BW250泥浆泵壳体结构改进及其加工工艺研究.docx
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BW250泥浆泵壳体结构改进及其加工工艺研究
天津工业大学
硕士学位论文
BW--250泥浆泵壳体结构改进及其加工工艺研究
姓名：
李俊峰
申请学位级别：
硕士
专业：
工学硕士
指导教师：
邢静忠
201202
摘要
根据国内外泥浆泵的发展状况，以及目前泥浆泵存在的问题，重点从泥浆泵壳体结构
改进和加工工艺优化两方面，提高泥浆泵的工作性能和效率。
泥浆泵壳体属于薄壁箱体类零件，在泥浆泵的工作过程中起到支撑和载荷传递作用。
它主要承受曲轴旋转过程中的交变载荷作用，其过大的变形会引起泥浆泵整体效率下降、振动和噪音过大等危害。
在交变应力作用下，壳体失效会造成整个系统瘫痪。
因此，保证壳体的强度和刚度对泥浆泵整体的工作效率和性能起到至关重要的作用。
按照泥浆泵壳体的几何形状，在三维设计软件Pro／E环境中建立三维几何模型。
利用Ansys软件确定出最不利载荷工况下壳体的变形和应力分布。
依据主要几何参数和壳体变形特征，提出了壳体结构的改进方案，提升泥浆泵壳体的刚度性能。
计算表明壳体最大变形对壳体局部厚度不敏感，减小最大变形需要整体提高刚度，局部增厚对最大变形的减小
影响不敏感。
泥浆泵壳体的加工精度是影响泥浆泵工作性能和效率的主要因素之一。
本文分析了壳体结构工艺特点和技术条件以及原有加工工艺的不足。
从壳体定位基准选择、侧斜面加工及处理、工艺路线、刀具系统、切削用量和精加工等方面对壳体的加工工艺进行优化。
对新加工工艺优化后加工的泥浆泵壳体，进行了加工精度和整体性能方面进行了实验验证。
对比研究和测试结果表明，结构改进和加工工艺优化能提高泥浆泵整体的工作性能和效率。
关键词：
工艺方案优化；有限元分析；结构优化；壳体
ABSTRACT
AccordingtothedevelopmentofnudpumpinChinaandintheworld，andtheproblemexistedincurrentapplication，mainlyimprovementofthestructuralperformanceofthepumpshellandprocessingtechnologyoptimizationarechosentoenhancetheoverallperformanceand
efficiencyofthemudpump．
Mudpumpshellisathinwallbox．typeparts，workinginthewholeprocesstosupportandtransferloading．Underthealtematingloadfromarotatingcrankshaft，largedeformationwilldecreasetheoverallefficiency,vibration，excessivenoiseandotherhazards．Excessivestresswillmaketheshellfailureandleadtoentiresystemfailure．Therefore，thestrengthandstiffnessofthemudpumpshellplayanimportantroleinefficiencyandperformanceimprovementofthemud
pump·
Accordingtothegeometryofthepumpshell，athree-dimensionalgeometricmodelhasbeenbuiltin3DdesignsoftwarePro／Eenvironment．BasedonthegeometrymodelimportedintoANSYSsoftware，pumpshellfiniteelementmodelisbuilt，deformationandstressdistributionofthemudpumpshellisobtainedunderthemostunfavorableloadconditions．BasedontheseIectedgeometricparametersofthepumpshell，thepumpshellstiffnessandstrengthpropertyhavebeenimpoved．Comparedtotheoriginaldesignthepropertyandoverallperformanceofthe
