一種立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵的設(shè)計(jì)分析*

鐘功祥，趙國(guó)文，呂志忠，胡 霞

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500)

1 引言

鉆井泵是油田鉆井機(jī)械的核心設(shè)備，其工作性能直接影響鉆井作業(yè)效率。目前，我國(guó)使用的鉆井泵主要是臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵。由于機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠的優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛使用。但臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，普遍存在十字頭、導(dǎo)板、活塞、缸套易磨損，曲軸主軸承蓋與主螺栓易斷裂，泵閥易損壞等問(wèn)題。

為提高臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵易損件的工作壽命，國(guó)內(nèi)研究者做了大量研究工作，使鉆井泵易損件工作壽命得到明顯提高。研究工作集中體現(xiàn)在對(duì)鉆井泵局部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、加工工藝的改進(jìn)和新材料的應(yīng)用。

從鉆井泵結(jié)構(gòu)和受力分析可得出，由于臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵的十字頭、柱塞、缸套均為水平布置，將不可避免地導(dǎo)致十字頭、導(dǎo)板、活塞、缸套受結(jié)構(gòu)件重力產(chǎn)生偏磨，曲軸主軸承蓋與主螺栓受很大的交變載荷而常發(fā)生斷裂［1－2］。為此，提高機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵壽命和可靠性僅對(duì)鉆井泵進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)、加工工藝改進(jìn)和新材料應(yīng)用研究是不夠的，應(yīng)從結(jié)構(gòu)布局上進(jìn)行深入研究。

為了克服臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵的缺陷，國(guó)外成功研制出了立式凸輪機(jī)構(gòu)六缸鉆井泵［3－4］，但結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜;國(guó)內(nèi)對(duì)立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵研究很少，但立式曲柄連桿機(jī)構(gòu)壓縮機(jī)已廣泛使用［5］。筆者經(jīng)過(guò)多方案對(duì)比，提出一種立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵結(jié)構(gòu)—立式曲柄連桿機(jī)構(gòu)鉆井泵。

2 立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 結(jié) 構(gòu)

和臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵一樣主要由傳動(dòng)軸、曲軸、傳動(dòng)齒輪、大齒輪、十字頭、介桿、活塞桿、活塞、缸套、泵閥、閥箱等組成。不同之處在于立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵十字頭、介桿、活塞桿、活塞、缸套均為垂直布置。為使泵排出壓力和排量均勻，仍采用三缸單作用結(jié)構(gòu)。

2.2 工作原理

立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵的工作原理與臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵類似。其工作原理如圖1所示。動(dòng)力由傳動(dòng)軸輸入，通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)曲軸上曲柄7以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，曲柄7驅(qū)動(dòng)連桿6和十字頭5，將曲柄7的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭诸^5的上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，十字頭5再驅(qū)動(dòng)活塞桿4和活塞3做上下直線運(yùn)動(dòng)。曲軸旋轉(zhuǎn)一周，各活塞在垂直方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，相應(yīng)的吸入閥8和排出閥1也打開(kāi)和關(guān)閉一次，鉆井泵各缸完成一次吸入和排出鉆井液的過(guò)程［6－7］。

圖1 立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵工作原理圖

3 立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

由圖2所示的立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵運(yùn)動(dòng)分析示意圖，令連桿比 λ=R/L，可推導(dǎo)出活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律［8］，如下:

活塞位移:

活塞速度:

活塞加速度:

將式(1)、(2)、(3)與臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵活塞運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度對(duì)比可以看出:立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵與臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律是完全一樣的，說(shuō)明立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵具有與臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵相同的吸入、排出特性。

3.2 動(dòng)力學(xué)分析

鉆井泵動(dòng)力學(xué)分析的主要目的是分析計(jì)算鉆井泵主要零部件的受力，為分析計(jì)算鉆井泵主要零部件的強(qiáng)度、剛度、磨損狀況及泵的振動(dòng)特性提供力學(xué)依據(jù)［9］。立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵受力分析圖如圖3所示。

(1)泵壓力p 實(shí)際作業(yè)中認(rèn)為排出管壓力表的平均讀數(shù)為泵的排出壓力，也稱泵的工作壓力，簡(jiǎn)稱泵壓pd［9］。對(duì)于泵的吸入和排出過(guò)程，泵壓力在不同的曲柄轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)其值是不同的。泵壓力p的表達(dá)式為:

