本科畢業(yè)設(shè)計說明書題 目： 3NB—1300 鉆井泥漿泵 ——動力端的設(shè)計 院 （部）：專 業(yè)：班 級：姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：完成日期： I目 錄摘 要 .- 1 -ABSTRACT - 2 -1 前 言 - 3 -1.1 課題的背景及研究意義 - 3 -1.2 鉆井泥漿泵的現(xiàn)狀與趨勢分析 - 4 -1.2.1 我國泥漿泵的現(xiàn)狀 - 4 -1.2.2 國外泥漿泵現(xiàn)狀 - 4 -1.2.3 鉆井泥漿泵的發(fā)展趨勢 - 5 -2 鉆井泥漿泵的總體設(shè)計 - 9 -3 鉆井泥漿泵動力端的總體設(shè)計 - 11 -3.1 動力端的結(jié)構(gòu) - 11 -3.1.1 有曲柄軸的結(jié)構(gòu) .- 11 -3.1.2 有偏心輪的結(jié)構(gòu) .- 12 -3.2 動力端軸承的選用和壽命計算 - 12 -3.2.1 主動軸和被動軸軸承的選用 - 12 -3.2.2 連桿兩端軸承的選用 - 13 -3.2.3 鉆井泵軸承壽命計算 - 15 -3.3 連桿、十字頭和導(dǎo)板 - 18 -3.4 泵內(nèi)齒輪 - 19 -3.4.1 傳動齒輪的設(shè)計 - 21 -3.4.2 被動軸軸的設(shè)計 .- 26 -3.5 傳動端的密封和潤滑裝置 - 28 -4 動力端常見故障及處理 .- 31 -4.1 軸承常見故障 - 31 -4.2 齒輪常見故障 - 32 -4.3 十字頭部分常見故障 - 33 -II4.4 連桿部分的常見故障 - 33 -5 總 結(jié) .- 35 -謝 辭 .- 36 -參考文獻 .- 37 -- 1 -3NB—1300 鉆井泥漿泵——動力端的設(shè)計摘 要通過對國內(nèi)外鉆井泥漿泵現(xiàn)狀的分析，闡述了鉆井泥漿泵的發(fā)展方向，以及研制輕便鉆井泥漿泵過程中應(yīng)采用的新工藝、新方法和新技術(shù)，并展望了輕便鉆井泥漿泵的廣闊前景。本文對 3NB-1300 鉆井泥漿泵進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析，重點是對泥漿泵的動力端進行設(shè)計與計算。通過本文我們首先認識了解了 3NB-1300 鉆井泥漿泵總體結(jié)構(gòu)和工作原理，從而引出當(dāng)前結(jié)構(gòu)不合理問題，然后主要以沖程短、泵壓偏低為出發(fā)點,根據(jù)泥漿泵的工作原理,經(jīng)對有關(guān)部分進行分析、計算, 對泥漿泵進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以滿足現(xiàn)代泥漿泵的鉆井工藝。關(guān)鍵詞：泥漿泵；動力端；鉆井工藝；工作原理- 2 -3NB-1300 Mud Pump --Design of the Power System ABSTRACTThrough analyzing the state of mud pump all over the world, this thesis elaborates the developing direction of mud pump, and analyzes the new method and technology of manufacturing the portable mud pump. Moreover, this thesis forecasts the broad prospects of the portable mud pump.This thesis analyzes the overall structure of 3NB-1300 mud pump, and designs the power system. In this thesis, the overall structure and the operating principle of 3NB-1300 mud pump can be firstly understood. Accordingly, this thesis raises the irrational structure of mud pump. Aim at the short stroke of punch and low pump pressure, this thesis analyzes and computes the structure of power system at the basis of the operating principle of mud pump, to meet the drilling technology of the modern mud pump.Key Words: Mud Pump; Power system; Drilling technology; Operating principle- 3 -1 前 言1.1 課題的背景及研究意義泥漿泵是在鉆井過程中，將泥漿加壓后攜帶出井底的巖屑和供給井底動力鉆具的動力，向井底輸送和循環(huán)鉆井液的往復(fù)泵。泥漿泵的主要作用是利用鉆井沖洗液（統(tǒng)稱泥漿）使井筒內(nèi)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（如渦輪鉆具或螺桿鉆具）時，利用沖洗液傳遞能量，推動井下水力鉆具旋轉(zhuǎn)。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。