专利名称：四缸单作用容积式柱塞泵的制作方法
技术领域：
本实用新型为应用于石油天然气钻井工业和矿山工业用的四缸单作用容积式柱塞泵。
背景技术：
泥浆泵是由动力传动部分和产生高压液体的液力部分组成的机器，请参照图1，机 器包括有动力端100和液力端200。动力端部分将驱动扭矩的旋转运动通过曲轴连杆十字头传动机构转换为活塞6 的直线运动，图1中示出了动力部分的曲轴1、大齿圈2、齿轴3、连杆4及十字头5的位置。活塞6的直线运动将能量传递给液力端压缩泥浆生成高压流体，该液力端一般由 进口岐管9、液力模块10、出口岐管13和蓄能器12组合构成，一般在出料口还设有出料十 字过滤器11。过去几十年来，石油天然气钻井用泥浆泵技术没有改进。目前世界范围内泥浆泵 主要采用三缸泵。但三缸泵存在以下缺点三缸泵设计用曲轴将旋转运动和扭矩转换成线性运动，推动活塞做功。活塞的做 功继而传递给液力端的液力模块。液力模块用螺栓连接安装在泥浆泵箱体前板上。箱体前 板因而承受来自箱体的拉伸力及液力端重量造成的弯矩，这个拉伸力及弯矩又延伸到箱体 的侧板传递给曲轴上的两个支撑轴承上，致使箱体象呼吸一样周期性扭曲，使箱体随着泵 的每一个冲程遭受周期性的疲劳损伤。在图2中r:曲轴凸轮的旋转半径；L 连杆长度；f:来自液力端作用在曲轴上的力；f = β SIN(a - θ )/C0S θβ是与衬套尺寸和泵出口压力相关的一个常量。以上公式表明作用在曲轴上每一个凸轮上的力是一个周期性变化的正玄波曲线。 由于三个凸轮相对偏移120度，因此这个正玄波曲线在每个凸轮上延迟120度。这些力作 用在泵箱体前板上，并通过泵箱体的两边侧板周期性地传递到曲轴的支撑轴承座。泵会发生下列损坏1.泵前板和箱体往往遭受断裂；2.由于来自液力端的周期性拉伸力，箱体侧板在曲轴轴承座周围和齿轮轴承座周 围发生断裂，参照图3 (箭头方向及位置)；3.安装液力模块的螺栓13拉断或屈服，参照图4 ；4.随着螺栓的屈服，液力端模块与出口岐管之间的压缩密封失效；5.目前市场上的所有泥浆泵均采用相同的传统设计，即，将曲轴的支撑轴承布置 在曲轴的两端，所有负载均在支撑轴承之间的三个连杆处。对于采用传统设计泥浆泵，支撑轴承之间的距离必须能够容纳所有连杆及其间距，因此中间的连杆就必然远离任何一端的 支撑轴承。作用在曲轴上的各个力的动量与该力及其力臂成正比。中间的连杆施加在曲轴 的力矩很大，致使曲轴弯曲，周期性的反复弯曲使曲轴遭受疲劳损害。6.出口岐管由于每一冲程的冲击造成液力模块活动而遭受冲蚀。参照图4。高压 出口岐管与液力模块之间靠压缩0型圈来密封。当模块与出口岐管间的保持螺栓13松动， 密封0型圈的压缩力失去，那么出口岐管的密封便失效。7.泥浆泵箱体侧板为应力支撑点，使得泵箱体遭受严重的扭曲应力。每一冲程泵 体沉重呼吸，周而复始，因而要求泵的设计笨重。参照图5。8.曲轴轴承15和驱动齿轮轴轴承16是由箱体侧板支撑的。作用在齿轮轴和曲轴 上的支撑点跨度很大，造成严重的弯曲变形，导致曲轴的疲劳损坏和断裂。参照图6。9.沉重的液力端200挂在泵箱体的外面，使箱体遭受更大的应力。每一冲程模块 均被往前推。使安装螺栓不仅承受巨大的前推力，而且还需承受沉重的液力端重量；参照图 7。10.出料十字过滤器11和蓄能器安装在出料岐管一端，造成重量极端不平衡分布 及高压流体出口不平衡，这个不平衡造成出口流体中的脉冲波动传递到主立柱，蓄能器的 作用受其下方的十字过滤器限制，参照图8。
