新型五缸钻井泵研制.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 1 O期 第 7 1页 石 油矿 oI L FI ELD 场 机械 E QUI P MENT 2 0 1 0， 3 9 1 O 7 1 ～7 4 o o 文 章 编 号 1 0 01 3 48 2 2 01 O 1 0 0 07 1 - 0 4 新型五缸钻井泵研 制 胡俊成 ， 黄新杰 ， 周东亮 ， 李 乃峰 ， 王媛媛 华 北石 油荣盛机械制造有 限公司 ， 河北 任丘 0 6 2 5 5 2 摘要 五缸钻井泵与三缸钻 井泵相 比具有 明显 的性 能优势 ， 但 由于存在 制造 难度 大等问题 ， 限 制 了五缸 钻 井 泵 的使 用 。在 三 缸 钻 井泵 的 基 础 上 设 计 了 4支撑 结 构 曲轴 的 五 缸 钻 井 泵 ， 与 三 缸 泵 曲轴 的 受 力分 析 对 比证 明 ， 4支撑 五 缸 泵 曲轴 受 力 更 为 合 理 ， 并 针 对 曲轴 毛 坯 成 型 、 加 工 等 问题 ， 设 计 了锻 焊 结 构 曲轴 ， 解 决 了五缸 泵 的制 造 “ 瓶 颈 ” 问题 ， 为五 缸 泵 的研 制 和 应 用提 供 了有 效 途 径 。 关键 词 五缸钻 井泵 ； 机 架； 曲轴 ； 研 制 中图分类 号 TE 9 2 6 文 献标识 码 A De v e l o p i n g o f Ne w Qu i n t u p l e Mu d P u mp HU J u n - c h e n g， HUANG Xi n j i e ， ZHOU Do n g l i a n g ， LI Na i f e n g， W ANG Yu a n y u a n Ro n g s h e n g Ma c h i n e r y Ma n u fa c t u r e L t d． o f Hu a b e i Oi l f i e l d， Re n q i u 0 6 2 5 5 2， C h i n a Ab s t r a c t Qu i n t u m a nu f a c t u r i ng d pi e mud pu m p h a s mo r e pe r f o r ma nc e a dv a n t a g e s t ha n t r i p l e x m u d pu m p ．But i t s i f f i c ul t y r e s t r i c t s i t s a pp l i c a t i o n i n d r i l l i ng i n du s t r y． To s ol ve t hi s p r o bl e m ， a ne w q ui n t up l e m u d p ump wa s de s i gn e d b a s e d o n t he t r i p l e x m u d p ump wi t h a f o ur po i n t s u pp o r t c r a nks h a f t ． M e c ha n i c a l a n a l y s i s s h o we d t ha t t h e f o r c e s o n t he f o ur p o i nt s up p or t c r a nks ha f t we r e mo r e r e a s o na b l e t ha n t ho s e on t he c r a n ks h a f t of t he t r i p l e x m u d p ump．