一种立式机械驱动钻井泵的设计分析*

钟功祥，赵国文，吕志忠，胡 霞

(西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500)

1 引言

钻井泵是油田钻井机械的核心设备，其工作性能直接影响钻井作业效率。目前，我国使用的钻井泵主要是卧式机械驱动钻井泵。由于机械驱动钻井泵具有结构简单、可靠的优点，因而得到广泛使用。但卧式机械驱动钻井泵在现场使用过程中，普遍存在十字头、导板、活塞、缸套易磨损，曲轴主轴承盖与主螺栓易断裂，泵阀易损坏等问题。

为提高卧式机械驱动钻井泵易损件的工作寿命，国内研究者做了大量研究工作，使钻井泵易损件工作寿命得到明显提高。研究工作集中体现在对钻井泵局部结构的改进、加工工艺的改进和新材料的应用。

从钻井泵结构和受力分析可得出，由于卧式机械驱动钻井泵的十字头、柱塞、缸套均为水平布置，将不可避免地导致十字头、导板、活塞、缸套受结构件重力产生偏磨，曲轴主轴承盖与主螺栓受很大的交变载荷而常发生断裂［1－2］。为此，提高机械驱动钻井泵寿命和可靠性仅对钻井泵进行局部结构改进、加工工艺改进和新材料应用研究是不够的，应从结构布局上进行深入研究。

为了克服卧式机械驱动钻井泵的缺陷，国外成功研制出了立式凸轮机构六缸钻井泵［3－4］，但结构相当复杂;国内对立式机械驱动钻井泵研究很少，但立式曲柄连杆机构压缩机已广泛使用［5］。笔者经过多方案对比，提出一种立式机械驱动钻井泵结构—立式曲柄连杆机构钻井泵。

2 立式机械驱动钻井泵的结构和工作原理

2.1 结 构

和卧式机械驱动钻井泵一样主要由传动轴、曲轴、传动齿轮、大齿轮、十字头、介杆、活塞杆、活塞、缸套、泵阀、阀箱等组成。不同之处在于立式机械驱动钻井泵十字头、介杆、活塞杆、活塞、缸套均为垂直布置。为使泵排出压力和排量均匀，仍采用三缸单作用结构。

2.2 工作原理

立式机械驱动钻井泵的工作原理与卧式机械驱动钻井泵类似。其工作原理如图1所示。动力由传动轴输入，通过齿轮传动驱动曲轴上曲柄7以一定的角速度旋转，曲柄7驱动连杆6和十字头5，将曲柄7的旋转运动转变为十字头5的上下往复直线运动，十字头5再驱动活塞杆4和活塞3做上下直线运动。曲轴旋转一周，各活塞在垂直方向上往复运动一次，相应的吸入阀8和排出阀1也打开和关闭一次，钻井泵各缸完成一次吸入和排出钻井液的过程［6－7］。

图1 立式机械驱动钻井泵工作原理图

3 立式机械驱动钻井泵运动学和动力学分析

3.1 运动学分析

由图2所示的立式机械驱动钻井泵运动分析示意图，令连杆比 λ=R/L，可推导出活塞运动规律［8］，如下:

活塞位移:

活塞速度:

活塞加速度:

将式(1)、(2)、(3)与卧式机械驱动钻井泵活塞运动的位移、速度、加速度对比可以看出:立式机械驱动钻井泵与卧式机械驱动钻井泵活塞运动规律是完全一样的，说明立式机械驱动钻井泵具有与卧式机械驱动钻井泵相同的吸入、排出特性。

3.2 动力学分析

钻井泵动力学分析的主要目的是分析计算钻井泵主要零部件的受力，为分析计算钻井泵主要零部件的强度、刚度、磨损状况及泵的振动特性提供力学依据［9］。立式机械驱动钻井泵受力分析图如图3所示。

(1)泵压力p 实际作业中认为排出管压力表的平均读数为泵的排出压力，也称泵的工作压力，简称泵压pd［9］。对于泵的吸入和排出过程，泵压力在不同的曲柄转角范围内其值是不同的。泵压力p的表达式为:

(2)负荷作用力F1负荷作用力F1就是钻井液对活塞的作用力，其计算式为:

式中:A为活塞截面积，A=πD2/4;D为活塞直径。

图2 立式机械驱动钻井泵运动分析示意图

图3 立式机械驱动钻井泵 受力分析图

(3)摩擦力 摩擦力包括活塞与缸套间摩擦力Ff1、十字头和导板间摩擦力Ff2和各滚动轴承内的摩擦力［9］。因滚动轴承摩擦力很小，可忽略，主要以前两种为主。

活塞与缸套间摩擦力:

式中:f为活塞皮碗与缸套之间的动摩擦系数，一般取f=0.10;b为接触面轴向宽度，按SY5138－86标准制造的活塞皮碗b≈2十字头和导板间摩擦力:

式中:f2为十字头与导板间钢对钢或钢对铸铁在边界摩擦条件下的动摩擦系数，一般取f2=0.10，F3x为十字头对导板的正压力［9］。

(4)质量力，包括构件自重和惯性力 惯性力的大小与构件的质量与它的加速度成正比，与外载无关［9］。

为了简化动力学分析，现在把机构往复运动零件的质量总和设为m2，m2包括活塞、活塞杆、十字头、十字头销、连杆部分质量的质量总和，综合质量的质心在十字头销中心B点上。把旋转部分的质量总和设为m1，m1包括曲拐、曲柄和连杆大部分质量的质量总和，为了便于分析计算，假设全部的旋转质量都集中于图3中的曲柄O点上。

针对m2的往复惯性力为:

(5)曲柄连杆机构各节点受力 根据图3所示的力学分析图容易得出各节点受力如下:

十字头销中心B点上所受的综合力F2为:

十字头对导板的正压力F3x:

连杆受力F3:

曲柄销A点的径向力FR:

曲柄销A点的切向力FT为:

曲柄切向力矩MT:

由式(4)～(15)可计算出单个曲柄连杆机构的各节点受力。结合泵整体结构，容易推出曲轴、大齿轮、传动齿轮、传动轴等部件受力。

由式(6)和式(7)可以看出，立式机械驱动钻井泵活塞与液缸、十字头与导板间的摩擦力不受结构件重力的影响。显然，与卧式机械驱动钻井泵相比，立式机械驱动钻井泵的活塞与液缸、十字头与导板寿命将明显提高。

由曲柄连杆机构受力分析图可以看出，立式机械驱动钻井泵曲轴承受负载的受力总体方向是指向地面的，结构上容易实现曲轴主轴承负荷由机壳承受，而不是像卧式机械驱动钻井泵曲轴主轴承负荷主要由曲轴轴承盖和主螺栓承担，从而可明显提高曲轴主轴盖和主螺栓寿命。

4 结语

本文所提出的立式机械驱动钻井泵具有与卧式机械驱动钻井泵相同的结构组成、工作原理及运动特性，而活塞与液缸、十字头与导板间的摩擦力不受结构件重力的影响，且结构上容易实现曲轴主轴承负荷由机壳承受。因而，所提出的立式机械驱动钻井泵，一方面保留了卧式机械驱动钻井泵动力端总体可靠性和吸排出特性;另一方面可显著提高钻井泵易损件寿命、减少工作过程中故障的发生，提高钻井泵工作效率。所提出的立式机械驱动钻井泵由于结构紧凑、占地面积小，较卧式机械驱动钻井泵更适合海上钻井作业对设备的要求。显然，立式机械驱动钻井泵具有广泛的应用前景。

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