5NB-1600型直驅鉆井泵動力端優(yōu)化設計

高　搏，王浚璞，張　潔，劉迅超，呂　蘭

(1.川慶鉆探工程公司 安檢院，四川 廣漢 618300；2.川慶鉆探工程公司 設備處，成都 610051；3.四川宏華石油設備有限公司，四川 廣漢 618300)①

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5NB-1600型直驅鉆井泵動力端優(yōu)化設計

高搏1，王浚璞2，張潔1，劉迅超1，呂蘭3

(1.川慶鉆探工程公司 安檢院，四川 廣漢 618300；2.川慶鉆探工程公司 設備處，成都 610051；3.四川宏華石油設備有限公司，四川 廣漢 618300)①

摘要：海洋石油平臺和部分陸地鉆機對鉆井泵的體積和質量有限制。研制了一種適應性強、集成程度高的5NB-1600型直驅鉆井泵。通過對傳統(tǒng)鉆井泵動力端進行結構優(yōu)化，取消了小齒輪軸，改為電機直接驅動，簡化了傳動結構，提高了傳動效率；設計了新型的五曲拐六支撐的曲柄連桿機構，提高了曲軸的剛度、強度。采用有限元方法進行校核，結構設計符合規(guī)范要求。與原有的3NB-1600F型鉆井泵相比，新型5NB-1600型直驅鉆井泵的動力端具有結構緊湊合理、體積小、使用可靠、易于維護保養(yǎng)、傳動效率高等優(yōu)點。

關鍵詞：鉆井泵；結構；優(yōu)化設計

目前，國內(nèi)外使用的功率為367～1 617 kW的鉆井泵主要是三缸單作用鉆井泵。功率為1 176 kW以下的鉆井泵是20世紀70年代推出的產(chǎn)品，這些鉆井泵和泵組的共同特點是：軸承均采用大型的滾動軸承；曲軸、連桿的幾何尺寸過大，使整個鉆井泵的體積龐大、沉重；鉆井泵組均是在動力機和執(zhí)行機構中間增加傳動裝置，使鉆井泵組的體積更龐大、質量更重。為了適應海洋深水油氣田的開發(fā)，以及陸地上對設備的體積和質量有限制區(qū)塊的開發(fā)需要，提高鉆井泵組適應性，滿足鉆井的更高需求，研制功率大、體積小、質量輕、性能可靠、制造成本低，且具有自主知識產(chǎn)權的系列鉆井泵成為當務之急[1-3]。

1主要零部件結構說明

5NB-1600型鉆井泵為五缸單作用結構，具有動力端和液力端[4]，采用電機直接驅動曲軸及曲柄連桿機構。結構如圖1所示。

本文研究的動力端由機架總成、電機總成、曲軸總成和十字頭總成等組成。

1.1機架總成

機架總成是鉆井泵的基礎，其他部件均安裝在機架總成上。機架由鋼板焊接而成，并經(jīng)整體消除應力處理。其結構通過有限元軟件進行了優(yōu)化設計，提高了機架的強度、剛度和抗振性能。機架內(nèi)設置了油池，油路布置在機架外部，供齒輪、軸承和十字頭導板等零部件進行潤滑、冷卻之用。

圖1　5NB-1600型鉆井泵結構

1.2電機總成

電機轉子軸兩端直接安裝斜齒輪，構成人字齒輪結構型式，斜齒輪與電機軸采用花鍵連接。齒輪為硬齒面，具有制造精度高、運轉平穩(wěn)、效率高、壽命長等特點。在軸頸處安裝有調心圓柱滾子軸承，便于軸和齒輪對中和裝拆檢修。

