石油钻井循环系统设备考试精华知识点

《电驱动钻机》(中原油田专升本) 2005.4.7第六章往复泵及泥浆净化装置第一节往复泵结构组成及工作原理一、结构组成曲柄连杆机构，往复泵。

1. 动力端：曲柄，连杆，十字头（十字头为动力—液力分界）2.液力端：液缸，活塞，活塞杆，阀室（阀箱），吸、排阀，吸、排管。

二、工作原理曲柄旋转，通过连杆、活塞杆，带动活塞往复运动。

（1）吸液：活塞向动力端运动，缸内形成真空，吸入阀开，排出阀关，吸液；（2）排液：活塞向液力端运动，缸内压力升高，吸入阀关，排出阀开，排液。

三、分类1. 按缸数分：单缸、双缸、三缸泵2. 按作用方式分：单作用（往复一次，一吸一排。

），双作用（往复一次，两吸两排。

）3. 按缸的布置方式：卧式、立式4. 活塞泵、柱塞泵四、基本参数1. 泵的流量：单位时间内泵排出或吸入的液体量。

体积流量单位：L/s 、m 3/s ，用Q 表示； 重量流量单位：N/s ，用Q G 表示。

g Q Q G ρ=ρ为密度，kg/m 3；g 为重力加速度，9.8m/s 2。

2. 泵的排量：曲柄转一周泵排出或吸入的液体量。

3. 泵的压力：泵排出口单位面积上所受的液体力，用p 表示，单位MPa 。

4. 泵的功率：单位时间内动力机传到往复泵主动轴的能量，即输入功率N a ；有效功率，N 。

5. 泵的效率：aN N=η 6. 泵速：单位时间内活塞或柱塞往复次数，称冲数n ，单位：min -1。

7. 冲程S ：活塞在缸内移动的距离S=2r ， r —曲柄半径第二节 往复泵的流量分析一、 往复泵运动规律曲柄连杆机构，将曲柄的旋转运动转换成活塞的往复运动。

往复泵活塞运动示意图1. 活塞位移x 计算①当活塞在液缸左端时，连杆和曲柄在同一直线上，O 1O 间的总长为： r l +；曲柄转过ϕ角，活塞向右移动的距离为：)cos cos ()(1ϕβr l r l X +-+=（6-1）②当曲柄转过180°时，活塞到达液缸右位，连杆和曲柄在同一直线上，O 2O 总长为：r l -由于从180°起，活塞开始左移，活塞左移的距离为:)()cos cos (2r l r l X ---=ϕγ)cos 1()cos 1(2γϕ---=l r X连杆用ϕ代替ϕ，用β代替γ结果相同。

【ϕϕϕcos )180cos(cos -=︒-=】（6-2）将（6-1）和（6-2）合并写成：（6-3）活塞向右移动时，两项之间为正号，向左移动时为负号。

将βcos 用ϕ的函数表示。

λϕβ==l r sin sin 【λϕβ=⋅==hrl h rh l h sin sin 】 1cos sin 22=+ββϕλββ222sin 1sin 1cos -=-=ϕλϕλ4422sin 41sin 1+-≈ ϕλλ22222sin 211)sin 211(-=-=上式2.0≤=l r λ，1sin <ϕ，故ϕλ44sin 41值很小，忽略不计。

将βcos 代入（6-3）式得：（6-4）【))sin 211(1()cos 1(22ϕλϕ--±=l r x))sin )(211(1()cos 1(22ϕϕlr l r --±= ))sin )()(2111()cos 1(2ϕϕlrl r l r ⋅+-±= 】（6-4）式为活塞位移方程式。

