CN113700645A - 一种钻井泵中间法兰和机架连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井泵中间法兰和机架连接结构，涉及石油工程设备领域，具体涉及一种钻井泵中间法兰和机架连接结构，包括中间法兰、压板、M12螺栓、机架、O形密封圈，机架和中间法兰的相互位置要求高的定位面均一次性安装加工，精度高，机架和中间法兰用圆周上的O形密封圈密封，这样的一种钻井泵中间法兰和机架连接结构能够非常好地保证中间法兰的内孔的轴心线与机架的十字头滑道孔轴线高的同轴度精度，非常好地保证中间法兰的端面与机架的十字头滑道孔轴线高的垂直度精度，延长了中间杆密封圈寿命，避免了缸套腔的泥浆水渗透到十字头腔和十字头腔的润滑油渗透到缸套腔的老大难问题。

Description

一种钻井泵中间法兰和机架连接结构

技术领域

本发明涉及石油工程设备领域，具体涉及一种大功率钻井泵中间法兰和机架连接结构。

背景技术

钻井泵和汽车的运动机构虽然都属于曲轴连杆机构，曲轴的连杆轴颈与连杆大头孔配合，通过连杆作平面运动，将曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动，但连杆小头与活塞的连接方法差别很大：汽车的活塞速度很高，活塞力小，连杆小头直接与活塞连接，活塞既有轴向力，活塞还对缸套有侧压力；钻井泵活塞速度很低，活塞力很大，钻井泵的连杆小头不能与活塞直接连接，2200hp以上大功率钻井泵的连杆小头孔中心与活塞连接面的距离达到1150mm以上，连杆小头孔与十字头销连接，十字头端面与中间杆连接，中间杆与活塞杆连接，活塞杆与活塞连接，这样设计的目的是：十字头把活塞的对缸套的侧压力转移到十字头对十字头滑道的侧压力，活塞只受到轴向力，延长活塞缸套的使用寿命；便于更换缸套活塞。因此钻井泵机架分成了十字头腔和缸套腔。十字头腔要对曲轴、连杆、十字头之间的摩擦副采用润滑油润滑，缸套腔对缸套活塞摩擦副采用水冷却的方法，其中与十字头和活塞杆连接的中间杆在十字头腔和缸套腔之间运动，这样的结构就存在十字头腔和缸套腔的水（有泥浆，因此简称泥浆水）和油不能互相渗漏，因此在两个腔之间必须设计中间杆密封结构。

但现实存在着中间杆密封圈寿命很短，经常出现缸套腔的水（带有泥浆）渗透到十字头腔，严重污染润滑油，还出现十字腔的润滑油渗透到缸套腔的现象。

对于2200hp以上大功率钻井泵中间杆密封圈内孔尺寸100mm到120mm之间，中间杆密封圈座外圆尺寸是140mm到160mm之间，机架的十字头腔与缸套腔之间连接孔不是一个整圆，是一个腰形孔，因此必须要有一个零件，这个零件的外部与机架的腰形孔配合，内孔与中间杆密封圈座外圆配合，端面与中间杆密封圈座端面配合，这个零件便是中间法兰，主要功能是确保缸套腔的泥浆水不能渗漏到十字头腔内。

经过分析，产生中间杆密封圈寿命短，缸套腔的泥浆水渗透到十字头腔和十字头腔的润滑油渗透到缸套腔的重要原因是与中间法兰与机架的连接结构不恰当有关，使中间法兰内孔与十字头腔的十字头滑道内孔的轴线不同轴度误差大引起的，因此设计一种大功率钻井泵中间法兰和机架连接结构便成了亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种大功率钻井泵中间法兰和机架连接结构。