1.3曲軸總成

曲軸總成采用五曲拐六支撐的曲柄連桿機構，由曲軸、大齒輪、連桿和軸承等零部件組成。

大齒圈與電機軸兩端的斜齒輪相嚙合，齒圈與輪轂用螺栓和防松螺母緊固，將兩者聯(lián)接為一體，輪轂內(nèi)孔與曲軸軸端外圓為平鍵加螺栓聯(lián)接。連桿通過偏心輪滑動軸承安裝于曲軸的5個互為144°相位角的偏心曲拐上。曲軸兩端的主軸頸安裝有單列圓柱滾子軸承，該軸承安裝在機架軸承座孔內(nèi)。

1.4十字頭總成

十字頭總成采用上、下導板結構，可通過在下導板處加墊片來調整同軸度，在上導板處加墊片來調整運動間隙。十字頭上導板連同蓋板可拆卸，便于十字頭的檢修維護。

十字頭與中間拉桿采用止口定位，螺栓連接，以保證十字頭與中間拉桿的同軸度。連接螺栓按規(guī)定的轉矩值上緊，并用鋼絲防松。十字頭中部通過十字頭銷和連桿小頭滑動軸承聯(lián)接。

2動力端優(yōu)化設計

隨著直驅電機技術的發(fā)展，以集成應用成熟技術為主，將電機和鉆井泵采用一體化的設計，進行結構優(yōu)化，可提高鉆井泵組的整體適應性和經(jīng)濟性，從而設計出功率大、體積小、質量輕、性能可靠、制造成本低的輕便型電動直驅鉆井泵組。

2.1電機驅動方案優(yōu)化

1)方案一。將2臺交流變頻電機分別安裝在曲軸的兩端，由電機直接驅動曲軸，取消齒輪副和小齒輪軸。如圖2a所示。方案一的電機外形尺寸?1 800 mm×640 mm，鉆井泵寬度3 235 mm，2臺電機的總質量比原有的齒輪副和小齒輪軸的質量之和增加了8 085 kg。

2)方案二。以電機軸替代小齒輪軸，取消小齒輪軸，小齒輪直接安裝在電機軸上。由小齒輪驅動曲軸上的大齒輪，使曲柄連桿機構往復運動。如圖2b所示。電機外形尺寸?800 mm×1 598 mm，鉆井泵寬度2 235 mm(比方案一減少1 000 mm)。質量比方案一減少4 026 kg。

a　方案一

b　方案二

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，方案二有較大優(yōu)勢，電機安裝如圖3所示。將電機安裝在泵的中間，可采用兩端設置齒輪傳動方案，便于取消小齒輪軸，在電機軸兩端直接安裝斜齒輪，與曲軸兩端安裝的斜齒輪嚙合并傳遞動力。另外，電機安裝在泵的機身外面，方便安裝電機，可使機架做的更小。

圖3　方案二的電機安裝示意

2.2連桿和曲軸優(yōu)化

連桿大小頭采用滑動軸承[5]，可降低曲柄連桿機構的整體尺寸，如圖4所示。采用這種方式，減小了動力端的體積和質量，便于安裝拆卸及維修。

作為一個傳動中非常重要的運動部件，曲軸的設計對鉆井泵的性能有著直接的影響。傳統(tǒng)的鉆井泵大多數(shù)采用三曲拐兩支撐結構，這會導致兩軸承之間的距離很大，降低曲軸的剛度，如圖5所示。在這種情況下，為了滿足傳動功率的要求，需要將曲軸直徑設計得較大，只有這樣才能夠滿足剛度和強度的要求。優(yōu)化設計的五曲拐六支撐曲軸則很好的避免了上述所存在的問題[6]，曲軸為整體鍛造偏心軸，材料為合金鋼鍛件，在連桿軸頸處表面淬火。該曲軸有6個支撐點，相鄰兩支撐點的距離遠比三缸泵的小，曲軸直徑不需要很大就可以滿足傳動要求，曲軸質量較小，曲軸運轉時慣性小，運轉平穩(wěn)。除此之外，曲軸安裝采用的是整體式軸承座，安裝精度高，可靠性強。單從質量來看，五缸泵曲軸要比三缸泵曲軸輕約43%。

