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1、畢業(yè)設(shè)計（論文） 前 言 往復(fù)泵是泵類產(chǎn)品中出現(xiàn)最早的一種，至今已有2100多年的歷史。在旋轉(zhuǎn)式原動機出現(xiàn)以前，往復(fù)泵幾乎是唯一的泵類。在旋轉(zhuǎn)式原動機出現(xiàn)以后，才逐步地產(chǎn)生了離心泵和轉(zhuǎn)子泵等其他類型的泵，由于他們的結(jié)構(gòu)比較簡單、操作比較方便，而且還有體積小、重量輕、流量均勻等一系列優(yōu)點，致使原來使用往復(fù)泵的地方逐步地為這些泵類所取代。目前，往復(fù)泵的產(chǎn)量只占泵類總產(chǎn)量的很少一部分。但是，往復(fù)泵所具有的特點并沒有被其他類型泵所取代。有些特點仍然是其它類型泵所不及，因此，它非但不會被淘汰，而且仍將作為一種不可缺少的泵類，被廣泛利用。 往復(fù)泵是一類品種多、批量少，而通用化程度比較低、專

2、業(yè)配套性很強的產(chǎn)品，他常常是隨著某一生產(chǎn)工藝的需要而產(chǎn)生，又隨著這一生產(chǎn)工藝的重大改革或取消而更新或淘汰。當(dāng)這種生產(chǎn)工藝長期穩(wěn)定時這一工藝，需要的定型產(chǎn)品。往復(fù)泵應(yīng)用十分廣泛，無論是在工業(yè)或農(nóng)業(yè)、陸上和海上、國防與民用、科研與生產(chǎn)等各個部門，仍然是作為一種不可或缺的產(chǎn)品被廣泛地采用著?？偫ǜ鞣N類往復(fù)泵，輸送各種不同介質(zhì)，由一般常溫清水直至具有強腐蝕、易揮發(fā)、易結(jié)晶、易燃、易爆、劇毒、惡臭、磨礪性強、比重大、粘度高、有放射性或其他貴重液體等。 往復(fù)式鉆井泵通常被稱為泥漿泵，其在石油鉆井工作中的重要性非常高，將其比擬為鉆機的心臟。20世紀(jì)60年代初期，石油鉆采市場急需壓力和排量能適應(yīng)噴射鉆井工藝

3、要求，同時體積小、質(zhì)量輕，能滿足當(dāng)時海洋和沙漠鉆井安裝運輸條件的鉆井泵，最終于20世紀(jì)60年代末期誕生了三缸單作用活塞式鉆井泵（簡稱“三缸泵”）,并在數(shù)年內(nèi)在當(dāng)時的中、大功率鉆井泵完全取代雙缸泵，至今已經(jīng)主導(dǎo)鉆井泵市場。在70年代中期，我國有蘭州石油化工機械廠、蘭州石油機械研究所、江漢鉆采機械研究所和大隆機械廠等單位開始研究三缸單作用鉆井泵。到80年代中期，開始廣泛推廣使用。截至目前已形成和產(chǎn)生370KW、590KW、740KW和1180KW系列產(chǎn)品，在當(dāng)時有2000多臺在大、中型鉆機上配套使用，這對推廣高壓噴射鉆井、近平衡鉆井和叢式定向井等新工藝、新技術(shù)發(fā)揮了重大作用，促進(jìn)了鉆井效率和井身質(zhì)

4、量的提高。 目前，世界各國都在研究和使用三缸單作用泥漿泵，并且都是朝著大功率、長沖程、大缸徑、高泵壓的技術(shù)方向發(fā)展。國外對鉆井泵的研究早、技術(shù)精、產(chǎn)品系列齊全，尤其以美國的鉆井技術(shù)最為先進(jìn)，俄羅斯和羅馬尼亞次之。我國對石油鉆井泵的起步較晚，但通過技術(shù)引進(jìn)、自主研發(fā)，我國與國外先進(jìn)技術(shù)的差距正在逐步縮小。當(dāng)前我國生產(chǎn)石油鉆井泵的單位主要有寶雞石油機械有限公司、蘭州蘭石國民油井石油工程公司單位，其生產(chǎn)的系列三缸泵已經(jīng)能基本滿足我國大部分油田鉆井的需要，并有部分出口。 鉆井技術(shù)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(shù)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

5、擇，高壓噴射則由高可靠性的鉆井泵來保證。因此，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)計的發(fā)展方向。 本次課程設(shè)計我做的課題是3NB2200型泥漿泵總體及傳動軸總成設(shè)計。由于鉆井泵的功率正隨著鉆井深度的增加與噴射鉆井的需要，向著大排量、高功率方向發(fā)展，鉆井設(shè)備制造商也開發(fā)出了一系列性能較好，體積較小，質(zhì)量較輕的泥漿泵，以滿足承包商適應(yīng)各種鉆井工況的需要；并且隨著我國石油工業(yè)的發(fā)展，使得石油鉆探工作不斷向深層油藏發(fā)展，這樣迫切需要大功率泥漿泵用來循環(huán)泥漿。為了滿足鉆井需要，設(shè)計2200馬力鉆井泵是非常有必要的

6、。而且，大功率的泥漿泵也具有很大的市場前景。 因為鉆井深度的持續(xù)增加以及噴射鉆井的需要，鉆井泵會繼續(xù)朝著低沖次、長沖程、高泵壓、大功率、大排量和輕量化方向發(fā)展。所以，傳動軸作為往復(fù)泵運動中最重要的一個環(huán)節(jié)，對其材料、性能、強度等的方面都有比較高的要求。否則，大功率泵的沖程、沖數(shù)、泵壓等主要參數(shù)設(shè)計以及體積和質(zhì)量指標(biāo)都將難以達(dá)到用戶要求。因此，制造用于這樣高壓力的傳動軸總成設(shè)計是一個很重要的課題。 本次設(shè)計的主要內(nèi)容是對往復(fù)泵進(jìn)行功能分析，整體方案構(gòu)思、擬定、評價和確定；對往復(fù)泵總體參數(shù)進(jìn)行計算和選擇；畫出往復(fù)泵的整體裝配圖；對傳動軸進(jìn)行功能分析，了解傳動軸的工作條件，使用要求，設(shè)計出符合要