為了實現(xiàn)高壓噴射鉆井，對鉆井泥漿泵提出了更高的要求，使用好、保養(yǎng)好泥漿泵的各部分，延長各個易損件的工作壽命，保證泥漿泵優(yōu)良的技術(shù)狀況，也是很重要的。由于石油礦場上使用往復(fù)泵的條件十分惡劣，提高其易損件（泵閥，活塞和缸套）的工作壽命，成為泥漿泵設(shè)計、制造和使用中迫切需要解決的問題。近幾年，為了加快鉆井速度，降低鉆井成本，延長鉆頭使用壽命，國內(nèi)外在泥漿泵的理論和試驗研究、設(shè)計制造和選擇使用等方面做了許多工作，對鉆井泵進行了多次改型換代，各種新型鉆井泵也不斷研制成功。但其基本結(jié)構(gòu)均未擺脫曲柄連桿機構(gòu)的傳統(tǒng)方式，在結(jié)構(gòu)上沒有根本變化，因而現(xiàn)有的鉆井泥漿泵不能完全滿足鉆井作業(yè)的需要，因而必須尋求具有更好工作性能和合理結(jié)構(gòu)的鉆井泵以滿足石油勘探開發(fā)使用的要求。隨著改革開放的深入及中國加入世貿(mào)組織，我國石油鉆井隊伍“充分利用國內(nèi)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(shè)備的投入，同時加快老鉆井機的更新改造和新型輕便鉆井機研制步伐，隨著國際市場對鉆井泵的需求增大，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?，F(xiàn)如今國內(nèi)外鉆井泥漿泵主要存在 5 方面的問題，即，鉆井泵質(zhì)量大，制約鉆機的移運性，難以適應(yīng)現(xiàn)代輕便鉆機的要求；沖程短，沖次高，鉆井泵在不合適的沖次范圍內(nèi)工作，致使液力端壽命短；泵壓偏低，不能完全滿足現(xiàn)代鉆井工藝的需要；結(jié)構(gòu)不合理，部分強度冗余，部分剛度不足，可靠性低，難以滿足鉆井機高可靠性要求；缸套壽命短，難以滿足鉆機高效率要求。因此，合理降低泵的沖次，適當(dāng)增加泵的沖程長度，既滿足鉆井過程中的排量要求，又能確保泵的自吸性能，充分發(fā)揮了泵的功效，成為今后鉆井泵的設(shè)計方向。- 4 -1.2 鉆井泥漿泵的現(xiàn)狀與趨勢分析1.2.1 我國泥漿泵的現(xiàn)狀輕便鉆井泵功率在 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。根據(jù) 2000 年的統(tǒng)計，中國擁有鉆機 1000 余臺，占世界鉆機總量的 32%，其中，中石油集團公司擁有 702 臺，因此，中石油集團公司的鉆機的情況基本反映了國內(nèi)鉆機的現(xiàn)狀。在中國石油集團公司擁有的702 臺鉆機中，4000m 以下的鉆機占總量的 80%。平均新度系數(shù)僅為 0.4，其中 48%的鉆機新度系數(shù)小于 0.3,有 500 臺左右的鉆機服役 10 年以上，期待更新。在“十五”期間，中石油集團公司投入巨資更新鉆機，隨之配套的鉆井泵相應(yīng)也需要更新。據(jù) 2000 年統(tǒng)計，中國石油集團公司年累計完成井?dāng)?shù)為 7165 口，進尺數(shù)為 10908km，其中井深小于4000 m 的井?dāng)?shù)和進尺數(shù)分別為 7056km 和 10383km，所占比例分別為 98.5%和 95.2%。從以上分析數(shù)據(jù)可知，在用鉆機主要為 4000 m 以下鉆機。國內(nèi)生產(chǎn)鉆井泵的企業(yè)主要有:寶雞石油機械廠、蘭州石油機械廠等，但由于各自產(chǎn)品為多年前開發(fā)，結(jié)構(gòu)不盡合理，難以滿足現(xiàn)代鉆井工藝要求。目前 ，三缸單作用往復(fù)式鉆井泵存在以下主要問題。(1) 鉆井泵質(zhì)量大，難以適應(yīng)現(xiàn)代輕便鉆機的要求，制約著鉆機的移運性。(2) 沖程短，沖次高鉆井泵在不適合的沖次范圍內(nèi)工作，致使液力端壽命短。(3 )泵壓偏低，不能完全滿足現(xiàn)代鉆井工藝的需要。(4) 結(jié)構(gòu)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。(5) 缸套壽命短，難以滿足鉆機高效率要求。1.2.2 國外泥漿泵現(xiàn)狀美國鉆井泵大量采用三缸單作用泵，其結(jié)構(gòu)特點：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，其殼體與閥箱螺紋連接，球形吸入空氣包。泵機座多為焊接結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。軸承采用雙列向心球面調(diào)心軸承。十字頭滑動面經(jīng)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。隨機輔助工具齊全，有閥座液壓拉拔器液壓拆卸器、缸套- 5 -拆卸器等。俄羅斯三缸單作用鉆井泵的結(jié)構(gòu)特點：俄羅斯三缸泵的液力端，閥箱采用I形直通式和L形，閥箱的吸入閥和排出閥不是分體結(jié)構(gòu)，而是一體式液力模塊。L形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形結(jié)構(gòu)。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(jīng)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。