畢業(yè)設(shè)計泥漿攪拌器設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）題目泥漿攪拌器設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)號教學(xué)院系專業(yè)年級指導(dǎo)教師單位輔導(dǎo)教師單位完成日期2011年06月10日摘要本文針對泥漿攪拌器的軸密封問題而導(dǎo)致漏油現(xiàn)象，攪拌器功率過大造成浪費問題及勞動強(qiáng)度大不能保證攪拌器葉輪的扭矩等問題，在收集分析國內(nèi)外有關(guān)動力鉗的設(shè)計、分析、計算、使用等資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)目前在用的泥漿攪拌器存在的一些問題，開展了QJ800-7.5型升降式鉆井液攪拌器的設(shè)計工作。本設(shè)計主要完成了以下工作：1.搜集國內(nèi)外泥漿攪拌器的相關(guān)資料進(jìn)行分析研究，明白了泥漿攪拌器的特點、原理及發(fā)展方向，并結(jié)合國產(chǎn)攪拌器的技術(shù)現(xiàn)狀和生產(chǎn)實際提出具體的設(shè)計方案。漿攪拌器的結(jié)構(gòu)方案、主要零件

2、設(shè)計計算和其強(qiáng)度計算。3.在攪拌器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和理論計算以及強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)上，繪制了具體的裝配圖及必要的零件圖?？傊?，通過對國內(nèi)外固控系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀調(diào)研，進(jìn)一步認(rèn)識了國內(nèi)外先進(jìn)攪拌器的優(yōu)點及現(xiàn)存的缺點；通過開展鉆井液攪拌器設(shè)計工作，為研制新產(chǎn)品，提高攪拌器的綜合性能提供理論依據(jù)和方法，最終設(shè)計出了結(jié)構(gòu)合理、工作安全的鉆井液攪拌器，以達(dá)到畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：固控系統(tǒng)；鉆井液攪拌器此次畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容是設(shè)計鉆井液攪拌器，內(nèi)容涉及到攪拌器關(guān)鍵件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論計算，重點解決攪拌器軸封問題等。專業(yè)知識加深理解，也將了解到固相控制技術(shù)在國內(nèi)外最新發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢。隨著我國科學(xué)鉆井的巨大進(jìn)步，而鉆井

3、液固控技術(shù)已成為科學(xué)鉆井中一項重要的組成部分。鉆井液攪拌器是固控設(shè)備的重要組成部分，目的是清除泥漿中的固相組織，維持泥漿優(yōu)良性的保證，而優(yōu)良的保證能是預(yù)防鉆井井下事故、防止傷害、保護(hù)產(chǎn)層、提高鉆速、降低成本的前提。升降式鉆井液泥漿攪拌器是在現(xiàn)有泥漿攪拌器的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)發(fā)展起來的一種新型、高效的新產(chǎn)品，其主要用途是實現(xiàn)成泥漿固、液均勻的主要功能。具體辦法是采用空心蝸輪軸傳遞扭矩。在空心蝸輪軸中設(shè)有螺桿，轉(zhuǎn)動手輪和螺母使螺桿升降，帶動葉輪升降，能使攪拌器的葉輪調(diào)整到需要的高度有效的避免了循環(huán)灌中沉淀物埋沒葉輪；還可以通過調(diào)整葉輪的高度使攪拌器充分發(fā)揮攪拌作用。因此，研究鉆井液泥漿攪拌器必須深入

4、了解國內(nèi)外攪拌器的使用性能和技術(shù)現(xiàn)狀。國外研究現(xiàn)狀分析從80年代中期開始，美國、蘇聯(lián)、英國等一些西方國家建立了成熟的工藝和科研隊伍，他們的固控設(shè)備性能良好、工作穩(wěn)定、壽命長，已實現(xiàn)設(shè)備類型的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和專用化。國外固控設(shè)備水平以美國的BRANDT、SWACO、DERRICK等公司為代表，質(zhì)量和性能處于世界首位。國外特別重視固控系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化配置和整個固控系統(tǒng)的效率評價，并為此開發(fā)了鉆井液固相控制專家系統(tǒng)。國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析我國的鉆井液固控設(shè)備及工藝的研究和具體應(yīng)用工作起步較晚。在80年至80年代中期內(nèi)，我國開始了鉆井工業(yè)固控設(shè)備的研究與使用。針對攪拌器的研究，經(jīng)過近幾年的努力，從仿真測繪階段

5、，發(fā)展到自己研發(fā)新結(jié)構(gòu)，并研制出升降可調(diào)，徑向與軸向同軸安裝；機(jī)身可搖擺的多種攪拌器。但國產(chǎn)的固控設(shè)備在性能、壽命方面與國外固控設(shè)備有一定差距，主要是材料、加工工藝、加精度和配套的通用設(shè)備（如電動機(jī)）的質(zhì)量。其中，生產(chǎn)攪拌器的廠家主要有：滄州華滄石油機(jī)械廠、華北石油管理局第一機(jī)械廠、滄州中油固控設(shè)備有限公司、山東省淄博市博山防爆電器廠等。綜合運用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論與方法、鉆井工程、水力學(xué)等多學(xué)科知識，采用理論分析、計算和計算機(jī)繪圖相結(jié)合的方法開展泥漿攪拌器的研究工作。主要思想是將傳統(tǒng)設(shè)計方法與現(xiàn)代設(shè)計方法有機(jī)結(jié)合，首先從現(xiàn)場調(diào)研和資料收集著手，廣泛調(diào)研國內(nèi)外泥漿攪拌器的相關(guān)文獻(xiàn)資料，弄清國內(nèi)外泥

