泥漿泵---畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、<p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　泵的發(fā)展歷史</b></p><p>　　泵是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加。泵主要用來輸送液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。</p>&l

2、t;p>　　水的提升對于人類生活和生產(chǎn)都十分重要。古代就已有各種提水器具，例如埃及的鏈泵(公元前17世紀(jì))，中國的桔槔(公元前17世紀(jì))、轆轤(公元前11世紀(jì))和水車(公元1世紀(jì))。比較著名的還有公元前三世紀(jì)，阿基米德發(fā)明的螺旋桿，可以平穩(wěn)連續(xù)地將水提至幾米高處，其原理仍為現(xiàn)代螺桿泵所利用。</p><p>　　公元前200年左右，古希臘工匠克特西比烏斯發(fā)明的滅火泵是一種最原始的活塞泵，已具備典型活塞泵的主

3、要元件，但活塞泵只是在出現(xiàn)了蒸汽機(jī)之后才得到迅速發(fā)展。</p><p>　　1840～1850年，美國沃辛頓發(fā)明泵缸和蒸汽缸對置的，蒸汽直接作用的活塞泵，標(biāo)志著現(xiàn)代活塞泵的形成。19世紀(jì)是活塞泵發(fā)展的高潮時(shí)期，當(dāng)時(shí)已用于水壓機(jī)等多種機(jī)械中。然而隨著需水量的劇增，從20世紀(jì)20年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞泵逐漸被高速的離心泵和回轉(zhuǎn)泵所代替。但是在高壓小流量領(lǐng)域往復(fù)泵仍占有主要地位，尤其是隔膜泵、柱塞泵獨(dú)具

4、優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用日益增多。</p><p>　　回轉(zhuǎn)泵的出現(xiàn)與工業(yè)上對液體輸送的要求日益多樣化有關(guān)。早在1588年就有了關(guān)于四葉片滑片泵的記載，以后陸續(xù)出現(xiàn)了其他各種回轉(zhuǎn)泵，但直到19世紀(jì)回轉(zhuǎn)泵仍存在泄漏大、磨損大和效率低等缺點(diǎn)。20世紀(jì)初，人們解決了轉(zhuǎn)子潤滑和密封等問題，并采用高速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，適合較高壓力、中小流量和各種粘性液體的回轉(zhuǎn)泵才得到迅速發(fā)展?；剞D(zhuǎn)泵的類型和適宜輸送的液體種類之多為其他各類泵所不及。</

5、p><p>　　利用離心力輸水的想法最早出現(xiàn)在列奧納多·達(dá)芬奇所作的草圖中。1689年，法國物理學(xué)家帕潘發(fā)明了四葉片葉輪的蝸殼離心泵。但更接近于現(xiàn)代離心泵的，則是1818年在美國出現(xiàn)的具有徑向直葉片、半開式雙吸葉輪和蝸殼的所謂馬薩諸塞泵。1851～1875年，帶有導(dǎo)葉的多級離心泵相繼被發(fā)明，使得發(fā)展高揚(yáng)程離心泵成為可能。</p><p>　　盡管早在1754年，瑞士數(shù)學(xué)家歐拉就提出了

6、葉輪式水力機(jī)械的基本方程式，奠定了離心泵設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，但直到19世紀(jì)末，高速電動(dòng)機(jī)的發(fā)明使離心泵獲得理想動(dòng)力源之后，它的優(yōu)越性才得以充分發(fā)揮。在英國的雷諾和德國的普夫萊德雷爾等許多學(xué)者的理論研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，離心泵的效率大大提高，它的性能范圍和使用領(lǐng)域也日益擴(kuò)大，已成為現(xiàn)代應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的泵。</p><p>　　泵通常按工作原理分容積式泵、動(dòng)力式泵和其他類型泵，如射流泵、水錘泵、電磁泵、氣體升液泵。泵除

7、按工作原理分類外，還可按其他方法分類和命名。例如，按驅(qū)動(dòng)方法可分為電動(dòng)泵和水輪泵等；按結(jié)構(gòu)可分為單級泵和多級泵；按用途可分為鍋爐給水泵和計(jì)量泵等；按輸送液體的性質(zhì)可分為水泵、油泵和泥漿泵等。</p><p>　　容積式泵是依靠工作元件在泵缸內(nèi)作往復(fù)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使工作容積交替地增大和縮小，以實(shí)現(xiàn)液體的吸入和排出。工作元件作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的容積式泵稱為往復(fù)泵，作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的稱為回轉(zhuǎn)泵。前者的吸入和排出過程在同一泵缸內(nèi)交替進(jìn)行

8、，并由吸入閥和排出閥加以控制；后者則是通過齒輪、螺桿、葉形轉(zhuǎn)子或滑片等工作元件的旋轉(zhuǎn)作用，迫使液體從吸入側(cè)轉(zhuǎn)移到排出側(cè)。</p><p>　　容積式泵在一定轉(zhuǎn)速或往復(fù)次數(shù)下的流量是一定的，幾乎不隨壓力而改變；往復(fù)泵的流量和壓力有較大脈動(dòng)，需要采取相應(yīng)的消減脈動(dòng)措施；回轉(zhuǎn)泵一般無脈動(dòng)或只有小的脈動(dòng)；具有自吸能力，泵啟動(dòng)后即能抽除管路中的空氣吸入液體；啟動(dòng)泵時(shí)必須將排出管路閥門完全打開；往復(fù)泵適用于高壓力和小流量；回

9、轉(zhuǎn)泵適用于中小流量和較高壓力；往復(fù)泵適宜輸送清潔的液體或氣液混合物?？偟膩碚f，容積泵的效率高于動(dòng)力式泵。</p><p>　　動(dòng)力式泵靠快速旋轉(zhuǎn)的葉輪對液體的作用力，將機(jī)械能傳遞給液體，使其動(dòng)能和壓力能增加，然后再通過泵缸，將大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能而實(shí)現(xiàn)輸送。動(dòng)力式泵又稱葉輪式泵或葉片式泵。離心泵是最常見的動(dòng)力式泵。</p><p>　　動(dòng)力式泵在一定轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的揚(yáng)程有一限定值，揚(yáng)程隨流量

10、而改變；工作穩(wěn)定，輸送連續(xù)，流量和壓力無脈動(dòng)；一般無自吸能力，需要將泵先灌滿液體或?qū)⒐苈烦槌烧婵蘸蟛拍荛_始工作 ；適用性能范圍廣；適宜輸送粘度很小的清潔液體，特殊設(shè)計(jì)的泵可輸送泥漿、污水等或水輸固體物。動(dòng)力式泵主要用于給水、排水、灌溉、流程液體輸送、電站蓄能、液壓傳動(dòng)和船舶噴射推進(jìn)等。</p><p>　　其他類型的泵是指以另外的方式傳遞能量的一類泵。例如射流泵是依靠高速噴射出的工作流體 ，將需要輸送的流體吸入泵

11、內(nèi)，并通過兩種流體混合進(jìn)行動(dòng)量交換來傳遞能量；水錘泵是利用流動(dòng)中的水被突然制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，使其中的一部分水壓升到一定高度；電磁泵是使通電的液態(tài)金屬在電磁力作用下 ，產(chǎn)生流動(dòng)而實(shí)現(xiàn)輸送；氣體升液泵通過導(dǎo)管將壓縮空氣或其他壓縮氣體送至液體的最底層處，使之形成較液體輕的氣液混合流體，再借管外液體的壓力將混合流體壓升上來。</p><p>　　泵的性能參數(shù)主要有流量和揚(yáng)程，此外還有軸功率、轉(zhuǎn)速和必需汽蝕裕量。流量是指單

