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1、泥浆泵活塞的失效分析及改进措施王红阁 , 杨师斌(平顶山工学院 , 河南 平顶山 467001)摘要 : 通过对泥浆泵活塞常见失效形式的详细分析 ,提出泥浆泵活塞根部及其皮碗唇部应力集中是造成泥浆泵活塞过早失效的根源所在 ,并给出了经实际检验后的改进方案 ,提高了泥浆泵 的使用寿命 。关键词 : 泥浆泵活塞 ; 改进 ; 失效 ; 寿命中图分类号 :TH31文献标志码 : B文章编号 :100320794 (2008) 0520155203Analysis ofIneffectiveness of Drilling Pump Piston and ImprovedMeasuresWANG Ho
2、ng - ge , YANG Shi - bin( Pingdingshan College of Technology , Pingdingshan 467001 , China)Abstract :Making detailed analyses of common forms of ineffectiveness of drilling pump piston , proposes thecause of premature ineffectiveness of drilling pump piston is the stress concentration of drilling pu
3、mp piston root and servo - piston cup leather lip . Puts forth the improvement program which has been proven by practical test to extend the service life of drilling pump .Key words : drilling pump piston ;improvement ;ineffectiveness ; service life0 引言泥浆泵是在钻井过程中 ,携带井底岩屑 ,供给井底钻具动力 , 向井底输送和循环钻井液的往复泵
4、。随着煤矿业的发展 ,泵的工作压力越来越高 ,功率要基准与可变截面扫描功能相结合方法绘制精确凸轮轮廓 ,将凸轮传动模型代替曲柄连杆机构后 ,得到改 进后的结构模型 。进入运动分析模块 ,设定曲轴转 速 100 rmin ,最后生成三活塞杆的速度曲线 ( 图 4) 。 三缸流量叠加后可得到恒定输出和恒定输入 ( 输入 与输出叠加均为一直线) ,也即证明了按式 ( 4) 设计 的凸轮取代曲柄连杆机构后 ,可使泵达到无脉动恒 流量输出的性能要求 。代替原有的曲柄连杆机构 ,可使泵的结构简单 、重量减小 。(2) 根据活塞等加速 - 等速 - 等减速运动规律 设计凸轮轮廓曲线 ,是恒流量输出的基础 。
5、从 ProE 仿真结果看 ,凸轮传动泥浆泵可得到恒流量曲线 ,从 根本上解决泥浆泵的流量压力脉动问题 ,提高了泵 的使用寿命和可靠性 ,这是传统曲柄连杆机构泥浆 泵无法解决的问题 。(3) 本文为 BW - 150 泥浆泵改进的可行性提供 了理论基础 ,通过对凸轮机构的优化 、凸轮高副摩擦 问题的解决等一系列后续工作 ,可使改进后的泥浆 泵满足振动小 ,流量稳定的工作场合 。参考文献 :1 郭玉华 ,薛明 , 等. 基于 ProE 的等加等减速凸轮三维模型设计J . 煤矿机械 ,2007 ,28 (6) :84 - 85 .2 董怀荣 ,王平. 三缸单作用恒流量往复泵中凸轮机构设计J . 石
6、油化工高等学校学报 ,2004 ,17 (1) .3 沈学海. 钻井往复泵原理与设计M . 北京 : 机械工业出版社 ,1990 .4 张慧峰 ,董怀荣. 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 , 2002 ,14 (2) .作者简介 : 张建明(1981 - ) ,江苏张家港人 ,现中国地质大学机械与电子工程学院 06 级硕士研究生 , 专业为机械设计及理论 , 电子 信箱 : jianming072993 yahoo . cn.图 4 凸轮传动泥浆泵模型及三活塞速度曲线4结语(1) BW - 150 泥浆泵的传动端采用了凸轮机构收稿日期 :20082012