總的來說，國外三缸泵易損件的使用壽命較低。與先進水平相比，尚有不小差距。然而，由于其三缸泵多數(shù)運轉(zhuǎn)速度較小(如額定速度為135r/min的泵，經(jīng)常以70-80r/min運轉(zhuǎn))，而且傳動可以調(diào)速，因此，泵的功效發(fā)揮較好。1.2.3 鉆井泥漿泵的發(fā)展趨勢隨著鉆井工藝技術(shù)，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(shù)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率和生產(chǎn)成本有著直接關(guān)系，同時其工作條件又十分惡劣，工況也異常復(fù)雜，因此，對鉆井泵工作的可靠性和安全的要求也越來越高。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300kW到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(jié)構(gòu)泵排量的不均勻度進行分析。結(jié)果表明，曲柄錯角120°的三缸泵比其他曲柄錯角的多缸泵都有利;三缸以上的泵由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修困難和易磨損而難以廣泛應(yīng)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(yīng)用。所以目前國內(nèi)外鉆井泵的主要形式仍為三缸單作用往復(fù)泵。國內(nèi)外三缸泵的優(yōu)點有:液力端L形結(jié)構(gòu)，復(fù)合錐面閥膠皮，冷卻缸套活塞的內(nèi)孔噴射移動式噴淋裝置，直立式吸入空氣包;動力端的體外強力潤滑系統(tǒng)，閉式內(nèi)固定導(dǎo)板機構(gòu)。鉆井技術(shù)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。運用大排量高壓噴射鉆井工藝即是這一趨向的必然選擇。高壓噴射則由高可靠性的鉆井泵來保證。因此，鉆井泵的發(fā)展趨勢是:①降低額定沖數(shù)，由150沖/min降- 6 -到110一120沖/min,②長沖程，最大沖程已達300mm以上。③降低沖次，降低沖次不僅可以提高易損件如活塞密封、缸套的使用壽命，而且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。因此合理降低泵的沖次，適當(dāng)增加泵的沖程長度，既滿足鉆井過程中的排量要求，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(shè)計的發(fā)展方向。1.3 研究內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)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。決定鉆井泵易損件壽命和工作效率的參數(shù)為泵沖次、沖程、排出壓力和吸人壓力。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。1.3.1鉆井泥漿泵主要參數(shù)的選擇鉆井泵的性能取決于鉆井泵技術(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。（1）泵的額定沖次n ：鉆井泵的沖次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，沖次低使得泵體積小，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。活塞失效的主要原因是擠傷和磨損，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，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(biāo)。由相關(guān)資料可知，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 時，能夠確保鉆井泵自吸性能2m/s 0.34- 7 -良好。（3）正確設(shè)計吸入管線：正確設(shè)計吸入管線也是鉆井泵設(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，提高泵的吸入性能，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。1.3.2鉆井泥漿泵運動對排量的影響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(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包，或在吸入口安裝空氣包。泵工作時 ，閥盤作間歇運動。當(dāng)閥盤上升時，它與閥座間有一空間，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)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(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，閥盤相當(dāng)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(jù)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(chǎn)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就越大。