電機通過帶傳動輸入動力，通過行星減速器減速。經(jīng)泵軸將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運動。驅(qū)動柱塞泵作功。柱塞泵的進漿室、排漿室有兩個鋼球組成的單向控制閥。當(dāng)活塞桿向左驅(qū)動時，缸體右腔進漿（單向閥F2打開，單向閥F4關(guān)閉）。當(dāng)活塞桿向右驅(qū)動時，缸體右腔排漿（單向閥F4打開，單向閥F2關(guān)閉）。（見以上工作原理圖2-1）除此之外,在主通路上安裝空氣室用來調(diào)整泵在抽吸過程中產(chǎn)生的波動大小。 圖2-1 泥漿泵工作原理圖 2.2 泥漿泵主要性能參數(shù) 泥漿泵性能的兩個主要參數(shù)為排量和壓力。排量以每分鐘排出若干升計算，它與鉆孔直徑及所要求的沖洗液自孔底上返速度有關(guān)，即孔徑越大，所需排量越大。要求沖洗液的上返速度能夠把鉆頭切削下來的巖屑﹑巖粉及時沖離孔底，并可靠地攜帶到地表。地質(zhì)巖心鉆探時，一般上返速度在0.3～1m/min左右。泥漿泵的壓力大小取決于鉆孔的深淺，沖洗液所經(jīng)過的通道的阻力以及所輸送沖洗液的性質(zhì)等。鉆孔越深，管路阻力越大，需要的壓力越高。隨著鉆孔直徑﹑深度的變化，要求泵的排量也能隨時加以調(diào)節(jié)。在泵的機構(gòu)中設(shè)有變速箱或以液壓馬達調(diào)節(jié)其速度，以達到改變排量的目的。為了準(zhǔn)確掌握泵的壓力和排量的變化，泥漿泵上要安裝流量計和壓力表，隨時使鉆探人員瞭解泵的運轉(zhuǎn)情況，同時通過壓力變化判別孔內(nèi)狀況是否正常以預(yù)防發(fā)生孔內(nèi)事故。 第三章 總體方案設(shè)計 通過分析市場上多種型號的泥漿泵并結(jié)合此次設(shè)計所需要求后選出了以下設(shè)計方案： 3.1 方案一：采用兩缸單桿雙作用柱塞泵 1、柱塞泵的運動規(guī)律：通過曲柄連桿機構(gòu)，將原動機的等速回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)的直線運動，而該往復(fù)運動件與泵的活塞直接相連，帶動活塞也在泵缸內(nèi)作往復(fù)運動。如圖3-1所示。 2、使用球閥和空氣室，并確定泵缸的數(shù)目為兩缸； 3、根據(jù)所需排出的流量確定泵缸直徑D和沖程S以及往復(fù)次數(shù)n；已知i=2； 4、確定吸入閥和排出閥的孔徑d1和d2； 5、確定泵閥升程h； 6、計算泵的吸排能力后算出泥漿泵正常運轉(zhuǎn)的所需動力選出合適的動力 機； 7、計算泥漿泵的零件強度； 8、確定泵體和動力機的整體規(guī)格。 圖3.1 圖3-1 單桿雙作用泥漿泵的工作原理圖 3.2 方案二：采用立式三缸柱塞泵 1、工作原理與往復(fù)式單桿雙作用柱塞泵相同； 2、通過計算流量確定該泵所需的動力為其選擇合適的動力機； 3、選擇動力機后通過計算校核為給泵選擇合適的減速器； 4、計算泵軸的輸入直徑結(jié)合動力機的輸出直徑選擇合適的連軸器； 5、對所設(shè)計泵體零件進行尺寸計算及強度計算； 6、對所設(shè)計的三缸泵選擇合適的空氣室； 7、選擇安全閥； 8、計算泵的整體規(guī)格。 3.3 方案三：采用螺桿泵 1、工作原理：螺桿泵的轉(zhuǎn)子形狀是圓柱形單頭螺旋體，定子的內(nèi)腔形狀為雙頭螺旋空心體，其斷面形狀是長圓形。定子的螺距導(dǎo)程為轉(zhuǎn)子導(dǎo)程的二倍。定子與轉(zhuǎn)子在裝配后就形成若干個密封腔。當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動時，是定子與轉(zhuǎn)子之間的密封腔的容積不斷變化，從而使液體不停地從一段強制送至另一端。泵體右端部與吸水室相通，左端部與排水室相通，在轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動時形成吸排工作如圖3-2所示。 