泥浆泵工作原理Word文档下载推荐.docx
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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0A以角速度o旋转.曲柄转角为0当卩=0~”时为吸入冲程，0=兀~2兀时为排出冲程。
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。
十字头的运动与活塞相同，故可以十字头销中心B的运动代表活塞的运动，由图1-1可知
S=2R-[（L+R）-OB\
=2R—（L+R）+Rcos（p+Lcos3（1-1）
=/?
（1+COS0）-厶（1-cosJ）
式中人—曲柄半径；
L——曲柄连杆长度；
A——曲柄连杆比，A=R/L；
3——连杆的摆角，即连杆和液缸中心线的夹角，》在08线上方时为负；
卩——曲柄转角，即曲柄和水平中心线之间的夹角。
在4480中有
L_R
sin©
sinJ
cosd=Jl-sin'
》
=Jl-（》sinF
代入式（IT）式中有
S=/?
（l+cos（p）-L（1-Jl-，sin'
°
）
（1-2）
将上式中的根号按二项式定理展开，并略去二阶以上的项，得
a
（l+cos0-—sin'
（p）
2
（1-3）
将式（1-2）对时间微分‘并注意到cp"
得活塞的速度
心沁（sin0+閒20）
2jl-，sin2（p
（1-4）
（1-5）
故得近似公式
v=-/?
<
y（sin°
+丄兄sin2（p）
（1-6）
对（1-6）求导得
a=一&
/（cos（p+Acos2（p）
（1-7）
泵的瞬时流量
假定在每一缸的每一次排出冲程中，体积等于冲程容积SA（A为活塞面积，S为活塞冲程）的介质能全部排至排出管中，在此条件下，泵在单位时间内排出的介质的体积称为泵的理论平均流量.记为①。
在相同条件下的每一时刻，在无空气包的排出管中测得的流量为泵的瞬时流量，记为彳⑴。
所以，每一缸在排出过程中提供的瞬时排量等于活塞在该时刻的瞬时速度『乘以活塞面积Ao
1.2.1单缸泵的瞬时流量
根据前述的活塞的运动规律可以得出单缸泵的瞬时流量为
取A=0.000625/h2,R=0.127叫少=16刃3可以绘制出其流量曲线图
图1-2曲柄连杆机构单缸泵排出流量曲线图
1.2.2三缸泵的瞬时流量
对于三缸泵单作用泥浆泵，三个曲柄按120°
夹角布置，如图1-3所示
图1-3三缸曲柄布置示意图
三个缸的排出冲程互有2龙/3的相位差。
将单缸泵的瞬时流量按相位合成，就可以得
到0~2龙周期中三缸单作用泵的瞬时流量。
下图是三缸单作用泥浆泵相位合成图
0V3旳3K阿35V3页
■■■・6■
-2JV3-3V30V33V3兀W3W/36
QIJ11IIf（
-4773■羽3-W30V33V3兀W35V3
■■I■T■■■■■
图1-4三缸单作用泥浆泵相位合成图
其中，第二缸比第一缸滞后2兀/3,第三缸壁第二缸滞后2龙/3。
假设第一缸的瞬时流量是曲）严-A&
>
（sin0+fsin20）（1-9）
922
那么第二缸的瞬时流量则为q（t）2=-AR^sin（（P-+7Sin2{<
P"
^）]（1°
丿厶丿
222
第三缸的瞬时流量为曲）3=-加?
恥加（0+；
兀）+亍山2（0+§
龙）]（Ml）
根据上面的三缸单作用泥浆泵相位合成图，可以推导出三缸单作用泥浆泵在［0,2刃期
间的瞬时排出流量表达式
-ARco[sin（（p一二兀）+—sin2（（p一—tt）]
323
222
-ARco[sin（（p一二龙）+—sin2（（p一—tt）]
323
一ARe[sin（°
+—^）+—sin2（（p+—兀）]
-ARco[sin（（p+—tt）+—sin2（（p+—7i）\
一A7?
e[sin（0+—7r）+—sin2（©
+—兀）]
[pt]
[討
-ARco（sin（p+—sin2（p）
-A/?
e（sin卩+彳sin2（p）
2x2
-A7?
y（sin（f>
+ysin2（p）
4龙]
4兀5兀
T^T
（M2）
取A=0.000625川2、尺=0・127川、6?
=16^/3?
则可绘制岀三缸泵的流量曲线。
1351.3125
«
10
曲柄连杆机构M缸单作用泥浆奈排出流呈曲统
，!