同樣，由于泵在高壓狀態(tài)下使用的是小缸套，在 中，F(xiàn)1rsintQ??值較小，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F/f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(zhì)量。本文主要完成 3NB-1300 鉆井泥漿泵—動力端設(shè)計。設(shè)計原始參數(shù)為：① 泵型：臥式三缸單作用② 輸入功率：956 千瓦- 8 -③ 齒輪傳動比：I=128/35=3.657④ 主動軸額定轉(zhuǎn)速：437.77 轉(zhuǎn)/分⑤ 外形尺寸（長*寬*高）：5050*2406.5*2655總質(zhì)量（包括皮帶輪、予壓空氣包和噴淋系統(tǒng)）：22300Kg；通過與其他一些系列的鉆井泵型號與參數(shù)進行對比，可以得出 3NB—1300 鉆井泵沖程長度長，額定沖次低，最高工作壓力大，外形尺寸大，并且質(zhì)量重。通過對鉆井泵工作原理及工作環(huán)境的了解，可以知道因鉆井泵與泥漿接觸，在工作過程中一直受著強烈的磨粒磨損，使其壽命低，原材料大量消耗，生產(chǎn)設(shè)備時嚴(yán)重浪費，維修費用大量增加，鉆井效率大幅度降低，因此在對動力端進行設(shè)計時要將這些因素考慮在內(nèi)。1.了解鉆井泥漿泵的基本構(gòu)成及工作原理，熟悉其設(shè)計、生產(chǎn)的基本知識。2.進行鉆井泥漿泵動力端的設(shè)計。3.畢業(yè)設(shè)計說明書。本次設(shè)計基本要求為：1.能獨立進行設(shè)計計算、分析、繪圖、數(shù)據(jù)處理、撰寫技術(shù)報告。2.掌握工程技術(shù)設(shè)計的基本方法，學(xué)會調(diào)查研究，查閱技術(shù)文獻、資料、手冊、工具書等。3.使用 Solid Works 進行泥漿泵動力端零部件及裝配設(shè)計。4.進行指定部件設(shè)計，圖紙表達完整，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。- 9 -2 鉆井泥漿泵的總體設(shè)計3NB-1300 鉆井泥漿泵主要有動力端、泵殼、液力端三大部分組成，如圖 2.1 所示：圖 2.1 3NB-1300 泥漿泵示意圖從結(jié)構(gòu)性能上看, 這種泵應(yīng)將目前世界上三缸泵的先進技術(shù)溶合到設(shè)計中, 以高科技、機電一體化、智能化等先進性能去贏得市場。所以國產(chǎn)3NB-1300 型泵必須具備以下特點。a) 最高泵壓必須達到45MPa。b) 液力端應(yīng)是活塞、缸套與柱塞、盤根2 種形式并存, 當(dāng)泵壓超過42M Pa 時, 采用柱塞盤根結(jié)構(gòu)。c) 高壽命的易損件是獲得良好經(jīng)濟效益的前提條件。用新材料、新工藝來解決易損件壽命短的問題。d) 液力端結(jié)構(gòu)采用L 型為佳, 便于維修或更換易損件, 液缸內(nèi)表面要進行自增強理。e) 動力端的各傳動元件應(yīng)有良好的耐磨、抗沖擊及抗疲勞性能, 保證各元件壽命超過15000h。齒輪軸和大齒圈要進行整體加工, 以保證齒輪副的精度, 減小泵的體積。f ) 動力端的所有運動零件都要有壓力循環(huán)的潤滑系統(tǒng), 并具有欠壓及超壓的報警系統(tǒng)。- 10 -g) 泵主機質(zhì)量應(yīng)控制在40t 以內(nèi)。鉆井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。本文對泥漿泵動力端進行總體設(shè)計。- 11 -3 鉆井泥漿泵動力端的總體設(shè)計3.1 動力端的結(jié)構(gòu)動力端主要包括：主軸、被動軸、齒輪副、連桿、十字頭和中間拉桿等幾部分。鉆井泥漿泵動力端又因其主軸對連桿相互位置的不同而分為兩大類：有曲柄軸的結(jié)構(gòu)和有偏心輪結(jié)構(gòu)。3.1.1 有曲柄軸的結(jié)構(gòu)在此結(jié)構(gòu)中，曲柄軸上使用鍵裝著可拆卸的曲柄。人字齒或斜齒的圓柱齒輪副，位于兩主軸承之間。連桿大頭尺寸較小，便于檢修。這種結(jié)構(gòu)比較堅固，但存在的缺點是：由于齒輪和曲柄銷之間，要裝兩幅軸承和曲柄夾板，致使兩個液缸中心距增大，從而增加了泵的寬度和重量；換主軸承時，須先拆曲軸。NB1-470 泵采用這種結(jié)構(gòu)，如圖 3.1所示。圖 3.1 NB1-470 泵示意圖- 12 -3.1.2 有偏心輪的結(jié)構(gòu)在這種結(jié)構(gòu)中，連桿是由主軸上的偏心輪帶動的。這種結(jié)構(gòu)使液缸中心距縮小到最小，因此大大減少了泵的寬度和重量；主軸承上的負荷也較第一種結(jié)構(gòu)小。這種結(jié)構(gòu)的強度最好，工作可靠，維修方便，但制造較復(fù)雜，而且需要大直徑的滾動軸承。但隨著大直徑滾動軸承的解決，這一結(jié)構(gòu)得到了非常廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計的 3NB-1300 鉆井泥漿泵就是采用這種結(jié)構(gòu)。