Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trục piston bơm dầu mỏ

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ
XW




BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
CẤP BỘ NĂM 2011



Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”.
Ký hiệu: 165.11RD/HĐ-KHCN





Cơ quan chủ quản:
BỘ CÔNG THƯƠNG
Cơ quan chủ trì đề tài:
VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ
Chủ nhiệm đề tài:
NCVCC.TS PHAN THẠCH HỔ


9096

Hµ néi - 2011
BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ
XW




BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
CẤP BỘ NĂM 2011



Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”.
Ký hiệu: 165.11RD/HĐ-KHCN





VIỆN TRƯỞNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI




NCVCC.TS PHAN THẠCH HỔ

Hµ néi - 2011
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

1
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 2
DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 4
LỜI NÓI ĐẦU 5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BƠM DẦU MỎ VÀ TRỤC PISTON. 6
1.1 Tổng quan về bơm dầu mỏ: 6
1.2 Một số loại bơm dầu mỏ: 7
1.3 Tổng quan về trục piston 18
1.4 Kết luận 18
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ TRỤC PISTON BƠM DẦU MỎ 19
2.1 Tính toán các thông số trục piston bơm dầu mỏ 19
2.2 Thiết kế trục piston 29
2.3 Kết luận Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG III: LẬP QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRỤC PISTON
BƠM DẦU MỎ Error! Bookmark not defined.

3.1. Phân tích chi tiết gia công Error! Bookmark not defined.
3.2. Xác định dạng sản xuất Error! Bookmark not defined.
3.3. Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi: Error! Bookmark not defined.
3.4. Kích thước phôi: Error! Bookmark not defined.
3.5. Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết Error! Bookmark not defined.
3.6. Trình tự các nguyên công để gia công các bề mặt chi tiếtError! Bookmark not defined
.

3.7. Lượng dư gia công Error! Bookmark not defined.
3.8. Tính toán và tra chế độ cắt: Error! Bookmark not defined.
3.9. Kết luận Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG IV: CHẾ TẠO TRỤC PISTON, LẮP DẶT CHẠY THỬError! Bookmark not d
e
4.1 Chế tạo trục piston: Error! Bookmark not defined.
4.2 Lắp đặt, chạy thử truc piston bơm dầu mỏ Error! Bookmark not defined.
4.3 Kết luận: Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined.
LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined.

CÁC VĂN BẢN KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM
CỦA ĐỀ TÀI Error! Bookmark not defined.

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.
Phụ lục 1: Bản vẽ thiết kế trục piston bơm dầu mỏ Error! Bookmark not defined.
Phụ lục 2: Hợp đồng và phụ lục hợp đồng nghiên cứu khoa họcError! Bookmark not defin
e


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

2
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
1. Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trục piston bơm dầu mỏ.”
2. Cơ sở pháp lý của đề tài:
- Quyết định số 6878 /QĐ – BCT, ngày 29 tháng 12 năm 2010 về việc đặt
hàng thực hiện các nhiệm vụ KHCN năm 2011 của Bộ Trưởng Bộ Công Thương.

- Hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công nghiên cứu
khoa học và phát triển công nghệ số 165.11 RD/HĐ-KHCN ngày 26 tháng 04 năm
2011.
3. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
3.1. Tính cấp thiế
t:
Ở trong nước, các bơm dầu trong ngành khai thác dầu mỏ chủ yếu là bơm
ngoại nhập. Trong đó, một số chi tiết mau mòn chóng hỏng chưa chế tạo được với
điều kiện trong nước. Khi hỏng chi tiết nào đó của bơm, chúng ta phải thay toàn bộ
bơm và nhập khẩu từ nước ngoài về, điều đó gây ra tốn kém về ngoại tệ và mất
nhiều thời gian ch
ờ đợi. Việc nghiên cứu chế tạo trục piston bơm dầu là rất cấp
thiết. Đề tài nhằm đáp ứng yêu cầu trên và đóng góp một phần nhỏ cho sự phát triển
của ngành cơ khí chế tạo trong nước.
3.2. Mục tiêu của đề tài:
Làm chủ việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo trục piston bơm dầu mỏ và đưa
vào ứng dụng sản xuất trong nước thay th
ế hàng nhập khẩu.
4. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu:
4.1. Đối tượng:
- Nghiên cứu tổng quan chế độ làm việc của bơm dầu mỏ và trục piston.
4.2. Phạm vi nghiên cứu:
- Tính toán thiết kế trục piston bơm dầu mỏ.
- Lập quy trình công nghệ chế tạo trục piston bơm dầu mỏ.
- Chế tạo 05 trục piston bơm dầu mỏ. Đưa vào XNLD dầu khí Vietsovpetro
để lắp đặt ch
ạy thử.


