1.本发明涉及柱塞泵的十字头箱以及设置有所述十字头箱的柱塞泵，所述十字头箱具有一体成型式结构。
背景技术：
2.压裂泵(也称为柱塞泵)作为能够提高油气产量的重要设备而在石油行业中被广泛应用。尤其在一些中后期的老油田增产以及在新兴页岩气开发中，压裂泵均扮演着重要的角色。
3.压裂泵主要由减速箱、动力端、液力端、三大子系统组成。减速箱的功能是负责将动力源输入的高转速动力进行多级减速而成为低转速动力，然后输入到动力端。动力端连接在减速箱与液力端阀箱两个子系统之间，负责将从减速箱传递过来的旋转机械能转化为往复机械能，以驱动液力端的吸液和排液作业。液力端的功能是负责将低压流体加压至高压流体，并输出到高压管汇。
4.动力端总成主要由壳体、曲柄连杆总成、十字头拉杆总成及润滑系统等组成。动力端壳体主要包括曲轴箱和十字头箱。曲轴箱与十字头箱的一端相连，十字头箱另一端通过连接装置连接至液力端泵头体。目前，业内常见的压裂泵为五缸压裂泵，即，其曲轴常为六支撑五曲拐式的整体式结构。曲轴连接至连杆大头，连杆小头、小头轴瓦、轴销等与十字头箱中的十字头连接。随着曲轴的转动，十字头在十字头箱的内腔中进行往复运动，进而带动连接的柱塞进行往复运动。
5.动力端部件的壳体作为压裂泵的关键部件，用于搭载动力端所有零部件，并承载着动力端所有零部件在工作中所带来的所有荷载。因此，动力端壳体的优良的机械性能对压裂泵使用寿命有决定性影响。按照壳体结构组成方式不同，动力端壳体可分为整体式和分体式结构。
6.目前，分体式结构由高强度合金板焊接的曲轴箱和十字头箱壳体组合装配而成。常见的工艺例如通过焊接、热处理(去应力退火)、粗加工、缺陷打磨、再次整体焊接、焊件热处理、检测等步骤后才算完成。例如fmc公司研制的压裂泵动力端壳体采用分体式拼焊结构。gd公司的5000 thunder动力端也采用了长冲程(11 inch)及分体式结构设计(曲轴箱 十字头箱分体设计)。此外，由于焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到周围本体的约束和限制而不能自由膨胀和收缩。当冷却后焊缝处材料受到的拉应力接近材料屈服极限时，会出现焊缝开裂、壳体变形等不良后果。上述焊缝处的缺陷虽然在一定程度上可以通过适当的焊接工艺和热处理消除内应力来缓解，但焊缝周围受热量影响但未熔化的母材(热影响区)会发生金相组织和力学性能的变化，在焊接热循环作用下产生不均匀的组织分布，不可避免地导致焊接内应力，成为构件的疲劳裂纹源。压裂泵的应用场景和运行环境非常恶劣，动力端壳体会受到高压力的周期性脉冲载荷的持续冲击。焊接式动力端壳体抗冲击性能较差，极容易在焊缝附近产生裂纹，进而造成壳体开裂，最终导致支撑功能失效，影响压裂作业效率，甚至带来安全隐患。目前存在的焊接式动力端壳体寿命至多2000到
3000小时，一次故障经返修后也难以超过系统设计寿命(5000小时)。此外，焊接裂纹逐渐扩展会极大地降低支撑材料内部的一致性和连接强度，导致壳体整体刚度强度不足，在高压脉冲载荷作用下壳体会发生变形。这种异常的壳体变形会使相互滑动表面配合间隙改变，影响润滑油膜的输入和建立，导致主轴承、轴瓦等关键部件表面的异常偏磨甚至烧伤。
7.另外，另外，在动力端高速往复运动中，大量的热量若不及时带走，其内部的各部件包括曲轴、十字头、拉杆、柱塞等关键部位将会因温度过高而出现故障，因此润滑系统的设计对动力端持续运转十分重要。压裂泵依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸排液，因此润滑油还兼有辅助密封作用。动力端润滑多采用强制润滑，由外部润滑系统提供一定压力的润滑油。在当前采用焊接结构的动力端壳体中，由于合金板硬度高且厚度有限，因此润滑油路主要是依靠增加外部连接油管及在壳体内增加油管来建立油路，从而将润滑油输送到润滑点(如曲轴、多个轴瓦、连杆小头轴承等)，再通过整体或局部回收、过滤及冷却，保证压裂泵具有最佳工作性能和最长使用寿命。这样的润滑油路需要布置大量高低压润滑油管，接头数量多，管路布置复杂。管路安装过程繁琐，而且连接可靠性难以控制，在内部润滑油的压力作用下可能松脱。另外，为方便安装，润滑油管多采用柔性软管，长时间暴露在空气中，易发生腐蚀和磨损，增大了泄露风险，一旦出现泄露维护检修成本高。此外，拼焊式壳体刚度不足导致的壳体变形还会改变原本紧密接触的密封面的相对位置，影响密封效果，导致强制润滑所需的压力难以建立，影响润滑效果，造成油气泄露。因密封失效导致的水汽进入还会影响润滑油的性能，改变油品的黏度，削弱油膜的支撑强度，加速油品的氧化。添加剂的水解使润滑油的氧化安定性、极压抗磨性、清净分散性等基本性能减弱甚至丧失，导致油品的抗泡性能变差，使润滑系统产生大量的泡沫而降低润滑效果，严重的话还会造成金属材质的气蚀和氢脆效应。
8.针对以上焊接壳体存在的各种问题，增加壳体厚度、增大焊角尺寸等是比较简单可靠的解决方法，但随之而来会增加整泵质量，加重底盘车/橇的负载，耗费运输资源。另外，壁厚过大的壳体在受到载荷时，大面积的内部组织会相互挤压，应力累积而无法释放，导致局部应力集中，也会极大地影响壳体使用寿命。即使可以通过在壳体内壁、支脚等处设计凹槽来减轻重量，这也极大地增加了机加工的工序，大量被去除的材料导致了原材的浪费，不利于缩减成本。
9.在生产制造方面，焊接式动力端壳体的生产工序十分复杂，通常经过下料、组对、点焊、预热、焊接、打磨、热处理、探伤、粗加工、二次热处理、精加工等一系列工序，在这一过程中各步骤的制造精度和质量都需要严格保证，否则极易造成尺寸和形状误差的累积和放大。上述的各个工序内产生的误差都可能导致后续的配合关系异常，造成连接失效、密封泄露、零件磨损、壳体振动等严重后果。即便以上复杂工序带来的误差累积可以通过精密的机加工过程来控制和补偿，但由此带来的巨大的人力成本和时间消耗是不可忽视和难以承受的。
技术实现要素：
10.要解决的技术问题
11.鉴于拼焊结构存在的上述问题，有个别厂家提出采用分体铸造方式来制造十字头箱。如kerr提出的专利申请us 2022/0163034 a1中就公开了一种采用分体式铸造的方式制
造的十字头箱箱体。然而，这样的铸造式十字头箱由于设计和制造工艺等问题，导致重量和体积过大，不便运输及组装。另外，还存在着其它一些问题，诸如支撑点受力集中，整体强度及刚度易失效；整体结构松散，导致运行时所受力矩较大，降低了使用寿命；润滑系统采用高低压油路共用，一部分部件润滑供油量不够而另一些部件油量过多造成浪费，整体润滑效果不好；润滑管路外置，工艺流程增加，铸造优势发挥欠佳；整体密封性较差，易产生油气泄露。
12.鉴于上述问题，本公开期望提供一种一体式十字头箱，能够充分发乎铸造一体成型工艺的优势，便于制造加工，具有良好的内部流体通路，具有相对较轻的整体重量和较高的结构强度和刚度，配有更为可靠易于维护的润滑系统，具有更长的使用寿命。
13.解决技术问题的技术方案