12、位時(shí)間內(nèi)通過泵出口輸出的液體量，一般采用體積流量；揚(yáng)程是單位重量輸送液體從泵入口至出口的能量增量 ，對于容積式泵，能量增量主要體現(xiàn)在壓力能增加上，所以通常以壓力增量代替揚(yáng)程來表示。泵的效率不是一個(gè)獨(dú)立性能參數(shù)，它可以由別的性能參數(shù)例如流量、揚(yáng)程和軸功率按公式計(jì)算求得。反之，已知流量、揚(yáng)程和效率，也可求出軸功率。</p><p>　　泵的各個(gè)性能參數(shù)之間存在著一定的相互依賴變化關(guān)系，可以通過對泵進(jìn)行試驗(yàn)，分別測得和

13、算出參數(shù)值，并畫成曲線來表示，這些曲線稱為泵的特性曲線。每一臺泵都有特定的特性曲線，由泵制造廠提供。通常在工廠給出的特性曲線上還標(biāo)明推薦使用的性能區(qū)段，稱為該泵的工作范圍。</p><p>　　泵的實(shí)際工作點(diǎn)由泵的曲線與泵的裝置特性曲線的交點(diǎn)來確定。選擇和使用泵，應(yīng)使泵的工作點(diǎn)落在工作范圍內(nèi)，以保證運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性和安全。此外，同一臺泵輸送粘度不同的液體時(shí)，其特性曲線也會改變。通常，泵制造廠所給的特性曲線大多是指輸送清

14、潔冷水時(shí)的特性曲線。對于動(dòng)力式泵，隨著液體粘度增大，揚(yáng)程和效率降低，軸功率增大，所以工業(yè)上有時(shí)將粘度大的液體加熱使粘性變小，以提高輸送效率。</p><p><b>　　課題研究背景</b></p><p>　　中國泥漿泵市場發(fā)展迅速，產(chǎn)品產(chǎn)出持續(xù)擴(kuò)張，國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì)泥漿泵產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)品方向發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)新增投資項(xiàng)目投資逐漸增多。投資者對泥漿泵行業(yè)的關(guān)注越來越密切

15、，這使得泥漿泵行業(yè)的發(fā)展需求增大。</p><p>　　泥漿泵有著深遠(yuǎn)的社會價(jià)值。當(dāng)今,世界各國加大了石油資源開采的力度。同時(shí)我國對中西部地區(qū)大開發(fā),對母親河黃河、長江及各水系如瀾蒼江、金沙江、鴉龍江等的開發(fā)應(yīng)用，綜合治理。鐵路、橋梁、隧道、大小水電站層出不窮，對泥漿泵的需求正在逐漸增多。</p><p>　　第一章 泵的總體概述</p><p>　　1.1柱塞泥

16、漿泵的工作原理</p><p><b>　　圖1.1</b></p><p>　　由圖1.1解釋。由電機(jī)通過帶傳動(dòng)輸入動(dòng)力，通過行星減速器減速。經(jīng)偏心輪將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)雙作用柱塞泵作功。柱塞泵的進(jìn)漿室、排漿室各有兩個(gè)鋼球組成的單向控制閥（如下圖所示）。當(dāng)活塞桿向左驅(qū)動(dòng)時(shí)，缸體右腔進(jìn)漿（單向閥F2打開，單向閥F4關(guān)閉），缸體左腔排漿（單向閥F3打開，單

17、向閥F1關(guān)閉）。當(dāng)活塞桿向右驅(qū)動(dòng)時(shí)，缸體左腔進(jìn)漿（單向閥F1打開，單向閥F3關(guān)閉），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1.1）除此之外,在主通路上安裝空氣力表用來調(diào)整泵在抽吸過程中產(chǎn)生的波動(dòng)大小。</p><p>　　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(jī)械。泥漿泵是鉆</p><p>　　探機(jī)械設(shè)備的重要組成部分。泥漿泵的主要作用是在鉆進(jìn)過程

18、中將泥漿隨鉆頭鉆進(jìn)注入井下，起著冷卻鉆頭，清洗鉆具、固著井壁、驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)，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(dá)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(dòng)力機(jī)帶動(dòng)泵的曲軸回轉(zhuǎn)﹐曲軸通過十字頭再帶動(dòng)活塞或柱塞在泥漿泵泵缸中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在吸入和排出閥的交替作用下﹐實(shí)現(xiàn)

19、壓送與循環(huán)沖洗液的目的。</p><p><b>　　圖1.2</b></p><p>　　偏心輪連桿傳動(dòng)：如圖3-1所示</p><p>　　PZNB 型噴水式柱塞泥漿泵結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1 —傳動(dòng)端;2 —柱塞組合;3 —水清洗系統(tǒng);4 —閥箱組件</p><p>　　其傳動(dòng)端結(jié)構(gòu)為

20、中心軸+偏心圓盤+連桿。機(jī)構(gòu)工作方式為：電機(jī)通過減速器減速后，通過心軸上的嚙合齒輪副帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，由于偏心圓盤是通過剛性連接于軸固結(jié)為一體，圓盤也將做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。再經(jīng)過連桿的運(yùn)動(dòng)傳遞，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樽⑷耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)。此類結(jié)構(gòu)中，要求軸端必須有軸承支撐，整個(gè)動(dòng)力端要有良好的潤滑、散熱和密封裝置。</p><p>　　1. 2 泥漿泵性主要性能參數(shù)</p><p>　　泥漿泵性能的兩個(gè)主要參數(shù)為排量

21、和壓力。排量以每分鐘排出若干升計(jì)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(shí)沖離孔底﹐并可靠地?cái)y帶到地表。地質(zhì)巖心鉆探時(shí)﹐一般上返速度在0.4～1米/分左右。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(shí)加以調(diào)節(jié)。在泵的機(jī)構(gòu)中設(shè)

22、有變速箱或以液壓馬達(dá)調(diào)節(jié)其速度﹐以達(dá)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(jì)和壓力表﹐隨時(shí)使鉆探人員瞭解泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況﹐同時(shí)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。</p><p>　　目前，全球真空泵的市場的年銷售額約20億美元，年增長率在7%左右。我國生產(chǎn)的真空泵的廠家很多，全部真空泵的年銷售額大約在1.5億左右，僅相當(dāng)于美國Kinney公司一家真空泵的年銷售額。通過

23、對全球真空泵市場的分析我們可以看處，各類真空泵的市場及應(yīng)用領(lǐng)域都在不斷的變化和發(fā)展。我國真空泵制造業(yè)有著悠久的歷史和雄厚的基礎(chǔ)，國產(chǎn)真空泵已經(jīng)在各個(gè)不同領(lǐng)域得到應(yīng)用并經(jīng)過驗(yàn)證，有些還出口到國外，得到國外用戶的認(rèn)可并受到好評，應(yīng)該說我國真空泵制造業(yè)在國內(nèi)外市場仍然有著巨大的發(fā)展空間。</p><p>　　第二章 電動(dòng)機(jī)的選擇</p><p>　　泵的原動(dòng)機(jī)類型應(yīng)根據(jù)動(dòng)力來源、工廠或裝置能量

24、平衡、環(huán)境條件、調(diào)節(jié)控制要求以及經(jīng)濟(jì)效益而定。</p><p>　　現(xiàn)今電動(dòng)機(jī)主要有鼠籠式和線繞式兩種，三向交流鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)是石化裝置用泵的主要原動(dòng)機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、價(jià)格較低、體積緊湊、啟動(dòng)及運(yùn)行均較方便可靠的優(yōu)點(diǎn)。但是它不能經(jīng)濟(jì)、方便地實(shí)現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速、運(yùn)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。</p><p&

