泥漿泵---畢業(yè)設計說明書

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械。它將原動機的機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)，中國的桔槔(公元前17世紀)、轆轤(公元前11世紀)和水車(公元1世紀)。比較著名的還有公元前三世紀，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，標志著現(xiàn)代活塞泵的形成。19世紀是活塞泵發(fā)展的高潮時期，當時已用于水壓機等多種機械中。然而隨著需水量的劇增，從20世紀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泵所代替。但是在高壓小流量領域往復泵仍占有主要地位，尤其是隔膜泵、柱塞泵獨具

4、優(yōu)點，應用日益增多。</p><p>　　回轉泵的出現(xiàn)與工業(yè)上對液體輸送的要求日益多樣化有關。早在1588年就有了關于四葉片滑片泵的記載，以后陸續(xù)出現(xiàn)了其他各種回轉泵，但直到19世紀回轉泵仍存在泄漏大、磨損大和效率低等缺點。20世紀初，人們解決了轉子潤滑和密封等問題，并采用高速電動機驅動，適合較高壓力、中小流量和各種粘性液體的回轉泵才得到迅速發(fā)展。回轉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·達芬奇所作的草圖中。1689年，法國物理學家帕潘發(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，帶有導葉的多級離心泵相繼被發(fā)明，使得發(fā)展高揚程離心泵成為可能。</p><p>　　盡管早在1754年，瑞士數(shù)學家歐拉就提出了

6、葉輪式水力機械的基本方程式，奠定了離心泵設計的理論基礎，但直到19世紀末，高速電動機的發(fā)明使離心泵獲得理想動力源之后，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者的理論研究和實踐的基礎上，離心泵的效率大大提高，它的性能范圍和使用領域也日益擴大，已成為現(xiàn)代應用最廣、產量最大的泵。</p><p>　　泵通常按工作原理分容積式泵、動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，按驅動方法可分為電動泵和水輪泵等；按結構可分為單級泵和多級泵；按用途可分為鍋爐給水泵和計量泵等；按輸送液體的性質可分為水泵、油泵和泥漿泵等。</p><p>　　容積式泵是依靠工作元件在泵缸內作往復或回轉運動，使工作容積交替地增大和縮小，以實現(xiàn)液體的吸入和排出。工作元件作往復運動的容積式泵稱為往復泵，作回轉運動的稱為回轉泵。前者的吸入和排出過程在同一泵缸內交替進行

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

9、轉泵適用于中小流量和較高壓力；往復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力式泵。</p><p>　　動力式泵靠快速旋轉的葉輪對液體的作用力，將機械能傳遞給液體，使其動能和壓力能增加，然后再通過泵缸，將大部分動能轉換為壓力能而實現(xiàn)輸送。動力式泵又稱葉輪式泵或葉片式泵。離心泵是最常見的動力式泵。</p><p>　　動力式泵在一定轉速下產生的揚程有一限定值，揚程隨流量

10、而改變；工作穩(wěn)定，輸送連續(xù)，流量和壓力無脈動；一般無自吸能力，需要將泵先灌滿液體或將管路抽成真空后才能開始工作 ；適用性能范圍廣；適宜輸送粘度很小的清潔液體，特殊設計的泵可輸送泥漿、污水等或水輸固體物。動力式泵主要用于給水、排水、灌溉、流程液體輸送、電站蓄能、液壓傳動和船舶噴射推進等。</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，并通過兩種流體混合進行動量交換來傳遞能量；水錘泵是利用流動中的水被突然制動時產生的能量，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 ，產生流動而實現(xiàn)輸送；氣體升液泵通過導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)主要有流量和揚程，此外還有軸功率、轉速和必需汽蝕裕量。流量是指單