14.本公开的第一方面提供了一种十字头箱，所述十字头箱是通过一体成型工艺形成的大致矩形箱体，并且具有前端面、后端面、上端面、下端面和侧端面，所述十字头箱设置有：多个十字头内腔，各所述十字头内腔沿着所述十字头箱的纵向延伸并贯穿箱体，所述多个十字头内腔沿着所述十字头箱的横向排布。所述十字头箱还设置有多个排气腔，各所述排气腔在所述十字头箱的纵向上贯穿所述十字头箱并且与相应的所述十字头内腔连通。
15.优选地，所述十字头箱的所述前端面形成有流体通道，所述流体通道是在所述十字头箱的纵向上从所述前端面向内凹入的并且从所述十字头内腔延伸至所述排气腔的凹槽。
16.优选地，所述排气腔和相应的所述十字头内腔经由所述流体通道流体连通，使得当十字头组件在所述十字头内腔中沿着从所述前端面向着所述后端面的方向运动时，所述排气腔中的气流沿着从所述后端面向着所述前端面的方向运动，并且当所述十字头组件在所述十字头内腔中沿着从所述后端面向着所述前端面的方向运动时，所述排气腔中的气流沿着从所述前端面向着所述后端面的方向运动。
17.优选地，所述十字头箱还设置有能够嵌入所述十字头内腔中的十字头滑套，所述十字头滑套的位于所述前端面的一端设置有沿着所述十字头箱的纵向向内凹入的至少一个内凹部，并且所述内凹部的凹入形状与所述流体通道的凹槽形状相匹配。
18.优选地，所述十字头滑套的位于所述后端面的一端设置有沿着所述十字头滑套的纵向向外突出的至少一个凸出部。
19.优选地，在每一个所述十字头内腔的上方或下方设置有一个所述排气腔。
20.优选地，在每一个所述十字头内腔的上方和下方均设置有一个所述排气腔。
21.优选地，一个所述十字头内腔与位于其上下方的两个所述排气腔在所述十字头箱的横向方向上是中心对称的，并且在与所述横向方向垂直的竖直方向上也是中心对称的。
22.优选地，一个所述十字头内腔与位于其上下方的两个所述排气腔在所述十字头箱的横向方向上是轴对称的，并且在与所述横向方向垂直的竖直方向上也是轴对称的。
23.优选地，在所述排气腔的靠所述十字头内腔一侧的内壁上形成有加强梁。
24.优选地，所述十字头箱还设置有至少一个多功能结构孔，各所述多功能结构孔沿着所述十字头箱的纵向延伸并贯穿箱体。
25.优选地，各所述多功能结构孔设置在至少靠近一个所述十字头腔体的位置处。
26.优选地，在所述前端面和所述后端面，至少一个所述多功能结构孔设置在两个相
邻的所述十字头内腔之间的位置处。
27.优选地，各所述多功能结构孔的横截面具有多边形形状。
28.优选地，在所述前端面和所述后端面，各所述多功能结构孔周围的壁面厚度相等。
29.优选地，各所述多功能结构孔的横截面具有带圆角的三角形形状。
30.优选地，在所述前端面和所述后端面，各所述多功能结构孔与相邻的两个所述十字头内腔之间的壁厚大致相同。
31.优选地，各所述十字头内腔之间设置有上下延伸的多个间隔柱，多个所述间隔柱沿着所述十字头箱的纵向排布，相邻的两个所述十字头内腔通过所述间隔柱之间的空隙连通。
32.优选地，各所述十字头内腔为近似圆柱形的形状。
33.优选地，所述十字头箱还包括十字头滑套，所述十字头滑套具有与所述十字头内腔相匹配的形状并且能够嵌入安装在所述十字头内腔中。
34.优选地，所述十字头滑套设置有贯穿滑套壁的油孔。
35.优选地，所述十字头滑套的一端设置有沿着所述十字头滑套的纵向向内凹入的至少一个内凹部。额外地或者可替代地，所述十字头滑套的另一端设置有沿着所述十字头滑套的纵向向外突出的至少一个凸出部。
36.优选地，所述内凹部和/或所述凸出部均为两个，并且在所述十字头滑套被装入所述十字头内腔的状态下，两个所述内凹部位于所述十字头内腔的顶部和底部，两个所述凸出部也位于所述十字头内腔的顶部和底部。
37.优选地，所述十字头内腔的所述前端面的设置有限位槽，所述十字头滑套的位于所述前端面的一端的端头部设置有定位销孔，所述定位销孔和所述限位槽经由将入所述销孔中的销轴配合连接，以将所述十字头滑套在所述十字头内腔中轴向定位。
38.优选地，所述十字头箱还设置有内嵌式润滑油路，所述内嵌式润滑油路是形成在所述十字头箱的箱体内的相互连通的油孔和油道，并且所述内嵌式润滑油路包含至少一个主油路和至少一个分支油路。
39.优选地，所述主油路沿着所述十字头箱的横向延伸，所述分支油路沿着所述十字头箱的纵向延伸。
40.优选地，所述内嵌式润滑油路包括高压润滑油路。
41.优选地，所述高压润滑油路对在所述十字头箱内工作的十字头轴瓦和连杆轴瓦进行润滑。所述高压润滑油路包括设置于所述十字头箱体的所述侧端面上的高压进油口。所述高压进油口设置在形成于所述侧端面上的平坦的连接平面上。所述高压润滑油路具有过滤器和溢流阀。
42.优选地，所述内嵌式润滑油路包括低压润滑油路。
43.优选地，所述低压润滑油路对所述十字头滑套进行润滑。所述低压润滑油路包括设置于所述十字头箱体的所述侧端面上的低压进油口。所述低压进油口设置在形成于所述侧端面上的平坦的连接平面上。所述低压润滑油路具有过滤器和溢流阀。
44.优选地，所述至少一个分支油路包含用于向曲轴箱供油的分支油路，并且用于向曲轴箱供油的所述分支油路在所述十字头箱的所述后端面具有通向曲轴箱的出油口。
45.优选地，所述出油口的外周设置有作为局部密封件的密封圈。
46.优选地，所述十字头箱还设置有至少一个第一道螺栓孔，各所述第一道螺栓孔位于所述多个十字头内腔的上方和下方并且沿着所述十字头箱的纵向延伸且贯穿箱体。
47.优选地，所述十字头箱还设置有至少一个第二道螺栓孔，所述第二道螺栓孔沿着所述十字头箱的纵向延伸并贯穿箱体，并且在所述前端面和所述后端面上，所述第二道螺栓孔均位于所述第一道螺栓孔的外侧。
48.优选地，在所述十字头箱的所述前端面，在位于所述十字头箱体的横向两侧的边缘部也设置有所述第二道螺栓孔。
49.优选地，在所述十字头箱的所述前端面，在所述十字头箱的外周设置有凸缘部，所述第二道螺栓孔设置于所述凸缘部。
50.优选地，在所述十字头箱的所述后端面，在所述十字头箱的的上部边沿和下部边沿均设置有凸缘部，所述第二道螺栓孔设置于所述凸缘部。
51.优选地，在所述十字头箱的所述前端面和所述后端面分别设置有密封槽，所述密封槽围绕的密封区域至少包含所述十字头内腔和所述排气腔。
52.优选地，所示十字头箱还包括贯穿所述十字头箱的箱体的工艺孔。所述工艺孔可以形成在与所述十字头内腔相对应的位置处。此外，所述工艺孔可以至少设置在靠近所述内嵌式润滑油路的位置处。
53.优选地，形成于所述十字头箱的顶部的所述工艺孔可以形成有向着所述十字头内腔方向突出的下凸结构。
54.优选地，形成于所述十字头箱的底部的所述工艺孔可以形成有向着所述十字头内腔方向突出的上凸结构。
55.优选地，所述十字头箱还设置有形成于所述侧端面上的安装凸台。
56.本公开的第二方面提供了一种柱塞泵，其包含曲轴箱、如前所述的十字头箱和间隔架。
57.优选地，在所述曲轴箱、所述十字头箱和所述间隔架的相互之间的接合端面均设置有定位销孔，用于所述曲轴箱、所述十字头箱和所述间隔架的对准定位。
58.优选地，所述柱塞泵还包含减速箱，并且在形成于所述十字头箱的侧端面上的安装凸台上设置有支撑耳板，所述支撑耳板连接至所述减速箱的支撑组件。