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

3
4.3. Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Thu thập, nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp
tài liệu, thiết kế.
- Phương pháp thực nghiệm: Nghiên cứu các điều kiện làm việc thực tế trục
piston bơm dầu mỏ, lựa chọn thiết bị vật liệu phù hợp tại các cơ sở sản xuất để gia
công trục đạt các yêu cầu kỹ thuật.
5. Kinh phí thực hi
ện đề tài:
- Tổng số: 300 triệu đồng
+ Từ ngân sách Nhà nước: 300 triệu đồng
+ Vốn tín dụng: 0 triệu đồng
+ Vốn tự có: 0 triệu đồng
6. Thời gian thực hiện: 12 tháng.
- Bắt đầu: 01/2011
- Kết thúc: 12/2011
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

4
DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
STT Họ và tên
Học hàm, học vị,
chuyên môn
Cơ quan công tác
1
Nguyễn Văn Bình Kỹ sư cơ khí Viện Nghiên cứu Cơ khí
2

Mai Quý Sáng Thạc sỹ kỹ thuật Viện Nghiên cứu Cơ khí
3
Nguyễn Thị Sinh Kỹ sư cơ khí Viện Nghiên cứu Cơ khí
4
Vũ Quang Huy Thạc sỹ kỹ thuật Viện Nghiên cứu Cơ khí
5
Đỗ Thái Cường Kỹ sư cơ khí Viện Nghiên cứu Cơ khí
6
Nguyễn Danh Đức Kỹ sư cơ khí Viện Nghiên cứu Cơ khí
7
Mai Đức Thái Kỹ sư cơ khí Viện Nghiên cứu Cơ khí
8
Đặng Trọng Liễu Kỹ sư cơ khí dầu mỏ
Xí nghiệp Liên doanh dầu
khí Vietsovpetro














Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”

Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

5

LỜI NÓI ĐẦU
Bơm dầu mỏ là một thiết bị chuyên dùng được sử dụng trong ngành công
nghiệp khai thác dầu mỏ đã được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu chế tạo và
ứng dụng rộng rãi. Ở các nước phát triển với trình độ khoa học kỹ thuật cao người
ta đã chế tạo hàng loạt và đa dạng về chủng loại.
Ở trong nước, bơm dầu mỏ đang sử d
ụng chủ yếu là bơm ngoại nhập. Một số
chi tiết mau mòn, chóng hỏng của bơm ta chưa có khả năng chế tạo mới, do đó việc
thay thế còn rất khó khăn. Các thiết bị này khi thay thế cần phải nhập khẩu từ nước
ngoài về hoặc khi hỏng một chi tiết nào đó thì phải thay toàn bộ bơm điều đó gây
tốn kém về kinh tế, lãng phí và mất nhiề
u thời gian chờ đợi, ảnh hưởng đến sản
xuất.
Trong bơm dầu mỏ làm việc theo hành trình kép, trục piston được dẫn động
bởi động cơ qua hộp giảm tốc và thanh truyền. Trục làm việc ở điều kiện làm việc
khắc nghiệt, chịu tác dụng của tải trọng lớn, đổi chiều, là chi tiết mau mòn chóng
hỏng Do đó đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, ch
ế tạo trục piston bơm dầu mỏ” được
Viện nghiên cứu Cơ khí đề xuất và bộ công thương chấp thuận nhằm đáp ứng yêu
cầu sản xuất, góp phần phát triển năng lực ngành cơ khí chế tạo trong nước đồng
thời chủ động nội địa hoá thiết bị trong ngành khai thác dầu mỏ.


Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BƠM DẦU MỎ VÀ TRỤC PISTON.

1.1 Tổng quan về bơm dầu mỏ:
* Tình hình ứng dụng và phát triển trên thế giới:
Bơm dầu mỏ là loại bơm đã được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ở các nước
công nghiệp tiên tiến trên thế giới. Chúng được sử dụng rộng rãi ở các mỏ dầu trên
đất liền và ngoài biển. Việc chế tạo phụ tùng thay thế trong đó có trục piston cho
bơm đã thành ngành công nghi
ệp truyền thống, lâu đời. Có những nhà máy chuyên
ngành sản xuất vật liệu chế tạo máy móc gia công chuyên dụng cho từng loại phụ
tùng cụ thể. Sản phẩm của các nước này có chất lượng cao, tuổi thọ cao, làm việc
ổn định. Tuy nhiên giá thành cũng rất đắt, có trường hợp gấp hàng chục lần sản
phẩm chế tạo trong nước.
* Tình hình ứng dụng và phát triển tại Việt Nam:
Ở n
ước ta, một số đơn vị như Viện Nghiên cứu Cơ khí, Viện Khoa học Thủy
Lợi, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ, nhà máy bơm Hải Dương và một số cơ sở khác
… đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nhiều loại bơm và đã đưa ra ứng dụng rộng rãi
trong sản xuất. Tuy nhiên bơm dầu mỏ và phụ tùng thay thế chưa có đơn vị nào
nghiên cứ
u, thiết kế, chế tạo. Hàng năm, nước ta còn phải nhập khẩu 100% bơm dầu
mỏ và phụ tùng phục vụ cho các dàn khoan, nhà máy, xí nghiệp trong cả nước, tốn
kém rất nhiều ngoại tệ.
Nền kinh tế của đất nước ta trong những năm gần đây đã có những bước tiến
vượt bậc với sự tăng trưởng luôn được duy trì ổn định ở mức tương
đối cao. Ngành
công nghiệp dầu khí Việt Nam là một trong những ngành mũi nhọn của cả nước mà
điển hình là XNLD dầu khí “Vietsovpetro” đóng góp một phần không nhỏ vào các
thành tựu phát triển đó.

Xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsovpetro là một đơn vị đứng đầu trong công tác
tìm kiếm, thăm dò và khai thác dầu khí hiện nay. Vùng hoạt động chủ yếu là thềm
lục địa phía Nam Việt Nam và đang mở rộng hợp tác sang các nước như Liên Bang
Nga, Angeri, Vênêzuela, Kadắctan, …
Hi
ện nay xí nghiệp liên doanh dầu khí “ Vietsovpetro” đang khai thác dầu
trên 3 mỏ chính là Bạch Hổ, Rồng và Đại Hùng. Ở mỏ Bạch Hổ có 11 giàn cố định
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

7
và một số giàn nhẹ và là mỏ chiếm phần lớn sản lượng sản phẩm khai thác trong
liên doanh. Để phục vụ cho công tác tìm kiếm thăm dò và khai thác dầu khí, đặt ra
nhiệm vụ quan trọng là phải có một hệ thống trang thiết bị phù hợp với điều kiện
của khu mỏ, để đem lại hiệu quả kinh tế cao. Các thiết bị máy móc phục vụ cho
ngành dầu khí rất đa d
ạng, trong đó máy bơm piston được sử dụng rộng rãi trong xí
nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực khai thác.
1.2 Một số loại bơm dầu mỏ:
1.2.1. Máy bơm piston:
Máy bơm piston được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế
quốc dân. Nó được sử dụng để bơm nước lã, bơm dung dịch, bơm hoá chất… và
phục vụ cho nhiều mục đích khác. Chúng được dùng rấ
t nhiều trong công nghiệp
khai thác dầu khí hiện nay
Máy bơm piston có thể tạo ra áp suất và lưu lượng không phụ thuộc vào
nhau. Đây là yếu tố quan trọng để đáp ứng yêu cầu về công nghệ khai thác dầu. Cấu
tạo đơn giản, dễ sửa chữa, lắp ráp, độ bền cao và dễ thay thế
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

8
1.2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Hình 1-1 Nguyên lý kết cấu bơm piston
Cấu tạo của một máy bơm piston đơn giản bao gồm piston số 1 được chuyển
động tịnh tiến trong xy lanh 2; cơ cấu tay quay thanh truyền số 3; ống hút số 4; ống
đẩy số 5; van hút 6; van đẩy 7; bình điều hòa hút số 8; và bình điều hòa đẩy số 9.
Nguyên lý làm việc như sau: khi piston chuyển từ trái qua phải, thể tích
buồng B tăng lên, áp suất giảm, van 7 đóng lại, van 6 mở, n
ước từ ống hút 4 vào
buồng B qua van 6.
Khi piston đi ngược lại, thể tích buồng B giảm đi, áp suất tăng lên, van 6
đóng lại, van 7 mở, nước từ buồng B qua van 7 ra buồng C và ra ống đẩy. Với tác
dụng của bình điều hòa hút 8 và bình điều hòa đẩy 9 sẽ giảm được sự dao động
dòng chảy trong ống hút và ống đẩy vì sự hút nước và đẩy nước được thực hiện một
cách có chu kỳ. Hành trình c
ủa piston là S = 2r với r là bán kính tay quay của trục
khuỷu.
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

9
1.2.1.2. Phân loại bơm piston.
- Phân loại theo khả năng tác dụng: Ta có bơm tác dụng đơn như hình 1-1,
sau mỗi hành trình đi lại của piston, chỉ một lần nước được đưa ra ống đẩy, còn
bơm tác dụng kép (hình 1-2) thì sau một hành trình đi lại của piston, sẽ có hai lần
nước được đưa ra ống đẩy.
- Phân loại theo dạng piston: Piston hình trụ, piston dạng đĩa.
- Phân loại theo số xy lanh: 1 xy lanh, 2 xy lanh, 3 xy lanh. Loại 2 và 3 xy

lanh có thể bố trí các góc
độ thích hợp để cho máy được cân bằng.
- Theo vị trí xy lanh: Nằm ngang và thẳng đứng.
- Theo loại dẫn động: Dẫn động bằng tay, bằng điện, bằng khí nén…

Hình 1-2 Bơm piston tác dụng kép
1.2.1.3. Biểu đồ chu trình:
Biểu đồ kín ABCD là biểu đồ chu trình của máy bơm Piston.
- Hành trình hút A-B-C: Áp suất trong xy lanh giảm dần, đến B van hút mở,
chất lỏng được hút vào xy lanh, trong quá trình hút, áp suất trong xy lanh gần như
không đổi. Đến điểm kết thúc hành trình của piston C cũng là kết thúc quá trình hút.
- Hành trình đẩy C-D-A: Khi piston đi ngược lại từ phải qua trái, áp suất
trong xy lanh tăng dần đến điểm D, van đẩy bắt đầu mở, ch
ất lỏng được đưa ra ống
đẩy với áp suất gần như không đổi, quá trình đẩy kết thúc tại A. ∆p là độ chênh áp
mà máy tạo nên; ∆pyc độ chênh áp yêu cầu do có các tổn thất và sức cản của các
van. Phần tổn thất thể tích do có khí trong chất lỏng.
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