25、gt;　　相比之下，三相交流繞線型電機(jī)和三相交流同步電機(jī)，則可用于對啟動(dòng)、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(dòng)泵的不多。</p><p>　　直流電機(jī)雖有調(diào)速性好、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，但需直流電源，造價(jià)高，維修較復(fù)雜，一般也不常用于生產(chǎn)裝置中。</p><p>　　當(dāng)需要改變工廠的蒸汽平衡，對裝置中大型泵或需調(diào)速等特殊要求的泵，可采用氣輪機(jī)作泵的原動(dòng)

26、機(jī)。</p><p>　　隨著石化裝置技術(shù)水平及經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)，以回收壓力液流的可用能量；采用調(diào)速或多速電機(jī)，或采用電磁的、液力的、機(jī)械的耦合器以達(dá)到泵調(diào)速的目的等技術(shù)，近年來已應(yīng)用于石化裝置。</p><p>　　此外，在特定的情況下，也有用蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃汽機(jī)等作為泵的原動(dòng)機(jī)的。</p><p>　　然而，由于泥

27、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。</p><p>　　根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)使用手冊》需要選擇專用電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　電機(jī)的選擇還要根據(jù)某些參數(shù)才能確定最終的電機(jī)型號計(jì)算過程如下：</p><p>　　由已知參數(shù)可知P=4Mpa.</p><p>　　而根據(jù)公式F=AP可得，</p><p>　

28、　F=4××3.14×0.0952=113354N</p><p>　　其中 F——主軸所受的軸向力</p><p>　　A——運(yùn)動(dòng)活塞的截面積</p><p>　　P——作用在軸上的最大壓力</p><p>　　由以上便可得主軸的轉(zhuǎn)矩T：</p><p>　　T=Fr=113354

29、15;80×=9068N.m</p><p>　　根據(jù)公式， P=，可得</p><p>　　P= =16270/r</p><p>　　其中 p——為排量；</p><p>　　M —— 為轉(zhuǎn)矩 ； </p><p><b>　　P——為最大壓力；</b></p>&l

30、t;p>　　又由Q=，可得軸的轉(zhuǎn)速r=，</p><p>　　r= =117r/min；</p><p>　　其中Q——為流量（L/min）；</p><p>　　P——為排量（/r）；</p><p>　　最終根據(jù)以上所求的參數(shù)，可根據(jù)公式T=9550 求得軸的輸出功率</p><p>　　P= = =111K

31、w；</p><p>　　取每級齒輪的傳動(dòng)效率為0.97，帶的傳動(dòng)效率為0.92。可算得電機(jī)的輸出功率為P= =128Kw。</p><p>　　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(dòng)機(jī)，具有效率高、性能好、噪音低、振動(dòng)小、體積小、重量輕、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。而Y系列電動(dòng)機(jī)主要擁有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、啟動(dòng)電流小等優(yōu)點(diǎn)。 </p><p>　　根據(jù)以

32、上的敘述和有關(guān)計(jì)算，決定選擇Y315M1-4型三向異步電動(dòng)機(jī)，其功率為132Kw，轉(zhuǎn)速為1490r/min，重量為1100Kg.</p><p>　　此系列的電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)：</p><p>　　1 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、啟動(dòng)電流小，效率較高，損耗少，運(yùn)行可靠，運(yùn)行溫度低；</p><p>　　2 由于其結(jié)構(gòu)型式為封閉式，因此可以在塵土飛揚(yáng)、水土飛濺的環(huán)境中使用，在比較潮濕

33、及有輕微腐蝕性氣體的環(huán)境中也能有較長的使用壽命。</p><p>　　第三章 泥漿泵的一些零件的設(shè)計(jì)</p><p>　　泥漿泵的發(fā)展方向是提高時(shí)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(yùn)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，.泥漿泵的發(fā)展趨勢是:①降低額定沖數(shù)，由150沖/min降到110一120沖/min,②長沖程，

34、最大沖程已達(dá)300mm以上。</p><p>　　降沖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，改善泵的吸人性能，同時(shí)提高泵動(dòng)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。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(jì)的發(fā)展方向。</p><p>　　鉆井行業(yè)的發(fā)展方向

35、是提高時(shí)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(yùn)用高速高壓噴射鉆井工藝即是這一趨向的必然選擇。</p><p>　　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(shí)踐表明鉆井泵80%的故障是由于缸套活塞組的磨損引起的。</p><p>　　3. 1 泵主要參數(shù)的合理選擇</p><p&g

36、t;　　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。</p><p>　　(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，沖次高使得泵體積小，質(zhì)量輕，進(jìn)而制造費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)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(jì)性。</p>

37、<p>　　降低沖次可以提高泵吸人性能，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(yùn)動(dòng)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(shí)，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

38、”現(xiàn)象，質(zhì)性力減弱，將會提高泵動(dòng)力端齒輪、軸承等零部件的使用壽命。</p><p><b>　　3.1.1 沖次</b></p><p>　　泵缸橫截面積：S==x=0.030685</p><p>　　往復(fù)頻率f： f===41.64 </p><p>　　沖次 w： w=1/f=1.428S/次</

39、p><p>　　上式中， L：流量； </p><p><b>　　V：泵缸容積；</b></p><p>　　0.5：泵缸沖程，單位m。</p><p>　　推桿推力F： F=PS=4Mpa x 0.030685=122.74KN</p><p>　　(2)泵的沖程長度 泵的沖程長度是

40、鉆井泵的另一重要指標(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(jìn)一步改善其吸人性能。</p><p>　　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題下使泵的慣性水頭系數(shù)小于0 . 34 m/s2時(shí)，能夠確保鉆井泵自吸性能良好。</p><p>　　(3)正確設(shè)計(jì)吸人管線也是鉆井泵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵為保證液流與活塞同步

41、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”。隨著所用吸人管線的形式不同，這種損失可能加大或減小。要控制慣性損失，提高泵吸人性能，應(yīng)注意以下幾方面問題：</p><p>　　1)吸人管線應(yīng)有足夠的液體。</p><p>　　2)選用直通式泵頭。</p><p>　　3)吸人系統(tǒng)應(yīng)絕對密封。</p><p>　　3. 2

42、 鉆井泵閥運(yùn)動(dòng)對排量的影響</p><p>　　泵工作時(shí)排量不斷變化，壓力也隨之變化。排量和壓力的波動(dòng)會降低泵的機(jī)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(jìn)液的漏失。為了減小泵的排量和壓力的波動(dòng)，常用的方法是在泵的排出口安裝空氣包，或在吸人口安裝空氣包。</p><p>　　泵工作時(shí)，閥盤作間歇運(yùn)動(dòng)。當(dāng)閥盤上升時(shí)，它與閥座間有一空間，從液缸內(nèi)排出的液體有一

43、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(shí)，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(yùn)動(dòng)效果就相當(dāng)于一臺“開式”往復(fù)泵，閥盤相當(dāng)于一個(gè)活塞。</p><p>　　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(yùn)動(dòng)存在滯后現(xiàn)象，在排出過程終止時(shí)，閥盤并未落回閥座。吸人過程開始