7、求的傳動軸，對其相關(guān)零件進(jìn)行設(shè)計計算，確定其各部分零件結(jié)構(gòu)，應(yīng)用計算機圖形軟件繪制二維圖和三維圖。設(shè)計中的關(guān)鍵問題是如何使往復(fù)泵具有低沖次，長沖程的特點；提高往復(fù)泵易損件壽命，提高可靠性；使往復(fù)泵的原理結(jié)構(gòu)更加新穎，更加合理，功能更為齊全，整機重量不能過重等。雖然在設(shè)計中遇到了很多問題，但是在同組同學(xué)一起討論和老師的耐心指導(dǎo)下，遇到的問題也一一解決。 畢業(yè)設(shè)計是高等院校專業(yè)性很強、很重要的最后一次設(shè)計，是各用人單位對大學(xué)畢業(yè)生人才技能判定的需求。此次設(shè)計，通過查閱大量的資料，復(fù)習(xí)我們以前學(xué)習(xí)的知識，與小組相互討論交流學(xué)習(xí)，并在請教指導(dǎo)老師的幫助下最終完成，在此過程中提高了我們的查閱資料的能力

8、，培養(yǎng)了團(tuán)隊合作能力；以及在蘭石廠與實物對照的學(xué)習(xí)，也讓我們置身于工程背景中，不僅培養(yǎng)了我們處理問題、解決問題的能力，而且可以使我們更快的適應(yīng)企業(yè)的生活。 由于時間倉促，在本說明書編寫過程中難免有疏忽之處，在此，衷心希望老師們不吝賜教，對我的本次畢業(yè)設(shè)計中的不足之處予以指正。 目錄 摘 要 4 Abstract 5 第一章 概述 6 1.1 引言 6 1.2畢業(yè)設(shè)計的關(guān)鍵問題及難點 9 第二章 總體方案的制定及比較 10 2.1泥漿泵設(shè)計的原始數(shù)據(jù) 1

9、0 2.2 泥漿泵的總體方案設(shè)計 10 2.3傳動軸方案設(shè)計 12 第三章 相關(guān)設(shè)計計算 14 3.1 主要參數(shù)選擇計算 14 3.2 電動機的選擇 15 3.3 傳動比分配 15 3.4 齒輪設(shè)計計算 15 3.5 傳動軸設(shè)計 19 3.6 軸承選擇與校核 22 3.7套杯設(shè)計 23 3.8 軸承端蓋設(shè)計 23 外文文獻(xiàn)翻譯及原文 25 參考文獻(xiàn) 43 致謝 45 摘 要 鉆井泵是輸送泥漿及執(zhí)行水利程序的關(guān)鍵設(shè)備，被譽為鉆機的“心臟”。其性能與可靠性在鉆

10、 井作業(yè)中的重要性已為人們所公認(rèn)，隨著陸地和近海石油鉆井深度的不斷增加。現(xiàn)有的1600HP鉆井 泵已無法滿足日益發(fā)展的鉆井技術(shù)的需要，必須研制開發(fā)更大功率的鉆井泵，設(shè)計出符合人們要求 的鉆井泵。 本次課程設(shè)計我做的課題是3NB2200型泥漿泵總體及傳動軸總成設(shè)計。正因為鉆井泵的功率正 隨著鉆井深度的增加與噴射鉆井的需要，向著大排量、高功率方向發(fā)展，鉆井設(shè)備也向小體積、輕 質(zhì)量的方向發(fā)展，以滿足各種鉆井工況的需要；并且隨著我國石油工業(yè)的發(fā)展，使得石油鉆探工作 不斷向深層油藏發(fā)展，這樣迫切需要大功率泥漿泵用來循環(huán)泥漿。為了滿足需要，設(shè)計2200馬力鉆 井泵

11、是非常有必要的。而且，大功率的泥漿泵也具有很大的市場前景。 本次設(shè)計的主要內(nèi)容是對往復(fù)泵進(jìn)行功能分析，整體方案構(gòu)思、擬定、評價和確定；對往復(fù)泵 總體參數(shù)進(jìn)行計算和選擇；畫出往復(fù)泵的整體裝配圖；對傳動軸進(jìn)行功能分析，了解傳動軸的工作 條件及使用要求，設(shè)計出符合要求的傳動軸，對其相關(guān)零件進(jìn)行設(shè)計計算，確定其各部分零件結(jié)構(gòu)， 應(yīng)用計算機圖形軟件繪制二維圖和三維圖，最終完成畢業(yè)設(shè)計。 關(guān)鍵詞： 大功率 3NB2200 傳動軸總成 Abstract Drilling pump is the key equipm

12、ent transport mud and executing water program, known as the "heart" of drilling rig. The importance of the performance and reliability in drilling operations have been recognized by people, along with the increase of land and offshore oil drilling depth. The existing 1600 HP drilling pump have been

13、unable to meet the needs of the growing development of drilling technology, drilling pump must be developed more powerful, designed to meet the requirements of the drilling pump. The subject curriculum design I do is overall and type 3NB2000 mud pump drive shaft assembly design. Because of the dril

14、ling pump power is increased with the increase of drilling depth and the needs of the jet drilling, direction toward large displacement, high power, drilling equipment has developed to the direction of small volume, light quality, so as to meet the needs of all kinds of drilling condition; And with

15、the development of Chinas oil industry, oil drilling work continuously to the deep reservoir development, the urgent need high power mud pump used for mud circulation. In order to meet the needs, the design of 2200 horsepower drilling pump is necessary. The mud pump and power also has great market p

16、rospect. The main content of this design is to analyze features of reciprocating pump, the overall design, drafting, evaluation and determination; The overall parameters of the reciprocating pump calculation and selection; Overall assembly drawings of the reciprocating pump; Function analysis was c

17、arried out on the transmission shaft, understand the working conditions and requirements of the transmission shaft, shaft design to meet the requirements, to design and calculate the relevant parts, determine its various parts structure, application of computer graphics software to draw 2 d and 3 d