12、位時間內通過泵出口輸出的液體量，一般采用體積流量；揚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程來表示。泵的效率不是一個獨立性能參數(shù)，它可以由別的性能參數(shù)例如流量、揚程和軸功率按公式計算求得。反之，已知流量、揚程和效率，也可求出軸功率。</p><p>　　泵的各個性能參數(shù)之間存在著一定的相互依賴變化關系，可以通過對泵進行試驗，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>　　泵的實際工作點由泵的曲線與泵的裝置特性曲線的交點來確定。選擇和使用泵，應使泵的工作點落在工作范圍內，以保證運轉經濟性和安全。此外，同一臺泵輸送粘度不同的液體時，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、潔冷水時的特性曲線。對于動力式泵，隨著液體粘度增大，揚程和效率降低，軸功率增大，所以工業(yè)上有時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，產品產出持續(xù)擴張，國家產業(yè)政策鼓勵泥漿泵產業(yè)向高技術產品方向發(fā)展，國內企業(yè)新增投資項目投資逐漸增多。投資者對泥漿泵行業(yè)的關注越來越密切

15、，這使得泥漿泵行業(yè)的發(fā)展需求增大。</p><p>　　泥漿泵有著深遠的社會價值。當今,世界各國加大了石油資源開采的力度。同時我國對中西部地區(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。由電機通過帶傳動輸入動力，通過行星減速器減速。經偏心輪將回轉運動轉化為直線往復運動。驅動雙作用柱塞泵作功。柱塞泵的進漿室、排漿室各有兩個鋼球組成的單向控制閥（如下圖所示）。當活塞桿向左驅動時，缸體右腔進漿（單向閥F2打開，單向閥F4關閉），缸體左腔排漿（單向閥F3打開，單

17、向閥F1關閉）。當活塞桿向右驅動時，缸體左腔進漿（單向閥F1打開，單向閥F3關閉），缸體右腔排漿（單向閥F4打開，單向閥F2關閉）。（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整泵在抽吸過程中產生的波動大小。</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械。泥漿泵是鉆</p><p>　　探機械設備的重要組成部分。泥漿泵的主要作用是在鉆進過程

18、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─清水﹑泥漿或聚合物沖洗液在一定的壓力下﹐經過高壓軟管﹑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﹐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運動。在吸入和排出閥的交替作用下﹐實現(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：如圖3-1所示</p><p>　　PZNB 型噴水式柱塞泥漿泵結構圖</p><p>　　1 —傳動端;2 —柱塞組合;3 —水清洗系統(tǒng);4 —閥箱組件</p><p>　　其傳動端結構為

20、中心軸+偏心圓盤+連桿。機構工作方式為：電機通過減速器減速后，通過心軸上的嚙合齒輪副帶動軸旋轉，由于偏心圓盤是通過剛性連接于軸固結為一體，圓盤也將做旋轉運動。再經過連桿的運動傳遞，將旋轉運動變?yōu)樽⑷耐鶑瓦\動。此類結構中，要求軸端必須有軸承支撐，整個動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>　　泥漿泵性能的兩個主要參數(shù)為排量

21、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﹐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。地質巖心鉆探時﹐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﹐沖洗液所經過的通道的阻力以及所輸送沖洗液的性質等。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節(jié)。在泵的機構中設

22、有變速箱或以液壓馬達調節(jié)其速度﹐以達到改變排量的目的。為了準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情況﹐同時通過壓力變化判別孔內狀況是否正常以預防發(fā)生孔內事故。</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用領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，國產真空泵已經在各個不同領域得到應用并經過驗證，有些還出口到國外，得到國外用戶的認可并受到好評，應該說我國真空泵制造業(yè)在國內外市場仍然有著巨大的發(fā)展空間。</p><p>　　第二章 電動機的選擇</p><p>　　泵的原動機類型應根據(jù)動力來源、工廠或裝置能量