44、時(shí)，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。</p><p>　　同樣，由于泵在高壓狀態(tài)下使用的是小缸套，在Q1= Fcursincot中，F(xiàn)值較小，泵的排量變化值較大。所以在設(shè)計(jì)泵時(shí)，通常采用泵的小缸徑參數(shù)。為了減小泵閥運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度，盡可能地使用直徑較大的缸套，使Flf閥的值

45、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(shí)排量相對穩(wěn)定，從而保證鉆井質(zhì)量。</p><p>　　3. 3 缸筒材料選擇： </p><p>　　要有足夠的強(qiáng)度，能長期承受最高工作壓力；</p><p>　　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；</p><p>

46、　　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；</p><p>　　綜合以上各條和經(jīng)濟(jì)性考慮，缸筒材料選為15Mn。</p><p>　　由以上數(shù)據(jù)可計(jì)算液壓缸筒壁厚為：（設(shè)）由19-212有：</p><p><b>　　圓整為30mm。</b></p><p>　　其中 ：缸筒壁厚，</

47、p><p><b>　?。焊變?nèi)最大壓力，</b></p><p>　?。?； ：缸筒材料許用應(yīng)力； n安全系數(shù)，取為5。</p><p>　　至此，缸筒尺寸確定：直徑100mm，壁厚30mm，長L為500mm，（考慮到活塞厚度及緩沖缸的存在，長度定為600mm）</p><p>　　3.4吸漿管與排漿管的選擇與直徑計(jì)算&l

48、t;/p><p>　　3.4.1吸漿管直徑計(jì)算</p><p>　　dx=（4Q‘/πvX）1/2=[4×2323/（3.14×13×60）]1/2=0.19</p><p><b>　　取φ20mm</b></p><p>　　式中：vX—液流在吸入管中的流速 取vX=1.3 m/S=13

49、 dm/S</p><p>　　Q‘—計(jì)算流量Q‘=Q/ηV=1917/0.825=2323L/min</p><p>　　3.4.2 排漿管直徑計(jì)算 </p><p>　　dp=（4Q‘/πvp）1/2=（4×2323/（3.14×20×60））1/2=0.272mm

50、</p><p><b>　　取φ30mm</b></p><p>　　式中：vp—液流在排水管中的流速 取vp=2m/S=20 dm/S</p><p>　　3.4.3 漿管的選擇</p><p>　　根據(jù)工作壓力和按上式求得的管子的內(nèi)徑，選擇膠管的尺寸規(guī)格。對于頻繁，經(jīng)常扭者要降低40%。膠管在使用及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意下列

51、事項(xiàng)：</p><p>　　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)小于關(guān)外半徑的兩倍。</p><p>　?。?） 膠管的長度應(yīng)考慮到膠管在通入壓力液后，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(shí)應(yīng)避免處于拉緊狀態(tài)。</p><p>　　（3） 膠管在安裝時(shí)應(yīng)保證不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，為了便于安裝，可沿管

52、長涂以色紋，以便檢查。</p><p>　?。?） 膠管的管接頭軸線，應(yīng)盡量放置在運(yùn)動(dòng)的平面內(nèi)，避免兩端互相運(yùn)動(dòng)時(shí)膠管收扭。</p><p>　?。?） 膠管應(yīng)避免與機(jī)械上尖角部分相接觸和摩擦，以免管子損壞。</p><p>　　3.5連桿十字頭連接處銷子強(qiáng)度的計(jì)算</p><p>　　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

53、據(jù)聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)按經(jīng)驗(yàn)確定，必要時(shí)再作強(qiáng)度較核。</p><p>　　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(gè)。銷在每一個(gè)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(jìn)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。&

54、lt;/p><p>　　設(shè)計(jì)安全銷時(shí)，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(qiáng)度τb進(jìn)行計(jì)算，一般可取τb =（0.6-0.7）σb。</p><p>　　根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，選擇45鋼d=16mm

55、的圓柱銷。</p><p><b>　　材料：45號鋼</b></p><p><b>　　機(jī)械性能：</b></p><p>　　σs=36000N/cm2 </p><p>　　σb=61000N/

56、cm2</p><p>　　[σ]= σs/1.5=24000N/ cm2</p><p>　　外加負(fù)荷P=πD2P/4=Π×162200/4=40192N</p><p>　　各支點(diǎn)反力FA，F(xiàn)B</p><p><b>　　∑Z=0</b></p><p>　　FA+ FB= P=

57、40192N</p><p><b>　　∑MA=0</b></p><p>　　18 P－36 FB=0</p><p><b>　　解得：</b></p><p><b>　　FB=20096N</b></p><p>　　FA =20096N<

58、;/p><p>　　各支點(diǎn)彎矩如圖4.1</p><p><b>　　MA=MB=0</b></p><p>　　MC=18FA=36172N.cm </p><p>　　（4） 按彎曲強(qiáng)度計(jì)算</p><p>　　從圖4.1的彎矩圖可知危險(xiǎn)短面為C處截面，截面C處的抗彎摸量W</p>

59、<p>　　W=0.1d3=0.1×1.93=2.476 cm 3</p><p>　　截面C處的彎曲應(yīng)力σW</p><p>　　σW=MC/W=36172/2.476=11609 N/ cm2 </p><p><b>　　安全系數(shù)n&

60、lt;/b></p><p>　　n=[σ]/ σW=24000/11609=2.06 安全</p><p>　?。?） 按剪切強(qiáng)度計(jì)算</p><p><b>　　由于此銷為雙剪切</b></p><p>　　故剪力Q=P/2=20096N</p><p>　　剪應(yīng)力τ=Q/F

61、=20096X4/1.92π=1791 N/ cm2</p><p>　　安全系數(shù)n=[τ]/ τ=8150/1791=4.55 安全</p><p>　　式中：[τ]—許用剪應(yīng)力[τ]=8150 N/ cm2 </p><p>　?。?） 按擠壓強(qiáng)度計(jì)算</p><p>　　擠壓應(yīng)力σJY=P/FJY=4019/1.6X2

62、.4=1046 N/ cm2 </p><p>　　安全系數(shù)n= [σJY] /σJY=5100/1046=4.88 安全</p><p>　　式中：[σJY]—擠壓剪應(yīng)力[σJY]=5100 N/ cm2 </p><p>　　綜上所敘連桿小頭銷子直徑為19mm滿足強(qiáng)度要求。</p><p>　　第四章 泥漿

63、泵零件的加工工藝</p><p>　　經(jīng)過計(jì)算和幾次方案論證，考慮到工作現(xiàn)場的特點(diǎn)，從實(shí)際實(shí)用的角度出發(fā)，確定方案如下：</p><p>　　考慮到多種場合的野外作業(yè)，動(dòng)力選擇電機(jī)；</p><p>　　考慮到密封件容易損壞，需經(jīng)常更換，選擇新型的密封材料聚四氟乙烯，可延長使用壽命；</p><p>　　2. 考慮到泵體容易損壞，選用高強(qiáng)度材

64、料，提高承載能力；</p><p>　　3. 柱塞選用更好的材料，提高柱塞耐磨性，延長柱塞使用壽命。</p><p>　　4. 在滿足上述要求的同時(shí)，盡量結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適合于搬運(yùn)。盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，系列化。</p><p>　　4.1 偏心輪的加工</p><p>　　三個(gè)偏心輪工作由一個(gè)直軸聯(lián)接成一體，三個(gè)偏心輪的空間位置各相差

