RS-QF800轻型钻井泵的设计.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 9期 石油机械 CHI NA P ET R0L EUM MACHI NER Y 一2 7 一 设计计算 R SQ F S O 0轻型钻井泵的设计 胡俊成 黄新杰 孟庆荣 戴静君 周东亮 李乃峰 1 ．河北华北石油荣盛机械 制造有限公 司 2 ．北京石油化工 学院机械 工程 系 摘要 F一 8 0 0型钻井泵部件及整机质量较大，不 能满足直 升飞机 吊运和海上采 油平 台吊机 起 吊要求。鉴于此，设计 了 R SQ F 8 0 0轻型钻井泵。通过对不 同系列钻井泵机架结构的对 比分 析 ，并参阅钻井泵机架有限元资料，对 F一8 0 0钻井泵机架进行减 重设计 ，并将铸造 曲轴改为锻件 组装 曲轴。对机架和 曲轴进行有限元分析 的结果表明，R SQ F 8 0 0泵的机架应力分布更合理 ，曲 轴应力远小于材料的许用应力。台架试验表明，R SQ F 8 0 0泵各项性能合格；R SQ F 8 0 0泵既减 轻了质量，又保证其性能参数与 F一8 0 0泵相 同，且工作更加平稳，达到 了预期 目的。 关键词 轻型钻井泵机架 曲轴 有限元分析 台架试验 F一8 0 0型泵具有优越 、稳定 、可靠 的工作性 能 ，因此在国内外石油领域 的中、浅井钻井和修井 作业中得到 了广泛应用 。但 由于该泵 整机质量较 大，搬运不方便 ，限制了它在一些特殊环境下的使 用。如 目前在南美等丛林钻井需要用直升飞机对钻 机进行 吊装搬运 ，由于通用直升飞机要求钻机的起 吊模块≤2 ． 7 t ，所以对泵的总成件和单件都有质 量限制。又如在海洋油 田修井作业 中，由于采油平 台吊机的最大起 吊质量为 1 2 t ，所 以对泵的质量也 有限制。而 F一8 0 0泵在拆去空气包 、五通 、安全 阀接管及底座后的质量仍为 1 2 ． 8 t ，机架总成在拆 去后罩、轴承上座后质量约为 3 ． 1 t ，故 F一8 0 0泵 整机或零部件质量均超过钻井平 台吊机或直升飞机 的起 吊能力 。鉴 于此 ，需要设计轻型 F一8 0 0泵 ， 即 R SQ F 8 0 0轻型钻井泵。 F一 8 0 0泵机架总成 3 ． 2 5 t ，曲轴 总成 3 ． 8 4 t ． 仅铸造曲轴质量就达 1 ． 5 8 t ，液力端总成 3 ． 4 4 t 。考 虑到液力端总成涉及缸套、活塞和阀等易损件与原 F一 8 0 0泵的互换性 ，对液力端的大部分零件不宜进 行减重设计。另外，为了保证泵 的轴承、密封圈等 标准件的互换性，涉及此类件的动力端零部件也不 宜改变。因此 ，R SQ F 8 0 0轻型泵设计的关键就是 机架和曲轴的设计。 1 R S Q F 8 0 0轻型钻井泵机架设计 通过对 F系列 、3 N B系列 、P系列 和 P z系列 泵机架的结构进行对比分析 ，并参阅有关钻井泵机 架有限元分析资料 ，认为 F一8 0 0泵机架存在 以下 不足 ① 为了安装 、更换动力 端零件及液力端缸 套、活塞等，在机架靠近液力端部前顶板上开有 1 1 2 6 m m x 5 0 8 m m的矩形孔 ，则机架侧板与前端板 阀箱连接板 组成敞 口箱体结 构，致使机架前部 强度、刚度减弱 ，在顶板矩形孔边缘和中间筋板处 的应力较大 。