2、螺桿泵的工作特性：螺桿泵在工作中，泵的吸入高度和液體的粘度和泵的運轉(zhuǎn)速度都是有關(guān)系的。 3、計算泵的吸入高度； 4、計算泵的運轉(zhuǎn)速度； 5、/計算泵的流量； 6、計算泵的排出壓力； 7、計算泵的功率； 8、計算泵零件的強度； 9、泵的整體規(guī)格。 圖3-2 螺桿泵 3.4 方案比較 往復(fù)式泥漿泵這類泵構(gòu)造比較簡單，堅固耐用，調(diào)節(jié)水量和操作比較容易。缺點是不能采用高速，泵與動力機間的傳動裝置笨重，外廓尺寸大，泵體較重。 螺桿泵的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，流速穩(wěn)定和使用方便，工作時連續(xù)排水，壓力穩(wěn)定，不需要空氣室和水閥等部件。而且可與動力機直接聯(lián)動，不需要減速箱。缺點由于與動力機直接聯(lián)動就固定了運轉(zhuǎn)速度，因此限制了調(diào)速的范圍，尤其對于深井鉆探時不同地質(zhì)層所需的轉(zhuǎn)速不同。 因此綜合比較選用往復(fù)式泥漿泵對工業(yè)生產(chǎn)更有效益。 而往復(fù)式泥漿泵中兩缸和三缸中，雖然兩缸的結(jié)構(gòu)比三缸簡單，所需的動力要求比三缸低，對于額定的電動機來說可以增大調(diào)速范圍，但由于往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)特點，因而引起泵輸送液流時產(chǎn)生波動，給鉆探工作帶來不良影響。如果沖洗液量波動太大，沖洗液攜帶巖粉的能力會降低，容易發(fā)生孔內(nèi)事故，以至于埋鉆等。此外流量波動還會造成吸水系統(tǒng)內(nèi)液流慣性增大，使吸水性能變壞，會使缸內(nèi)液流發(fā)生強烈的沖擊現(xiàn)象，并可出現(xiàn)整個排水系統(tǒng)發(fā)生振動，降低泵及其附件的使用壽命。在鉆探用各類往復(fù)泵中，三缸泵的不均勻度最低。因此綜合上述選用三缸往復(fù)式柱塞泵作為最佳方案。 因此選用方案二。 第四章 電動機的選擇 4.1 電動機的介紹 泵的原動機類型應(yīng)根據(jù)動力來源、工廠或裝置能量平衡、環(huán)境條件、調(diào)節(jié)控制要求以及經(jīng)濟效益而定。 現(xiàn)今電動機主要有鼠籠式和繞線式兩種，三向交流鼠籠型異步電動機是石化裝置用泵的主要原動機，它具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、價格較低、體積緊湊、啟動及運行均較方便可靠的優(yōu)點。但是它不能經(jīng)濟、方便地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速、運行中必須從電網(wǎng)吸收滯后的無功電流而使電網(wǎng)功率因素變低，一般不適于大型泵及調(diào)速泵，而多用于中、小型泵。 相比之下，三相交流繞線型電機和三相交流同步電機，則可用于對啟動、調(diào)速、改善電網(wǎng)功率因數(shù)、大功率、高效率、轉(zhuǎn)速恒定等有特殊要求的場合，但用于驅(qū)動泵的不多。 直流電機雖有調(diào)速性好、啟動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，但需直流電源，造價高，維修較復(fù)雜，一般也不常用于生產(chǎn)裝置中。 隨著石化裝置技術(shù)水平及經(jīng)濟性的提高，采用反轉(zhuǎn)離心泵或液力透平作為泵的輔助或主要原動機，以回收壓力液流的可用能量；采用調(diào)速或多速電機，或采用電磁的、液力的、機械的耦合器以達到泵調(diào)速的目的等技術(shù)，近年來已應(yīng)用于石化裝置。 此外，在特定的情況下，也有用蒸汽機、內(nèi)燃機、燃汽機等作為泵的原動機的。然而，由于泥漿泵的工作環(huán)境和條件惡劣，工作于高濕度、高粉塵的環(huán)境。