一種立式機械驅動鉆井泵的設計分析*

鐘功祥，趙國文，呂志忠，胡 霞

(西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500)

1 引言

鉆井泵是油田鉆井機械的核心設備，其工作性能直接影響鉆井作業效率。目前，我國使用的鉆井泵主要是臥式機械驅動鉆井泵。由于機械驅動鉆井泵具有結構簡單、可靠的優點，因而得到廣泛使用。但臥式機械驅動鉆井泵在現場使用過程中，普遍存在十字頭、導板、活塞、缸套易磨損，曲軸主軸承蓋與主螺栓易斷裂，泵閥易損壞等問題。

為提高臥式機械驅動鉆井泵易損件的工作壽命，國內研究者做了大量研究工作，使鉆井泵易損件工作壽命得到明顯提高。研究工作集中體現在對鉆井泵局部結構的改進、加工工藝的改進和新材料的應用。

從鉆井泵結構和受力分析可得出，由于臥式機械驅動鉆井泵的十字頭、柱塞、缸套均為水平布置，將不可避免地導致十字頭、導板、活塞、缸套受結構件重力產生偏磨，曲軸主軸承蓋與主螺栓受很大的交變載荷而常發生斷裂［1－2］。為此，提高機械驅動鉆井泵壽命和可靠性僅對鉆井泵進行局部結構改進、加工工藝改進和新材料應用研究是不夠的，應從結構布局上進行深入研究。

為了克服臥式機械驅動鉆井泵的缺陷，國外成功研制出了立式凸輪機構六缸鉆井泵［3－4］，但結構相當復雜;國內對立式機械驅動鉆井泵研究很少，但立式曲柄連桿機構壓縮機已廣泛使用［5］。筆者經過多方案對比，提出一種立式機械驅動鉆井泵結構—立式曲柄連桿機構鉆井泵。

2 立式機械驅動鉆井泵的結構和工作原理

2.1 結 構

和臥式機械驅動鉆井泵一樣主要由傳動軸、曲軸、傳動齒輪、大齒輪、十字頭、介桿、活塞桿、活塞、缸套、泵閥、閥箱等組成。不同之處在于立式機械驅動鉆井泵十字頭、介桿、活塞桿、活塞、缸套均為垂直布置。為使泵排出壓力和排量均勻，仍采用三缸單作用結構。

2.2 工作原理

立式機械驅動鉆井泵的工作原理與臥式機械驅動鉆井泵類似。其工作原理如圖1所示。動力由傳動軸輸入，通過齒輪傳動驅動曲軸上曲柄7以一定的角速度旋轉，曲柄7驅動連桿6和十字頭5，將曲柄7的旋轉運動轉變為十字頭5的上下往復直線運動，十字頭5再驅動活塞桿4和活塞3做上下直線運動。曲軸旋轉一周，各活塞在垂直方向上往復運動一次，相應的吸入閥8和排出閥1也打開和關閉一次，鉆井泵各缸完成一次吸入和排出鉆井液的過程［6－7］。

圖1 立式機械驅動鉆井泵工作原理圖

3 立式機械驅動鉆井泵運動學和動力學分析

3.1 運動學分析

由圖2所示的立式機械驅動鉆井泵運動分析示意圖，令連桿比 λ=R/L，可推導出活塞運動規律［8］，如下:

活塞位移:

活塞速度:

活塞加速度:

將式(1)、(2)、(3)與臥式機械驅動鉆井泵活塞運動的位移、速度、加速度對比可以看出:立式機械驅動鉆井泵與臥式機械驅動鉆井泵活塞運動規律是完全一樣的，說明立式機械驅動鉆井泵具有與臥式機械驅動鉆井泵相同的吸入、排出特性。

3.2 動力學分析

鉆井泵動力學分析的主要目的是分析計算鉆井泵主要零部件的受力，為分析計算鉆井泵主要零部件的強度、剛度、磨損狀況及泵的振動特性提供力學依據［9］。立式機械驅動鉆井泵受力分析圖如圖3所示。