59.有益效果
60.根据本公开，提供了一种全新的一体成型的十字头箱，箱体内部具有良好的流体通路，使得在作业过程中箱体内部的气压始终能够保持平衡，提高设备的运转平稳性和使用寿命。此外，根据本公开的十字头箱还具有能够容易地制造的、更为可靠的且易于维护的润滑系统。根据本公开的十字头箱还极大地减小了整体重量，提升了强度和刚度。在关键配合部位变形小，使得润滑、密封、连接更加可靠。抗弯扭、缓冲抗震性能较好，抗缺口敏感度低。另外，极大简化了制造工序，缩减时间、人工和原材料成本。配合这种一体成型的十字头箱，改进优化各类泵组件，还可以形成一种颠覆性的压裂泵设计，同时形成平台化开发理念。
附图说明
61.图1是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的示意性结构的立体图；
62.图2是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的示意性结构的立体图；
63.图3是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的十字头内腔的结构的示意图；
64.图4是图示了作为对比例的现有技术中的十字头箱的十字头内腔的形状的示意图；
65.图5a和图5b是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的十字头内腔的结构的替换例的示意图；
66.图6是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的十字头滑套的结构的示意图；
67.图7是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的十字头滑套的结构的示意图；
68.图8是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的十字头滑套的定位件的示意图；
69.图9是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的十字头滑套的凸出部的结构的示意图；
70.图 10是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的十字头滑套的凸出部和十字头油槽端部的位置配合关系的截面示意图；
71.图11是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的排气腔的构造的立体示意图；
72.图 12是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的排气腔的构造的端面示意图；
73.图 13是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的排气腔的构造的截面示意图；
74.图 14是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的前端面处的流体通道的示例性结构的局部放大图；
75.图 15是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的前端面处的流体通道的另一示例性结构的局部放大图；
76.图 16是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的前端面处的流体通道的又一示例性结构的局部放大图；
77.图 17是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的排气腔和流体通道发挥功能的原理的示意图；
78.图 18是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的排气腔和流体通道发挥功能的原理的示意图；
79.图 19是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的加强梁的结构的示意图；
80.图20是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的加强梁的另一结构的示意图；
81.图21是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的加强梁的截面形状示例的截面图；
82.图22是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的加强梁的过渡区域的结构的示意图；
83.图23是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的多功能结构孔的结构的截面图；
84.图24是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的内嵌式润滑油路的截面示意图；
85.图25是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的内嵌式润滑油路的加工工艺的示意图；
86.图26是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的内嵌式润滑油路的加工工艺的示意图；
87.图27是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的内嵌式润滑油路的总体布局的
示意图；
88.图28是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的内嵌式润滑油路的出油口的对齐位置的示意图；
89.图29是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的内嵌式润滑油路的润滑油回收路径的示意图；
90.图30是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的润滑油路的注油孔的结构的示意图；
91.图31是图示了根据本公开的实施例的十字头箱与曲轴箱的连接端面的示意图；
92.图32是图示了根据本公开的实施例的十字头箱与间隔架的连接端面的示意图；
93.图33是图示了根据本公开的实施例的十字头箱与曲轴箱和间隔架的连接装配的爆炸示意图；
94.图34a和图34b是图示了根据本公开的实施例的十字头箱与曲轴箱和间隔架的连接密封件的布置的示意图；
95.图35是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的在润滑油路的出油口周围的局部密封的示意图；
96.图36是图示了根据本公开的实施例的十字头箱与曲轴箱和间隔架的连接定位的示意图；