② 由于主轴承座的上下座结合面在圆 的 处 ，主轴承下座 与机架侧板焊缝 长度相对较 短 ，致使机架主轴承座 与侧 板连接处应 力幅值较 大。③机架的组成不尽合理 ，应力、变形分布不均 匀 ，泵体 中部 、后部 的侧板和 内部横板强度过剩 ， 大部分板强度 、刚度储备过多，致使整机过重⋯。 根据以上分析和泵整机结构设计的需要 ，设计 了轻型钻井泵机架 见图 1 ，并做了如下改进。 1 适 当减 薄机架左 、右侧板钢 板厚度 ，同 时为了不降低左 、右侧板的强度 ，在左 、右侧板内 壁的十字头孔盖等处增加加 强筋 。为了减轻质量 ， 在左 、右侧板应力较小处开矩形孔。 2 将机架前顶板上 的矩形孔 改为 3个小矩 形孔 ，以提高机架顶板与前端板及筋板组成的框架 结构的强度 、刚度 ，使该处的应力幅值减小。 3 重新设计 主轴承座 ，将 齿轮轴轴承座与 曲轴轴承座铸成一体 ，曲轴轴承上座与下座分界面 上移一段距离。整个轴承座内外周边均与侧板焊 接，轴承座焊缝延长，应力降低，质量减轻。 4 对应力 幅值较小 的横 向板 如油池底板 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 9期 等 进行减薄处理 ，以减轻机架质量。 5 在机架 的前 端增 加支腿 ，便 于无底 座时 泵组成橇。在机架前后设计 吊耳 ，这样泵在无底座 时也可吊装，便于泵组安装配套 。 经过以上改进设计的 R SQ F 8 0 0轻 型钻井泵 机架长 2 5 5 0 m m、宽 1 2 8 5 mm、高 1 2 8 0 m m。机 架与液缸、传动轴 、曲轴的安装尺寸及缸问距与 F 一 8 0 0泵相同，机架设计质量为 2 ． 3 8 7 t 。 图 1 R S -- Q F 8 0 0轻型钻井泵机架结构简图 1 一主轴承下座 ；2 一侧板 ；3 一支腿 ； 4 一 前 端 板 ； 5 一 吊耳 ； 6 一 前 顶 板 。 2 R SQ F 8 0 0泵机架 的有 限元分析 2 ． 1 有限元模型的建立 将机架的三维模型导人有限元软件进行模拟计 算 。为了计算方便 ，忽略焊缝对机架强度 的影响， 将机架看成一个整体 ，将 曲轴上下轴承座及连接螺 栓接触面定义为摩擦接触 ，摩擦 因数为 0 ． 1 5 。为 使计算结果准确 ，划分 网格 时采用 相对较小的尺 寸 ，平均长度为 2 0 mm，共划分 2 7 8 7 3 6个单元。 2 ． 2 载荷 和边 界条件 的 定义 机架的有限元模型见 图 2 。为了安全 ，在计算 载荷时采用较保 守 的算 法。假设 泵在满功 率 5 9 7 k W 下运转 ，缸套直径 1 5 2 ． 4 m m，泵压 1 7 ． 2 M P a ， 活塞与缸套间的摩擦 因数为 0 ． 1 ；泵采用 1 2根窄 V 带传动 ，泵上大带轮节圆直径为 9 0 0 m m，大 、小 带轮中心连线与垂线的夹角为 8 2 。 。考虑 曲轴 、连 杆和十字头等零件的重力及运动惯性力的影响，带 人计算机程序对钻井泵曲柄连杆机构进行运动分析 图 2 机 架的有限元模 型 和受力计算 ，按曲轴旋转 1 周求出每个旋转角度对 应的机架 、曲轴等的受力及最大值 ，当曲轴 l 拐转 角为 1 0 0 。 时，机架 主轴 承座 的受力达 到最大值 。 将该角度下的力分解为水平方向和竖直方向后 ，分 别加在有限元模 型 中的曲轴轴承座 、传动轴轴 承 座 、导板和前端板液缸连接处的承压面上。 2 ． 