18、figure, finally complete the graduation design. Key words: High power 3NB2200 The shaft assembly 設(shè) 計 內(nèi) 容 主要結(jié)論 第一章 概述 1.1 引言 隨著鉆井工藝技術(shù)，特別是高壓噴射鉆井、近平衡鉆井、叢式定向井、水平井等新工藝、新技術(shù)的發(fā)展，鉆井泵進(jìn)一步向大功率、大排量和高泵壓方向推進(jìn)。作為鉆機“心臟”的鉆井泵，為泥漿的循環(huán)提供動力保障，其重要作用包括：及時帶走巖屑、清洗井底，

19、防止卡鉆；平衡地層壓力，穩(wěn)定井壁，防止井塌、井噴和井漏；并為下動力鉆具傳遞動力，協(xié)助鉆頭破碎巖石，提高鉆井效率；冷卻潤滑鉆頭、鉆具等。其性能水平和使用壽命同鉆井速度個生產(chǎn)成本有著直接的關(guān)系，同時其工作條件又十分惡劣，工況也異常復(fù)雜，因此，對鉆井泵工作的可靠性和安全的要求也越來越高。 傳動軸作為往復(fù)泵運動中最重要的一個環(huán)節(jié)，對其材料、整體性能、強度等的方面都有比較高的要求。否則，大功率泵的沖程、沖數(shù)、泵壓等主要參數(shù)設(shè)計以及體積和質(zhì)量指標(biāo)都將難以達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。因此，用于這樣高壓力的傳動軸總成設(shè)計是一個很重要的課題。 1.1.1 選題背景及意義 往復(fù)泵是石油鉆機的三大部件之

20、一，是鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。鉆井時往復(fù)泵在高壓下向井底輸送高粘度，大密度和高含沙量的液體，以便冷卻鉆頭，攜帶出巖屑，并作為井底動力鉆具的動力液，輔助鉆頭鉆進(jìn)。在各種形式的泵中，往復(fù)泵由于具有能在高壓下輸送高粘度、大比重、高含沙量和流量相對較小的液體的特性，因而在鉆井作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鉆井泵在鉆井時用來循環(huán)泥漿、循環(huán)鉆井液及為井下鉆具提供動力，是鉆井工程中不可缺少的與鉆機配套的關(guān)鍵裝備之一，俗有鉆機“心臟”之稱，也是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝難度很大的石油機械產(chǎn)品。我國的泥漿泵是從1960年代開始，由引進(jìn)美國技術(shù)發(fā)展起來的，對石油鉆井泵的研究起步比較晚，但通過技術(shù)引進(jìn)、自主研發(fā)，我國與國外先進(jìn)

21、技術(shù)的差距正在縮小。 以往的鉆井泵在功率和壓力等方面，已不能滿足深井、超深井以及特深井鉆井工藝的要求，這對鉆井技術(shù)提出了嚴(yán)峻的考驗。因而對目前大功率鉆井泵采取高泵壓、大排量的參數(shù)設(shè)計，將為深井、超深井的安全鉆進(jìn)和提高鉆速提供重要保障。預(yù)計在未來中，在我國的各類海洋平臺和鉆井船上的3NB1300型和3NB1600型泵也將陸續(xù)改造為3NB2200型泵。而在沙漠中大于7000m的油氣井也將用3NB2200型泵來完成。因此，現(xiàn)有的1600HP鉆井泵已無法滿足日益發(fā)展的鉆井技術(shù)的需要，必須研制開發(fā)更大功率的鉆井泵。 1.1.2 泥漿泵工作狀況及設(shè)計特點 與目前在工業(yè)界中應(yīng)用較廣泛的

22、其他往復(fù)泵相比， 鉆井泵的工作狀況如下： （1）排量和功率大。 在機動往復(fù)泵中，常用的化工用泵、計量泵、高壓液壓泵等的排量為 2-20L/s, 功率至多 550KW。鉆井中在環(huán)形空間中有足夠的上反速度和鉆頭水眼上有足夠的壓力 降，一般要求鉆井泵單泵有 30-50L/s 的排量，而功率最大的鉆井泵已達(dá) 2205KW。 （2）鉆井泵持續(xù)工作于野外，并經(jīng)常移動運輸。 安裝時不可能配有講究的基礎(chǔ)，所謂的泵房至多不過是一架簡易的頂棚。環(huán)境 條件與維護(hù)保養(yǎng)條件極差。這種條件不但無法與固定在廠房里的泵相比，甚至也不能 和固井壓裂泵相比。固井壓裂泵雖然也在井場工作，但可以較安穩(wěn)的安裝在重型汽

23、車 上，在野外工作數(shù)小時后即可回基地檢修。 （3）泵輸送的介質(zhì)是泥漿，其中含有堿、酸等腐蝕成分和巖屑等固相成分。 所以，鉆井泵液力端的零件在工作時經(jīng)受介質(zhì)的腐蝕，磨礪和沖蝕。 上述的基本工作條件又為鉆井泵的設(shè)計帶來以下的特點： a.沖次低。中、大功率雙缸鉆井泵的沖次為每分鐘 60到65次,三缸泵的使用沖次為 每分鐘90到120次。在機動往復(fù)泵中是最低的。沖次難以提高的首要原因在于鉆井泵的功 率和排量很大，安裝條件又差，故對因沖次的提高引起的沖擊、震動較為敏感；此外， 易損件的壽命和吸入條件也是限制沖次提高的重要因素，例如，即使在有噴淋水冷卻 的條件下，橡膠活塞皮碗的運動平

24、均速度一般需控制在 0.9m/s 以下。低的沖次要求 動力機和曲軸連桿機構(gòu)之間的傳動比大，傳動環(huán)節(jié)多。 b.鉆井泵不但排量大，而且泥漿具有一定的粘度。有時還需在泥漿中混入纖維 狀或片狀 、粒狀的堵漏材料。因此，鉆井泵除要求吸入、排出管線有較大的流道面 積以外，還要求有較大的閥座孔流道面積和閥升程。鉆井泵的閥座孔流道直徑為 100mm 左右，閥升程為 20mm 左右，這比其他種類的往復(fù)泵要大得多。這一特點首 先決定了鉆井泵的泵閥開啟、關(guān)閉滯后角較大，這對容積效率和吸入 管中的慣性水頭只有較大的影響。其次，閥盤直徑大，其上受的總液壓力也大。其結(jié) 果，一是惡化了面積有限的閥體—閥座接觸面的