10

Hình 1-3 Biều đồ chu trình của bơm piston
+ Năng suất lý thuyết của máy bơm piston:
- Bơm tác dụng đơn:
V
LT
= 60APSni, m
3
/h

Hoặc V
LT
= ApSni, m
3
/ph
Với: A
p
là diện tích tiết diện ngang của piston, m
2
;
S là hành trình của piston, m;
n: là số hành trình kép trong 1 phút của piston; i là số xylanh làm việc.
- Bơm tác dụng kép:
V
LT
= 60(2A
P
– A
C
)Sni, m
3
/h
Hoặc V
LT
= (2A
P
– A
C
)Sni, m
3

/ph
Với A
C
là diện tích phần trục piston, m
2

+ Năng suất thực tế V sẽ nhỏ hơn năng suất lý thuyết do các nguyên nhân
như các van không được kín, các khe hở lót kín không tốt, do đóng mở chậm của
các van, do khí bị hút vào… Do đó ta đưa ra đại lượng là hiệu suất lưu lượng hay
hiệu suất thể tích của bơm:
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

11
η
II
= V/V
LT

Với những máy bơm trung bình thì
η
II
có thể đạt tới 90 đến 95%; bơm nhỏ
đạt đến 90%.
Hiệu suất thủy lực
η
h
bao gồm tất cả các tổn thất thủy lực ∆h, nó phát sinh ở
trong bơm (không phải ở trong ống dẫn, vì những tổn thất này phát sinh cả ở lúc
không tải)

hH
H
H
H
LT
h
∆+
==
η

Các tổn thất thủy lực ∆h được gây nên chủ yếu là do các sức cản của van hút
và van đẩy, có thể lấy gần đúng 1 giá trị không đổi
η
h
= 0,85 cho các máy áp suất
thấp và tới 0,98 cho các máy áp suất cao.
η
i
là hiệu suất chỉ thị, nó được tính từ biểu đồ chỉ thị p = f(V). Nếu không
có lẫn khí ở trong bơm (trong chất lỏng được bơm) thì:
η
i
=
η
h
η
II

Hiệu suất cơ khí tính đến các tổn thất do ma sát ở trục khuỷu, ở piston và các
bộ phận lót kín:

η
ck = 0,88
÷
0,95; ở các máy kiểu đứng thì
η
ck lớn hơn máy
nằm ngang.
Hiệu suất chung
η
c
=
η
i
η
ck
=
η
h
η
II
η
ck
= 0,7
÷
0,9 cho các bơm có trục
khuỷu.
1.2.1.4. Chiều cao hút trong bơm piston

Hình 1-4 sơ đồ tính toán chiều cao hút của bơm piston
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

12
Khả năng hút của bơm piston được mô tả trên hình 1-4. Với tác dụng của áp
suất trên mặt thoáng bể hút p
A
thì nước có thể đưa lên 1 độ cao là H
A
nếu trong ống
là chân không. Song vì có tổn thất trên đường ống hút ∆H
tt
và sức cản mở van hv
nên khi áp ở B bằng áp suất bốc hơi H
bh
của chất lỏng thì bất đầu có hiện tượng xâm
thực và khi đó ta có chiều cao hút cực đại H
h,max
.
Kết hợp 3 hình vẽ trong hình 1-4 ta có:
bh
h
vtthA

H
g
c
hHHH +++∆+=
2
2
max,

Do chiều cao hút lớn nhất sẽ là:
g
c
hvHHHH
h
ttbhAh
2
2
max,
−−∆−−=

Điều kiện tránh xâm thực bơm sẽ là:
H
h
< H
h,max
1.2.1.5. Động học máy bơm piston
- Hành trình chuyển động của piston theo thời gian:

Hình 1-5. Tính toán động học máy bơm piston
Quãng đường chuyển động của piston là x
p

bằng quãng đường chuyển động của con
trượt là x tính từ điểm chết trên của piston sau 1 thời gian t nào đó (hình 1-5). Như
vậy ta có:
x = 1 + r – ( rcosα + 1cosβ)1 = r(1 – cosα) + 1(1 – cosβ)
Mặt khác ta có rsinα = 1sinβ = AE
Do vậy
αλαβ
sinsin
1
sin ==
r


(
)
2/1
2222
sin1sin1cos
αλαλβ
−=−=

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

13
Vế phải được khai triển thành chuỗi sau:
()

8
sin

2
sin
1sin1
4422
2/1
2
−−−=−
αλβλ
αλ

Vì λ rất nhỏ nên có thể bỏ qua số hạng bậc cao trên 3 của nó, ta có:
2
sin
1cos
22
αλ
β
−≈

Thay vào công thức cho quãng đường hành trình x ta có:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−+=
⎟
⎟
⎠

⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+−−+≈
εα
λ
αα
λ
cossin
2
1cossin
2
111
22
2
rrrx

()
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+−=
α
λ
ε

2cos1
4
cos1rx

Tốc độ của piston sẽ là:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+===
α
λ
αω
α
α
2sin
2
sinr
dt
d
d
dx
dt
dx
c
p