因此選用三相異步交流電動機作為這款泥漿泵的動力機。 4.2 三相異步交流電動機型號的選擇 已知該設(shè)計的泥漿泵的額定流量Q=150L/min，額定壓力P=3.0MPa。 由文獻[8]可求泵的輸出功率Ne 式中：Q——額定流量 H——有效壓頭 P——額定壓力 y——輸送液體的重度，此處為清水y=1 傳動到泵軸的功率： N= Ne/η 式中：η——泵的總效率 取η=0.75 N=7.5/0.75=10 kW 電動機的功率： Nd= N/ηc 式中：ηc——電機的效率，取ηc=0.95 Nd=10/0.95=10.53 kW 一般的，Y系列是供一般用途的全封閉自扇冷鼠籠型三相異步電動機，具有效率高、性能好、噪音低、振動小、體積小、重量輕、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。而Y系列電動機主要擁有啟動轉(zhuǎn)矩高、啟動電流小等優(yōu)點。 根據(jù)以上的敘述和相關(guān)計算,決定選用的三相異步交流電動機為YB160M---4型電動機，即功率P=11kW，轉(zhuǎn)速n=1460r/min，重量為148kg。 此型號的電動機的主要特點： 1.啟動轉(zhuǎn)矩高、啟動電流小，效率較高，損耗少，運行可靠，運行溫度低； 2.由于其結(jié)構(gòu)型式為封閉式，因此可以在塵土飛揚、水土飛濺的環(huán)境中使用，在比較潮濕及有輕微腐蝕性氣體的環(huán)境中也能有較長的使用壽命。 第五章 行星減速機的選擇 5.1 行星減速機的介紹 5.1.1級數(shù) 　　級數(shù)：行星齒輪的套數(shù)，由于一套行星齒輪無法滿足較大的傳動比,有時需要2套或者3套來滿足擁護較大的傳動比的要求。由于增加了行星齒輪的數(shù)量,所以2級或3級減速機的長度會有所增加,效率會有所下降。 5.1.2回程間隙 回程間隙：將輸出端固定,輸入端順時針和逆時針方向旋轉(zhuǎn),使輸入端產(chǎn)生額定扭矩+-2%扭矩時,減速機輸入端有一個微小的角位移,此角位移就是回程間隙，單位是“分”,就是一度的六十分之一，也有人稱之為背隙。 5.1.3主要結(jié)構(gòu)及特點 行星減速機主要傳動結(jié)構(gòu)為:行星輪,太陽輪,外齒圈。 行星減速機因為結(jié)構(gòu)原因,單級減速最小為3,最大一般不超過10,常見減速比為:3、4、5、6、8、10,減速機級數(shù)一般不超過3,但有部分大減速比定制減速機有4級減速。 　　相對其他減速機,行星減速機具有高剛性,高精度(單級可做到1分以內(nèi)),高傳動效率(單級在97%-98%),高扭矩/體積比,終身免維護等特點。 　　因為這些特點,行星減速機多數(shù)是安裝在步進電機和伺服電機上,用來降低轉(zhuǎn)速,提升扭矩,匹配慣量。 減速機額定輸入轉(zhuǎn)速最高可達到18000r/min(與減速機本身大小有關(guān),減速機越大,額定輸入轉(zhuǎn)速越小)以上,工業(yè)級行星減速機輸出扭矩一般 不超過2000N·m,特制超大扭矩行星減速機可做到10000N·m以上。工作溫度一般在-25℃到100℃左右,通過改變潤滑脂可改變其工作溫度。 5.2 行星減速機的重要優(yōu)勢 內(nèi)部齒輪采用20CrMnTi滲碳淬火和磨齒，具有體積小、重量輕、承載能力高、使用壽命長、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低、輸出扭矩大、速比大、效率高、性能安全的特點。兼具功率分流、多齒嚙合獨用的特性。是一種具有廣泛通用性的減速機。其最大輸入功率可達104kW。適用于起重運輸、工程機械、冶金、礦山、石油化工、建筑機械、輕工紡織、醫(yī)療器械、儀器儀表、汽車、船舶、兵器和航空航天等工業(yè)部門。 