1第 1 章 緒 論1.1 選題的意義本項(xiàng)目的研究，對于我國地質(zhì)鉆探技術(shù)有重要的意義。柱塞泵的作用就是向所鉆的孔中輸送具有一定壓力和流量的沖洗液以達(dá)到攜帶孔內(nèi)巖屑返回地表，冷卻鉆頭，減少鉆具與孔壁的摩擦等，用來為探測地下資源做貢獻(xiàn)，地下資源豐富，特別是礦產(chǎn)資源，開采這些豐富的地下資源，離不了的便是鉆探設(shè)備，更是離不開柱塞泵。由此可見，柱塞泵便是起著舉足輕重的作用。1.2 柱塞泵概述1.2.1 柱塞泵的功用柱塞泵是鉆機(jī)及勘探工程中的重要配套設(shè)備，研制耐用、高效率的現(xiàn)代柱塞泵，使提高我國地質(zhì)技術(shù)水平的重要內(nèi)容之一。地質(zhì)鉆探用水泵在正常鉆進(jìn)時用作向孔內(nèi)輸送具有一定壓力和流量的沖洗液以達(dá)到攜帶孔內(nèi)巖屑返回地表，冷卻鉆頭，減少鉆具與孔壁的摩擦；穩(wěn)定孔壁，預(yù)防孔內(nèi)事故等，同時還可以通過壓力表及流量計了解孔內(nèi)鉆進(jìn)情況。在反循環(huán)鉆進(jìn)中，通過柱塞泵以輸送沖洗液達(dá)到取心和提高巖心采取率。在使用水壓切管器等工具處理事故時，則通過柱塞泵輸送適量的沖洗液，控制刀頭的伸縮程度。在止水和護(hù)孔作業(yè)中，通過水泵向孔內(nèi)灌注在止水和護(hù)孔材料。本設(shè)計產(chǎn)品主要用于與鉆探深度為200 米的各種角度的放水孔、地質(zhì)構(gòu)造孔、滅火孔、抽放瓦斯孔及鐵路、公路、橋梁、隧道、國防建設(shè)、工業(yè)民用建設(shè)、農(nóng)田打井及地質(zhì)勘探、工程爆破以及其它用途的各種工程用孔的鉆機(jī)配套使用的柱塞泵。TBW—150/3.0 型柱塞泵用于取巖芯或煤層鉆進(jìn)中供給沖洗液用。沖洗液可為泥漿、清水或井下煤水，其含砂量不大于 4%，雜質(zhì)顆粒不大于 2mm 的煤泥水。該泵主要與 TXU—75 型鉆機(jī)配套使用，也可與 KY—100 型鉆機(jī)配套使用，或與其它輸水系統(tǒng)配套使用。1.2.2 對柱塞泵的要求21.鉆進(jìn)時，由于孔深和孔徑等條件的變化，要求能單獨(dú)改變泵的排量或工作壓力，且必須保證在工作壓力改變時泵量不變。2.由于鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)規(guī)程不同，要求能在較大范圍內(nèi)方便地調(diào)節(jié)泵的排量。3.由于鉆進(jìn)工作的特點(diǎn)，要求柱塞泵有較大的工作壓力和相對較小的排量。4.由于鉆進(jìn)工作時輸送的沖洗液不僅是清水，而常常是泥漿和特殊液體，其中含有較多的泥砂、巖屑，因此要求柱塞泵的工作零件有較高的耐磨性和一定的耐腐蝕性。5.為了方便地了解孔內(nèi)情況和安全生產(chǎn)，要求柱塞泵配有耐用的壓力表、流量計和安全裝置。6.結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、重量輕、維修方便。1.2.3 柱塞泵的組成往復(fù)式泵主要由如下各部分組成：1.活塞活塞有盤狀活塞（簡稱為活塞）和柱狀活塞（簡稱為柱塞） 。它是往復(fù)式泵的主要運(yùn)動件，因而是最容易磨損的零部件之一。（1）盤狀活塞一般用具有強(qiáng)性的軟質(zhì)材料如橡膠作成，按結(jié)構(gòu)形式來看盤狀活塞有兩種形式：雙作用泵的活塞和單作用的活塞。（2）柱狀活塞（柱塞）柱塞在工作過程中不直接與泵體接觸，故磨損較小。材料一般為陶瓷和碳素鋼，且大多數(shù)在高壓下采用。在高壓下，根據(jù)柱塞材料和直徑大小，為減輕負(fù)荷，柱塞可制成空心的，同時為了減小運(yùn)動阻力，端頭為球狀、拋物線狀和錐狀的。2.水缸水缸的形狀很多，但根據(jù)閥室的布置情況地質(zhì)鉆探用往復(fù)式泵的水缸主要有直流式水缸和兩側(cè)式水缸。（1）直流式水缸3如圖 1-1 所示，直流式水缸的吸入腔布置在水缸的下方，而排出腔布置在水缸的上方。在這種水缸內(nèi)，液體是直線方向均勻流動，減少了水擊現(xiàn)象的發(fā)生。