7、04 155 Vol129No15 泥浆泵活塞的失效分析及改进措施 王红阁 ,等第 29 卷第 5 期求也越来越大 ,而制造和维修成本要求降低 ,广泛采用的金属缸套寿命达到 500700 h ,活塞的一般平 均寿命仅在 150180 h ,它远远不能满足日益发展的高泵压 ,大排量的现代钻井工艺要求 。本文针对 此问题进行了详细的理论分析 ,设计出了合理的活塞结构 ,从而使活塞寿命提高到 200380 h ,降低了 钻井成本 ,提高了效益 。1 活塞的失效分析本文所研究的活塞是三缸单作用泥浆泵活塞 ,属于胀紧式活塞 ,胀紧式活塞是靠装配状态活塞环 对缸套内壁的弹力实现密封的 。这种活塞的总体结构
8、简单 ,活塞环可更换 ,应用十分广泛 。(1) 磨损失效磨损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砺性微粒参与下的正常磨损 。微小磨粒首先进入活塞皮碗与缸套的接触面 ,这些 磨粒与缸套或活塞有一个相对运动速度 ,这个速度 远小于活塞运动速度 。正是这种磨粒对皮碗和缸套的相对运动 ,造成了活塞皮碗的磨耗和缸套的磨损 。 微小磨粒进入结合面有如下渠道 :磨粒进入活塞密封面是在排出之前 ,活塞刚 刚开始反向运动时 ,由于吸入阀的滞后现象 ,缸内压力在略低于大气压情况下迅速增加工作压力 ,这时 皮碗唇部和缸套贴得不紧 ,活塞相对于缸套移动 ,磨 粒即挤入密封面 。当皮碗处于吸入过程
9、时 ,皮碗背部在摩擦力 作用下往往脱开钢芯法兰而形成环形间隙 ,皮碗唇部作向心收缩并被泥浆充满 ,在排出过程开始时 ,缝 隙内的泥浆在活塞皮碗的压力下通过法兰盘与缸套 的间隙 ,一部分进入活塞皮碗根部与钢芯法兰的环形间隙 ,另一部分通过皮碗表面进入吸入室 ,造成活 塞皮碗表面的磨砺性冲蚀 ,这种冲蚀的痕迹沿活塞皮碗圆周轴向分布 ,靠近根部处冲蚀最厉害 。此外 ,由于安装不正 ,活塞轴线与缸套轴线有夹 角 ,活塞唇部将出现翘曲 ,这不仅造成偏磨 ,而且使磨砺性颗粒从翘曲处挤入密封面 。在工作过程中 。 活塞在缸套内受交变载荷作用 ,泥浆中磨粒不可避免地进入活塞与缸套之间 ,从而在往复运动中形成
10、切削形磨痕 。延长活塞使用寿命的关键是延长活塞 的正常磨损阶段 ,本文从改进活塞结构方面来提高 其耐磨性 。(2) 挤伤失效 密封材料因进入密封副界面而形成挤伤 。这也是活塞失效的主要原因 。在正常磨损失效之前 ,活 塞密封件很有可能因为挤伤而失效 。活塞与缸套形成一对动密封副 ,活塞钢芯与缸套之间留有一定的 间隙 ,以防止金属与金属对磨 。这一间隙随着缸套的磨损而增加 。活塞与缸套间的间隙在沿圆周不总是均匀一致的 ,泵安装找正时的偏差使活塞钢芯与 活塞皮碗不同心 ,在工作过程中动态应力会变得非 常严重 。这种不均匀的间隙 ,在其较大处 ,就为皮碗 提供了往里移动的空间 ,这种移动引起挤伤 。
11、挤伤 发生在皮碗的根部 。当活塞向前运动时 ,受挤的材 料逐渐被撕裂下来 ,这样的受挤和被撕裂 ,在活塞的 往复运动中发生 ,活塞很快丧失密封能力而失效 。 提高活塞寿命 ,从摩擦学的角度出发 ,单一地放 在提高胶料配方的耐磨性能上 ,效果不佳 。重点应在于如何防止挤伤现象发生 。2 延长活塞使用寿命的改进措施(1) 皮碗根部改进实际工作中的活塞 ,唇口部分在压力作用下会 产生向心效应 ,发生翘曲而没有贴紧缸壁 ,所以 ,其 应力值会大大减小 ,与此相反的是由于活塞总重量 、安装误差以及热效应等因素的影响 ,根部应力集中 的现象会更突出 ,所以 ,皮碗根部才是活塞最薄弱的 环节 ,由于聚四氟乙
12、烯塑料的自润滑性能 、强度 、耐 磨性 、耐热性都很好 ,而且与钢的摩擦系数低 ,所以 , 选择聚四氟乙烯塑料作根部加强材料 。本文采用三角形聚四氟乙烯塑料环效果良好 。 在排出过程中 ,聚四氟乙烯塑料护根环唇部的膨胀 速度等于或大于活塞皮碗根部的膨胀速度 ,因此 ,在活塞皮碗的根部形成一个与缸套紧贴的 、不留缝隙 的护根环 。当缸套内径因磨耗而增大时 ,在泵压的作用下 ,塑料扶根环的外径也增大 ,能自动补偿缸套 的磨损 。在吸入过程中 ,塑料护根环的收缩比皮碗快些 ,从而可以减少对缸套的磨损 。为了满足以上 要求 ,对塑料护根环的倾角和唇部厚度都作了专门设计 (图 1 为皮碗根部加强示意图