£
3
曲炳转角＜r^s）
图1-5曲柄连杆结构三缸单作用泥浆泵排出流量曲线图
由三缸泵的瞬时流量曲线可以看出其流量的脉动周期为2龙/3?
其平均理论排量为
第2章空气包排出管路流体动态特性分析
空气包是清除管路内流量脉动的一个很有效装置。
它利用空气包内气体的压缩和膨胀来贮存或放出比平均流量多的或少的那部分液体，从而达到减小其后排出管路中流量脉动的目的。
假设泵的平均流量为乞，当瞬时流量大于平均流量仏时，空气包前管路中的液体就可以部分地进入空气包；
当瞬时流量小于平均流量山时，空气包可以向管路中释放部分液体。
由此可见，由于设置了空气包，使空气包后管路内的瞬时流量脉动值比泵的流量脉动值大为减小。
如果空气室内具有足够的空气容积，使空气压力在一个很小的范围内波动，则空气室管路内液体的流动就接近于稳定流。
空气包的作用直接表现为它对流量脉动的衰减。
同时,经过研究可以证明，安装空气包后，泵缸内压力脉动值也会减小。
必须指出，空气室消减流量及压力脉动的效果不仅取决于空气包本身，而且与管路的配置有很大关系。
综上所述，空气包设计时应将泵一一空气包一一管路看作一个系统来考虑。
建立空气包动力学模型，从理论上解释空气包内液体的流动规律和空气包如何起到消波减振的作用的，以及哪些因素影响着空气包的作用效果等。
在分析空气包的动态特性之前，为了研究问题的方便.先假设：
1•工作介质为不可压缩液体；
2.不考虑由于压力造成的泄漏；
3.泵缸内的液体不发生汽蚀现象；
4•液体在管道中运动时，满足连续性方程；
5.空气包内气体按多变过程考虑；
6.空气包的壳体及相连接的管路无弹性变形。
空气包的分类
一、基本型
空气包的最初结构设想是从液压系统的缓冲器借鉴过来的，普通形式的空气包是一个与要求缓冲的流体相连的缓冲室。
空包内少部分地充以弹性的可压缩介质，并且有将可压缩介质与流体隔绝的移动壁n压缩介质可以是弹簧或流体.移动壁可以是活塞或柔性材料（如橡胶之类）制成的隔膜结构。
在某些用途中可压缩介质与脉动流体之间不必形成间隔，如过去的常压空气包。
在流体与缓冲室相连的情况下，顺流体移动的压力波使流体随着压力变化而相应间歇地出入缓冲室，在缓冲室内的流量变化促使柔性隔膜上下运动，而隔膜后面的流体得以相应地收缩和膨胀。
这种作用可以导致流体中压力波幅的有限减小。
不过，脉动流体因为有惯性往往不完全流经缓冲室。
二、串联型
采用缓冲室与被缓冲的流体直接串联的方法，往往能有效的降低压力波幅。
例如，缓冲室为一长圆柱或球形体，其一端为入口，连接带压力脉动的流体，而另一端为出口，接往要求缓和脉动的流体。
缓冲室可能充满液体而呈柔性。
为了有效的衰减脉动，出入串联式缓冲室的两流体相继流过沿流体流动方向纵向布置的、布满小孔的芯管.在缓冲室内形成一定的旋流运动。
流体间相互作用强度愈剧烈，脉动缓冲越大，但能量损失也越大。
三、早期型
泥浆泵最早采用的是厚壁圆筒形空气包，工作前容腔中充满常压空气。
在泵工作时筒内的液面随排出管路的压力变化而变化，以起到液体的补偿作用。
常压空气包的缺点是体积庞大、结构笨重.空气包顶部的压缩空气通过很长一段液柱与排出管线相隔，这对液体的及时补偿是不利的。
另外，在这种结构中，由于液体与气体直接接触，在高压下气体溶于液体而不断被带走，甚至在较长时间工作后空气包会失去作用。
四、现用型
为了减小空气包的体积，提高其工作效能和可靠性，现在普遍采用的是胶囊隔膜型预压空气包。
它的外壳呈球形，胶囊内贮存一定体积的气体.一般为氮气。
它的工作原理是:
随着泥浆泵的流量脉动，依靠胶囊的上下移动来吞吐脉动流量，达到稳流、减小压力脉动和振动的目的。
胶囊的惯性小、反应快。
空气包内气体的压缩与膨胀过程就是能量的存贮和释放过程。
缸内能量与气体能量的这种交换，使排出管路中得到稳定的液流。
要将流量脉动引起的压力脉动控制在一定的限度之内，要求气室的容积足够大。
这种空气包的球壳一般为整体锻件，用专门设备和工艺制造而成。
强度高，加工后成流线型表面•粗糙度低，用于承受高压交变应力。
胶囊中一般安装有平板，使胶囊在球壳内始终保持较好的居中位置且回位快.停泵后壳体内不易残留液体。
胶囊动作时具有最小的折皱、弯曲和伸展.工作时胶囊外周不与球壳壁直接接触•防止了磨砺性磨损。
空气包的孔口与壳内的圆锥面相接处为圆滑过渡，形成低的应力集中。
空气包排出管路动力学模型的建立
2.2.1三缸单作用泵瞬时流量的傅里叶级数表达式
鉴于目前石油场上多采用三缸单作用泥浆泵，本文只讨论三缸单作用泥浆泵的情况。
三缸单作用泥浆泵瞬时排量的周期为2龙/3,其表达式为
q、=ARc/^s\n｛（p+—）+—sin2（（p+-^）][^?