Gia tốc của piston:
()
αλαω
α
α
2coscos
2
+=== r
dt
d
d
dc
dt
dc
a
p

1.2.1.6. Tính chất dao động của lưu lượng:
Lưu lượng tức thời của piston sẽ là:
dtcAdSAdq
ppp
=
=

Với A
P
là diện tích tiết diện mặt làm việc của piston = πD
2
/4 và cp là tốc độ
của piston

Như vậy lưu lượng mà bơm đưa ra ống đẩy sẽ là:
dtrAdq
p
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+=
α
λ
αω
2sin
2
sin

Và sẽ thay đổi theo hàm số sinα, nghĩa là lưu lượng bị giao động mạnh trong
ống đẩy cũng như trong ống hút. Biểu đồ thay đổi lưu lượng của máy bơm piston
được mô tả trên hình 1-6. Mức độ không đồng đều lưu lượng của máy được biểu thị
bằng biểu thức:
tb
q
q
max
=
δ
= tỷ số giữa lưu lượng cực đại và lưu lượng trung bình.
Trong vận tải đường ống, mức độ không đồng đều lưu lượng thường bằng
1,25÷1,17

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

14

Hình 1-6 Biểu đồ thay đổi lưu lượng trong bơm piston
1.2.1.7. Khảo sát quá trình hút và đẩy dưới tác dụng của các bình điều hòa:
* Quá trình hút:
A – Khi không có bình điều hòa hút:
Chiều cao hút lớn nhất có thể đạt được H
h
xác định theo điều kiện không có
xâm thực, vị trí nguy hiểm chính là ở mặt ngoài piston. Ở tất cả các loại bơm, việc
thực hiện yêu cầu này phụ thuộc vào các nhân tố ảnh hưởng sau:
a) Áp suất trên mặt thoáng bể hút
b) Nhiệt độ của chất lỏng được bơm
c) Sức cản của dòng chảy ở ống hút
d) Các tổn thất do gián đoạn dòng ch
ẩy, do tạo xoáy và do va đập
e) Ở máy bơm piston còn có các ảnh hưởng do tính chất làm việc có chu kỳ của
nó, nghĩa là chịu ảnh hưởng của:
f) Các áp suất do tăng tốc độ có chu kỳ của cột nước
g) Các sức cản dòng chảy tăng lên do tốc độ không đều
h) Các sức cản của van
Ở điểm f) nếu ta gọi tiết diện ngang của piston là A
p
và tiết diện ống hút A
h
thì theo
phương trình liên tục ta có:

pphh
cAcA
=

Với c
h
là tốc độ nước trong ống hút, c
p
là tốc độ của piston. Như vậy tốc độ nước
trong ống hút sẽ là:
h
p
ph
A
A
cc =

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

15
Ở điểm c): Động năng sẽ là:
22
2
2
2
p
h
p
h

c
A
A
c
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=

Sức cản dòng chảy trong ống hút được tính như sau:
2
2
2
2
1
2
1
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+∑=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+∑=∆
h
pp
h
h
h
h
h
h
hh
A
A
g

c
dg
c
d
h
λ
ξ
λ
ξ
, m
Cả động năng và sức cản đều biến đổi tỷ lệ bậc 2 của tốc độ piston c
p
và sẽ
bằng 0 ở các điểm chết của piston.
Ở điểm g): Các sức cản của van ∆h
v
bao gồm thành phần thứ nhất ∆h
v1
để mở van
chống lại áp suất do lò xo và trọng lượng bản thân van, thành phần thứ hai ∆h
v2
để
mở van, thắng khối lượng quán tính của nó, ∆h
v2
đạt giá trị lớn nhất ở điểm chết của
piston.
Ở điểm e): Cột áp gia tốc Z
b
được dẫn giải từ quy luật chuyển động của trục khuỷu.
Trong ống hút có khối lượng nước

ρ
hhh
Am 1
=
, nó sẽ tăng tốc và bị hãm trong khi
bơm làm việc, do đó có lực quán tính F:
hhhhh
aAamF
ρ
1
=
=

Từ điều kiện liên tục ta có:
pphh
aAaA
=
hoặc
h
p
ph
A
A
aa =

Ta thay thế F qua trọng lực của 1 cột nước có độ cao Z
b
và tiết diện A
h
:

gZAF
bh
ρ
=

Do vậy:
p
h
p
b
a
gA
Al
Z
h
=

Vì gia tốc của piston a
p
có dấu thay đổi nên Z
b
ở lúc bắt đầu hút có ý nghĩa là
1 sự giảm áp suất ở ống hút do sự tăng tốc độ của cột nước hút, còn ở cuối thời kì
hút thì lại biểu thị 1 sự tăng áp suất do sự hãm chậm lại của cột nước hút.Giá trị lớn
nhất của Z
b
ở lúc bắt đầu hút (điểm chết của piston) theo phương trình gia tốc của
piston và α = 0
0
sẽ cho ta:

