一种双侧布置不完全齿轮传动式单缸双腔泥浆泵

技术领域

本发明涉及钻探装备技术领域，特别涉及一种双侧布置不完全齿轮传动式单缸双腔泥浆泵。

背景技术

泥浆泵是钻井工程的重要设备，在正常的正循环钻井过程中，泥浆泵将冲洗介质(清水、泥浆、聚合物冲洗液等)在一定的压力下，经过高压软管、水便及钻杆柱中心通孔输送到钻头的底端，以达到冷却钻头、携带岩屑、驱动孔底钻具等目的，它的性能水平和使用寿命直接影响钻井效率和施工成本。

近几年，在石油钻采领域，随着国家对地表深层、深海油气资源勘探开发的大力发展，钻井开采深度逐步增加，开采难度越来越大，油气勘探开发商对泥浆泵等开采设备的质量、体积及可靠性等都有严格的控制和要求。在煤矿领域，随着钻探工艺技术的快速发展，钻探装备已向小体积、大功率的方向发展，定向钻进等瓦斯抽放新技术的广泛应用，使得钻孔直径越来越大，深度越来越长，这对泥浆泵的排量、压力和稳定性等提出了更高的要求。

目前，钻井工程中常用的泥浆泵是三缸单腔往复式泥浆泵，这类泥浆泵由动力机带动曲轴回转，曲轴通过十字头再带动活塞或柱塞在泵缸中做往复运动，在吸入阀和排出阀的交替作用下，实现压送与循环冲洗液的目的。这类泥浆泵的典型特征是单缸单作用，虽然可靠性较高，但缺点是体积和重量大，机械效率低、流量脉冲大，同时，也存在以下问题，限制其性能的进一步提升：

(1)当需要较大泵量时，只能通过增大冲程、提高冲次、增大泵缸直径等方式实现，但这些措施会带来以下不利影响：①冲程和泵缸直径的增大会造成泥浆泵的体积、质量更大，使用条件受限；②冲程、冲次的增加也会加剧曲轴机构的急回特性，造成振动和噪声增大，而且也对动力机的性能提出更高要求；③泥浆的吸入性能与冲次直接相关，冲次越高，吸入性能越差，过高的冲次也会造成泵头组件的疲劳损坏。

(2)泥浆泵曲轴一般采用轴端两支撑，为保证曲轴的刚性和强度，所用曲轴的体积和质量特别大；而且，由于曲轴受到连杆的作用力很大，转速相对较低，工作过程中，滑动轴承油膜建立比较困难，轴承易损坏。

(3)泥浆泵曲轴一般为空心铸造曲轴，轴两端支撑外圆和连杆轴颈外圆质量分布不均匀，增大了曲轴的旋转不平衡性，易造成连杆轴颈偏磨。

为此，针对以上产品现状和技术问题，本发明对泥浆泵动力端驱动方式和液力端活塞缸体结构进行了创新设计，设计出了一种双侧布置不完全齿轮传动式单缸双腔泥浆泵，以克服上述缺陷，满足更高要求的地质钻探施工需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种双侧布置不完全齿轮传动式单缸双腔泥浆泵，以解决三缸单作用往复式泥浆泵体积、重量大、流量脉冲大和曲轴易损坏等问题。

为解决上述问题，本发明采取如下技术方案：

一种双侧布置不完全齿轮传动式单缸双腔泥浆泵，设置动力端总成和液力端总成；所述的动力端总成设置第一传动轴和第二传动轴，第一传动轴上套设第一不完全齿轮，第二传动轴上套设第二不完全齿轮，沿垂直方向穿过所述的第一传动轴和第二传动轴设置齿条；第一不完全齿轮或第二不完全齿轮与所述的齿条啮合；齿条的轴向位移为液力端总成提供动力。