25、受載；二是閥體為了具有足夠的強度 必須做的比較厚實，增大了他的質(zhì)量和慣性，這也是不利于提高泵速的因素之一。 c.外型尺寸大。泵的排量決定于沖次、活塞直徑和沖程長度，鉆井泵的排量大 而沖次低，因而必須加大活塞和加長沖程。按它的外型尺寸和重量，鉆井泵為往復(fù)泵中的巨型泵。 d.鉆井泵是在環(huán)境條件很差的野外工作，他的某些結(jié)構(gòu)設(shè)計也反映了這一點。 主要一點是在傳動端全部采用滾動軸承而避免采用液體潤滑的高壓比壓滑動軸承。在 曲軸連桿機構(gòu)中，由于不采用滑動軸承，曲軸只能在兩端簡支，三個曲拐之間沒有支點。這一方面減弱了曲軸的強度和剛度，另一方面又將泵內(nèi)減速齒輪置于兩個曲柄之 間而不是靠近軸

26、承。而在一般減速箱的設(shè)計中，要求齒輪盡可能靠近軸承。以保證較 好的嚙合。 e.由于泵輸送的介質(zhì)具有腐蝕性和磨礪性，再加上礦場維護(hù)保養(yǎng)條件差，鉆井泵液力端的易損件壽命比之于其他行業(yè)的應(yīng)用比往復(fù)泵都要低。設(shè)計泵時必須要考慮 裝卸易損件方便。 1.1.3 往復(fù)泵發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 一般認(rèn)為，1901 年在美國德克薩斯州的斯賓爾托普（Spindletop）鉆出的那口約 1100ft（336m）深的有商業(yè)價值的石油井是近代油氣工業(yè)旋轉(zhuǎn)鉆井史的起點。當(dāng)時，鉆井使用的是類似于雙杠雙作用活塞式蒸汽泵，泵壓為17.3105Pa。這種泵不是專業(yè)為輸送泥漿設(shè)計的，而是一般的供水用泵。但是在 1

27、971 年生產(chǎn)的蒸汽泵已是專門設(shè)計的鉆井泥漿泵了。其蒸氣活塞直徑為 254-305mm(10~12in),泵的活塞直徑為 1500mm 左右，沖程為 305-356mm，最高泵壓和 功率分別可達(dá) 410 10Pa 和 48KW，最高理論排量為 23L/s。這種泵的泵頭既是今天雙 杠雙作用鉆井泵液力端的鄒型。其主要不同之點在于當(dāng)時的泵閥還是平板閥。這種泵一直使用到 30 年代。蒸汽泵的動力來自鍋爐產(chǎn)生的蒸汽。但在礦場，鍋爐的使用和運輸都不方便。因此，蒸汽鉆井泵逐漸被內(nèi)燃機驅(qū)動的機動泵所代替。1962 年生產(chǎn)出雙缸雙作用機 動泵當(dāng)時這類機動泵的最大活塞直徑為 170mm，沖程為 457mm，功率為

28、 110-147KW，最高泵壓可達(dá)（100-125）10 5Pa。這種泵的設(shè)計和現(xiàn)在的雙缸雙作用泵已相當(dāng)接近了。其液力端已經(jīng)使用了錐形閥，傳動端內(nèi)有斜齒的減速齒輪、偏心軸、連桿和十字頭。采用了密封的飛濺潤滑，液力端排出管口裝有空氣包，但連桿大端還使用滑動軸承。到三十年代中期，由于泵的載荷越來越大，鉆井泵才采用了全滾動軸承設(shè)計。但當(dāng)時沒有大直徑的滾動軸承，所以主軸大多采用懸臂式曲拐軸方案，連桿大端的滾動 軸承內(nèi)圈固定在曲拐銷上。50-60 年代在中國礦場廣泛使用的仿蘇Y8-3泵就是這樣的結(jié)構(gòu)。隨著鉆井井深的增加和管套層數(shù)的增多，對鉆井的排量和泵壓提出了越來越高的要求。在二次世界大戰(zhàn)前，主要強調(diào)提

29、高排量。大型雙杠泵的沖次在20世紀(jì)內(nèi)一直是 60-65min ?1,為加大排量只有增大缸套內(nèi)徑 Dmax 和沖程長度S在30 年代中各公司都推出了 S=508MM(20in)的泵，Dmax達(dá)203mm(8in)。二次大戰(zhàn)后，泥漿性能有所改進(jìn)，同時展開了噴射鉆井技術(shù)的研究和發(fā)展工作。這時，鉆井作業(yè)者要求提高泵壓。 從40年代末到50年代中期，噴射鉆井泵的研究和實踐提出了 150-21010 5Pa 的泵壓要求。40年代末鉆井泵的功率比 30 年代末翻了一番，達(dá)到 600KW。同時，大部分公司把泵的最大沖程長度降回到 457mm(18in)。泵功率急劇加大，泵的重量和外型尺寸也隨之增加。

30、為減輕泵重，當(dāng)時在雙缸 泵的設(shè)計上較大的改進(jìn)是以鋼代鐵和減小泵寬。以鋼代鐵是用鋼板焊接的泵殼代換鑄 鐵泵殼，并將一些零件改用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，減小泵寬是應(yīng)用大直徑的滾動軸承作連 桿大端支撐，摒棄懸臂曲拐曲軸的方案而采用兩端簡支的偏心輪軸設(shè)計。這樣，兩缸中心距明顯縮小。這些都是 50 年代雙杠泵的主要改進(jìn)之處。當(dāng)然，除此之外，在細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)上還有不少改進(jìn)。 當(dāng)時比較流行的是一種采用簡支偏心輪軸設(shè)計的雙缸泵，功率為 440KW。他比前面敘述的 330KW 曲拐軸的功率大，但缸間距從1470mm 縮小到 490mm。在 60 年代開發(fā)的三缸單作用泵，繼承了用大直徑滾動軸承作連桿大端支撐、曲軸兩端簡支的設(shè)計

