一种立式机械驱动钻井泵的设计分析.pdf

研究与分析 2 0 1 3 年 第2 期 第2 6 卷， 总 第1 2 4 期 机械 研究 与应用 一 种立式机械驱动钻 井泵的设计分析 钟功祥 ， 赵国文， 吕志忠 ， 胡 霞 西 南石油大学 机 电工程学院， 四川 成都6 1 0 5 0 0 摘要 卧式机械驱动钻井泵是普遍使用的钻井泵， 但卧式机械驱动钻井泵易损件较多， 影响钻井作业效率。为从根 本上提高机械驱动钻井泵易损件寿命， 介绍了一种立式机械驱动钻井泵的结构和工作原理。通过对该泵的运动学与 动力学分析证实 该泵保留了卧式机械驱动钻井泵的吸排出特性， 可显著提高易损件的寿命。且该泵占地面积小， 更 适合海上钻井作业对设备的要求。对该泵的运动学与动力学分析结果为深入进行立式机械驱动钻井泵研究奠定了 一 定的理论基础 。 关键词 机械驱动 ； 钻 井泵； 立式泵 ； 运动学 ； 动 力学 中图分类号 T H 1 2 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 3 0 2 0 0 5 0 0 3 De s i g n Ana l y s i s o f a Ve r t i c a l M e c ha ni c a l Dr i v e Dr i l l i ng Pu m p Z HONG Go n g -x i a n g， ZHA0 Gu o we n， LV Zh i - z ho n g， HU Xi a C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g， S o u t h w e s t P e t r o l e u m e ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ho ri z o n t a l me c h a n i c a l d r i v e d ri l l i n g p u mp i s g e n e r all y u s e d i n t h e d r i l l i n g p u mp ，b u t h o riz o n t al me c h a n i c a l d r i v e dr i l l i ng p ump ha s mo r e v u l n e r a b l e p a rts t o a f f e c t t he e ffic i e n c y o f d ril l i n g o p e r a t i o ns ．I n t hi s a r t i c l e， t h e s t r u c t u r e a n d wo r ki n g p ri n c i p l e o f a v e r t i c a l me c h a n i c a l d r i v e d r i l l i n g p u mp i s i n t r o d u c e d t o f u n d a me n t all y i mp r o v e t h e l i f e o f v u l n e r a b l e p a r t s o f t h e me c h a n i c a l d ri v e d ri l l i n g p u mp ．T h r o u g h a n a l y z i n g t h e k i n e ma t i c s a n d d y n a mi c s o f t h e p u mp， I t i s c o n fi r me d t h a t t h e p u mp r e t a i ns s uc t i o n a n d e d uc t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e h o r i z o n t a l me c ha n i c a l dr i v e d ril l i ng pu mp，whi c h c a n s i g n i fic a n t l y i mp r o v e t h e l i f e o f t h e v u l n e r a b l e p a rts ．T h e p u mp c o v e r s a s ma l l a r e a a n d mo r e s u i t a b l e f o r o f f s h o r e d r i l l i n g o p e r a t i o n s t o t h e r e q u i r e me n t s of t h e e q u i p me n t ．