65、120º。次偏心輪結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸、同軸度、垂直度要求非常嚴(yán)格，各裝配尺寸上粗糙度的要求也很高這些技術(shù)要求給加工增加了難度。</p><p><b>　　胎具的設(shè)計(jì)提出：</b></p><p>　　根據(jù)偏心輪的結(jié)構(gòu)，偏心部分內(nèi)孔與外圓部分壁薄厚不均，個(gè)各尺寸精度較高的特點(diǎn)，設(shè)想能用一種機(jī)加方法把各部尺寸一次加工完成，為了保證零件尺寸精度及形位公差精度，借助于胎

66、具，按同一加工基準(zhǔn)定位，通過實(shí)際操作，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　胎具兩側(cè)孔偏心距要求與偏心輪相同，偏心距為100±0.05mm，并保證軸線平行，周圍孔與偏心輪上孔把合，利用胎上的孔及周圍螺栓把合定位，將偏心輪固定，分步加工各部尺寸。</p><p><b>　　4.1.1工藝流程</b></p><p>　　毛坯的準(zhǔn)備，

67、材料ZG35CrMo，鑄后應(yīng)正火處理，穩(wěn)定組織，利用劃線，全線檢查查看各部尺寸，查看余量是否能滿足加工</p><p>　　粗車：利用劃線，用2.5m立車粗車，各部留6mm，超聲波探傷檢查毛坯內(nèi)部質(zhì)量，然后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，再探傷檢查，看材料是否還有缺陷，再粗車一刀，每面留2mm，余量后進(jìn)行穩(wěn)定化處理，使零件的組織更穩(wěn)定，并進(jìn)一步消除材料及加工應(yīng)力。</p><p>　　半精車：用2.5m立車

68、車成在半精車時(shí)需加工一刀，以備找正用；通過劃線利用小鉆將過垂直軸線的空加工，為保證胎具的使用精度，由鉗工處理各孔的毛刺；</p><p>　　精加工：有A、B兩種。A:用2.5m立車上胎；按相關(guān)端面找正，端面跳動(dòng)在0.03mm內(nèi)，修研裝夾面，將零件向下裝入胎內(nèi)，檢查零件與卡盤回轉(zhuǎn)中心同軸度達(dá)到Φ0.04的圖紙要求，用沉頭螺釘將零件與胎具把牢，內(nèi)孔按圖紙要求磨好；劃出偏心十字找正線，上胎；按相關(guān)端面趙正，端跳小于0

69、.03mm，修研裝卡面，用工藝螺栓和墊圈將零件裝卡牢固，車全部偏心尺寸，半精車時(shí)檢查偏心距100mm實(shí)際尺寸，并微調(diào)偏心，各面均留0.3mm，其余各部達(dá)到圖紙要求；B：用立式磨床上胎；修研裝卡面，將零件固定在胎上，按零件端面及內(nèi)孔找正，磨外圈達(dá)到圖紙要求，拆下零件，將胎具掉個(gè)，按偏心十字線對應(yīng)找正，卡牢，磨偏心外圓尺寸達(dá)到圖紙要求。</p><p>　　其余工序：由鉗工取出毛刺，倒角。</p>&l

70、t;p><b>　　注意事項(xiàng)：</b></p><p>　　因?yàn)榱慵糜趥鲃?dòng)，是關(guān)鍵件，它的使用壽命關(guān)系到整個(gè)泥漿泵的壽命，在選材上要選用優(yōu)質(zhì)合金鑄鋼，熱處理手段至關(guān)重要，每一道工序都應(yīng)仔細(xì)，認(rèn)真操作。</p><p>　　整個(gè)工藝流程中劃線是主線，按線找正，因此，劃線是非常重要的工序，在劃線的工程中要仔細(xì)檢查，每一步都要?jiǎng)澋木?、?zhǔn)。胎具在使用時(shí)，每一步都應(yīng)該精

71、修裝卡面，每一步都要嚴(yán)格執(zhí)行，認(rèn)真修研，否則將會影響整個(gè)零件的精度。</p><p>　　偏心距交大時(shí)，立車，立磨的切削速度不宜過高，否則應(yīng)考慮用配重塊平衡，以確保尺寸精度。</p><p>　　成產(chǎn)實(shí)踐證明，使用這種方法加工的偏心輪能夠滿足設(shè)計(jì)及使用要求，采用簡單的胎具和普遍的車床就能保證偏心輪的精度要求，這種加工方法比較簡單，易于操作。</p><p>　　4.

72、2 泵頭體處理工藝</p><p>　　按國內(nèi)機(jī)械工程技術(shù)界的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，對泵頭體的處理工藝作了調(diào)質(zhì)處理的規(guī)定．認(rèn)為鋼中馬氏體是硬而脆的組織，因而為了追求高塑性 高韌性，通過調(diào)質(zhì)熱處理使泵頭體獲得回火索氏體組織，稱這種熱處理工藝為 調(diào)質(zhì)態(tài)工藝． 按照“調(diào)質(zhì)態(tài)” 工藝生產(chǎn)了兩個(gè)泵頭體，在通過臺架試驗(yàn)后，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)． 其</p><p>　　中一個(gè)累計(jì)連續(xù)運(yùn)行434h，泵頭體交變腔出現(xiàn)裂紋失

73、效，其它機(jī)件運(yùn)行正常．另一個(gè)累計(jì)連續(xù)運(yùn)行289h，T作壓力為35．9MPa，泵頭體交變腔上部開裂失效，其它機(jī)件運(yùn)轉(zhuǎn)正常．“質(zhì)態(tài)”工藝的泵頭服投壽命未達(dá)到要求．</p><p>　　我國近幾年來斷裂力學(xué)的研究表明，低碳馬氏體和高碳馬氏體組織形態(tài)上的差異，主要是由于馬氏體相變時(shí)的切變方式不同而造成的，而馬氏體含碳量不同，反映在綜合機(jī)械性能上，也有顯著不同．這樣就可以通過改變工藝條件，控制馬氏體的形態(tài)，從而控制其性能．

74、如AISI 4340鋼(即40CrNiMoA 鋼)在油液淬火條件下，斷裂時(shí)表現(xiàn)了較大的塑性狀態(tài)，而且試驗(yàn)表明，平面應(yīng)變斷裂韌性Ktc、一次沖擊值CVN 和拉伸試驗(yàn)值均顯示了較高的塑性．</p><p>　　基于以上認(rèn)識提出了另一工藝方案，即采用油液淬火工藝獲得馬氏體組織，稱為“淬火態(tài)”工藝。采用 “淬火態(tài)”工藝生產(chǎn)了2個(gè)泵頭體，其中一個(gè)累計(jì)在現(xiàn)場連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)245h，工作壓力為38．3MPa，在交變腔下部開裂，其它機(jī)

75、件運(yùn)轉(zhuǎn)正常。另一個(gè)累計(jì)在現(xiàn)場連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)245h，工作壓力35．7MPa，在交變腔下部開裂失效，其它機(jī)件運(yùn)轉(zhuǎn)正常。</p><p>　　在半年多的時(shí)間內(nèi)，先后裂了4個(gè)泵頭。 調(diào)質(zhì)態(tài) 工藝和 淬火態(tài) 工藝，無論出自傳統(tǒng)觀念還是吸收斷裂力學(xué)的近期研究成果，其目的都是為了提高泵頭體的強(qiáng)度。泵頭體的連續(xù)開裂，提醒我們對旨在以提高強(qiáng)度為中心的技術(shù)思路進(jìn)行反思，提出一個(gè)旨在提高疲勞壽命的工藝方案，稱為“化學(xué)熱處理” 工藝。按“化