本发明的技术方案如下：

分析中间法兰内孔与十字头腔的十字头滑道孔轴线同轴度误差大的原因，然后采取相应的对策。

一、 发明前对比中间法兰内孔与十字头腔的十字头滑道孔轴线同轴度误差大原因分析：

1、加工对比中间法兰与中间杆密封圈座配合的孔和端面时，先将对比中间法兰大端面（没有加工面）与对比隔板（机架十字头腔和缸套腔之间的隔板）端面（没有加工面）用螺栓连接在一起，在对比中间法兰与隔板端面上配做两个定位销孔，将两个定位销装入两个销孔内，用电焊将两个销与对比中间法兰焊接在一起。对比中间法兰和对比机架的定位属于一面两销限制六个自由度，设对比机架十字头滑道轴线为X轴，与对比机架底面垂直轴为Z轴，对比机架曲轴孔方向为Y轴，两个没有加工的端面和两个定位销限制对比中间法兰的X轴、Y轴、Z轴移动自由度、绕X轴、Y轴、Z轴的旋转自由度，其中两个没有加工的端面限制的是对比中间法兰的X轴移动自由度、绕Y轴、Z轴的旋转自由度。加工对比中间法兰后，需要将对比中间法兰拆下来，对比中间法兰在总装时候，需要在对比中间法兰和隔板端面之间再加一个2mm厚度的密封橡胶圈，然后用螺栓将对比中间法兰和对比机架连接一起。

这样定位存在的问题是，对比隔板端面是没有加工的面，是粗基准面，粗基准面是不具有重复定位功能的，再加上加工对比中间法兰没有在对比隔板和对比中间法兰之间加橡胶密封垫，使用时要加橡胶密封垫，更增加了粗基准定位误差，也就是对比中间法兰装配时限制的三个自由度（限制中间法兰X轴移动自由度、绕Y轴旋转自由度，绕Z轴旋转自由度）与比加工中间法兰加工时发生了变化，造成对比中间法兰与中间杆密封座配合的孔和端面位置发生了误差。

2、机架安装十字头滑道孔直径很大，刀杆刚性好，刀杆可以两端支撑，成简支梁结构，刚性好。加工十字头滑道孔精度高。

3、2200hp功率以上大功率钻井泵对比中间法兰与中间杆密封座配合的端面和孔离机架端面距离至少1000mm以上，对比中间法兰与中间杆密封座配合孔的直径140mm到160mm之间，机床上加工的刀杆直径受到了限制不能太大，又必须外伸特别长，属于外伸梁结构，刀杆刚性差，会发生绕度，刀杆的绕度造成加工对比中间法兰与中间杆密封圈座配合端面与十字头滑道孔轴线垂直误差大，加工对比中间法兰与中间杆密封圈座配合孔与十字头滑道孔轴线同轴度误差大。

由于以上原因，造成对比中间法兰内孔与十字头腔的十字头滑道孔轴线同轴度误差大，对比中间法兰与中间杆密封圈座配合端面与十字头滑道孔轴线垂直度误差大。

发明前对比中间法兰端面与隔板之间的密封采用的是端面密封垫，由于隔板是非加工面，这里密封不好也常常发生十字头腔的润滑油泄露到缸套腔的现象。

二、 发明保证中间法兰内孔与十字头腔的十字头滑道孔轴线同轴度精度高的理由：

1、中间法兰与机架的连接是靠中间法兰的外圆与隔板上加工的孔配合，这个孔限制中间法兰的四个自由度，即限制中间法兰的Y轴移动自由度、Z轴移动自由度、绕Y轴旋转自由度、绕Z轴旋转自由度，在隔板加工的孔倒很小的角度，倒角后的最大直径比定位孔增大1mm便可，在中间法兰倒角面保持线接触，只是限制中间法兰的X轴向自由度，绕X轴旋转自由度不必限制。

2、机架的安装十字头滑道孔和安装中间法兰定位孔的直径相差很小，可以用两端支撑的刀杆一次加工，包括倒很小的角度也一起加工。这样机架上两个孔和倒角的同轴度非常高。

3、中间法兰与机架定位外圆和中间法兰与中间杆密封座配合的孔、端面是一次安装情况下加工，相互位置精度非常高。

采用这样的方法，中间法兰内孔与十字头腔的十字头滑道孔轴线同轴度便精度高，而且这种方法保证非常容易。

由于中间法兰内孔与十字头腔的十字头滑道孔轴线同轴度精度高，中间杆运动时对中间法兰的附加力非常小，因此中间法兰与隔板用中间法兰压板加6个M12螺栓便可以固定在一起，发明前，由于中间法兰内孔与十字头腔的十字头滑道孔轴线同轴度差，中间杆运动时对中间法兰的附加力非常大，造成中间法兰与隔板需要用10个M16螺栓固定在一起。

