矿用泥浆泵的设计

摘要

本文主要介绍了3NB-150/3.0-11型矿用泥浆泵的设计。在煤炭行业需求持续升温的背景下钻探工业迫切需要我们设计生产出高效率的钻探工具。泥浆泵是钻探行业中的一个重要部分，本设计运行机理是由YB160M---4型电动机输出动力，通过行星减速装置调整到生产所需的转速，用联轴器将其与泵轴连接，泵轴通过回转运动带动柱塞往复运动进而使钢球上下运动实现液体的吸排，为保证泥浆在吸排过程中能稳定运行，在排出管道中接入空气室，并安装安全阀保证泵的安全使用。通过分析其机理按设计要求结合给定的参数从动力源的选择到泥浆的排出进行一一计算，务求通过创新设计出一款满足企业需求的低成本高效率的泥浆泵。

关键词：泥浆泵；煤炭需求；煤炭行业

Abstract

This book is mainly introduce the 3NB-150/3.0-11 mud pump.As the economic highly developed in our country including the need of coal mining is obviously improved.That urge us to design a high efficiency mining tool.and mud pump is the most important part of it.The theory of the pump is we got power from the electromotor. Through the Planetary reducer transport the power to the working setting and make it suited. And used the coupling connected with the axle which make it moving around to bring the pommel to work .Through this way we can get the mud out of the well. In order to make the fluid stablely we install an air chamber in the output pipeline.Away from this we must make sure that the mud pump can working safety.so we also install a relief valve in the pipeline. At last I combined the pump we had in our market with the request of the company’need to make a innovation designing

Key word:mug pump；requirement of coal mining；coal industry

摘要………………………………………………………………………………I Abstract…………………………………………………………………………II

第一章绪论 (1)

1.1 泵的发展历程 (1)

1.2 中国泵的发展过程 (2)

1.3 本文设计的内容 (2)

第二章泥浆泵的总体概述 (3)

2.1 柱塞泥浆泵的工作原理 (3)

2.2 泥浆泵的主要性能参数 (4)

第三章方案设计与选择 (5)

3.1 方案一 (5)

3.2 方案二 (6)

3.3 方案三 (6)

3.4 方案比较 (7)

第四章电动机的选择 (8)

4.1 电动机的介绍 (8)

4.2 三相异步交流电动机型号的选择 (8)

第五章行星减速机的选择 (10)

5.1 行星减速机的介绍 (10)

5.2 行星减速机的重要优势 (11)

5.3 行星减速机的整体设计 (11)

第六章联轴器的选择 (16)

6.1 联轴器的原理与分类 (16)

6.2 联轴器的选用及其特点 (16)

第七章泥浆泵的零件设计 (17)

7.1 泵主要参数的合理选择 (18)

7.2 钻井泵阀运动对排量的影响 (19)

7.3 吸浆泵与排浆泵的选择与直径计算 (20)

7.4 缸套材料的选择与强度计算 (21)

7.5 连杆十字头连接处销子的强度计算 (23)

7.6 空气室容积及强度计算 (25)

7.7 安全阀的选用 (27)

7.8 轴的强度计算 (30)

7.9 球阀的选用 (38)

第八章泥浆泵的使用与维护 (40)

8.1 泥浆泵的安装 (40)

8.2 泥浆泵的维护 (40)

8.3 正确使用维护 (41)

8.4 泥浆泵的润滑 (41)

8.5 常见故障及排除 (42)

8.6 其他注意事项 (42)

结论 (43)

致谢 (44)

参考文献 (45)

CONTENTS Abstract………………………………………………………………………...…II

Chapter 1 Introduction (1)

1.1 The development of pump (1)

1.2 Pumps of China (2)

1.3 The topics of the design (2)

Chapter 2 The introduction of the mud pump (3)

2.1 The principle of the pommel pump (3)

2.1 The major parameter of the pump (4)

Chapter 3 S cheme’s designing and selection (5)

3.1 Scheme 1 (5)

3.2 Scheme 2 (6)

3.3 Scheme 3 (6)

3.1 Comparison (7)

Chapter 4 The selection of the electromotor (8)

