三缸單作用泥漿泵活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

三缸單作用泥漿泵活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

0鉆井工藝技術(shù)要求高泥漿泵是在鉆井過程中，通過運送井底巖屑，提供井底鉆具的動力，并將井底氣循環(huán)輸送至井底。隨著煤礦業(yè)的發(fā)展,泵的工作壓力越來越高,功率要求也越來越大,而制造和維修成本要求降低,廣泛采用的金屬缸套壽命達到500～700h,活塞的一般平均壽命僅在150～180h,它遠遠不能滿足日益發(fā)展的高泵壓,大排量的現(xiàn)代鉆井工藝要求。本文針對此問題進行了詳細的理論分析,設(shè)計出了合理的活塞結(jié)構(gòu),從而使活塞壽命提高到200～380h,降低了鉆井成本,提高了效益。1脹緊式栓塞本文所研究的活塞是三缸單作用泥漿泵活塞,屬于脹緊式活塞,脹緊式活塞是靠裝配狀態(tài)活塞環(huán)對缸套內(nèi)壁的彈力實現(xiàn)密封的。這種活塞的總體結(jié)構(gòu)簡單,活塞環(huán)可更換,應(yīng)用十分廣泛。(1)壓封的操作過程磨損失效是活塞的正常失效形式,活塞正常失效的主要原因就是磨礪性微粒參與下的正常磨損。微小磨粒首先進入活塞皮碗與缸套的接觸面,這些磨粒與缸套或活塞有一個相對運動速度,這個速度遠小于活塞運動速度。正是這種磨粒對皮碗和缸套的相對運動,造成了活塞皮碗的磨耗和缸套的磨損。微小磨粒進入結(jié)合面有如下渠道:①磨粒進入活塞密封面是在排出之前,活塞剛剛開始反向運動時,由于吸入閥的滯后現(xiàn)象,缸內(nèi)壓力在略低于大氣壓情況下迅速增加工作壓力,這時皮碗唇部和缸套貼得不緊,活塞相對于缸套移動,磨粒即擠入密封面。②當皮碗處于吸入過程時,皮碗背部在摩擦力作用下往往脫開鋼芯法蘭而形成環(huán)形間隙,皮碗唇部作向心收縮并被泥漿充滿,在排出過程開始時,縫隙內(nèi)的泥漿在活塞皮碗的壓力下通過法蘭盤與缸套的間隙,一部分進入活塞皮碗根部與鋼芯法蘭的環(huán)形間隙,另一部分通過皮碗表面進入吸入室,造成活塞皮碗表面的磨礪性沖蝕,這種沖蝕的痕跡沿活塞皮碗圓周軸向分布,靠近根部處沖蝕最厲害。此外,由于安裝不正,活塞軸線與缸套軸線有夾角,活塞唇部將出現(xiàn)翹曲,這不僅造成偏磨,而且使磨礪性顆粒從翹曲處擠入密封面。在工作過程中。活塞在缸套內(nèi)受交變載荷作用,泥漿中磨粒不可避免地進入活塞與缸套之間,從而在往復(fù)運動中形成切削形磨痕。延長活塞使用壽命的關(guān)鍵是延長活塞的正常磨損階段,本文從改進活塞結(jié)構(gòu)方面來提高其耐磨性。(2)液氯鋼芯與液間間隙的影響密封材料因進入密封副界面而形成擠傷。這也是活塞失效的主要原因。在正常磨損失效之前,活塞密封件很有可能因為擠傷而失效?；钊c缸套形成一對動密封副,活塞鋼芯與缸套之間留有一定的間隙,以防止金屬與金屬對磨。這一間隙隨著缸套的磨損而增加?；钊c缸套間的間隙在沿圓周不總是均勻一致的,泵安裝找正時的偏差使活塞鋼芯與活塞皮碗不同心,在工作過程中動態(tài)應(yīng)力會變得非常嚴重。這種不均勻的間隙,在其較大處,就為皮碗提供了往里移動的空間,這種移動引起擠傷。擠傷發(fā)生在皮碗的根部。當活塞向前運動時,受擠的材料逐漸被撕裂下來,這樣的受擠和被撕裂,在活塞的往復(fù)運動中發(fā)生,活塞很快喪失密封能力而失效。提高活塞壽命,從摩擦學(xué)的角度出發(fā),單一地放在提高膠料配方的耐磨性能上,效果不佳。重點應(yīng)在于如何防止擠傷現(xiàn)象發(fā)生。