=0-—]
（2-1）
3233
q2=ARco[sin（p+^sin2（p]形=彳~〒]
为了便于研究将上述的周期函数展开成傅里叶级数.其中
2）
=皿。
J][sin（0+y）cos3n（p+彳sin2（卩+f）cos3n（p\d（p
=——（[{乂sin（p+y+3/0）+sin（0+|—3〃0]+扌sin（2p+三+3n（p）+sin（2y+单_3n0）]}"
3A脳一吨+牛3叩）
cos（0+»
3"
0）
-zcos（2^+^+3/i^）
一久cos（2©
+三一3叩）了
n2（1+3"
]
2（1-3"
4（2+3”）
4（2-3/?
（1
（2・
I,2兀\lIn、lrlRnIRX1
\\r（d--cos（—+n^）--cos（—-n^）X|---cos（—+n^）Jz|---cos（—
=-~~-{++——=+——=}
x2（1+3”）2（1-3"
）4（2+3”）4（2-3"
3[•二2
-|/^?
+-sin2（p]cos3n（p（l（p
兀冷2
=j/[sin卩cos3”卩+ysin2^cos3n（p\l卩
=3ARa）（I；
1|亦（0+3tup）+sin（0-3/咧+-[sin（2（p+3n（p）+sin（2卩一3n^）]}d（p兀〒24
21202.r
3AR（of-cos（0+3“0
3_COS（0-3〃0）
3-Acos（2^+3/i^）
一久cos（2y-3〃°
it2（1+3”）
X2（1-3"
4（2+3”）
4（2-3”）
应、“2兀r、应、In宀、nrlit、AnA“
3\R（ocos'
—+皿）一cos（—+2"
兀）cos（—-血）-cos（—一2“兀）z|cos（一+”兀）一cos（—+2”兀）]j（33+33丄33
_~2（1+3”）2（1-3/1）4（2+3n）
（2-3）
nrlit、An,
z[cos（—一“兀）一cos（一一2”穴]
T）
4（2-3/i）
F面对"
进行讨论:
当〃为奇数时
当“为偶数时
（2-6）
2[-1_（_1）+（_£
）-（-；
）】刃-1_（_1）+（_（-A|2222|22224（2+3拜）4（2-3n）
11
=1
1+3/71-3/7
_2
同理可以推出饥
当“为奇数时
（2-7）
22-3/72+3/?
24
亍4一⑶2）2
当〃为偶数时化为0
（厶8）
根据以上推导可以写出三缸单作用泵瞬时流量的傅里叶级数表达式
2.2.2空气包的动力学基本方程
下图为泥浆泵——空气包——排出管路系统示意图
\认Q，
PiAiQi—fAP2A2Q2
图2-1泥浆泵——空气包——^出管路系统示意图
设泵的脉动源汇于O点，A点为支点，在A点附近处有
pn
设空气包内气体的预压力为仇，泵工作时气体的瞬态压力为儿。
对于空气包入口支
管及壳体内液体，由受力平衡可得F=M.a,在此管路中F=PA3,即PA3=Mya,列出受
力方程
（2-13）
（2-⑵
P\=^+sp!
