毕业论文定稿-150型全液压注浆泵设计

150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763摘 要随着产品技术水平的不断提高，油田 80%以上钻机产品的功能设置及实际使用的需要，都要求配备往复式泥浆泵。在钻机各部件的动力传动中，除空压机，泥浆泵外其它部件均采用了液压传动及控制技术，由于机械式往复泥浆泵结构复杂，动力传动及流量控制不灵活，冲击大，重量重影响了钻机产品整体水平的提高。以往的 150 型注浆泵都是采用了机械动力源，而这次课题的设计主要是将机械动力源改进为全液压动力源。该方案使用了液控自动往复机构原理，不同于以往的机械往复机构。该换向机构及控制原理简单，换向平稳、可靠，换向时间可调，无死点。系统所使用零件皆为通用件，加工容易，成本低，易磨损零件少，易于实现工业化生产和推广，只要机构设计合理、计算准确可以避免换向时的冲击现象，保证系统换向自如。本次设计收集关于泥浆泵的资料、分析了液压自动换向机构、提出了新型液压泥浆泵系统的设计方案，然后对机械与液压系统进行设计与计算并通过三维软件制出 150型全液压泥浆泵的三维图。关键字：泥浆泵 液压 自动换向 三维设计150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763AbstractWith increasing levels of product technology , more than 80% oil rig product feature set and requires actual use , are required with a reciprocating mud . The power transmission member of the drilling rig , in addition to the air compressor , the other parts are made of mud outside the hydraulic drive and control technology , the complexity of the mechanical structure of the reciprocating mud pump , flow control and power transmission is not flexible , shock , heavy weight influence the improvement of the overall level of rig products .Past 150 injection pump are using mechanical power source , and this topic is designed primarily to improve the mechanical power source for the full hydraulic power source. The program uses the principle of automatic reciprocating hydraulic control mechanism , unlike the conventional mechanical reciprocating mechanism . The commutation mechanism and control principle is simple, for the smooth , reliable commutation time is adjustable, no dead spots . System used parts are common parts, easy processing , low cost, easy to less wear and tear parts , easy to implement industrial production and promotion, as long as the institutions designed to calculate the exact impact