泥浆泵曲轴箱与液力端特性分析及设计开题报告

毕业设计开题报告
毕业设计内容：
BW-100型泥浆泵曲轴箱与液力端特性分析、设计
1、结构形式：卧式三缸单作用往复活塞泵。
2、技术参数：（1）曲轴箱变速：2级
（2）泵量(L/min) :18、23、28、35、43、53、72、90。        
（3）泵压（MPa）: 5.6、5.6、5.6、5.6、5.4、4.5、3、.2.5；
（4）驱动功率：5.5kw
（5）缸径：60mm
（6）活塞行程：65mm
（7）活塞往复次数 （l/min）：38、47、57、70、87、106、147、181；
（8）驱动方式：电动机离合器 四级变速箱 曲轴箱（刚性轴传动）。
3、分析设计内容:（1）分析曲轴箱的转矩特性及转速特性；
               （2）分析计算泵液力端的特性参数;
               （3）在分析计算的基础上设计泵的曲轴箱与液力端;
               （4）应用现代分析软件对设计的曲轴箱、液力端进行仿真分析

析、验证。
此开题报告根据所设计的内容，提出设计技术方案、技术路线、存在的技术难点、关键技术问题的解决方案等内容。
钻探用泵是钻探设备的组成部分之一。钻探用泵主要是洗孔用泵，在我国地矿部的部颁标准定为泥浆泵，泵的形式定为往复式泵。在钻探施工中，泥浆泵担负着向孔内输送清洗液，并能使其在孔内循环。在某些特种工序中还用泥浆泵向孔内灌注水泥浆等物质。
本人所设计的泥浆泵是卧式三缸单作用活塞泵，它是通过活塞部件的往复运动，引起密闭的工作腔室容积变化，从而形成腔室内外压力差变化，以吸入和排出液流实现能量转换的。
                      往复泵的工作原理 
图1—1为卧式单缸单作用活塞泵示意图。它由滤水器l、吸入阀2、泵缸3(即工作腔室)、活塞4、活塞杆5、十字头6、连杆7、曲柄轴8、曲柄销9、排出阀10、排出管道11等主要零部件组成。通常以十字头为分界线，靠近泵缸一端称为泵的液力端，靠近动力输入一端称为泵的动力端。
 
                     图1-1   往复式泵工作原理示意图      [资料来源：http://www.doc163.com]
1．滤水器  2.吸入阀 3. 泵缸 4.活塞5.活塞杆6 .十字头 7. 连杆8. 曲柄轴 9. 曲柄
10.排出阀 11.排出管道
动力机通过皮带、皮带轮、齿轮等传动件带动主轴旋轮，曲柄轴8以角速度 。随主轴一起转动，同时曲柄轴一端相连的连杆7随着曲柄轴的转动带动连杆另—端的十字头6作往复运动，十字头通过与它相连的活塞杆5带动活塞4作往复运动，从而实现容腔3的容积有规律地变化。
当活塞由泵缸的左端位置(左死点)向右方移动时，活塞左端泵缸容积不断变化。由于泵缸是密闭容腔，不与外界大气相通，所以左边缸室内压力降低，形成负压（低于大气压力)，吸水池中的液体在液面大气压力的作用下，挤开吸入阀进入泵缸，挤开吸入阀进入泵缸，直到活塞移至最右边位置(右死点)为止。这一工作过程称为泵的吸入过程．
当活塞到达右死点后(即曲柄转过 rad)工作液停止吸入，吸入阀在自重和弹簧力作用下被关闭，活塞向左方(向液力端)移动，这时液力端一边泵缸的容积缩小工作液受挤压，缸内压力逐渐加大，挤开排出阀，液体排出，进入排出管道，这—过程称为泵的排出过程。活塞在一次往复过程中，此单作用泵吸入和排出液体一次，活塞不断循环往复运动使液以体不断吸入和排出。
设计方案:

[资料来源：http://Doc163.com]