3.2 動力端軸承的選用和壽命計算查閱資料，確定 3NB-1300 鉆井泥漿泵動力端的總體結(jié)構(gòu)，進行運動和動力計算。結(jié)構(gòu)如圖 3.2 所示：圖 3.2 泥漿泵動力端的總體結(jié)構(gòu)3.2.1 主動軸和被動軸軸承的選用各個廠生產(chǎn)的三缸泵動力端中，主動軸、減速齒輪、被動軸、連桿和十字頭等的布- 13 -置都是相似的。但是，要注意軸承的選用。鉆井泥漿泵動力端內(nèi)的軸承全部都是滾子軸承，對兩根軸的支撐軸承，目前絕大多數(shù)生產(chǎn)廠是選用短圓柱滾子軸承作為主動軸的支承；選用調(diào)心滾子軸承作為曲軸的支承，這種設(shè)計是合理的，使用中問題較少。主動軸的短圓柱滾子軸承較易實現(xiàn)軸向移動，有利于人字齒輪的均勻嚙合；被動軸的調(diào)心軸承承載能力高、耐沖擊。國民公司的三缸泵，其主動軸選用調(diào)心軸承，使用表明，這種軸承組合不盡合理，因為調(diào)心軸承在軸向不能游動，人字齒輪常發(fā)生偏磨；，礦場維護困難。表 3.1 是幾種泵選用軸承的類型和尺寸。表 3.1 泵選用軸承的類型和尺寸泵 型 號 類 型 內(nèi) 徑 外 徑 寬 度 動負荷能力主動軸軸承10-P-130FA-13003NB-1300調(diào)心短圓滾子短圓滾子22022022037035046012098.4145-12461450被動軸軸承10-P-130FA-13003NB-1300雙列錐滾調(diào)心滾子調(diào)心滾子368.75300300522500500216160160338222731726鉆井泵被動軸和主動軸的軸承承載受較重和帶有沖擊的負荷，故軸與軸承內(nèi)圈的配合易選得緊些，一般選用 m6 配合。軸承套和軸承外圈的配合可選 H7 或 M7.3.2.2 連桿兩端軸承的選用連桿大端都選用大直徑的短圓柱滾子軸承。連桿小端則有兩種設(shè)計。多數(shù)泵采用圖 3.3 所示的設(shè)計，十字頭銷固定在十字頭上，連桿小端通過一個雙列長圓柱滾子軸承在銷上擺動。我國和羅馬尼亞的部分泵采用圖 3.4 的設(shè)計，連桿小端與銷的中段用鍵固定在一起，銷的兩端通過一對短圓柱滾子軸承裝在十字頭體的兩側(cè)上。- 14 -1.下導(dǎo)板座 2.下導(dǎo)板 3.十字頭體 4.十字頭銷 5.雙列長圓柱滾子軸承 6.連桿小端 7.上導(dǎo)板 8.上導(dǎo)板座 9.移動潤滑油管圖 3.3 埃姆斯科泵連桿小端與十字頭的聯(lián)接1.連桿小端 2.鍵 3.十字頭 4.介桿 5.十字頭銷- 15 -圖 3.4 3NB-1300 型泵連桿小端與十字頭的裝配關(guān)系部分國產(chǎn)泵的連桿大端的軸承在使用不久后出現(xiàn)所謂“跑圈”現(xiàn)象，即軸承內(nèi)外圈的配合松動，發(fā)生滑動。其主要原因是配合選擇不當(dāng)。連桿大端軸承承受很重的脈動變載荷。而其內(nèi)、外圈都是薄壁套圈。若仍選取與小直徑軸承相同的配合公差，計算和實際使用都表明是不恰當(dāng)?shù)模绕涫莾?nèi)圈和偏心軸頸不能抱緊；即使剛裝上去時能抱緊，在脈動的重載荷下工作一段時間后，由于薄壁內(nèi)圈的變形，配合也會松動。即與軸承內(nèi)圈結(jié)合的偏心軸頸應(yīng)選用 r7 配合，與軸承外圈結(jié)合的連桿大端內(nèi)孔應(yīng)選用 N7 配合。并在裝配后加壓板使內(nèi)外圈軸向固定。裝配后，連桿大端軸承的徑向游隙以在 0.06-0.16mm 之間為宜。按使用經(jīng)驗，裝配后的徑向游隙愈小愈好，可以至零。但我國的軸承精度較低，泵工作時油溫較高，游隙不宜過小。3.2.3 鉆井泵軸承壽命計算鉆井泵滾動軸承的正常失效原因有兩種，即軸承滾動體表面疲勞破壞和滾動體表面磨損。在密封和潤滑條件良好的情況下，失效形式是疲勞剝落；反之則是因滾動表面磨損到一定程度后軸承游隙過大而失效。以磨損失效的軸承壽命要短于因疲勞失效的軸承壽命。在我國礦場，以磨損破壞居多。造成軸承磨損的主要因素有：（1）軸承滾子和跑道間潤滑不足而造成粘著磨損；（2）軸中雜物和塵埃，特別是齒輪表面剝落的金屬磨屑使軸承滾動面發(fā)生磨料磨損；（3）混入潤滑油中的水分和其它腐蝕液使?jié)L動體表面銹濁而剝落。目前還沒有滾動軸承磨損壽命計算的可靠方法，只有個別軸承廠提出的估算方法。但以疲勞破壞為條件的滾動軸承壽命計算則早已獲得公認，并應(yīng)用了可靠性的設(shè)計方法。滾子軸承的額定壽命（3.1）3.pd6fn01???????CLA式中 -----可靠度為 90%的軸承的額定的疲勞壽命，也稱 B-10 壽命。按軸承設(shè)AL計的習(xí)慣，此處 的單位為 h（小時） ；-----所選軸承的額定動載荷。dC- 16 ------軸承所受的動負荷。如果工作過程中負荷是變化的，則應(yīng)求得平均當(dāng)P量動負荷；-----附加負荷系數(shù)。在鉆井泵軸承計算中，對傳動軸承，因皮帶或鏈條傳pf動引起的附加負荷較大，取 =1.8；對其它軸承，取 =1.2.pf pf設(shè)計鉆井泵時，被動軸、主動軸和連桿兩端軸承的選用基本上決定于這些零件的結(jié)構(gòu)尺寸。一般，主動軸和連桿上滾子軸承可有足夠高，即 30000h 以上的 B-10 壽命。但被動軸軸承的壽命可能較低，有時需要適當(dāng)加大軸頸尺寸或選用較寬系列的軸承。計算被動軸軸承的壽命。設(shè)泵為正轉(zhuǎn)。先求平均當(dāng)量動負荷 P，即左、右軸承支反力 、 的平均當(dāng)量動負荷 、 中的大者。1F21P2（3.2）3.13601i.i1P??????????F式中 在泵的每一次沖擊中，對應(yīng)于間隔為 每一次曲軸轉(zhuǎn)角的 值。