(
)
(
)
λωαλαω
+=+= 12coscos
22
rra
p

Nghĩa là:
()
2
0max,
1
ωλ
r
gA
Al
ZZ
h
p
bb
h
+==

Ở đó:
222
4rnr
πω

=

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

16
B- Trường hợp có bình điều hòa hút:
Để khử hoặc giảm tính chu kỳ của cột nước hút, máy bơm piston được chế
tạo với 1 bình điều hòa hút W
s
(hình 1.7). Nó đủ lớn để chiều dài của cột nước hút
tăng tốc bị co lại từ l
h
về chiều dài al
h
=
'
. Khi đó tốc độ nước ở ống hút sẽ gần như
không đổi như ở bơm ly tâm. Trong khi làm việc với tốc độ dòng chảy trong ống
hút gần như không đổi thì phương trình năng lượng giữa mặt thoáng của bình điều
hòa hút (ký hiệu Ws) và mặt thoáng ở bể hút (ký hiệu S) được viết:
sv
wsws
ws
ss
h
cP
gZ
cp
gZs

,
22
22
+++=++
ρρ

c
s
và c
ws
có thể bỏ qua. Áp suất ở bình điều hòa hút sẽ là:
svsws
hZgPP
,
*
ρρ
−∆−=

Với ∆Z* là độ chênh chiều cao giữa mặt thoáng chất lỏng của bể hút và mặt
thoáng của bình điều hòa hút.
Như vậy dòng chất lỏng ở hành trình trở về của piston sẽ không bị gián đoạn,
áp suất bốc hơi P
bh
không bị giảm thấp
Những tổn thất tăng tốc lớn nhất sẽ gặp phải ở vị trí chết của piston. Sức cản
lớn nhất của van ∆h
v1
+ ∆h
v2
sẽ nhận được ở ngay gần điểm chết trên và có thể đạt

20m
2
/s
2
.
Điều đó sẽ có được khi:
(
)
)(
210 vbwst
hhvgZbagPP
∆
−
∆
−
−
+
−
ρ
ρ
ρ
<

A và b xem trên hình vẽ 1.6
ở 1 máy bơm có những bình điều hòa thì tổn thất do tăng tốc độ là:
()
2'
0
1
'

ωλ
r
gA
Al
Z
h
p
b
+=
với l’≈ a (xem hình vẽ 1.7) (*)
Chiều cao hút cực đại có thể đạt được là
baZH
h
++∆=
*
max

Từ các dẫn xuất trên ta có:
()
λωλξ
ρρ
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛

−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+∑−
∆−∆
−−= 1
2
2
2
2
21
max,
r
D
D
g
a
d
l
g
c
g
hh
g

P
g
Ps
H
h
p
h
h
hh
g
vvt
h

Trong phương trình này λ
h
là hệ số ma sát của ống hút, còn λ = r/l là tỷ số giữa bán
kính tay quay và chiều dài thanh truyền.
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

17
* Xét quá trình đẩy:
Cũng trên cơ sở như ở phía cửa hút, máy bơm được chế tạo ở phía cửa đẩy 1
bình điều hòa đẩy W
D
(hình 1.7). Để giữ cho các lực khối lượng nhỏ, thì nó được
đặt gần van đẩy. Ở hành trình đẩy sẽ bắt đầu từ điểm chết dưới, piston đẩy nước vào
bình điều hòa, nên đáng lẽ cả chiều dầy ống đẩy lđ thì chỉ còn lại là chiều dài nhỏ l’
đ

nằm giữa piston và bình điều hòa đẩy bị tăng tốc và bị hãm. Từ bình điều hòa , chất
lỏng được dẫn ra với tốc độ gần như đều đặn ở ống đẩy.
Tương tự như phương trình (*) cho sự tăng tốc ở phía đẩy (điểm chết dưới)
sẽ là:
()
2
1
ωλ
r
A
A
g
l
Z
đ
p
đ
bu
−=

Hình 1.7 Tính toán ảnh hưởng của các bình điều hòa hút và điều hòa đẩy đến sự làm
việc của bơm piston
Các giá trị thông thường của tốc độ chất lỏng trong ống hút và ống đẩy cho
các bơm lớn và ống dẫn dài là 1,0m/s. Cho các bơm nhỏ và ống dẫn ngắn sẽ là 1,5
đến 2,0 m/s. Vấn đề cơ bản ở đây là đường kính ống được xác
định theo quan điểm
kinh tế chung lớn nhất, nghĩa là:
∑(vốn đầu tư + chi phí sản xuất) → nhỏ nhất.
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

18
1.3 Tổng quan về trục piston
Trong công nghiệp khai thác dầu mỏ, máy bơm có vai trò như quả tim, duy
trì hoạt động của cả hệ thống. Trục piston là chi tiết quan trọng truyền lực đẩy từ
trục chính của bơm qua piston tới buồng làm việc.
Trục làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, áp lực lớn, môi trường làm việc trong
dầu mỏ và nhiệt độ cao:
+ Áp lực đẩy nh
ỏ nhất của bơm (MPa): 10
+ Áp lực đẩy lớn nhất của bơm (MPa): 25
+ Tải trọng tính toán lên trục piston (kN): 300
+ Chiều dài hành trình Piston (mm): 400
+ Số hành trình kép của piston trong 1 phút (lần/phút): 66
Trục piston được làm bằng kim loại cứng, trên bề mặt của nó được phủ một
lớp kim loại loại hoặc được gia công đặc biệt để chịu ma sát, chống mài mòn. Đầu