圖4　連桿優(yōu)化

圖5　曲軸優(yōu)化

2.3潤滑系統(tǒng)的設計方案

5NB-1600型泵對潤滑的要求：

1)連桿大小頭均采用了滑動軸承，這點和壓裂車是一樣的，因此可以借鑒一些壓裂車的潤滑系統(tǒng)的優(yōu)點。

2)連續(xù)運轉的時間比壓裂車更長，因此不能完全采用壓裂車的潤滑系統(tǒng)。

3)大齒輪不是放在機身中間，而是放在機身外邊兩側，失去了3NB-1600F型泵采用飛濺潤滑的有利條件。因此須在傳統(tǒng)3NB-1600F型泵的潤滑系統(tǒng)方式上進行優(yōu)化。

5NB-1600型泵的潤滑方案：

1)采用強制潤滑系統(tǒng)潤滑所有的摩擦副。

2)潤滑泵采用齒輪泵，齒輪泵采用單獨的電機驅動，不受鉆井泵沖數(shù)的影響；齒輪泵的安裝位置要低，盡量減少潤滑油的吸入高度。

3)吸入管的內(nèi)徑不小于50.8 mm，入口處真空度不得超過0.035 MPa。吸入管濾網(wǎng)為40～100目，流量為340 L/min，旁通閥壓力為0.7～0.875 MPa，吸入管所有接頭應纏密封帶，以防止空氣進入。

4)油箱容量應達到900 L，油箱應有一個較大的防雨型呼吸器，并設有觀察油孔和油尺。

5)濾清器最小流量為340 L/min，最小工作壓力1.4 MPa，旁通安全閥壓力0.105～0.175 MPa。選用雙芯濾清器，濾芯規(guī)格25～33 μm。

6)壓力管線最小工作壓力5.6 MPa，壓力管線最小內(nèi)徑?31 mm。

7)安全閥選用壓力為0.42～1.40 MPa的防震型，安全閥壓力調整到0.70～0.79 MPa，安全閥的回油排入油箱。

8)設置報警系統(tǒng)，當潤滑系統(tǒng)管路上的油壓、流量、油溫等符合要求時，主電機才開始工作。反之，管路上的油壓、流量、油溫不符合要求時，主電機自動停機。

9)合理的潤滑系統(tǒng)參數(shù)：正常工作時最低油壓0.3 MPa，正常油壓0.5～0.7 MPa；冷啟動最低油壓為0.7 MPa，最大油壓1.2 MPa；最高油溫60 ℃；潤滑油最低黏度3.2×10-5m2/s。

10)選用潤滑油。在高寒地區(qū)，夏季選用18#雙曲線齒輪油，其他季節(jié)選用13#雙曲線齒輪油。其他地區(qū)，全年選用18#雙曲線齒輪油。

3曲軸強度計算

由上述優(yōu)化和對比可以發(fā)現(xiàn)，曲軸作為曲柄連桿機構的主要運動零件，在結構上有較大變化，工作時需承受相當大的變載荷的作用，受力十分復雜，除了作用在曲軸上的重力是恒定的，其他如連桿力、慣性力、原動機驅動轉矩、支座反力、各部件間的縱向、橫向、扭轉振動慣性矩等都將隨轉角的變化而變化。在分析、計算曲軸受力時做如下假設：

1)多支撐曲軸看作以主軸承中點分開的分段簡支梁，并把曲軸視為絕對剛性系統(tǒng)。

2)把主軸頸中點看成支撐點，又看成是集中反力的作用點。

3)連桿力和旋轉慣性力看成是集中力，并作用在曲柄銷中點。

由曲柄連桿運動機構可知，曲柄主要受力為：連桿作用力，齒輪作用力，軸承支撐力及重力[7-8]。如圖6所示。

圖6　曲軸受力示意

3.1連桿作用在曲軸上的力

FL=Fl/cosβ

(1)

