高　搏，王浚璞，張　潔，劉迅超，呂　蘭

(1.川慶鉆探工程公司 安檢院，四川 廣漢 618300；2.川慶鉆探工程公司 設(shè)備處，成都 610051；3.四川宏華石油設(shè)備有限公司，四川 廣漢 618300)①

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5NB-1600型直驅(qū)鉆井泵動(dòng)力端優(yōu)化設(shè)計(jì)

高搏1，王浚璞2，張潔1，劉迅超1，呂蘭3

(1.川慶鉆探工程公司 安檢院，四川 廣漢 618300；2.川慶鉆探工程公司 設(shè)備處，成都 610051；3.四川宏華石油設(shè)備有限公司，四川 廣漢 618300)①

摘要：海洋石油平臺(tái)和部分陸地鉆機(jī)對(duì)鉆井泵的體積和質(zhì)量有限制。研制了一種適應(yīng)性強(qiáng)、集成程度高的5NB-1600型直驅(qū)鉆井泵。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)鉆井泵動(dòng)力端進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，取消了小齒輪軸，改為電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了傳動(dòng)效率；設(shè)計(jì)了新型的五曲拐六支撐的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，提高了曲軸的剛度、強(qiáng)度。采用有限元方法進(jìn)行校核，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求。與原有的3NB-1600F型鉆井泵相比，新型5NB-1600型直驅(qū)鉆井泵的動(dòng)力端具有結(jié)構(gòu)緊湊合理、體積小、使用可靠、易于維護(hù)保養(yǎng)、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鉆井泵；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外使用的功率為367～1 617 kW的鉆井泵主要是三缸單作用鉆井泵。功率為1 176 kW以下的鉆井泵是20世紀(jì)70年代推出的產(chǎn)品，這些鉆井泵和泵組的共同特點(diǎn)是：軸承均采用大型的滾動(dòng)軸承；曲軸、連桿的幾何尺寸過(guò)大，使整個(gè)鉆井泵的體積龐大、沉重；鉆井泵組均是在動(dòng)力機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)中間增加傳動(dòng)裝置，使鉆井泵組的體積更龐大、質(zhì)量更重。為了適應(yīng)海洋深水油氣田的開發(fā)，以及陸地上對(duì)設(shè)備的體積和質(zhì)量有限制區(qū)塊的開發(fā)需要，提高鉆井泵組適應(yīng)性，滿足鉆井的更高需求，研制功率大、體積小、質(zhì)量輕、性能可靠、制造成本低，且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列鉆井泵成為當(dāng)務(wù)之急[1-3]。

1主要零部件結(jié)構(gòu)說(shuō)明

5NB-1600型鉆井泵為五缸單作用結(jié)構(gòu)，具有動(dòng)力端和液力端[4]，采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲軸及曲柄連桿機(jī)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文研究的動(dòng)力端由機(jī)架總成、電機(jī)總成、曲軸總成和十字頭總成等組成。

1.1機(jī)架總成

機(jī)架總成是鉆井泵的基礎(chǔ)，其他部件均安裝在機(jī)架總成上。機(jī)架由鋼板焊接而成，并經(jīng)整體消除應(yīng)力處理。其結(jié)構(gòu)通過(guò)有限元軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了機(jī)架的強(qiáng)度、剛度和抗振性能。機(jī)架內(nèi)設(shè)置了油池，油路布置在機(jī)架外部，供齒輪、軸承和十字頭導(dǎo)板等零部件進(jìn)行潤(rùn)滑、冷卻之用。

圖1　5NB-1600型鉆井泵結(jié)構(gòu)

1.2電機(jī)總成

電機(jī)轉(zhuǎn)子軸兩端直接安裝斜齒輪，構(gòu)成人字齒輪結(jié)構(gòu)型式，斜齒輪與電機(jī)軸采用花鍵連接。齒輪為硬齒面，具有制造精度高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。在軸頸處安裝有調(diào)心圓柱滾子軸承，便于軸和齒輪對(duì)中和裝拆檢修。

1.3曲軸總成

曲軸總成采用五曲拐六支撐的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，由曲軸、大齒輪、連桿和軸承等零部件組成。

大齒圈與電機(jī)軸兩端的斜齒輪相嚙合，齒圈與輪轂用螺栓和防松螺母緊固，將兩者聯(lián)接為一體，輪轂內(nèi)孔與曲軸軸端外圓為平鍵加螺栓聯(lián)接。連桿通過(guò)偏心輪滑動(dòng)軸承安裝于曲軸的5個(gè)互為144°相位角的偏心曲拐上。曲軸兩端的主軸頸安裝有單列圓柱滾子軸承，該軸承安裝在機(jī)架軸承座孔內(nèi)。

