毕业设计说明书（论文）--基于曲柄连杆比的泥浆泵工作机理的研究.docVIP

基于曲柄连杆比的泥浆泵工作机理的研究 序言 泥浆泵是泵类产品中出现较早的一种，至今己有几百年的历史。在离心式和容积式两大类泵中，泥浆泵属于容积式泵。它是借助于工作腔里的容积周期性变化来达到输送液体的目的；原动机的机械能经泵直接转化为输送液体的压力能；泵的流量值取决于泵工作腔容积的变化值及其在单位时间内的变化次数（频率)，而(在理论上)与排出压力无关。 泥浆泵是借助于活塞(柱塞)在液缸工作腔中的往复运动(或通过隔膜、波纹管等挠性元件在工作腔内的周期性弹性变形)来使工作腔容积产生周期性变化的。在结构上泥浆泵是借助密封装置与外界隔绝，通过泵阀(吸入阀或排出阀)与管路沟通或闭合。泥浆泵这一实现工作腔容积变化的特点，决定了泥浆泵有以下特点: 1.瞬时流量是脉动的； 2.平均流量是恒定的； 3.泵的压力取决于管路特性； 4.对输送介质(液体)有较强的适应性； 5.有良好的自吸能力。 在泥浆泵中，液体介质的吸入和排出过程(即容积变化过程)是交替进行的，而且活塞(柱塞)在位移过程中，其速度又在不断的变化之中，泵的单个工作腔中的瞬时流量不仅随时间变化而且是不连续的。在多缸泵中，如果工作腔的工作相位安排适当，可减小排出管路中瞬时流量的脉动幅值，但不能使瞬时流量绝对稳定，所以说流量脉动是曲柄连杆式泥浆泵的固有特征，也是一大缺点。其流量的周期性脉动使排出压力随之波动，进而引起振动和噪声，对泵缸内的零件、泵阀的运动、活塞杆及动力系统和整个排出系统造成不利影响。特别是在高压情况下，金属受到交变载荷容易产生疲劳破坏，使元件、仪表、设备受损。文献[1][2]表明流量脉动是泥浆泵出现事故的主要原因之一，钻井事故中的40%左右来源于泥浆泵。从文献[3][4]可知降低压力脉动可以明显的提高泵的性能，故消除或减弱系统中产生的压力脉动，使泵工作平稳是泥浆泵使用和设计中提出的重要课题。 泥浆泵上常用的用于衰减排出系统波动的装置——空气包，空气包是泥浆泵液力系统的重要组成部分。它利用空气包内空气的压缩性和膨胀性来贮存(或放出)比平均流量多的(或少的)那部分液体，从而达到减小管路内流量脉动的目的。研究表明当空气包与泵及管路系统具有最佳匹配时，可以最大限度地衰减管路内液体的流量脉动，同时也最大限度地衰减由流量脉动引起的压力脉动，提高泵的工作性能及寿命。空气包的减振效率与空气包的容积、预充气压力、入口颈管尺寸、泵的结构参数等因素有关。只有适当地设计空气包并适当地安装它，才能获得预期的减振效果。文献[5-7]中作者对空气包的工作机理方面作了阐述，文献[8-10]对空气包的动力特性做了初步的探讨，文献[11][12]对空气包的体积设计方法作了比较系统的描述，文献[13]对泥浆泵泵缸内液体的压力做了分析。 本文将从泵管路系统流体动态特性入手，根据泥浆泵活塞的运动规律，推导出曲柄连杆比影响下三缸泥浆泵的瞬时流量表达式，然后建立空气包动力学模型，根据模型推导出空气包后排出管路流量的表达式和空气包体积与径管尺寸间的关系。为了解泵缸内压力变化规律，利用伯努利方程建立了泵缸内液体压力的表达式。最后为了对理论研究进行验证，用Matlab软件进行了相应的仿真计算。本课题为空气包的设计、制造、使用提供一个可行的理论参考，为更深入的研究打下了坚实的基础。 本课题着眼于理论研究与生产实际相结合，基于生产实际的需要而提出，具有一定的经济效益和实用价值。 第1章 泥浆泵的水力学特性 泥浆泵固有的流量脉动是泥浆泵的一大缺点。泥浆泵流量的周期性脉动使排出压力随之波动，进而引起振动和噪声，对泵缸内的零件、泵阀的运动、活塞杆及动力系统和整个排出系统造成不利影响。特别是在高压情况下，金属受到交变载荷容易产生疲劳破坏，使元件、仪表、设备受损。故消除或减弱系统中产生的压力脉动，使泵流量平稳是泥浆泵使用和设计中提出的重要课题。 动力学和水力学是泥浆泵基础理论的重要组成部分。泥浆泵中的流体运动规律决定空气包的设计与使用。为了更好地研究空气包的工作机理和设计理论，有必要对泥浆泵的水力学特性作分析。 泵的运动特性 在泥浆泵中，液体介质的吸入和排出过程(即容积变化过程)是交替进行的，而且活塞(柱塞)在位移过程中，其速度又在不断的变化之中，泵的单个工作腔中的瞬时流量不仅随时间变化而且是不连续的。在多缸泵中，如果工作腔的工作相位安排适当，可减小排出管路中瞬时流量的脉动幅值，但不能使瞬时流量绝对稳定。因此，泥浆泵瞬时流量的脉动性是不可避免的。 1.1.1 活塞的运动规律 图1-1 单缸泵曲柄连杆机构的示意图 上图为单缸泵曲柄连杆机构的示意图。曲柄OA以角速度旋转，曲柄转角为，当时为吸入冲程，时为排出冲程。现令S为活塞位移的坐标，规定活塞位移的后死点为S的原点，S的指向以远离0点为正，即与X轴指向一致；Y轴以指向下为正。十字