24、平衡、環(huán)境條件、調節(jié)控制要求以及經濟效益而定。</p><p>　　現(xiàn)今電動機主要有鼠籠式和線繞式兩種，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，它具有結構簡單、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。但是它不能經濟、方便地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調速、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和三相交流同步電機，則可用于對啟動、調速、改善電網(wǎng)功率因數(shù)、大功率、高效率、轉速恒定等有特殊要求的場合，但用于驅動泵的不多。</p><p>　　直流電機雖有調速性好、啟動轉矩大等優(yōu)點，但需直流電源，造價高，維修較復雜，一般也不常用于生產裝置中。</p><p>　　當需要改變工廠的蒸汽平衡，對裝置中大型泵或需調速等特殊要求的泵，可采用氣輪機作泵的原動

26、機。</p><p>　　隨著石化裝置技術水平及經濟性的提高，采用反轉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速的目的等技術，近年來已應用于石化裝置。</p><p>　　此外，在特定的情況下，也有用蒸汽機、內燃機、燃汽機等作為泵的原動機的。</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)《機械設計使用手冊》需要選擇專用電動機。</p><p>　　電機的選擇還要根據(jù)某些參數(shù)才能確定最終的電機型號計算過程如下：</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——運動活塞的截面積</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 —— 為轉矩 ； </p><p><b>　　P——為最大壓力；</b></p>&l

30、t;p>　　又由Q=，可得軸的轉速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>　　取每級齒輪的傳動效率為0.97，帶的傳動效率為0.92?？伤愕秒姍C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矩高、啟動電流小等優(yōu)點。 </p><p>　　根據(jù)以

32、上的敘述和有關計算，決定選擇Y315M1-4型三向異步電動機，其功率為132Kw，轉速為1490r/min，重量為1100Kg.</p><p>　　此系列的電動機的主要特點：</p><p>　　1 啟動轉矩高、啟動電流小，效率較高，損耗少，運行可靠，運行溫度低；</p><p>　　2 由于其結構型式為封閉式，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

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計</p><p>　　泥漿泵的發(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，.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。合理降低泵的沖次，適當增加泵的沖程長度，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，成為今后鉆井泵設計的發(fā)展方向。</p><p>　　鉆井行業(yè)的發(fā)展方向

35、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。</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)與有關壽命之間的關系是指數(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。</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構參數(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、使用性和經濟性。</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。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，當沖次降低后，活塞往復運動的速度減慢，活塞與缸套之間的摩擦功耗產生的摩擦熱減少，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，泵不易產生“水擊

38、”現(xiàn)象，質性力減弱，將會提高泵動力端齒輪、軸承等零部件的使用壽命。</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。由以上表所知，在降低沖次的前提下，適當加長沖程長度是合理的，而且還可以進一步改善其吸人性能。</p><p>　　經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，能夠確保鉆井泵自吸性能良好。</p><p>　　(3)正確設計吸人管線也是鉆井泵設計的關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，應注意以下幾方面問題：</p><p>　　1)吸人管線應有足夠的液體。</p><p>　　2)選用直通式泵頭。</p><p>　　3)吸人系統(tǒng)應絕對密封。</p><p>　　3. 2

42、 鉆井泵閥運動對排量的影響</p><p>　　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，或在吸人口安裝空氣包。</p><p>　　泵工作時，閥盤作間歇運動。當閥盤上升時，它與閥座間有一空間，從液缸內排出的液體有一

43、部分儲存其中，使流經閥隙的液體量小于液缸內排出液體量;當閥盤下落時，下部空間減少，把原來儲存的小部分液體排出，使流經閥隙的液體量大于由液缸內排出的液體量。從本質上說，泵閥在閥腔內的運動效果就相當于一臺“開式”往復泵，閥盤相當于一個活塞。</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。吸人過程開始

44、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排量相對穩(wěn)定，從而保證鉆井質量。</p><p>　　3. 3 缸筒材料選擇： </p><p>　　要有足夠的強度，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>　　綜合以上各條和經濟性考慮，缸筒材料選為15Mn。</p><p>　　由以上數(shù)據(jù)可計算液壓缸筒壁厚為：（設）由19-212有：</p><p><b>　　圓整為30mm。</b></p><p>　　其中 ：缸筒壁厚，</