3.i1F011F同理， 3.13601i.i22P??????????（3.3）、 在一沖中的變化如圖 3.5 所示。由式（3.2）和式（3.3）算得 =538KN,1F2 1P=528KN,故 = =538KN.2PP1- 17 -a.左軸承支反力 b.右軸承支反力1F 2F圖 3.5 某 N=1180kw 的三缸泵的曲軸軸承支反力當(dāng)然，計算軸承的平均當(dāng)量動負荷時也可適當(dāng)將被動軸轉(zhuǎn)角間隔加大，例如，加大到 6°，同時將式（3.2）和式（3.3）中的 360 換為 60。由上圖可以看出，被動軸軸承支反力是每 60°一階躍，故當(dāng)手算時可將計算間隔加大到 60°，一沖中取 6 點反力值而求其均 3.3 次方根值，結(jié)果也是令人滿意的。被動軸軸承的轉(zhuǎn)數(shù) 可代之以鉆井泵的額定沖次數(shù) 或?qū)嶋H常用工作沖次數(shù) ，dnan0n視實際情況而定。在本例計算中，取 =90r/min。dn根據(jù)軸的初定尺寸，選取 3660 調(diào)心滾子軸承為被動軸軸承。它的內(nèi)徑為 300mm，外徑 620mm，寬度為 185mm，額定動負荷 =2860KN.dC于是，本例中曲軸軸承的 B-10 壽命為：=25000 h3.61.2x58090???????AL根據(jù)滾動軸承疲勞壽命可靠性的研究，軸承失效概率近似地服從二參數(shù)威布爾分布。對所選軸承，如果工作時有理想的潤滑和密封條件，則壽命不足 25000h 的占10%，壽命在 25000h 至 100000h 的占 50%，其余 40%的壽命則高于 100000h。按鉆井泵每年工作 3000h 計算，軸承壽命為 25000h 時可工作 8 年，壽命為 100000h 時可工作33 年。但在野外工作的鉆井泵的實際潤滑和密封條件或多或少總有不利因素，部分軸承是因磨損而失效的，壽命達不到那么高。美國鉆井泵軸承平均壽命可達 10 年至 15 年。- 18 -3.3 連桿、十字頭和導(dǎo)板圖 3.6 是常見的三缸泵連桿設(shè)計。連桿有兩種方法制造：一種是鑄造的，另一種是用厚鋼板做毛坯。這兩種連桿的大、小端都是封閉環(huán)。大、小端之間的部分稱為桿身。大、小端的中心距稱為連桿長度，與 λ 值有關(guān)；而大、小端的直徑?jīng)Q定于軸承的選用，故鉆井泵連桿的尺寸基本上決定于結(jié)構(gòu)設(shè)計。實際使用中尚未發(fā)現(xiàn)連桿因強度不夠或失穩(wěn)而破壞的情況。三缸泵連桿的桿身在排出沖程時應(yīng)校核它的疲勞強度。在一些文獻中給出了以材料力學(xué)連桿計算公式為基礎(chǔ)的大、小端環(huán)部應(yīng)力計算公式。但是，應(yīng)力測試和有限元法計算結(jié)果都指出，因桿身和大、小端的過渡處有應(yīng)力集中，此處的應(yīng)力最高。根據(jù)有限元法的初步計算結(jié)果，三缸泵連桿上危險點的疲勞安全系數(shù)可達 3 以上。連桿在加工后應(yīng)進行超聲波探傷。圖 3.6 材料為 ZG35CrMo 三缸泵的連桿圖 3.7 為 3NB-1300 型泵的十字頭體。從工藝的角度看，十字頭和導(dǎo)板這兩個零件的毛坯只能是鑄件。而鑄鐵的減摩性、抗磨性和承受壓力的特點也正好和這兩個零件的受力特點相吻合。導(dǎo)板的材料一般選用牌號為 HT200、HT250 的灰鑄鐵。十字頭體與介桿聯(lián)結(jié)的螺紋處需要一定的強度，故十字頭一般選用 QT600-2、QT500-5 球墨鑄鐵或KTZ550-04 可鍛鑄鐵，也有選用 35CrMo 鑄鋼的。對大功率鉆井泵，還可考慮在十字頭體上鑲滑板，以免十字頭體這一大件以外損傷報廢。滑板的材料為青銅或灰鑄鐵。裝配時，在導(dǎo)板下加墊片，以調(diào)整十字頭和導(dǎo)板間的間隙。若使十字頭座在下導(dǎo)板上，上導(dǎo)板與十字頭的間隙應(yīng)為 0.25-0.4mm。- 19 -圖 3.7 3NB-1300 型泵的十字頭3.4 泵內(nèi)齒輪現(xiàn)有鉆井泵的傳動齒輪多采用漸開線齒形。圓弧齒輪齒面承載能力強，其接觸沿齒高為線接觸，當(dāng)受載變形后為一塊接觸區(qū)面，接觸強度遠遠大于漸開線齒輪；圓弧齒輪在嚙合過程中，接觸點沿嚙合線作軸向移動，即齒面之間相對滾動，這對建立油膜極為有利，較厚的油膜不僅可提高齒面的接觸強度，而且可減少摩擦磨損，提高傳動效率。為了獲得所需要的泵沖次，鉆井泵傳動端內(nèi)有一對減速齒輪。速比多數(shù)為 2.5-5，在三缸泵中，除美國油井公司一家采用斜齒輪外，國內(nèi)外其它泵均采用人字齒輪。油井公司斜齒輪的節(jié)圓螺旋角為 7°30’，一般泵內(nèi)人字齒輪的螺旋角為 25°～33°。前面已指出，泵內(nèi)齒輪的工作條件比較惡劣；齒輪所在軸是兩端簡支的長軸，齒輪位置遠離支軸承；潤滑油很難保持無污染；焊接泵殼的剛性也較差。在這種工作條件下，泵內(nèi)齒輪的正常失效方式是磨損。國外三缸泵齒輪的磨損壽命約為 10 年。但實際上三缸泵面接觸疲勞破壞（點蝕）現(xiàn)象也很普遍，有一定數(shù)量的泵內(nèi)齒輪在運行 2 年左右即因點蝕發(fā)展，齒面大面積剝落而失效。在 API Spec7 中規(guī)定需對鉆井泵的齒面接觸強度進行計算，計算公式為：rzigfdk?N- 20 -（3.4）式中 -----齒面接觸強度允許的鉆井泵輸入功率；gN-----齒寬系數(shù)。fi-----功率系數(shù)。