CN102094780A - 液压泥浆泵 - Google Patents

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刘晓敏
武永强
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本发明涉及一种泥浆泵,具体地说是一种适用于地质勘测、油气田开采、特种钻探等岩土工程施工的液压泥浆泵。它包括能量转化机构,换向机构和做功机构,所述的能量转换机构为:由恒功率变量柱塞泵接受外界原动机提供的能量,转化为系统所需的液力能;所述的换向机构由两位四通电磁换向阀、行程开关以及推杆构成;所述的做功机构由同轴三活塞的单活塞杆,单液压油缸以及布置在液压油缸左右两端带有单向阀的两个工作液缸组成。其主要特点在于使用恒功率柱塞泵作为能量转换装置,能提供较高的工作压力,耗能低;液压缸输出工作液体排量不均度接近0值;液压缸有多种组合方式,可输出多种流量;结构紧凑,体积小,重量轻。

Description

液压泥浆泵
技术领域
本发明涉及一种泥浆泵,具体地说是一种适用于地质勘测、油气田开采、特种钻探等岩土工程施工的液压泥浆泵。
背景技术
泥浆泵是在钻探过程中,向钻孔输送泥浆或水等冲洗液的机械。泥浆泵是钻探机械设备的重要组成部分。目前常用的泥浆泵大都为机械驱动形式,由柴油机带动皮带轮旋转,然后皮带轮带动泵的曲轴回转,曲轴通过十字头拉动活塞或柱塞在泥浆泵泵缸中做往复运动。在吸入和排出阀的交替作用下,实现压送与循环冲洗液的目的(见图1)。由于单活塞缸单作用输出流量不均度过大,其值为3.14,没有实用意义,故现实生产中常设计为三缸单作用输出形式。曲轴制作出三个偏心拐,三曲柄相位差120°,排量不均度为0.141,较单缸单作用流量输出平稳。
由于传动机构自身的缺陷,类似泥浆泵存在诸多问题,分列如下:
1.泵体设计尺寸和重量较大,难以适应现代轻便钻机的要求,制约着钻机的移运性。
2.冲程短,冲次高。泥浆泵在高速冲次范围内工作,致使泵套和液力端寿命缩短,可靠性不高。
3.泵压偏低,不能完全满足现代钻井工艺的需要。
4.柴油机输出功率大,能耗高。
具体分析如下:
1.常用泥浆泵活塞冲程为200~300mm,冲次为120冲~165冲/min,因受曲柄滑块机构的限制(见图2,冲程H=2r),如增加冲程量必将导致曲轴设计尺寸增大,进而整体重量增加。为了满足实际工况中排量的需要,只能加大冲程次数,泥浆泵在高速冲次范围内工作,导致活塞与缸套之间的摩擦热增加,易损件如活塞密封、缸套等的使用寿命减少,难以满足钻机可靠性和高效率的要求。
2.结合图3进一步分析,考虑曲柄OB,沿OB1-OB2-OB3旋转时,活塞压出冲洗液,作有用功。其中机构传动角γ在
Figure BSA00000425815400021
范围内作周期变化,OB1,OB3为γmax位置,故由Fn=Fsinγ可知,力的输出存在波动性。三缸往复式泥浆泵中三曲柄间隔120°,当OB处于最小传动角时,OA、OC均未进入有效做功位置,此亦影响输出压力的平稳性,脉动增大,输出流量不均匀。
3.假定负载不变,当γ=γmin时,为保证Fn≥F,原动机设计功率应足够大以满足最小传动角时的需要,当γ≠γmin时,功率反而过大造成浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种输出平稳、泵压高的液压泥浆泵。
本发明包括能量转化机构,换向机构和做功机构,所述的能量转换机构为:由恒功率变量柱塞泵接受外界原动机提供的能量,转化为系统所需的液力能;所述的换向机构由两位四通电磁换向阀、行程开关以及推杆构成,两位四通电磁换向阀接出两油管分别连接油缸左右腔,推杆设置在活塞杆上两侧,行程开关布置于活塞杆左右端;所述的做功机构由同轴三活塞的单活塞杆,单液压油缸以及布置在液压油缸左右两端带有单向阀的两个工作液缸组成。
液压油缸内腔直径大于工作液缸内腔直径。
单工作液缸通过设置单向阀及油口数量,与活塞杆结合可形成单缸单作用或单缸双作用的两种工作形式。
所述的单缸单作用形式为工作液缸有杆腔或无杆腔其中之一腔接入吸液口和出液口两个油口,吸液管道和出液管道分别设置单向阀,即单缸两个油口,进出管道两个单向阀;所述的单缸双作用形式为工作液缸有杆腔和无杆腔两腔均接入吸液口和出液口两个油口,吸液管道和出液管道分别设置单向阀,即单缸四个油口,进出管道四个单向阀。
液压油缸采用单缸连接或多缸并联连接,各单缸进出油路均连至系统输入输出主油路上。
本发明与现有技术相比较有如下优点:
1.新型泵采用恒功率柱塞泵作为能量转换机构,其特有的压力补偿变量机制可在外载变动引起泵压变化时,输出流量自动作出相应调整,而泵的输出功率保持恒值(见图4,5),变量特性曲线近似双曲线。而传统泥浆泵为满足外载变化时的工况需要,只能按最大功率配置原动机,因此新型泵可较大程度节省能耗,保守估计可节约50%。
2.新型泵采用液压油缸驱动工作液缸吸入排出冲洗液。油缸中活塞行程可根据输出流量要求选择800~1200mm,冲程增加,冲数减小,由此可降冲减少惯性损失,改善泵的自吸性能,提高易损件使用寿命,从而大大提高泥浆泵的可靠性。
3.新型泵采用单缸双出杆做功方式,往复式流量输出,消除无用行程,活塞做功更为高效,输出压力平稳,且冲程长,脉动减少(见图6、7)。输出流量不均度接近0值,较传统泵的三缸单作用形式,输出流量平稳性更为理想。
4.工作液缸与液压油缸利用双作用增压器原理构成增压回路,活塞不断往复运动,两端交替输出高压油,实现了连续增压。
5.液压油缸可并联多个,在基本工作方案的基础上可配置成多种输出形式,流量选择空间增加,工作方案更为多样化。
6.新型泵选用技术成熟、标准通用的液压泵,液压阀及液压附件,制造技术完善,通用化,标准化程度高。同时液压系统本身所具有的过载保护,易调压,无级调速等优点亦可得到较好体现。同时由于采用液压技术,原有的设计尺寸减小,新型泵的整体重量可大幅度降低。新型泵采用的液压传动与传统机械传动相比,传动链短,摩擦副少,效率可以得到有效提高。