但是為了拆卸吸入腔，需要有較大的空間，裝置就不夠緊湊，而且吸入閥稍有漏損，啟動時就需灌注液體。 工 作 室吸 入 腔排 出 腔圖 1- 直 流 式 水 缸（2）兩側(cè)式水缸兩側(cè)式水缸的吸入腔布置在水缸兩側(cè)下方，而排出腔布置在水缸兩側(cè)上方。這種水缸拆裝比較方便，同時由于腔布置在兩側(cè)可以減少余隙空間。液體在水缸內(nèi)流動阻力較多是其缺點(diǎn)。一般雙作用泵大多使用這種水缸。3.閥閥是往復(fù)式泵的重要零件。閥的工作好壞，直接關(guān)系到泵的使用壽命及工作性能和效率；良好的閥及閥座是對提高泵的往復(fù)次數(shù)、加大泵量和排出壓力方面起著決定作用。因?yàn)樵诟咚贂r，閥與閥座沖擊加強(qiáng)，迅速損壞，成為泵的易損零件，需經(jīng)常修理更換。目前往復(fù)式泵基本上處于低速、中速階段、主要就是受閥的限制。閥可以分為盤狀閥和球閥兩種，前者是彈簧式，后者是重力式。（1）盤狀閥4目前地質(zhì)鉆探用往復(fù)式泵的盤狀閥都有錐面閥，即它的密封面為錐面。錐面閥可以減少水力損失，同時可將錐面作成兩段不同的錐角，且材料不同。閥的結(jié)構(gòu)主要有閥托 1、閥片 2、閥片壓蓋 3、彈簧 4 等組成，如圖 1-2 所示。圖 1-2盤 狀 閥 （ 錐 面 閥 ）閥 托 ， 閥 片 ， 3閥 片 壓 蓋 ， 4-彈 簧閥托主要起承受液體壓力的作用和承受頻繁的沖擊作用，因此對閥托的材質(zhì)要求較高，即它必須有一定的強(qiáng)度、剛度和硬度。閥片主要起密封作用，其材料為耐磨橡膠。在工作時閥片先與閥座接觸，減輕閥托對閥座的沖擊，因此閥的磨損總是先從閥片開始。通常將閥片與閥托做成可拆卸的。（2）球閥球閥是靠球的重量自行關(guān)閉的。球閥大多均用剛球和鋼閥座，鋼球和閥座一般用中碳合金鋼，硬度為 HRC45 55 左右，閥座硬度稍低于鋼球硬度（也有:用鐵芯包膠的球，要求包膠質(zhì)量好，否則膠皮將很快剝落，引起蹩泵事故） 。在工作過程中由于鋼球是轉(zhuǎn)動的，所以工作壽命可以相對延長，而閥座因承受沖擊，沖擊處始終是一固定的錐面，因此損壞現(xiàn)象總是閥座孔擴(kuò)大或下沉，導(dǎo)致不能繼續(xù)工作。 圖 1-3 球 閥 示 意 圖4.空氣室 空氣室的作用是使泵排出的液體速度保持相對地穩(wěn)定，減輕流量和排出壓力的波動，以避免水擊現(xiàn)象的發(fā)生，從而減少孔內(nèi)事故和提高管路使用壽命。如圖 1—4 所示，當(dāng)瞬時流量增加到最大值時，排水管中的阻力增大，為了5把液體排出，這時 P2 的壓力增加，當(dāng) P2 P1 時，使空氣室內(nèi)的氣體壓縮，氣體退讓的體積就儲存了一部分液體，從而減少了排水管中的流量。當(dāng)瞬時流量減少到一定程度時，管路中的阻力減小，則 P23.5 安全3.10 泵軸的強(qiáng)度計算材料:40C r機(jī)械性能：調(diào)質(zhì)后 σ b=7500N/cm2、σ s=5200N/cm2、E=210、E=37000N/cm 23.10.1 估算軸徑 dd≥A 0 3Pn=110× 8.652=34.5mm式中:A 0—與材料有關(guān)的系數(shù),取 A0=110考慮開鍵槽，取軸徑 d=42mm193.10.2 軸的受力分析1.由于缸內(nèi)水壓所引起的力如圖 3-10-1 所示,由假設(shè)條件:①只計算缸內(nèi)的水壓作用力,其它構(gòu)件的慣性力忽略不計,因軸的轉(zhuǎn)速較低。②由于法向力所引起的產(chǎn)生法向應(yīng)力,切向力所引起的切向應(yīng)力及起扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的切應(yīng)力是同時存在。作用在偏心盤上的力如圖 3-10-1 所示圖 3-10切向力 T: T=Psin(+)cos??