of the phenomenon can be avoided when reversing , ensure that the system commutation freely.150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763The design of the collection of information about the mud , the analysis of the hydraulic automatic reversing mechanism proposed new hydraulic mud system design , and mechanical and hydraulic system design and calculation , and the whole system out of 150 hydraulic mud through three-dimensional software pump three-dimensional map .Keywords: Mud pump Aydraulic Automatic commutation 3D design目 录摘 要 .1Abstract.2第一章 绪论 .41.1 概述 .41.1.1 泥浆泵介绍 .41.1.2 泥浆泵的作用和特点 .51.1.3 钻探工作对泥浆泵性能的要求 52）泥浆泵的排出压力也要能在较大范围进行调节； .6150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 13041397631.2 泥浆泵的发展现况 .61.3 泥浆泵的国内外研究现状 71.3.1 国外研究现状 71.3.2 国内研究现状 71.4 课题研究背景及主要任务 8第二章 全液压泥浆泵的总体设计 .92.1 液压泥浆泵简介 92.2 传统式泥浆泵的原理分析 102.3 方案设计 .102.3.1 方案一：机动一液控自动换向机构 112.3.2 方案二：机动 电控自动换向机构 .112.3.3 方案三：电液换向阀的换向机构 122.3.4 方案四：液控自动往复换向机构 132.4 方案的确定 14第三章 全液压泥浆泵的设计计算 .153.1 参数要求 .153.2 泵的设计 .153.2.1 泵的结构设计 .153.2.2 泵的功率计算 153.2.3 各零部件的尺寸确定和校核 163.2.4 进出油口径的确定 .183.3 驱动油缸的设计 .19150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 13041397633.3.1 驱动油缸的结构设计 .193.3.2 液压系统的功率计算 .203.3.3 液压系统参数计算 .20第四章 全液压泥浆泵的计算机设计绘图 .254.1 缸体的设计 254.2 泵体的设计 264.3 缸盖的设计 .274.4 活塞的设计 .274.4 泥浆泵装配设计 .28第五章 全液压泥浆泵的使用和维护 .295.1 安装 295.2 泥浆泵的使用与维护 295.2.1 泥浆泵在开启前的维护与保养 305.2.2 泥浆泵在运转过程中的使用与维护 30第六章 150 型泥浆泵的经济可行性分析 .32结 论 .33参考文献 .34致 谢 .35附录：外文翻译 .36150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763第一章 绪论1.1 概述1.1.1 泥浆泵介绍泥浆泵，是指在钻探过程中向钻孔里输送泥浆或水等冲洗液的机械。泥浆泵是钻探设备的重要组成部分。在常用的正循环钻探中它是将地表冲洗介质清水泥浆或聚合物冲洗液在一定的压力下，经过高压软管水龙头及钻杆柱中心孔直送钻头的底端，以达到冷却钻头、将切削下来的岩屑清除并输送到地表的目的。常用的泥浆泵是活塞式或柱塞式的，由动力机带动泵的曲轴回转，曲轴通过十字头再带动活塞或柱塞在泵缸中做往复运动。在吸入和排出阀的交替作用下，实现压送与循环冲洗液的目的。