47、p><p><b>　?。焊變茸畲髩毫?，</b></p><p>　?。海?：缸筒材料許用應力； 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算&l

48、t;/p><p>　　3.4.1吸漿管直徑計算</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‘—計算流量Q‘=Q/ηV=1917/0.825=2323L/min</p><p>　　3.4.2 排漿管直徑計算 </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徑，選擇膠管的尺寸規(guī)格。對于頻繁，經常扭者要降低40%。膠管在使用及設計中應注意下列

51、事項：</p><p>　　膠管的彎曲半徑不宜過小，膠管與管接頭的連接處應留有一段直的部分，此段長度不應小于關外半徑的兩倍。</p><p>　?。?） 膠管的長度應考慮到膠管在通入壓力液后，長度方向將發(fā)生收縮變形，一般收縮量為管長的3-4%。因此，膠管安裝時應避免處于拉緊狀態(tài)。</p><p>　?。?） 膠管在安裝時應保證不發(fā)生扭轉變形，為了便于安裝，可沿管

52、長涂以色紋，以便檢查。</p><p>　　（4） 膠管的管接頭軸線，應盡量放置在運動的平面內，避免兩端互相運動時膠管收扭。</p><p>　?。?） 膠管應避免與機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度的計算</p><p>　　銷的類型可根據(jù)工作要求選定，用于聯(lián)結的銷，其直徑可根

53、據(jù)聯(lián)結的結構特點按經驗確定，必要時再作強度較核。</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。銷在每一個被聯(lián)結的件內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>　　設計安全銷時，應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。安全銷的直徑應按銷的抗剪強度τb進行計算，一般可取τb =（0.6-0.7）σb。</p><p>　　根據(jù)本設計的實際情況，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>　　外加負荷P=πD2P/4=Π×162200/4=40192N</p><p>　　各支點反力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>　　各支點彎矩如圖4.1</p><p><b>　　MA=MB=0</b></p><p>　　MC=18FA=36172N.cm </p><p>　?。?） 按彎曲強度計算</p><p>　　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</p>

59、<p>　　W=0.1d3=0.1×1.93=2.476 cm 3</p><p>　　截面C處的彎曲應力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>　?。?） 按剪切強度計算</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]—許用剪應力[τ]=8150 N/ cm2 </p><p>　?。?） 按擠壓強度計算</p><p>　　擠壓應力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]—擠壓剪應力[σJY]=5100 N/ cm2 </p><p>　　綜上所敘連桿小頭銷子直徑為19mm滿足強度要求。</p><p>　　第四章 泥漿

63、泵零件的加工工藝</p><p>　　經過計算和幾次方案論證，考慮到工作現(xiàn)場的特點，從實際實用的角度出發(fā)，確定方案如下：</p><p>　　考慮到多種場合的野外作業(yè)，動力選擇電機；</p><p>　　考慮到密封件容易損壞，需經常更換，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，盡量結構簡單，操作方便，適合于搬運。盡量做到標準化，通用化，系列化。</p><p>　　4.1 偏心輪的加工</p><p>　　三個偏心輪工作由一個直軸聯(lián)接成一體，三個偏心輪的空間位置各相差

65、120º。次偏心輪結構結構尺寸、同軸度、垂直度要求非常嚴格，各裝配尺寸上粗糙度的要求也很高這些技術要求給加工增加了難度。</p><p><b>　　胎具的設計提出：</b></p><p>　　根據(jù)偏心輪的結構，偏心部分內孔與外圓部分壁薄厚不均，個各尺寸精度較高的特點，設想能用一種機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，按同一加工基準定位，通過實際操作，能夠滿足設計要求。</p><p>　　胎具兩側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>　　毛坯的準備，