I t s f r a m e wa s d e s i g ne d b a s e d o n t he c r a n ks ha f t ．Ai m i ng a t t he r ou gh s ha p i ng a n d m a nuf a c t ur i ng p r o bl e m s o f g e n e r a l c r a nk s h a f t o f q ui nt u pl e mud pu m p， a c r a n ks h a f t o f f o r g i n g we l d i n g s t r u c t ur e wa s de s i gne d a n d d i s c u s s e d i n d e t a i l e d ．By t hi s wa y t he ma nu f a c t u r i ng d i f f i c ul t y o f t he q ui n t u pl e mud pu m p wa s s o l v e d a nd a n e f f e c t i v e wa y o f de v e l op i n g a nd a pp l yi ng t he qu i n t up l e m u d pu mp wa s f o un d． Ke y wo r d s q u i nt u pl e mud p u m p； f r a me； c r a nk s ha f t ； d e v e l o p i ng 在轻型钻机 中， 柴油机驱动 的机泵组为整体拖 撬 ， 便 于 车载或 拖拽 运 移及 现场 安 装 。在 俄 罗斯 等 寒冷地区需把泵组设计成整体撬 ， 便于给钻机泵组 加保温房。但是 ， 目前的 5 8 8 k w 8 O 0 h p 以上的钻 井 泵纵 向尺 寸均 较 长 ， 例 如 F 一 8 0 0型钻 井 泵 不 含底 座 长约 3 ． 3 2 m， 国 内柴 油机 驱动 的泵组 为 了便 于运 输 ， 均设计成分体撬。如果使用环境要求必须是整 体撬 如俄罗斯加保温房 ， 则采用角传动箱改变柴 收 稿 日期 2 0 1 0 0 7 0 9 作者简介 胡俊成 1 9 5 7 一 ， 男 ， 陕西南郑人 ， 工程师 ， 1 9 8 3 年毕业 于河北 电大机械专 业 ， 从 事石油机 械研究与开发 工作 ， E ma i l h u j c h e n g l 2 y a h o o ． C O I T I ． c n。 石 油矿 场 机 械 2 0 1 0年 1 O月 油机 的输 出传 动方 向后 再 用 皮带 轮 驱 动泵 ， 使 泵 组 纵 向尺 寸变长 ， 吊装不 便 ， 例 如柴 油机驱 动带保温 房 的 F 一 8 0 0型钻井泵 组宽 3 ． 3 m， 长 1 1 ． 5 m。另外 ， 采 用角传动箱的泵组结构复杂， 可靠性降低 。对于大 功率 如 1 6 1 8 k W 2 2 0 0 h p 、 2 3 5 3 k W 3 2 0 0 h p 钻井泵 ， 由于 曲轴庞大， 导致钻井泵整体尺寸 庞大。为了减轻钻井泵质量 ， 缩小整体尺寸， 宜采用 五缸钻 井泵 。 l 五缸泵性能优 势 与 三缸泵相 比五缸 泵具有 明显 的性能优 势 。 a 整 机体积 小质量 轻 与同等功 率 的三 缸泵 相 比， 质 量减小 约 3 O 。 b 压 力 波 动 小 三 缸 泵 压 力 波 动 范 围 为 2 8 ， 五 缸泵仅 为 8 。