式中：Fl為連桿活塞端作用力，N；FL為連桿對曲軸作用力，N；β為連桿水平角。

3.2齒輪作用力

采用斜齒輪傳動，齒輪傳遞轉矩，受切向力Fct、徑向力Fcr和軸向力Fca，及重力Gc。采用人字齒輪時軸向力抵消為零，軸向力不用考慮。齒輪直徑Dc=1 263 mm，齒輪法向壓力角αn=20°，齒輪法向螺旋角βc=28.5°，輸入扭矩MC=72 500 N·m，齒輪位置夾角φc=90°。可得：齒輪切向力Fct=11 480 N；齒輪徑向力Fcr=4 755 N；齒輪軸向力為Fca=6 233 N。

3.3曲軸支撐反力

五缸泵曲軸總共有6個支撐軸承，也就有6個支撐反力，設6個支撐點為A、B、C、D、E、F，相應的6個支撐力為NA、NB、NC、ND、NE、NF。將6支撐曲軸分為5段進行計算，每段支撐簡化為兩支撐簡支梁。

利用有限元方法對曲軸進行建模并計算主要受力[4，8]，如圖7～8所示。計算結果表明，曲軸結構強度完全滿足使用要求。安全系數(shù)n=700/155.12=4.5。

圖7　曲軸計算邊界條件

圖8　曲軸強度校核結果

4結論

1)以電機軸替代小齒輪軸，是新型直驅鉆井泵的主要創(chuàng)新，使整個鉆井泵結構更加緊湊。

2)電機直接驅動小齒輪，減少了中間傳動裝置，提高了傳動效率和傳動可靠性。

3)動力端齒輪、軸撐、十字頭采用飛濺潤滑和強制潤滑相結合，具有良好的潤滑條件。

4)直驅鉆井泵的傳動效率高，結構緊湊，易于維護保養(yǎng)，減輕了現(xiàn)場使用人員的維修保養(yǎng)難度等，是鉆井泵未來的發(fā)展趨勢，特別是在對井場面積有特殊要求的海上和陸地(例如叢林)等環(huán)境中有廣闊的應用前景。

5)直驅鉆井泵是由電機直接驅動。由于目前國內(nèi)的大功率特種電機的制造水平還不足，電機與鉆井泵的匹配及工作的可靠性是影響直驅鉆井泵使用的關鍵問題，也是下一步的研究方向。

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文章編號：1001-3482(2016)07-0037-05

收稿日期：①2016-01-05

作者簡介：高搏(1979-)，男，重慶人，工程師，2002年畢業(yè)于西南石油大學機械設計制造及自動化專業(yè)，主要從事石油鉆機的監(jiān)理、檢驗及評估工作，E-mail：654233979@qq.com。

中圖分類號：TE926.02

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.007

5NB-1600 Direct-drive Mud Pump Power End Optimization Design

GAO Bo1，WANG Junpu2，ZHANG Jie1，LIU Xunchao1，LYU Lan3

(1.Safety&EnvironmentQualitySurveillanceResearchInstitute，CNPCChuanqingDrillingEngineeringCo.，Ltd.，Guanghan618300，China；2.EquipmengtDepartment，CNPCChuanqingDrillingEngineeringCo.，Ltd.，Chengdu610051，China；3.SichuanHonghuaPetroleumEquipmentCo.，Ltd.，Guanghan618300，China)

Abstract：Considering the restriction for space and weight of mud pump in offshore platform and land drilling rig，therefore a new type of direct drive mud pump is developed and possesses advantages of high integration and adaptability.Through the structural optimization of power end of traditional mud pump，reduce pinion shaft and change to motor direct drive，simplify transmission structure and enhance efficiency.Design a new type of five-crank and six-bearing connecting rod to improve the issue of stiffness and intensity of traditional crankshaft.Through analysis of finite element method，the structural design up to specification.Compare with traditional 3NB-1600F mud pump，5NB 1600 direct drive mud pump possess advantages of compact structure，small volume，high operational reliability，easy maintainability and high efficiency.

Keywords：drilling pump；structure；optimizing design