法向力 Z: Zs()s式中：α—偏心盤轉(zhuǎn)角β—連桿的偏角由于水壓所引起的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力是變化的，通過對泵軸的受力分析，20可知當(dāng)= ， =0，有兩缸都處于排液狀態(tài)，軸受力情況最惡劣，其力的分析E?max?Z?如圖 3-10-2 所示。由于三個缸的偏心盤平行布置在軸上。各偏心盤互成 120 度，故可知當(dāng)， 的角度分別為： = , = 時缸 D，F(xiàn) 的連桿擺角可由正弦定FDF?120?D4?理求得： Lsin6si????即 =0L= 3214?=0.1214β=6.97 o FD??高壓缸:=EZ24P?= 703?=11540N=0E?=DZ2cos()4DP????=150(6.97)cs??=-4548.26N21=D?2sin()4coDP????=150i(6.97)s??=-11699.43N低壓缸:=FZ2cos()4FDP????=150(6.97)cs??=-6991.86N=F?2in()4cosFDP????=150i(6.97)??=9288.6N將以上各力分別向水平及垂直上投影，見如圖 3-10-2（a）所示Ncos30cs6458.2619.43o019DDXZT??????sin30si6458.219.43in07DDYN?????0EX154Y?22Ncos30cs6691.8928.o0FFXZT?????sin30si6691.8928.in0457FFYN??????由于 ， 而產(chǎn)生的扭矩DTF 3458.260113NDMTm???????3928.607NF????軸所傳遞的扭矩 9508.62.1PTnNm???2.各支點(diǎn)反力X 平面見如圖 3-10-2（a）所示 0AM??即18029360DFBX??23190.58169.320=763.NBX?????0X??即AEDFB??()15409.1069.37.5).8XN???圖 3-102()圖 3-102（ ）圖 3-102 泵 軸 受 力 圖圖 ()24Y 平面如圖 3-10-2（a）所示 0AM??701829360EDFBYY??036547.457.9298.2BN?????0Y??即0AEDFBY??()15478.457.98.23)0.63YN????3.彎矩水平面如圖 3-10-2（b）所示 0XAM?714.82906ENm??????251804.76.XDAMNm?????290114.8763.59073XFAD????????垂直面如圖 3-10-2（b）所示 0XBM?7148.639YEANm????30(1487.631240)12XDAE??????92.YFADEMYNm????0YB?合成彎矩 A22(79)(86.13)1.3EXYEMNm????2622(1874.6)(1.4)3DXYDMNm????22(17.)(68.3)8FXYF????0BM最大彎矩 max281.7FNm??最大扭矩 ax136.45278.NDNF????4.按彎扭合成強(qiáng)度條件較核計算通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，軸上零件的位置，以及外載荷和支反力的作用位置均已經(jīng)確定，軸上的載荷（彎矩和扭矩）也已經(jīng)求得，因而可按彎扭合成強(qiáng)度條件對軸進(jìn)行強(qiáng)度較核計算。進(jìn)行較核時，通常只較核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面 F面）的強(qiáng)度。根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，按照第三強(qiáng)度理論，計算應(yīng)力 ??2222221()4()()4()ca MaTaTWW?? ?????????式中： —軸的計算應(yīng)力，單位為 MPa；caM—軸所受的彎矩，單位為 ；Nm?T—軸所受的扭矩，單位為 ；27W—軸的抗彎截面系數(shù)，單位為 mm3；—彎扭折合系數(shù)，當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取 0.6；a a?