67、材料ZG35CrMo，鑄后應正火處理，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部質量，然后進行調質處理，再探傷檢查，看材料是否還有缺陷，再粗車一刀，每面留2mm，余量后進行穩(wěn)定化處理，使零件的組織更穩(wěn)定，并進一步消除材料及加工應力。</p><p>　　半精車：用2.5m立車

68、車成在半精車時需加工一刀，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；按相關端面找正，端面跳動在0.03mm內，修研裝夾面，將零件向下裝入胎內，檢查零件與卡盤回轉中心同軸度達到Φ0.04的圖紙要求，用沉頭螺釘將零件與胎具把牢，內孔按圖紙要求磨好；劃出偏心十字找正線，上胎；按相關端面趙正，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，半精車時檢查偏心距100mm實際尺寸，并微調偏心，各面均留0.3mm，其余各部達到圖紙要求；B：用立式磨床上胎；修研裝卡面，將零件固定在胎上，按零件端面及內孔找正，磨外圈達到圖紙要求，拆下零件，將胎具掉個，按偏心十字線對應找正，卡牢，磨偏心外圓尺寸達到圖紙要求。</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：</b></p><p>　　因為零件用于傳動，是關鍵件，它的使用壽命關系到整個泥漿泵的壽命，在選材上要選用優(yōu)質合金鑄鋼，熱處理手段至關重要，每一道工序都應仔細，認真操作。</p><p>　　整個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檢查，每一步都要劃的精、準。胎具在使用時，每一步都應該精

71、修裝卡面，每一步都要嚴格執(zhí)行，認真修研，否則將會影響整個零件的精度。</p><p>　　偏心距交大時，立車，立磨的切削速度不宜過高，否則應考慮用配重塊平衡，以確保尺寸精度。</p><p>　　成產實踐證明，使用這種方法加工的偏心輪能夠滿足設計及使用要求，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>　　按國內機械工程技術界的傳統(tǒng)觀點，對泵頭體的處理工藝作了調質處理的規(guī)定．認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，通過調質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 調質態(tài)工藝． 按照“調質態(tài)” 工藝生產了兩個泵頭體，在通過臺架試驗后，進行了現(xiàn)場試驗． 其</p><p>　　中一個累計連續(xù)運行434h，泵頭體交變腔出現(xiàn)裂紋失

73、效，其它機件運行正常．另一個累計連續(xù)運行289h，T作壓力為35．9MPa，泵頭體交變腔上部開裂失效，其它機件運轉正常．“質態(tài)”工藝的泵頭服投壽命未達到要求．</p><p>　　我國近幾年來斷裂力學的研究表明，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，斷裂時表現(xiàn)了較大的塑性狀態(tài)，而且試驗表明，平面應變斷裂韌性Ktc、一次沖擊值CVN 和拉伸試驗值均顯示了較高的塑性．</p><p>　　基于以上認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)”工藝生產了2個泵頭體，其中一個累計在現(xiàn)場連續(xù)運轉245h，工作壓力為38．3MPa，在交變腔下部開裂，其它機

75、件運轉正常。另一個累計在現(xiàn)場連續(xù)運轉245h，工作壓力35．7MPa，在交變腔下部開裂失效，其它機件運轉正常。</p><p>　　在半年多的時間內，先后裂了4個泵頭。 調質態(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的近期研究成果，其目的都是為了提高泵頭體的強度。泵頭體的連續(xù)開裂，提醒我們對旨在以提高強度為中心的技術思路進行反思，提出一個旨在提高疲勞壽命的工藝方案，稱為“化學熱處理” 工藝。按“化

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

77、　　這種“ 化學熱處理” 工藝是對一特定的中碳合金結構鋼進行滲碳處理，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生高的壓應力，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。這種處理方式其實是一種預應力處理，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，即機件在受載過程中，經歷彈性變形、塑性變形后斷裂；另一種類型是脆性斷裂，即機件受載發(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，后一種危險性更大，因為脆斷往往是突然發(fā)生，事先很難覺察。</p><p>　　為了檢驗斷裂失效原因，對泵頭體應力狀況進行了定量分析。用三維有限元程序，先后在M 一160和SIBER機上進行計算。為