3 有 限元结 果分 析 R SQ F 8 0 0机架有限元分析结果见 图 3 。机架 前顶 板 的最 大 M i s e s 应 力 为 7 2 ． 1 MP a ，较 F一8 0 0 泵的应力减小了 4 3 ％。左 、右侧板的最大 Mi s e s 应 力为 4 3 MP a ，大部分单元的应力小于 3 0 MP a 而 F一 8 0 0左 、右侧板的最大应力仅为 2 8 MP a ，大部 分单元的应力小于 1 5 M P a ，应力水平较低。因此 ， R S Q F 8 0 0泵应力分布更合理 ，既有效减 轻了整 机质量 ，又能够满足机架工作强度和刚度要求。 图 3 R S -- Q F 8 0 0轻型钻井泵机 架 Mi s e s 应力云 图 3 R SQ F 8 0 0泵 曲轴设计 R S F 8 0 0泵曲轴是铸造空心曲轴，质量 约为 1 ． 5 8 t ，其空心内部 由不规则圆弧相贯面组成 ，形 状复杂。受铸造工艺等的影响，曲轴铸造成型后存 在偏重现象，影响整机的运转平稳性。另外 ，铸件 的质量不稳定容易产生铸造缺陷。因此 ，将铸造空 心曲轴改为全平衡锻件组装曲轴。 3 ． 1 结构设 计 曲轴结构见图 4 ，由曲拐轴 、偏心盘、齿 轮连 接盘等组成。曲拐轴和偏心盘均为锻件 。齿轮连接 盘应力幅值较小 ，仍采用铸件。为减轻质量 ，将其 设计成轮辐结构 ，采用 自炼钢锭进行锻造。热处理 后锻件 心部 材料 的力 学性 能 为R ≥7 2 5 MP a 、 R 舢 ／5 8 5 M P a ，优 于原铸件 曲轴材料性能。偏心 盘 、齿轮连接盘与曲拐轴连接采用过盈配合加键及 螺栓的连接方式。为了使 曲轴的曲拐圆直径不变 ， 即连杆 、连杆大小头轴承仍 与 F 一8 0 0泵相 同，将 曲拐轴设计成带 3个小偏心拐 的轴 。曲拐轴的偏心 量为 r ，偏心盘偏心量为 F 2 ，则曲轴偏心距 e r 。 。曲轴加工成型后的质量为 1 ． 0 3 1 t 。在齿轮连 ；2 2 2111i 9 0 0 0 0 O 0 0 00 0 O 0 0 O P 十十 M e e e c e C e e e e c c c n 1 61 61 5 4 4 3 211 8 M售O 7 5 2 0 5 O 5 0 5 O 5 6征 5 3 21 O 7 52 0 7 5 2 9{ ；11111 8 7 6 5 3 211 ■●圈 圈■爨I 二 圈■ 2 0 1 0年 第3 8卷 第9期 胡俊成等R S --Q F S 0 0轻型钻井泵的设计 一 2 9一 接盘最大外圆上不平衡重的质量 ≤0 ． 1 5 k g 。 图 4 R S --Q F 8 0 0曲轴结构示意图 1 1拐；2 一齿轮连接盘 ；3 一偏心盘 ；4 一 曲拐轴 。 3 ． 2设计 验证 曲轴设计好后用有限元方法进行验证。曲拐轴 和偏心盘的 Mi s e s 应力云图分别见图5 、图 6 。 S ． M l s e s Av g 7 5 1 ． 2 4 0 e 0 ； 1 ．0 3 4 e 0 } 翻87 l 2 5．2 8 【l e 1 e 别0 嚣 蜀 34 ．16 90cc 00 { 契 I 3 8 72 c 01 单位 MP a 通及安全 阀接管等附件后约 1 1 ． 1 7 t ，各项性能参 数及易损件与 F一 8 0 0泵相同。 5 台架试验及现场应用 R SQ F 8 0 0轻 型钻井泵试 制完成后在试验 台 架做性能试验，用 内径 1 7 0 m m缸套做空运转试验 后进行热平衡试验 。