7.实例计算:
传统泥浆泵如山东某厂生产NF-1300型(部分参数见图8),其中额定压力p0=34.5Mpa在实际生产中为较高泵压。恒功率柱塞泵额定压力设为31.5Mpa。新型泵设计输出压力等于P0,油缸与工作液缸(见图8)中,S0P0=S1P1,输入输出面积比为
Figure BSA00000425815400041
满足较高泵压。
恒功率柱塞泵的变量特性曲线见图5b,,其阴影表示特性调节范围。为尽可能在高压时减少流量损失,选择A2B2C2D2特性曲线变化。由功率计算公式:
Figure BSA00000425815400042
其中Q=流量(L/min),ΔP=压差(Mpa),ηt为总效率,ηt=ηv·ηm,ηv、ηm分别为容积效率和机械效率,ηv=0.85,ηt=0.81。
代入最大流量选择Qmax=23.6L/s,最大压力选择P=12.6Mpa(P1=31.5Mpa)得:
P = Q · ΔP 60 · η t = 26.3 × 60 × 40 % × 31.5 60 × 0.81 = 409.11 KW
由于功率恒定,得:
P=409.11KW 最大压力P0=34.5Mpa时,流量Q=10.52L/s;
最大流量Qmax=23.6L/s时,压力P=12.6Mpa。
可满足传统泥浆泵NF-1300型的工况要求。
新旧泵的功率必较:
Figure BSA00000425815400044
节省功率61.04%。
综上说所述,新型泵与传统泵在动力、结构和控制上均有较大区别。许多人曾担心的液压漏油、使用寿命等问题,随着液压技术在诸如工程机械、冶金机械、航天等许多领域的不断进步,现已有比较理想的解决办法,完全可以应用于钻井设备。新型泵的推广使用可大大节约企业生产成本,同时也积极响应了国家节能减排的政策要求,有着不可低估的经济效益和社会效益。
附图说明
图1传统泥浆泵工作原理示意图;
图2曲柄滑块机构示意图(曲轴AB旋转作动力输出,为AB长度,H为活塞冲程);
图3三缸作用三曲柄工作示意图(OA、OB、OC为三缸往复作用曲柄,γ为传动角。连杆BD(或AD、CD)对活塞作用力为F,Ft,Fn为其在水平与垂直方向上的分力。);
图4恒功率柱塞泵液压原理图;
图5恒功率柱塞泵变量特性曲线;
图6新型泵的压力、时间特性曲线图;
图7传统泵的压力、时间特性曲线图;
图8NF-1300型泥浆泵部分参数;
图9油缸与工作液缸设计示意图;
图10新型泥浆泵液压原理图(工作液缸单缸双作用);
图11新型泥浆泵液压原理图(工作液缸单缸单作用);
图12新型泥浆泵液压原理图(双联液压油缸组);
图13新型泥浆泵液压原理图(三联液压油缸组);
图14新型泥浆泵外形示意图。
图中:1.溢流阀,2.恒功率液压柱塞泵,3.原动机(柴油机),4.两位四通电磁换向阀,5.行程开关,6.行程开关,7.工作液缸,8.油缸,9.工作液缸。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
本发明包括能量转化机构,换向机构和做功机构,所述的能量转换机构为:由恒功率变量柱塞泵2接受外界原动机3提供的能量,转化为系统所需的液力能;所述的换向机构由两位四通电磁换向阀4、行程开关5、6以及推杆构成,两位四通电磁换向阀4接出两油管分别连接油缸8左右腔,推杆设置在活塞杆上两侧,行程开关5、6布置于活塞杆左右端;所述的做功机构由同轴三活塞的单活塞杆,单液压油缸8以及布置在液压油缸左右两端带有单向阀的两个工作液缸7、9组成。
根据实际工况流量的需求,可在基本工作方案的基础上配置液压油缸的数目或工作液缸的作用形式,以得到双联或多联等多种输出流量的工作方案。具体描述如下:
单工作液缸通过设置单向阀及油口数量,与活塞杆结合可形成单缸单作用或单缸双作用的两种工作形式。油路布置为:单缸单作用形式为工作液缸有杆腔或无杆腔其中之一腔接入吸液口和出液口两个油口,吸液管道和出液管道分别设置单向阀,即单缸两个油口,进出管道两个单向阀;单缸双作用形式为工作液缸有杆腔和无杆腔两腔均接入吸液口和出液口两个油口,吸液管道和出液管道分别设置单向阀,即单缸四个油口,进出管道四个单向阀。
液压油缸有单缸和多联两种形式。单缸形式由单油缸、单根双出活塞杆构成;多联形式由两个或两个以上的多个液压油缸、两根或两根以上的多根双出活塞杆并联构成。特征为:液压油缸以并联形式连接,各单缸进出油路均连至系统输入输出主油路上。
两个工作液缸、单液压油缸、单根双出活塞杆组成新型泥浆泵做功机构的基本工作方案。基本工作方案有两种形式。具体特征为:
液压油缸内腔直径大于工作液缸内腔直径。
工作液缸两种工作方式,分别组成单缸双出杆双作用系统、单缸双出杆四作用系统两种形式。
在基本工作方案的基础上配置多联工作方案,选择确定两个参数,即:
并联液压油缸数值A,A={1,2,3,4}。
工作液缸作用数值B,B=Ac,{2,4}。
选定参数得到工作方案:A联B作用,例如单联双作用、单联四作用、双联四作用、双联八作用、三联六作用、三联十二作用等等。
恒功率液压柱塞泵2与原动机3连接,溢流阀1作安全阀。两位四通电磁换向阀4接出两油管分别连接油缸8左右腔,工作时,两位四通电磁换向阀4左位为初始位置,压力油进入两位四通电磁换向阀4左位,继续流出进入油缸8右腔,活塞及活塞杆左移,工作液缸7、9右腔吸液,左腔排液,工作液缸7、9做功行程结束时,活塞杆左侧推杆触动行程开关5,两位四通电磁换向阀得电,工作位换为右位;此时压力油经右位进入油缸8左腔,活塞及活塞杆右移,工作液缸7、9右腔排液,左腔吸液。工作液缸做功行程结束时,活塞杆右侧推杆触动行程开关6,两位四通电磁换向阀失电,在弹簧的作用下,两位四通电磁换向阀4工作位换为左位,压力油进入油缸8的右腔,一次循环结束。