當(dāng)泵的額定功率 N≥1000hp 時， =1.4；當(dāng) N1000hp，r rf=1.6-（N/5000）;rf-----決定于齒面硬度和齒輪傳動比的系數(shù)。rk----決定于小齒輪轉(zhuǎn)速和節(jié)圓直徑的系數(shù)。 zd其中 由下式計算： 1260nduzCDP?（3.5）式中 -----小齒輪節(jié)圓直徑；pD-----小齒輪轉(zhuǎn)速（r/min） ；1n（3.6）????????12n78/p0DCπ在 API Spec7 中沒有給出鉆井泵齒輪的齒根彎曲強度計算公式。在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)其它標(biāo)準(zhǔn)校核齒根強度。實踐證明，對額定功率為 1180kw 和 96OkW 的三缸泵齒輪，取法向模數(shù) =10mm，對 740kw 和 59Okw 的三缸泵齒輪，取法向模數(shù) =8mm 可有足夠nm nm的齒根強度。多年來的實踐經(jīng)驗還指出，除潤滑條件外，齒面硬度和加工、裝配精度對齒輪壽命的影響最大。近年來，我國制造廠應(yīng)用實體滾切中硬齒面齒輪的新工藝將大、小齒輪的硬度范圍分別提高到 289～321HB 和 341～385HB。從初步使用的情況來看，對防止齒輪表面?？拥纳苫虬l(fā)展是有效的。鉆井泵齒輪精度等級為 8-7-7 或 8-8-7，即齒輪運動準(zhǔn)確性指標(biāo)為 8 級，運動平穩(wěn)性指標(biāo)為 7 級或 8 級，齒面載荷分布均勻性指標(biāo)為 7 級。- 21 -為改善泵內(nèi)齒輪的嚙合性能，還可采用變位齒輪設(shè)計。如果變位設(shè)計的目的是為改善齒輪的強度和磨損，則對斜齒輪不宜采用角度變位（即兩街輪變位系數(shù)之和不為零的變位設(shè)計） ，因為這會使嚙合接觸線縮短而降低承載能力。采用高度變位（兩齒輪變位系數(shù)之和為零）可以降低齒面嚙合的滑動系數(shù)的最大值，提高傳動效率；減緩齒面的磨損和點蝕；同時重迭系數(shù)降低很少，具有較滿意的綜合效果，適用于象鉆井泵齒輪這樣的傳動比較大的人字齒輪傳動。建議設(shè)計時用齒條型刀具加工的外齒輪的線圖選擇變位系數(shù)。當(dāng)傳動比小于等于 3 時，大、小齒的變位系數(shù)分別取-0.33 和 0.33，當(dāng)傳動比大于 3 時，分別取-0.4 和 0.4。鉆井泵齒輪精度等級不算高，但承受變動的和帶有沖擊的載荷。因此對齒形修形將對改善傳功的平穩(wěn)性和避免齒面拉傷等產(chǎn)生明顯的效果。一般只對齒頂部分修形，修形量 0.1-0.2mm，修形高度為法向模數(shù)之半，即 0.5 。見圖 3.8。nm圖 3.8 齒形修形量3.4.1 傳動齒輪的設(shè)計1.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)這里選用人字齒圓柱齒輪傳動。泥漿泵傳動速度不高，故選用 7 級精度。選擇小齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 240HBS，大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為 280HBS。選擇小齒輪齒數(shù) ,大齒輪齒數(shù) ， 。初步選定螺旋角 135Z?218Z?213.65Z??=30°。?2.按齒面接觸強度設(shè)計齒輪分度圓的直徑公式如下式所示：- 22 -（3.7）32d1tt1 ][.2????????HEZTK?????（1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值1）試選載荷系數(shù)： =1.6；t2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩mNT?????751 1086.27.43960.；3）齒寬系數(shù)： d?；4) 選取區(qū)域系數(shù)： =2.433；HZ5）查得 =0.78 ， =0.87，則 = + =1.65；1??2????126）材料的彈性影響系數(shù)： 8.9MPaE?；7）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 MPaH501lim??；大齒輪的接觸疲勞強度極限 PaH502lim??；8）計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)911 1053.)108362(17.436 ????hjLnN；892 05.053.??；9）接觸疲勞壽命系數(shù) 1HNK； 9.2HN；10）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，得：MPaSHNH 517094.][1lim11 ????；K398.][2li21；（2）計算齒輪分度圓的直徑1） 試用公式（2.7）算小齒輪分度圓直徑 td1；代入 ??H?中較小的值- 23 -mm=348.3mm；32t1 ]517[8.9x43.2.65.208xd ????????2） 計算圓周速度 Vsmndt 98.60.43.8106?????；3） 計算齒寬 bdt 3.48.1?；4） 計算齒寬與齒高之比 b/h模數(shù) =9.65；1ttzcosm??齒高 mht3875.25. ； ?b；5） 計算載荷系數(shù)根據(jù) ，7 級精度，查得動載系數(shù) ；人字齒輪，假設(shè) ＜.98mvs 1.02vK?AtKFb。