I n t h i s p a p e r ， t h e k i n e ma t i c s a n d d y n a mi c s a n aly s i s r e s u l t s l a y t h e t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n for t h e r e s e a r c h o f t h e v e r t i c a l me c h a n i c al d ri v e d ri l l i n g p u mp ． Ke y wo r d s me c h a n i c a l d ri v e ； d r i l l i n g p u mp； v e rt i c a l p u mp； k i n e ma t i c s ； d y n a mi c s 1 引 言 钻井泵是油 田钻井机械的核心设备 ， 其工作性能 直接影响钻井作业效率 。目前， 我 国使用的钻井泵主 要是卧式机械驱动钻井泵 。由于机械驱动钻井泵具 有结构简单 、 可靠 的优点 ， 因而得到广泛使用。但卧 式机械驱动钻井泵在现场使用过程 中， 普遍存在十字 头 、 导板 、 活塞、 缸套易磨损 ， 曲轴主轴承盖与主螺栓 易断裂 ， 泵阀易损坏等问题。 为提高卧式机械驱动钻井泵易损件的工作寿命 ， 国内研究者做了大量研究工作 ， 使钻井泵易损件工作 寿命得到明显提高。研究工作集 中体现在对钻井泵 局部结构的改进 、 加工工艺的改进和新材料的应用。 从钻井泵结构和受力分析可得出 ， 由于卧式机械 驱动钻井泵的十字头、 柱塞、 缸套均为水平布置 ， 将不 可避免地导致十字头、 导板、 活塞、 缸套受结构件重力 产生偏磨 ， 曲轴主轴承盖与主螺栓受很大的交变载荷 而常发生断裂 J 。为此 ， 提高机械驱动钻井泵寿命 和可靠性仅对钻井泵进行局部结构改进 、 加工工艺改 进和新材料应用研究是不够的 ， 应从结构布局上进行 深入研究。 为了克服卧式机械驱动钻井泵 的缺陷 ， 国外成功 研制出了立式凸轮机构六缸钻井泵 J ， 但结构相当 复杂 ； 国内对立式机械驱动钻井泵研究很少 ， 但立式 曲柄连杆机构压缩机已广泛使用 J 。笔者经过多方 案对 比， 提出一种立式机械驱动钻井泵结构一立式曲 柄连杆机构钻井泵。 2 立式机械 驱动钻 井泵 的结构和工作原理 2 ． 1 结构 和卧式机械驱动钻井泵一样 主要 由传动轴 、 曲 轴、 传动齿轮、 大齿轮 、 十字头、 介杆 、 活塞杆 、 活塞 、 缸 套、 泵阀、 阀箱等组成。不同之处在于立 式机械驱动 钻井泵十字头、 介杆 、 活塞杆、 活塞 、 缸套 均为垂直布 置。为使泵排出压力和排量均匀 ， 仍采用三缸单作用 结构。 2 ． 2工作原 理 立式机械驱动钻井泵的工作原理与卧式机械驱 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 0 6 基金项 目 省部共建 “ 石油天然气装备” 教育部重点实验室 西南石油大学 资助项 目， 项 目名称 新型钻井 泵研究 编号 2 0 0 6 s t s 0 3 作者简介 钟功祥 1 9 6 2 一 ， 男 ， 四川成都人 ， 教授 ， 主要从事石油机械工程科研和教学工作 。 5 0 机械研究 与应用 2 0 1 3 年 第2 期 第2 6 卷， 总 第1 2 4 期 研究与分析 动钻井泵类似。其工作原理如图 1所示。动力由传 动轴输入 ， 通过齿轮传动驱动 曲轴上曲柄 7以一定的 角速度旋转 ， 曲柄 7驱动连杆 6和十字头 5 ， 将 曲柄 7 的旋转运动转变为十字头 5的上下往复直线运动 ， 十 字头 5再驱动活塞杆 4和活塞 3做 上下直线运 动。 曲轴旋转一周 ， 各活塞在垂 直方 向上往复运动一次 ， 相应 的吸入阀 8和排出阀 1也打开和关闭一次 ， 钻井 泵各缸完成一次吸人和排出钻井液的过程 。 1 ． 排 出阀 2 ． 液缸 3 ． 活塞 4活塞杆 5十字头 6 ． 连杆 7 ． 曲柄 8 ． 暇入阀 9 ． 阀箱 图 1 立式机械驱动钻井泵工作原理图 3 立式机械驱动钻 井泵运动 学和动力学分析 3 ． 1 运动学分析 由图 2所示 的立式机械驱动钻井泵运动分析示 意图， 令连杆 比AR ／ L， 可推导出活塞运动规律 J ， 如下 活塞位移 、 SR[ 1一c o s O L A 1一c 0 s 2 o r ] 1 叶 活塞速度 l R w s i n s i n 2 2 二 活塞加速度 aR w C O S A c o s 2 0 [ 3 将式 1 、 2 、 3 与卧式机械驱动钻井泵活塞 运动的位移 、 速度 、 加速度对比可以看出 立式机械驱 动钻井泵与卧式机械驱动钻井泵活塞运动规律是完 全一样的 ， 说 明立式机械驱动钻井泵具有与卧式机械 驱动钻井泵相同的吸入、 排出特性 。 