150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 13041397631.1.2 泥浆泵的作用和特点在使用旋转钻井法钻石油、天然气井的作业中，钻井往复泵用于泵送钻井液泥浆，使其循环流动进行冲井。所以钻井泵通常被称为泥浆泵。按其工作重要性，又被比拟为“钻机的心脏”。泥浆循环是旋转钻井过程中的关键作业，主要有以下作用:1）清除井底的岩屑并将其经由环形空间携至地面；2）在井壁上造泥饼，防止井壁坍塌；3）平衡或控制已钻开的井段中的油、气、水层压力，防止井喷；4）处理井下复杂情况。如遇裂缝地层时泵入堵漏材料，遇卡钻时泵入原油、柴油解卡等。5）冷却钻头，润滑旋转的钻柱。1.1.3 钻探工作对泥浆泵性能的要求钻探工作对泥浆泵的要求主要有以下几点：1）泥浆泵的排量要能简便、迅速地在较大范围进行调节，最好能实现无级调节；150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 13041397632）泥浆泵的排出压力也要能在较大范围进行调节；3）当根据钻进工艺规程将泵量调定以后，它不能随泵的排出压力的变化而发生变化；4）工作可靠、易损件寿命长、便于维修保养；5）要能适应不利条件下的工作；6）运移性要好。1.2 泥浆泵的发展现况到目前为止，使用泥浆泵钻井己有一百多年的历史。早期的泥浆泵的功能仅在于循环泥浆、冷却井底、携带岩屑和在井壁形成泥饼。在四十年代末，采用了喷射式钻井，以及后来的井下动力钻具钻井，利用高压泥浆的冲蚀力辅助破碎岩石可以加快钻井速度，利用泥浆的动力驱动井下涡轮钻具也可以旋转钻井，从而扩大了泥浆泵的功能和使用范围。泥浆泵早期的典型结构是双缸双作用泵，这种泵使用时比较可靠，但是体积和重量都较大，效率低，压力波动大。随着钻井井深的增加和套管层次的增多，对钻井泵的排量和泵压提出了愈来愈高的要求。这也导致了泵功率的急剧加大，泵的重量和外形尺寸也随之增加。为减轻泵重，当时在双缸泵的设计上较大的改进是以钢代铁和减小泵宽。以钢带铁是用钢板焊接的泵壳代换铸铁泵壳，并将一些零件改用优质合金钢制造;减小泵宽是应用大直径的滚动轴承作连杆大端支撑，摒弃悬臂曲拐轴设计。这样，两缸中心距明显缩小。这些都是50年代双缸泵的主要改进之处。当然，除此之外在细节结构上也有不少改进。尽管在50-60年代喷射钻井工艺本身提出了 Pa的泵压5210要求，但双缸泵的实际持续工作泵压只能达到 Pa左右。限制泵压提高的主要因510素是活塞橡胶皮碗的寿命。双缸双作用泵的活塞是“捂”在缸体里的，冷却散热条件极差。尽管冲次不高，但在高压下由于活塞皮碗与缸套的摩擦，仍将产生100上下的温度:再加上与缸套间的各种磨损作用，皮碗很快老化破裂，不能保证钻井作业的正常进行和使用的合理寿命。但这种单向活塞和敞口缸套的结构给吸入带来了特殊的问题，即三缸泵的吸入过程中，只要缸内压力低于当地大气压，空气就可能从活塞背后侵入液缸而破坏正常吸入。所以，在原则上三缸泵应配置灌注泵，这也是国外通常的做法。三缸单作用泥浆泵的优点在于体积小、重量轻、效率高、压力波动小，特别适用于钻井。三缸单作用泥浆泵经过三十多年的不断改进和完善，在性能上、结构上、可靠性、150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763适应性与经济性等方面，已经走向成熟，使用效果也很显著。在我国，第一台泵是五十年代诞生的，为双缸泵。在七十年代，由于钻井工艺的试验和推广，引进国外三缸泵及技术。从此开始了三缸泵的研制工作，它在短短的数年中取代了双缸泵，成为提高喷射钻井水平的关键设备。1.3 泥浆泵的国内外研究现状1.3.1 国外研究现状国外对注浆泵的研究开发起步比较早，技术也比国内先进“德国是欧洲注浆泵发展最快的国家,第一台得到成功应用的注浆泵就是在德国诞生,对注浆泵的起步和发展做出很大贡献 1932 年由荷兰开发的第一台机械式注浆泵，明确了注浆泵的构造原理，为后来的机械式注浆泵开发奠定了基础“随着科学技术的快速进步，注浆泵往复换向的驱动方式也从最初的机械式驱动发展到现在的机电一体化形式“机械式驱动方式以曲柄滑块机构为主,采用机械驱动的注浆泵重量大、结构复杂、磨损较快，造价高，所以现在使用场合较少“当前应用较多的几种自动换向机构是:机动一液控,机动一电控,电一液,以及全液压控制方式”它们依据自身特点,在适当的工作场合使用,都能较好的实现往复换向不足之处在于,综合前三种驱动方式,机械碰撞使系统的可靠性不高，再有受电磁换向阀的电磁推力影响，不适合大流量阀，流量太大，压力冲击也很大，而且在环境条件恶劣,比如湿度较大场合，都会影响电器设备的性能,故障率较高，还存在安全隐患。