可选的，所述的第一不完全齿轮为一半或部分有齿，另一半或其他部分为光滑面的齿轮结构；第二不完全齿轮的结构与第一步完全齿轮的结构相同。

可选的，所述的第一不完全齿轮或第二不完全齿轮与所述的齿条啮合，需满足：当第一不完全齿轮的与齿条啮合时，推动齿条向一个方向运动后，第一不完全齿轮与齿条脱离啮合；同时，第二不完全齿轮与齿条啮合，带动齿条向另一个方向运动；到达行程终点时，第二不完全齿轮与齿条脱离啮合，即完成一个周期的往复运动。

可选的，所述的齿条为圆柱形的杆体，所述杆体上沿垂直于轴向设置有上下对称的齿结构；第一不完全齿轮的分度圆或第二不完全齿轮的分度圆与齿条上齿结构的分度圆相切。

可选的，所述的液力端总成由上到下设置进水组件、泵体和排水组件；所述的泵体内设置至少一个缸体，缸体内设置活塞组件，所述的活塞组件与所述的齿条轴向对接。

可选的，所述的活塞组件与齿条的对接处设置卡套，活塞组件位于缸体端部的位置套设密封盖。

可选的，在所述的泵体内并列间隔设置三个缸体，每个缸体内壁均设置有缸套。

可选的，所述的活塞组件设置活塞杆，活塞杆外套设活塞皮碗，活塞皮碗的两端设置压盖。

可选的，所述的进水组件包括进水管、连接管和法兰；进水管为中空结构，用于将泵体三个进水口连通；连接管内侧连通两个进水管，外侧安装法兰；排水组件的结构与进水组件的结构相同。

可选的，所述的动力端总成设置箱体，第一传动轴和第二传动轴的两端通过轴承固定在箱体上，轴承外设置端盖进行轴向限位固定。

本发明具有以下有益效果：

1、设计了双侧对称布置的不完全齿轮机构作为动力传动组件，结构简单，动力传输连接件少，传动效率高，可靠性好。

2、本发明采用的不完全齿轮传动机构相比普通三缸泥浆泵的曲轴传动机构，体积、重量大大减小，重量约为同型号普通泥浆泵曲轴的1/3；且不完全齿轮机构能够得到充分的润滑冷却，传动噪音小，发热少。

3、双侧对称设计的活塞组件将每个泵缸分成两个单独的腔体，每个腔体分别设计吸水阀和排水阀，实现了活塞一次往复运动，完成两次吸水和排水动作。

4、设计了集成式进水组件和排水组件，分别对泥浆泵的6组进水口和6组排水口的液流进行汇集，便于外接进水管和排水排，并且两侧均设计法兰连接机构，安装使用方便。

5、本发明提出的设计思路在大排量泥浆泵应用中效果更为明显，采用该技术研发的大排量泥浆泵，在煤炭、地质、石油等大直径超长钻孔施工、复杂地层钻孔施工等应用，不但体积小、重量轻便于现场应用，而且单缸双腔体的工作方式大大提高泥浆泵的工作寿命，降低生产成本。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1为本发明的双侧布置不完全齿轮传动式单缸双腔泥浆泵整体结构示意图；

图2为图1的纵向剖面示意图；

图3为图2的横向剖面示意图；

图4为进水组件(排水组件)的结构示意图；

图5为活塞组件的结构示意图；

附图标号含义：

1-动力端总成、11-第一传动轴、12-第二传动轴、13-第一不完全齿轮、14-第二不完全齿轮、15-齿条、16-卡套、17-密封盖；

2-液力端总成、21-进水组件、211-连接管、212-进水管、213-法兰、22-泵体、221-缸套、222-活塞组件、2221-活塞皮碗、2222-压盖、2223-活塞杆、223-单向阀、23-排水组件。

具体实施方式

为使本发明的技术方案、目的及有益效果更加清楚明了，结合以下实施例，对本发明作进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，凡在本发明技术方案的基础上做的等同变换，都应当属于本发明的保护范围。以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

