BW4_400型泥浆泵的设计

收稿日期:1996-04-10

BW 4

-400型泥浆泵的设计张光烈

(地质矿产部勘探所)

1　概述

为推动我国地质钻探机械的技术进步,地质矿产部科技司决定立项,将新型岩心钻机配套泥浆泵系列研究,作为部探矿工程“八·五”攻关项目,由衡阳探矿机械厂和勘探技术研究所共同承担。BW 4-400型泥浆泵是新系列泥浆泵中的一个型号。该泵于1995年5月在国家探矿工程机械质量监督检验中心通过了形式试验,其技术指标达到了设计要求。1995年8月至10月在北京市怀柔县崎峰茶金矿,结合水力反循环连续取心钻进试验进行了生产试验。水力反循环连续取心钻进,对泥浆泵的要求是在大流量、高压力下能长期稳定地工作,经常使用的泥浆泵参数为流理305L /min 、压力4M Pa 。通过试验,泥浆泵工作可靠,较好地完成了试验任务,并于1995年12月通过了部级鉴定。该泵外形图购见图1

。

图1　BW 4-400型泥浆泵外形图

1—液力端;2—传动端;3—皮带轮、离合器;4—机架;5—电动机

2　泥浆泵的设计

2.1　泥浆泵参数的确定

泥浆泵的流量、排压等参数,主要取决于钻杆直径、钻孔直径、钻孔深度以及钻探工艺等因素。B W 4-400型泥浆泵,要适合的钻探工艺是金刚石绳索取心钻进、液动冲击回转FS -45型反循环泥浆振动筛的研制与应用第2期

钻进、螺杆钻定向钻进、水力反循环连续取心钻进。其中水力反循环钻进所需泵量为200—400L /min ,泵压为3—6M Pa ;螺杆钻定向钻进根据其不同型号,泵量在150—450L /min 之间,工作压差为3.2M Pa 。根据以上钻探工艺对泥浆泵的要求,确定了泥浆泵的参数为最大流量400L /min,最大排压12M Pa,并采用变量形式以满足各种钻探工艺对泥浆泵的要求,使之具有较宽的应用范围。泵的输入功率37KW ,具体参数如表1所示:

表1　BW 4-400型泥浆泵参数类 型

卧式三缸往复单作用柱塞泵行程(mm )

140缸径(mm)

8060泵速(1/m m)

210161131101210161131101流量(L /min)

400305250190225170140110压力(M Pa)4567791012

2.2　传动端的设计

输入皮带轮与离合器设计成一体。离合器采用干式单片摩擦离合器,靠弹簧压紧结合,通过顶杆推动推盘带动杠杆使之离开。传动带采用窄型V 带,在相同尺寸下比普通V 带传动功率大,减小了皮带轮的结构尺寸。

变量泥浆泵在目前已经成为地质钻探泥浆泵的主导产品,改变泵速是泥浆泵变量采用最多的型式。在传动端设计中借鉴了以往成功的结构,即变速箱与曲轴箱合并一体,采用四档齿轮变速,辅以变换缸径,可实现八档变量。齿轮材料均选用20CrM n Ti 渗碳淬火,具有较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度,可减小齿轮传动的结构尺寸。其传动系统图如图2所示。

连杆结构为小端轴承是整体衬套式结构,大端轴承是剖分式结构,剖分面与连杆体中心线成45度角。在泵工作时其柱塞力会沿倾斜剖分面给连杆螺栓带来附加剪应力,为克服这种剪应力在剖分面上加工有锯齿形的凸凹面。连杆横断面为工字形断面。

连杆小端衬套内孔加工有润滑油槽,飞浅的润滑油通过连杆小头上的油孔流入衬套内,起到润滑作用。

连杆大端滑动轴承,历来是泥浆泵设计中的关键。BW 4-400型泥浆泵流量大,压力高,轴承的负荷很大,该泵采用剖分式薄壁瓦滑动轴承。轴瓦采用SF-1型三层复合材料,具有良好的减磨性。该材料的许用比压[P]=7M Pa,许用PV 值为[PV ]=7M Pa ·m /s 。经过计算,BW 4-400型泥浆泵的轴瓦单位负荷为6M Pa ,PV 值为 3.54M Pa ·m /s ,均小于SF-1型材料的许用值。为使该轴承运行更加可靠,提高轴承的承载能力,创造良好的润滑条件,在泵中设置了转子式油泵,强迫润滑该轴承。曲轴设计为空心结构,润滑油从曲轴端部泵入,通过曲轴内腔及曲轴上的小油孔进入滑动轴承轴瓦处。转子式油泵由输入轴上的齿轮直接驱动。