而全液压自动换向系统结构简单，换向平稳可靠,使用维护方便,工况受环境因素影响较小，一直以来科技工作者在较大程度上都致力于开发高性能的全液压自动换向控制系统“世界上第一台由液压驱动的注浆泵是由施维英公司生产制造的,它以其排量大,振动较小,而且能实现无级调速等优点使注浆泵进入了较高的发展阶段。”2011.5 中国地质大学硕士学位论文 3 小时 159 立方米,泵送水平距离可达 1600 米,泵送垂直距离可达 400 米美国也不乏有大的注浆泵制造商如汤姆森公司,亦能生产各类型的注浆泵产品,日本目前拥有一批大型的注浆泵制造企业,比如:三菱重工,极东开发等。1.3.2 国内研究现状我国在五十年代开始从国外引进注浆泵,直到二十世纪八十年代,才较大范围的推广使用注浆泵“目前,国内注浆泵生产企业有十余家,总生产能力 600 辆,主要集中在中联重工三一重工、辽宁海诺、安徽星马、上海普斯特 5 个企业,产量占全行业的 95%泵150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763车的型号也有多种,泵送高度从 20 多米到 50 多米,国内目前生产的注浆泵车多集中在37m 以下“我国虽然起步较晚,但发展相当迅速,借鉴欧洲技术自主开发”目前国内占主导地位的泵送液压系统有 3 种,一种是主要由三一重工所采用全液压液控换向系统;第二种是采用电信号换向,主要为中联重科采用；第三种是主要用在泵车上的闭式系统,换向冲击小,但成本比较高。全球注浆设备销售额仅占工程机械销售额的 3%,而在中国市场却占到 10%中联重科和三一重工两大工程机械巨头,都是从制造注浆泵和混凝土泵起家,以此积累资本延伸到其他工程机械产品的,而且注浆泵目前仍然是公司的主打产品“中国大规模的城市建设和整改在一定程度上促进注浆泵和注浆机械工业的持续繁荣”近年来,随着注浆泵市场不断扩大,注浆技术水平的不断提高,注浆泵的发展趋势明显呈现以下特点：1）发展全液压驱动往复式注浆泵是主流2）尽量使得系统液压冲击小、噪声低、注重环保3）提高注浆泵的输出压力4）液压系统趋于结构简洁,安装调试方便等特点多采用集成阀块形式5）提高注浆泵的工作可靠性和作业效率6）小批量、多品种适应用户要求1.4 课题研究背景及主要任务随着产品技术水平的不断提高，油田 80%以上钻机产品的功能设置及实际使用的需要，都要求配备往复式泥浆泵。在钻机各部件的动力传动中，除空压机，泥浆泵外其它部件均采用了液压传动及控制技术，由于机械式往复泥浆泵结构复杂，动力传动及流量控制不灵活，冲击大，重量重影响了钻机产品整体水平的提高。目前油气地震勘探工作正在向地理条件更加恶劣的地区转移，油气勘探钻机需要配备高效，节能，重量轻，维护方便的泥浆泵，因此，将泥浆泵的驱动，控制方式由机械式改进为液压驱动与控制对钻机技术性能提高有着非常重要的作用。以往的 150 型注浆泵都是采用了机械动力源，而这次课题的设计主要是将机械动力源改进为全液压动力源。全液压动力源的好处在于，它相对机械动力源受到外界干扰比较少，可以增加注浆泵在恶劣的工作环境中的寿命，它是密封环境下工作的，可150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763以避免外界因素的干扰，加强了抗腐蚀性，同时也加强了工作时的安全性，密封环境下也降低了工作时的噪声。全液压动力源提高了工作效率。同时，液压注浆泵因其结构简单,相对减少了生产的难度，防爆性能好,易于过载保护输出特性可无级调节和并下狭窄空间易于安装布置等优点,深受煤矿行业欢迎。本文在分析现有机种自动换向液压往复机构的基础上，提出了实现自动换向的新方法，并用于驱动双缸双作用往复液压泵工作，实现泥浆泵的全液压驱动。