五缸凸轮钻井泵特性分析.pdf

142023,61(8)总第7 0 8 期机械制造研究发五缸凸轮钻井泵特性分析王军伟1.2郝建旭2王小权3龚书春2周小明21.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心陕西宝鸡7210022.宝鸡石油机械有限责任公司陕西宝鸡7210023.长城钻探工程有限公司北京100101摘要：常规钻井泵的动力端为曲柄连杆机构，由于自身的运动特性，排量与泵压波动较大，需要排出空气包平衡波动。提出一种五缸凸轮钻井泵，动力端应用规律轮廊线的凸轮传动机构，使活塞发生匀加速、匀速、匀减速规律的往复移动，实现排量恒定，由此克服常规钻井泵的缺点，实现理论上的排量波动为0，并大大延长钻井泵易损件的寿命。介绍了五缸凸轮钻井泵的结构，进行了活塞运动特性解析，并分析了凸轮工作轮廊曲线的设计。关键词：钻井泵凸轮特性生分析中图分类号：TH38文献标志码：A文章编号：1 0 0 0-49 9 8(2 0 2 3)0 8-0 0 1 4-0 4Abstract:The power end of conventional drilling pump is the crank connecting-rod mechanism.Due to itsown motion characteristics,it has a large fluctuation in displacement and pump pressure,and the air packageneeds to be exhausted to balance the fluctuation.A five-cylinder cam drilling pump was proposed,and thepower end applies the cam transmission mechanism with the regular contour line,so that the piston moves backand forth with uniform acceleration,uniform speed and uniform deceleration laws to achieve constantdisplacement,thereby overcoming the shortcoming of the conventional drilling pump,realizing the theoreticaldisplacement fluctuation of O,and greatly extending the life of the wearing part of the drlling pump.Thestructure of the five-cylinder cam drilling pump was introduced,the motion characteristics of the piston wereanalyzed,and the design of the cam working profile curve was analyzed at the same time.Keywords:Drilling PumpCamCharacteristicAnalysis1分析背景常规钻井泵是一种曲柄连杆机构往复泵，在石油钻井工业领域是不可缺少的。曲柄连杆式钻井泵应用至今，其基础机构和运动原理研究未有较大突破。钻井泵长期应用中，人们对常规钻井泵的曲柄连杆机构进行了大量探讨试验，并取得了一定成果。常规钻井泵的运动特性抑制了自身发展空间，其最显著的运动特性是活塞运动呈现正弦或余弦曲线的规律，致使钻井泵排量呈瞬时变化，导致排出压力波动较大，常规钻井泵阀、活塞及缸套等运动密封件的工作条件会恶化。为此，通过近几年的探讨，已成功研制出以凸轮结构为动力端的恒定排量、无压力脉动的凸轮钻井泵。这一钻井泵采用了特殊轮廓线的凸轮代替常规钻井泵中曲柄连杆机构，使活塞作匀加速匀速一匀减速的曲线运动。凸轮钻井泵在排出过程中，多个活塞同时处于排出过程，速度进行叠加，且速度之和为常数，保证了钻井泵的排量恒定，无压力脉动，无冲击。凸轮机构是凸轮钻井泵的关键部件，直接影响能否实现恒排量的排出特征。2五缸凸轮钻井泵结构五缸凸轮钻井泵结构如图1 所示，主要由活塞、中间拉杆、滚子、凸轮、复位弹簧、十字头、机架等组成。