4.1 The introduction of the electromotor (8)

4.2 Selection of the electromotor (8)

Chapter 5 The selection of the Planetary reducer (10)

5.1 Introduction of Planetary reducer (10)

5.2 Advantage (11)

5.3 Designing (11)

Chapter 6 The selection of the coupling (16)

6.1 Principle of the coupling and it’s assortment (16)

6.2 Characteristic of the coupling (16)

Chapter 7 Designing of the mud pump’component (17)

7.1 Selection of the mud pump’ major parameter (18)

7.2 Influence of the displacement (19)

7.3 The calculation of the input-output pipeline (20)

7.4 Selection of the Cylinder liner and it’s strength calculation (21)

7.5 Calculation of the dowel in crosshead (23)

7.6 The calculation of the air chamber (25)

7.7 relief valve (27)

7.8 Calculation of the axle (30)

7.9 Ball valve (37)

Chapter 8 Uses and maintains (39)

8.1 Ins tallation (39)

8.2 maintains (39)

8.3 Correct use of mud pump (40)

8.4 lubrication (40)

8.5 Out-of-order and elimination (41)

8.6 Other Attentions (41)

Conclusion (42)

Thanks (43)

References (44)

第一章绪论

1.1 泵的发展历程

1.1.1 泵行业历史悠久

泵是古老的机械。欧洲各国第一流的泵制造厂多建于19世纪中期，如美国Wortington公司建于1880年，Ingersoll-Rand公司建于1860年，

Byron-Jackson公司建于1872年，德国KSB公司建于1871年，英国Weir公司建于1871年。中国最早的泵厂出现在20世纪初期，如：1907年汉阳周恒顺机器厂生产了简单的抽水机。

1.1.2 泵传统产业的不断创新

近年来，化工、石油化工、电站、矿山和船舶等工业对泵的需求日益增长，促进了泵技术的发展。泵的品种规格繁多，并向大型化、高速化方向发展。今天，全人类提出可持续发展战略，泵产品更加强调了环保要求。随着新技术要求，作为传统产业的泵技术不断进步。20世纪初，首先在英国开发了无泄漏屏蔽泵；20世纪中期美国开发了高速分流泵。高温、高压泵日益向大型化，高可靠性发展。特殊材料泵，如陶瓷泵、石墨泵、塑料泵以及锆、钛等贵重合金泵也应运而生。继而在水力设计、诱导轮研究、新材料、新工艺、CAD、CAM等方面有了更新发展。

1.1.3 标准化、系列化

美、德、日等国家在长期的泵生产、使用中，建立了一整套完善的标准体系，以获得更高的效益。国外先进泵制造业，还体现在标准化、系列化、通用化、模块化、便于生产管理、便于用户维护。

1.1.4机电一体化

泵的无级调速，集中控制，各类温度传感器，压力传感器，模拟可视化，实时监控等机电一体化技术得到广泛的应用。

1.2 中国泵的发展过程

中国泵工业起步于20世纪初，由于多年战争劫难，基本处于停滞状态。新中国成立后，早期主要汲取前苏联泵技术，在计划经济的模式下，政府布置，指定牵头，布点研发，定点生产，在当时的特定历史条件下推动了泵的大发展。例如：中国“一五”期间，沈阳水泵厂已能自主设计研制具有相当难度的多级泵、双吸泵、不锈钢泵等。接着不少泵行业厂在农业排灌、电站矿山、石油、化工及军工配套等方面研制出较高水平的新型泵。

中国泵行业是在新中国成立以后发展起来的，特别是改革开放以来，泵行业得到了快速发展。除少数的特殊泵类产品外，现有的产品品种和数量基本能满足国民经济各部门的需求。泵行业主要产品有各类离心泵，混流泵，轴流泵，旋涡泵，回转式容积泵，往复式容积泵和水环真空泵等。在这些泵类产品中，按台数计算，离心泵约占70%，回转式容积泵和往复式容积泵约占18%。随着各行业尤其是流程工业的快速发展，中国的泵行业也经历了高速的发展。同时，水处理行业，石化行业，石油天然气行业，电力行业继续保持持较高的景气度。