5.3 行星減速機的整體設(shè)計 根據(jù)電動機的滿載轉(zhuǎn)速nm和工作機主軸的轉(zhuǎn)速nb,傳動裝置的總傳動比按下式計算： 式中：nb——泥漿泵泵軸轉(zhuǎn)速， 5.3.1、高速級齒輪轉(zhuǎn)動 1、選定齒輪類型、精度等級、材料和齒數(shù) a、運輸機為一般工作機制器，速度不高，故選為8級精度（GB10095-88）。 b、由[12]表10-1選擇太輪材料為40Cr，硬度為280HBS，行星輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差40HBS。外齒圈材料為15鋼（調(diào)質(zhì)） c、選太陽輪齒數(shù)Z1=17，行星輪數(shù)為Z2=i× Z1=6.7×17=113.9 2、按齒輪接觸強度設(shè)計 由設(shè)計計算（10-9a）進行試算，即 1）確定公式的各計算數(shù)值： 試選載荷系數(shù)kt=1.3 計算太陽輪傳送的轉(zhuǎn)距： T1=95.5×105P1/n1 式中：P1——軸1的功率 T1=95.5×105×11/1460=7.2×104N·M 由[12]圖10-7選取齒輪系數(shù) 由[12]表10-6查得的彈性影響系數(shù)z=189.8Mpa 由[12]圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限： ； 大齒輪接觸疲勞強度極限： 由[12]式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ： 由[12]10.19查的接觸疲勞壽命系數(shù)kHN1=0.90，kHN2=0.95。 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%,安全系數(shù)s=1,由式(10-12)得 2）計算 (1)試算小齒輪分度圓直徑代入中較小的值 解得d1t=32mm (2)計算圓周速度V： (3)計算齒寬b (4)計算齒寬與齒高之比b/h 模數(shù) ： 齒高： (5)按實際的載荷系數(shù)校正所有的分度圓直徑，由[12]式（10-12）得： (6)計算模數(shù) 5.3.2、按齒根彎曲強度設(shè)計 由式（10-5）的彎曲強度的設(shè)計公式為： 1）確定公式的各計算數(shù)值 (1)由[1]圖10-20c查的小齒輪的彎曲疲勞強度極限大齒輪的彎曲疲勞強度極限 (2)由圖10-18查的彎曲疲勞壽命系數(shù)： (3)計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4由公式（10-12）得： (4)計算載荷系數(shù)K： (5)查取齒形系數(shù)，由[12]表10-5可查得： (6)查取應(yīng)力校正系數(shù)，由 [12] 表10-5可查得： (7)計算大小齒輪的并加入以比較 比較后知，大齒輪的數(shù)值大 。 2）設(shè)計計算 對比計算結(jié)果，由齒輪接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒輪根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅僅于齒輪直徑（即模數(shù)齒數(shù)）有關(guān)，可取由彎曲強度算得的模數(shù)2.48mm并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2.5。 按接觸強度算得的分度圓直徑d=36mm算出小齒輪數(shù): 圓整后Z1=15。 大齒輪齒數(shù)Z2=15×6.7=100.5； 圓整后Z2=100。 這樣設(shè)計出來的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并作到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。 （3）幾何尺寸計算 (1) 計算分度圓直徑: d1=1.5Z1=1.5×15=22.5mm d2=1.5Z2=1.5×100=150mm (2) 計算中心距: (3) 計算齒輪寬度: 取b=25mm (4) 驗算 合適。 