6、漿攪拌器的技術(shù)現(xiàn)狀及下一步的發(fā)展方向；在此基礎(chǔ)上，深入開展產(chǎn)品機(jī)理研究，對泥漿攪拌器的工作特性、運動規(guī)律和受力狀況進(jìn)行較為全面和系統(tǒng)的認(rèn)識，為下一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)；通過對國內(nèi)外先進(jìn)泥漿攪拌器結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行比較和多個設(shè)計方案對比論證，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)需要提出技術(shù)可行、結(jié)構(gòu)先進(jìn)的泥漿攪拌器設(shè)計方案和技術(shù)參數(shù)；采用計算機(jī)輔助設(shè)計（ CAD）方法，對主要零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。最終設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)良、可靠性好的升降式泥漿攪拌器產(chǎn)品，以滿足高速發(fā)展的現(xiàn)代鉆井工業(yè)的需要。資料調(diào)研及準(zhǔn)備工作傳動結(jié)構(gòu)方案設(shè)計傳動件的設(shè)計計算撰寫設(shè)計說明書及論文攪拌器零件強(qiáng)度校核攪拌器零件設(shè)計此次設(shè)計的總技術(shù)路線是：升降

7、式泥漿攪拌器在我國石油礦場中，已開始應(yīng)用，我國科學(xué)工作者在實驗研究、理論研究方面作了大量的工作（特別是華北石油管理局），在這方面已取得了大量成果。本設(shè)計通過收集、查閱資料和現(xiàn)場調(diào)研，在現(xiàn)有泥漿攪拌器的研究基礎(chǔ)上開展升降式泥漿攪拌器的設(shè)計工作是可行的?，F(xiàn)存的問題鉆井液攪拌器是一種專用攪拌器，一般情況下不能簡單地將化工、石油煉制、食品等工業(yè)中使用的攪拌器搬過來。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，設(shè)計攪拌器應(yīng)注意：生產(chǎn)實踐中攪拌器功率不足易于覺察，而攪拌器功率過大造成浪費的問題則易忽略攪拌軸的密封問題，易產(chǎn)生漏油現(xiàn)象。攪拌葉輪的選擇問題。對應(yīng)的解決方案可運用Bates算圖或Rushton算圖確定攪拌器功率。采用多組V型

8、盤根，它具有自封性能和自我補償能力，長期不調(diào)整也不會產(chǎn)生漏油現(xiàn)象。采用開啟式蝸輪式葉輪，保證攪拌的強(qiáng)度。經(jīng)過兩個多月畢業(yè)設(shè)計時間，在指導(dǎo)老師莫麗的悉心指導(dǎo)下，很有成效的完成了以下設(shè)計相關(guān)工作：利用網(wǎng)絡(luò)與書籍搜集鉆井液攪拌器相關(guān)資料，在認(rèn)真閱讀前輩的相關(guān)開創(chuàng)性研究資料的基礎(chǔ)上，完成設(shè)計的開題；撿取資料中與設(shè)計主題相關(guān)性極大的外文資料文章翻譯成中文，并依照原文做了電子排版；根據(jù)相關(guān)資料完成了鉆井液攪拌器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、理論計算以及強(qiáng)度校核工作；在設(shè)計計算的基礎(chǔ)上完成了攪拌器主要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，并用CAD軟件繪制了攪拌器的裝配圖及部分零件圖。本次設(shè)計主要運用機(jī)械設(shè)計理論、理論力學(xué)、機(jī)械制圖、工程力

9、學(xué)、機(jī)械原理、化工密封技術(shù)、CAD設(shè)計等相關(guān)學(xué)科，在現(xiàn)有鉆井液攪拌器的研究成果基礎(chǔ)上，開展攪拌器關(guān)鍵件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論計算。設(shè)計的難點是傳動軸的密封問題、攪拌器功率的確定、攪拌器葉輪循環(huán)流量的計算等。其中，設(shè)計中將參考以下文獻(xiàn)作為設(shè)計理論依據(jù)：龔偉安鉆井液固控系統(tǒng)及設(shè)備石油工業(yè)出版社：1995 ,04華東石油學(xué)院礦機(jī)教研室編石油鉆采機(jī)械石油工業(yè)出版社：1980胡國楨，石流主編化工密封技術(shù)化學(xué)工業(yè)出版社：2001 機(jī)械設(shè)計手冊陳立德，機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)，高等教育出版社（第三版）本次設(shè)計的鉆井液攪拌器采用蝸輪傳動蝸桿傳動結(jié)構(gòu)，蝸輪蝸桿的傳動結(jié)構(gòu)簡單，傳動比大，可靠性高，在鉆井液攪拌器中最常使用。在確定好

