机械制造专业毕业论文泥浆泵工艺设计.docx
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机械制造专业毕业论文泥浆泵工艺设计
摘要----------------------------------------------------------------------------------
目录----------------------------------------------------------------------------
第一章的总体概述-------------------------------------------------------
第二章动机的选择---------------------------------------------------------
第三章浆泵的一些零件的设计计算-----------------------------------
第四章浆泵主要零件的额加工工艺-------------------------------------
4.1偏心轮的加工---------------------------------------------------
4.1.1工工艺
4.1.2注意事项
4.2泵头体处理工艺----------------------------------------------
4.2.1泵头提到额失效过程
4.2.2影响泵头体服役寿命的主要因素
4.2.3冶金因素
4.2.4平面强化
4.2.5机加工
4.3缸套磨损机理研究材料选择及结构设计-------------------
4.3.1磨损原因分析
4.4泵轴热处理要解决的问题---------------------------------------
4.4.1感应器的设计
4.4.2保护水套的设计
4.4.3工艺过程的设计
4.4.4工艺调试
4.5泥浆泵轴表面热处理的方法----------------------------------
4.5.1表面热处理方式选择
4.5.2火焰表面淬火工艺
4.5.3火焰表面淬火工艺制定
4.5.4注意事项
4.5.5缸套磨损机理研究、结构设计及表面处理技术的应用
4.5.6效果分析
4.6齿轮---------------------------------------------------------------
4.7活塞密封圈的选择------------------------------------------------
第五章泵的使用与维护----------------------------------------------
5.1安装
5.2维护
5.3正确使用与维护
5.4泵的润滑
5.5常见故障及排除
第六章柱塞泥浆泵的经济可行性分析-------------------------------
第七章结论---------------------------------------------------------------
参考文献----------------------------------------------------------------
附录一专题------------------------------------------------------------
附录二外文翻译-----------------------------------------------------
英文翻译
中文翻译
第一章泥浆泵泵的总体概述
柱塞泥浆泵的工作原理：
图1.1
由图1.1解释。
由电机通过带传动输入动力，通过行星减速器减速。
经偏心轮将回转运动转化为直线往复运动。
驱动双作用柱塞泵作功。
柱塞泵的进浆室、排浆室各有两个钢球组成的单向控制阀（如下图所示）。
当活塞杆向左驱动时，缸体右腔进浆（单向阀F2打开，单向阀F4关闭），缸体左腔排浆（单向阀F3打开，单向阀F1关闭）。
当活塞杆向右驱动时，缸体左腔进浆（单向阀F1打开，单向阀F3关闭），缸体右腔排浆（单向阀F4打开，单向阀F2关闭）。
（见以上工作原理图1.1）除此之外,在主通路上安装空气力表用来调整泵在抽吸过程中产生的波动大小。
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。
泥浆泵是钻
探机械设备的重要组成部分。
泥浆泵的主要作用是在钻进过程中将泥浆随钻头钻进注入井下，起着冷却钻头，清洗钻具、固着井壁、驱动钻进，并将打钻后岩屑带回地面的作用。