.+p:
+pi
A
又因为在此管路中有
Mya_M3dv3_dQ、
4dtdt
代入式（2・12）得
（2-14）
对于空气包后排出管路中的液体.同样也可以写岀其受力平衡方程
（2-15）
p誉竽心K
空气包入口支管的流量;
泵的压力；
空气包支管入口处的压力损失;
胶囊的弹性力，考虑到胶囊在平衡位置附近发生脉动，其变形很小，故可认为半=0；
dt
叫——空气包壳体及支管内所研究段液体的等效质量；
儿一一空气包壳体及支管内所研究段液体的等效面积；
M2——排出管路中所研究段做加速运动的液体的等效质量;
A——排出管路中所研究段做加速运动的液体的等效面积；
甲——空气包壳体及支管内所研究段液体的流动阻力，为研究问题
的方便，设其与流量@成比例为出珂Q；
P,——排出管路中所研究段液体后的阻力损失，当空气包发挥作用时
其随时间变化很小为研究问题的方便，可认为字
k2——排出管路中所研究段液体的阻力系数；
匕——空气包壳体及支管内所研究段液体的阻力系数。
由方程（2-10）（2-14）（2-15）可以得出
（2-16）
对上式进行微分得
（2-17）
务答攀讥Q普仏警吕零号也警
〃广山dtAfdrdtdt
考虑到Q,在平衡位置时为Q”所以式（2-17）中的2kQ罕可以用2kQ普来代dtat
替，代替以后的方程为
现在来分析一下空气包内气体的变化‘用参数人、叫表示空气包内气体处于平衡位置时的状态参量.其值在某一个工况下是确定的。
设泵在正常工作时，空气包内气体的状态参数在平衡点｛£
%｝附近微小变化。
根据气体的多变过程规律’气体在任一瞬时都满足如下方程
上式中匕——瞬时气体体积；
々一一瞬时气体压力；
ph——平衡时气体压力;
%——平衡时气体体积；
AV—瞬时气体体积与平衡时气体体积之差，
鉴于空气包内液面脉动引起的气体体积变化和气体平衡位置体积相比是一个很小的量.即△#/%很小，故可以忽略其高次方的影响，从而可得
（2-21）
Pg=Ph（\-m—dPK_mPhJAV
~dT
对于空气包来说
代入（2-22）得
（2-23）
将式（2-23）代入（2-18）得
将上式两端同时乘笛/M*得到
（2与込学+2辺生坐*他生迤*如生
42M肿曲5川'
陆dtVhM
drVb1clt
则式（2-25）可以写成
（1+約等+Qk必寻+R普）讐+co；
Q.atM3m3at
_d迪
一矿+®
Q+心阮石
（2-26）
将式（2・26）两端同除并对©
求导化简得
业竺攀+（2也器仏器）学+0,
%d（p「"
mPhmPbd（p
=兰也+Q+k血哩
CD；
drL,3mPbd（p
（2-27）
c=^&
.厂也，蛊
上式可写为
（\+k）ad2Q^门、dQ.八
9d（p-d（p
_acPQdQ■?
lF+c/^+a
（2-28）
式（2-28）即为泵的瞬时流量0和空气包后排出管路中的流量0之间的关系式。
把式（2-9）带入式（2-28）就可以得到Q的表达式。
观察式（2-28）不难发现，表达式两端的形式是一样的，只是@比Q滞后仇角度，
由于Q⑴=乂也［1-f（孕普）_£
£
（芈晋）］比较复杂，所以可以用兀”（3"
）一一12”.态…（3/：
）--4
21⑴=sin3/2,Q2（t）=Asin⑶2+（pn）来代替
代入式（2-28）得到
出_一9/?
2sin（3n+%）+3/7（1+c）/cos（3/?
+®
）+sin⑶2+%）］
9（2-29）
=-—9/?
2sin3n+3ncycos3n+sin3n
an=an2一1
hn=3ncy
en=an2（\+k）-\fn=3/?
（l+c）y
（2-30）
A[一—（sin3z?
cos（pn+cos3/2sin%r）+fn（cos3ncos（pn一sin3nsin%J]=—ansin3n+hncos3n
根据sin3〃和cos3,7各自两端系数相等可以列出下面的等式
（2-31）
cos%+£
sin%」
bn=sin（pn+fncos%
上面的等式两端除cos%得
F面的等式两端cos（pn得
1_tan厲+人
cos%bH
（2-33）
（2-34）
（2-35）
可以得出
+fntan（pn]_—Jtan（pn+fn
tan（pn=5仁一也a启+bnfn
好arctan泌也
55+bnfn
（2-36）
其中
这样我们就可以写出空气包后管路的流量表达式
（2-38）
3ARco二2cos⑶妙一久）A2二4cos（3〃0—%JA斬）=丁［二■茲.—_工盖…⑶产JI
上式中Qm——平均流量；
。
——曲柄转角；
k——排出管路中所研究段液体惯性与空气包及其支管内所研究段液体惯性之比；
a——流体频率与空气包固有频率的平方比；
/——排出管路中所研究段的阻力系数与泵的平均排量、曲
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