13、,图中虚线部分为 受压变形情况) 。图 1 皮碗根部加强示意图X1 护根环与缸套初始间隙 Y1 护根环最大厚度为了防止活塞皮碗挤入护根环与缸套壁之间的 间隙 ,必须满足以下条件 d Xn d Xrd td td Xn = d f ( p) - d f( F)式中 d Xr 塑料护根环唇部径向增加量 ; 156第 29 卷第 5 期泥浆泵活塞的失效分析及改进措施 王红阁 ,等Vol129No15证明当在 1525变化时 ,活塞的力学特性几乎不变 ,但是 ,倾角的变化影响向心效应 ,倾角 a 越大 , 向心效应越突出 ,所以 ,为了减小向心效应 ,把倾角 从 20改为 15。从理论分析知道 ,皮碗
14、尺寸突变 处 B 1 对活塞接触应力的变化影响不大 ,为此把 B 1移至 B 处 ,使皮碗与缸壁摩擦的接触面从交接处开 始带有一定的锥度 , 即 = 26, 这样整个皮碗都 带有一定的锥度 ,增加了皮碗自补偿能力 ,延长了活 塞正常磨损阶段 。改进后的皮碗结构如图 2 所示 。 改进后的活塞结构如图 4 所示 。d Xn 与护根环唇部交接处皮碗的径向增加量 ;d t 时间增量 ;F 活塞皮碗抵抗径向膨胀的收缩力 ;f 护根环抵抗径向膨胀的单位厚度收缩 力 ;p 泵压 。护根环与活塞皮碗交界面上的摩擦力等于径向 力乘以摩擦系数 ,再乘以 cos ,忽略这个阻力 ,则有d Xr = d f ( p
15、) + d f( F) - d f( f y)于是d f ( p) - d f( F) d f ( p) + d f( F) - d f( f y)- 2d f( F) - d f( f y)d f( f y) 2d f( F)式中y 护根环唇部厚度 ; 护根环倾角。图 3 改进后的钢芯不等式表明 : 护根环抵抗径向膨胀的单位厚度收缩力 f 与护根环唇部厚度 y 的乘积必须等于或小 于活塞皮碗抵抗径向膨胀的收缩力 F 的 2 倍 ,才能 很好地起到保护活塞皮碗的作用。计算表明 y =6138 mm , = 60较好 。改进后的三角形皮碗根部如 图 2 所示 。图 4 改进后的活塞结构3结语综上
16、所述 ,造成泥浆泵过早失效的根源在于磨 粒进入活塞密封面后引起的应力集中 ,减少磨粒进入量和避免高应力集中是提高泥浆泵使用寿命的有 效途径 。因此在实际工作中应注意 :(1) 活塞皮碗唇部和根部在工作时最容易出现 应力集中 , 改进皮碗唇部和根部结构 ,增大皮碗工作时的胀紧度 ,同进提高装配质量 。(2) 改进活塞结构 ,控制合理的间隙 ,减小活塞 根部应力集中 , 避免活塞根部过早挤伤失效 。参考文献 :图 2 改进后的活塞皮碗(2) 避免挤伤 、偏磨的改进 改进前的钢芯法兰为较长的圆柱面 ,由于其与缸套的配合面较长 ,很容易产生偏磨 ,为此 ,不得不 增加活塞间隙值以尽量避免偏磨的发生 。
17、但间隙值 增大 ,会使活塞根部极易被挤入间隙而造成挤伤破坏。进行如图 3 所示的改进 , 用大直径圆弧面 D F 代替圆柱面 D E 和倒角面 EF , 该大直径圆弧面 D F 在 D 处与原圆柱面 D E 相切 。在保证钢芯与活塞皮 碗配合特征不变的情况下 , 去掉了部分钢芯材料 。这部分材料容易与缸套发生偏磨 ,改进后的结构发 生偏磨的概率大大减小 ,也就减小了活塞根部挤伤发生的可能性 ,提高了缸套 、钢芯和皮碗三者的使用 寿命 。(3) 对皮碗唇部和尺寸突变处的改进 常用活塞皮碗的唇部倾角 通常为 20。理论张学平. 浅谈往复式隔膜泵中的泵阀 J . 煤矿机械 , 2005 , 26(1
18、0) :110 - 111 .1丁明. L40 钻机复式泵系统改造J .137 .桂艳. 高压往复泵泵阀设计研究J .21 .李新广. 泥浆泵的密封形式探讨J .118 - 119 .煤矿机械 ,2006 ,27 ( 1) :136 -2煤矿机械 ,2006 ,27 ( 9) :20 -3农机使用与维修 ,2006 ( 4) :4张金花. 泥浆泵防尘套橡胶模具的设计 J . 工艺装备 , 2002 ,45650 .5作者简介 : 王红阁 ( 1972 - ) ,女 ,河南舞阳人 ,1996 年毕业于河南科技大学机械专业 ,平顶山工学院讲师 ,主要从事机械专业的教学 与科研工作 ,发表论文多篇.收稿日期 :2007212218 157