排出冲程时，凸轮驱动活塞作匀加速一匀速一匀减速运动，十字头沿导板方向向液力端滑行，压缩弹簧。吸人过程中，弹簧释放能量，使十字头沿导板方向向动力端滑行，同时活塞作匀加速一匀速一匀减速运动。动力端采用特殊廓线的凸轮机构，五个凸轮组装在传动轴上，每个凸轮与通过凸轮水平中心布置的滚子对滚。*中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目（编号：2 0 2 1 DJ4104）152023,61(8)总第7 0 8 期机械制造研究发五个凸轮按机架左侧至右侧的结构排列顺序为1 号凸轮、2 号凸轮、3号凸轮、4号凸轮、5号凸轮。排出冲程时先后的工作顺序为1 号凸轮、4号凸轮、3号凸轮、2号凸轮、5号凸轮，相邻凸轮之间相位相差2/5，凸轮与活塞一一对应。导板活塞杆十字头机架滚子轴一发卡箍压盖填料盒弹簧座滚子传动轴活塞介杆复位固定密封弹簧螺栓平键凸轮图1五缸凸轮钻井泵结构3活塞运动特性笔者解析活塞的运动特性，并证明凸轮钻井泵的排量曲线为一条水平线。以1 号活塞为解析对象，规定活塞由动力端向液力端运动为正方向，通过对1 号活塞运动位移s求导，可以得到活塞的运动速度及加速度，同时可以得到活塞排量Q。25hg200.号82h50h4T84元5525h24TThE8TT5(1)S二25h26ThT，8T5h5h9元(2 T-0)E+84元5525h(2 T-)29TT2T8元E2525h00=0.4元5hT44元E5525h4T8E4TTTTT5(2)25h6T1T，4TTT55h6元94TT5525h025h9TT2T4元E225=0.号25h4T40E5525h4TTET45a(3)三25h6T456T905525h9T,2m4元50=0.号25haD?16元5hD?T.4Q=TD16E55(4)25hD24T16ET5式中：h为活塞冲程；D为活塞直径。由式（2）、式（3）可得，1 号活塞排出冲程时活塞的运动可分为三个阶段。在0/5转角范围，活塞作匀加速运动，加速度为2 5h/（4元）。在/54元/5转角范围，活塞作匀速运动，速度为5h/（4）。在4元5转角范围，活塞作匀减速运动，加速度为-2 5h/（4元）。同时，吸人冲程时1 号活塞的运动也分为三个阶段。在T6元/5转角范围，活塞作匀减速运动，加速度为-2 5h/（4元）。在6 元/5 9 元/5转角范围，活塞作匀速运动，速度为5h/（4元），在9 元/52 元转角范围，活塞作匀加速运动，加速度为2 5h/（4）。为保证能连续吸人与排出液体，在各运动阶段衔接点处活塞位移与速度是连续的，但加速度是不连续的。结合式（4），得到五缸凸轮钻井泵五个活塞排量循环曲线如图2 所示。由图2 可见，凸轮转角为0 范围时，1 号活塞处于排出冲程；凸轮转角为6 元/5 1 1/5范围时，2 号活塞处于排出冲程；凸轮转角为4元/5 9 元/5范围时，3号活塞处于排出冲程；凸轮转角为2 元/5 7 元/5范围时，4号活塞处于排出冲程；凸轮转角为8 元/5 1 3元/5范围时，5号活塞处于排出冲程。排出冲程中，单个活塞的排量有波动，最大排量为5hD/16，但两个或三个活塞排量进行叠加后，排量恒定为5hD/8。4凸轮轮廓曲线规律的活塞运动轨迹决定了凸轮轮廓曲线，凸轮轮廓曲线又决定了钻井泵的运动特征、动力性能及凸轮的工作形状。根据凸轮轮廓曲线方程，可以进行凸轮的设计与加工。162023,61(8)总第7 0 8 期机械制造研究发-1号活塞一4号活塞一2号活塞-5号活塞-3号活塞5hD85hD16元元0一42元专元元3元3元凸轮转角A图2五缸凸轮钻井泵活塞排量循环曲线解析法设计的凸轮轮廓曲线如图3所示。依据式（1）式（3）提供的活塞运动特性，以凸轮转角为函数,可以推导出凸轮轮廓曲线的方程。O为凸轮转动中心，为理论轮廓线向径，即滚子中心O,与凸轮转动中心0 的距离，r为凸轮基圆直径，为凸轮压力角，是凸轮转角的函数，为凸轮理论轮廓线向径与实际轮廓线向径的夹角，为滚子半径，0 为实际轮廓线向径对应的夹角，r为凸轮实际轮廓线向径，（，y）为凸轮实际轮廓线上任意一点的坐标，（x，y）为凸轮理论轮廓线上任意一点的坐标。25hg20.E8元h50h4To84元5525h24TTo+hE5TT8TT(5)25h26+hT，8Th5h7元.9 元To十(2 T-)E84TT5525h(2 T-0)29TT,2TE825T1dr)=arctan(6)rdersin=arctan(7)r-r.cos0w=O+(8)+r-2rr.cos(9)xw=TwcosOw(10)Lyw=rusinwx=rcos(11)Ly=rsine由于在不同的凸轮转角范围内，理论轮廓线向径r的方程不同，因此压力角的方程也不同，需要分段计算。