dưới của cần piston tiện ren để nối với thanh nối c
ủa máng trượt, đầu trên cũng tiện
ren để giữ piston.
1.4 Kết luận
Bơm dầu mỏ được ứng dụng tại các mỏ dầu ở khắp nơi trên thế giới như là
một công cụ chủ lực cho việc khai thác dầu. Tại các quốc gia có nền công nghệ chế
tạo máy cao và những nước, các vùng có nền công nghiệp khai thác dầu mỏ phát
triển, việc chế tạo bơm và phụ
tùng đã trở thành truyền thống với sản lượng lớn,
chất lượng cao. Tuy nhiên giá thành cũng cao. Ở Việt Nam, dầu mỏ được khai thác
với các thiết bị chủ yếu được nhập từ Liên Xô (cũ). Trên các dàn khoan của xí
nghiệp Liên doanh dầu khí Vietsovpetro đang sử dụng loại bơm Y8-6MA2 tác dụng
kép. Ta chọn đối tượng nghiên cứu là trục piston của loại bơm này. Hiện nay, chúng
ta đang cố gắng nội đị
a hóa một số thiết bị, phụ tùng nhằm thay thế các chi tiết mau
mòn chóng hỏng của nhà máy. Trục piston bơm dầu mỏ là một trong số những chi
tiết mau mòn chóng hỏng.
Nhóm đề tài đã khảo sát thực tế tại Xí nghiệp liên doanh VIETSOVPETRO, tìm
hiểu chế độ làm việc, điều kiện làm việc của bơm cũng như trục piston, tìm hiểu các
dạng hư hỏng của trục piston để phục vụ
cho việc lập quy trình công nghệ chế tạo
trục mới.
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

19
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ TRỤC PISTON BƠM DẦU MỎ
Các thông số kỹ thuật máy bơm Y8-6MA2:
- Mã hiệu bơm: Y8-6MA2
- Bơm làm việc hành trình kép

- Số xi lanh (cái): 2
- Công suất động cơ điện (kW): 585
- Công suất thủy lực (kW): 500
- Số hành trình kép của piston trong 1 phút (lần/phút): 66
- Hành trình Piston (mm): 400
- Đường kính làm việc của xi lanh (mm): 130
- Lưu lượng bơm (l/s): + Nhỏ nhất: 19,7
+ Lớn nhất: 51,6
- Áp lực đẩy của bơm (MPa): + Nhỏ nhất: 10
+ Lớn nhất: 25
- Đường kính trục piston (mm): 70
- Tải trọng tính toán lên trục piston (kN): 300
- Đường kính van: (mm) 145
- Kích thước phủ bì (m): + Dài: 5,1
+ Rộng: 3
+ Cao: 2,71
- Khối lượng không tính bánh đà (T): 26,7
2.1 Tính toán các thông số trục piston bơm dầu mỏ
2.1.1 Cơ sở lý thuyết tính toán trục piston bơm dầu mỏ
Người ta tính toán lực nén và độ ổn định dọc trục đối với trục piston bơm
dầu mỏ tác động đơn (một chiều). Nếu là trụ
c tác động kép (hai chiều) còn tính toán
thêm lực kéo.
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

20

Hình 2.1 Sơ đồ tính toán piston - trục piston
1– Piston; 2 – Trục piston; 3 – Đệm lót trục piston; 4 – Trục con trượt; 5– Con trượt

Tính toán trục về kéo hay nén, cường độ lớn nhất của lực kéo hay nén σ(Pa)
được thực hiện ở tiết diện nhỏ nhất.
σ = P
max
/f (2.1)
Trong đó:
- P
max
là tải trọng lớn nhất tác dụng lên trục (N).
- f là diện tích nhỏ nhất của trục (m
2
)
Tải trọng tác động lên trục trong bơm tác động kép, hợp thành từ áp lực chất
lỏng lên piston, ma sát của đệm lót vào thành ống lót xi lanh và ma sát trục với các
vòng chắn dầu.
Lực nén trục P
щc
(N), chưa kể lực quán tính.
(2.2)
Trong loại bơm có vòng găng tự làm kín, lực ma sát trong vòng chắn dầu có
thể không tính đến, bởi vì khi nén trục, trong buồng piston diễn ra sự nạp chất lỏng
và áp lực không đáng.
Lực kéo trục P
щp
(N), trong bơm tác động kép:

22
12

4

щppi c
Dd
PP Dlkdl
π
µµ
⎛⎞
−
=++
⎜⎟
⎝⎠
(2.3)
Trong đó:
- d là đường kính trục (m).
- D là đường kính Piston (m)
2
12

4
щcpi c
D
PP Dlkdl
π
µµ
⎛⎞
=++
⎜⎟
⎝⎠
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

21
- l
1
và l
2
là chiều dài đệm lót piston và vòng chắn dầu (m).
- µ là hệ số ma sát giữa cao su và kim loại giữa đệm lót piston và trục;
µ = 0,1÷0,2.
- k
c
là hệ số áp lực trung bình đệm lót lên trục; k
c
= 0,15÷0,2.
Khi tính lực tác dụng trong trục, ta xác định ứng suất trong các tiết diện của
trục và hệ số dự trữ bền.
Ứng suất nén lớn nhất σ
cmax
(Pa) tính từ công thức:
σ
cmax
= P
cщ
/f (2.4)
Trong đó:
- f = πd
2
/4 – diện tích mặt cắt ngang trục.
Hệ số an toàn chảy:
S
t