3 ． 2 动 力学 分析 钻井泵动力学分析 的主要 目的是分析计算钻 井 泵主要零部件的受力 ， 为分析计算钻井泵主要零部件 的强度 、 刚度 、 磨损状况及泵 的振动特性提供力学依 据 。立式机械驱动钻井泵受力分析 图如 图3所示 。 1 泵压力 P实际作业 中认为排 出管压力 表 的平均读数为泵的排 出压力 ， 也称泵 的工作压力 ， 简 称泵压 P [ 9 。对于泵 的吸人和排 出过程 ， 泵压力在 不 同的曲柄转角范围内其值是不 同的。泵压力 P的 表达式为 r 0 0 o r ≤ 竹 d盯 ≤ 2霄 4 2 负荷作用力 F 负荷 作用力 F 就是钻井 液对活塞的作用力 ， 其计算式为 F p A 5 式中 A为活塞截面积 ， A ,r r D ／ 4 ； D为活塞直径。 s 图 2 立式机械驱动钻井泵 图 3 立式机械驱动钻井 泵 运动分析示意 图 受力分析 图 3 摩擦力 摩擦力包括活塞 与缸套 间摩擦力 、十字头和导板间摩擦力 和各滚动轴承 内的摩 擦力 ] 。因滚动轴承摩擦力很小 ， 可忽略 ， 主要 以前 两种为主。 活塞与缸套间摩擦力 F n f p r D b 6 式中 厂为活塞皮碗 与缸 套之间的动摩擦 系数 ， 一 般 取f 0 ． 1 0 ； b为接触面轴 向宽度 ， 按 S Y 5 1 3 8 8 6标准 制造的活塞皮碗 b 2 √ D。 十字头和导板问摩擦力 F f2 f z F 3 7 式中 为十字头与导板问钢对钢或钢对铸铁在边界 摩擦条件下 的动摩擦系数 ， 一般取， 2 0 ． 1 0 ， F ， 为十 字头对导板 的正压力 。 4 质量力 ， 包括构件 自重和惯性力惯性力 的 大小与构件 的质量 与它 的加速度成 正 比， 与外载无 关 。 51 研究与分析 2 0 1 3 年 第2 期 第2 6 卷， 总 第1 2 4 期 机械研究 与应用 为了简化动力学分析 ， 现在把机构往复运动零件 的质量总和设为 m ， m 包括活塞、 活塞杆 、 十字 头、 十字头销 、 连杆部分质量 的质量总和， 综合质量的质 心在十字头销中心 B点上 。把旋转部分的质量总和 设为 m。 ， m 包括 曲拐 、 曲柄和连杆大部分质量的质 量总和， 为了便于分析计算 ， 假设全部的旋转质量都 集 中于图 3中的曲柄 0点上。 针对 m 的旋转惯性力为 ， m R ∞ 8 针对 m 的往复惯性力为 ， 2m2 C O S A c o s 2 a 9 5 曲柄连杆机构各节点受力 根据 图 3所示 的力学分析图容易得出各节点受力如下 十字头销中心 点上所受的综合力 ， 为 F 2F l， 2 m2 gF nF f2 1 0 十字头对导板的正压力 1 1 cot 一 连杆受力 F 3F 3 ／ s i n 卢 1 2 曲柄销 A点的径向力 F RF 3 C O S 一， 】 1 3 曲柄销 A点的切向力 F T 为 F TF 3 s i n J B 1 4 曲柄切 向力矩 MTF T RF 3 s i n O t JB R 1 5 由式 4 ～ 1 5 可计算 出单个 曲柄连杆机构的 各节点受力 。结合泵整体结构 ， 容易推出曲轴、 大齿 轮、 传动齿轮、 传动轴等部件受力 。 由式 6 和式 7 可 以看出， 立式机械驱动钻井 泵活塞与液缸 、 十字头与导板间的摩擦力不受结构件 重力的影响。显然 ， 与卧式机械驱动钻井泵相 比， 立 式机械驱动钻井泵的活塞与液缸 、 十字头与导板寿命 将明显提高 。 由曲柄连杆机构受力分析图可以看出 ， 立式机械 驱动钻井泵曲轴承受负载 的受力总体方 向是指向地 面的， 结构上容易实现 曲轴主轴 承负荷 由机壳承受 ， 而不是像卧式机械驱动钻井泵曲轴 主轴承负荷 主要 由曲轴轴承盖和主螺栓承担， 从而可明显提高曲轴主 轴盖和主螺栓寿命。 4 结 语 本文所提出的立式机械驱 动钻井泵具有与卧式 机械驱动钻井泵相同的结构组成 、 工作原理及运动特 性 ， 而活塞与液缸 、 十字头与导板 问的摩擦 力不受结 构件重力的影响， 且结构上容易实现曲轴主轴承负荷 由机壳承受。因而 ， 所提出的立式机械驱动钻井泵 ， 一 方面保留了卧式机械驱动钻井泵动力端总体可靠 性和吸排出特性 ； 另一方面可显著提高钻井泵易损件 寿命 、 减少工作过程 中故障的发生 ， 提高钻井泵工作 效率 。