76、學(xué)熱處理”工藝生產(chǎn)了兩個(gè)泵頭體，其中一個(gè)，對泵頭進(jìn)行高壓生產(chǎn)試驗(yàn)，確定工作壓力為37.8MPa，累計(jì)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)121l 未發(fā)生故障性停車和異常情況。另一個(gè)在現(xiàn)場試驗(yàn)，工作壓力為37．4～ 40．1MPa,累計(jì)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1418h無故障。兩臺試驗(yàn)泵均因地質(zhì)原因停泵，雙雙突破了連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1000h的鑒定要求，以后一直沿用“化學(xué)熱處理 工藝進(jìn)行生產(chǎn)。按照旨在提高疲勞壽命的工藝方案生產(chǎn)泵頭體取得了明顯的實(shí)效。</p><p>

77、　　這種“ 化學(xué)熱處理” 工藝是對一特定的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行滲碳處理，控制滲層深度和碳化物級別，而后直接淬火、回火獲得較高的表面硬度。通過熱處理在工件表面或亞表面產(chǎn)生高的壓應(yīng)力，使工件表面形成均勻、完全的馬氏體薄殼，又稱為“薄殼硬化”處理。這種處理方式其實(shí)是一種預(yù)應(yīng)力處理，能大幅度提高泵頭體的抗疲勞性能， 從而可延長泵頭體的服役壽命。</p><p>　　4.2.1 泵頭體的失效過程</p><

78、;p>　　斷裂有兩種類型，一種是韌性斷裂，即機(jī)件在受載過程中，經(jīng)歷彈性變形、塑性變形后斷裂；另一種類型是脆性斷裂，即機(jī)件受載發(fā)生彈性變形，但不顯示宏觀塑性變形，或宏觀塑性變形很小就發(fā)生斷裂． 兩種斷裂類型比較起來，后一種危險(xiǎn)性更大，因?yàn)榇鄶嗤峭蝗话l(fā)生，事先很難覺察。</p><p>　　為了檢驗(yàn)斷裂失效原因，對泵頭體應(yīng)力狀況進(jìn)行了定量分析。用三維有限元程序，先后在M 一160和SIBER機(jī)上進(jìn)行計(jì)算。為

79、保證計(jì)算具有足夠的精確度，取泵頭的一半作網(wǎng)格劃分，劃分的原則是破壞處最密，離破壞處越遠(yuǎn)麗格越疏，由密而疏平緩過渡，共劃分八層三條138個(gè)單元．對網(wǎng)格的劃分由計(jì)算機(jī)作出單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)檢繪圖．</p><p>　　計(jì)算機(jī)計(jì)算出的各結(jié)點(diǎn)應(yīng)力值表明，位于三通相貫處的單元內(nèi)應(yīng)力較高，裂紋源處峰值應(yīng)力235MPa,其余各單元的應(yīng)力一般小于49MPa,高壓腔一些單元的內(nèi)壁應(yīng)力也小于98MPa。</p><p&g

80、t;　　根據(jù)三維有限元計(jì)算，裂紋源處峰值應(yīng)力為235MPa,應(yīng)力脈動(dòng)最大幅度為147MPa。用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌特征，確定裂紋源和裂紋擴(kuò)展途徑，因此可以判定泵頭體的斷裂失效是由疲勞引起的。</p><p>　　當(dāng)然，這種應(yīng)力較低的突然脆斷的原因與泵頭體內(nèi)部存在的缺陷密切相關(guān)。缺陷可能是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的，如冶煉，鑄造，鍛壓過程中產(chǎn)生的夾雜，氣孔 白點(diǎn)等．泵頭體在運(yùn)行過程中承受交變載荷時(shí)產(chǎn)生疲勞裂紋．缺陷(裂

81、紋)附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于泵頭體體積大，彈性能量積蓄太，限制了塑性變形的發(fā)展，加上高速加載加壓，以致在應(yīng)力較低的條件下，裂紋尖端已經(jīng)失去穩(wěn)定而脆性擴(kuò)展，突然開裂。</p><p>　　泵頭體的疲勞破壞經(jīng)歷三個(gè)階段，即孕育期、裂紋擴(kuò)張期和最后斷裂。</p><p>　　孕育期：泵頭在交變載荷作用下，達(dá)到產(chǎn)生裂紋所需要的時(shí)間和交變周次，不論</p><p>　　泵頭體材

82、料局部有無缺陷，均存在孕育期。原始材料細(xì)小缺陷程度不同，孕育期</p><p>　　的長短有著較大差異。</p><p>　　裂紋擴(kuò)張期：在交變載荷作用下，從泵頭裂紋的萌生開始到斷裂前，裂紋由微觀</p><p>　　向宏觀擴(kuò)張．這種擴(kuò)張是裂紋的尺寸小于最后斷裂時(shí)的I臨界裂紋尺寸條件下緩</p><p><b>　　慢擴(kuò)張。<

83、/b></p><p>　　斷裂：外加載荷不變，隨著裂紋的亞臨界擴(kuò)張，裂紋長度不斷增長，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K 值不斷增加．當(dāng)裂紋的長度達(dá)到某一 臨界裂紋尺寸az，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K值便達(dá)到該材料在疲勞條件下的斷裂韌性Ktc泵頭裂紋快速“失穩(wěn)擴(kuò)張” ，泵頭發(fā)生最后斷裂。</p><p>　　由此可知，疲勞壽命由形成裂紋的孕育期No。，疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)張速率da/dN ，以及

84、最后斷裂的臨界尺寸 ac來決定． 如圖1所示．</p><p>　　4.2.2 影響泵頭體服役壽命的主要因素</p><p>　　斷裂力學(xué)的研究成果表昵在裂紋體中，裂紋尖端應(yīng)力場的強(qiáng)度可用裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K來描述。這樣，自然可以想到，在交變載荷作用下的泵頭體中的疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)張，</p><p>　　應(yīng)力強(qiáng)度因子K也是一個(gè)很重要的控制參量。但是不同的材料，不

85、同的熱處理狀態(tài)以及其它許多外在因素，對疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)張均產(chǎn)生影響。研究這些因素的影響，對于實(shí)施泵頭體的合理選材，制定合理的熱處理工藝和強(qiáng)化方法，盡可能改變疲勞裂紋的萌生位置，獲得低的疲勞裂紋擴(kuò)張速率，對延長泵頭體的服役壽命具有明顯的意義．</p><p><b>　　冶金因素</b></p><p>　　(1)夾雜物：泵頭體中的非金屬夾雜物能促使裂紋擴(kuò)張速率加快．

86、不易產(chǎn)生塑性變形的夾雜物對材料疲勞性能最有害。鋼的純度的作用在低應(yīng)力(高壽命)疲勞中比高應(yīng)力(低壽命)疲勞中太得多。</p><p>　　因此，以央雜形式或白點(diǎn)出現(xiàn)的局部缺陷，就太有助于產(chǎn)生應(yīng)力集中。斷續(xù)的幾何性質(zhì)，基體與質(zhì)點(diǎn)問界面的剝離或者第二相質(zhì)點(diǎn)自身的破裂，都可以引起局部應(yīng)變． 因此鋼的純度嚴(yán)重地影確著疲勞強(qiáng)度．</p><p>　　圖2所示為疲勞壽命與央雜含量的關(guān)系曲線． 可以看到

87、，夾雜含量增加時(shí)，疲勞壽命顯</p><p><b>　　著降低。</b></p><p>　　(2)晶粒度：有關(guān)的研究結(jié)果指出，在相同的應(yīng)力水平下，細(xì)晶粒時(shí)的疲勞條紋密，粗晶粒的疲勞條紋疏，晶界對疲勞裂紋的擴(kuò)張有阻止作用，所以細(xì)化晶粒是提高疲勞抗力的有效途徑。</p><p>　　當(dāng)鄰近晶粒的屈服強(qiáng)度相繼被超過時(shí)，較細(xì)晶粒也影響著相鄰晶粒相互