(2)負(fù)荷作用力F1負(fù)荷作用力F1就是鉆井液對(duì)活塞的作用力，其計(jì)算式為:

式中:A為活塞截面積，A=πD2/4;D為活塞直徑。

圖2 立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵運(yùn)動(dòng)分析示意圖

圖3 立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵 受力分析圖

(3)摩擦力 摩擦力包括活塞與缸套間摩擦力Ff1、十字頭和導(dǎo)板間摩擦力Ff2和各滾動(dòng)軸承內(nèi)的摩擦力［9］。因滾動(dòng)軸承摩擦力很小，可忽略，主要以前兩種為主。

活塞與缸套間摩擦力:

式中:f為活塞皮碗與缸套之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取f=0.10;b為接觸面軸向?qū)挾龋碨Y5138－86標(biāo)準(zhǔn)制造的活塞皮碗b≈2十字頭和導(dǎo)板間摩擦力:

式中:f2為十字頭與導(dǎo)板間鋼對(duì)鋼或鋼對(duì)鑄鐵在邊界摩擦條件下的動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取f2=0.10，F(xiàn)3x為十字頭對(duì)導(dǎo)板的正壓力［9］。

(4)質(zhì)量力，包括構(gòu)件自重和慣性力 慣性力的大小與構(gòu)件的質(zhì)量與它的加速度成正比，與外載無(wú)關(guān)［9］。

為了簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)分析，現(xiàn)在把機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量總和設(shè)為m2，m2包括活塞、活塞桿、十字頭、十字頭銷、連桿部分質(zhì)量的質(zhì)量總和，綜合質(zhì)量的質(zhì)心在十字頭銷中心B點(diǎn)上。把旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量總和設(shè)為m1，m1包括曲拐、曲柄和連桿大部分質(zhì)量的質(zhì)量總和，為了便于分析計(jì)算，假設(shè)全部的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量都集中于圖3中的曲柄O點(diǎn)上。

針對(duì)m2的往復(fù)慣性力為:

(5)曲柄連桿機(jī)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)受力 根據(jù)圖3所示的力學(xué)分析圖容易得出各節(jié)點(diǎn)受力如下:

十字頭銷中心B點(diǎn)上所受的綜合力F2為:

十字頭對(duì)導(dǎo)板的正壓力F3x:

連桿受力F3:

曲柄銷A點(diǎn)的徑向力FR:

曲柄銷A點(diǎn)的切向力FT為:

曲柄切向力矩MT:

由式(4)～(15)可計(jì)算出單個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各節(jié)點(diǎn)受力。結(jié)合泵整體結(jié)構(gòu)，容易推出曲軸、大齒輪、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸等部件受力。

由式(6)和式(7)可以看出，立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵活塞與液缸、十字頭與導(dǎo)板間的摩擦力不受結(jié)構(gòu)件重力的影響。顯然，與臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵相比，立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵的活塞與液缸、十字頭與導(dǎo)板壽命將明顯提高。

由曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析圖可以看出，立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵曲軸承受負(fù)載的受力總體方向是指向地面的，結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)曲軸主軸承負(fù)荷由機(jī)殼承受，而不是像臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵曲軸主軸承負(fù)荷主要由曲軸軸承蓋和主螺栓承擔(dān)，從而可明顯提高曲軸主軸蓋和主螺栓壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所提出的立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵具有與臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵相同的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及運(yùn)動(dòng)特性，而活塞與液缸、十字頭與導(dǎo)板間的摩擦力不受結(jié)構(gòu)件重力的影響，且結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)曲軸主軸承負(fù)荷由機(jī)殼承受。因而，所提出的立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵，一方面保留了臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵動(dòng)力端總體可靠性和吸排出特性;另一方面可顯著提高鉆井泵易損件壽命、減少工作過(guò)程中故障的發(fā)生，提高鉆井泵工作效率。所提出的立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵由于結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，較臥式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵更適合海上鉆井作業(yè)對(duì)設(shè)備的要求。顯然，立式機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆井泵具有廣泛的應(yīng)用前景。

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