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﹐经过高压软管﹑水龙头及钻杆柱中心孔直送钻头的底端﹐以达到冷却钻头﹑将切削下来的岩屑清除并输送到地表的目的。
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泥浆泵泵缸中做往復运动。
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。
图1.2
偏心轮连杆传动：
如图3-1所示
图3-1 PZNB型喷水式柱塞泥浆泵结构图
1—传动端;2—柱塞组合;3—水清洗系统;4—阀箱组件
其传动端结构为中心轴+偏心圆盘+连杆。
机构工作方式为：
电机通过减速器减速后，通过心轴上的啮合齿轮副带动轴旋转，由于偏心圆盘是通过刚性连接于轴固结为一体，圆盘也将做旋转运动。
再经过连杆的运动传递，将旋转运动变为注塞的往复运动。
此类结构中，要求轴端必须有轴承支撑，整个动力端要有良好的润滑、散热和密封装置。
泥浆泵性主要能参数
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﹐即孔径越大﹐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。
泥浆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。
为了準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﹐随时使钻探人员瞭解泵的运转情况﹐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，全球真空泵的市场的年销售额约20亿美元，年增长率在7%左右。
我国生产的真空泵的厂家很多，全部真空泵的年销售额大约在1.5亿左右，仅相当于美国Kinney公司一家真空泵的年销售额。
通过对全球真空泵市场的分析我们可以看处，各类真空泵的市场及应用领域都在不断的变化和发展。
我国真空泵制造业有着悠久的历史和雄厚的基础，国产真空泵已经在各个不同领域得到应用并经过验证，有些还出口到国外，得到国外用户的认可并受到好评，应该说我国真空泵制造业在国内外市场仍然有着巨大的发展空间。
第二章电动机的选择
泵的原动机类型应根据动力来源、工厂或装置能量平衡、环境条件、调节控制要求以及经济效益而定。
现今电动机主要有鼠笼式和线绕式两种，三向交流鼠笼型异步电动机是石化装置用泵的主要原动机，它具有结构简单、维护方便、价格较低、体积紧凑、启动及运行均较方便可靠的优点。
但是它不能经济、方便地实现范围较广的平滑调速、运行中必须从电网吸收滞后的无功电流而使电网功率因素变低，一般不适于大型泵及调速泵，而多用于中、小型泵。
相比之下，三相交流绕线型电机和三相交流同步电机，则可用于对启动、调速、改善电网功率因数、大功率、高效率、转速恒定等有特殊要求的场合，但用于驱动泵的不多。
直流电机虽有调速性好、启动转矩大等优点，但需直流电源，造价高，维修较复杂，一般也不常用于生产装置中。
当需要改变工厂的蒸汽平衡，对装置中大型泵或需调速等特殊要求的泵，可采用气轮机作泵的原动机。
随着石化装置技术水平及经济性的提高，采用反转离心泵或液力透平作为泵的辅助或主要原动机，以回收压力液流的可用能量；采用调速或多速电机，或采用电磁的、液力的、机械的耦合器以达到泵调速的目的等技术，近年来已应用于石化装置。
此外，在特定的情况下，也有用蒸汽机、内燃机、燃汽机等作为泵的原动机的。
然而，由于泥浆泵的工作环境和条件恶劣，工作于高湿度、高粉尘的环境。
根据《机械设计使用手册》需要选择专用电动机。
电机的选择还要根据某些参数才能确定最终的电机型号计算过程如下：
由已知参数可知P=4Mpa.
而根据公式F=AP可得，
F=4×
×3.14×0.0952=113354N
其中F——主轴所受的轴向力
A——运动活塞的截面积
P——作用在轴上的最大压力
由以上便可得主轴的转矩T：
T=Fr=113354×80×
=9068N.m
根据公式，P=
，可得
P=
=16270
/r
其中p——为排量；
M——为转矩；
P——为最大压力；
又由Q=
，可得轴的转速r=
，
r=
=117r/min；
其中Q——为流量（L/min）；
P——为排量（
/r）；
最终根据以上所求的参数，可根据公式T=9550
求得轴的输出功率
P=
=
=111Kw；