往复式泥浆泵，绝大多数是曲柄连杆传动的。它由动力端和液力端组成两大部分组成。
动力端及其关键部件设计和解决方案: 动力端的功能，是将动力机的回转运动转变为活塞
(或柱塞)的直线往复运动。它包括传动离合装置、变速减速装置和曲柄连杆。它们的相互位
置与安排决定着泵的总体结构型式，决定着泵的驱动方案及结构方案的选择。动力端的主要
零部件包括皮带轮，离合器曲轴箱体及其 中的传动轴，齿轮副，曲轴 ，连杆及十字头滑块。
按离合器的安排形式，动力端的结构方案为：利用拨叉式皮带带动中间装置上的空转轮和工作轮实现离合。按曲轴箱传动结构方式不同，动力端的结构方案为：曲轴箱内采用具有剖分式的曲拐轴方案曲轴箱采用铸铁件。设计曲轴箱体时，使内部所有零部件安装、检修方便；有良好的润滑条件；加工时应保证驱动部分零件之间有精确配合，特别要保证缸心距的精度要求。曲轴采用曲拐轴形式。如图
 
连杆大头与曲轴相连，小头与十字销相连，中间部分为连杆体。杆体截面采用工字形。杆体中间沿轴线方向设润滑油孔，把从曲柄油道来的润滑油通过连杆大头倒入小头衬套中，实现油压润滑。连杆大头做成剖分式，采用部分式滑动轴承。连杆小头用铸铁制造，显微组织应为均匀回火索氏体。正火处理后硬度应达到HB230-280.十字滑块起导向作用，采用圆筒式结构。
液力端及其关键部件设计和解决方案：液力端油泵头体、缸套、活塞、活塞杆吸入阀和排出阀等组成，它的作用是通过活塞在缸套中作往复运动形成液缸容腔变化，完成能量转化，实现吸入和排出液体。 
液力端中泵头体的设计，采用具有剖分式泵头的结构方案。即每一泵缸具有自己单独的泵头，再用螺栓连接成整体。因为这种剖分的单泵头体，体积小、铸造容易、检修方便。根据阀门箱的不知结构不同，液力端采用直通式结构，这样吸入阀和排出阀处在同一轴线上，结构紧凑、余隙容积小、质量轻。泵的液缸体都采用灰铸铁铸造。且应注意：1吸入阀、排出阀之间液流通道要短而直，其内径应尽可能小些。为减小流道阻力损失，应加大拐弯处的圆角，内壁表面应当光滑。液缸内的形状应最不利于空气滞留。吸入、排出阀应尽量靠近缸体，以减少水利损失和余隙容积。吸入、排出口应便于同吸入、排出管道相连。活塞由活塞座、橡胶密封皮碗、压盖及螺帽等组成。橡胶密封部分制成碗型、，只在靠排出端一侧有唇型密封皮碗，皮碗紧靠在尼龙塑料支撑环上。为了避免皮碗与衬圈接触处产生撕裂或剥落，制成由聚酯与合成橡胶为材料的组合式活塞。如图
 