97.图37是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的工艺孔和/或观察窗的结构的示意图；
98.图38是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的工艺孔和/或观察窗的凸台的结构的局部放大图；
99.图39是图示了根据本公开的实施例的十字头箱的安装凸台及安装在其上的支撑耳板和吊装耳板的构造的示意图。
具体实施方式
100.下面，将结合附图对本公开的各实施例的技术方案进行详细地描述。显然，所描述的实施例仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本公开所保护的范围。
101.需要说明的是，在下面的详细说明以及权利要求书中，使用“大约”，“近似”等表述是为了考虑到制造公差、加工精度等对于本领域普通技术人员而言都理解的因素，并不会导致说明的模糊和保护范围的不清楚。此外，在本文中出现的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等方位仅是为了便于说明而结合附图定义的方向，本领域普通技术人员在通过阅读本文后，在设备因翻转或者移动而呈现出与本文说明的定向不一致时，显然也能够轻易地知晓与本文中说明的方位相对应的方位。
102.注意，附图中的相同的结构、元件或部件由相同的附图标记表示。
103.1.十字头箱概述
104.图1和图2图示了根据本公开的优选实施例的十字头箱1000的立体示意图。在图1和图2中，以5缸的十字头箱1000作为示例进行说明。但本公开的十字头箱1000显然也可用
于其它缸数的十字头箱1000，例如3缸、7缸等。如图1和图2所示，十字头箱1000整体上呈近似长方体的形状，通过铸造工艺一体制造成型。其具有与间隔架3000相连接的前端面1001、与曲轴箱2000相连接的后端面1002、分别位于十字头箱的主体上方和下方的上蒙板1003和下蒙板1004、位于箱体两侧的侧端板1005以及位于各十字头腔体之间的立板等主要部件。需要注意的是，在本说明书中，将前端面1001与后端面1002之间的十字头在十字头箱1000中往复运动的方向称为十字头箱1000的轴向方向或纵向，将多个十字头在十字头箱1000中的排列方向称为十字头箱1000的横向。此外，将十字头箱1000的与间隔架3000连接的一侧称为十字头箱1000的前侧或前端，将十字头箱1000的与曲轴箱2000连接的一侧称为十字头箱1000的后侧或后端。另外，这里提到的上蒙板1003、下蒙板1004、侧端板1005和下文中将说明的间隔板1101均是为了便于本领域技术人员的阅读而沿用的本领域内的惯用名称，但应当理解的是，由于根据本公开的实施例的十字头箱1000是采用铸造工艺一体成型的，因此上蒙板1003、下蒙板1004、侧端板1005和间隔板1101在本文中并不意味着是单独设置的板件，而均是一体成型的箱体的不同组成部位。因此，上蒙板1003在本文中有时也可被视为十字头箱的上端面，下蒙板1004在本文中有时也可被视为十字头箱的下端面，侧端板1003在本文中有时也可被视为十字头箱的侧端面。
105.由图1和图2中可以看出，根据本公开的实施例，整个十字头箱1000通过铸造工艺一体成型。通过采用铸造工艺，避免了焊接带来的缺陷，保证了结构刚度，增大了结构的疲劳强度，延长了使用寿命。另外，整体铸造能极大降低工艺复杂度，节省时间、人工和原材料成本，提高成品率。应当理解的是，根据需求也可选择本领域内公知的其他铸造材料形成十字头箱1000。
106.如图1和图2所示，在十字头箱1000中形成有多个十字头内腔1100。十字头内腔1100在十字头箱1000内部沿着十字头箱1000的纵向延伸，从十字头箱1000的前端面1001贯穿至后端面1002。十字头内腔1100用于容纳十字头组件和下文中所述的滑套。十字头组件在十字头内腔1100中沿着十字头箱1000的轴向进行往复运动。多个十字头内腔1100沿着十字头箱1000的横向并排排列。十字头内腔1100的数量取决于十字头组件的数量。
107.优选地，在十字头内腔1100的上方和/或下方设置有排气腔1200。各排气腔1200具有扁平的多边形形状且在十字头箱1000内部沿着十字头箱1000的纵向延伸，从十字头箱1000的前端面1001贯穿至后端面1002。排气腔1200的前端与设置于十字头箱1000的前端面1001的排气通道(稍后将详细说明)流体连通，排气腔1200的后端与曲轴箱2000的内腔流体连通。
108.优选地，在十字头内腔1100与十字头内腔1100之间的交界处，设置有下文中将详细说明的至少一个多功能结构孔1300。多功能结构孔1300例如可以具有圆形或图示的三角形形状且在十字头箱1000内部沿着十字头箱1000的纵向延伸，从十字头箱1000的前端面1001贯穿至后端面1002。多功能结构孔1300可以根据需要设置在十字头箱1000的上部和/或下部。
109.优选地，在十字头箱1000内设置有内嵌式润滑油路1500。与现有技术中通过额外连接的油管和软管设置的油路不同，内嵌式润滑油路1500是形成在十字头箱1000的铸造箱体内的相互连通的油孔和油道(例如通过钻孔加工形成)。此外，内嵌式润滑油路1500通常包含至少一个主油路和至少一个分支油路。
110.此外，如图1和图2所示，十字头箱1000还设置有连接孔和观察窗等部件，下文中讲详细说明。
111.2.十字头内腔与滑套
112.2.1十字头内腔的形状
113.图3示出了根据本公开的十字头箱1000中的十字头内腔1100的结构的示意图。如图3所示，十字头内腔1100例如具有大致圆柱体的形状。换言之，十字头内腔1100在十字头箱1000的轴向垂直的截面中具有大致圆形的形状。在此情况下，十字头内腔1100之间的间隔板1101具有与之对应的上下厚中间薄的双圆弧形状。具有圆柱体形状的十字头内腔1100能够减小十字头箱1000的箱体尺寸，易于铸造并且方便后续滑套的组装。
114.在现有技术中，十字头内腔1100基本上都是图4中所示的类似于田径场跑道的形状，即左右两侧为直边而上下两侧为圆弧的近似长方体形状。这是因为如果通过焊接技术形成近似圆形的十字头内腔，所形成的上下部较为扁平，这将导致需要更大的缸间距离。此外，虽然在理论上“跑道形”的设计可以降低十字头组件和十字头腔的接触面压，且两侧的矩形能够减小缸的间距，但在重载作用下的局部变形会导致十字头组件和十字头腔由面接触变为线接触，致使实际的面压会远大于理论值。而在根据本公开的十字头箱1000中，由于采用了一体成型技术，十字头内腔1100之间的间隔板1101与十字头箱1000的包括侧端板1005、上下蒙板1004在内的外部箱体是一体铸造成型的，因此十字头内腔1100可以根据需要而被容易地铸造成具有大致圆柱体的形状。此外，由于采用了铸造一体成型，结构刚度好且容易满足缸径要求，因此无需采用“跑道形”设计，而能够使用更简单的圆柱体形状。