五 缸 泵 的 平 缓 流 态极 大地 降低了管线及管汇的疲劳损坏 ， 稳定 的钻井液流有 利 于随钻 测 量 与 随 钻 测井 的数 据 采 集 和对 井 下 的 监控[ 。 c 容积效 率 高 五 缸泵 吸入 性 能好 ， 容 积损 失小 ， 容积 效率 比三缸泵 高 1 ． 1 ～3 _ 2 ] 。 2 结构组成 五缸 泵 与三 缸泵 相 比结 构 相对 复 杂 ， 制 造 难度 大， 使得五缸泵未能在钻井行业中推广使用。针对 这 一问题 ， 在三缸 泵 的基 础 上设 计 了新 型五 缸 钻井 泵 ， 其基本组成与三缸泵相同， 零部件和易损件与三 缸 泵相似 或通用 ， 因而在 使 用 和维 修 方 面与 三 缸泵 基本相同。其不同之处是缸数 由 3缸改为 5缸 ， 改 Z 如c 变 了机架 的框架 结 构 ， 重新 设 计 了 4处 支 撑 曲轴 的 轴承座及 纵 向侧板 ， 曲轴采 用 5曲拐 4支 撑结 构 ， 5 个 曲拐 排 列顺 序 为 1 、 3 、 5 、 2 、 4 ， 相邻 2个 曲拐 的相 位 角度 差为 1 4 4 。 l ， 除两端有安装轴承的轴颈外， 在 曲轴 中 问 2 、 3拐 和 3 、 4拐之 间还 有 2 处 安装轴 承 的轴颈 。三缸 泵 由一 对人 字 齿 轮驱 动 ， 新 型 五缸 泵 是将人 字齿轮 分为左 、 右旋 齿轮 ， 分 别安装 在 1 、 2拐 和 4 、 5拐之 间 。重 新 布置 支 撑 轴承 及 齿 轮位 置 ， 曲 拐的相位角可使曲轴受力更加均匀 、 合理。 3 受力分析 以 5 8 8 k W 8 0 0 h p 三 缸 泵 和五 缸 泵 为研 究对 象 ， 在满 功率输入 工况 条件下 ， 分别 输入 曲轴和连杆 的力学参 数及缸 套 活塞 尺 寸 ， 并 考虑 缸 套 活塞 之 间 的摩擦因数和曲轴、 连杆、 十字头等零件的质量及运 动惯性力的影响 ] ， 代入 自编计算机程序对泵进行 受力计算 ， 按 曲轴旋 转 1 周 计 算 每个 旋 转 角度 时 曲 轴 、 连杆 等 的受 力 。 5 8 8 k W 8 0 0 h p 五 缸 泵 曲轴 轴 承 支 反 力 如 图 1 ， F 、 F 、 F 、 F 。分别 代 表 曲轴 A、 B、 C、 D 四支撑 点 的受力 曲线 ， 可 以看 出 ， 在 1 曲拐旋 转 到 1 1 5 。 ～ 1 4 5 。 2 、 4 、 5拐 排 出 和 1 8 5 。 ～2 2 5 。 1 、 2 、 4拐排 出 时 ， 曲轴 中问轴 承 F B 、 R 受力 分别 达到 最大 值。 曲 轴两 端 轴 承 F A 、 F D 支 反 力 值 相 对 较 小 。5 8 8 k W 8 0 0 h p 三缸泵曲轴主轴承支反力如 图 2 ， 可 以看 出， 在 1 曲拐旋转 到 7 1 。 2 、 3拐排 出 和 1 9 1 。 1 、 2拐排 出 时， 两端轴承支反力分别达到最大值。 o F1 6 广 -FB Fc ● 一 FD 图 1 5 N B - 8 0 0型五缸泵曲轴轴承受力曲线 第 3 9 卷第 1 O 期 胡俊成 ， 等 新型五缸钻井 泵研制 Z F ⋯ o - - Fb 曲柄转角／ 。 图 2 3 NB - 8 0 0型三缸泵 曲轴轴承受力 曲线 对 比图 1 ～2可 看 出 ， 在 泵 的输入 功 率 相 同 时 ， 作用 在 三缸 泵 曲轴 轴端 的最 大 支 反 力 F 、 F 分 别 约等 于作 用在 五 缸 泵 曲轴 的最 大 支 反力 F 、 F 之 和和 F c 、 F D之 和 ， 即 ， F ≈ F A F B 、 F b ≈ F c F D 。 