取每级齿轮的传动效率为0.97，带的传动效率为0.92。
可算得电机的输出功率为P=
=128Kw。
一般的，Y系列是供一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机，具有效率高、性能好、噪音低、振动小、体积小、重量轻、运行可靠、维护方便等优点。
而Y系列电动机主要拥有启动转矩高、启动电流小等优点。
根据以上的叙述和有关计算，决定选择Y315M1-4型三向异步电动机，其功率为132Kw，转速为1490r/min，重量为1100Kg.
此系列的电动机的主要特点：
1启动转矩高、启动电流小，效率较高，损耗少，运行可靠，运行温度低；
2由于其结构型式为封闭式，因此可以在尘土飞扬、水土飞溅的环境中使用，在比较潮湿及有轻微腐蚀性气体的环境中也能有较长的使用寿命。
第三章泥浆泵的一些零件的设计
泥浆泵的发展方向是提高时效，降低成本和采用能够降低成本的新工艺、新技术和新装备。
运用大排量高压喷射钻井工艺即是这一趋向的必然选择。
高压喷射则由高可靠性的钻井泵来保证。
因此，.泥浆泵的发展趋势是:
①降低额定冲数，由150冲/min降到110一120冲/min,②长冲程，最大冲程已达300mm以上。
降冲不仅可以提高易损件如活塞密封、缸套的使用寿命，而且还可以减少惯性损失，改善泵的吸人性能，同时提高泵动力端齿轮、轴承等零部件的使用寿命，大大提高钻井泵的可靠性。
合理降低泵的冲次，适当增加泵的冲程长度，既满足钻井过程中的排量要求，又能确保泵的自吸性能，充分发挥了泵的效能，成为今后钻井泵设计的发展方向。
钻井行业的发展方向是提高时效，降低成本和采用能够降低成本的新工艺、新技术和新装备。
运用高速高压喷射钻井工艺即是这一趋向的必然选择。
决定钻井泵易损件寿命和工作效率的参数为泵冲次、冲程、排出压力和吸人压力。
这些参数与有关寿命之间的关系是指数函数。
实践表明钻井泵80%的故障是由于缸套活塞组的磨损引起的。
3.1泵主要参数的合理选择
泵的性能取决于泵技术参数的合理匹配。
从提高泵的吸入性能出发，优化选择泵的性能和结构参数是非常重要的。
（1）泵的额定冲次n钻井泵的冲次n是泵的主要参数之一。
目前的发展趋势是降低冲次，相同功率下，冲次高使得泵体积小，质量轻，进而制造费用、运输费用和维护保养费用较小;冲次高则不能充分发挥三缸单作用泵的效能，因此，对冲次的选定将决定钻井泵的性能可靠性、使用性和经济性。
降低冲次可以提高泵吸人性能，特别是提高三缸泵的自吸能力。
降低冲次可延长易损件的使用寿命。
钻井泵冲次的高低对易损件的寿命有很大影响。
活塞失效的主要原因是挤伤和磨损，由于活塞平均速度与冲次成正比，当冲次降低后，活塞往复运动的速度减慢，活塞与缸套之间的摩擦功耗产生的摩擦热减少，从而延长活塞密封的使用寿命，也提高了缸套的使用寿命。
同时，十字头、导板、阀和阀座的寿命都有所提高。
另外，冲次降低后，惯性损失减少，泵不易产生“水击”现象，质性力减弱，将会提高泵动力端齿轮、轴承等零部件的使用寿命。
冲次
泵缸横截面积：
S=
=
x
=0.030685
往复频率f：
f=
=
=41.64
冲次w：
w=1/f=1.428S/次
上式中，L：
流量；
V：
泵缸容积；
0.5：
泵缸冲程，单位m。
推杆推力F：
F=PS=4Mpax0.030685
=122.74KN
（2）泵的冲程长度泵的冲程长度是钻井泵的另一重要指标。
由以上表所知，在降低冲次的前提下，适当加长冲程长度是合理的，而且还可以进一步改善其吸人性能。
经合理搭配泵的冲程长度，泵的额定冲次，缸套直径，在泵的理论排量、排出压力满足钻井工艺要求的前题下使泵的惯性水头系数小于0.34m/s2时，能够确保钻井泵自吸性能良好。
（3）正确设计吸人管线也是钻井泵设计的关键为保证液流与活塞同步增速，液流需要消耗一定的能量，即称为“加速度水头损失”或“惯性损失”。
随着所用吸人管线的形式不同，这种损失可能加大或减小。
要控制惯性损失，提高泵吸人性能，应注意以下几方面问题：
1）吸人管线应有足够的液体。
2）选用直通式泵头。
3）吸人系统应绝对密封。
3.2钻井泵阀运动对排量的影响
泵工作时排量不断变化，压力也随之变化。
排量和压力的波动会降低泵的机械效率·容积效率及缩短泵和管线的使用寿命，甚至导致井壁的坍塌和钻进液的漏失。
为了减小泵的排量和压力的波动，常用的方法是在泵的排出口安装空气包，或在吸人口安装空气包。
泵工作时，阀盘作间歇运动。
当阀盘上升时，它与阀座间有一空间，从液缸内排出的液体有一部分储存其中，使流经阀隙的液体量小于液缸内排出液体量;当阀盘下落时，下部空间减少，把原来储存的小部分液体排出，使流经阀隙的液体量大于由液缸内排出的液体量。