课题主要完成的工作内容：1）液压自动换向机构的应用研究2）新型液压泥浆泵系统的方案设计3）机械系统设计与计算4）液压系统设计与计算5）绘制装配图、零件图和三维图150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763第二章 全液压泥浆泵的总体设计2.1 液压泥浆泵简介目前，在油气生产使用的泥浆几乎都是机械动力传动和控制的往复式活塞泵，由于机械式泥浆泵的动力传递的特点决定了其传递效率低、体积大、部件磨损快、维修困难等缺点。近年来，此问题已吸引了各行业的许多工程技术人员对其进行不断的研150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763究，以期使此问题得到解决，提高资源的利用率。随着液压技术的迅猛发展，利用液压油缸实现自动换向直接驱动泥浆泵的往返运动的方法称为众多专家所关注、讨论和实施的方案。解决泥浆泵的液压驱动和控制时的液压压力波动大、泥浆对液压活塞的磨损、合理的冲程长度与缸径比等问题的方法已有众多文章所分析、介绍。液压往复泥浆泵往复动作非常简单，只是要求换向机构能够及时、平稳的自动换向，结构简单且动作可靠，使用寿命长等。其中，自动换向机构性能的好坏直接影响泥浆泵的使用性能。因此，本章就液压泥浆泵的自动换向问题提出了新的解决方案。液压泥浆泵的基本原理如下：随着小型勘探钻机 和水井钻机技术的发展以及泥浆钻井技术的使用不断扩展，小型泥浆泵的使用也越来越广泛。但机械驱动式泥浆泵结构复杂、重量重、效率低，这些问题严重制约着产品的技术水平提高。2.2 传统式泥浆泵的原理分析以下图所示传统单缸双作用泥浆泵为例分析泥浆泵的工作原理以便指导全液压泥浆泵的结构设计。如图示由电机通过带传动输入动力，通过行星减速器减速。经偏心轮将回转运动转化为直线往复运动。驱动双作用活塞泵作功。活塞泵的进浆室、排浆室各有两个钢球组成的单向控制阀（如下图所示） 。当活塞杆向左驱动时，缸体右腔进浆（单向阀F2 打开，单向阀 F4 关闭） ，缸体左腔排浆（单向阀 F3 打开，单向阀 F1 关闭） 。当活塞杆向右图 2.1 传统泥浆泵原理图150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763驱动时，缸体左腔进浆（单向阀 F1 打开，单向阀 F3 关闭） ，缸体右腔排浆（单向阀 F4 打开，单向阀 F2 关闭） 。 （见以上工作原理图 2.1）除此之外,在主通路上安装空气力表用来调整泵在抽吸过程中产生的波动大小。2.3 方案设计经过对传统式泥浆泵的原理进行分析结合设计背景要求，此次设计保留泵的结构不变把机械式原动机改为全液压驱动，并且为提高泵的排量，减小泵的往复换向频率和换向脉动本此设计采用双缸双作用对称布置式往复泵。而要通过液压驱动泵的往复动作，关键在于选择合适的液压换向机构，下面对几种换向机构方案设计如下：2.3.1 方案一：机动一液控自动换向机构此类机构的换向特点是：当活塞到达行程终点时，与活塞杆联动的撞块碰撞缸体上的先导阀阀芯或机架上的阀块，使换向阀换向，进而使液压缸的运动换向，带动泥浆泵的活塞周而复始的往复运动，其原理见下图：图中 AB 是固定在缸体上的碰撞式行程换向阀，也成先导阀；C 为液恐换向阀；D 为固定在液压缸活塞杆上的机械撞块。此机构要求结构复杂，机械碰撞可靠性差，使用换向回路换向频率较低，换向时没有设计缓冲，换向冲击大，不能充分利用液压缸的长度空间，但可以调整换向位置以适应不同的换向距离要求，不能充分利用液压缸的长度空间，但可以调整换向位置以使用不同的换向距离要求，对机构其他元件的使用性能影响大，整个系统的可靠性不高。可用于一般机械设备的液压控制系统。2.3.2 方案二：机动电控自动换向机构下图中，DT1、DT2 分别为对应触点行程开关和电磁铁开关，当触电行程开关得150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763电时，相应的电磁铁得电产生动作，电磁换向阀 DT1、DT2 为一对互锁开关，即其中一个开关得电时，另一个必然掉电，且不能同时得电。这类机构的特点是：当活塞到达行程终点时，与活塞杆联动的撞块碰撞机械触电开关，通过电控系统使电磁换向阀换向，进而使液压缸活塞换向，实现往复运动的功能。