Claims (5)

1.一种液压泥浆泵,包括能量转化机构,换向机构和做功机构,其特征在于所述的能量转换机构为:由恒功率变量柱塞泵接受外界原动机提供的能量,转化为系统所需的液力能;所述的换向机构由两位四通电磁换向阀、行程开关以及推杆构成,两位四通电磁换向阀接出两油管分别连接油缸左右腔,推杆设置在活塞杆上两侧,行程开关布置于活塞杆左、右端;所述的做功机构由同轴三活塞的单活塞杆,单液压油缸以及布置在液压油缸左右两端带有单向阀的两个工作液缸组成。
2.如权利要求1所述的液压泥浆泵,其特征在于液压油缸内腔直径大于工作液缸内腔直径。
3.如权利要求1所述的液压泥浆泵,其特征在于单工作液缸通过设置单向阀及油口数量,与活塞杆结合可形成单缸单作用或单缸双作用的两种工作形式。
4.如权利要求3所述的液压泥浆泵,其特征在于所述的单缸单作用形式为工作液缸有杆腔或无杆腔其中之一腔接入吸液口和出液口两个油口,吸液管道和出液管道分别设置单向阀,即单缸两个油口,进出管道两个单向阀;所述的单缸双作用形式为工作液缸有杆腔和无杆腔两腔均接入吸液口和出液口两个油口,吸液管道和出液管道分别设置单向阀,即单缸四个油口,进、出管道四个单向阀。
5.如权利要求1所述的液压泥浆泵,其特征在于液压油缸采用单缸连接或多缸并联连接,各单缸进出油路均连至系统输入输出主油路上。
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