从本质上说，泵阀在阀腔内的运动效果就相当于一台“开式”往复泵，阀盘相当于一个活塞。
对钻井泵而言，为了满足钻井工艺对排量和压力的要求，通常采用换缸套的方法。
根据泵阀理论，阀盘的运动存在滞后现象，在排出过程终止时，阀盘并未落回阀座。
吸人过程开始时，阀盘在自重、弹簧力及阀盘上下压力差的作用下，快速下落，产生冲击力。
阀盘上下压力差越大，阀盘的冲击力越大，阀盘和阀座所受的力就越大。
同样，由于泵在高压状态下使用的是小缸套，在Q1=Fcursincot中，F值较小，泵的排量变化值较大。
所以在设计泵时，通常采用泵的小缸径参数。
为了减小泵阀运动对泵排量不均度的影响，应尽可能地减小阀盘的直径和运动速度，尽可能地使用直径较大的缸套，使Flf阀的值较大，也就是说，在泵的使用过程中，尽可能使用大直径缸套，既可以提高钻井液的循环量，又可以保证泵的瞬时排量相对稳定，从而保证钻井质量。
3.3缸筒材料选择：
要有足够的强度，能长期承受最高工作压力；
要有足够的刚度，能够承受活塞的侧力和安装的反作用力而不至变形；
良好的耐磨性，在长期工作情况下仍能保证较高的尺寸和形位公差等级；
综合以上各条和经济性考虑，缸筒材料选为15Mn。
由以上数据可计算液压缸筒壁厚
为：
（设
）由
19-212有：
圆整为30mm。
其中
：
缸筒壁厚，
：
缸内最大压力，
：
；
：
缸筒材料许用应力；n安全系数，取为5。
至此，缸筒尺寸确定：
直径100mm，壁厚30mm，长L为500mm，（考虑到活塞厚度及缓冲缸的存在，长度定为600mm）
3.4吸浆管与排浆管的选择与直径计算
3.4.1吸浆管直径计算
dx=（4Q‘/πvX）1/2=[4×2323/（3.14×13×60）]1/2=0.19
取φ20mm
式中：
vX—液流在吸入管中的流速取vX=1.3m/S=13dm/S
Q‘—计算流量Q‘=Q/ηV=1917/0.825=2323L/min
3.4.2排浆管直径计算
dp=（4Q‘/πvp）1/2=（4×2323/（3.14×20×60））1/2=0.272mm
取φ30mm
式中：
vp—液流在排水管中的流速取vp=2m/S=20dm/S
3.4.3浆管的选择
根据工作压力和按上式求得的管子的内径，选择胶管的尺寸规格。
对于频繁，经常扭者要降低40%。
胶管在使用及设计中应注意下列事项：
（1）胶管的弯曲半径不宜过小，胶管与管接头的连接处应留有一段直的部分，此段长度不应小于关外半径的两倍。
（2）胶管的长度应考虑到胶管在通入压力液后，长度方向将发生收缩变形，一般收缩量为管长的3-4%。
因此，胶管安装时应避免处于拉紧状态。
（3）胶管在安装时应保证不发生扭转变形，为了便于安装，可沿管长涂以色纹，以便检查。
（4）胶管的管接头轴线，应尽量放置在运动的平面内，避免两端互相运动时胶管收扭。
（5）胶管应避免与机械上尖角部分相接触和摩擦，以免管子损坏。
3.5连杆十字头连接处销子强度的计算
销的类型可根据工作要求选定，用于联结的销，其直径可根据联结的结构特点按经验确定，必要时再作强度较核。
定位销通常不受载荷或只受很小的载荷，数目不能少于两个。
销在每一个被联结的件内的长度约为销直径的1-2倍，定位销的材料通常选35、45钢，并进行硬化处理，根据工作需要也可以选用30CrMnSiA、1Cr13、2Cr13、H62和1Cr18Ni9Ti等材料；弹性圆柱销多采用65Mn，其槽口位置不应装在销子受压的一面，要在装配图上表示出槽口的方向。
设计安全销时，应考虑销剪断后要不易飞出和要易于更换。
安全销的材料可选用35、45、50钢或T8A、T10A等，热处理后硬度为30-36HRC；销套材料可选用45钢、35SiMn、40Cr等，热处理后的硬度为40-50HRC。
安全销的直径应按销的抗剪强度τb进行计算，一般可取τb=（0.6-0.7）σb。
根据本设计的实际情况，选择45钢d=16mm的圆柱销。
材料：
45号钢
机械性能：
σs=36000N/cm2
σb=61000N/cm2
[σ]=σs/1.5=24000N/cm2
（1）外加负荷P=πD2P/4=Π×162200/4=40192N
（2）各支点反力FA，FB
∑Z=0
FA+FB=P=40192N
∑MA=0
18P－36FB=0
解得：
FB=20096N
FA=20096N
（3）各支点弯矩如图4.1
MA=MB=0
MC=18FA=36172N.cm
（4）按弯曲强度计算
从图4.1的弯矩图可知危险短面为C处截面，截面C处的抗弯摸量W