所提出的立式机械驱动钻井泵由于结构紧凑 、 占地面积小 ， 较卧式机械驱动钻井泵更适合海上钻井 作业对设备的要求。显然 ， 立式机械驱动钻井泵具有 广泛的应用前景 。 参考文献 [ 1 ] 陈阁 ， 马云鹏 ， 罗军 ， 等． 钻井泵 主要 故 障诊 断与分 析 [ J ] ． 甘肃科技 ， 2 0 0 9 ， 2 5 1 7 7 8 8 0 ． [ 2 ] 陈鑫发． 三缸单作用钻井泵常见故 障的分析与处理 [ J ] ． 西部探 矿工程 ， 2 0 1 1 6 9 5 - 9 6 ． [ 3 ] H ． K v e r n e l a n d N a t i o n a l O i l w e l 1 ．I m p l e m e n t i n g N e w T e c h n o l o g y f o r I mp r o v e d Mu d P u m p P e r f o r m a n c e [ R] ．O T C 1 7 1 8 6 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] H．K v e r n e l a n d ，A．K y l l i n g s t a d ，M． M． Mo e N a t i o n a l O i l w e l 1 ． D e v e l o p m e n t a n d P e r f o r ma n c e T e s t i n g o f t h e He x Mu d P u m p[ R] ． S P E7 9 8 31 ，2 0 0 3． [ 5 ] 郁永章． 天然气汽车加气站设备 与运行 [ M] ． 北京 中国石化 出 版社 ， 2 0 0 6 ． [ 6 ] 张洪生 ， 迟明． 钻井 泵 曲柄连 杆机构 的受力分 析 [ J ] ． 石油钻 探技术 ， 2 0 0 9 ， 3 7 6 7 0 - 7 4 ． [ 7 ] 朱永有， 叶永彪． 泥浆泵运动学 、 动力学分析[ J ] ． 通用机械， 2 0 0 5 5 6 5 6 7 ． [ 8 ] 朱俊华 ， 战长松． 往复泵 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 9 ] 沈学海． 钻井 往复泵 原理与设 计 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 0 ⋯ _。 l -’ “ ‘ l- ‘ ’ 。 h ⋯ ’ ’ _ l | _ 。 ” 。 ’ 。 ” “ I ‘ ” l 川⋯ ⋯ -‘ |_。 ’ ⋯ ⋯l ⋯_ ’J l ” l ⋯| _-“ I- ’ l l ⋯l 上接第 4 9页 [ 2] 赵武 云．兰驼 1 1 k W 农用动力三轮车机架的有限元法计算 [ J ] ． 机械研究与应用 ， 2 0 0 1 ， 1 4 1 5 3 5 5 ． [ 3 ] 王艳辉 ， 伍建 国， 钱袁萍．基 于有限元 的压架零件静态分析 [ J ] ． 沙洲 职业工学 院学报 ， 2 0 0 3 ， 6 1 1 3 ． [ 4] 刘梅， 钟佩思 ， 孙 兆洋 ， 等．S C S系列 多台面模块 化汽 车衡秤 台的有限元分析[ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 4 ， 2 0 9 8 O 一 8 1 ． [ 5 ] 刘京红 ， 李玉涛．基 于 A N S YS的 U 2 9型钢可收缩性支架建模及 网格划分分析 [ J ] ．河北农业大学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 0 2 1 0 0 1 0 3 ． [ 6 ] 马广， 黄东明， 王志明． 农用三轮车承载架结构静动态特性仿 5 2 真分析[ J ] ．浙江大学学报 ， 2 0 0 7， 3 3 5 5 6 2 5 6 7 ． [ 7 ] 任晓雨．基 于 MS C ． F a t i g u e的轮胎式集 装箱门式起 重机结构疲 劳寿命研究[ D] ．武汉 武汉理工大学 ， 2 0 1 2 ． [ 8 ] 王志明， 戴素江． 农用三轮车车架静动态特性仿真分析[ J ] ．拖 拉机与农用运输 车， 2 0 0 7， 3 4 2 7 1 7 2 ． [ 9 ] 张锋伟， 赵武云． 兰驼 1 l k W 农用动力三轮车承载架的振动模 态分析[ J ] ．机械研究 与应用 ， 2 0 0 2， 1 5 2 5 3 5 4 ． [ 1 O ] 王葵．汽 车发动机停车振动现象分析与解 决方案 [ J ] ．机械 设计与研究 ， 2 0 0 9 ， 2 5 5 9 2 9 3 ．