第六章 聯(lián)軸器的選擇 6.1 聯(lián)軸器的原理與分類 聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。一般動力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接。 聯(lián)軸器的的分類：凸緣式聯(lián)軸器、滑塊聯(lián)軸器、彈性聯(lián)軸器、安全聯(lián)軸器、剛性聯(lián)軸器、撓性聯(lián)軸器等。 6.2 聯(lián)軸器的選用及其特點 聯(lián)軸器與各種不同主機產(chǎn)品配套作用。周圍的工作環(huán)境比較復(fù)雜，對于高溫、低溫、有油、酸、堿介質(zhì)的工作環(huán)境，不宜選用以一般橡膠為彈性元件材料的撓性聯(lián)軸器，應(yīng)選擇金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器。 彈性柱銷齒式聯(lián)軸器由于運轉(zhuǎn)時柱銷的竄動，自身噪聲大，對于噪聲有嚴(yán)格要求的場合不應(yīng)選用。而泥漿泵使用的環(huán)境是比較惡劣的，因此選用撓性聯(lián)軸器。其特點有： 1、具有一定的補償被聯(lián)兩軸軸線相對偏移的能力，最大量隨型號不同而異。 2、無彈性元件的撓性聯(lián)軸器：承載能力大，但也不具有緩沖減震性能，在高速或轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定或經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)時，有沖擊噪聲。適用于低速、重載、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的場合。 3、非金屬彈性元件的撓性聯(lián)軸器 在轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)時有很好的緩沖減震性能；但由于非金屬（橡膠、尼龍等）彈性元件強度低、壽命短、承載能力小、不耐高溫和低溫，故適用于高速、輕載和常溫的場合 。 4、金屬彈性元件的撓性聯(lián)軸器：除了具有較好的緩沖減震性能外，承載能力較大，適用于速度和載荷變化較大及高溫或低溫場合。 終上所述，結(jié)合本設(shè)計要求決定選用NL5型的金屬彈性元件的撓性聯(lián)軸器。查文獻[24]可得其參數(shù)為：公稱扭矩315N·m 許用轉(zhuǎn)速n=5000r/min 第七章 泥漿泵的零件設(shè)計 鉆井行業(yè)的發(fā)展方向是提高時效，降低成本和采用能夠降低成本的新工藝、新技術(shù)和新裝備。運用高速高壓噴射鉆井工藝即是這一趨向的必然選擇。 決定泥漿泵易損件壽命和工作效率的參數(shù)為泵沖次、沖程、排出壓力和吸入壓力。這些參數(shù)與有關(guān)壽命之間的關(guān)系是指數(shù)函數(shù)。實踐表明鉆井泵80%的故障是由于缸套活塞組的磨損引起的。 7.1 泵主要參數(shù)的合理選擇 泵的性能取決于泵技術(shù)參數(shù)的合理匹配。從提高泵的吸入性能出發(fā)，優(yōu)化選擇泵的性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)是非常重要的。 7.1.1泵的額定沖次n 泥漿泵的沖次n是泵的主要參數(shù)之一。目前的發(fā)展趨勢是降低沖次，相同功率下，沖次高使得泵體積小，質(zhì)量輕，進而制造費用、運輸費用和維護保養(yǎng)費用較小;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(jīng)濟性。降低沖次可以提高泵吸入性能，特別是提高三缸泵的自吸能力。