88、范性約柬的數(shù)量。在逐個(gè)晶粒滑移面上微觀裂紋一旦開始，剛在阻止其發(fā)展中，晶界的作用也是重要的。在單個(gè)晶粒內(nèi)裂紋的成長，要容易得多，因?yàn)樗婕暗姆缎粤髯兪茄貑谓M滑移而進(jìn)行的． 但是裂紋穿過一個(gè)晶粒也通常要求沿另一組滑移面的范性流變，這組滑移面不一定和已經(jīng)達(dá)到間界的裂紋一樣處于對所加載荷那樣有利的方向．因此，在一定意義上，晶粒間界可能披視為裂紋的阻止者，如果已有一些裂紋起始，則細(xì)小晶粒意味著有更多的裂紋阻止者和更短的裂紋長度。</p&g

89、t;<p><b>　　表面強(qiáng)化</b></p><p>　　表面強(qiáng)化處理的手段，主要有化學(xué)熱處理、表面淬火、滾壓，擠壓，噴丸及復(fù)合熱處理等． 對于泵頭體這樣空間幾何形狀復(fù)雜的零件，一般表面強(qiáng)化處理難以奏效，我們采甩的“簿殼硬化”處理，就是通過熱處理在工件表面或亞表面產(chǎn)生高的壓應(yīng)力。</p><p>　　為了獲得最佳的結(jié)果，必須整體加熱，這是由于20～

90、50％ 的壓應(yīng)力來自高溫未硬化的心部，從硬化表面向內(nèi)收縮的結(jié)果．</p><p>　　經(jīng)過“薄殼硬化 處理的零件表面壓應(yīng)力經(jīng)X 射線測定一般達(dá)980M Pa 以上，這是十分可觀的數(shù)值．造成如此巨大的壓應(yīng)力可用工件淬火時(shí)熱應(yīng)力反向和組織應(yīng)力反向不同于一般熱處理來解釋。控制淬透性的銅進(jìn)行薄殼硬化對，由于整體加熱，冷卻后期發(fā)生了熱應(yīng)力反向，給表層帶來了較 的壓應(yīng)力。但從組織轉(zhuǎn)變來看，只有表面薄層產(chǎn)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，心部并

91、采發(fā)生組織變化，因而只有冷卻初期表面組織轉(zhuǎn)變帶來的殘余壓應(yīng)力，沒有熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的疊加，使表層獲得了極高的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)出于淬硬層較薄， tl,部較厚，因而表層壓應(yīng)力顯著高于心部的拉應(yīng)力，這對泵頭體疲勞抗力是非常有利的。</p><p><b>　　機(jī)加工</b></p><p>　　粗加工所產(chǎn)生的表面不規(guī)則，造成應(yīng)力峰，粗加工也損害表層下一定深度的金屬。使用于疲

92、勞條件下的泵頭體，必須進(jìn)行精加工或磨加工。在鉆孔時(shí)孔底切削面容易出現(xiàn)太面積撕裂而引起疲勞斷裂。</p><p>　　合適的磨加工能產(chǎn)生光滑的表面，沒有誘生的殘余應(yīng)力或疲勞裂紋萌生的位置，但如果出現(xiàn)局部過熱、燒傷，將導(dǎo)致局部回火，或局部形成未圓火馬氏體，或形成磨削裂紋，這些對泵頭體的疲勞強(qiáng)度是很不利的。</p><p>　　1．提高泵頭體報(bào)役壽命的基礎(chǔ)條件是改善泵頭體鋼材的冶金質(zhì)量． 如硫、

93、磷含量應(yīng)低于0 01％ ，采用VHD精煉，真空度達(dá)30～60kPa時(shí)通氬氣，解除真空前加鋁粒，鋼錠紅態(tài)進(jìn)鍛造，鍛后紅進(jìn)退火，氧化物、硫化物不超過1級，塔形試驗(yàn)無發(fā)紋等。</p><p>　　2．提高泵頭體服役壽命的關(guān)鍵條件是采用“薄殼硬化”處理，使泵頭體工作表面獲得高的壓應(yīng)力，其數(shù)值甚至超過泵頭體材料的屈服限。采用此種工藝，對奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)析出的碳億鐵級別應(yīng)予嚴(yán)格限制．</p><p>　　

94、3 提高泵頭體服役壽命的重要條件是保證關(guān)鍵部位有較低的粗糙度，特別是交變腔圓弧和內(nèi)外表面，以消除疲勞裂紋的萌生位置．</p><p>　　4．泵頭體應(yīng)選擇具有優(yōu)良抗疲勞特性的鋼材，不宜選用強(qiáng)度太高的材料． 強(qiáng)度高的材料雖然能增大安全系數(shù)，提高強(qiáng)度儲備，但強(qiáng)度提高了，斷裂韌性降低了，反而增加了脆斷的危險(xiǎn)，更不安全．</p><p>　　5．泵頭體“薄殼硬化”處理過程中，由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)

95、，伴隨著體積膨脹，產(chǎn)生拉應(yīng)力。如果拉應(yīng)力超過鋼材的抗拉強(qiáng)度，則可導(dǎo)致淬火裂紋的產(chǎn)生，有時(shí)甚至放置一定時(shí)間以后產(chǎn)生‘置裂 ．</p><p>　　4.3 缸套磨損機(jī)理研究，材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　在實(shí)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100～ 120次／min，摩擦溫升7O～170℃ ，堿性pH 為9～1O，泥漿含砂

96、量高)，缸套承受高壓、高腐蝕和高磨損。普通缸套的內(nèi)徑磨損非常嚴(yán)重，缸套與活塞間的密封產(chǎn)生刺漏，壓力降低，直至缸套報(bào)廢。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(jī)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(fèi)缸套，而且工人的勞動(dòng)量很大，給井下安全造成了很大的隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每支鉆井隊(duì)每年消耗缸套約100～200個(gè)。目前我國石油工業(yè)有一千多支外井隊(duì)，這樣，全國鉆井隊(duì)每年僅缸套消耗就超過1億多元，而且更換費(fèi)工費(fèi)時(shí)。鉆井泵修理

97、工時(shí)約占1部鉆機(jī)總修理工時(shí)的1/ 2。在鉆1口井的總時(shí)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(jī)修理時(shí)間占到12 %～15 % ，相當(dāng)于1個(gè)井隊(duì)每年少鉆井1 500～2 000 m。因此，提高缸套的使用壽命，可大幅提高鉆井進(jìn)尺。</p><p>　　4.3.1 磨損原因分析</p><p>　　鉆井泵運(yùn)行時(shí)，缸套內(nèi)壁與活塞外圓材料會產(chǎn)生磨粒磨損、粘著磨損、磨粒磨損是其主要磨損形式

98、。而這些磨粒主要是泥漿液中含有來自地層的各種礦物硬料，其中以石英硬粒為主。石英是六方晶系的致密結(jié)晶體，泥漿中的石英粒子尺寸一般為 0.09～0.30 mm，硬度高達(dá) HV750～1 300。當(dāng)活塞在缸套中往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些堅(jiān)硬礦物粒子就對缸套內(nèi)壁產(chǎn)生犁耕刮擦的作用，產(chǎn)生拉傷犁溝。當(dāng)犁溝尺寸較大時(shí)，高壓鉆井液將泄漏，并沖刷缸套內(nèi)壁，進(jìn)而出現(xiàn)更嚴(yán)重的侵蝕條件下的三體硬粒磨損，使缸體、活塞、缸套在短期內(nèi)失效。</p><p&