10、傳動結(jié)構(gòu)方案設(shè)計后，進(jìn)行攪拌器主要零部件的設(shè)計計算，如蝸桿傳動、攪拌軸、空心蝸輪、葉輪等。最后對設(shè)計好的零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。鉆井液攪拌器蝸輪蝸桿的傳動結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖2-1 蝸輪蝸桿皮帶傳動2.2參數(shù)確定本次設(shè)計的理論參數(shù)是根據(jù)現(xiàn)場攪拌器使用要求制定的。產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到如下性能參數(shù)：輸入功率：7.5KW； 輸出轉(zhuǎn)速：72 rmin，； 葉片直徑：820mm； 額定電壓：380V；傳動比：1：20；葉輪排量：28mlmin；升距離：550 mm； 葉片數(shù)：4個；傾角：60°； 另外，試驗用鉆井液性能為：密度1.28gcm ，塑性粘度7MPa·s，宏觀粘度675MP as，動切力60

11、.5Pa，靜切力70Pa。原動機(jī)型號的選擇選擇原動機(jī)時，應(yīng)綜合考慮動力來源、價格、投資和維護(hù)管理費用等。根據(jù)工作條件選用YB系列隔爆型異步電動機(jī)。YB系列隔爆型電動機(jī)是Y(IP44)系列電動機(jī)的派生產(chǎn)品，具有高效、節(jié)能、噪聲小、運行安全可靠、安裝尺寸和功率等級符合國際標(biāo)準(zhǔn)等特點。此外它采用封閉自扇冷式，增強(qiáng)外殼的機(jī)械強(qiáng)度，并保證組成外殼的各零部件之間的各接合面上具有一定的間隙參數(shù)。 考慮到鉆井液攪拌器的設(shè)計參數(shù)的要求，其輸入功率是7.5KW，輸出轉(zhuǎn)速較低，n=72r/min，V帶傳動的傳動比范圍為i1=2-4，蝸輪蝸桿傳動比i2為20，所以電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可選范圍為N=n·i1·

12、;i2=72·（2-4）·20=2880-5760r/min，同時綜合考慮傳動設(shè)計要求和價格等方面的因素，選用YB2·160M1-2型隔爆電機(jī)作為鉆井液攪拌器的動力源。其各項技術(shù)參數(shù)如下表2-3：表2-3 YB2·160M1-2型隔爆電機(jī)型號YB2·160M1-2功率因數(shù)功率11KW噪音dB86電流轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)速2930r/min額定轉(zhuǎn)矩效率88%額定電流攪拌器可靠的密封是一個重要的問題。由于攪拌器密封一起的漏油，不但大量浪費油料，而且污染了鉆井液。由于攪拌軸是旋轉(zhuǎn)運動的，所以其密封屬于動密封。對動密封的基本要求：密封要可靠；密封的結(jié)構(gòu)要簡單，裝

13、卸要方便；密封使用壽命要長。在實際生產(chǎn)中使用最普遍的動密封有兩種，即填料密封和機(jī)械密封。鉆井液攪拌器的軸屬于低轉(zhuǎn)速，低壓力，較適用的仍然是填料密封，因為填料密封具有結(jié)構(gòu)簡單，易于維修，可靠性高等優(yōu)點。密封填料的材料選擇的主要依據(jù)是攪拌的攪拌軸轉(zhuǎn)速、操作溫度、操作壓力及無聊的化學(xué)性質(zhì)。機(jī)械的作用，如軸的偏轉(zhuǎn)或軸向跳動對填料材料的選擇也有一定的影響?？偟膩碚f，用于制造密封填料的材料必須滿足以下要求：應(yīng)用足夠的塑性，在填料壓縮下能適應(yīng)軸和調(diào)料函的形狀而變形。所選材料能夠耐設(shè)備內(nèi)介質(zhì)及潤滑劑的浸泡和腐蝕，且不含被戒指和潤滑劑所溶脹及削弱的其他物質(zhì)。應(yīng)具有足夠的彈性，以吸收在設(shè)計上不能避免的軸的環(huán)動。不

14、會咬住或腐蝕軸。通常用來制造密封填料的材料有纖維，金屬潤滑劑等，可根據(jù)具體情況來選擇。攪拌器V型密封結(jié)構(gòu)如下：圖2-4 V型密封結(jié)構(gòu)3攪拌器主要零件設(shè)計計算選擇蝸桿傳動類型根據(jù)GB/T100851988的推薦，采用阿基米德柱蝸桿傳動。選擇材料考慮到蝸桿傳動的功率不大，速度只是中等，故蝸桿傳動采用40Cr；因希望效率高些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為55HRC。蝸輪采用QT300，金屬模鑄造，為可節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT400制造。確定主要參數(shù)跟據(jù)蝸桿蝸輪推薦值表有，傳動比i2=20, 取蝸桿的頭數(shù)Z1=2，則蝸輪齒數(shù)Z2=i2Z1 =220=40 ，取Z2=4

15、0。表3-1 蝸桿頭數(shù)蝸輪齒數(shù)推薦值傳動比71314272840>40蝸桿頭數(shù)422、11蝸輪頭數(shù)285228542880>40按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計準(zhǔn)則先按齒面解除疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計及理論計算。傳動中心距（3-1）計算蝸輪軸上的傳動中心距T2蝸桿轉(zhuǎn)速n 2= 72r/min按Z1= 2 ，取= 0.82 ，則 （3-2）= = 196N·mm確定載荷系數(shù)因工作載荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)= 1;選取使用系數(shù) = 1.15；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(shù) = 1.1；則K = ··= 1.15 確定影響系數(shù)ZE因使用的