降低沖次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(dāng)沖次降低后，活塞往復(fù)運動的速度減慢，活塞與缸套之間的摩擦功耗產(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)生“水擊”現(xiàn)象，質(zhì)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。 泵缸橫截面積： S = 式中：d——為活塞直徑，這里已知活塞直徑為d=70mm, 由文獻[8]可知： 式中：L——活塞行程，這里為已知的L=60mm。 i——泥漿泵的缸數(shù)，i=3 7.1.2泵的沖程長度 泵的沖程長度是泥漿泵的另一重要指標(biāo)。由以上表所知，在降低沖次的前提下，適當(dāng)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(jīng)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提下使泵的慣性水頭系數(shù)小于0 . 34 m/s2時，能夠確保鉆井泵自吸性能良好。 驗算上返速度： 由此可得V>[V] [V] ——允許沖洗液上返的最低速度，[V]=0.25m/s。 7.1.3吸入管線的設(shè)計 正確設(shè)計吸入管線也是泥漿泵設(shè)計的關(guān)鍵，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，提高泵吸入性能，應(yīng)注意以下幾方面問題： 1)吸入管線應(yīng)有足夠的液體。 2)選用直通式泵頭。 3)吸入系統(tǒng)應(yīng)絕對密封。 7.2 泥漿泵泵閥運動對排量的影響 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(dǎo)致井壁的坍塌和鉆進液的漏失。為了減小泵的排量和壓力的波動，常用的方法是在泵的排出口安裝空氣室，或在吸人口安裝空氣室。 泵工作時，鋼球作間歇運動。當(dāng)鋼球上升時，它與鋼球間有一空間，從液缸內(nèi)排出的液體有一部分儲存其中，使流經(jīng)閥隙的液體量小于液缸內(nèi)排出液體量;當(dāng)鋼球下落時，下部空間減少，把原來儲存的小部分液體排出，使流經(jīng)閥隙的液體量大于由液缸內(nèi)排出的液體量。從本質(zhì)上說，泵閥在閥腔內(nèi)的運動效果就相當(dāng)于一臺“開式”往復(fù)泵，鋼球相當(dāng)于一個活塞。 對泥漿泵而言，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(jù)泵閥理論，鋼球的運動存在滯后現(xiàn)象，在排出過程終止時，鋼球并未落回閥座。吸入過程開始時，鋼球在自重、彈簧力及鋼球上下壓力差的作用下，快速下落，產(chǎn)生沖擊力。鋼球上下壓力差越大，鋼球的沖擊力越大，鋼球和閥座所受的力就越大。 同樣，由于泵在高壓狀態(tài)下使用的是小缸套，在泵閥運動過程中，缸徑值較小的，泵的排量變化值較大。所以在設(shè)計泵時，通常采用泵的小缸徑參數(shù)。為了減小泵閥運動對泵排量不均度的影響，應(yīng)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，使用較大面積的泵閥，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(zhì)量。 7.3 吸漿管與排漿管的選擇與直徑計算 7.3.1吸漿管的直徑計算： 取φ=60mm 式中：vx——液流在吸入管中的流速，取vX=1.3m/s=13dm/s Q‘——計算流量,Q‘=Q/ηV=150/0.825=181.82L/min 7.3.2排漿管直徑計算 取φ=40mm 式中：vp——液流在排水管中的流速 取vp=2.5m/s=25dm/s 7.3.3漿管的選擇 根據(jù)工作壓力和上式求得的管子的內(nèi)徑，選擇膠管的尺寸規(guī)格。