79、保證計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，離破壞處越遠麗格越疏，由密而疏平緩過渡，共劃分八層三條138個單元．對網(wǎng)格的劃分由計算機作出單元劃分數(shù)檢繪圖．</p><p>　　計算機計算出的各結點應力值表明，位于三通相貫處的單元內應力較高，裂紋源處峰值應力235MPa,其余各單元的應力一般小于49MPa,高壓腔一些單元的內壁應力也小于98MPa。</p><p&g

80、t;　　根據(jù)三維有限元計算，裂紋源處峰值應力為235MPa,應力脈動最大幅度為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>　　當然，這種應力較低的突然脆斷的原因與泵頭體內部存在的缺陷密切相關。缺陷可能是生產過程中產生的，如冶煉，鑄造，鍛壓過程中產生的夾雜，氣孔 白點等．泵頭體在運行過程中承受交變載荷時產生疲勞裂紋．缺陷(裂

81、紋)附近產生應力集中，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，以致在應力較低的條件下，裂紋尖端已經失去穩(wěn)定而脆性擴展，突然開裂。</p><p>　　泵頭體的疲勞破壞經歷三個階段，即孕育期、裂紋擴張期和最后斷裂。</p><p>　　孕育期：泵頭在交變載荷作用下，達到產生裂紋所需要的時間和交變周次，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>　　向宏觀擴張．這種擴張是裂紋的尺寸小于最后斷裂時的I臨界裂紋尺寸條件下緩</p><p><b>　　慢擴張。<

83、/b></p><p>　　斷裂：外加載荷不變，隨著裂紋的亞臨界擴張，裂紋長度不斷增長，裂紋尖端的應力強度因子K 值不斷增加．當裂紋的長度達到某一 臨界裂紋尺寸az，裂紋尖端的應力強度因子K值便達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>　　斷裂力學的研究成果表昵在裂紋體中，裂紋尖端應力場的強度可用裂紋尖端的應力強度因子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張，</p><p>　　應力強度因子K也是一個很重要的控制參量。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張均產生影響。研究這些因素的影響，對于實施泵頭體的合理選材，制定合理的熱處理工藝和強化方法，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張速率加快．

86、不易產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力(高壽命)疲勞中比高應力(低壽命)疲勞中太得多。</p><p>　　因此，以央雜形式或白點出現(xiàn)的局部缺陷，就太有助于產生應力集中。斷續(xù)的幾何性質，基體與質點問界面的剝離或者第二相質點自身的破裂，都可以引起局部應變． 因此鋼的純度嚴重地影確著疲勞強度．</p><p>　　圖2所示為疲勞壽命與央雜含量的關系曲線． 可以看到

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

88、范性約柬的數(shù)量。在逐個晶?；泼嫔衔⒂^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。在單個晶粒內裂紋的成長，要容易得多，因為它涉及的范性流變是沿單組滑移而進行的． 但是裂紋穿過一個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達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>　　表面強化</b></p><p>　　表面強化處理的手段，主要有化學熱處理、表面淬火、滾壓，擠壓，噴丸及復合熱處理等． 對于泵頭體這樣空間幾何形狀復雜的零件，一般表面強化處理難以奏效，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生高的壓應力。</p><p>　　為了獲得最佳的結果，必須整體加熱，這是由于20～