16、QT300蝸輪與40Cr蝸桿相配，故ZE = 160確定接觸系數(shù)先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動中心距的比為/ = 0.35 ，可查得確定需用接觸力應(yīng)力循環(huán)系數(shù)：N = 60 = 60 =式中 ：n 2蝸輪轉(zhuǎn)速，單位為r/min工作壽命，單位為h ; = 5年300（天/年）8（小時/天）蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，每個輪齒嚙合的次數(shù)。壽命系數(shù)： = 328;查表得基本需用應(yīng)接觸力1= 268計算許用接觸力： = 1= 268計算中心距= 174.98 mm取中心距= 180 mm，因=20 ， ， 直徑系數(shù)q = 10可查表得接觸系數(shù)< , 因此以上計算結(jié)果可用。蝸桿蝸輪的主要參數(shù)及幾何尺寸蝸桿分度圓直徑

17、；齒頂圓直徑mm齒根圓直徑軸向齒徑螺旋線導(dǎo)程s = 法向齒厚螺旋部分長度取。驗算有：式中：軸傳遞的扭矩，單位為；法向載荷在節(jié)點處沿圓周方向的分力，單位為；計算知載荷合格。蝸輪蝸輪齒數(shù)d2= mZ2齒頂圓直徑d齒根圓直徑蝸輪咽喉母圓半徑外徑mm齒寬B頂隙C = 齒寬包角蝸輪軸設(shè)計條件參數(shù)計算已知，蝸桿m = ，q = 10，Z1 = 2，Z2 = 40，n2 = 60r/min,284mm蝸輪受力：材料的選擇及熱處理軸的材料主要是碳鋼合金鋼。由于碳鋼比合金鋼價廉，對應(yīng)力集中的敏感性低，同時也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞度，故采用碳鋼制造軸尤其廣泛，其中最常用的是45鋼。根據(jù)

18、設(shè)計要求選用45鋼，調(diào)制處理，硬度170-217HBS，=590MPa，。初選最小軸徑計算公式： (3-3) 式中：軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；軸傳遞的功率，單位為kW；由軸的許用應(yīng)力所確定的系數(shù)。查表得A126-103當(dāng)軸截面開有鍵槽時，應(yīng)增大軸徑以考慮對軸的強(qiáng)度的削弱，對于直徑小于100的軸，軸頸應(yīng)增大5%-7%，然后將軸頸圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑，作為承受扭轉(zhuǎn)作用的軸段的最小直徑。即，這里取=設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)并繪制草圖確定軸上零件的位置和固定方式。要確定軸的結(jié)構(gòu)形狀，必須先確定軸上零件的裝配順序和固定方式。確定蝸輪從動軸的右端裝入，蝸輪的左端用軸肩定位，右端用套筒定位。這樣蝸輪在軸上的軸向位置被完全確

19、定。蝸輪周圍固定采用平鍵連接。軸承對稱安裝于蝸輪的兩側(cè)，其軸向用軸肩固定，周向用過盈配合固定。確定各軸段的直徑。外伸軸的最小直徑=60mm；考慮到要對安裝在軸段上的聯(lián)軸器進(jìn)行定位，軸段上應(yīng)有軸肩，同時能很順利地在軸段上安裝軸承，軸段必須滿足蝸輪的連接，取。確定各軸段的長度。為了使攪拌器的零件結(jié)構(gòu)更緊湊、傳動可靠，取為500mm，為1200mm，為160mm軸上零件的周向定位聯(lián)軸器和軸的周向定位采用平建聯(lián)接，鍵槽用鍵槽銑刀加工。確定軸上圓角和倒角尺寸,參考文獻(xiàn)相關(guān)表有，軸段倒角為,圓角半徑為5mm。計算軸上載荷畫出軸的空間受力圖及水平面內(nèi)的彎矩圖：圖3-2 攪拌器轉(zhuǎn)動軸設(shè)計水平面受力分析：圓周力

20、=支點反力=水平面彎矩=垂直平面受力分析徑向力=軸向力支點反力=垂直平面彎矩：=合成彎矩：=扭矩分析：(3-4)式中，；式中為考慮彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力循環(huán)特性的不同引入的修正系數(shù)。通常彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)變化應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力隨工作情況變化而變化。對于不變轉(zhuǎn)矩取，對于脈動循環(huán)轉(zhuǎn)矩取；對于對稱循環(huán)轉(zhuǎn)矩取。確定危險截面及校核強(qiáng)度查表得的條件，故設(shè)計的軸有足夠強(qiáng)度。攪拌器葉輪的選擇攪拌器的攪拌作用由運動著的漿葉所產(chǎn)生，因此，漿葉的形狀、尺寸、數(shù)量以及轉(zhuǎn)速就影響著攪拌器的功能。用于化工和食品工業(yè)的攪拌葉輪類型繁多，由于葉輪使用范圍具有較廣的范圍，因此真正用于石油鉆井固控系統(tǒng)攪拌器的葉輪類型也不過三四種。常見

21、的攪拌葉輪可粗略的分為四種類型，即漿式、開啟蝸輪式、圓盤蝸輪式和推進(jìn)式。經(jīng)過長期生產(chǎn)經(jīng)驗的積累和試驗研究，各種類型葉輪尺寸的相對關(guān)系都已有一個大致的范圍，超過這些范圍設(shè)計出來的葉輪無論外觀或性能都不會理想。同樣，它們相應(yīng)的運轉(zhuǎn)條件、介質(zhì)粘度大致的流動狀態(tài)都已有定的推薦范圍。經(jīng)過長期生產(chǎn)經(jīng)驗的積累和實驗研究，各種類型葉輪尺寸的相對關(guān)系都有一個大致范圍，超過這些范圍設(shè)計出來的葉輪，無論外觀和性能都不會理想。同樣，它們相應(yīng)的運行條件，介質(zhì)粘度大致的流動狀態(tài)都有一定的推薦范圍，如下表3-3所示：目前國內(nèi)外石油固控系統(tǒng)中，最常用的攪拌器有兩種，一種是開啟式蝸輪，一種是圓盤式蝸輪。很少再選漿式和推進(jìn)式，而