2. 活塞的速u 、度加速度a将（6-4）对时间t 进行一次及二次微分，得到活塞的速度及加速度方程。

【)s i n 2c o s1(2ϕλϕ±= r x 】)2sin 2(sin ϕλϕω+±==r dt dx u （6-5） )2cos (cos 222ϕλϕω+±==r td dx a （6-6） 式中，30ndt d πϕω==【t ωϕ=；ϕϕsin )(cos '-=；ϕϕϕϕ2sin cos sin 2)(sin '2=⋅=；ϕϕcos )'(sin =】考虑2.0≤λ（6-4）、（6-5）、6-6）中第二向很小，可以忽略，得到活塞位移、速度、加速度的近似方程为：⎪⎭⎪⎬⎫±≈±≈≈ϕωϕωϕcos sin )cos 1(2r a r u r x （6-7） （6-7）表明，曲连杆机构的往复泵速度近似正弦，加速度近似余弦。

二、往复泵的流量及流量曲线（2005.4.12,第12次课） 1. 平均流量（1）单作用泵理论平均流量iFSn Q th = （m 3/min ） （6-8）i 为缸数；F 为活塞面积；S 为冲程长度；n 为冲次。

单作用泵缸（2）双作用泵理论平均流量活塞往复一次，液缸前、后各输送液体一次，体积为（2F-f ）S 。

Sn f F i Q th )2(-= （m 3/min ） （6-8）f 为活塞杆面积。

双作用泵缸（3）实际平均流量由于漏失、充满度等原因实际流量小于理论流量。

th Q Q α=α为流量系数（95.0~85.0=α）。

2. 瞬时流量单作用泵瞬时理论流量：Fu Q cm =或)2sin 2(sin ϕλϕω±=Fr Q cm3. 往复泵流量曲线在曲柄旋转范围内，各液缸或工作室及泵的瞬时流量随ϕ变化。

以曲柄转角ϕ为横坐标，流量为纵坐标，可得到流量曲线。

只给出吸入过程或排出过程曲线。

（1）单缸单作用流量曲线0～180°吸入，180°～360°排出。

（2）三缸单作用泵曲柄互成120°有三条正弦曲线，泵的瞬时流量为同时刻的叠加结果。

往复泵流量曲线（3）流量不均度任何一种往复泵曲柄转一周，理论瞬时流量都是变化的。

① 最大瞬时流量：max p Q ，流量曲线的最高点。

② 最小瞬时流量：min p Q ，流量曲线的最低点。

③ 理论平均流量：th Q ④ 流量不均度：thp p Q Q Q Q minmax -=δ单缸、双缸、三缸、四缸单作用泵，流量不均度分别为：3.14、1.57、0.141、0.314。