求得后，就可求得实际轮廓线向径r、对应夹角及等，进而可得凸轮实际轮廓线上任意一点的坐标（xw，y）。输人数控机床的加工程序后，就能加-0YWhXO1理论轮廓线活塞卡箍活塞杆滚子基圆实际轮廓线图3凸轮轮廓曲线工出凸轮的外形。由于理论轮廓线向径对凸轮旋转角求导有时为正，有时为负，因此和同样有正负。当为 0，时,凸轮处于升程，该泵为排出冲程，0 大于。当为，2 时，凸轮处于回程，泵为吸人冲程，0 小于9。当且仅当为0、2 元时，才有与相等，此时凸轮实际轮廓线向径r与理论轮廓线向径厂共线。5结束语五缸凸轮钻井泵的动力端采用凸轮机构取代常规往复泵的曲柄连杆，理论上实现了钻井泵排量叠加不均度为0，压力没有波动，大大改善了钻井泵的排出性能。笔者经过理论分析，得出五缸凸轮钻井泵的活塞运动是匀加速一匀速匀减速组合，这是实现恒排量的基础，证明了任意时刻各缸排量叠加后为恒定常数，五缸凸轮钻井泵更适合于要求振动小、压力无波动、排量恒定的场合。笔者还提出了五缸凸轮钻井泵中凸轮理论轮廓线与实际轮廓线的设计方程，为五缸凸轮钻井泵的设计、制造提供了理论依据参考文献1张慧峰，董怀荣，裴峻峰.凸轮机构3缸单作用恒流量往复泵特性分析 J.江苏石油化工学院学报，2 0 0 2，1 4(2：4-7.2万邦烈，李继志.石油工程流体机械M.2版.北京：石油工业出版社,2 0 1 1.3张光烈.低波动往复泵无冲击运动分析 J.石油机械，1994,22(12):9-11,15.4董怀荣，王平，张慧峰，等.三缸单作用恒流量往复泵中凸轮机构设计 J.石油化工高等学校学报，2 0 0 4，1 7（1）：70-74.172023,61(8)总第7 0 8 期机械制造罡（编辑A上接第1 3页）YOKKOROOROOOKOOKOOOOKOKOKOKOOOEOEOOROEOOROKOOKOKOEOKEOKOOKOKKOEOOKORX上接第4页）岚）（编辑A研发5张慧峰.新型凸轮传动三缸单作用恒流量往复泵的研制J.石油钻探技术,2 0 0 1,2 9（4）：46-48.6西北工业大学机械原理及机械零件教研室.机械原理M.9版.北京：高等教育出版社,2 0 2 1.7黄文权，罗超.基于Creo软件的凸轮机构反转设计方法J.机械制造,2 0 1 9,57(1):2 9-32.8潘彦平.再谈低波动往复泵的运动与设计 J.石油机械，1995,23(12):13 17.9乔峰丽，苗鸿宾.直动滚子从动件圆柱凸轮CADJ.机械制造,2 0 0 7,45(5):2 0-2 1.10董怀荣，张慧峰，裴峻峰.凸轮机构往复泵与曲柄连杆机构往复泵性能对比分析 J.江苏石油化工学院学报，2 0 0 2，15 张健，刘建文，刘全兵.超高功率锂离子电池研究 J.电源技术,2 0 1 6,40（5）：9 7 3-9 7 6.收稿时间：2 0 2 2-0 9开始系统复位等待N有磁性金属杂物Y皮带停止测速轮计数N皮带静止Y测速轮停止计数，计算皮带滑行距离，确定磁性金属杂物位置电磁除铁器沿皮带运动到磁性金属杂物正上方电磁除铁器激磁并运动到下限位，测速轮计数器清零电磁除铁器运动到上限位电磁除铁器向外运动到外限位，退磁并延时图4控制程序流程一个月的运行实践表明，伺服定位式皮带输矿机磁性金属杂物清除系统成功清除矿石中磁性金属杂物14(4):10-13.11陈备，顾寄南.自动机凸轮机构的设计与动作协调性分析J.机电工程,2 0 1 8,35(1)：2 8-32.12王虹艳，李永康，廉自生，等.基于凸轮曲线的阀配流柱塞泵输出特性分析 J.华中科技大学学报（自然科学版），2022,50(2):32 37.收稿时间：2 0 2 2-1 2作者简介：王军伟（1 9 8 2 一），男，工程师，主要研究方向为石油机械装备设计。作者简介：杨斌（1 9 9 7 一），男，硕士研究生，主要研究方向为电池电性能和热量；樊立萍（1 9 6 5一），女，教授，主要研究方向为电池功率与同步发电技术。（编辑舞岚）的概率为8 7.5%参考文献1李剑峰.港口除杂机械把关实现零杂物”目标 J.煤矿机械,2 0 0 7,2 8(1 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