4、将中间法兰与机架之间的平面密封改为中间法兰与隔板上孔配合的外圆上O型密封圈，中间法兰的外圆上的O型槽、隔板上的孔都经过精密加工，密封性非常可靠。杜绝十字头腔的润滑油泄漏到缸套腔来。

附图说明

图1-中间法兰剖面图；

图2-中间法兰立体图；

图3-一种大功率钻井泵中间法兰和机架连接结构剖视图；

图4-图3的局部B放大图；

图5-加工十字头滑道孔和中间法兰安装孔及倒角示意图；

图6-图5的局部C放大图；

图7-对比中间法兰立体图；

图8-对比中间法兰加工孔和端面剖视图；

图9-图8的局部D放大图；

图10-对比一种大功率钻井泵中间法兰和机架连接结构剖视图；

图11-图10的局部E放大图。

附图标记如下：

1-中间法兰、2-压板、3-M12螺栓、4-机架、5-O形密封圈、6-机床、7-镗刀盘、8-镗刀杆、9-对比中间法兰、10-镗刀盘、11-机床主轴、12-机床主轴箱、13-M16螺栓、14-平面密封垫、15-对比机架、1.1-内孔、1.2-端面、1.3-棱边、1.4-O形槽、1.5-外圆、1.6-轴心线、4.1-十字头腔、4.2-缸套腔、4.3-内孔、4.4-十字头滑道孔、4.5-十字头滑道孔轴线、4.6-曲轴腔、4.7-隔板、4.8-倒角斜面、7.1-倒角刀、7.2-镗孔刀、9.1-内孔、9.2-右端面、9.3-M16螺纹过孔、9.4-定位销、9.5-左端面、9.6-外圆、9.7-侧面、9.8-轴心线、15.1-内孔、15.2-隔板、15.3-端面、15.4-曲轴孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

本发明的实施方式不限于以下实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

请参阅图1～图11，本实施例一种钻井泵中间法兰和机架连接结构,包括中间法兰1，压板2，M12螺栓3，机架4，O形密封圈5，机床6，镗刀盘7，镗刀杆8，对比中间法兰9，镗刀盘10，机床主轴11，机床主轴箱12，M16螺栓13，平面密封垫14，对比机架15，内孔1.1，端面1.2，棱边1.3，O形槽1.4，外圆1.5，轴心线1.6，十字头腔4.1，缸套腔4.2，内孔4.3，十字头滑道孔4.4，十字头滑道孔轴线4.5，曲轴腔4.6，隔板4.7，倒角斜面4.8，倒角刀7.1，镗孔刀7.2，内孔9.1，右端面9.2，M16螺纹过孔9.3，定位销9.4，左端面9.5，外圆9.6，侧面9.7，轴心线9.8，内孔15.1，隔板15.2，端面15.3，曲轴孔15.4。

请参照图1、图2，中间法兰1的所有面都要经过加工，其中中间法兰1的内孔1.1与中间杆密封圈座（无图）外圆配合，中间法兰1的端面1.2与中间杆密封圈座端面配合，中间法兰1的外圆1.5和机架4的内孔4.3配合，中间法兰1的棱边1.3和机架4的倒角斜面4.8配合，中间法兰1的O形槽1.4安装O形密封圈5，因此要求中间法兰1的外圆1.5和内孔1.1、棱边1.3、O形槽1.4的同轴度精度高，中间法兰1的外圆1.5和中间法兰1的端面1.2垂直度精度高，相互位置要求非常高的中间法兰1外圆1.5、内孔1.1、端面1.2、棱边1.3、O形槽1.4均可以一次性安装加工完毕，这样便可以很轻松的保证。