曲轴采用 4点支撑后 ， 作用在 曲轴轴承上的支反力 发 生改变 。三缸 泵 曲轴支 反力 最大值 在两 端轴 承座 上 ， 其值 为 4 6 8 ． 8 k N； 五 缸 泵 两端 轴 承 座 上 的 力最 大值为 1 9 7 ． 2 k N， 比三 缸泵 减 小 了 5 7 ％ ， 且 曲轴 的 最大支 反 力 作 用 在 中 问 的 2个 轴 承 座 上 ， 其 值 为 2 7 5 k N， 比三 缸泵减 小 4 1 。 根据等应力原则 设 计新 型五 缸泵 曲轴 轴颈 的截 面积 ， 则两 端 轴颈 的截面 积 可减 小 5 7 。与 三缸 泵 曲轴相 比， 五缸泵 曲轴 的径 向尺 寸 可大 幅度 减小 ， 轴 承尺寸也相应减小 ， 使得 曲轴质量 减轻 ， 受 力更合理 。 由 3缸 变 为 5缸 、 在 泵 排量 相 同 的 条 件 下 ， 缸 套、 活塞、 阀箱的尺寸也可减小。缸套 、 活塞尺寸减 小后 ， 泵在 相 同工 作 压 力 下活 塞 的力 减 小 ， 活 塞 杆 、 介杆 和连杆 的截 面尺寸 也减小 。 新 型五缸 泵结构 还使齿 轮轴 单端受 力改变 为靠 近轴承 座的两 端对 称受 力 ， 使 得 齿 轮轴 上 的弯 矩减 小 ， 同时作用在两端侧板的力也减小。 4 结构设计及 制造工艺 4 ． 1 机架 在 进行 受 力分 析 的基 础 上 ， 根 据 整机 结 构 的需 要 设计 了五 缸泵 机 架 ， 如 图 3 。其 外 形 与 三 缸 泵 机 架基本相似 ， 不同之处是在原 2个侧板与顶板、 底板 组成 的框架 结构 中部增加 了 2个纵 向 中间板 和轴 承 座 。由图 1可知 ， 曲轴 中间 轴 承 的支 反力 比两 端 轴 承 的支 反力 大 ， 所 以 2个 纵 向 中 问板 的厚 度 尺 寸 比 2个侧板大， 中间轴承座尺寸也 比两边轴承座尺 寸 大 。由于工作缸 数增加 ， 在泵 排量相 同的条件 下 ， 五 缸泵 的冲程相 对 较短 ， 则 连 杆 、 介 杆 、 活塞 杆 长 度尺 寸也相 应减小 ， 可使 机架 的纵 向尺寸减 小 。 1 一 主 轴 承 座 ； 2 一 中间 轴 承 座 图 3 新 型五 缸 泵机 架 4 ． 2 曲轴 曲轴是 五缸泵 制 造 的瓶 颈 ， 难 度 最 大 。常规 的 三缸泵曲轴是两端支撑 ， 若五缸泵采用两端支撑则 会使 曲轴的体积非常庞大 ， 所 以五缸泵的曲轴为多 点支 撑 。 图 4为 常见 的 五缸 泵 曲轴 _ 3 ] ， 其 形 状 较 三缸 泵 曲轴复杂， 毛坯 由铸造或锻造成型。大功率五缸泵 若采用铸造成型， 则强度和可靠性不易保证； 若采用 自由锻 ， 很 难锻造 出形 状 ； 若 采用 模 锻造 ， 受制 造 批 量 和大型模 锻件 工艺及设 备 的影 响很难实 现 。所 以 目前有许多制造厂采用圆柱形锻件或直接用圆钢车 削， 这种制造方法有 3个缺点 ①材料利用率低 ； ② 经 锻造后 的纤 维被切 断 ， 减 弱 了材 料 的强度 ； ③ 需专 用曲轴加工设备 。 图 4常见的五缸泵曲轴 石 油 矿 场机 械 2 0 1 0年 1 O月 新 型五缸泵 曲轴 设 计 为 4支 撑 5拐锻 焊 结构 ， 如图 5 。除两 端有 轴承 A 和轴 承 D支 撑外 ， 在 2 、 3 拐和 3 、 4拐 之 间 还分 别 有 轴 承 B和 轴 承 C支 撑 。 左 、 右旋齿 轮分布 在 1 、 2拐 和 4 、 5拐 之 间 。曲轴 上 5 个曲拐的轴径 与中间 2处支撑轮的轴径相等 ， 以 便 于连杆轴 承和 中问轴承 的安装 。 