mudpumpisimpovedtoo．
AccuracYofmanufactureprocessofmudpumpshellisoneofthemostfactorinaccuracyofmudpump．Thispaperanalyzedthestructuralcharacteristicsofthepumpshellandprocessconditionsandrawprocessingtechnologyinadequacies．Fromthepumpshelllocatingdatumselection，processingandhandlingofthesideslope，routings，toolingsystems，cuttingand
finishingofthepumpshellintermsofprocessingtechnologyisoptimized．
Onanewmudpumpmanufacturedundernewoptimizedprocessing，mudpumpshellprecisionandoverallperformanceareverifiedbyexperimentalmethod．Comparisonofthedataandresearchshowthatstructuralimprovementsandimprovedprocessingprogramcanimprovetheoverallperformanceandefficiencyofthemudpump．
KeYwords：
Processschemeoptimization；Finiteelementanalsys；optimumdesign；pump
shell；
学位论文的主要创新点
一、泥浆泵壳体有限元分析和结构改进
利用三维设计软件Pro／E对泥浆泵壳体进行几何建模，利用ANSYS软件的模型导入功能将其导入有限元分析环境。
对导入的泥浆泵壳体模型施加最不利工况下的工作荷载，在ANSYS环境计算获得变形和应力分布。
找出对工作性能影响最大的变形因素，建立增加壳体刚度的改进方案。
经过结构分析计算表明壳体最大变形与壳体局部厚度不敏感，局部增
厚对最大变形的减小影响不大。
二、刀具系统的结构改进
根据机床性能和刀具件能优化切削参数；改进刀具系统，合并加工工序和工步，缩短了加工时间。
泥浆泵壳体上同轴心线上的三个待加工孔，原工序至少要9道工步完成加工。
利用单镗刀杆上恰当位置增设的三个装刀孔，可同时加工三个孔，使加工时间大幅缩短，且容易保证孔同轴度：
利用沿镗杆不同方向的切削力抵消措施，减少了镗杆振动变形，并保证被加工孔的圆柱度，减轻了刀具磨损。
第一章绪论
第一章绪论
1．1泥浆泵的发展现状及构造
泥浆泵被广泛的应用在水库大坝、煤矿巷道、隧道灌浆、高速公路边坡维护、建筑地基加固等场合，泥浆泵也是地质勘探主要配套设备之一。
随着国民经济的发展，此类泥浆泵的需求量也越来越大。
主要作用是在岩心钻探过程中向钻孔内供给冲洗液（泥浆或清水），使之在钻孔过程中循环，携带岩屑返回地表面，保持孔底干净，冷却并润滑钻头及钻具，保护孔壁防止垮塌，帮助钻头顺利钻进。
泥浆泵性能的优劣直接影响整个钻进效率。
目前，在世界范围内泥浆泵的技术发展，美国处于领先地位，其次是俄罗斯。
俄罗斯近几年来对三缸单作用泵的发展较快IlJ。
我国钻探用泥浆泵与美国、俄罗斯同类型泵的先进水平相比，容积效率和质量等方面达到先进水平，唯有总效率还有差距。
美国和俄罗斯的泵的机械效率一般为90％左右，而我国仅80％左右12弓J。
这主要是因为我国机械制造精度
差，表面粗糙度数值大，装配质量差等原因I引。
泵业的发展，离不开高科技的发展和应用，如CAD／CAM技术的应用。
它推动了壳体结构设计的多样化，生产朝多品种、小批量方向发展14J。
制造技术的提高又给泵业的发展注入了新的力量。
由合成纤维、陶瓷及聚四氟乙烯等材料制成的低摩擦压缩填料和石棉填料相比，在多方面显出了优势，显示了新的生命力。