90、50％ 的壓應力來自高溫未硬化的心部，從硬化表面向內收縮的結果．</p><p>　　經過“薄殼硬化 處理的零件表面壓應力經X 射線測定一般達980M Pa 以上，這是十分可觀的數(shù)值．造成如此巨大的壓應力可用工件淬火時熱應力反向和組織應力反向不同于一般熱處理來解釋?？刂拼阃感缘你~進行薄殼硬化對，由于整體加熱，冷卻后期發(fā)生了熱應力反向，給表層帶來了較 的壓應力。但從組織轉變來看，只有表面薄層產生了馬氏體轉變，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變帶來的殘余壓應力，沒有熱應力和組織應力的疊加，使表層獲得了極高的殘余壓應力，同時出于淬硬層較薄， tl,部較厚，因而表層壓應力顯著高于心部的拉應力，這對泵頭體疲勞抗力是非常有利的。</p><p><b>　　機加工</b></p><p>　　粗加工所產生的表面不規(guī)則，造成應力峰，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，必須進行精加工或磨加工。在鉆孔時孔底切削面容易出現(xiàn)太面積撕裂而引起疲勞斷裂。</p><p>　　合適的磨加工能產生光滑的表面，沒有誘生的殘余應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度是很不利的。</p><p>　　1．提高泵頭體報役壽命的基礎條件是改善泵頭體鋼材的冶金質量． 如硫、

93、磷含量應低于0 01％ ，采用VHD精煉，真空度達30～60kPa時通氬氣，解除真空前加鋁粒，鋼錠紅態(tài)進鍛造，鍛后紅進退火，氧化物、硫化物不超過1級，塔形試驗無發(fā)紋等。</p><p>　　2．提高泵頭體服役壽命的關鍵條件是采用“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，對奧氏體轉變時析出的碳億鐵級別應予嚴格限制．</p><p>　　

94、3 提高泵頭體服役壽命的重要條件是保證關鍵部位有較低的粗糙度，特別是交變腔圓弧和內外表面，以消除疲勞裂紋的萌生位置．</p><p>　　4．泵頭體應選擇具有優(yōu)良抗疲勞特性的鋼材，不宜選用強度太高的材料． 強度高的材料雖然能增大安全系數(shù)，提高強度儲備，但強度提高了，斷裂韌性降低了，反而增加了脆斷的危險，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變時

95、，伴隨著體積膨脹，產生拉應力。如果拉應力超過鋼材的抗拉強度，則可導致淬火裂紋的產生，有時甚至放置一定時間以后產生‘置裂 ．</p><p>　　4.3 缸套磨損機理研究，材料選擇及結構設計</p><p>　　在實際生產中，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。普通缸套的內徑磨損非常嚴重，缸套與活塞間的密封產生刺漏，壓力降低，直至缸套報廢。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的正常作業(yè)和鉆井成本。缸套的頻繁更換不僅嚴重浪費缸套，而且工人的勞動量很大，給井下安全造成了很大的隱患。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

97、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,因鉆井泵等設備的易損件壽命太低，而使所需的停機修理時間占到12 %～15 % ，相當于1個井隊每年少鉆井1 500～2 000 m。因此，提高缸套的使用壽命，可大幅提高鉆井進尺。</p><p>　　4.3.1 磨損原因分析</p><p>　　鉆井泵運行時，缸套內壁與活塞外圓材料會產生磨粒磨損、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晶體，泥漿中的石英粒子尺寸一般為 0.09～0.30 mm，硬度高達 HV750～1 300。當活塞在缸套中往復運動時，這些堅硬礦物粒子就對缸套內壁產生犁耕刮擦的作用，產生拉傷犁溝。當犁溝尺寸較大時，高壓鉆井液將泄漏，并沖刷缸套內壁，進而出現(xiàn)更嚴重的侵蝕條件下的三體硬粒磨損，使缸體、活塞、缸套在短期內失效。</p><p&