如图1-5所示，本发明的双侧布置不完全齿轮传动式单缸双腔泥浆泵，包括动力端总成1和液力端总成2；动力端总成1设置第一传动轴11和第二传动轴12，第一传动轴11上套设第一不完全齿轮13，第二传动轴12上套设第二不完全齿轮14，沿垂直方向穿过所述的第一传动轴11和第二传动轴12设置齿条15；第一不完全齿轮13或第二不完全齿轮14与所述的齿条15啮合；齿条15的轴向位移为液力端总成2提供动力。本发明设计的双侧布置不完全齿轮传动式单缸双腔泥浆泵，动力机带动第一传动轴11和第二传动轴12旋转，第一传动轴11和第二传动轴12带动两组不完全齿轮旋转，当第一不完全齿轮13与齿条15啮合时，带动齿条15向左侧运动，齿条15推动活塞组件222向左运动，此时泵缸的左侧腔体体积减少，排水阀打开，吸水阀关闭，进行排水作业；右侧腔体体积增大，内腔形成负压，吸水阀打开，排水阀关闭，进行吸水作业。当第一不完全齿轮13与齿条15脱离啮合时，第二不完全齿轮14与齿条15进入啮合，第二不完全齿轮14带动齿条15向右运动，齿条15带动活塞组件222向右运动，此时泵缸右侧腔体体积减小，排水阀打开，吸水阀关闭，进行排水作业；左侧腔体体积增大，内腔形成负压，吸水阀打开，排水阀关闭，进行吸水作业。当第二不完全齿轮14与齿条15脱离啮合时，即完成一个周期的往复运动。

在本公开的实施例中，第一不完全齿轮13为一半或部分有齿，另一半或其他部分为光滑面的齿轮结构；第二不完全齿轮14的结构与第一步完全齿轮13的结构相同。具体的，结合图2，本发明中使用的第一不完全齿轮13和第二不完全齿轮14的尺寸参数相同，且均为半圆形齿轮，即齿轮外圆的一半圆周有齿，一半为光滑面；本实例中，两个不完全齿轮的模数为2，齿数为10，齿宽为25mm，分度圆直径为42mm。

在本公开的实施例中，第一不完全齿轮13或第二不完全齿轮14与齿条15啮合，需满足：当第一不完全齿轮13的与齿条15啮合时，推动齿条15向一个方向运动后，第一不完全齿轮13与齿条15脱离啮合；同时，第二不完全齿轮14与齿条15啮合，带动齿条15向另一个方向运动；到达行程终点时，第二不完全齿轮14与齿条15脱离啮合，即完成一个周期的往复运动。具体的，本实例中不完全齿轮机构的运动方式为：第一不完全齿轮13与齿条15啮合时，带动齿条向左运动，转动半圈之后，第一不完全齿轮13与齿条15脱离啮合，此时齿条达到形成行程终点；与此同时，第二不完全齿轮14与齿条15进入啮合状态，带动齿条向右运动，第二不完全齿轮14转动半圈之后与齿条15脱离啮合，齿条到达右侧行程终点，即完成一个周期的往复运动。

在本公开的实施例中，齿条15为圆柱形的杆体，杆体上沿垂直于轴向设置有上下对称的齿结构；第一不完全齿轮13的分度圆或第二不完全齿轮14的分度圆与齿条15上齿结构的分度圆相切。具体的，齿条15的左右两端为圆柱面，中间为有齿部分长度为70mm，且上下均有齿，齿形与不完全齿轮相同。具体的，不完全齿轮传动机构是一种上、下齿轮交替传动的间歇式运动机构，包括第一不完全齿轮13、第二不完全齿轮14和齿条15，安装时齿条与不完全齿轮采用标准的安装形式，即齿轮的分度圆与齿条的分度圆相切；两个不完全齿轮的相位须相同，保证同时只能有一个不完全齿轮与齿条啮合。