115.需要理解的是，根据本公开的十字头内腔1100当然也可以被设计成类似于现有技术中那样的近似长方体形状以及其他任何需要的形状，全方面发挥铸造优势。例如，当根据本公开的十字头内腔1100被设计成类似于现有技术中那样的近似长方体形状时，如图5a和图5b中所示，各十字头内腔1100之间的间隔板1101可以被形成为在十字头轴向并排排列的多根上下延伸的间隔柱1102。间隔柱之间的空隙使得相邻的两个十字头内腔1100流体连通，可以用于稍后将会详细说明的排油排气。在此情况下，与本文稍后将说明的排气腔与流体通道结合使用，将可以期待进一步提高的排气效果。此外，在此情况下，在位于十字头箱1000的横向两侧最外端的两个十字头内腔1100中，十字头组件与十字头箱1000两侧的侧端板1005也存在间隙，该间隙也可以起到稍后将会详细说明的排油排气功能。另外，在此种情况下，滑套也采用本领域内常用的瓦块状的上下两片式结构。本文中就不再赘述。
116.2.2十字头滑套
117.在十字头内腔1100中设置有十字头滑套1400。十字头滑套1400与十字头接触，承载着十字头在十字头内腔1100中的往复运动。在根据本公开的十字头箱1000的一个实施例中，如图6所示，十字头滑套1400具有能够嵌入圆柱形的十字头内腔1100中的圆筒形状。相比于上文中提到的上下两片式的分体结构，这种一体式的十字头滑套1400能够增强结构的弯曲刚度及扭转刚度，降低十字头位置的轴瓦磨损，解决轴瓦的疲劳断裂等问题。如图6和图7中所示，十字头滑套1400上设计有贯穿滑套壁的滑套油孔1401。该油孔1401用于与下文将要说明的润滑油路流体连通，以使润滑油流通。油孔可以根据需要设置在十字头滑套1400的非端头处的任意位置。油孔1401的位置、数量和形状可根据油道及有润滑部件需求的润滑要求而定。
118.此外，如图7和图8中所示，十字头滑套1400的靠近间隔架3000一端(即，前端)的端头部设计有滑套定位销孔1402，在销孔中可以安装用于十字头滑套1400定位的弹性圆柱销。销孔1402的位置不限，满足定位要求且不影响其他结构功能即可。优选地，销孔1402通常不应同时布置在例如正上方和正下方或者正左方和正右方这样的周向对称位置处，以防止在滑套安装时难以判断装入的正确角度方位。在十字头滑套1400的装配过程中，销孔1402例如可以与设置在十字头内腔1100的位于十字头箱1000的前端面1001边缘处的限位槽1006相配合，以实现十字头滑套1400沿十字头箱1000的轴向定位。例如，安装时，弹性圆柱销被紧固安装至十字头滑套1400的定位销孔1402中，十字头滑套1400沿轴向从十字头箱1000的前端被插入十字头内腔1100中，直至弹性销侧面与限位槽表面接触，则安装到位。在安装过程中，例如可以先将滑套用液氮冷却，热胀冷缩效应会使得滑套尺寸缩小。然后，在较短时间内将冷却后的滑套装入十字头内腔中。待滑套温度升至室温后，尺寸胀大，与十字头内腔产生过盈配合，从而确保滑套在十字头组件运行过程中不会脱出十字头内腔。应当理解的是，用于定位的零件不限于弹性圆柱销，销的截面尺寸也可以根据需要调整，以适应十字头滑套1400因冷装回温导致销孔的尺寸变化。上述销和槽的形状、位置、数量也可以根据实际情况而进行选择，两者对应即可。此外，定位方式也可以采用先将十字头箱1000的限位槽与十字头滑套1400的定位销孔对齐，然后再打入定位销进行定位等其他定位方式。
119.如图7所示，十字头滑套1400的前端的设置有内凹部1404。该内凹部1404在十字头箱1000的轴向方向上从十字头滑套1400的前端向着后端凹入，从而与下文中将要说明的十字头箱1000的前端面1001的凹槽的形状相匹配，以共同形成用于排油排气的流体通道1201。如图7和图9所示，十字头滑套1400的与曲轴箱2000连接的一端(即，后端)的顶部和底部分别形成有延长的凸出部1403。该凸出部1403在十字头箱1000的轴向方向上从十字头滑套1400的后端向着曲轴箱2000凸出。例如，在十字头滑套1400被装入十字头内腔1100中的状态下，内凹部1404和凸出部1403均分别位于十字头内腔1100的顶部和底部。如图7所示，在该凸出部1403与十字头滑套1400的后端面1002的非凸出部之间的过渡区域，优选地形成有过渡圆角，以最大程度地提高凸出部1403的根部处的刚度，同时减小因十字头底部油槽密封油压的压力在此处产生的应力聚集。图7中图示了内凹部1404和凸出部1403均为两个的示例，但应当理解的是，内凹部1404和凸出部1403不限于两个，也可以是一个或者多个。
120.该凸出部1403的存在使得十字头滑套1400可以适配不同长度规格的十字头箱1000，满足了不同运行长度的十字头组件与滑套接触面油膜之间接触所需的密闭空间，从而实现一体成型式十字头箱1000的共用平台生产。如图10所示，凸出部1403的尺寸大小与十字头底部的油槽尺寸和油槽位置相关。具体地，在十字头及十字头箱的实际工作状态下，滑套的凸出部1403需要与十字头底部的油槽相配合形成密封。因此，滑套的凸出部1403的尺寸要足够覆盖住十字头底部的油槽的密封长度。在图10中，位于十字头底部的深色阴影示出了十字头底部的油槽，油槽的“密封长度”即指油槽的两端的油槽端部1502之间的长度。在油槽的两端的油槽端部1502之外的部分分别与滑套1400配合形成直线密封的结构。当十字头在十字头滑套1400中运行到曲轴箱一侧的极限位置时，油槽的一部分可能会处于十字头内腔1100的外部。即，在图10中可以看出，代表油槽的深色阴影的一部分位于十字头内腔1100的外部。在此情况下，滑套的凸出部1403的存在保证了在一定压力下十字头油槽中的润滑油不会漏出。换言之，凸出部1403需要满足十字头在十字头箱1000内的最靠近曲
轴箱2000位置时油槽端部1502的密封要求。同时，凸出部1403能够大范围的适配不同长度的柱塞及其柱塞冲程量，在适配范围内安装柱塞和柱塞作冲程运动时，无需更换其它规格长度的滑套1400。
121.需要说明的是，在根据本公开的十字头箱1000中，上述的十字头滑套1400的设置是优选的，但也可以不设置十字头滑套1400，即，采用将十字头内腔1100的内表面兼做滑套的方案。这是因为根据本公开的实施例的十字头箱1000是通过采用整体铸造工艺由球墨铸铁制成的。球磨铸铁材料的球化率高，在无润滑条件下，石墨可以起到自润滑作用。若在有润滑条件下，石墨不仅可以吸附和保存润滑油，还可以保持油膜的连续性，因此可以兼做滑套。在此情况下，为提升十字头的滑动效果，还可以在十字头内腔1100的内表面上加工出细微的网纹等储油性结构，以增强润滑油的润滑效果。与上述实施例中提到的采用铜制的一体式滑套的技术方案相比，十字头内腔1100的球墨铸铁材料的润滑性能更好，并且结构更加简单，不需要高精度的安装和对准，因此更加经济，节省成本。
122.此外，在十字头内腔1100的内表面兼做滑套的情况下，铸造材料需要达到滑套性能要求的球化率，同时铸造及加工出相应的凸出部1403和内凹部1404。例如，大于80％的球化率是优选的。此外油孔、与稍后将要说明的排气腔1200配合的内凹以及在精度要求较高或铸造技术无法满足的倒圆和接触面等部件特征也可以通过后期机加工或其他通用方式完成。