(1)泵壓力p 實際作業中認為排出管壓力表的平均讀數為泵的排出壓力，也稱泵的工作壓力，簡稱泵壓pd［9］。對于泵的吸入和排出過程，泵壓力在不同的曲柄轉角范圍內其值是不同的。泵壓力p的表達式為:

(2)負荷作用力F1負荷作用力F1就是鉆井液對活塞的作用力，其計算式為:

式中:A為活塞截面積，A=πD2/4;D為活塞直徑。

圖2 立式機械驅動鉆井泵運動分析示意圖

圖3 立式機械驅動鉆井泵 受力分析圖

(3)摩擦力 摩擦力包括活塞與缸套間摩擦力Ff1、十字頭和導板間摩擦力Ff2和各滾動軸承內的摩擦力［9］。因滾動軸承摩擦力很小，可忽略，主要以前兩種為主。

活塞與缸套間摩擦力:

式中:f為活塞皮碗與缸套之間的動摩擦系數，一般取f=0.10;b為接觸面軸向寬度，按SY5138－86標準制造的活塞皮碗b≈2十字頭和導板間摩擦力:

式中:f2為十字頭與導板間鋼對鋼或鋼對鑄鐵在邊界摩擦條件下的動摩擦系數，一般取f2=0.10，F3x為十字頭對導板的正壓力［9］。

(4)質量力，包括構件自重和慣性力 慣性力的大小與構件的質量與它的加速度成正比，與外載無關［9］。

為了簡化動力學分析，現在把機構往復運動零件的質量總和設為m2，m2包括活塞、活塞桿、十字頭、十字頭銷、連桿部分質量的質量總和，綜合質量的質心在十字頭銷中心B點上。把旋轉部分的質量總和設為m1，m1包括曲拐、曲柄和連桿大部分質量的質量總和，為了便于分析計算，假設全部的旋轉質量都集中于圖3中的曲柄O點上。

針對m2的往復慣性力為:

(5)曲柄連桿機構各節點受力 根據圖3所示的力學分析圖容易得出各節點受力如下:

十字頭銷中心B點上所受的綜合力F2為:

十字頭對導板的正壓力F3x:

連桿受力F3:

曲柄銷A點的徑向力FR:

曲柄銷A點的切向力FT為:

曲柄切向力矩MT:

由式(4)～(15)可計算出單個曲柄連桿機構的各節點受力。結合泵整體結構，容易推出曲軸、大齒輪、傳動齒輪、傳動軸等部件受力。

由式(6)和式(7)可以看出，立式機械驅動鉆井泵活塞與液缸、十字頭與導板間的摩擦力不受結構件重力的影響。顯然，與臥式機械驅動鉆井泵相比，立式機械驅動鉆井泵的活塞與液缸、十字頭與導板壽命將明顯提高。

由曲柄連桿機構受力分析圖可以看出，立式機械驅動鉆井泵曲軸承受負載的受力總體方向是指向地面的，結構上容易實現曲軸主軸承負荷由機殼承受，而不是像臥式機械驅動鉆井泵曲軸主軸承負荷主要由曲軸軸承蓋和主螺栓承擔，從而可明顯提高曲軸主軸蓋和主螺栓壽命。

4 結語

本文所提出的立式機械驅動鉆井泵具有與臥式機械驅動鉆井泵相同的結構組成、工作原理及運動特性，而活塞與液缸、十字頭與導板間的摩擦力不受結構件重力的影響，且結構上容易實現曲軸主軸承負荷由機殼承受。因而，所提出的立式機械驅動鉆井泵，一方面保留了臥式機械驅動鉆井泵動力端總體可靠性和吸排出特性;另一方面可顯著提高鉆井泵易損件壽命、減少工作過程中故障的發生，提高鉆井泵工作效率。所提出的立式機械驅動鉆井泵由于結構緊湊、占地面積小，較臥式機械驅動鉆井泵更適合海上鉆井作業對設備的要求。顯然，立式機械驅動鉆井泵具有廣泛的應用前景。

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