在本公开的实施例中，液力端总成2由上到下设置进水组件21、泵体22和排水组件23；泵体22内设置至少一个缸体，缸体内设置活塞组件222，活塞组件222与齿条15轴向对接。

在本公开的实施例中，活塞组件222与齿条15的对接处设置卡套16，活塞组件222位于缸体端部的位置套设密封盖17。具体的，卡套16用于连接齿条15和活塞杆2223，将动力传递给液力端总成2。

在本公开的实施例中，在泵体22内并列间隔设置三个缸体，每个缸体内壁均设置有缸套221。具体的，泵体22设计为三缸结构，整体通过铸造成形，内腔采用数控机床进行精加工，加工完成后，将陶瓷材质的缸套221分别镶嵌在泵缸内腔；泵体22上面的6个圆形孔为出水口，分别安装6个单向阀223；泵体下面的6个圆形孔为吸水口，分别安装6个吸水单向阀。

在本公开的实施例中，活塞组件222设置活塞杆2223，活塞杆2223外套设活塞皮碗2221，活塞皮碗2221的两端设置压盖2222。具体的，活塞组件25由活塞皮碗2221、压盖2222和活塞杆2223组成，2个活塞皮碗2221分别安装在活塞杆2223大圆面的两端，并通过压盖2222进行固定。

在本公开的实施例中，进水组件21包括进水管212、连接管211和法兰213；进水管212为中空结构，用于将泵体22三个进水口连通；连接管211内侧连通两个进水管212，外侧安装法兰213；排水组件23的结构与进水组件21的结构相同。具体的，进水组件21由连接管211、进水管212和法兰213组成，连接管211和进水管212通过螺栓连接，法兰213和连接管211通过螺纹连接；进水组件21通过内六角螺栓固定在泵体22的下面，主要作用将进水管与泵体的6个进水口联通，并提供足够的液流。具体的，排水组件23由排水连接管、排水管和法兰组成，排水连接管和排水管通过螺栓连接，法兰和排水连接管通过螺纹连接；排水组件23通过内六角螺栓固定在泵体22上面，其作用是将泵体的6个排水口液流汇集到一起并排出。

在本公开的实施例中，动力端总成1设置箱体，第一传动轴11和第二传动轴12的两端通过轴承固定在箱体上，轴承外设置端盖进行轴向限位固定。具体的，箱盖通过螺钉固定在箱体上，第一传动轴11和第二传动轴12的两端通过滚珠轴承安装在箱体上，轴承外圈用端盖进行轴向定位。第一不完全齿轮13通过花键安装在第一传动轴11上，并与齿条15啮合；第二不完全齿轮14通过花键安装在第二传动轴12上；齿条15左右两端安装在齿轮箱体的内孔上，齿轮箱体内孔与齿条15外圆间隙配合，并对齿条进行扶正。第一不完全齿轮13、第二不完全齿轮14和齿条15组成的不完全齿轮机构，将动力机传递来的回转运动转化为往复式运动，为活塞组件运动提供动力。

如图2所示，活塞组件222将泵缸分成左右两个单独的腔体，每个腔体上下均安装排水单向阀和吸水单向阀；右侧腔体通过密封盖17进行密封。活塞杆2223通过卡套16与齿条15连接，在齿条15的带动下，活塞组件222做往复运动，其工作流程为：①当活塞组件222向左运动时，左侧腔体体积减小，排水单向阀打开，吸水单向阀关闭，左腔进行排水作业；右侧腔体体积增大，腔体内产生负压，在负压作用下，排水单向阀关闭，吸水单向阀打开，右腔进行吸水作业。②当活塞组件222向右运动时，右侧腔体体积减小，排水单向阀打开，吸水单向阀关闭，右腔进行排水作业；左侧腔体体积增大，腔体内产生负压，在负压作用下，排水单向阀关闭，吸水单向阀打开，左腔进行吸水作业。本发明中的单向阀223，安装在进水组件21上就叫吸水单向阀，安装在排水组件23上就叫排水单向阀。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。