99、gt;　　4.3.2 材料選擇</p><p>　　圖2 缸套結構簡圖</p><p>　　目前使用的較多的是雙金屬缸套。結構如上圖，缸套采用雙金屬制作，外套用45鋼，經調質處理獲得回火索氏體組織，具有較好的綜合性能。其內層為高鉻白口合金鑄鐵，高鉻鑄鐵缸套失效的特點是：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?？刹捎秒x心澆注，經淬火+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 ，加工內襯內孔時盡量控制內壁加工余量小于5 mm ，以保留澆鑄后的細晶區(qū)。雙金屬缸套的優(yōu)點是抗腐蝕性,抗研磨性,很好的磨合性及工作表面的高光滑度；缺點是壽命較短，性能有待提高。可采用新型材料克服以上缺點。</p><p>　　項目針

101、對目前石油鉆采設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、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雜、成型能力差等缺點，改變傳統(tǒng)泥漿泵缸套整體離心鑄造技術和鑲裝式工藝，采用“稀土鐵鎳合金粉末材料”，利用“耐高溫合金粉末粘結劑”，通過“離心涂敷”工藝方法在缸套基體內圓表面均勻附著稀土鐵鎳合金粉末層．再通過“電磁感應成型”工藝手段，使合金粉末層牢固地和缸套基體結合為一體。

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，達到工件耐磨之目的。泥漿泵高性能缸套材料特點是：粉狀材料(粒度在140—320目之間)和缸套基體屬冶金結合，結合強度好。鑄態(tài)硬度高達HRC60～65．抗磨能力強、制造加工方便、產品質量穩(wěn)定,耐磨層厚度可以調整。同時,還可根據(jù)零件不同的使用工況,可臨時調整合金粉末成份達到工件抗磨蝕之目的。該材料除用于泥漿泵缸套．還應用于泥漿閥體閥座．石油鉆桿耐磨環(huán)、抽油泵桿等耐磨零件。經實驗對比，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>　　如何保證運行過程穩(wěn)定、實現(xiàn)批量生產目標，從技術角度必須解決以下三個問題。</p><p><b>　　感應器的設計</b></p><p>　　感應器是保證感應淬火質量的重要器具。鑒于所需熱處理參數(shù)不一

104、樣，為此專門設計了仿形感應圈。</p><p><b>　　保護水套的設計</b></p><p>　　軸各檔淬火順序是從下到上依次進行。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使其下面檔邊緣因加熱而降低硬度，保護水套的合理設計是保證質量的重要前提。保護水套采用雙層結構：上層為保護水部分，加熱時自動開啟以保護下方鄰近已淬部位；下為淬火液部分，對加熱部位進行

105、自動噴液冷卻。整個噴水圈位于感應圈下方，此水圈的位置可以手動調節(jié)，通過生產工藝驗證確定其到感應圈的合適距離，再通過螺釘固定在支架上。</p><p><b>　　工藝過程的設計</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，在加熱

106、過程中工件不旋轉；軸承檔采取掃描加熱，工件旋轉。</p><p><b>　　工藝調試</b></p><p>　　位置調試首先根據(jù)結構尺寸在程序中確定各檔的位置，然后在確定感應器初始位置時進行粗調和微調。首先通過肉眼觀察感應圈的位置及加熱時的效果來完成粗調。粗調是關鍵的一步，粗調的質量直接影響到微調的難易程度、速度與成本。粗調完成后，對實物進行解剖，通過金相分析測定

107、淬硬層的軸向分布情況，然后對感應器位置進行微調，從而使淬硬層沿軸向均勻分布。</p><p>　　淬火介質及濃度的測試根據(jù)材料的成分選擇了AQ25 1型有機淬火液。為保證該冷卻介質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>　　加熱時間的調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到技術要求，需要確定合適的加熱時間，在滿足技術

108、要求的前提下，提高生產效率。</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，有著多個尺寸要求和精度等級，加工復雜，費時費力;但普通泥漿泵泵軸的耐磨性太差，導致密封配合失效，經常損換，這兩者之間的矛盾，迫使我們必須尋找一個好的解決措施，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;同時設備簡單，成本低廉，對生產批量要求不高;并且工件沒有體積限制，這對于處理泥漿泵泵軸類細長