 
活塞是往复泵一个重要而又易损坏的部件，设计时要注意以下几点:1活塞应设计为可调部件，当皮碗外唇部磨损后，通过调整压紧装置，使皮碗中间部分压紧，唇部被挤压少许，仍能压紧缸套2活塞与活塞感的缩紧装置要牢固可靠，运转时绝不允许出现松扣现象 3皮碗损坏后应可以更换，其缸芯部分则可以继续使用4皮碗唇部形状应有利于自封。活塞杆的设计及其密封 活塞杆是用来把十字滑块传来的作用力传递给活塞，它制成整体式结构。活塞杆由40Gr钢制成，它的密封放在单独的壳体内，有弹性的唇型密封圈组成，并永钢铁套筒和带两个双头螺栓得法兰压紧。缸套设计及密封 缸套用45号钢制成，正火处理后的硬度为HB200-270，内孔表面淬火硬度为HRC50-60，淬火表层厚度为1.2~1.7mm。采用聚酰胺挡圈和有自封性的唇形橡胶对缸套进行密封。采用钢球阀，原因是阀球和阀座直接靠近金属面密封，密封接触面小可以避免液体中的固体颗粒楔入密封面，它在启动中伴有旋转运动，球面磨损均匀，流道圆滑，液流阻力小，便于制造，互换性强、拆装方便，便于清洗。阀座又5Gr钢制成，整体淬火，淬硬层厚度为2-4mm。表面硬度HRC50-55以上，钢球材由合金钢制成。
整体设计：动力端的曲轴上装三根相同连杆，连杆与十字头用十字头销轴连接。十字头的另一端通过丝扣于活塞杆连接。活塞杆通过两层密封圈后进入缸套。曲轴箱内的传动轴上装一对双联齿轮，可分别与曲轴上的大小齿轮箱啮合，得两组不同的速度，从而扩大泵的变量范围。泵头体与缸套做成分离件，钢制缸套裸露于外，用八根长螺栓把缸套紧固于泵头与曲轴箱之间，在曲轴上有导正套是缸套定位。泵头端用定位台阶和尼龙垫片，以保证泵头缸套及曲轴箱三者之间在同一中心线上并使泵头接触处密封。泵头的阀门结构为直通式，泵头的进水，拍水通道为三缸所共有，分别安装在泵头的上面和下面。每个通道两端结构相同，可以在任一端接进水管和排水管接头，而另一端接注水杯已备急用。排水通道的另一端装安全阀等件。泵头内装六个尺寸相同的阀座，用40Gr钢制成，压装在泵头体上。阀座带四个导向爪，并装有钢球阀。缸盖带的短轴头限制吸入阀的升程，排出阀的升程有泵头体上的阀盖限制。采用橡胶件皮碗，与活塞座及压盖一起装在活塞赶上，橡胶活塞的直径稍大于缸套直径，产生密封。曲轴箱内采用飞溅润滑，油面采用量油尺测量，油箱底部安放油螺塞，曲轴箱盖为ZL103铸铝合金制造。
关键技术难题：往复式泵的易损件及影响其寿命的主要因素 [资料来源：www.doc163.com]
钻井泵工作条件恶劣，是钻探设备中的一个薄弱环节。在实际生产活动中，因为泵出事故或损坏而停钻几乎每天可以遇到。研究易损件的破坏机理及其寿命的影响因素，从而提高易损件寿命和工作可靠性，对于减少人力、物力消耗、提高钻进效率、降低成本有十分重要的意义。这对钻探设备的设计来说也是一个关键问题，因而给我此次设计带来了一定困难，首先要知道易损件。往复式泵易损件主要包括缸套、活塞(或柱塞及其盘根)、阀和阀座、活塞杆及其盘根等。都是往复运动件及其密封摩擦副的对磨零件，它们有两个共同特点：一是对磨零件是弹性体，它可以变形；二是在工作过程中承受着一定的压力差。因此它与两个刚性零件形成的摩擦副不同，其摩擦和磨损规律的研究更困难。易损件的结构、加工制造质量与装配公差；材料性能；摩擦副的润滑；泵所输送介质的排量，压力，温度，化学性质，介质中所含磨砺性颗粒的性质，形状，大小，多少；维修，保养，包装，运输及储存等工作性质的好坏等都是影响易损件寿命的主要因素，因此设计时要特别注意。
往复式泵通过曲柄连杆机构将原动机的等速回转运动变为活塞的往复直线运动，并通过活塞将原动机的能量传递给液体。往复式泵活塞运动速度不是定值，而是每一瞬时都在变化，这会使泵产生流量不均匀现象，对于三缸单作用泵，其曲柄互成120度夹角。曲柄回转一周，三个液缸各排出液体一次，故流量变化曲线图上有三条近似正弦曲线。泵的瞬时流量应是各条曲线在同一时刻的纵坐标数值之和， [资料来源：Doc163.com]
 
三缸单作用泵瞬时排量曲线
往复式泵的流量不均匀度过大，给钻探工作带很多不良影响，如使冲洗液携带岩粉的能力降低，容易造成埋钻、糊钻等事故；会导致液流压力波动增大，从而引起孔壁坍塌或严重漏失；
造成吸入系统内液流惯性增大，使吸入性能变坏，使液缸内出现强烈的冲击现象，还可能形成排出系统发生振动，降低泵及其附件的使用寿命；当给涡轮钻具、螺杆钻具等提供动力介质时，冲洗液流量的波动会使钻具运转不平稳，时快时慢，还使得原动机功率的无谓消耗增加等。设计泵体时要对流量产生的影响注意。
技术路线：综合运用工程图学、理论力学、流体力学等知识分析计算要求的特性参数，采用现代工程分析设计软件ADAMS对设计的曲轴箱，液力端进行仿真分析验证。
                           参考文献
[1]成大先。 机械设计手册。北京：化学工业出版社，2002
[2]杨惠民。 钻探设备。北京：地质出版社，1998
[3]冯德强。 钻机设计。武汉：中国地质大学出版社，1993
[4]赵贵祥。 钻探液压技术。北京：煤炭工业出版社，1985 [资料来源：http://doc163.com]
[5]张连山。我国钻井泵技术发展方发展方向。石油机械，1988，16（2）:5~7
[6]沈学海。  钻井往复泵原理与设计。北京：机械工业出版社，1990 [版权所有：http://DOC163.com]