曲轴由球墨铸铁经铸造而成,精加工后,对曲轴轴颈进行软氮化处理,使其具有较高的疲劳强度。曲轴传动齿轮为泵的最后一级传动齿轮,所受负荷很大。在不增加结构尺寸的前提下,

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图2　BW 4-400型泥浆泵传动系统图

为提高齿轮的承载能力和运转平稳性,采用人字齿轮传动。人字齿轮用两对斜齿轮拼装而成,这样可以减小轴向尺寸。小人字齿轮在轴上可以左右浮动,以使人字齿轮的左右齿轮受力均匀。

曲轴箱采用闭式箱体结构,具有刚性大、加工性好的特点。但由于曲轴箱体的结构尺寸设计得很紧凑,十字头、连杆、曲轴都要从箱体后部装入,给曲轴的装拆增加了难度。为便于曲轴的装配,曲轴主轴承采用带有退卸套的自动调心双列向心球面滚子轴承,轴承外圈与曲轴箱体之间还装有轴承套,提高了曲轴的装配工艺性。

为了减小十字头对十字头滑道的侧压力,减小磨擦力,提高机械传动效率,采用了偏置曲柄滑块机构,即曲轴旋转中心偏离液缸中心线10毫米。

为提高拉杆密封的可靠性,防止液力端泥浆窜入曲轴箱、污染润滑油,防止曲轴箱内润滑油外泄,拉杆密封采用有润滑装置和泄流孔的双向多道丁型密封圈。

2.3　液力端设计

液缸采用整体式直通液缸,由球墨铸铁加工而成,具有较高的机械强度。为减少易损件品种,吸排阀、阀座选用相同的结构尺寸。吸排阀上均装有复位弹簧,可减小泵阀的开闭滞后角,提高泵的容积效率。泵阀采用下部带有四爪导翼、橡胶密封的组合式锥阀结构,其流道平滑、流量系数大、水力阻力小、过流能力强、密封性能好,可防止固体颗粒垫在·28·BW 4-400型泥浆泵的设计第2期

阀座与阀之间。橡胶密封损坏后可以更换橡胶密封。

柱塞设计为空心结构(图3),泵送的液体可进入柱塞内部,起到冷却柱塞、减小柱塞及密封处的温升,相应提高柱塞密封件使用寿命的作用。同时,空心柱塞质量轻,可减小往复运动的惯性力,减小了对传动端的动负荷

。

图3　柱塞密封装置

1—柱塞;2—调整螺母;3—U 型密封圈;4—液封环;5—泵体;6—导向套;7—衬套

柱塞密封采用压力平衡密封新结构。这种密封结构具有独创性,它利用液缸内液体压力,通过一个特殊装置向柱塞密封液封环处泵送与液缸内压力相近的润滑液,改善柱塞与柱塞密封的润滑条件,提高该处的传动效率。另一方面,也可阻止液缸中液体含有的磨砺性颗粒的侵入。同时还可以起到冷却柱塞及密封的作用。采用这种结构,大大提高了柱塞及密封的使用寿命。根据试验对比分析,柱塞密封圈的使用寿命提高 1.3倍,柱塞使用寿命提高20%。柱塞密封填料由三道自封式U 型橡胶密封圈、衬套、液封环、导向套等组成。导向套起支撑柱塞、防止密封圈偏磨的作用。

为减小泵吸入时由液体加速度头造成的吸入真空度的损失,提高泥浆泵的吸入能力,在液力端吸入口设置了吸入空气室。

A DESIGN OF THE MUD PUMP OF BW4-400TYPE

Zhang Guang lie

(Institute of E xploration Technique ,MGMR )·29·1998年北　京　地　质