虽然我国的泵行业发展已有了长足的进步，但还是存在诸多问题，主要是产品结构不完整，低端市场产品供大于求；企业技术水平相对较低，自主研发自主创新能力不强。这些问题在一定程度上阻碍了我国泵行业市场的健康发展。随着越来越多的跨国泵生产企业进入中国，泵业市场竞争的国际化日益加深，国内泵行业企业在技术，管理等方面将面临越来越大的挑战。从美国和德国等发达国家的泵行业发展过程来看，中国的泵业市场势必要经历一场由外资企业主导的整合。这一轮整合必将淘汰一部分缺乏技术能力和市场竞争力的中小企业。这无疑有助于提高中国泵业市场的集中度，调整市场秩序。这也将使中国的泵业市场更具生机，并积极参与到全球泵业市场的竞争中。

1.3 本文设计的内容

此次设计的内容是3NB-150/3.0-11型矿用泥浆泵。该泵的基本参数为：

1. 额定压力------3.0MPa

2. 额定流量------150L/min

第二章泥浆泵的总体概述

2.1 柱塞泥浆泵的工作原理

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。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。

由图2-1所示。电机通过带传动输入动力，通过行星减速器减速。经泵轴将回转运动转化为直线往复运动。驱动柱塞泵作功。柱塞泵的进浆室、排浆室有两个钢球组成的单向控制阀。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）。当活塞杆向右驱动时，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2-1）除此之外,在主通路上安装空气室用来调整泵在抽吸过程中产生的波动大小。

图2-1 泥浆泵工作原理图

2.2 泥浆泵主要性能参数

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，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0.3～1m/min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。

第三章总体方案设计

通过分析市场上多种型号的泥浆泵并结合此次设计所需要求后选出了以下设计方案：

3.1 方案一：采用两缸单杆双作用柱塞泵

1、柱塞泵的运动规律：通过曲柄连杆机构，将原动机的等速回转运动转变为往复的直线运动，而该往复运动件与泵的活塞直接相连，带动活塞也在泵缸内作往复运动。如图3-1所示。

2、使用球阀和空气室，并确定泵缸的数目为两缸；

3、根据所需排出的流量确定泵缸直径D和冲程S以及往复次数n；已知i=2；

4、确定吸入阀和排出阀的孔径d1和d2；

5、确定泵阀升程h；

6、计算泵的吸排能力后算出泥浆泵正常运转的所需动力选出合适的动力机；

7、计算泥浆泵的零件强度；

8、确定泵体和动力机的整体规格。

图3.1

图3-1 单杆双作用泥浆泵的工作原理图

3.2 方案二：采用立式三缸柱塞泵

1、工作原理与往复式单杆双作用柱塞泵相同；

2、通过计算流量确定该泵所需的动力为其选择合适的动力机；

3、选择动力机后通过计算校核为给泵选择合适的减速器；

4、计算泵轴的输入直径结合动力机的输出直径选择合适的连轴器；

5、对所设计泵体零件进行尺寸计算及强度计算；

6、对所设计的三缸泵选择合适的空气室；

7、选择安全阀；

8、计算泵的整体规格。

3.3 方案三：采用螺杆泵

1、工作原理：螺杆泵的转子形状是圆柱形单头螺旋体，定子的内腔形状为双头螺旋空心体，其断面形状是长圆形。定子的螺距导程为转子导程的二倍。定子与转子在装配后就形成若干个密封腔。当转子在定子内转动时，是定子与转子之间的密封腔的容积不断变化，从而使液体不停地从一段强制送至另一端。泵体右端部与吸水室相通，左端部与排水室相通，在转子高速转动时形成吸排工作如图3-2所示。