W=0.1d3=0.1×1.93=2.476cm3
截面C处的弯曲应力σW
σW=MC/W=36172/2.476=11609N/cm2
安全系数n
n=[σ]/σW=24000/11609=2.06安全
（5）按剪切强度计算
由于此销为双剪切
故剪力Q=P/2=20096N
剪应力τ=Q/F=20096X4/1.92π=1791N/cm2
安全系数n=[τ]/τ=8150/1791=4.55安全
式中：
[τ]—许用剪应力[τ]=8150N/cm2
（6）按挤压强度计算
挤压应力σJY=P/FJY=4019/1.6X2.4=1046N/cm2
安全系数n=[σJY]/σJY=5100/1046=4.88安全
式中：
[σJY]—挤压剪应力[σJY]=5100N/cm2
综上所叙连杆小头销子直径为19mm满足强度要求。
第四章泥浆泵零件的加工工艺
经过计算和几次方案论证，考虑到工作现场的特点，从实际实用的角度出发，确定方案如下：
考虑到多种场合的野外作业，动力选择电机；
1.考虑到密封件容易损坏，需经常更换，选择新型的密封材料聚四氟乙烯，可延长使用寿命；
2.考虑到泵体容易损坏，选用高强度材料，提高承载能力；
3.柱塞选用更好的材料，提高柱塞耐磨性，延长柱塞使用寿命。
4.在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适合于搬运。
尽量做到标准化，通用化，系列化。
4.1偏心轮的加工
三个偏心轮工作由一个直轴联接成一体，三个偏心轮的空间位置各相差120º。
次偏心轮结构结构尺寸、同轴度、垂直度要求非常严格，各装配尺寸上粗糙度的要求也很高这些技术要求给加工增加了难度。
胎具的设计提出：
根据偏心轮的结构，偏心部分内孔与外圆部分壁薄厚不均，个各尺寸精度较高的特点，设想能用一种机加方法把各部尺寸一次加工完成，为了保证零件尺寸精度及形位公差精度，借助于胎具，按同一加工基准定位，通过实际操作，能够满足设计要求。
胎具两侧孔偏心距要求与偏心轮相同，偏心距为100±0.05mm，并保证轴线平行，周围孔与偏心轮上孔把合，利用胎上的孔及周围螺栓把合定位，将偏心轮固定，分步加工各部尺寸。
4.1.1工艺流程
毛坯的准备，材料ZG35CrMo，铸后应正火处理，稳定组织，利用划线，全线检查查看各部尺寸，查看余量是否能满足加工
粗车：
利用划线，用2.5m立车粗车，各部留6mm，超声波探伤检查毛坯内部质量，然后进行调质处理，再探伤检查，看材料是否还有缺陷，再粗车一刀，每面留2mm，余量后进行稳定化处理，使零件的组织更稳定，并进一步消除材料及加工应力。
半精车：
用2.5m立车车成在半精车时需加工一刀，以备找正用；通过划线利用小钻将过垂直轴线的空加工，为保证胎具的使用精度，由钳工处理各孔的毛刺；
精加工：
有A、B两种。
A:
用2.5m立车上胎；按相关端面找正，端面跳动在0.03mm内，修研装夹面，将零件向下装入胎内，检查零件与卡盘回转中心同轴度达到Φ0.04的图纸要求，用沉头螺钉将零件与胎具把牢，内孔按图纸要求磨好；划出偏心十字找正线，上胎；按相关端面赵正，端跳小于0.03mm，修研装卡面，用工艺螺栓和垫圈将零件装卡牢固，车全部偏心尺寸，半精车时检查偏心距100mm实际尺寸，并微调偏心，各面均留0.3mm，其余各部达到图纸要求；B：
用立式磨床上胎；修研装卡面，将零件固定在胎上，按零件端面及内孔找正，磨外圈达到图纸要求，拆下零件，将胎具掉个，按偏心十字线对应找正，卡牢，磨偏心外圆尺寸达到图纸要求。
其余工序：
由钳工取出毛刺，倒角。
4.1.2注意事项：
因为零件用于传动，是关键件，它的使用寿命关系到整个泥浆泵的寿命，在选材上要选用优质合金铸钢，热处理手段至关重要，每一道工序都应仔细，认真操作。
整个工艺流程中划线是主线，按线找正，因此，划线是非常重要的工序，在划线的工程中要仔细检查，每一步都要划的精、准。
胎具在使用时，每一步都应该精修装卡面，每一步都要严格执行，认真修研，否则将会影响整个零件的精度。
偏心距交大时，立车，立磨的切削速度不宜过高，否则应考虑用配重块平衡，以确保尺寸精度。
成产实践证明，使用这种方法加工的偏心轮能够满足设计及使用要求，采用简单的胎具和普遍的车床就能保证偏心轮的精度要求，这种加工方法比较简单，易于操作。
4.2泵头体处理工艺
按国内机械工程技术界的传统观点，对泵头体的处理工艺作了调质处理的规定．认为钢中马氏体是硬而脆的组织，因而为了追求高塑性高韧性，通过调质热
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