请参阅图5、图6，机架4的十字头滑道孔4直径和安装中间法兰定位内孔4.3的直径相差14到16mm，用机床6设备可以加工钻井泵机架的位置精度很高的孔，镗刀杆8在机床6两端轴承支撑下，属于简支梁支撑，刚性非常好，镗刀杆8上安装镗刀盘7，镗刀盘7上安装镗孔刀7.2可以加工机架4的十字头滑道孔4.4和机架4安装中间法兰定位内孔4.3，在镗刀盘7上安装倒角刀7.1，可以加工机架4的倒角斜面4.8，这样机架4的十字头滑道孔4.4、机架4安装中间法兰定位内孔4.3、机架4的倒角斜面4.8的同轴度精度非常高。

请参阅图3、图4，中间法兰1在机架4的安装位置是，中间法兰1安装在机架4的十字头腔4.1和缸套腔4.2之间，具体的是，O形密封圈5装入中间法兰1的O形槽1.4内，中间法兰1的外圆1.5装入机架4的内孔4.3中，中间法兰1的棱边1.3和机架4的倒角斜面4.8成线接触，其中中间法兰1的外圆1.5和机架4的内孔4.3的配合为间隙配合形式，间隙为0～0.051mm，然后用压板2压住中间法兰1，再用6个M12螺栓3旋人机架4的隔板4.7螺孔内，便装配完毕，这种连接既能满足轻松装配中间法兰1又能保证中间法兰1内孔1.1的轴心线1.6和的机架4的十字头滑道孔轴线4.5同轴度精度非常高，中间法兰1的端面1.2和机架4的十字头滑道孔轴线4.5的垂直精度非常高。

请参阅图7、图8、图9，对比中间法兰9外形象个腰型，对比机架15的内孔15.1也是腰型，对比中间法兰9的内孔9.1与中间杆密封圈座（无图）外圆配合，比中间法兰9的右端面9.2与中间杆密封圈座端面配合，加工对比中间法兰9的内孔9.1和比中间法兰9的右端面9.2时，先将对比中间法兰9的左端面9.5与对比机架15的隔板15.2的端面15.3用10个M16螺栓13连接在一起（特别注意，对比中间法兰9的左端面9.5和对比机架15的隔板15.2的端面15.3都是没有加工的毛坯表面）， 在对比中间法兰9与机架15的隔板15.2的端面15.3上配做两个定位销孔，将两个定位销9.4装入两个销孔内，用电焊将两个定位销9.4与对比中间法兰9焊接在一起，对比中间法兰9和对比机架15的定位属于一面两销限制六个自由度，设对比机架15的十字头滑道孔轴线4.5为X轴，与对比机架底面垂直轴为Z轴，对比机架15的曲轴孔15.4方向为Y轴，两个没有加工的端面9.5、端面15.3和两个定位销9.4限制对比中间法兰9的X轴、Y轴、Z轴移动自由度、绕X轴、Y轴、Z轴的旋转自由度，其中两个没有加工的端面9.5和端面15.3限制的是对比中间法兰9的X轴移动自由度、绕Y轴、Z轴的旋转自由度。

请参阅图8，对比机架15的十字头滑道孔4.4和对比中间法兰9的内孔9.1不是一道工序同时完成的，十字头滑道孔4.4由于孔直径大，加工镗杆刚性好，十字头滑道孔轴线4.5精度高，图8是单独加工对比中间法兰9的内孔9.1的，由于对比中间法兰9的内孔9.1直径小，镗刀盘10和机床主轴11相对机床主轴箱12属于外伸梁支撑，镗刀盘10和机床主轴11直径小，伸出机床主轴箱12的距离1000mm以上，机床主轴11轴线必然弯曲，这样加工出来的对比中间法兰9的内孔9.1的轴心线9.8必然与十字头滑道孔轴线4.5同轴度误差大，对比中间法兰9的右端面9.2必然与十字头滑道孔轴线4.5垂直度误差大。