因电磁阀受电磁力的限制，主要用于小型流量阀，当流量较大时，产生冲击压力较大，该系统同样未考虑活塞在换向时的冲击，也不能充分利用液压缸的长度空间，但可以调整换向位置以适应不同换向距离的要求，适合在功率较小的场合，如普遍机床液压系统等。2.3.3 方案三：电液换向阀的换向机构电磁阀受电磁推力的限制，主要用于小型流量阀，它的换向时间短，每分钟换向次数可达 600 次，在流量较大时，产生冲击力较大。一般在流量较大时，采用液动换向阀控制，换向时间较长，但换向中极力较小。此外，液动换向阀单独使用次数较少，常与电磁换向阀一起使用，即电烨换向阀。利用电磁换向阀给出电讯号比较方便的优点，用来控制液动换向阀的控制油路，为小流量阀，因其在电液换向阀中起先导作用，一般称作先导阀。液动换向阀由液压控制，操作力大，为大流量阀，控制执行元件的主油路，称主阀。以弹簧对中的三位四通换向阀（34EY）组成的自动换向回路为例，介绍其自动换向原理，如下图：150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763换向时可能出现冲击现象，该系统控制原理简单，结构简单，使用可靠。但需要专门额控制电源，工作效率低，可在功率较小的机械设备中使用。图中节流阀是通过控制先导阀的高压流量为调节主阀的换向快慢的，由于此类机构没有设计液压缸的压力或位置反馈装置，可能因为负载的不确定性而不能及时判断液压缸中活塞是否到达顶端，可能会造成空行程活活塞达到液压缸顶端部后仍未换向而对系统零部件的损坏；降低了液压缸的空间使用效率。2.3.4 方案四：液控自动往复换向机构换向机构的工作原理是：该液压换向机构使用了缓冲液压缸（原理图见方案四），通过缓冲缸两端产生的高压控制油控制液压换向阀换向。A 、B 为液压缸的主油路进、出油口，a、 b 为液压缸的控制油路出油口，控制油路中设置了可调是节流阀、单向阀和蓄能器，主油路中设置了蓄能器。主油路换向使用了一个普通液控二位四通换向阀。液压缸的换向由缓冲液压缸活塞运行至缸体端部时，活塞与缸体端部出现的局部密封产生的高压油流控制换向阀换向。工作过程中如下：方案四所示位置换向阀技能是液压缸活塞正向右运动，液压缸左腔为高压腔，右腔为低压回油腔，控制口分别取得各自工作腔的压力，因此Pa=PAPb=PB,二位四通换向阀保持右位机能不变 ,液压缸活塞继续向右运动,当活塞运动至右端缓冲区时,活塞与缸体端部出现的局部封闭空间使压力迅速升高,活塞开始减速,控制口 b 得到这个压力,该压力值可以通过控制油路上的节流阀调定大小,我们是这个压力高于系统压力的某个值,即高于控制口 a 的压力值 ,此时,Pa=PAPB，二位四通换150 型全液压注浆泵设计详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763向阀换向为右位机能，液压缸左腔为低压回油腔，右腔为高压腔，液压缸活塞换向后向左移动，这是 Pa=PAPb=PB,二位四通换向阀保持右位机能不变 ,液压缸活塞继续向右运动,当活塞运动至右端缓冲区时,活塞与缸体端部出现的局部封闭空间使压力迅速升高,活塞开始减速,控制口 b 得到这个压力,该压力值可以通过控制油路上的节流阀调定大小,我们是这个压力高于系统压力的某个值,即高于控制口 a 的压力值 ,此时,Pa=PAPB，二位四通换向阀换向为右位机能，液压缸左腔为低压回油腔，右腔为高压腔，液压缸活塞换向后向左移动，这是 Pa=PA0.1cm=1mm取控制口直径为：5mm，完全满足控制油流在层流状态流动。7、密闭空间几何尺寸设计计算密闭空间前后的压力为：P1=0.2MPa，P2=10MPa控制口两端压差P=9.8MPa根据控制口两端作用力相等，控制有关的通径 d=5mm，且近似认为液压油不可压缩。,即2412PD22d591则密闭空间直径为：，取 40mmm4.3859考虑到实际使用时控制管路中液压油的压缩和不可避免的泄漏，以及当系统在即将换向时停机后控制油的泄漏，还应当保持系统不能存在换向死点，按照换向容积V 换向阀 =10.8cm3增加 20%作为密闭空间的实际容积，得密闭空间的容积为Q 密闭 =13cm3因此计算得密闭空间的最小长度 m6.1c.54132L为保险及验证假设条件及计算是否合理，取密闭空间长度为 20mm其余结构尺寸不一一计算。