99、gt;　　4.3.2 材料選擇</p><p>　　圖2 缸套結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　目前使用的較多的是雙金屬缸套。結(jié)構(gòu)如上圖，缸套采用雙金屬制作，外套用45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理獲得回火索氏體組織，具有較好的綜合性能。其內(nèi)層為高鉻白口合金鑄鐵，高鉻鑄鐵缸套失效的特點(diǎn)是：馬氏體基體的磨損及凸出的碳化物的折斷和脫落，交替發(fā)生直至失效。碳化物的折斷和脫落是缸套磨損失效的主要機(jī)制，為了提高缸套

100、壽命，必須控制碳化物的折斷和脫落速率，優(yōu)選合適的缸套表面硬度可有效地提高高鉻鑄鐵套壽命。可采用離心澆注，經(jīng)淬火+回火處理，獲得馬氏體+合金碳化物+殘余奧氏體組織，硬度HRC61～68 ，加工內(nèi)襯內(nèi)孔時(shí)盡量控制內(nèi)壁加工余量小于5 mm ，以保留澆鑄后的細(xì)晶區(qū)。雙金屬缸套的優(yōu)點(diǎn)是抗腐蝕性,抗研磨性,很好的磨合性及工作表面的高光滑度；缺點(diǎn)是壽命較短，性能有待提高?？刹捎眯滦筒牧峡朔陨先秉c(diǎn)。</p><p>　　項(xiàng)目針

101、對目前石油鉆采設(shè)備中的抗磨零件材料的抗磨性能差，泥漿泵缸套的使用壽命短等問題而研發(fā)。在材料的研究中，舍棄目前國內(nèi)、國外普遍采用的低釩合金鋼、高鉻白口鑄鐵等材料加工工藝復(fù)雜、成型能力差等缺點(diǎn)，改變傳統(tǒng)泥漿泵缸套整體離心鑄造技術(shù)和鑲裝式工藝，采用“稀土鐵鎳合金粉末材料”，利用“耐高溫合金粉末粘結(jié)劑”，通過“離心涂敷”工藝方法在缸套基體內(nèi)圓表面均勻附著稀土鐵鎳合金粉末層．再通過“電磁感應(yīng)成型”工藝手段，使合金粉末層牢固地和缸套基體結(jié)合為一體。

102、缸套不需要熱處理工藝手段．縮短了制造周期．降低了廢品率，達(dá)到工件耐磨之目的。泥漿泵高性能缸套材料特點(diǎn)是：粉狀材料(粒度在140—320目之間)和缸套基體屬冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度好。鑄態(tài)硬度高達(dá)HRC60～65．抗磨能力強(qiáng)、制造加工方便、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,耐磨層厚度可以調(diào)整。同時(shí),還可根據(jù)零件不同的使用工況,可臨時(shí)調(diào)整合金粉末成份達(dá)到工件抗磨蝕之目的。該材料除用于泥漿泵缸套．還應(yīng)用于泥漿閥體閥座．石油鉆桿耐磨環(huán)、抽油泵桿等耐磨零件。經(jīng)實(shí)驗(yàn)對比，使

103、用壽命比原有材料加工的零件相比提高了3～5倍。</p><p>　　4.4 泵軸熱處理要解決的問題</p><p>　　如何保證運(yùn)行過程穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)目標(biāo)，從技術(shù)角度必須解決以下三個(gè)問題。</p><p><b>　　感應(yīng)器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　感應(yīng)器是保證感應(yīng)淬火質(zhì)量的重要器具。鑒于所需熱處理參數(shù)不一

104、樣，為此專門設(shè)計(jì)了仿形感應(yīng)圈。</p><p><b>　　保護(hù)水套的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　軸各檔淬火順序是從下到上依次進(jìn)行。由于偏心輪檔的間隙很小，為了防止加熱上面一檔偏心輪時(shí)使其下面檔邊緣因加熱而降低硬度，保護(hù)水套的合理設(shè)計(jì)是保證質(zhì)量的重要前提。保護(hù)水套采用雙層結(jié)構(gòu)：上層為保護(hù)水部分，加熱時(shí)自動(dòng)開啟以保護(hù)下方鄰近已淬部位；下為淬火液部分，對加熱部位進(jìn)行

105、自動(dòng)噴液冷卻。整個(gè)噴水圈位于感應(yīng)圈下方，此水圈的位置可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，通過生產(chǎn)工藝驗(yàn)證確定其到感應(yīng)圈的合適距離，再通過螺釘固定在支架上。</p><p><b>　　工藝過程的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)軸的材料和淬硬層深度要求，合理確定工藝過程中的加熱參數(shù)。由于三種厚度不同的部</p><p>　　位需要淬硬，且考慮到其位置特點(diǎn)，在加熱

106、過程中工件不旋轉(zhuǎn)；軸承檔采取掃描加熱，工件旋轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　工藝調(diào)試</b></p><p>　　位置調(diào)試首先根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸在程序中確定各檔的位置，然后在確定感應(yīng)器初始位置時(shí)進(jìn)行粗調(diào)和微調(diào)。首先通過肉眼觀察感應(yīng)圈的位置及加熱時(shí)的效果來完成粗調(diào)。粗調(diào)是關(guān)鍵的一步，粗調(diào)的質(zhì)量直接影響到微調(diào)的難易程度、速度與成本。粗調(diào)完成后，對實(shí)物進(jìn)行解剖，通過金相分析測定

107、淬硬層的軸向分布情況，然后對感應(yīng)器位置進(jìn)行微調(diào)，從而使淬硬層沿軸向均勻分布。</p><p>　　淬火介質(zhì)及濃度的測試根據(jù)材料的成分選擇了AQ25 1型有機(jī)淬火液。為保證該冷卻介質(zhì)既具有良好的冷卻性能，又防止出現(xiàn)淬火裂紋，合適的濃度范圍為10％ 15％。</p><p>　　加熱時(shí)間的調(diào)試在加熱功率與淬火液濃度確定的情況下，為了保證淬硬層深度達(dá)到技術(shù)要求，需要確定合適的加熱時(shí)間，在滿足技術(shù)

108、要求的前提下，提高生產(chǎn)效率。</p><p>　　4. 5 泥漿泵軸表面熱處理的方法</p><p>　　泥漿泵的工作環(huán)境和條件惡劣，易損件就更多，更換次數(shù)就更快，泥漿泵泵軸就是其中之一泵軸作為軸類零件，有著多個(gè)尺寸要求和精度等級，加工復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力;但普通泥漿泵泵軸的耐磨性太差，導(dǎo)致密封配合失效，經(jīng)常損換，這兩者之間的矛盾，迫使我們必須尋找一個(gè)好的解決措施，最后我們決定用泵軸表面熱處理的

109、方法來解決。</p><p><b>　　表面熱處理方式選擇</b></p><p>　　熱處理有著多種形式，包括退火、正火、淬火、回火、滲碳、氮化、滲金屬等，根據(jù)實(shí)際需要選用了表面淬火的熱處理方法。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是:可以使表面獲得高硬度和耐磨性，而心部具有足夠的塑性和韌性;同時(shí)設(shè)備簡單，成本低廉，對生產(chǎn)批量要求不高;并且工件沒有體積限制，這對于處理泥漿泵泵軸類細(xì)長