= σ
t
/σ
cmax
(2.5)
Trong đó:
- σ
t
– giới hạn chảy vật liệu trục, (Pa).
Hệ số an toàn chảy phải ở khoảng 2÷5.
Nếu trục thẳng không có bậc, ta không xem xét lực kéo vì Pщc > Pщp. Trong
bơm tác động kép người ta xem xét lực kéo ở tiết diện có đường kính nhỏ nhất của
ren trục với giả thiết lực kéo T(N) tạo ra bởi lực xiết đai ốc:
T = K
з
.(1-x).P
щp
(2.6)
Trong đó:
- K
з
– hệ số vặn chặt đai ốc; khi tải trọng không cố định lấy K
з
=2.
- x – hệ số tải trọng, x = 0,25.
Lực kéo trong tiết diện ren trục (N).
P
pp
= T + x.P
щp

(2.7)
Mô men xoắn của lực xiết đai ốc (N.m):
M
г
= ξ.d
o
.T (2.8)
Trong đó:
- ξ – hệ số tính đến ma sát ren; ξ = 0,1 ÷ 0,15
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

22
Ứng suất kéo trong tiết diện ren trục σ
p
(Pa):

2
4.
.
p
p
p
o
P
d
σ
π
=
(2.9)

Trong đó:
- d
o
– là đường kính trong ren trục (m).
Ứng suất tiếp tuyến trong tiết diện ren trục τ
p
(Pa):

3
0, 2.
p
o
M
d
τ
Γ
= (2.10)
Ứng suất tương đương khi kéo σ
p
:
σ
p
=
22
3.
p
p
σ
τ
+

(2.11)
Hệ số dự trữ bền chảy trong tiết diện ren:
S
T
= σ/σ
p
(2.12)
Khi tính toán độ bền mỏi các trục thẳng không có bậc của bơm tác động kép,
ta coi lực tác động theo chu kỳ không đối xứng, bởi vì P
щc
> P
щp
và trục làm việc
trong môi trường xâm thực. Ứng suất trung bình chu kỳ σ
m
(Pa):
σ
m
= (σ
cmax
– σ
pmax
)/2 (2.13)
Biên độ chu kỳ σ
a
(Pa):
σ
a
= σ
cmax

– σ
m
(2.14)
Ứng suất kéo lớn nhất σ
pmax
(Pa):
σ
pmax
= P
щp
/f (2.15)
Hệ số dự trữ bền mỏi trong tất cả các tiết diện nguy hiểm của trục:

1orp
a
aD m
k
σσ
σ
η
σ
σ
−
=
+Ψ
(2.16)
Trong đó:
- σ
-1oгp
– Giới hạn hẹp độ bền mỏi nén trong chu kỳ đối xứng (Pa). Nếu

không có các thông số chính xác thì ta xác định gần đúng:
σ
-1oгp
= 0,8. σ
-1oc
(2.17)
Trong đó:
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo trục piston bơm dầu mỏ”
Đề tài nghiên cứu KHCN - Cấp bộ năm 2011 NCVCC.TS.Phan Thạch Hổ

23
- σ
-1oc
– giới hạn bền mỏi nén với không khí trong chu kỳ đối xứng.
Tương tự có thể xem xét bền mỏi tiết diện trục theo ren, nhưng khi xác định
ứng suất σ
pmax
ta nhận lực P
pp
có tính đến mô men xoắn khi xiết đai ốc. Giá trị các
hệ số K
σD
và Ψ
σ
chọn trong các sổ tay.
Trong các bơm tác dụng đơn (một chiều) trục chịu tải trọng lực nén thay đổi,
tác dụng theo chu kỳ xung động. Ứng suất nén trung bình chu kỳ này σ
m
bằng biên
độ ứng suất trung bình σ

a
= σ
max
/2.
Hệ số dự trữ bền theo độ bền mỏi:

1
max
2.
c
a
cD
k
σ
σ
σ
η
σ
ψ
−
=
+
(2.18)
Giá trị hệ số dự trữ bền theo độ bền mỏi cần phải ≥1,2.
Tính toán độ ổn định dọc của trục:
Khi độ mảnh của trục:
λ = l
щ
/i
min

≥ λ
0
= 105 (2.19)
Tính toán theo công thức Ơ le và coi như hai đầu trục kẹp chặt kiểu bi cầu.
Bán kính quán tính nhỏ nhất của trục i
min
(m) xác định từ biểu thức:

min
/iJf= (2.20)
Trong đó:
J = π.d
4
/64 – mô men quán tính (m
4
) (2.21)
Độ mảnh của trục: λ = l
щ
/i
min
(2.22)
Với l
щ
là chiều dài tính toán của trục piston.
Lực nén tới hạn trục:

22
w
/
kp

P
EI l
π
= (2.23)
Trong đó:
- E là mô đun đàn hồi vật liệu trục (Pa)
Hệ số ổn định:

2
2
www
.
kp
cc
P
EI
n
P
Pl
π
== (2.24)