国内泵业就近几年来发展很迅速，生产的能力已具有了相当大的规模。
在原有的基础上开发研究新产品，引进国外的工艺及技术，如计算机辅助设计CAD系统、中国泵制造业与相关行业信息计算机远程通讯系统等新技术的设计和开发促进了我国泵业技术水平的提高。
综上所述，无论在国内、国外，新型轻便的泥浆泵还不是很多，而现在对此类泵的需求量却在日益增大。
BW-250泥浆泵由泵体、安全阀、离合器、泵头、机架、三通及滤水器等部件组成。
泥浆泵的泵体和泵头使用八个M16的双头螺栓联接在一起，用八个M16的六角螺栓将泵体和泵头固定在机架上，离合器与泵体使用四个M16的双头螺栓联接。
在山地运输困难的地方搬迁时，可将整台泵方便地分解成泵体、安全阀、离合器、泵头、机架、三通及滤水器等（图1．1所示）。
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图卜lBW．250泥浆泵
1．2BW．250型泥浆泵简介
1．2．1泥浆泵工作原理
泥浆泵是在钻探过程中，向钻孔输送泥浆或水等冲洗液的机械【5】，是钻探机械设备的重要组成部分。
在常用的正循环钻探中，泥浆泵是将地表冲洗介质—清水、泥浆或聚合物冲洗液在一定的压力下，经高压软管、水龙头及钻杆柱中心孔寓送钻头的底端，以冷却钻头
，将切削下来的岩屑清除并输送到地表。
常用的泥浆泵是活塞式或柱塞式的，由动力机带动泵的曲轴回转，曲轴通过十字头再带动活塞或柱塞在泵缸中做往复运动。
在吸入和排出阀的交替作用下，实现压送与循环冲洗液的目的。
泥浆泵分单作用及双作用两种型式I孓6|。
单作用式泥浆泵在活塞往复运动的一个循环中仅完成一次吸排水动作（如图1．2所示）。
而双作用式泥浆泵每往复一次完成两次吸排水动作（如图1．3所示）。
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图1．2单作用泥浆泵工作原理图图l_3双作用泥浆泵工作原理图无论单作用还是双作用，其原理是一样的。
当活塞左右移动时，形成缸内压力与缸外
压力不同，缸内压力小于外界大气压力，泥浆就顶开吸水活阀，进人缸套内部。
当缸内压力大于外界大气压力，缸套内的水项开排水活阀，水从缸套内部排出。
若按泥浆泵的缸数
2
第一章绪论
分类，泥浆泵有单缸、双缸及三缸三种型式。
BW-250泥浆泵是往复单作用三缸泥浆泵。
1．2．2目前泥浆泵性能参数
泥浆泵性能的两个主要参数为排量和压力。
排量以每分钟排出若干升计算，它与钻孔直径及所要求的冲洗液自孔底上返速度有关，EIIJ：
子L径越大，所需排量越大。
要求冲洗液的上返速度能够把钻头切削下来的岩屑、岩粉及时冲离孔底，并可靠地携带到地表。
地质岩心钻探时，一般上返速度在0．4"--"1米／分左右。
泵的压力大小取决于钻孔的深浅，冲洗液所经过的通道的阻力以及所输送冲洗液的性质等。
钻孔越深，管路阻力越大，需要的压力越高。
随着钻孔直径、深度的变化，要求泵的排量也能随时加以调节。
在泵的机构中设有变速箱或以液压马达调节其速度，以达到改变排量的目的。
为了准确掌握泵的压力和排量的变化，泥浆泵上要安装流量计和压力表，随时使钻探人员了解泵的运转情况，同时通过压力变化判别孔内状况是否正常以预防发生孔内事故。
目前岩心钻探常用的泥浆泵主要有以下型号，其技术性能参数如下表1．1I，，J。
表1．1常用泥浆泵参数表
＼＼型号
B、Ⅳ-200B、Ⅳ-600BW一300BW_250BW-90BL．200BW-600
技术往队
双缸往复双缶J往复式■缸往复i缸律复式j缸f}复■缸往复式型号螺杆
式双作用双作用式单作用单作用式单作用单作用
200、125、
最人排量（公升／分）600300、200快236、慢16090200快600、慢410
55
最大压力（公斤／厘40、60、
3040、60快26、慢505040快12、慢20
米2）60
80、65、
缸套直径（毫米）13092、757560loo
45
活塞行稃（毫米）85180loo856585
活塞律复次数（次／
14580l50快236、慢16038～18l快170、慢115
分）
传动轴直释（毫米）380390
传动轴转数（转／分）5307954905401500500389
三角皮带轮节径
380399480385
（ram）
三角皮带轮类，l!
!