31、 思路。 盡管在 50~60 年代噴射鉆井工藝本身提出了 21010 5Pa 的泵壓要求，但雙缸泵 實際持續(xù)泵壓只能達(dá)到 15010 5Pa 左右。 60 年代初，急需設(shè)計制造一種泵壓能適應(yīng)噴射鉆井工藝要求，同時體積小、重量輕，能滿足當(dāng)時海洋、沙漠鉆井的安裝運輸條件的鉆井泵。各個公司都做了大量研究開發(fā)工作。其中目標(biāo)比較集中的是將用于固井裂壓的三缸柱塞泵改型為鉆井泵，因為它正好能滿足上述要求。在研制的開始階段，問題任發(fā)生在機械能轉(zhuǎn)化為液壓能的 界面上—在泥漿介質(zhì)中柱塞及柱賽密封的壽命過低。在這時，一組“單作用活塞—敞口缸套—噴淋水”的設(shè)計起了關(guān)鍵作用。它是鉆井泵史上代表一個新時代的三

32、缸單作用活塞式鉆井泵。于 60 年代末誕生，并在數(shù)年內(nèi)在大中馬力范圍內(nèi)完全取代了雙缸 泵。由于噴淋水的冷卻、潤滑和清洗作用。使活塞皮碗能在 21010 5Pa 的工作壓力和 0.9m/s 的平均速度時有 200-300h 的合理壽命。三缸泵比之雙缸泵，出泵壓高、重 量輕以外，還有易損件數(shù)量少、機械效率高、排量不均勻程度小等優(yōu)點。 在 80 年代，受石油價格大幅下跌的影響，鉆井技術(shù)和鉆井設(shè)備的發(fā)展都受到抑制。在三缸泵的設(shè)計、制造中應(yīng)用新技術(shù)、新材料并不多。受一度開展的高壓鉆井技 術(shù)研究的影響，美國油井公司推出了帶有經(jīng)自增強工藝處理的閥箱的新型泵，但因石油業(yè)的不景氣，并沒有獲得所期望的影響。

33、 往復(fù)泵在石油礦場上的應(yīng)用非常廣泛。它常常用在高壓下輸送高粘度、大密度和高含砂量的液體，而流量相對較少。按用途的不同，石油礦場用往復(fù)泵往往被冠以相應(yīng)的名稱，例如，在鉆井工程中，為了攜帶出井底的巖屑和供給井底動力鉆具的動力，用于向井底輸送和循環(huán)鉆井液的往復(fù)泵，稱作鉆井泵或泥漿泵；為了固化井壁，向井底注入高壓水泥的鉆井泵，稱為固井泵；為了造成油層的人工裂縫，提高原油產(chǎn)量和采收率，用于向井底注入還有大量固體顆粒的液體或酸堿液體的往復(fù)泵，稱作壓裂泵；在采油過程中，用于在井內(nèi)抽汲原油的往復(fù)泵稱作抽油泵，等等。 石油工業(yè)的發(fā)展對往復(fù)泵提出了更高的要求，主要是壓力越來越高，功率表越來越大，而制

34、造個維修成本要低，體積和重量不能過大。由于石油礦場用往復(fù)泵的工作條件都十分惡劣，提高其易損件（主要是泵閥、活塞和缸套等）的工作壽命，就成為往復(fù)泵設(shè)計、制造和選擇使用中迫切需要解決的問題。近年來，國內(nèi)外在往復(fù)泵的理論和試驗研究、設(shè)計制造和選擇使用等方面，做了許多工作，特別是單缸三作用往復(fù)泵在石油鉆井中的推廣使用，為提高鉆井速度創(chuàng)造了有利的條件。 目前，鉆井泵的功率正隨著鉆井深度的增加與噴射鉆井的需要，向著大排量、 高功率方向發(fā)展。鉆井設(shè)備制造商開發(fā)出了性能更好，體積更小，質(zhì)量更輕的泥漿泵， 以滿足承包商適應(yīng)各種鉆井工況的需要。世界各國都在大量研究和使用三缸單作用泥漿泵，并且都是朝著大功

35、率、 長沖程、大缸徑、高泵壓的技術(shù)方向發(fā)展。國外對鉆井泵的研究早、技術(shù)精、產(chǎn)品系 列齊全，尤其以美國的技術(shù)最為先進(jìn)，俄羅斯和羅馬尼亞次之。 我國的泥漿泵是從 1960 年代開始，由引進(jìn)美國技術(shù)發(fā)展起來的。當(dāng)前，我國 生產(chǎn)石油鉆井泵的單位主要有寶雞石油機械有限公司、蘭州蘭石國民油井石油工程公司等單位，其生產(chǎn)的系列三缸泵己經(jīng)能基本滿足我國大部分油田鉆井的需要，并有部分出口。總體來說，我國對石油鉆井泵的研究起步較晚，但通過技術(shù)引進(jìn)、自主研發(fā)，我國與國外先進(jìn)技術(shù)的差距正在逐步縮小。 三缸單作用泥漿泵雖然是目前國內(nèi)外的趨勢，但是，這種泵也有其本身無法克服的缺點：（1）鉆井泵重量大

36、，難以適應(yīng)現(xiàn)代輕便鉆機的要求，制約著鉆機的移運性；（2）沖程短，沖次高,鉆井泵在不適合的沖次范圍內(nèi)工作，致使液力端壽命短。（3）泵壓偏低，不能完全滿足現(xiàn)代鉆井工藝的需要。（4）結(jié)構(gòu)不合理，部分強度冗余，部分剛度不足，可靠性低，難以滿足鉆機 高可靠性要求。（5）缸套壽命短，難以滿足鉆機高效率要求等。目前國外已開始研制一些新型的鉆井泵，如：新型液壓驅(qū)動雙作用鉆井泵、新型液壓驅(qū)動三缸鉆井泵、Mud-master 液壓驅(qū)動鉆井泵、偏斜曲柄連桿機構(gòu)鉆井泵、新型 HD系列三缸鉆井泵、六角形無脈動鉆井泵等。當(dāng)然這幾種新型泵的技術(shù)還不是很成熟，目前仍沒能得到廣泛應(yīng)用。 1.2畢業(yè)設(shè)計的關(guān)鍵問題及難點 1.