123.在一体式铸造的十字头箱1000中，在上蒙板1003和下蒙板1004与十字头圆柱内腔的连接位置处设置排气腔1200，用于保持十字头组件往复运动时十字头内腔1100的气压平衡。
124.3排气腔和流体通道
125.3.1排气腔的结构
126.在根据本公开的实施例的十字头箱1000中，在十字头内腔1100的上方和下方分别设置有多个十字头排气腔1200，用于保持十字头组件在十字头内腔1100中往复运动时十字头内腔1100的气压平衡。排气腔1200在十字头箱1000的轴向方向上贯穿十字头箱1000，其前端与稍后说明的流体通道1201流体连通并且其后端和曲轴箱2000的内部空腔流体连通。图11至图13是分别示出了十字头箱1000的排气腔1200的示例性构造的立体图、端面图和截面图。
127.如图11至图13所示，排气腔1200例如可以设置在十字头内腔1100与十字头箱1000的上蒙板1003以及下蒙板1004之间。换言之，排气腔1200例如可以设置在十字头箱1000的其中形成有十字头内腔1100的主体与十字头箱1000的上蒙板1003以及下蒙板1004之间。排气腔1200的形状可以根据需要设计，无特别要求。在图示的实施例中，排气腔1200在垂直于十字头箱1000轴向的截面中具有扁平的角部导圆的多边形形状。这样的形状能够充分利用十字头内腔1100上下方的空间，能够使得排气腔1200的设置能够充分发挥铸造工艺的优势，兼顾排气需求和箱体的结构刚度要求。排气腔1200也可以设置在别的位置，只要不影响箱体的结构刚度和其他部件的结构功能即可。
128.需要说明的是，排气腔1200的具体形状不限于图示的上述形状，例如还可以为圆形或者其他规则或不规则的形状。当在各十字头内腔1100的上下方均设置有一个排气腔1200的情况下，上下两个排气腔1200的形状可以是对称的，也可是不对称的。从保证十字头
箱1000整体的轴向刚度和弯曲刚度的角度来看，对称的方案是优选的。排气腔1200的数量及成型方式也没有特殊限制，只要满足下文中说明的排气功能、避开螺栓承力影响区域和不影响其他结构功能即可。例如，可以仅在各十字头内腔的上方或下方设置一个排气腔1200。另外，在图示的实施例中，十字头内腔1100与位于其上下方的两个排气腔1200在十字头箱1000的横向方向上是中心对称的，并且在与横向方向垂直的竖直方向上也是中心对称的。但是，十字头内腔1100与位于其上下方的两个排气腔1200也可以根据设计需要而设置成是相对于横轴和纵轴轴对称的，甚至是以不对称的方式错开的。
129.3.2流体通道的结构
130.图14是图示了根据本公开实施例的十字头箱1000的前端面1001处的流体通道1201的优选实施例的局部放大图。如图14所示，在十字头箱1000的前端面1001(即，与间隔架3000相连接的端面)处，在十字头内腔1100与排气腔1200之间的箱体形成有在十字头箱1000的轴向上向内(即，向着曲轴箱侧)凹入的凹槽，从而使得在十字头箱1000与间隔架3000的装配状态下，十字头内腔1100与排气腔1200通过这样的凹槽在端面处流体连通。这样的凹槽也被称为流体通道1201。流体通道1201与排气腔1200一起构成十字头箱1000的排气通路，起到排气排油(润滑油)，保持十字头内腔1100中油气平衡的作用。此外，前文中说明的十字头滑套1400的内凹部1404的凹入形状与流体通道1201的凹槽的截面形状相匹配，从而使得在十字头滑套1400装入十字头内腔1100的情况下，十字头滑套1400不会阻碍十字头内腔1100与排气腔1200之间的排气通路，并且十字头内腔1100经由内凹部1404和流体通道1201与排气腔1200流体连通。
131.图14中所示的形成排气通道的凹槽具有类似波浪的圆弧形状。这是因为由于在端面处形成了向内凹入的凹槽，使得凹槽处箱体在轴向上的材料延伸长度与凹槽两侧区域的延伸长度不同。因此，在铸造过程中，由凹槽区域向两侧区域过渡时，容易在它们的交界过渡处附近产生较大的内应力，如此将会降低铸造件的结构强度。而通过采用类似波浪形的圆滑形状设计，可使得交界区域的长度以平滑的方式逐渐变化，如此可减小由中间区域向两侧区域过渡时在相交区域附近产生较大的内应力的风险，也因此能够提高此处的结构刚度。
132.需要理解的是，除了图14所示的类似波浪的圆弧形状之外，流体通道1201也可以被形成为其它形状。例如，图15中图示了具有近似梯形截面的流体通道1201。图16中图示了具有近似矩形截面的流体通道1201。当流体通道1201具有类似矩形或梯形等非圆弧的多边形形状时，如图15和16中所示，为了尽量达到上述的尽量减小应力、提高结构刚度的效果，在凹槽与两侧区域的交界区域，即凹入的弯折区域尽量采用倒圆角、坡口或其他平滑的方式过渡。另外，流体通道1201的尺寸没有特殊限制，可根据排气腔1200的大小以及不影响十字头箱1000的结构功能的原则确定。此外，虽然在附图中仅示出了流体通道1201形成在十字头箱1000的前端面1001的示例，但可以理解的是，在十字头箱1000的后端面1002也可以形成有类似的流体通道以进一步利于在十字头箱与曲轴箱的连接侧十字头内腔与排气腔之间的连通。
133.3.3排气腔和流体通道的功能与作用
134.下面，将参照图17和图18说明排气腔1200和流体通道1201如何保持十字头内腔1100的气压平衡。需要说明的是，图17和18中示出的是十字头箱1000和曲轴箱2000接合在
一起的状态，这是因为在使用状态下，十字头箱1000和曲轴箱2000的大部分内部腔体是流体连通的且在功能上紧密关联。
135.图17中图示了当十字头组件在十字头内腔1100中向前端(间隔架侧)滑动的过程中十字头内腔1100中的流体流动路径的示意图。如图17中所示，在此工况下，十字头内腔1100的前端的压力逐渐增大，十字头内腔1100前端中的油气通过前端端面处的流体通道1201流向上和向下流入排气腔1200，并经由排气腔1200向着曲轴箱方向流动。曲轴箱2000内的油气可通过十字头箱1000连杆活动窗2001(参见图33)进入十字头内腔1100后端。随着十字头继续向着前端滑动，十字头内腔1100前端的空间继续变小，十字头内腔1100前端的压力继续增大。十字头前端增大的压力通过流体通道1201传导至排气腔1200，使得排气腔1200中的一部分油气从排气腔1200的后端通过曲轴箱2000的连杆活动窗2001进入十字头内腔1100的后端，并且使得排气腔1200中的另一部分油气流至曲轴箱2000内扩散。图18中图示了当十字头组件在十字头内腔1100中向后端(曲轴箱侧)滑动的过程中十字头内腔1100中的流体流动路径的示意图。如图18中所示，十字头在十字头内腔1100中向后端(即，曲轴箱侧)滑动的过程中，十字头内腔1100后端的压力逐渐增大，十字头内腔1100后端的油气可从曲轴箱2000的连杆活动窗2001进入曲轴箱2000和十字头箱1000的排气腔1200的后端。随着十字头继续向着后端滑动，十字头内腔1100后端的压力继续增大，这种压力传导至排气腔1200内，使得排气腔1200内的油气从后端流向前端并通过流体通道1201进入十字头内腔1100的前端。