2、螺杆泵的工作特性：螺杆泵在工作中，泵的吸入高度和液体的粘度和泵的运转速度都是有关系的。

3、计算泵的吸入高度；

4、计算泵的运转速度；

5、/计算泵的流量；

6、计算泵的排出压力；

7、计算泵的功率；

8、计算泵零件的强度；

9、泵的整体规格。

图3-2 螺杆泵

3.4 方案比较

往复式泥浆泵这类泵构造比较简单，坚固耐用，调节水量和操作比较容易。缺点是不能采用高速，泵与动力机间的传动装置笨重，外廓尺寸大，泵体较重。

螺杆泵的优点是结构简单，重量轻，流速稳定和使用方便，工作时连续排水，压力稳定，不需要空气室和水阀等部件。而且可与动力机直接联动，不需要减速箱。缺点由于与动力机直接联动就固定了运转速度，因此限制了调速的范围，尤其对于深井钻探时不同地质层所需的转速不同。

因此综合比较选用往复式泥浆泵对工业生产更有效益。

而往复式泥浆泵中两缸和三缸中，虽然两缸的结构比三缸简单，所需的动力要求比三缸低，对于额定的电动机来说可以增大调速范围，但由于往复泵的结构特点，因而引起泵输送液流时产生波动，给钻探工作带来不良影响。如果冲洗液量波动太大，冲洗液携带岩粉的能力会降低，容易发生孔内事故，以至于埋钻等。此外流量波动还会造成吸水系统内液流惯性增大，使吸水性能变坏，会使缸内液流发生强烈的冲击现象，并可出现整个排水系统发生振动，降低泵及其附件的使用寿命。在钻探用各类往复泵中，三缸泵的不均匀度最低。因此综合上述选用三缸往复式柱塞泵作为最佳方案。

因此选用方案二。

第四章电动机的选择

4.1 电动机的介绍

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绕线式两种，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。

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。因此选用三相异步交流电动机作为这款泥浆泵的动力机。

4.2 三相异步交流电动机型号的选择

已知该设计的泥浆泵的额定流量Q=150L/min，额定压力P=3.0MPa。

由文献[8]可求泵的输出功率N e

H Q N g e ?=

?=Q Q g γ?=H P

式中：Q ——额定流量 H ——有效压头 P ——额定压力

y ——输送液体的重度，此处为清水y=1

.760/3150/=?=??=γγP Q N e

传动到泵轴的功率：

N= N e /

式中：——泵的总效率取=0.75

N =7.5/0.75=10 kW

电动机的功率：

N d = N/

式中：

c ——电机的效率，取c =0.95

N d =10/0.95=10.53 kW

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。

根据以上的叙述和相关计算,决定选用的三相异步交流电动机为

YB160M---4型电动机，即功率P =11kW ，转速n =1460r/min ，重量为148kg 。此型号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。

第五章行星减速机的选择

5.1 行星减速机的介绍

5.1.1级数

级数：行星齿轮的套数，由于一套行星齿轮无法满足较大的传动比,有时需要2套或者3套来满足拥护较大的传动比的要求。由于增加了行星齿轮的数量,所以2级或3级减速机的长度会有所增加,效率会有所下降。

5.1.2回程间隙

回程间隙：将输出端固定,输入端顺时针和逆时针方向旋转,使输入端产生额定扭矩+-2%扭矩时,减速机输入端有一个微小的角位移,此角位移就是回程间隙，单位是“分”,就是一度的六十分之一，也有人称之为背隙。

5.1.3主要结构及特点

行星减速机主要传动结构为:行星轮,太阳轮,外齿圈。

行星减速机因为结构原因,单级减速最小为3,最大一般不超过10,常见减速比为:3、4、5、6、8、10,减速机级数一般不超过3,但有部分大减速比定制减速机有4级减速。

相对其他减速机,行星减速机具有高刚性,高精度(单级可做到1分以内),高传动效率(单级在97%-98%),高扭矩/体积比,终身免维护等特点。

因为这些特点,行星减速机多数是安装在步进电机和伺服电机上,用来降低转速,提升扭矩,匹配惯量。

减速机额定输入转速最高可达到18000r/min(与减速机本身大小有关,减速机越大,额定输入转速越小)以上,工业级行星减速机输出扭矩一般

不超过2000N·m,特制超大扭矩行星减速机可做到10000N·m以上。工作温度一般在-25℃到100℃左右,通过改变润滑脂可改变其工作温度。

5.2 行星减速机的重要优势

内部齿轮采用20CrMnTi 渗碳淬火和磨齿，具有体积小、重量轻、承载能力高、使用寿命长、运转平稳、噪声低、输出扭矩大、速比大、效率高、性能安全的特点。兼具功率分流、多齿啮合独用的特性。是一种具有广泛通用性的减速机。其最大输入功率可达104kW 。适用于起重运输、工程机械、冶金、矿山、石油化工、建筑机械、轻工纺织、医疗器械、仪器仪表、汽车、船舶、兵器和航空航天等工业部门。