双缸双作用流量不均度，不考虑活塞杆f 的影响与四缸单作用泵相同。

第三节双缸双作用往复泵应用广泛。

一、结构特点主轴上安装两个曲柄（曲拐），互成90°。

活塞把液缸分成两室。

相当于四缸单作用，成90°使总流量最均匀。

二、流量曲线各室瞬时流量近于正弦曲线。

总瞬时流量为各室流量同一时刻的叠加。

三、动力端1. 组成传动轴、主轴（曲轴）、齿轮（人字形）、连杆机构。

2. 布置方案（1）曲柄轴方案曲柄轴上装有可拆卸曲柄，键连接，图8-4(a)。

齿轮传动副位于两主轴承之间。

优点：连杆大头尺寸小，易修，坚固；缺点：两缸间距大，泵宽，重。

（2）销子轴方案（图8-4（b））主轴径大，销子轴压入轴端孔。

（相当于偏心）销子轴与主轴中心距形成曲柄半径；连杆尺寸小。

（3）偏心轮方案,图8-4（c）主轴上装有带连杆的偏心轮。

各液缸间距小，泵窄、轻（主轴承在外侧）；连杆大头较大，要大径轴承。

（现在曲轴普遍采用的方案。

）（4）剖分式曲拐轴方案，（图8-4（d））各液缸有自己的曲拐、主轴及齿轮传动副。

优点：曲轴颈便于安装轴承。

连杆曲柄头上只能用剖分式轴承。

（无法从轴端装入）泵横向尺寸大，不易采用。

四、液力端1. 结构组成（图6-14，图6-15）“L型泵头”泵体（阀箱）、缸套、活塞、活塞杆、密封盒、泵阀、空气包、安全阀、四个吸入阀、四个排出阀。

2. 泵体结构铸造：两缸泵体单独铸造（剖分式结构）锻造＋焊接，适应高压泵。

要求：相惯处圆角尽可能大，减少应力集中。

排出阀，吸入阀靠近缸套，余隙小（吸入性好）。

第四节三缸单作用泵各缸活塞往复一次，一吸一排。

一、结构（图6-18 主剖面图）（原理图6-17）三缸并排，三个曲柄相差120°。

二、流量曲线三条正弦曲线瞬时叠加。

流量均匀，压力波动小。

应用极为广泛。

三、三缸单作用泵动力端图6-18（1）传动轴总成（大隆3NB-800）齿轮、轴（中间为人字齿轮）两端均可装大皮带轮（输入轮），可以装在泵任意一侧。

两小带轮：驱动灌注泵和喷淋泵。

传动轴多用35CrMo锻钢件。

（2）曲轴总成①整体空心结构，图6-20。

②锻造直轴加偏心轮结构（SL3NB-1300，SL3NB-1600）③大人字齿轮（用35CrMo铸钢件）（3）十字头总成参看图6-18往复运动的导向装置，连接连杆和活塞杆。

连杆：20Mn2或35CrMo铸钢件十字头体：QT60-2球铁或35CrMo铸钢件十字头销滑履：铸件（装在十字头体）导板：铸件（装在机壳）【连杆与十字头销有圆柱滚子和滚针轴承】（1）机座（泵壳）钢板和锻钢组焊件。

主动轴和被动轴的轴承座整体铸钢件，加工后与壳体焊接。

（5）动力端润滑飞溅（刮油板）、强制（齿轮油泵）并用。

四、液力端1. 泵头布置（1）L型：吸入阀单拆，不紧凑，余隙长，泵头重，自吸差。

图6-21（2）I型（直通型）图6-22, 图6-23例SL3NB.紧凑，余隙短，自吸好，换吸入阀座要拆排出阀。

（3）T型（排出阀在上，吸入阀在缸套端部。

）紧凑，余隙小（无吸入室），换吸入阀要卸吸入缸及弯管，泥浆漏失。

2. 液力端紧固（1）缸套与泵体连接：卡箍式；压筒式。

（2）活塞杆与中间杆及中间缸与介杆用卡箍连接。

（3）排出阀压紧：压筒压阀盖（有的加六个楔块）。

（4）吸入阀（I型）用楔形板固定。

3. 排出管4. 缸套喷淋系统冷却。

作用：清洗、冷却，延长缸套、活塞寿命；实现水封，防止进气，提高效率。

方式：定点式—固定在缸套一端；跟随式—从杆中进水，活塞后出水，喷淋管随活塞杆一起走。

（2）往复泵的主要易损件一、泵阀1. 组成：阀座、阀盘（阀体）、胶皮、弹簧，阀体为锥阀。

2. 类型双锥面通孔阀（阀座为通孔，需有导向翼）图6-45；带筋阀图6-46二、活塞由钢芯、皮碗组成，皮碗有很大过硬量。

三、缸套1.单金属低碳钢或低合金钢，表面硬化处理，镀铬。

（渗碳、氮等。

）2.双金属外套：普通碳钢和低合金钢内套：高铬耐磨合金层制造：双液离心浇铸双层烘装、粘接。

四、空气包降低吸入管、排出管流量脉动。

多余液体储存，少时放出。

五、安全阀排出管为高压，保证安全，装安全阀。

销钉剪切式：剪断销钉泄压。

膜片式第五节泥浆净化系统（2005.4.14，第13次课）一、泥浆净化系统概述泥浆循环使用，需要净化处理。

目的：降低泥浆固相含量，提高泵、钻头、钻具寿命。

（固相颗粒减少1%，钻头寿命延长7～10%，提高钻速29%。

）1.两级净化(图8-71)振动筛预处理（除去颗粒较大的岩屑）→除砂器（用砂泵打入）2.三级净化振动筛→除砂器→除泥器3.净化装置振动筛、除砂器、除泥器、离心分理机、除气器。

4. 净化系统（1）“完整”非加重（不加重晶石）泥浆净化系统，图8-72。