请参阅图10、图11，对比中间法兰9装配在对比机架15的的情况是，与加工对比中间法兰9的内孔9.1和对比中间法兰9的右端面9.2时的安装不同的是，在对比中间法兰9的端面9.5和对比机架15的端面15.3之间增加了平面密封垫14，这样连接形式存在的问题是，对比中间法兰9的端面9.5和对比机架15的端面15.3是都是没有加工的面，是粗基准面，粗基准面是不具有重复定位功能的，又在两个粗基准之间加一个弹性的平面密封垫14，更增加了粗基准定位误差，也就是说，对比中间法兰9的内孔9.1的轴心线9.8与十字头滑道孔轴线4.5同轴度误差更大，对比中间法兰9的右端面9.2与十字头滑道孔轴线4.5垂直度误差更大。

请参照图3、图10，由于中间法兰1的位置精度高，中间杆运动时对中间法兰1的附加力非常小，因此中间法兰1与机架4的隔板4.7用压板2加6个M12螺栓3便可以安全紧固，对比中间法兰9的位置精度低，中间杆运动时对对比中间法兰的附加力非常大，造成对比中间法兰9与隔板15.2需要用10个M16螺栓13才能保证安全。

通过对比分析，本发明的一种钻井泵中间法兰和机架连接结构能够非常好地保证中间法兰1的内孔1.1的轴心线1.6与机架4的十字头滑道孔轴线4.5高的同轴度精度，非常好地保证中间法兰1的端面1.2与机架4的十字头滑道孔轴线4.5高的垂直度精度，延长了中间杆密封圈寿命，避免了缸套腔的泥浆水渗透到十字头腔和十字头腔的润滑油渗透到缸套腔的老大难问题。

上面结合附图对本发明的实施做了详细描述，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内还可以做出各种变化，这些变化均属于本发明的保护，同样属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种钻井泵中间法兰和机架连接结构，其特征在于，中间法兰（1），压板（2），M12螺栓（3)，机架(4)，O形密封圈(5），机床（6），镗刀盘（7），镗刀杆（8），内孔（1.1），端面（1.2），棱边（1.3），O形槽（1.4），外圆（1.5），轴心线（1.6），十字头腔（4.1），内孔（4.3），十字头滑道孔（4.4），十字头滑道孔轴线（4.5），隔板（4.7），倒角斜面（4.8），倒角刀（7.1），镗孔刀（7.2）。

2.如权利要求1所述的一种钻井泵中间法兰和机架连接结构，中间法兰（1）的相互位置要求非常高的中间法兰（1）外圆（1.5）、内孔（1.1）、端面（1.2）、棱边（1.3）、O形槽（1.4）均一次性安装加工完毕。

3.如权利要求1所述的一种钻井泵中间法兰和机架连接结构，机架（4）的十字头滑道孔（4）直径和安装中间法兰定位内孔（4.3）的直径相差14到16mm，用机床（6）设备可以加工钻井泵机架的位置精度很高的孔，镗刀杆（8）在机床（6）两端轴承支撑下，属于简支梁支撑，刚性非常好，镗刀杆（8）上安装镗刀盘（7），孔刀（7.2）、倒角刀（7.1），一道工序加工机架（4）的十字头滑道孔（4.4）、内孔（4.3）、倒角斜面（4.8），确保机架（4）的十字头滑道孔（4.4）、内孔（4.3）、倒角斜面（4.8）的同轴度精度高。

4.如权利要求1所述的一种钻井泵中间法兰和机架连接结构，中间法兰（1）在机架（4）的安装关系是，O形密封圈（5）装入中间法兰（1）的O形槽（1.4）内，中间法兰（1）的外圆（1.5）装入机架（4）的内孔（4.3）中，中间法兰（1）的棱边（1.3）和机架（4）的倒角斜面（4.8）成线接触，其中中间法兰（1）的外圆（1.5）和机架（4）的内孔（4.3）的配合为间隙配合形式，间隙为0～0.051mm，然后用压板（2）压住中间法兰（1），再用6个M12螺栓（3）旋人机架（4）的隔板（4.7）螺孔内。

5.如权利要求1所述的一种钻井泵中间法兰和机架连接结构，所述M12螺栓（3），但不限于这种规格螺栓。

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