及
B型×5槽C型×6槽C型X5槽B型×5槽B型×5槽
槽数
20、20、
所需动力（马力）524020824
10
吸水n径f毫米）34（或28）624576．272
排水【]径（毫米）268238．I63．5
外形尺寸：
长宽高1050×2000×10401090×lIOO×10201880×1350×8IO×
（毫米）630×820×13lO030×1070×1080154×705820
最量（公斤）3001450548450314550
配用钻机XY-5XY二3XY-4XY二3
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1．2．3泥浆泵的主要用途
泥浆泵使用于矿山、造纸、印染、环保、石墨、云母、黄金、陶瓷、炼油、石油、化工、农场、盐场、碘场、染化、酿酒、食品、化肥、焦化选厂、建筑、大理石厂、金矿、泥浆、流沙、泥塘、污塘、污浊液送吸浓浆稠液、装料及悬浮物质的污水作业，也可作煤矿排水及含有泥块的流体。
泥浆泵若与高压水泵，水枪配合，组成水力机械化土方工程机组，就可用作于土地平整，河道与池塘的疏浚、凿开等小型水利工程的挖方与输方，以及城市的防空工程，地下工程【8】。
养鱼用作带水清塘、鱼池增氧等。
1．2．4BW．250型注浆泵工作参数
BW-250型泥浆泵（注浆泵）为卧式三缸往复单作用活塞泵，该泵具有两种缸径和四档速度BW-250型注浆泵大缸径（西80mm）可作1000米深大孔径钻机配套没备，小缸径（065mm）可作1500米深小孔径钻机配套设备。
也可用于水泥浆灌注，本泵耗能少、操作灵活、优质耐用、分解性好、易于搬迁。
技术参数和型式见下表l一2。
BW-250型泥浆泵主要应用于地基处理工程中的水泥浆灌输，输送水泥浆的水灰比可达l：
l。
表1-2BW一250型泥浆泵技术参数‘7】
型号BW．250
犁式卧式三缸往复单作用活塞泵
冲稃（皂米）100
缸行（毫米）806570
冲次（次／分）2001167242200116724220917l130107
流最（升／分）2501459052166966035200164125102
压力（公斤／N米2）254560604060707050607080
容积效率（％）83
总效率（呦70
所需助率（KW）1522
三角皮带轮节径（毫米）（B型×5槽）410
输入速度（转／分）500520
吸水速度（米）2．5
进水管直径（毫米）（配三时央布耐昧胶管）76
推水管直径（皂米）（配炳层钢丝·角脉爪胶管）5l体移{（长×宽×高）（毫米）1000X995X650
重角=（公斤）500520
1．2．fiBW．250泥浆泵泵体内部结构
泵体为一密封的变速箱体。
内装输入轴，变速轴，中间轴，六个齿轮，两个二联齿轮组成的变速机构及曲柄连杆机构。
见图1．4所示。
4
第一章绪论
输入轴为空心轴I，支承在3221l和30309的滚动轴承上。
输入端装有联轴器与皮带轮离合器联接，中间装有齿轮，齿轮与齿轮之间装有轴套。
图l_4BW一250型泥浆泵泵体装配图
中间轴为花键轴II，支承在30309和32209的滚动轴承上。
该轴与输入轴在同一轴心线上，在一端安装着摩擦离合器的离合手柄外壳，摩擦离合器的离合是藉离合手柄作180
。
的转动来操纵的。
当手柄向上转动时带动偏心轮转动，偏心轮压挤长顶杆，长顶杆在中间轴和输入轴的空心眼中通过，接离合器短顼杆，顶起推盘，推动杠杆压缩离合器弹簧，而使离合器分离。
在中部花键上装有齿轮3和齿轮4及小齿轮，小齿轮与曲轴上大齿轮啮合。
变速轴111支承在两个1609的滚动轴承上，本轴为花键轴，花键上装有可以在轴上滑动的两个二联齿轮。
通过变速手柄、板杆、销轴、扇齿轮、齿条和拨叉拨动二联齿轮，使之分别与输入轴的齿轮l或齿轮2和中间轴上的齿轮3或齿轮4啮合，以实现四档变速。
变速时应按侧盖板上的标牌与上盖板上的手柄位置标牌指示进行变速。
曲轴Ⅳ具有三个互成120。
的拐角，主轴颈支承在两个3613的滚动轴承上。
曲轴的连杆轴颈通过连杆与十字头相连接。
连杆体及连杆盖只能成组互换，用连杆螺钉和连杆螺母及止动垫圈紧固。
连杆轴颈与连杆上下铜瓦之间的间隙为0．06'---0．13mm，可用垫片来调整，磨损后可用抽垫刮瓦的方法来进行修复。
连杆小头装有连杆铜套，通过十字头销轴与十字头浮动连接，十字头在十字头滑套内滑动，十字头用螺纹（40。
锥度定位）与泵头的拉杆联接，
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带动活塞作往复运动。
十字头滑套端部装有调整垫，防止其轴向移动。