—由泵軸的材料決定，取 =70MPa；??1?? ??1??將上述所計算得來的數(shù)據(jù)代入，即有： 22223()8170(.6470).6705caMT MPaW???????故強(qiáng)度足夠。5.精確較核軸的疲勞強(qiáng)度經(jīng)判斷，該泵軸的危險截面就是 F 面。于是按照如下進(jìn)行較核：抗彎截面系數(shù) 3330.1.54176.dm???抗扭截面系數(shù) 2928TW危險截面 F 面處的彎矩 8MN?危險截面 F 面處的扭矩 43710?截面上的彎曲應(yīng)力238.556.b MPa??截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力4710.932.8TW??泵軸的材料為 40Cr，查機(jī)械設(shè)計手冊11750,50,20.BMPaaMPa?????截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù) 及 按機(jī)械設(shè)計附表 3—2 查??取。因 經(jīng)插值后可查得2.04,1.08,55rDdd??28=2.0, =1.31a? a?又由附圖 3—1 可得軸的材料的敏性系數(shù)為0.82,q??0.85q??故有效應(yīng)力集中系數(shù)按式(附 3—4)為1()10.82(.1).2536kaq?????????由附圖 3—2 得尺寸系數(shù) .67;???由附圖 3—3 得尺寸系數(shù) 0.82?軸按磨削加工, 由附圖 3—4 得表面質(zhì)量系數(shù)為 .9????軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理,即 1,則按式(3—12)及(3—12a) 得綜合系數(shù)值為q1.8212.80067.96.kK??????????又由機(jī)械設(shè)計手冊查得碳鋼的特性系數(shù)故取 ,0.12,0.5.1,????::0.1???.5?于是,計算安全系數(shù) 的值,按式(15—6) (15—8)則得caS122227520.1.8046.1.648069.01.5.1.amcaSKSS??????????????????:故可知其安全。3.11 軸承的選擇計算29①A 處軸承為：N210E 其主要性能參數(shù)：C=61200N C0=69200N =6000r/min limn②B 處軸承為：N210E 其主要性能參數(shù)：C=61200N C0=69200N =6000r/min li③E 處軸承為：6024 其主要性能參數(shù)：C=58800N C0=60400N =3000r/minlimn由前面軸的受力分析可以看出，軸承只受徑向力，而無軸向力。軸承所承受的徑向力分別為： 22104.807.63759rAAFXYN??2263.8.314rBB???50rEFYN3.11.1 軸承壽命計算1.當(dāng)量動載荷 PAprBPEr=f 1.2759.=1023.4F486 .N ???式中 —載荷系數(shù)，取 =1.2pfpf2.軸承壽命 hLA 處軸承:30=hAL610CnP????????=1063208.4???????=2096.62h式中: 為指數(shù),對于球軸承, =3;對于滾子軸承, =10/3.???B 處軸承:=hBL610CnP????????=106320849.???????=6483.05hE 處軸承:=hEL610CnP????????=1063580249.???????=4556.6h3.11.2 靜載荷計算1. =69200/1.2OA0C/S=57666.7N=69200/1.2B0/=57666.7N=60400/1.2OE0C/S31=50333.4N式中： —靜載荷安全系數(shù)，取 =1.2。0S0S2.驗(yàn)算當(dāng)量靜載荷 P0Ar0aAr=XF+Y.61759.N????故取 ；0ArP=F0Br0aBrP=XF+Y.61248.79N?????故取 ；0BrP=F