A B C D 9 8 7 6 5 4 3 2 1 A、 B 、 C、 D 一轴承支撑 ； 1 一 曲轴体 ； 2 、 5 、 6 、 7 、 9 曲拐 ； 3 一 齿轮 连接盘 ； 4 一镶块 ； 8 一连接法兰 图 5 新型五缸 泵曲轴结构 曲轴体 为一锻 件轴 ， 曲拐是 月 牙盘 状锻 件 ， 2个 中间轴 承支撑 轮和齿 轮连接 法兰 为同心 圆盘 ， 曲拐 、 支撑 轮 、 连接法 兰分别 套在 锻件轴 上焊接 成一体 ， 先 将 曲拐 加工成 月牙轮盘 状 ， 中间薄一 些 ， 目的是为 了 在保证强度的条件下减少焊接量。连接法兰是将齿 轮扭矩传递到曲拐上的连接件 ， 依靠焊缝传递扭矩 ， 所以焊缝深度与法兰的厚度相等。为了保证焊缝质 量 ， 曲拐 盘和连 接 法 兰 上开 有 双 面 U 形 坡 口， 并在 外 端增加 角焊缝 。轴承 支撑轮 与锻件 轴之 间不传递 扭 矩 ， 只起 支撑作 用 ， 故 二者之 间采用过 渡配合 两 端部焊接的连接方法。焊接后对 曲轴进行热处理去 除应力， 以提高材料 的综合力学性能 。齿轮连接盘 设计成分体镶块结构 ， 安装时先将齿轮连接盘体安 装在连接法兰上 ， 再将镶块与齿轮连接盘体用螺栓 连接成一体。 由于 锻焊 曲轴 的结构 类 似直 轴 偏 心 圆结 构 ， 加工可采用与三缸泵锻焊 曲轴相 同的加工方法 ， 不 需要专用曲轴加工设备， 因而简化了制造工艺 ， 极大 地降低了加工难度。 4 ． 3整机 新型五缸泵是在三缸泵的基础上进行改进设计 的， 除机架、 曲轴的结构改动较大外 ， 其余零部件的 设计汲取了各类三缸泵的优点 ， 其中十字头 、 导板采 用新型滑动材料 ， 以提高十字头、 导板摩擦副的使用 寿命 ； 介杆密封装置采用浮动密封结构， 填料盒内的 密 封件在 F系 列 钻 井 泵 的 基 础 上 又 增加 了 1道 密 封防尘圈 ， 避免介杆箱的水进入曲轴箱 ； 液力端缸套 固定 方式采 用类 似 P Z系列 钻井 泵 结 构 ， 以减 小 纵 向尺 寸 。 根据市场需要 ， 笔者在采用三维软件对五缸泵 曲轴 、 机 架及 整机进行 三维 模型设计 的基 础上 ， 设 计 了 5 NB 一 8 0 0 型 钻 井 泵 ，设 计 的 整 机 质 量 约 1 0 6 1 5 k g ， 尺寸 为 2 8 5 0 mm 2 3 6 0 mm 1 4 2 0 ram 长 宽高 ， 并对曲轴 、 机架进行有 限元分析 验证， 分析结果证 明曲轴、 机架受力合理 ， 能够满足 强 度要求 。 5 结 论 1 通 过受 力 分 析对 比看 出 ， 5曲 拐 4支撑 曲 轴结 构更优 于三缸 泵 曲轴结 构 ， 曲轴径 向尺 寸大 幅 度减小 ， 轴承 尺寸 也相 应 减小 ， 曲 轴质 量 减轻 ， 受 力 合理 。 2 新 型五缸 泵机 架 增 加 纵 向 中间板 ， 使 机架 纵 向尺 寸减短 ， 刚 度增 加 ， 结 构合 理 ， 减 小 了泵 的纵 向尺寸和质量 ， 有利于在特殊环境下 的使用和整体 撬 装 。 3 新型五 缸 泵 曲轴 采 用锻 焊 结构 ， 有 效 地解 决 了毛坯 成型 困难 、 材 料利用 率低 、 需专用 加工设备 等难题。锻焊结构曲轴与三缸泵 曲轴相似 ， 可采用 与三缸泵 曲轴相 同 的加 工方法 ， 简化 加工工 艺 ， 为五 缸泵的研制和应用提供了有效途径。 参考文献 [ 1 ] 张跃军 ， 张新军． 一种新 型钻井泵 ． 国外石油 机械[ J ] ． 1 9 9 8 1 2 7 - 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