22、開啟式蝸輪最常用的是平直葉片。在圓盤葉片中，最常用的是平直片、折葉片和后彎葉片。由于開啟蝸輪式即使沒有擋板也具有強(qiáng)烈的上下對流作用。因此，在較先進(jìn)的鉆井液攪拌器中得到了廣泛應(yīng)用。表3-3 攪拌器型式和適用條件攪拌器型式流動狀態(tài)攪拌目的攪拌器容積轉(zhuǎn)速范圍r/min對流循環(huán)湍流擴(kuò)散剪切流低粘度混合分解溶解氣體吸收蝸輪式*110010300漿式*120010300推進(jìn)式*1100010500折葉開啟式蝸輪*1100010300攪拌葉輪形狀與流態(tài)的關(guān)系固液相攪拌過程問題復(fù)雜，因為既有固液兩相物性的不同，又存在著較大的密度差異。固液相攪拌有一個基本要求，就是使固體顆粒懸浮起來。如果固相顆粒密度很小，濃度

23、不大密度與液體十分接近，則此時可將固相看作是液相的一部分。如果固相顆粒密度較大，同相顆粒在液相中的沉降速度較大，只有進(jìn)行充分?jǐn)嚢璨拍鼙３止滔嗟膽腋顟B(tài)。從理論上講，只要攪拌液的上升速度大于固相沉降速度，就可使固體顆粒懸浮起來。實驗證明，固相懸浮存在一個臨界攪拌轉(zhuǎn)速，其值與固液相密度差、液相密度、固相密度、液相粘度、粒徑等物性有關(guān)，也與大罐形狀和攪拌葉輪幾何形狀有關(guān)。鉆井液使用高粘度的高分子聚合物越來越多，有些鉆井液體系本身的粘度就很大，由于粘度大以及粘力的影響，在攪拌時很難形成串流而處于層流狀態(tài)。這種層流狀態(tài)也只出現(xiàn)在攪拌葉輪附近，稍遠(yuǎn)處液體幾乎是靜止的。要解決液體的對流問題，不能單靠提高攪拌

24、器轉(zhuǎn)速和循環(huán)流量。因為在高粘度下攪拌葉輪排出流量甚少。轉(zhuǎn)速過高還會在高粘度液中形成溝流，稍遠(yuǎn)處仍為死區(qū)。此時可以通過加大葉輪自徑，采用雙層葉輪來增大攪拌區(qū)域。為了保證鉆井液中固相顆粒在罐內(nèi)的均勻懸浮，必須提供一個適中的湍流流態(tài)、葉輪形狀、數(shù)量及轉(zhuǎn)速。其基本影響因素是葉輪的形狀與運轉(zhuǎn)參數(shù)。各種攪拌器的形狀按攪拌器的運動方向漿葉表面的角度分為三類：即平葉、折葉和螺旋面葉。這里只介紹在鉆井液攪拌器中常用的漿式。蝸輪式(屬于平葉和折葉)、和推進(jìn)式(居于螺旋面葉)葉輪。平葉的運動方向與漿面法線方向一致；折葉的漿而與運動方向成一個傾斜角 一般為45或60；螺旋面葉是折葉的一種特殊情況，它的根部的。為407

25、0，舊漿而端部儀為l 7左右。平葉的運動方向與漿面垂直，當(dāng)?shù)退龠\轉(zhuǎn)時，流體主要是水平環(huán)向流。增大轉(zhuǎn)數(shù)時，液體的徑向流動逐漸增大。僅靠平漿葉本身所形成的軸流是很弱的。由于折葉的漿面與運動入向成角，因此，除水平環(huán)流外還有軸向分流。轉(zhuǎn)速逐漸增大，還會逐漸增大徑向流。螺旋葉面有水平環(huán)流、徑向流和軸向流，其中軸向流最大。出以上分析得知，鉆井液攪拌諾的葉輪按排液方向可分為徑向流和軸流型兩種：螺旋由漿葉屬于軸向流型，而折葉式漿葉則處于二者之間，但更接近軸向流型。這里要持別指出的是，不管何種葉型，當(dāng)液體粘度較低時，都將隨著轉(zhuǎn)速的變大，其流態(tài)逐漸內(nèi)層流到過濾流到湍流。在湍流狀態(tài)下平葉漿式攪拌軸附近將形成一個旋渦