2延長激活和長壽的延長措施(1)護根環(huán)的設(shè)計實際工作中的活塞,唇口部分在壓力作用下會產(chǎn)生向心效應(yīng),發(fā)生翹曲而沒有貼緊缸壁,所以,其應(yīng)力值會大大減小,與此相反的是由于活塞總重量、安裝誤差以及熱效應(yīng)等因素的影響,根部應(yīng)力集中的現(xiàn)象會更突出,所以,皮碗根部才是活塞最薄弱的環(huán)節(jié),由于聚四氟乙烯塑料的自潤滑性能、強度、耐磨性、耐熱性都很好,而且與鋼的摩擦系數(shù)低,所以,選擇聚四氟乙烯塑料作根部加強材料。本文采用三角形聚四氟乙烯塑料環(huán)效果良好。在排出過程中,聚四氟乙烯塑料護根環(huán)唇部的膨脹速度等于或大于活塞皮碗根部的膨脹速度,因此,在活塞皮碗的根部形成一個與缸套緊貼的、不留縫隙的護根環(huán)。當缸套內(nèi)徑因磨耗而增大時,在泵壓的作用下,塑料扶根環(huán)的外徑也增大,能自動補償缸套的磨損。在吸入過程中,塑料護根環(huán)的收縮比皮碗快些,從而可以減少對缸套的磨損。為了滿足以上要求,對塑料護根環(huán)的傾角和唇部厚度都作了專門設(shè)計(圖1為皮碗根部加強示意圖,圖中虛線部分為受壓變形情況)。為了防止活塞皮碗擠入護根環(huán)與缸套壁之間的間隙,必須滿足以下條件dXndt≤dXrdtdXndt≤dXrdtdXn=df(p)-df′(F)護根環(huán)與活塞皮碗交界面上的摩擦力等于徑向力乘以摩擦系數(shù),再乘以cosφ,忽略這個阻力,則有dXr=df(p)+df′(F)-df″(fy)于是df(p)-df′(F)≤df(p)+df′(F)-df″(fy)-2df′(F)≤-df″(fy)df″(fy)≤2df′(F)不等式表明:護根環(huán)抵抗徑向膨脹的單位厚度收縮力f與護根環(huán)唇部厚度y的乘積必須等于或小于活塞皮碗抵抗徑向膨脹的收縮力F的2倍,才能很好地起到保護活塞皮碗的作用。計算表明y=6.38mm,φ=60°較好。改進后的三角形皮碗根部如圖2所示。(2)擠入間隙的量改進前的鋼芯法蘭為較長的圓柱面,由于其與缸套的配合面較長,很容易產(chǎn)生偏磨,為此,不得不增加活塞間隙值以盡量避免偏磨的發(fā)生。但間隙值增大,會使活塞根部極易被擠入間隙而造成擠傷破壞。進行如圖3所示的改進,用大直徑圓弧面DF代替圓柱面DE和倒角面EF,該大直徑圓弧面DF在D處與原圓柱面DE相切。在保證鋼芯與活塞皮碗配合特征不變的情況下,去掉了部分鋼芯材料。這部分材料容易與缸套發(fā)生偏磨,改進后的結(jié)構(gòu)發(fā)生偏磨的概率大大減小,也就減小了活塞根部擠傷發(fā)生的可能性,提高了缸套、鋼芯和皮碗三者的使用壽命。(3)改進皮碗結(jié)構(gòu)常用活塞皮碗的唇部傾角α通常為20°。理論證明當α在15～25°變化時,活塞的力學(xué)特性幾乎不變,但是,傾角的變化影響向心效應(yīng),傾角a越大,向心效應(yīng)越突出,所以,為了減小向心效應(yīng),把傾角α從20°改為15°。從理論分析知道,皮碗尺寸突變處B1對活塞接觸應(yīng)力的變化影響不大,為此把B1移至B處,使皮碗與缸壁摩擦的接觸面從交接處開始帶有一定的錐度,即β=2～6°,這樣整個皮碗都帶有一定的錐度,增加了皮碗自補償能力,延長了活塞正常磨損階段。改進后的皮碗結(jié)構(gòu)如圖2所示。改進后的活塞結(jié)構(gòu)如圖4所示。3護根環(huán)嘴唇厚度的確定綜上所述,造成泥漿泵過早失效的根源在于磨粒進入活塞密封面后引起的應(yīng)力集中,減少磨粒進入量和避免高應(yīng)力集中是提高泥漿泵使用壽命的有效途徑。因此在實際工作中應(yīng)注意:(1)活塞皮碗唇部和根部在工作時最容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,改進皮碗唇部和根部結(jié)構(gòu),增大皮碗工作時的脹緊度,同進提高裝配質(zhì)量。(2)改進活塞結(jié)構(gòu),控制合理的間隙,減小活塞根部應(yīng)力集