查得 ；查得使用系數(shù) ；查得 7 級精度、小齒輪懸臂布0N1.2HFK??A置時， 3b=1.24??21.2060.d?????由 58?hb， 4.H，查得 ??FK；故載荷系數(shù)：52.14.2.1??VAK；6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑得：mdtt 76.3231?；7） 計算模數(shù)： z.10。3.按齒根彎曲強度設(shè)計彎曲強度設(shè)計公式為 ??)(213FSadYZKTm???（3.8）- 24 -（1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值1）查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 MPaFE3801??；大齒輪的彎曲疲勞強度極限 FE2；2）查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 95.1NK； 9.2FN；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，得：??MPaSFENF86.25711??；KFEF22；4）計算載荷系數(shù) K 4.18.20.1??????FVA5）查取齒形系數(shù)69.21FaY ； 356.2FaY6）查取應(yīng)力校正系數(shù) 57.1?Sa； 84.12?Sa7）計算大、小齒輪的 ??FY?并加以比較??01643.8.257691???FSaY?92.32FSa小齒輪的數(shù)值大。（2）齒根彎曲強度的設(shè)計計算由公式(3.8)得：mm01.935142.02864.23 ???對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 大于齒根彎曲疲勞強度計算的模- 25 -數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 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，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強度算得的模數(shù) 9.01 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m10?。按接觸強度算得的分度圓直徑 d349；算出小齒輪齒數(shù) 5.1?Z；大齒數(shù) 1282?Z?。這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到了結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。4.幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑mZd3501?； mZd12802?（2）計算中心距a81)(21?（3）計算齒輪寬度mdb3501??? 取 B3502? ； B。5．驗算NdTFt k2.19.3502861??； mKNbKtA .4.3509??，合適。6．齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計及繪制零件圖（1）通過前面的大量設(shè)計計算，我們可以算得大小齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 3.2 所示。表 3.2 大小齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)小齒輪 Z1 大齒輪 Z2模數(shù) 10壓力角 20- 26 -齒定高系數(shù) 1中心距 815±0.1頂隙系數(shù) 0.25齒數(shù) 35 128分度圓直徑 350 1280基圓直徑 328.88 1202.76齒頂圓直徑 370 1353.14齒根圓直徑 325 1188.57齒頂高 10 10齒根高 12.5 12.5齒全高 22.5 22.5齒厚 15.7 15.7（2）大齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計由于大齒輪需要安裝在軸上，通過與小齒輪的嚙合，使步進電機產(chǎn)生的動力傳遞到傳動軸上。而大齒輪與輪軸的軸向定位則需采用鍵連接。鍵的選擇在下面的軸的設(shè)計中有說明。3.4.2 被動軸軸的設(shè)計1．求輸出軸上功率 2P、轉(zhuǎn)速 2n和轉(zhuǎn)矩 2T若取每級齒輪傳動的效率 97.0??，則W5.8.956221???min7.19.37412 rn??NPT????7262 0.05.92．求作用在齒輪上的力已知大齒輪直徑 md182?得∶- 27 -NmgFt 1638.9501.31 ????rdTt1252 NFtr 2.408an2????圓周力 1,t、徑向力 1,rF的方向如圖 3.9 所示∶圖 3.9 傳動軸的受力圖3．初步確定軸的最小直徑選取軸的材料為 40Cr 鋼，調(diào)質(zhì)處理。查表取 ，按下式初步估算軸的最小1260?A直徑，于是得∶ m5.487.1908npd330min??A4.通過上面的計算，可以設(shè)計出傳動軸的結(jié)構(gòu)如圖 2.10 所示。