1.4十字頭總成

十字頭總成采用上、下導(dǎo)板結(jié)構(gòu)，可通過(guò)在下導(dǎo)板處加墊片來(lái)調(diào)整同軸度，在上導(dǎo)板處加墊片來(lái)調(diào)整運(yùn)動(dòng)間隙。十字頭上導(dǎo)板連同蓋板可拆卸，便于十字頭的檢修維護(hù)。

十字頭與中間拉桿采用止口定位，螺栓連接，以保證十字頭與中間拉桿的同軸度。連接螺栓按規(guī)定的轉(zhuǎn)矩值上緊，并用鋼絲防松。十字頭中部通過(guò)十字頭銷和連桿小頭滑動(dòng)軸承聯(lián)接。

2動(dòng)力端優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著直驅(qū)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以集成應(yīng)用成熟技術(shù)為主，將電機(jī)和鉆井泵采用一體化的設(shè)計(jì)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可提高鉆井泵組的整體適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，從而設(shè)計(jì)出功率大、體積小、質(zhì)量輕、性能可靠、制造成本低的輕便型電動(dòng)直驅(qū)鉆井泵組。

2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案優(yōu)化

1)方案一。將2臺(tái)交流變頻電機(jī)分別安裝在曲軸的兩端，由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲軸，取消齒輪副和小齒輪軸。如圖2a所示。方案一的電機(jī)外形尺寸?1 800 mm×640 mm，鉆井泵寬度3 235 mm，2臺(tái)電機(jī)的總質(zhì)量比原有的齒輪副和小齒輪軸的質(zhì)量之和增加了8 085 kg。

2)方案二。以電機(jī)軸替代小齒輪軸，取消小齒輪軸，小齒輪直接安裝在電機(jī)軸上。由小齒輪驅(qū)動(dòng)曲軸上的大齒輪，使曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如圖2b所示。電機(jī)外形尺寸?800 mm×1 598 mm，鉆井泵寬度2 235 mm(比方案一減少1 000 mm)。質(zhì)量比方案一減少4 026 kg。

a　方案一

b　方案二

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，方案二有較大優(yōu)勢(shì)，電機(jī)安裝如圖3所示。將電機(jī)安裝在泵的中間，可采用兩端設(shè)置齒輪傳動(dòng)方案，便于取消小齒輪軸，在電機(jī)軸兩端直接安裝斜齒輪，與曲軸兩端安裝的斜齒輪嚙合并傳遞動(dòng)力。另外，電機(jī)安裝在泵的機(jī)身外面，方便安裝電機(jī)，可使機(jī)架做的更小。

圖3　方案二的電機(jī)安裝示意

2.2連桿和曲軸優(yōu)化

連桿大小頭采用滑動(dòng)軸承[5]，可降低曲柄連桿機(jī)構(gòu)的整體尺寸，如圖4所示。采用這種方式，減小了動(dòng)力端的體積和質(zhì)量，便于安裝拆卸及維修。

作為一個(gè)傳動(dòng)中非常重要的運(yùn)動(dòng)部件，曲軸的設(shè)計(jì)對(duì)鉆井泵的性能有著直接的影響。傳統(tǒng)的鉆井泵大多數(shù)采用三曲拐兩支撐結(jié)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致兩軸承之間的距離很大，降低曲軸的剛度，如圖5所示。在這種情況下，為了滿足傳動(dòng)功率的要求，需要將曲軸直徑設(shè)計(jì)得較大，只有這樣才能夠滿足剛度和強(qiáng)度的要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)的五曲拐六支撐曲軸則很好的避免了上述所存在的問(wèn)題[6]，曲軸為整體鍛造偏心軸，材料為合金鋼鍛件，在連桿軸頸處表面淬火。該曲軸有6個(gè)支撐點(diǎn)，相鄰兩支撐點(diǎn)的距離遠(yuǎn)比三缸泵的小，曲軸直徑不需要很大就可以滿足傳動(dòng)要求，曲軸質(zhì)量較小，曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)慣性小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。除此之外，曲軸安裝采用的是整體式軸承座，安裝精度高，可靠性強(qiáng)。單從質(zhì)量來(lái)看，五缸泵曲軸要比三缸泵曲軸輕約43%。

圖4　連桿優(yōu)化

圖5　曲軸優(yōu)化

2.3潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

5NB-1600型泵對(duì)潤(rùn)滑的要求：

1)連桿大小頭均采用了滑動(dòng)軸承，這點(diǎn)和壓裂車是一樣的，因此可以借鑒一些壓裂車的潤(rùn)滑系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

2)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間比壓裂車更長(zhǎng)，因此不能完全采用壓裂車的潤(rùn)滑系統(tǒng)。