连杆上下瓦靠杆上两个m10斜孔导油来润滑，离合手柄外壳内的偏心轴凸轮应定期添
加润滑脂，其余运动部件靠曲轴齿轮及连杆旋转运动所造成的油雾进行飞溅润滑。
泵体之
油面是用油标尺来检查的。
泵体下部有油塞做放油用。
由于采用曲轴旋转中心与十字头中心不在同一中心线上，而是错开15mm，俗称偏置机构。
这样可以减少十字头对十字头滑套壁的侧推力，但曲轴的旋转方向不要随意改变，否则推力反而增大。
因此要特别注意皮带轮的旋转方向，必须按防护罩上标定的方向旋转。
这样也有利于连杆盖的导油孔瓦上的油润滑连杆上下瓦。
1．3论文背景及研究内容
泥浆泵制造技术发展很快，对于泥浆泵的性能要求越来越高。
如安全可靠，寿命长，
适应性强等，重点体现在对结构强度、振动、寿命的设计要求上。
在原BW．250型泥浆泵的基础上，提高泥浆泵功率，考虑产品系列化，将在22kw的基
础上进行40kw泥浆泵的设计。
为了验证原传动箱壳体能否满足功率增大后的强度条件，故对原泥浆壳体体进行受力分析和计算。
为产品设计、考核泥浆泵壳体的安全系数和模拟实验加载提供实验依据。
国外生产的泥浆泵壳体厚度比我国制造的相对较薄。
而在国内，有关这方面的研究工作开展的并不多。
在安全系数选取上一般偏于保守，生产出来的泥浆泵壳体较重。
为了发展更轻型的泥浆泵，提高有效载荷，有必要对泥浆泵壳体进行优化设计。
本文选择BW．250
泥浆泵壳体设计和加工工艺优化研究作为研究对象。
本文首先对泥浆泵曲轴旋转过程中的各种荷载进行理论计算，找出曲轴对泥浆泵轴承孔的最大荷载工况和相应的荷载幅值。
然后利用三维设计软件Pro／E对泥浆泵壳体进行几何建模，在ANSYS环境中进行有限元计算，获得变形特征和应力分布。
找出对工作性能影响最大的变形因素，提出壳体的改进方案。
其次，根据泥浆泵壳体结构的工艺特点，对壳体进行了技术条件分析。
在原有工艺基础上，重点从定位基准、加工路线、刀具系统、切削用量以及加工余量等方面对泥浆泵壳体进行工艺优化。
最后，通过实验手段检验用新工艺加工的壳体。
主要从壳体的尺寸精度和组装后的整体性能两个方面进行验证。
检验结果表明新工艺加工的壳体在尺寸精度和装配精度及整体质量上有明显提高。
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第二章泥浆泵壳体强度分析及其结构优化设计
第二章泥浆泵壳体强度分析及其结构优化
泥浆泵壳体属于薄壁箱体类零件，在整个泥浆泵的工作过程中起到支撑和载荷传递的作用。
它主要受到曲轴旋转过程中的交变载荷作用，其过大的变形会引起整体效率下降，振动和噪音过大等危害。
在交变应力作用下，壳体失效会造成整个系统瘫痪。
所以保证壳体的强度和刚度对泥浆泵整体的工作效率和性能起到至关重要的作用。
同时尽量减少壳体材料耗费，以节约资源。
依据曲轴的工作状况，曲轴回转引起的载荷作用需要施加给支撑轴承。
以此为计算条件，确定壳体上轴承所受的外载荷。
按照壳体的几何形状，在三维设计软件Pro／E环境中建立三维几何模型。
利用Ansys软件确定出最不利载荷工况下壳体的变形和应力。
选定壳
体主要几何参数，进行壳体刚度和强度改进设计，提升泥浆泵壳体的设计以及整体性能。
2．1箱体的主要功能与分类
2．1．1箱体的主要作用
1）箱体支承并包容各种传动零件，如齿轮、轴、曲轴、轴承等，使它们能够保持正常的运动关系和运动精度。
箱体还可以储存润滑剂，实现各种运动零件的润滑【41。
2）箱体对其内部零件起到安全保护和密封的作用，使箱体内的零件不受外界环境的影响。
同时保护操作者的人身安全，并有一定的隔振、隔热和隔音作用。
3）箱体将机器各部分分别根据需要安装在不同的箱体内部，组成单元，便于加工、装
配、调整和修理。
4）箱体同时能够改善机器造型，协调机器各部分比例，使整机造型美观。
2．1．2箱体的分类
按箱体的功能可分为【9】：
1）传动箱体：
如减速器、汽车变速箱及机床主轴箱等的箱体。
主要功能是包容和支承
各传动件及其支承零件。
这类箱体要求有密封性、强度和刚度。
2）机壳类箱体：
如壳体，各种液压阀的阀体。
主要功能是改变液体流动方向、流量大
小或改变液体压力。
这类箱体除有对前一类箱体的要求外，还要求能承受箱体内液体的压
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力。
3）支架箱体：
如机床的支座、立柱等箱体零件。
要求有一定的强度、刚度和精度。
这类箱体
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