【正文】 三缸單作用往復(fù)泵機構(gòu)分析與設(shè)計 第一章緒論 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(qū)動井下渦輪鉆具也可以旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shè)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(zhì)合金鋼制造 。減小泵寬是應(yīng)用大直徑的滾動軸承作連桿大端支撐，摒棄懸臂曲拐軸設(shè)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(jié)構(gòu)上也有不少改進。盡管在 5060年代噴射鉆井工藝本身提出了 5210 10? Pa的泵壓要求，但 雙缸泵的實際持續(xù)工作泵壓只能達到 5150 10? 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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(nèi)壓力低于當?shù)卮髿鈮海諝饩涂赡軓幕钊澈笄秩胍焊锥茐恼Ｎ?。所以，?原則上三缸泵應(yīng)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(jīng)過三十多年的不斷改進和完善，在性能上、結(jié)構(gòu)上、可靠性、適應(yīng)性與經(jīng)濟性等方面，已經(jīng)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(shù)。從此開始了三缸泵的研制工作，它在短短的數(shù)年中取代了雙缸泵，成為提高噴射鉆井水平的關(guān)鍵設(shè)備。 第二章 泥漿泵的工作原理 工作原理 泥漿泵是地 質(zhì)鉆探設(shè)備的心臟，它是固井、壓裂、酸化等作業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)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(fù)泵，往復(fù)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(fù)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(fù)泵有上述不足，但是，這并不意味著往復(fù)泵有全部被其它類型泵所取代的趨勢。今后往復(fù)泵發(fā)展的趨勢是 :充分發(fā)揮往復(fù)泵配 套性強，適應(yīng)介質(zhì)廣泛的優(yōu)勢，充分發(fā)揮往復(fù)泵在流量較小而排出壓力很高時整機效率高及運轉(zhuǎn)性能好的優(yōu)勢，充分發(fā)揮往復(fù)泵的流量與排出壓力無關(guān)的優(yōu)勢 .當然，要使往復(fù)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。 該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 泵缸 3(即工作腔室 )、活塞 活塞桿 十字頭 連桿 曲柄軸 曲柄銷 排出閥排出管道 11 等主要零部件組成。 圖 21 往復(fù)式泵工作原理示意圖 1．濾水器 3. 泵缸 6 .十字頭 7. 連桿 8. 曲柄軸 9. 曲柄 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轉(zhuǎn)，曲柄軸 8 以角速度 ? 。隨主軸一起轉(zhuǎn)動，同時曲柄軸一端相連的連桿 7 隨著曲柄軸的轉(zhuǎn)動帶動連桿另 — 端的十字頭 6 作往復(fù)運動，十字頭通過與它相連的活塞桿 5 帶 動活塞 4 作往復(fù)運動，從而實現(xiàn)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(nèi)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(zhuǎn)過 ? rad)工作液停止吸入，吸入閥在自重和彈簧力作用下被關(guān)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(nèi)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?fù)過程中，此單作用泵吸入和排出液體一次，活塞不斷循環(huán)往復(fù)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(fù)泵，它之所以能夠?qū)崿F(xiàn)吸、排液體，是由于活塞在泵頭體內(nèi)作往復(fù)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(chǎn)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。 泥漿泵的基 本結(jié)構(gòu) 往復(fù)泵由動力端和液力端兩大部分組成。動力端的功能，是將動力機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊?(或柱塞 )的直線往復(fù)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(jié)構(gòu)型式，決定著泵的驅(qū)動方案及結(jié)構(gòu)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。液力端由泵頭體、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(fù)運動形成液缸容腔變化，完成能量轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)吸入和排出液體。 此泵曲軸箱由兩極齒輪變速機構(gòu)和曲柄連 桿機構(gòu)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(yīng)齒輪相嚙合，曲軸可得到快慢兩級轉(zhuǎn)速。加上變速箱的四級變速。曲軸上總共可獲得 8 級轉(zhuǎn)速，實現(xiàn) 8 級變速。液力端屬于直通式結(jié)構(gòu)，便于制造，裝配精度高 。 往復(fù)式泥漿泵的變化規(guī)律 曲柄連桿機構(gòu)及活塞的運動規(guī)律 往復(fù)式泵通常都是通過曲柄連桿機構(gòu)將原動機的等速回轉(zhuǎn)運動變?yōu)榛钊耐鶑?fù)直線運動，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(gòu)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(nèi)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(gòu)與活塞的運動情況如圖 2— 2 所示：