试验后停机检查 ，齿轮接触面 积均匀 ，接触高度 、长度合格 ，十字头与上导板 间 隙也合格 ，无偏磨和拉伤。然后进行满功率试验 ， 试验用缸套内径 1 1 0 I n n，泵压力 3 4 ． 5 MP a ，试验 时问 1 2 h 。试验期间观察泵 的工作平稳性 ，检查各 处油温均合格 ，动力端噪声较 F一8 0 0泵小。试验 完毕后拆开动力端和液力端清洗 ，并对曲轴 、齿轮 副 、十字头和导板等做全 面检查。检查项 目均合 格 ，液力端缸套 、活塞心无偏磨 。 首台 R SQ F 8 0 0轻型钻井泵 已于 2 0 1 0年初交 付用户使用。到 目前为止 ，该泵运转情况 良好 ，得 到了用户的肯定。 轴 的 s e s应力 到 6结论 1i ．25 77 53 ce 0 罔 2 ．9 7 ⋯8 e 0 2 ． 3 8 3 e 0 ．7 8 ⋯8 c 0 ． 9 1 5 9 2 c 3 c 器0 _ ， 5川． 9 7 6 e 。 0 ■ 2 ．5 9 0 e 0 2 图 6偏 心 盘 的 Mi s e s应 力 云 图 图 5 、图6都是曲轴 1拐转角为 1 0 0 。 时的应力 云图。从 图可看 出，曲拐轴 的最 大 Mi s e s应 力为 1 2 4 MP a ，位于右侧 固定端的过渡倒角处 ，其余部 位 的应 力为 5 0 MP a左 右 。偏 心 盘 的最 大 Mi s e s 应 力为 3 5 ． 7 3 MP a ，位于最右侧偏心盘 的圆孔周 边。 曲轴应力远小于材料的许用应力 ，安全可靠。 4 其他零部件 的改进设计 除了对上述部件进行重新设计外 ，还采用浮动 密封结构对介杆密封装置进行改进设计。填料盒内 的密封件在 F一 8 0 0泵的基础上又增加 1 道密封 防 尘圈，使介杆箱的水更不易进入 曲轴箱。另外 ，对 吸入管、排 出管及排 出五通 进行减重设计 。这样 R SQ F 8 0 0泵整机质量 1 2 ． 3 2 t ，拆去空气包 、五 1 对设计 的 R SQ F 8 0 0泵机架进行 了有 限 元分析 ，分析结果表 明，机架应力分布合理 ，既有 效减轻了整机质量 ，又满足工作强度和刚度要求 。 2 设计的全平衡锻件组 装 曲轴质量轻 、无 偏重 、工作稳定 。经过有限元分析可知 ，曲轴应力 远小于材料 的许用应力 ，安全可靠 。 3 R SQ F 8 0 0轻型钻井泵主机质量 1 1 ． 1 7 t ， 最大单体部件质量约 2 ． 3 8 7 t ，满 足海洋修井平台 和丛林钻机起吊要求。台架试验和现场使用结果表 明，R SQ F 8 0 0泵设计收到了预期的设计效果 。 参考文献 [ 1 ] 张庆元 ，陈如恒 钻 井泵机 架的静 动态有 限元分析 [ J ]．石油学报，2 0 0 0 ，2 1 2 8 38 7 ． 第一作者简介 胡俊成 ，工程 师 ，生于 1 9 5 7年 ，1 9 8 3 年毕业于河北电大机械专业，现从事石油机械的研究与开 发工作。地址 0 6 2 5 5 2 河 北省 任丘市。电话 0 3 1 7 2 7 2 8 7 3 5 。Em a i l h u j c h e n g l 2 y a h o o ． o o m ． c n 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 2 9 本文编辑丁莉萍