37、2.1關(guān)鍵問題： （1）低沖次，長沖程； （2）提高易損件壽命，提高可靠性； （3）原理結(jié)構(gòu)將要求更加新穎，功能更為齊全，整機重量要求不能過重。 1.2.2.難點 （1）3NB2200型泥漿泵對同學(xué)們而言為首次設(shè)計； （2）動力端和液力端零部件將采用更加新穎的結(jié)構(gòu)； （3）優(yōu)化其他零部件結(jié)構(gòu)，使單位馬力重量為最輕。 第2章 總體方案的制定及比較 2.1泥漿泵設(shè)計的原始數(shù)據(jù) 型式： 臥式往復(fù)式活塞泵； 額定輸入功率： 1640K

38、W（2200HP）； 最大排量： 51.9 L/s； 最高工作壓力： 52Mpa 活塞沖程： 356—406mm（14”—16”） 傳動比： 3—5 2.2 泥漿泵的總體方案設(shè)計 目前，世界各國都在大量研究和使用三缸單作用泥漿泵，并且都是朝著大功率、長沖程、大缸徑、高泵壓的技術(shù)方向發(fā)展。所以，我所設(shè)計的方案均為三缸單作用往復(fù)式泥漿泵。 2.2.1 方案一：三缸單作用雙電機雙斜齒輪傳動 該方案的優(yōu)點：采用變頻電機帶動泥漿泵工作，即可實現(xiàn)無極調(diào)速，泵的

39、排量可在允許的范圍內(nèi)任意改變。缸套尺寸少，備用件少，庫存材料少，缸套活塞不用來回拆卸不會延誤正常鉆井時間，減少了井下的不安全因素。采用兩臺電機并機提供動力，可提供較大的功率。 該方案的缺點：采用雙斜齒輪傳動，對此設(shè)備的安裝精度要求比較高，并且高速傳動容易產(chǎn)生較大的震動；體積大，質(zhì)量大，安裝和拆卸非常不方便，此設(shè)計大多是在海洋石油領(lǐng)域使用，運移比較困難。 2.2.2 方案二：三缸單作用單電機單人字齒傳動 該方案的優(yōu)點：相對于方案一，此方案采用一臺電機、一對人字齒傳動，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，傳動相對穩(wěn)定，不易產(chǎn)生較大的震動；在傳動軸上安裝大齒輪，曲軸上安裝小齒輪，可降低

40、電機的功率。 該方案的缺點：傳動軸上為大齒輪，制造相對麻煩，成本高；此方案傳動處為加速結(jié)構(gòu)，并且傳遞動力大，所以小齒輪與曲軸鏈接處容易損壞，拆卸、維修相對比較空難；由于齒輪離電機處即可比較近，則遠(yuǎn)端軸承易損壞。 2.2.3 方案三：三缸單作用雙電機單人字齒傳動 該方案的優(yōu)點：該方案由兩臺電機通過兩組皮帶帶動傳動軸提供動力，可為傳動軸提供較大的功率；傳動軸小齒輪，曲軸大齒輪，有效解決了齒輪與曲軸連接處易損壞的問題。 該方案的缺點：由于用兩組皮帶傳遞動力，經(jīng)過計算，所需要的皮帶根數(shù)較多，安裝、維修相對較空難，并且根數(shù)較多，容易產(chǎn)生相對滑動提供動力不穩(wěn)定。 2.2.

41、4 最終方案確定 經(jīng)過三個方案的對比。我選用方案二作為我的設(shè)計方案，最主要的原因，其結(jié)構(gòu)簡單，所需成本低；制造安裝將對比較簡單。但是，通過老師指導(dǎo)以及小組探討，最終確定為以下方案： 該方案的優(yōu)點：相對于方案二此方案機殼上的軸承受力比較均勻不易損壞；此方案采用兩臺電機并機提供動力，可提供較大的功率；用變頻電機帶動泥漿泵工作，即可實現(xiàn)無極調(diào)速，泵的排量可在允許的范圍內(nèi)任意改變；由于傳動功率比較大，所以采用人字齒傳動，并且此三缸單作用泥漿泵傳動軸、曲軸受力比較均勻，傳動比較穩(wěn)定，不易產(chǎn)生震動且易于維護(hù)、維修和換缸套；

42、該方案的缺點：該方案在沖次提高的情況下會導(dǎo)致其自吸能力的降低，通常情況下應(yīng)該配備灌注系統(tǒng)，即由一臺灌注泵向三缸單作用泵的吸入口供給一定壓力的液體，這樣便增加了附屬設(shè)備，使得體積增大，質(zhì)量增大，安裝和拆卸非常不方便，特別是在海洋石油領(lǐng)域使用，運移比較困難。 2.3傳動軸方案設(shè)計 傳動軸作為往復(fù)泵設(shè)計中重要零件之一，其性能要求相對比較關(guān)鍵；通過查閱相關(guān)書籍、文獻(xiàn)，在此次傳動軸方案設(shè)計中，我確定了一下三種方案： 2.3.1方案一：齒輪與軸之間采用鍵連接 此方案優(yōu)點：通過鍵連接，其結(jié)構(gòu)簡單，容易加工，制造成本相對較低。 此方案缺點：1.齒輪在運行過程中，由于震動且長時