26、，中心液面向下，成漏斗狀，液體表面成回轉(zhuǎn)拋物面。旋渦中心的液體幾乎與攪拌軸同步，形成一個圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)，在低粘度情況下其直徑大約為漿徑的70。這個區(qū)域內(nèi)液體沒有相對運動所以混合、懸浮很不好。攪拌時不希望在循環(huán)內(nèi)出現(xiàn)過大的旋渦，旋渦過大說明轉(zhuǎn)數(shù)過高這給我們判斷轉(zhuǎn)速是否合適提供了根據(jù)。攪拌葉輪循環(huán)流量的計算為了研究攪拌器的功能，要研究漿葉與宏觀液流、微觀液流飛關(guān)系，它們反應(yīng)出漿葉的排出性能與剪切性能。各種漿葉因其形狀、運轉(zhuǎn)形狀的不同而各具有不同的排出流量。徑向型漿葉在一定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，自漿葉面處排出高速液流，使周圍靜止或低速流卷入其中，在罐內(nèi)形成循環(huán)流。軸流型排出軸向流，對周圍液體也有吸引挾帶作用。這

27、種循環(huán)流如圖所示。圖中漿葉排出量為吸引挾帶量力，總的循環(huán)流量為Qc。罐內(nèi)液體形成的循環(huán)流動遍及全罐。通過漿葉排出液體，將漿葉的能量傳遞到全罐各處，同時也使各處液體順次流到只有強(qiáng)烈攪拌作用的漿葉附近。因此，葉輪的排出性能對攪拌過程是非常重要的。計算公式如下： (3-5) (3-6) (3-7) (3-8)(3-9)(3-10)式中： 排出流量，循環(huán)流量，分別為排出流量數(shù)及循環(huán)流量數(shù)n 攪拌器轉(zhuǎn)速攪拌漿葉直徑b 液漿寬度D 大罐寬度K漿型系數(shù)H液體深度 Z葉片數(shù)雷諾數(shù) (3-11)式中：表3-3漿葉系數(shù)：漿型系數(shù)平漿、平直葉開式蝸輪平直葉圓盤蝸輪后彎葉開啟蝸輪K以上公式的嚴(yán)格應(yīng)用條件是：集合尺寸的

28、相對關(guān)系是：<式中，C為漿葉離罐底的距離。罐內(nèi)為湍流流態(tài)。對于長方體鉆井液循環(huán)罐及其介質(zhì)流態(tài)，可以近似的認(rèn)為滿足上述條件。圖3-2 攪拌時罐內(nèi)的液體流向3.3.4攪拌葉輪幾何尺寸及層數(shù)計算從攪拌器的功能可以知道，漿葉的大小不是任意決定的，它可以影響漿葉的排出流量，它可以影響動力系統(tǒng)，也就是可以影響向液體中輸入衡量的大小，說明漿葉的大小直徑可以影響攪拌過程的進(jìn)行。選擇合理的葉輪尺寸，就能夠提供給攪拌過程所需要的動力，還能提供良好的流動狀態(tài)，完成預(yù)期的操作目的。液漿的大小一般為漿徑的大小（所謂漿徑是指漿葉回轉(zhuǎn)時前端軌跡的直徑）和漿葉的寬度來衡量。攪拌器葉輪尺寸將影響排出流量和功耗，選擇合理的

29、葉輪尺小供給攪拌過程所需動力并產(chǎn)生良好的流態(tài)。漿葉直徑的大小與攪拌據(jù)種類有關(guān)，也與循環(huán)罐的大小有關(guān)。1.鉆井液循環(huán)罐中出現(xiàn)“圓柱回轉(zhuǎn)區(qū)”時，說明這一部分混合很差，攪拌不好。在低粘度時，能量易傳遞，攪拌器直徑可取小些，一般漿葉式可取djD035 -0.8。蝸輪式取d0.5。2.以固液相懸浮力目的時為攪起罐底固05。3.為取得液液乳化效果，提高剪切力，可增加轉(zhuǎn)速，減少漿徑，一般D為116110。 漿葉軸向流量大，體積循環(huán)能力強(qiáng)，一般漿徑取得較小，D0205，其中多取D13。5.漿葉數(shù)量大多取決于漿的形式。漿式常用兩葉；各種蝸輪式的漿葉以6葉、8葉居多；推進(jìn)式有2葉、3葉和4葉，以3葉居多。6漿葉寬

30、度取決于粘度大小和動力消耗之多少。在蝸輪式液液攪拌中，當(dāng)D1/3時，Z4，漿寬b(00501)D。7.漿葉輪的層數(shù)取決于液層的高度。在低粘度時，當(dāng)液面高HD(罐寬)只要一層即可。在高粘度時，上下攪動的范圍僅處漿徑的12，所以必須增加攪拌層數(shù)，層間距一般取為。有時為了提向攪動的循環(huán)強(qiáng)度，也有上層使用軸向流葉輪的，下層漿徑向型葉輪的。漿葉離罐底面的距離C一般為漿徑的1 15倍。為了防止固相沉淀，常將C取為D10。上層漿葉離液面距離至少為15，推進(jìn)式則要取H3，以防止產(chǎn)生旋渦，漿面外露。平直葉圓盤蝸輪結(jié)構(gòu)如圖3-3所示：根據(jù)以上條件，本次設(shè)計尺寸參數(shù)如下：取葉片數(shù)為Z= 4片，設(shè)計尺寸，L=120m