发明内容本实用新型的目的是提供一种使用效果好的四缸单作用容积式柱塞泵，该设计方 案使泵运行平稳，消除出口流体脉冲，结构更坚固，同时能够减轻泵的重量。为实现上述目的，本实用新型采取以下设计方案本实用新型所述的四缸单作用容积式柱塞泵，由动力端和液力端两部分组成，所 述的动力端由曲轴连杆十字头传动机构和活塞组合构成；所述的液力端由进料岐管、液力 模块、出料岐管和储能器组合构成；该柱塞泵采用四缸传动结构，所述动力端的曲轴连杆十 字头传动机构对应带有四个凸轮，将四个凸轮设置成相对偏移为90度；将曲轴支撑轴承设 计在两两凸轮之间；将液力端模块安装在泥浆泵的箱体内，高压液体出口设置在泵的中心 线上；出口处设一对储能器，两蓄能器对称于泵中心线。将泵结构支撑可以设计为短支撑结构且近中心线设置。两个储能器对称布置。在柱塞泵的中心线上设置出料岐管及出口过滤器。本实用新型的优点是泵运行平稳，出口流体无脉冲，泵的结构坚固，同时大大减 轻了泵的重量。
图1为现有三缸泥浆泵的结构构成示意图。图2为现有的三缸单作用容积式柱塞泵曲轴上每一个凸轮上的受力示意。图3为现有的三缸泥浆泵受来自液力端的周期性拉伸力导致箱体侧板在曲轴轴 承座周围和齿轮轴承座周围发生断裂情况的参考示意。图4为现有泥浆泵出口岐管端可能发生受损的示意。图5为现有泥浆泵箱体以侧板为支撑的示意图。[0036]图6为现有泥浆泵曲轴轴承和驱动齿轮轴轴承位置示意图。图7为现有泥浆泵液力端挂在箱体外面示意图。图8为现有泥浆泵出料十字过滤器和蓄能器安装位置示意图。图9为本实用新型四缸单作用容积式柱塞泵结构示意图(俯视)。图IOa为四缸单作用容积式柱塞泵曲轴结构示意图(主视)。图IOb为四缸单作用容积式柱塞泵曲轴结构示意图(侧透视)。图11为四缸单作用容积式柱塞泵的轴承支撑示意图。图12为四缸单作用容积式柱塞泵的支撑结构示意图。图13a为四缸单作用容积式柱塞泵的储能器布置示意图(主视)图13b为四缸单作用容积式柱塞泵的储能器布置示意图(侧视)
以下结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细说明
具体实施方式
参见图9，本实用新型四缸单作用容积式柱塞泵亦由动力端和液力端两部分组成， 该泥浆泵采用四缸泵结构式，故所述动力端对应带有四个凸轮。本实用新型四缸单作用容积式柱塞泵的一大改进点是首先，将四曲轴对应的四个凸轮设置为两对，每对凸轮中两凸轮相对偏移为180 度，参见图10a、图10b，本实施例中，四个凸轮21、22、23和24分成两对组，设置每对的两凸 轮相对偏移为180度(即凸轮21与凸轮22两凸轮相对偏移为180度；凸轮23与凸轮24 两凸轮相对偏移为180度)，而凸轮21 (凸轮22)与凸轮23 (凸轮24)偏移90度(即四个 凸轮设置成相对各偏移为90度)，使曲轴和箱体上的作用力以负叠加平衡。其次，参见图10a，将曲轴支撑轴承101设计在两对凸轮的中间，亦即将曲轴支撑 轴承一个设计在第一凸轮21和第二凸轮22之间，另一设计在第三凸轮23和第四凸轮24 之间，使高负载传递出的动量降到可能的最小水平。因为每个凸轮都靠近轴承，而每个轴承 上任何瞬时只承受一个凸轮的负载。 参见图11，缩短驱动轴和曲轴的支撑轴承102与103之间的距离，从而减小驱动轴 和曲轴的弯曲变形，改善作用在十字头上的力的方向与运动方向的一致性。