136.如上所述地，由于根据本公开的十字头箱1000采用铸造工艺一体成型，因此能够实现在十字头内腔1100的附近设置在十字头箱1000的轴向上贯穿十字头箱1000的排气通道和位于十字头箱1000前端面1001的流体通道1201，使得十字头内腔1100中的油(润滑油)、气通过流体通道1201、排气腔1200和连杆活动窗2001在不需要设置外部循环设备的情况下即可实现自循环流动，使得十字头内腔1100在十字头组件的往复运动过程中保持气压平衡。专用的流动通道和排气腔1200也减小了十字头组件往复运动时气体高速流动产生的噪音，同时也便于部件组装及拆卸。
137.此外，还可以想到采取其他设计或成型方式形成与十字头内腔1100流体连通的排气腔，以达到平衡气压的目的。例如，在十字头箱1000内部的其它位置通过开孔或形成通道的方式将十字头内腔1100的前端和后端流体连通以辅助通气。这样的孔和通道的成型方式不限，只要位置不影响十字头组件、内腔支撑结构和螺栓紧固功能即可。
138.4十字头箱的加强梁和多功能结构孔
139.根据本公开的实施例的十字头箱1000是通过铸造工艺一体成型的。为了克服传统铸造件普遍存在的重量偏重的缺点，根据本公开的实施例的十字头箱1000在十字头箱1000的刚度增强和减重方面进行了专门的结构优化，使得根据本公开的实施例的十字头箱1000在确保结构刚度的前提下，重量相比于同级别的焊接工艺的十字头箱1000的重量轻10％至16％。
140.下面就将参照附图详细说明根据本公开的实施例的十字头箱1000的这些结构优化特征。
141.4.1加强梁
142.如图19所示，在排气腔1200内，为了减轻十字头箱1000的重量，在十字头箱的主体
的与十字头内腔1100对应的部位处(即，排气腔1200的位于十字头内腔1100侧的内壁处)，箱体成型材料均被减薄。仅在在前后端面1002以及前后端面1002之间设置加强梁1210，从而形成多个“工字形”框架结构以提高整体弯曲刚度，保证十字头内腔1100的刚度和稳定性，防止其发生相对位移和变形。需要说明的是，为了图示清楚，图19及后续的相关附图中均省略了上蒙板1003，仅示出了十字头箱1000的主体部分。另外，容易想到的是，虽然图19中仅图示了十字头内腔1100上部的加强梁，但显然在位于十字头内腔1100下部的排气腔1200内，也可以形成有相同或相似的加强梁结构。
143.在本实施例中，在上、下排气腔1200中均设计了加强梁1210。除了图19中所示的工字型的加强梁1210之外，加强梁1210还可以采用其它形状的框架结构。沿着十字头箱1000的轴向延伸的纵向加强梁1210与沿着十字头箱1000的横向延伸的横向加强梁1210的数量、角度、位置均不限，只要能够起到支撑作用、不影响下文中将要说明的润滑油路的设置和螺栓设置即可。例如，图20图示了王字形的加强梁1210。增加的中部横梁进一步增强了十字头箱1000中部的支撑刚度。此外，还可以采用例如
“ⅱ”
字形、“ш”字形、“田”字形或“目”字形等的加强梁1210结构。加强梁1210的成型方式不限于铸造，也可采用机加工或其他方式。此外还可以采用其他结构用于十字头组件的支撑，如上下两侧或单侧设置不规则支板等。
144.如图21所示，加强梁1210的横截面具有大致矩形形状，但横截面也可以为诸如三角形、梯形、圆形等其他形状。矩形是优选的，因为对比相同面积的其它实心规则截面(如圆形、梯形、三角形等)，矩形长轴的截面惯性矩更大，能保证加强筋具有足够的弯曲刚度，抑制位于十字头内腔1100之间的间隔板1101之间的位移和形变。
145.此外，如图22所示，在加强梁1210与下文中将要说明的第一道螺栓孔1610的交界处设置有圆角过渡结构1211，并且在加强梁1210根部与十字头箱1000主体的连接处也具有圆角过渡结构1211。圆角过渡结构1211可以增加相应部位的抗弯强度，减少应力集中，且满足铸造工艺要求。圆角的尺寸和形状主要受加强梁1210与螺栓孔的形状和位置影响。例如，加强梁1210与螺栓孔的交界处的过渡圆角应当尽可能与螺栓孔同心，平缓地过渡至加强梁1210上表面。位于加强梁1210根部与十字头箱1000主体的连接处的过渡圆角可以根据加强梁1210的形状平滑地过渡至加强梁1210根部的十字头箱1000主体，使得整体的延伸弧度保持与十字头内腔1100的内壁的圆弧段同心。在实际圆角处理时，可以根据需求设置斜角或弧形(等曲率或变曲率)。
146.4.2多功能结构孔
147.如前文中所述，在根据本公开的实施例的十字头箱1000中，还设置有至少一个多功能结构孔1300。图1和图2中所示，优选多个多功能结构孔1300例如布置在十字头箱1000的靠近十字头内腔1100的且具有较厚厚度的部位处。例如，除了十字头箱1000侧端最外侧之外，多功能结构孔1300例如可以布置在两个十字头内腔1100之间的肩部。图23图示了沿着十字头箱1000的轴向截取的多功能结构孔1300的纵向截面图。由图可知，多功能结构孔1300沿着十字头箱1000的轴向贯穿十字头箱1000。如图所示，多功能结构孔1300的外侧布置有下文中将要说明的第一道螺栓孔。优选地，如图1、2和22中所示，各多功能结构孔1300可以和位于其外侧的第一道螺栓孔以在垂直于十字头箱的横向的方向上中心对准的方式设置在两个十字头内腔1100之间的肩部位置处，以使得应力分布更加均匀。当然，根据具体设计需要，多功能结构孔1300与第一道螺栓孔也可以不对准而是相互错开一定距离。另外，
考虑到多功能结构孔1300两侧的十字头内腔1100的圆形形状以及十字头箱1000内部的需要避开的润滑油路(例如，图23中示出的圆孔处)，因此多功能结构孔1300虽然可以具有任意的多边形截面形状，但优选具有导圆角的三角形状，并且能够被设计成具有合适的尺寸。通过形状和尺寸的选择，能够使得多功能结构孔1300周围的功能结构的壁面厚度均匀，即厚度基本相同。例如，三角形状的多功能结构孔1300设置于两个十字头内腔1100之间的肩部，位于十字头内腔1100上肩部的多功能结构孔1300的一个顶角指向下方定向，位于十字头内腔1100下肩部的多功能结构孔1300的一个顶角指向上方定向，以确保与相邻的两个十字头内腔1100之间的壁厚相同，避免作业过程中支撑偏移造成十字头箱1000损坏。位于十字头箱1000的横向最外侧边缘也可以布置有上下对称的两个多功能结构孔1300，以保证十字头内腔1100受力均匀。当然，在实际设计中，多功能结构孔1300的形状也可以采用圆形、菱形等其它形状，只要满足上述铸造结构要求即可。