43、間運行時會產(chǎn)生軸向竄動，若想解決此缺點需在齒輪兩側(cè)增加套筒，影響傳動效率又增加了成本。 2.此傳動方式易損部位為齒輪齒根與齒輪和軸之間的連接部位；又因為傳動動力大、轉(zhuǎn)速高、傳遞扭曲也相對比較大，所以此連接部位容易損壞。 2.3.2方案二：齒輪與軸焊接連接 此方案優(yōu)點：同方案一，此方案結(jié)構(gòu)簡單，容易加工，制造成本相對較低。 此方案缺點：在兩者焊接的過程中，焊接部位會產(chǎn)生焊接應(yīng)力；由于齒輪相對比較薄，產(chǎn)生的焊接應(yīng)力也相對比大，所以在運行過程中焊接部位容易損壞；現(xiàn)在有很多種方案可以解決焊接應(yīng)力，但是在解決的過程中又會影響軸和軸承的原有性能，又增加了制造成本。 2.3.3方案三

44、：齒輪與軸整體鍛造 此方案優(yōu)點：相對于以上兩個方案，此方案較為完美的解決了連接部位已損壞的缺點；并且在傳動過程中齒輪與軸整體受力比較均勻，在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的震動比較?。灰惨驗槭钦w受力，其可承受較大的載荷力。 此方案缺點：鍛造成本比較高，鍛件剛度比較大，機加工相對比較困難；在加工過程中，所需要的專用設(shè)備比較多，加工工藝比較復(fù)雜。 通過三種方案的對比，我選擇第三種方案作為我的傳動軸設(shè)計方案，雖然其加工成本比較高，加工工藝比較復(fù)雜，加工困難程度大，但是整體性能優(yōu)良，不需要考慮連接處易損壞的問題，可謂一半多利。故最終選擇第三種齒輪與軸整體鍛造方案。

45、 傳動軸零件二維圖 傳動軸零件三維圖 第3章 相關(guān)設(shè)計計算 3.1 主要參數(shù)選擇計算 3.1.1 排量 鉆井泵的排量取決于鉆井工藝的要求,本次設(shè)計原始數(shù)據(jù)中給出最大排量Q=51.9 L/s 3.1.2 泵的額定功率 泵的額定功率可以定義為泵工作于額定沖次時輸入功率的名義值。由原始數(shù)據(jù)可知三缸泵的額定功率 N=1640KW。 3.1.3 泵壓 主要是選定一臺鉆井泵的最高排出壓力，即這臺泵的最高設(shè)計壓力，它主要取決于鉆井工藝的需要和液

46、力端密封的耐壓極限。 由 N=PQ0/0.95 式中 N—泵的額定功率 Q0—在額定沖次n時對應(yīng)于某一尺寸缸套的理論排量; P—對應(yīng)于同一缸套的最高泵壓 取此泵的容積效率為0.95 則 P=0.95N/Q0=30MPa 3.1.4 沖程和沖次 取沖次 n=105次/s 取活塞的平均速度為1.3m/s，計算可得沖程s=372mm； 則取沖程 s=381mm 3.1.5 最大缸套直徑 經(jīng)計算可得最大缸徑為D=190mm

47、 3.1.6 實際排量Q1 由公式Q1=AsnZ可得實際排量為Q1=56.7L/s 最終在老師的指導(dǎo)和小組的討論下我們得出的最合適數(shù)據(jù)是：沖次n為100沖每分鐘，沖程s為15英寸即381mm，容積效率取0.95。 所以可得出: 2200馬力三缸單作用泥漿泵工況表 N=1640 KW s=381mm 缸徑（mm） 200 190 180 170 160 150 泵壓（M） 24.66 27.33 30.45 34.14 38.54 43.85 沖次(沖/s) 輸入功率（KW） 輸出功率（KW）

48、 理論排量（L/s） 100 1640 1476 59.85 54.01 48.48 43.24 38.3 33.66 95 1559 1403 56.85 51.34 46.05 41.07 36.39 31.98 90 1476 1328 53.86 48.61 43.63 38.92 34.47 30.29 85 1394 1255 50.56 45.91 41.20 36.76 32.56 28.61 80 1312 1181 47.84 43.21 38.78 34.59 30.64 26.9

49、3 75 1230 1107 44.88 40.51 36.36 32.43 28.73 25.25 70 1149 1034 41.89 37.81 33.94 30.26 26.81 23.57 3.2 電動機的選擇 電動機所需功率Pd=P/η0 其中 Pd為工作機所需要的輸入功率(KW) η0為電機傳動到工作機的總效率 P 為工作機的功率(KW) η0電機傳動到工作機的總效率為 η0=η1η2η3 式中 η1、

50、2、3分別為聯(lián)軸器、鏈條傳動、軸承的傳動效率，取 η1=0.99、η2=0.97、η3=0.99。 可得 η0=0.990.970.990.99=0.942 則計算可得Pd=1741KW 經(jīng)過查相關(guān)書籍選取 Y4504-4 型號電機，其額定功率為900KW，轉(zhuǎn)速為1480r/min，即可滿足傳動要求。 3.3 傳動比分配 滾子鏈的傳動比 i1=1-5，圓柱齒輪傳動的傳動比,一般取 i2=1-8。 經(jīng)計算可得 鏈傳動傳動比為 i1=3， 圓柱齒輪傳動比為 i2=5

51、。 3.4 齒輪設(shè)計計算 此次設(shè)計中由于較大的傳遞載荷，此處采用人字齒輪，在結(jié)構(gòu)中將人字齒輪分成兩個斜齒輪則兩個斜齒輪的軸向力相互抵消，人字齒輪的設(shè)計可以按照兩個斜齒輪來設(shè)計。 3.4.1 選擇精度等級、材料及齒數(shù) （1）泥漿泵為重型機械，按 GB/T10095-1988，齒輪傳動的精度等級為 8 級精度。 （2）材料的選擇。 選小齒輪的材料為 40Cr(調(diào)質(zhì))，大齒輪的材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)）。 （3）選擇小齒輪的齒數(shù)Z1=30則大齒輪的齒數(shù)：Z2=iZ1=305=150 （4）選取螺旋角，初選螺旋角為30。 3.4.2 按齒面接觸強度計算 即：