泵因而能够运 行的更平稳，并且使所有零部件(例如各轴承、导向板和十字头等)上的磨损减少。参见图12，将泵结构支撑300设计得较短且接近中心线，使得本实用新型四缸单 作用容积式柱塞泵的结构更坚固，因而在承受相当的负荷条件下，箱体的重量可大大减轻。第三，将液力端模块201安装在四缸单作用容积式柱塞泵的箱体内，使得液力端 不再是泵箱体的薄弱点，并且维修、安装方便。尤其在钻井现场替换液力模块，传统的三缸 泵必须拆掉液力端200的几乎所有部件，才能替换一个模块。而本实用新型仅需拆卸6个 螺栓即可替换模块。第四，出口处设二个储能器202，参见图13a、图13b所示，该两个储能器相互对称 布置；在泵的中心线上设置出口过滤器203，参见图13a所示；设计两个储能器对称布置，可 以改善出口脉冲，使出口流体及泵运行更加平稳。将出口过滤器设置在泵中心线上可使出 口泥浆流动平稳。上述各实施例可在不脱离本实用新型的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本实用新型的申请专利范围。 通常，泥浆泵(三缸泵)在运行时振动很厉害，该振动主要来自于随泵的每一冲程 周期性流体脉冲。而本实用新型几台四缸单作用容积式柱塞泵的实验运行表现得非常平 稳，在高压出口软管到钻井台沿线观察不到任何振动。而且无论连杆上的负荷多大，十字头 和滑板的运行温度(约30°C)不变，证明摩擦极小。四缸泵在输入驱动功率为零，50%和 100 %的不同工况时，未见应力迹象，也未观察到对工况改变产生明显的反应，表明泵箱体 结构非常稳定。
权利要求一种四缸单作用容积式柱塞泵，由动力端和液力端两部分组成，所述的动力端由曲轴连杆十字头传动机构和活塞组合构成；所述的液力端由进料岐管、液力模块、出料岐管和储能器，十字过滤器组合构成；其特征在于该柱塞泵采用四缸传动结构，所述动力端的曲轴连杆十字头传动机构对应带有四个凸轮，将四个凸轮设置成相对偏移为90度；将曲轴支撑轴承设计在每对凸轮中的两个凸轮之间；将液力端模块安装在四缸单作用容积式柱塞泵的箱体内，出口处设两个储能器。
2.根据权利要求1所述的四缸单作用容积式柱塞泵，其特征在于将泵结构支撑设计 为短支撑结构且近中心线设置。
3.根据权利要求1所述的四缸单作用容积式柱塞泵，其特征在于所述的两个储能器 对称于泵中心线布置。
4.根据权利要求1所述的四缸单作用容积式柱塞泵，其特征在于在柱塞泵的中心线 上设置出料岐管及出口过滤器。
专利摘要本实用新型公开了一种一种四缸单作用容积式柱塞泵，由动力端和液力端两部分组成，所述的动力端由曲轴连杆十字头传动机构和活塞组合构成；所述的液力端由进料岐管、液力模块、出料岐管和储能器，十字过滤器组合构成；其特征在于该柱塞泵采用四缸传动结构，所述动力端的曲轴连杆十字头传动机构对应带有四个凸轮，将四个凸轮设置成相对偏移为90度；将曲轴支撑轴承设计在每对凸轮中的两个凸轮之间；将液力端模块安装在四缸单作用容积式柱塞泵的箱体内，出口处设两个储能器，高压出口设置在泵的中心线上。其使用效果好，该设计方案使泵的结构更坚固，同时能够减轻泵的重量。
文档编号F04B1/16GK201650635SQ20102013583
公开日2010年11月24日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者周珮, 白舒恩 申请人:白舒恩;周珮