31、m ，b = 100mm/D = 0.250.5 得，罐寬D=720mm360mm槳葉直徑，折葉角度以24，后彎角度常用介質(zhì)粘度范圍<, 折葉、后彎葉<流動狀態(tài)：平直葉為徑向流動。最高攪拌速度可達(dá)600rPm攪拌器葉輪型式的選擇由于同一型式的攪拌器可達(dá)到幾種目的，因此多數(shù)情況下是根據(jù)經(jīng)驗和習(xí)慣來選樣。較為合理的方法是由攪拌器目的和形成的流態(tài)為依據(jù)來進(jìn)行選擇的。適合固液懸浮的漿型有蝸輪式和推進(jìn)式以及漿式兩種。由于蝸輪式的對流循環(huán)能力、湍流分散和剪切力比較強(qiáng)，得到了最廣泛的應(yīng)用。使固體懸浮的作業(yè)以開啟蝸輪式最好。出于沒有中間圓盤部分，不致阻礙漿葉上下液相混合。彎葉開啟式蝸輪的排出性能好

32、，對固液相懸浮也很適合。采用折葉漿、折葉開啟蝸輪、推進(jìn)式都有軸向流，所以可以不用擋板。因此，目前國內(nèi)外石油固控設(shè)備中，最常用的攪拌器葉輪只有兩種，種是開啟式蝸輪，一種是圓盤蝸輪。很少再選用漿式和推進(jìn)式。而開啟蝸輪式戶用得最多的是平直葉片。在圓盤蝸輪式中，平直片，折葉片和后彎葉片都有采用。由于開啟蝸輪式即使沒有擋板也具有強(qiáng)烈的上下對流作用，因此，在較先進(jìn)的鉆井液攪拌器得到了廣泛的應(yīng)用。3.攪拌葉輪強(qiáng)度設(shè)計及校核漿葉強(qiáng)度的計算主要決定漿葉的厚度。它必須在決定了漿葉的直徑=寬度=數(shù)量，并相應(yīng)決定了攪拌器的功率后，對漿葉進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時來進(jìn)行。計算功率的確定計算功率通常采用下式來計算：(3-12)式中：

33、，K電機(jī)啟動時的過載系數(shù)平直開啟蝸輪的強(qiáng)度計算以最常見的矩形截面為例，由于葉片對稱性，故可將功率均勻分配到各葉片上。液體產(chǎn)生的最大阻力彎矩在葉片根部，其值為：式中：Z葉片數(shù)斷面的抗壓模數(shù)：W(3-13)式中：b漿葉寬,cm，cm于是，計算應(yīng)力為： (3-14)式中，為許用應(yīng)力。b在計算時是已知數(shù)，由公式：(3-15)=攪拌軸的密封攪拌器可靠的密封是一個重要的問題。由于攪拌軸密封引起的漏油，不但浪費油料，而且污染了鉆井液。旋轉(zhuǎn)抽密封分為機(jī)械密封和壇料密封，鉆井液的軸屬于低轉(zhuǎn)速、低壓力，較適用的仍然是填料密封，它具有結(jié)構(gòu)簡單，易于維修，可靠性高等優(yōu)點。自封式密封根據(jù)長期現(xiàn)場使用的經(jīng)驗來看，將水龍頭

34、沖管v形盤根結(jié)構(gòu)移植過來是非常可靠的。密封盤根由耐油膠利夾膠尼龍市線組成，一般34組已足夠。密封盤根形狀尺寸國家已有標(biāo)淮，這里不再贅述。填料密封填料密封是一種早期轉(zhuǎn)軸密封結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)簡單在攪拌器中時有采用。填料密封的原理與自封式盤根不同，它是靠壓蓋壓力作用下，壓緊填料密封盒中的填料，對攪拌抽表面產(chǎn)生徑向壓力。由于填料中臺有潤滑刑，因此在攪拌軸上產(chǎn)生一層液膜，它既潤滑了攪拌軸，又能阻止設(shè)備中的潤滑油漏出來。3.攪拌器功率的確定所謂攪拌器功率包含兩個不同的概念、即攪拌功率和攪拌作業(yè)功率。為使攪拌器連續(xù)運轉(zhuǎn)所需的功率就是攪拌器功率，為使攪拌過程以最佳方式完成的功率為攪拌作業(yè)功率，前者是物理量的函數(shù)

35、，后者是工藝特性所決定的。很遺憾的是，攪拌器功率和攪拌作業(yè)功率都沒有準(zhǔn)確的方法予以確定，生產(chǎn)實踐中攪拌器功率不足的問題易于覺察。而攪拌器功率過大造成浪費的問題則易被忽視。計算攪拌器功率的目的有兩個：是解決不同形式的攪拌樣能向被攪拌的介質(zhì)提供多少功率，以滿足攪拌過程的要求；二是為攪拌器弧度計算批供依據(jù)。Rushton算圖根據(jù)多種攪拌器在液體年度為140000cP以內(nèi)，Rc<10的條件下進(jìn)行了實驗，測定出功率，得到功率因素和Re的關(guān)系由下式 (3-16)式中：N攪拌器功率，KW功率準(zhǔn)數(shù)，無因次4主要零件的強(qiáng)度校核蝸桿傳動的強(qiáng)度校核蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算蝸輪齒面接觸強(qiáng)度計算可以參照齒輪的技術(shù)

