新型三缸泥浆泵系统设计及关键零部件分析

摘要

泥浆泵是以高压向井底输送高粘度、大比重和含砂量较高的钻井液，用以冷却钻头，冲刷井底及破碎岩石，并从井底返回时携带岩屑，是地质和矿下钻探作业的重要工艺设备之一。泥浆泵结构和性能的可靠性、适应性以及使用寿命直接影响着钻井质量的好坏。
　　本文以三缸泥浆泵为研究对象，进行了方案设计，实现了泥浆泵建模和虚拟装配，通过泥浆泵运动学分析对优化的结构进行了验证，最终进行了泥浆泵主要承载零件的承载能力研究和模态分析。具体研究如下:
　　首先，根据国内外泥浆泵的发展状况，以及目前泥浆泵存在的问题，进行了新型三缸泥浆泵系统的方案设计:偏心轮和支撑轴分开制造，且偏心轮支撑轴为直轴，替代曲轴;将原曲轴结构时连杆与曲颈之间的剖分式滑动轴承，更换为圆柱滚子轴承，提高负载能力和使用寿命;采用低速大扭矩液压马达直接驱动偏心轮支撑轴驱动偏心轮转动，带动柱塞往复运动，简化系统结构，降低制造成本;实现了泵站动力源和泵体的快速连接与拆卸。
　　其次，利用Pro/E软件对泥浆泵所有零件进行三维建模并进行模拟装配，之后再利用ADAMS软件对泥浆泵进行运动学分析，由此可知泥浆泵的主要结构尺寸设计合理，柱塞位移空间满足设计要求，连杆摆角小，柱塞及连杆的速度和加速度均较低，动载荷小。
　　再次利用ANSYS对泥浆泵主要承载零件，如:偏心轮支撑轴、十字轴、连杆、箱体做强度、刚度分析，指导尺寸优化设计。
　　最后，对箱体进行模态分析。由模态分析结果可知，前6阶为箱体自由状态下模态激励下的刚体模态，箱体本身不变形、不发生振动，只是在模态分析的激励作用下发生刚体移动和刚体转动，所以其模态频率值近均为0;7、8、9阶为箱体的振动模态，第7阶模态频率249.94Hz为箱体的最低共振频率，由泵次n≈235次/分钟可知，包括驱动源和传动系统在内的整个泥浆泵系统振动激励源频率均远小于249.94Hz，所以不会发生箱体共振，箱体结构设计合理。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 泥浆泵发展现状

1．2．1 国内泥浆泵的发展现状

1．2．2 国外泥浆泵的发展现状

1．3 泥浆泵分类及工作原理

1．3．1 泥浆泵分类

1．3．2 泥浆泵工作原理

1．4 课题研究的意义

1．5 本课题主要研究内容

1．6 本章小结

第二章 新型三缸泥浆泵的系统分析和结构设计

2．1 引言

2．2 新型三缸泥浆泵的系统组成和工作原理

2．2．1 新型三缸泥浆泵系统组成

2．2．2 新型三缸泥浆泵工作原理

2．2．3 新型三缸泥浆泵优点

2．3 新型三缸泥浆泵的主要参数计算

2．3．1 运动分析

2．3．2 活塞杆上的作用力

2．4 新型三缸泥浆泵典型零部件介绍

2．4．1 十字轴

2．4．2 箱体

2．4．3 活塞杆

2．4．4 连杆

2．4．5 偏心轮

2．4．6 轴

2．5 各零部件虚拟装配及动力学分析

2．5．1 主要参数

2．5．2 运动学分析

2．5．3 运动学分析结果

2．5．4 力学分析

2．6 本章小结

第三章 泥浆泵关键零部件有限元模型建立及静力学分析

3．1 有限元法概述

3．1．1 有限元法的发展过程

3．1．2 有限元法的基本思想及分析过程

3．2 有限元分析软件ANSYS介绍

3．2．1 ANSYS的功能介绍

3．2．2 ANSYS软件的技术特点

3．2．3 ANSYS的组成

3．3 ANSYS软件对主要承载零件的强度、刚度分析

3．3．1 偏心轮支撑轴

3．3．2 十字轴

3．3．3 连杆

3．3．4 箱体

3．4 本章小结

第四章 泥浆泵箱体的模态有限元分析

4．1 引言

4．2 多自由度体系的模态分析理论

4．2．1 多自由度体系的实模态理论

4．2．2 多自由度体系的复模态理论

4．3 泥浆泵箱体模态分析

4．3．1 箱体模型的建立

4．3．2 实体模型的导入

4．3．3 建立有限元模型

4．4 模态分析结果

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