3)大齒輪不是放在機(jī)身中間，而是放在機(jī)身外邊兩側(cè)，失去了3NB-1600F型泵采用飛濺潤(rùn)滑的有利條件。因此須在傳統(tǒng)3NB-1600F型泵的潤(rùn)滑系統(tǒng)方式上進(jìn)行優(yōu)化。

5NB-1600型泵的潤(rùn)滑方案：

1)采用強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑所有的摩擦副。

2)潤(rùn)滑泵采用齒輪泵，齒輪泵采用單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不受鉆井泵沖數(shù)的影響；齒輪泵的安裝位置要低，盡量減少潤(rùn)滑油的吸入高度。

3)吸入管的內(nèi)徑不小于50.8 mm，入口處真空度不得超過(guò)0.035 MPa。吸入管濾網(wǎng)為40～100目，流量為340 L/min，旁通閥壓力為0.7～0.875 MPa，吸入管所有接頭應(yīng)纏密封帶，以防止空氣進(jìn)入。

4)油箱容量應(yīng)達(dá)到900 L，油箱應(yīng)有一個(gè)較大的防雨型呼吸器，并設(shè)有觀察油孔和油尺。

5)濾清器最小流量為340 L/min，最小工作壓力1.4 MPa，旁通安全閥壓力0.105～0.175 MPa。選用雙芯濾清器，濾芯規(guī)格25～33 μm。

6)壓力管線最小工作壓力5.6 MPa，壓力管線最小內(nèi)徑?31 mm。

7)安全閥選用壓力為0.42～1.40 MPa的防震型，安全閥壓力調(diào)整到0.70～0.79 MPa，安全閥的回油排入油箱。

8)設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)管路上的油壓、流量、油溫等符合要求時(shí)，主電機(jī)才開始工作。反之，管路上的油壓、流量、油溫不符合要求時(shí)，主電機(jī)自動(dòng)停機(jī)。

9)合理的潤(rùn)滑系統(tǒng)參數(shù)：正常工作時(shí)最低油壓0.3 MPa，正常油壓0.5～0.7 MPa；冷啟動(dòng)最低油壓為0.7 MPa，最大油壓1.2 MPa；最高油溫60 ℃；潤(rùn)滑油最低黏度3.2×10-5m2/s。

10)選用潤(rùn)滑油。在高寒地區(qū)，夏季選用18#雙曲線齒輪油，其他季節(jié)選用13#雙曲線齒輪油。其他地區(qū)，全年選用18#雙曲線齒輪油。

3曲軸強(qiáng)度計(jì)算

由上述優(yōu)化和對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，曲軸作為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)零件，在結(jié)構(gòu)上有較大變化，工作時(shí)需承受相當(dāng)大的變載荷的作用，受力十分復(fù)雜，除了作用在曲軸上的重力是恒定的，其他如連桿力、慣性力、原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、支座反力、各部件間的縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)慣性矩等都將隨轉(zhuǎn)角的變化而變化。在分析、計(jì)算曲軸受力時(shí)做如下假設(shè)：

1)多支撐曲軸看作以主軸承中點(diǎn)分開的分段簡(jiǎn)支梁，并把曲軸視為絕對(duì)剛性系統(tǒng)。

2)把主軸頸中點(diǎn)看成支撐點(diǎn)，又看成是集中反力的作用點(diǎn)。

3)連桿力和旋轉(zhuǎn)慣性力看成是集中力，并作用在曲柄銷中點(diǎn)。

由曲柄連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可知，曲柄主要受力為：連桿作用力，齒輪作用力，軸承支撐力及重力[7-8]。如圖6所示。

圖6　曲軸受力示意

3.1連桿作用在曲軸上的力

FL=Fl/cosβ

(1)

式中：Fl為連桿活塞端作用力，N；FL為連桿對(duì)曲軸作用力，N；β為連桿水平角。

3.2齒輪作用力

采用斜齒輪傳動(dòng)，齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩，受切向力Fct、徑向力Fcr和軸向力Fca，及重力Gc。采用人字齒輪時(shí)軸向力抵消為零，軸向力不用考慮。齒輪直徑Dc=1 263 mm，齒輪法向壓力角αn=20°，齒輪法向螺旋角βc=28.5°，輸入扭矩MC=72 500 N·m，齒輪位置夾角φc=90°?？傻茫糊X輪切向力Fct=11 480 N；齒輪徑向力Fcr=4 755 N；齒輪軸向力為Fca=6 233 N。