對于頻使用繁或經(jīng)常扭彎曲工作的膠管要加厚管壁。膠管在使用及設(shè)計中應(yīng)注意下列事項： （1）膠管的彎曲半徑不宜過小，膠管與管接頭的連接處應(yīng)留有一段直的部分，此段長度不應(yīng)小于管外半徑的兩倍。 （2）膠管的長度應(yīng)考慮到膠管在通入液體的壓力下，長度方向?qū)l(fā)生收縮變形，一般收縮量為管長的3-4%。因此，膠管安裝時應(yīng)避免處于拉緊狀態(tài)。 （3）膠管在安裝時應(yīng)保證不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，為了便于安裝，可沿管長涂 以色紋，以便檢查。 （4）膠管的管接頭軸線，應(yīng)盡量放置在運動的平面內(nèi)，避免兩端互相運 動時膠管纏扭。 （5）膠管應(yīng)避免與機械上尖角部分相接觸或摩擦，以免損壞膠管。 7.4 缸套材料選擇與強度計算 在實際生產(chǎn)中，泥漿泵是石油鉆井工作臺的“心臟”，缸套是泥漿泵的重要部件。由于工況條件惡劣(活塞沖次200～ 300次／min，摩擦溫升70～170℃，堿性pH 為9～10，泥漿含砂量高)，缸套承受著高壓、高腐蝕和高磨損的危害。普通缸套的內(nèi)徑容易磨損，當(dāng)磨損非常嚴(yán)重時，缸套與活塞間的密封會產(chǎn)生刺漏，降低壓力，甚至損壞缸套。缸套是不可回用的一次性易損零件。其壽命的長短直接影響鉆機的正常作業(yè)和鉆井成本。缸套的頻繁更換不僅嚴(yán)重浪費資源，而且增大工人的勞動量，給井下造成了很大的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計，平均每支鉆井隊每年消耗缸套約100～200個。目前我國石油工業(yè)有一千多支外井隊，這樣，全國鉆井隊每年僅缸套消耗就超過1億多元，而且更換費工費時。鉆井泵修理工時約占1部鉆機總修理工時的1/ 2。在鉆1口井的總時間內(nèi),因鉆井泵等設(shè)備的易損件壽命太低，而使所需的停機修理時間占到12 %～15 % ，相當(dāng)于1個井隊每年少鉆井1500～2000 m。因此，提高缸套的使用壽命，可大幅提高鉆井進尺。 為此，此次設(shè)計的缸套須有以下特點： (1)要有足夠的強度，能長期承受最高工作壓力； (2)要有足夠的剛度，能夠承受活塞的側(cè)力和安裝的反作用力而不至變形； (3)良好的耐磨性，在長期工作情況下仍能保證較高的尺寸和形位公差等 級； 綜合以上特點和經(jīng)濟性考慮，缸筒材料選蠕墨鑄鐵，由文獻[14]可知： 蠕墨鑄鐵的機械性能：σb=330MPa σs=230MPa 許用安全系數(shù)[S]=2~3.5 取[S]=3.5 則[σ]= σs/[S]=23000/3.5=6571.43 N/m2 按經(jīng)驗公式計算 圓整為δ=10mm 式中：r1——液缸的內(nèi)半徑，r1=35mm。 C——考慮腐蝕和鑄造偏心的壁厚附加量C=0~8mm，取C=8。 按承壓強度計算 式中：D——泵體最大內(nèi)經(jīng)。 a——考慮腐蝕和鑄造偏心的壁厚附加量，a=6mm。 即 解得σ=4383N/m2 安全系數(shù)n=[σ]/ σ=6571.43/4383=1.5，安全。 7.5 連桿十字頭連接處銷子強度的計算 銷的類型可根據(jù)工作要求選定，用于聯(lián)結(jié)的銷，其直徑可根據(jù)聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)特點按經(jīng)驗確定，必要時再作強度較核。 定位銷通常不受載荷或只受很小的載荷，數(shù)目不能少于兩個。銷在每一個被聯(lián)結(jié)的件內(nèi)的長度約為銷直徑的1-2倍，定位銷的材料通常選35、45鋼，并進行硬化處理，根據(jù)工作需要也可以選用30CrMnSiA、1Cr13、2Cr13、H62和1Cr18Ni9Ti等材料；彈性圓柱銷多采用65Mn，其槽口位置不應(yīng)裝在銷子受壓的一面，要在裝配圖上表示出槽口的方向。 