36、方法。以赫茲公式為基礎(chǔ)，按節(jié)點處的嚙合條件計算齒面的接觸應(yīng)力，則其校核公式為：(4-1)上式適用于鋼制蝸桿對青銅鑄鐵或鑄鐵蝸輪。整理得蝸輪齒面解除疲勞強(qiáng)度的校核公式為：(4-2)式中：K為載荷系數(shù)，K=11.4 ，當(dāng)載荷平穩(wěn)，取小值，否則取大值;為蝸輪轉(zhuǎn)矩，單位為N·mm，為蝸輪材料的許用接觸應(yīng)力，單位為；其余符合的意義同前。將m=，= 71mm，： (4-3)=93MPa所以，蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)。齒根彎曲強(qiáng)度校核中心距蝸桿螺旋線升角查表有蝸輪材料的基本許用彎曲應(yīng)力為46MPa計算壽命系數(shù)=計算許用彎曲應(yīng)力=計算齒根彎曲應(yīng)力，查表得 (4-4)=故齒根彎曲疲勞校核合格。表4

37、-1-1蝸輪的齒形系數(shù)：3035404550蝸輪材料的基本使用彎曲應(yīng)力（）圖表4-1-2如下所示：蝸輪材料鑄造方法與硬度45HRC的蝸桿相配時硬度45HRC，并經(jīng)磨光的蝸桿相配鑄錫磷青銅砂模鑄造46（32）58（40）金屬模鑄造58（42）73（52）鑄錫鋅鉛青銅砂模鑄造32（24）40（30）金屬模鑄造41（32）51（40）鑄鋁鐵青銅砂模鑄造112（91）140（116）灰鑄鐵砂模鑄造4050注：表中括號內(nèi)的值系用于雙向傳動的場合驗算傳動效率蝸桿分度圓速度為(4-5)查表得與原估計表4-1-3當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角蝸輪材料無錫青銅蝸輪齒面硬度滑動速度注：硬度45時的值系指蝸桿齒面經(jīng)磨削、

38、蝸桿傳動經(jīng)跑和，并有充分潤滑的情況。攪拌器軸承型號選擇軸承的作用是支承軸及軸上零件，保持軸的回轉(zhuǎn)精度，減少轉(zhuǎn)軸與支承之間的摩擦。根據(jù)支承處相對運動的摩擦性質(zhì)，軸承分為滑動軸承和滾動軸承。滾動軸承具有摩擦阻力小、啟動靈敏、效率高、回轉(zhuǎn)精度高、潤滑簡便和裝拆方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器和機(jī)構(gòu)中。本次設(shè)計采用滾動軸承。滾動軸承的類型：軸承按所能承載的方向或公稱接觸角的不同可分為向心軸承和推力軸承，如表4-2-1。表中為滾動軸承與套圈接觸的公法線與軸承徑向平面之間的夾角。按滾動體的種類可分為球軸承和滾子軸承。在外輪廓尺寸相同的條件下，滾子軸承比球軸承的承載能力和耐沖擊能力都好，但球軸承摩擦小，高速性

39、好。按工作時能否調(diào)心可分為調(diào)心軸承和非調(diào)心軸承。按運動方式可分為回轉(zhuǎn)運動軸承和直線運動軸承。4-2-1滾動軸承簡圖：軸承名稱類型代號結(jié)構(gòu)圖承載方向極限轉(zhuǎn)速允許偏轉(zhuǎn)角主要特性和應(yīng)用圓錐滾子軸承3000中2能同時承受較大的徑向、軸向聯(lián)合載荷，因系數(shù)接觸，承載能力大于“7”類軸承，內(nèi)外圈可分離，裝拆方便，成對使用。選擇軸承類型應(yīng)考慮多種因素，如軸承所受載荷的大小、方向及性質(zhì)；軸的方向的固定方式；轉(zhuǎn)速與工作環(huán)境；調(diào)心性能要求；經(jīng)濟(jì)性和其他特殊要求等。求當(dāng)量動載荷P由公式(4-6)表得，式中徑向載荷X和軸向載荷Y要根據(jù)e值查取，是軸承的徑向額定靜載荷，未選軸承型號前暫不知道，故用試算法計算。根據(jù)表4-2

40、-2，暫取(4-7)得，由>e查得X = ，Y =P=表4-2-2載荷系數(shù)載荷性質(zhì)舉例無沖擊或輕微沖擊電機(jī)、汽輪機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵中等沖擊機(jī)床、車輛、內(nèi)燃機(jī)、減速器、起重機(jī)器強(qiáng)大沖擊軋鋼機(jī)、破碎機(jī)、鉆探機(jī)、剪床計算所需的徑向額定動載荷值由公式：(4-8)得=選擇軸承型號查有關(guān)軸承的手冊，根據(jù)d= 27mm，選得軸承2300軸承合適。常見的軸轂連接有鍵連接、花鍵連接等。軸轂連接主要是用來實現(xiàn)軸的輪轂（如齒輪、帶輪等）之間的軸向固定，并用來傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，有些還可以實現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向移動（導(dǎo)向）。固定方式的選擇主要是根據(jù)零件所傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和性質(zhì)、輪轂與軸的對中精度要求、加工的難易程度等因素來進(jìn)行的。鍵可分為平鍵、半圓鍵、切向鍵等類型，其中以平鍵最為常見。鍵已標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計時首先根據(jù)工作條件和各類鍵的應(yīng)用特點來選擇鍵的類型，再根據(jù)軸的軸徑長度確定鍵的尺寸，必要時還應(yīng)對鍵連接進(jìn)行強(qiáng)度校核。鍵的主要尺寸確定平鍵是標(biāo)準(zhǔn)件，其剖面尺寸（鍵寬b鍵高h(yuǎn)）按軸徑d從有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中選擇，鍵長L應(yīng)小于輪 長度并符合標(biāo)