3.3曲軸支撐反力

五缸泵曲軸總共有6個(gè)支撐軸承，也就有6個(gè)支撐反力，設(shè)6個(gè)支撐點(diǎn)為A、B、C、D、E、F，相應(yīng)的6個(gè)支撐力為NA、NB、NC、ND、NE、NF。將6支撐曲軸分為5段進(jìn)行計(jì)算，每段支撐簡(jiǎn)化為兩支撐簡(jiǎn)支梁。

利用有限元方法對(duì)曲軸進(jìn)行建模并計(jì)算主要受力[4，8]，如圖7～8所示。計(jì)算結(jié)果表明，曲軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足使用要求。安全系數(shù)n=700/155.12=4.5。

圖7　曲軸計(jì)算邊界條件

圖8　曲軸強(qiáng)度校核結(jié)果

4結(jié)論

1)以電機(jī)軸替代小齒輪軸，是新型直驅(qū)鉆井泵的主要?jiǎng)?chuàng)新，使整個(gè)鉆井泵結(jié)構(gòu)更加緊湊。

2)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)小齒輪，減少了中間傳動(dòng)裝置，提高了傳動(dòng)效率和傳動(dòng)可靠性。

3)動(dòng)力端齒輪、軸撐、十字頭采用飛濺潤(rùn)滑和強(qiáng)制潤(rùn)滑相結(jié)合，具有良好的潤(rùn)滑條件。

4)直驅(qū)鉆井泵的傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，易于維護(hù)保養(yǎng)，減輕了現(xiàn)場(chǎng)使用人員的維修保養(yǎng)難度等，是鉆井泵未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，特別是在對(duì)井場(chǎng)面積有特殊要求的海上和陸地(例如叢林)等環(huán)境中有廣闊的應(yīng)用前景。

5)直驅(qū)鉆井泵是由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。由于目前國(guó)內(nèi)的大功率特種電機(jī)的制造水平還不足，電機(jī)與鉆井泵的匹配及工作的可靠性是影響直驅(qū)鉆井泵使用的關(guān)鍵問(wèn)題，也是下一步的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙勝，趙振東，葉長(zhǎng)根，等．往復(fù)泵設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983：111-114.

[2]周思柱．鉆井泵和壓縮機(jī)曲軸有限元分析的等效外載荷計(jì)算方法[J]．石油機(jī)械，1995(7)：8-13.

[3]馬歷民，張望良，謝康．石油鉆井技術(shù)的發(fā)展與大功率鉆井泵[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2000，29(3)：15-16.

[4]李繼志，陳榮振．石油鉆采設(shè)備及工藝概論[M]．東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，1992：73-75.

[5]吳曉，甘文艷，趙永剛．深球殼在橫向載荷作用下的靜態(tài)分析[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2011(3)：38-40.

[6]張新借．鉆井泵曲軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J]．江蘇冶金，2006(6)：22-23.

[7]岳東晨，孫奇涵，張伯俊，等．曲軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的有限元分析[J]．天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(1)：81-84.

[8]王靖岳，丁旺才，王浩天．基于Pro/E和ANSYS的曲軸有限元分析[J]．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007(1)：81-84.

文章編號(hào)：1001-3482(2016)07-0037-05

收稿日期：①2016-01-05

作者簡(jiǎn)介：高搏(1979-)，男，重慶人，工程師，2002年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)，主要從事石油鉆機(jī)的監(jiān)理、檢驗(yàn)及評(píng)估工作，E-mail：654233979@qq.com。

中圖分類號(hào)：TE926.02

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.007

5NB-1600 Direct-drive Mud Pump Power End Optimization Design

GAO Bo1，WANG Junpu2，ZHANG Jie1，LIU Xunchao1，LYU Lan3

(1.Safety&EnvironmentQualitySurveillanceResearchInstitute，CNPCChuanqingDrillingEngineeringCo.，Ltd.，Guanghan618300，China；2.EquipmengtDepartment，CNPCChuanqingDrillingEngineeringCo.，Ltd.，Chengdu610051，China；3.SichuanHonghuaPetroleumEquipmentCo.，Ltd.，Guanghan618300，China)

Abstract：Considering the restriction for space and weight of mud pump in offshore platform and land drilling rig，therefore a new type of direct drive mud pump is developed and possesses advantages of high integration and adaptability.Through the structural optimization of power end of traditional mud pump，reduce pinion shaft and change to motor direct drive，simplify transmission structure and enhance efficiency.Design a new type of five-crank and six-bearing connecting rod to improve the issue of stiffness and intensity of traditional crankshaft.Through analysis of finite element method，the structural design up to specification.Compare with traditional 3NB-1600F mud pump，5NB 1600 direct drive mud pump possess advantages of compact structure，small volume，high operational reliability，easy maintainability and high efficiency.

Keywords：drilling pump；structure；optimizing design