設(shè)計安全銷時，應(yīng)考慮銷剪斷后要不易飛出和要易于更換。安全銷的材料可選用35、45、50鋼或T8A、T10A等，熱處理后硬度為30-36HRC；銷套材料可選用45鋼、35SiMn、40Cr等，熱處理后的硬度為40-50HRC。安全銷的直徑應(yīng)按銷的抗剪強度τb進行計算，一般可取τb =（0.6-0.7）σb。 根據(jù)本設(shè)計的實際情況，由文獻[15]可得選擇45鋼d=20mm的圓柱銷。： 材料：45號鋼 機械性能： σs=360 MPa σb=610 MPa [σ]= σs/1.5=240MPa （1）外加負(fù)荷 （2）各支點反力FA、FB ∑Z=0 FA+ FB= P=11540N ∑MA=0 21P－42FB=0 解得： FB=5770N FA =5770N （3）各支點彎矩如圖7-1所示 MA=MB=0 MC=21FA=12116N 圖7-1 銷的受力分析圖 （4）按彎曲強度計算 從圖4.1的彎矩圖可知危險短面為C處截面，截面C處的抗彎摸量W 截面C處的彎曲應(yīng)力σW σW=MC/W=12116/1.21=10013.2 N/m2 安全系數(shù)n n=[σ]/ σW=24000/10013.2=2.4，安全。 （5）按剪切強度計算 由于此銷為雙剪切 故剪力Q=P/2=5770N 剪應(yīng)力: 安全系數(shù): n=[τ]/ τ=8150/1837.6=4.44 安全 式中：[τ] ——許用剪應(yīng)力，[τ]=8150 N/ m2 （6）按擠壓強度計算 擠壓應(yīng)力: 安全系數(shù)n=[σJY]/σJY =5100/3675.2=1.39 安全 式中：[σJY] ——擠壓剪應(yīng)力，[σJY]=5100 N/ m2 綜上所敘連桿小頭銷子直徑為20mm滿足強度要求。 7.6 空氣室容積及強度計算 所謂的空氣室，就是一個盛有空氣的容器。 往復(fù)泵排出的液體進入一確定的管道中，管道隊液流流動的阻力，將隨液流流量的變化而變化。即當(dāng)泵排出的流量變化時，泵的排出壓力將按排出流量變化率的平方變化。即排出壓力的變化量比排出流量的變化量大得多。當(dāng)往復(fù)泵的流量由小到大增加到大于平均流量時，排出管道中的壓力升高，空氣室的液體壓力也隨之升高，從而壓縮空氣室內(nèi)貯存的一部分液體。當(dāng)泵的排量小于其平均流量時，排出管道中壓力降低，空氣室內(nèi)氣體體積膨脹，排出空氣室內(nèi)貯存的一部分液體，以補償此時泵排出量的不足部分，使流量變得比較均勻。由文獻[7]可得： （1）空氣室的容積計算 式中：P——平均壓力，P=300N/m2。 P0——空氣室不工作時的壓力，P0=100N/m2。 S——柱塞行程。 β——剩余液量，β=0.009。 σp——壓力不均勻度，σp=0.04。 （2）實際容積 式中：L——容器室的圓柱體高度。 由此得VS>V 即，空氣室的容積適合。 （3）空氣室的強度計算 材料：蠕墨鑄鐵 實際厚度：δ=20mm 按經(jīng)驗公式計算 = =11.14mm<20mm 按承壓強度計算 由此解得 σ=1912N/m2 安全系數(shù) n=[σ]/ σ=6571.5/1912=3.44，安全。 7.7 安全閥的選用 7.7.1安全閥的原理與選用 安全閥是一種安全保護用閥，它的啟閉件受外力作用下處于常閉狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備或管道內(nèi)的介質(zhì)壓力升高，超過規(guī)定值時自動開啟，通過向系統(tǒng)外排放介質(zhì)來防止管道或設(shè)備內(nèi)介質(zhì)壓力超過規(guī)定數(shù)值。安全閥屬于自動閥類，主要用于鍋爐、壓力容器和管道上，控制壓力不超過規(guī)定值，對人身安全和設(shè)備運行起重要保護作用。從下表中選用A21Y-250C/P 3K10H型安全閥。 表1 產(chǎn)品型號