5.3 行星减速机的整体设计

根据电动机的满载转速n m 和工作机主轴的转速n b ,传动装置的总传动比按下式计算：

m n n i =

式中：n b ——泥浆泵泵轴转速，

r/min

6216364914310004150..i

L F Q n b =?????=

??=

2161460..i ==

5.3.1、高速级齿轮转动

1、选定齿轮类型、精度等级、材料和齿数

a 、运输机为一般工作机制器，速度不高，故选为8级精度（GB10095-88）。

b 、由[12]表10-1选择太轮材料为40Cr ，硬度为280HBS ，行星轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS ，二者材料硬度差40HBS 。外齿圈材料为15钢（调质）

c 、选太阳轮齿数Z 1=17，行星轮数为Z 2=i × Z 1=6.7×17=113.9

2、按齿轮接触强度设计

由设计计算（10-9a ）进行试算，即

11322????

???±?≥][Z u

u T k .d H E d

t t σφ

1）确定公式的各计算数值：

试选载荷系数k t =1.3

计算太阳轮传送的转距：

T1=95.5×105P 1/n 1

式中：P 1——轴1的功率

T 1=95.5×105×11/1460=7.2×104N ·M

由[12]图10-7选取齿轮系数

=d φ

由[12]表10-6查得的弹性影响系数z E

=189.8Mpa

由[12]图10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限：

lim 1

600H M pa

=；

大齿轮接触疲劳强度极限：

MPa

55021=m H σ

由[12]式10-13计算应力循环次数：

235

52273418189102731322?=?????=.......N

由[12]10.19查的接触疲劳寿命系数k HN1=0.90，k HN2=0.95。计算接触疲劳许用应力

取失效概率为1%,安全系数s=1,由式(10-12)得

lim 1

lim 2

0.96005400.95550522.5H N H H H N H H M pa S

M pa

k k

σσ

??==?=????==?=??

2）计算

(1)试算小齿轮分度圆直径1,d t 代入[

]

H σ中较小的值

1 2.32

t d ≥ 解得d 1t =32mm

(2)计算圆周速度V ：

m/s

421000

601460

32143100

601..n

d V t =???=

(3)计算齿宽b

323211=?=?=t d d b φ

(4)计算齿宽与齿高之比b/h 模数：

88117

321

1.Z d m t t ===

齿高：

234881252252...m .h t =?==

6723432../h /b ==

(5)按实际的载荷系数校正所有的分度圆直径，由[12]式（10-12）得：

36318271323311=?==./.k /k d d t t

(6)计算模数m

112173611./Z /d m ===

5.3.2、按齿根弯曲强度设计

由式（10-5）的弯曲强度的设计公式为：

m ≥

1）确定公式的各计算数值

(1)由[1]图10-20c 查的小齿轮的弯曲疲劳强度极限1

500FE M pa σ=；

大齿轮

的弯曲疲劳强度极限2

380FE mpa

(2)由图10-18查的弯曲疲劳寿命系数：

120.85,0.88

KFN KFN ==

(3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S =1.4由公式（10-12）得：

1222

0.85500

303.571.40.88380

238.861.4

F E F F E F K F N M pa S K F N M pa

σσσ

σ???===?????==

=??

(4)计算载荷系数K ：

1 1.

2 1.2 1.45 1.882

F K k k k k

αβ

=???=

(5)查取齿形系数，由[12]表10-5可查得：

122.65, 2.16

Fa Fa Y Y ==

(6)查取应力校正系数，由 [12] 表10-5可查得：

121.58, 1.785

sa sa Y Y ==

(7)计算大小齿轮的Fa sa

Y Y σ

??????并加入以比较