52、 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （1） 試選載荷系數(shù) （2） 由齒輪設(shè)計手冊選取區(qū)域系數(shù) （3） 由齒輪設(shè)計手冊查得 則 （4） 計算小齒輪傳遞的扭矩 (5) 由齒輪設(shè)計手冊查得材料彈性影響系數(shù)。 (6) 由齒輪設(shè)計手冊查得齒寬系數(shù)。 (7) 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限,大齒輪的接觸疲勞強度。 (8) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)按無限次設(shè)計。 查得接觸壽命系數(shù),。 (9) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力，取失效概率為 1%，安

53、全系數(shù) S=1，則 (10) 計算小齒輪分度圓直徑，由計算公式得： (11) 圓周速度： （12）計算齒寬及模數(shù)： （13）計算縱向重合度： （14）計算載荷系數(shù)： 根據(jù)齒輪設(shè)計手

54、冊查得使用系數(shù) ； 根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)速及精度等級查得動載系數(shù)； 查得齒向載荷分布系數(shù)（接觸疲勞強度計算） ； 查得齒向載荷分布系數(shù)（彎曲強度計算）； 查得齒間載荷分布系數(shù)； 故 載荷系數(shù)： (15) 按實際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 （16）計算模數(shù)：

55、 3.4.3 按齒根彎曲強度設(shè)計： 確定計算參數(shù)： （1）設(shè)計載荷系數(shù)； （2）根據(jù)縱向重合度,從齒輪設(shè)計手冊查得螺旋角影響系數(shù)； （3）計算當(dāng)量齒數(shù) （4）查取齒形系數(shù)根據(jù)齒輪設(shè)計手冊查得：，； （5）查取應(yīng)力校正系數(shù)由齒輪設(shè)計手冊查得：,； （6）由齒輪設(shè)計手冊查得，小齒輪的彎曲疲勞強度極限,大齒輪的彎 曲疲勞強度極限； (7) 由齒輪設(shè)計手冊查得，彎曲疲勞壽命系數(shù),； (8) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù)，得：

56、 （9） 計算大小齒輪并加以比較： 得：大齒輪數(shù)值大，帶入計算 由此計算結(jié)果取 則 則分度圓直徑：

57、 由 3.5 傳動軸設(shè)計 3.5.1傳動軸轉(zhuǎn)速 電動機轉(zhuǎn)速 電機功率 傳動比 則 傳動軸轉(zhuǎn)速 3.5.2輸入功率 電機效率 則 3.5.3輸入轉(zhuǎn)矩 3.5.4初算軸的是直徑 為軸的材料和受載情況確定的系數(shù)，選取軸的材料為35

58、CrMo，并且軸的轉(zhuǎn)矩較大， 故?。? 則 由于軸的兩端有鍵槽，則 最終圓整 取最小軸徑 3.5.5軸的強度驗算 （1） 軸的受力見圖如下： 小齒輪的分度圓直徑 齒數(shù) 圓周力 徑向力 (2) 計算軸承的之反力 a. 水平面上之反力 b. 垂直面上之反力

59、 （3）畫彎矩圖 a.水平面上的彎矩 b.垂直面上的彎矩 c.合成力矩 （4）畫彎矩圖 （5） 畫計算彎矩圖 因單向旋轉(zhuǎn)，視扭矩為脈動循環(huán)，，則截面C處的當(dāng)量彎矩為 H面 V面

60、 M T （6）按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強度 由上圖可見截面C的當(dāng)量彎矩最大，故校核該截面的強度 查表可得。因，故安全。 3.6 軸承選擇與校核 根據(jù)以上軸的受力分析，以及工作條件、所需傳動的轉(zhuǎn)速、所受載荷，選擇單列向心短圓柱滾子軸承，采用兩端固定的方式。型號為Nu2244M/YA4,并且查表知Nu2244M/YA4的額定動載荷為1300KN,額定靜載荷為1988KN，脂潤滑極限轉(zhuǎn)速為1000r/min，油潤滑極限轉(zhuǎn)速為1400

61、r/min。由上圖知將軸承受力分為水平平面和垂直平面。軸承的受力與軸上的力相關(guān)。 在水平面上 在垂直面上 則圓柱滾子軸承所受的徑向力： 又圓柱滾子軸承不承受軸向力，所以當(dāng)量動載荷系數(shù)X=1，Y=0； 當(dāng)量動載荷：,； 又，載荷系數(shù),溫度系數(shù)； 軸承的壽命計算： 故，其使用符合要求。 3.7套杯設(shè)計 由于軸承所受力比較大，轉(zhuǎn)速比較高，而軸承座材料為鑄鋼，

62、其強度、剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，導(dǎo)致軸承件壽命大大減小。所以需要一個套杯來提供較大的支撐力，并且保證安裝精度，降低成本。套杯具體設(shè)計如下圖所示： 3.8 軸承端蓋設(shè)計 軸承端蓋在此設(shè)計中的作用為：一是密封，避免軸承、套杯等比較高的零件裸露在外；二是對軸承限位，防止軸承因震動等因素，產(chǎn)生軸向攛動。具體設(shè)計如下圖所示：

63、

64、

65、 排量Q=51.9L/s 額定功率N=1640KW 泵壓P=30MPa 電 機 功 率 Pd=1741KW 鏈傳動傳動比為 i1=3， 齒輪傳動比為 i2=5。 小齒輪傳遞的扭矩 材料彈性影響系數(shù)

66、 齒寬系數(shù) 小齒輪的接觸疲勞強度 大齒輪的接觸疲勞強度 觸壽命系數(shù) 接觸疲勞許用應(yīng)力 小齒輪分度圓直徑 圓 周 速 度 齒寬 縱向重合度 載 荷 系 數(shù) 分度圓直徑 模數(shù) 載荷系數(shù) 螺旋角影響系數(shù) 當(dāng)量齒數(shù) 齒形系數(shù) 應(yīng)力校正系數(shù) 小齒輪的彎曲疲勞強度極限 大齒輪的彎曲疲勞強度極限 彎曲疲勞壽命系數(shù) 彎曲疲勞許用應(yīng)力 模數(shù) 齒數(shù) 齒斜角 分度圓直徑 齒寬 傳動軸轉(zhuǎn)速 輸入功率 輸入轉(zhuǎn)矩 初算軸的是直徑 圓周力 徑向力 水平面上之反力