148.通过在两个十字头内腔1100之间的具有较厚厚度的部位处设置多功能结构孔1300，使得能够在满足结构刚度要求的同时极大地减轻整个十字头箱1000的重量。此外，由于多功能结构孔1300的位置也位于十字头内腔1100与螺栓孔之间的区域，因而能够使十字头内腔1100和螺栓孔所受到的应力在此孔洞处释放，以免挤压多功能结构孔1300周围的内部组织产生结构破坏。此外，该多功能结构孔1300还可以兼具铸造工艺中的防缩松的功能。在铸造过程中，常出现热裂与冷裂问题。液态金属注入型腔后开始冷凝，当结晶骨架已经形成并开始线收缩后，由于此时内部钢水并未完全凝固收缩受阻，铸件中就会产生应力或塑性变形。当应力或变形超过在此高温下的材质强度极限时，铸件就会开裂，即为热裂。冷裂是指铸件凝固后冷却到弹性状态时，因局部铸造应力大于合金极限强度而引起的开裂。冷裂总是发生在冷却过程中承受拉应力的部位，特别是拉应力集中的部位。因此铸造工艺也需要设置防缩松结构，避免产生铸造缺陷，保证圆筒式的十字头内腔1100的壁面均匀，减轻应力集中。
149.因此，根据本公开的实施例的十字头箱1000通过在螺栓孔与十字头内腔1100之间设置多功能结构孔1300，不仅使得十字头箱1000的重量大大减轻，减少了十字头内腔1100与螺栓孔在使用状态下的应力集中，而且还极大降低了在十字头箱1000的铸造过程中在螺栓孔、十字头内腔1100周围的成型材料产生冷裂热裂的可能性，为十字头箱1000的设计提供了结构功能保障。
150.需要说明的是，在前文所述的如图5a和图5b中所示的十字头内腔1100之间设置有间隔柱1102来代替间隔板1101的情况下，虽然图中未图示，但也可以在相似的位置处形成多功能结构孔1300。
151.4.3十字头箱的侧端板
152.十字头箱1000两侧的侧端板1005也可以具有曲面形状，用于减轻十字头箱1000的整体重量并使得十字头内腔1100的壁厚尽量均匀，以减少应力集中。侧端板1005也可选择具有如凹槽、多重切割截面等其他结构特征，以达到类似的效果。
153.5.润滑油路
154.在传统的通过焊接工艺制造的十字头箱1000中，润滑油路只能通过额外设置的油路管道进行设置。这是因为合金板材的硬度和密度较大且厚度有限，因此难以通过钻孔等工艺在板材内部形成油路。根据本公开的十字头箱1000由于采用了铸造工艺，因此箱体是
由球墨铸铁等硬度相对较小的材料制成，且铸造工艺使得能够灵活地控制部件的局部厚度，因此使得直接在形成一体式十字头箱的铸造成型材料中开设内嵌式的油路结构成为了可能。
155.图24中图示了根据本公开的实施例的十字头箱1000的内嵌润滑油路1500的截面示意图。在十字头箱1000的箱体的成型材料内加工油孔及油道，与外置油路相比减少了一系列复杂的管路安装步骤，整体布置更为简单，减少了大量润滑管及管接头的消耗，保证了润滑油的可靠密封，避免油气泄露。十字头内腔1100内部的主油路及分支油路的布置需要避开螺纹孔承力影响区，以避免削弱螺纹连接的强度，或因螺栓拧入导致的油孔变形堵塞。此外，也要避免影响周围结构功能(如加强梁1210的支撑功能)。只要满足上述条件，则油路的角度、延伸方向和数量可以润滑需要灵活设计。如图25所示，润滑油路1500可以通过后续说明的工艺孔/观察窗1810向下加工通孔而成，也可以如图26所示地采用直角钻在十字头内腔1100中由内向外钻孔而成。也可以根据实际需求采用其他的方式形成内嵌油道。
156.在工作状态中，十字头组件在十字头箱1000内高速往复运动，众多部件需要润滑液的润滑才能正常工作。由于不同部件的工况不同，因此所需的润滑油的油量和流速也不相同。因此，需要分别设置高压润滑油路1510和低压润滑油路1520。例如，高压润滑油路1510对在工作状态下在十字头箱1000内工作的十字头轴瓦和连杆轴瓦进行润滑，低压润滑油路1520对十字头滑套1400进行润滑。高压润滑油路1510例如额定润滑油压为200-350psi，低压润滑油路1520例如额定润滑油压为60-150psi。
157.图27图示了根据本公开的实施例的十字头箱1000的内嵌式润滑油路1500的总体布局的示意图。需要说明的是，在图27中，为了清楚地图示内嵌式润滑油路的布局，省略了诸如滑套1400等十字头箱1000中的部分组件的图示。如图27所示，在根据本公开的实施例的十字头箱1000中，润滑油路1500均是通过在十字头箱1000的箱体中钻孔而形成的内嵌式油路。也就是说，根据本公开的实施例的十字头箱1000的内嵌式润滑油路1500不需要额外的油管等管道部件和相应的连接部件、密封部件等。在图27中所示的实施例中，低压润滑油路1520和高压润滑油路1510均包含主油路和分支油路。其中，主油路是图中所示的沿着十字头箱1000的横向(即，在两个侧端面之间延伸的方向)延伸的油路，主油路连接至入油口。从主油路中沿着十字头箱1000的纵向(即，十字头内腔的延伸方向)分支出的各个油路是分支油路，用于将主油路中的油分别供给至相应的润滑对象。在本实施例中，低压油路的润滑油均从位于十字头箱1000的侧面(图中为靠近减速箱4000的一侧)的低压进油口1512注入。在内嵌油路中一部分低压润滑油流向五个十字头内腔1100内的十字头滑套1400处以润滑滑套及连杆小头轴承组件(图27中流向右侧的低压分支油管)。另一部分低压润滑油则流向十字头箱1000的后端端面(图27中流向左侧的低压分支油管)，进而流入曲轴箱油路中去润滑滚子轴承和轴承座。对于该部分的分支油路，如图28所示，在十字头箱1000的后端的通向十字头箱1000外部的出油口1503的位置需要与曲轴轴承外圈进油孔的位置对齐。对于高压润滑油路1510，如图27所示，从十字头箱1000的侧面(图中为靠近减速箱4000的一侧)的高压进油口1511处进油，通过油道流入十字头处，再经过十字头内部油道以及随着连杆的摆动进入连杆小头处润滑小头轴瓦。如图29所示，十字头箱1000内的润滑油均通过滑套的前端和后端与间隔架后端板、曲轴箱前端板的设计间隙中流入十字头箱1000底部，进而流入曲轴箱油底壳，并最终通过曲轴箱底部的回油管流回油箱。
158.如图30所示，设置于十字头箱1000侧端板上的高压进油口1511和低压进油口1512均设置有凸台结构1504以用以提供凸出于侧端板的平坦的连接平面。需要说明的是，图30为了图示方便，仅示出了十字头箱1000侧面的位于注油孔附近的部分结构。凸台结构1504周围采用圆角过渡以提高连接处刚度。注油孔的位置及数量不限，与内嵌油道相对应且不影响其他结构功能即可。如图30所示，十字头箱1000与外置油管优选采用法兰连接，接口更换方便，避免了以往采用内螺纹连接时的螺纹断裂风险，密封性能得以保证。根据实际需求，也可以选择普通螺纹连接等其他连接方式。
159.如图27所示，高压油路和低压油路各自均设有过滤器和溢流阀1501等。当润滑油路1500的内嵌式油道内的油压高于设定压力时，溢流阀1501会溢流出部分油液以保持润滑油压维持在设定压力。溢流出的润滑油通过油管与回油管相连，最终一起流向油箱，进行回收、过滤、冷却，以达到润滑油循环利用的目的。例如，过滤器和溢流阀1501均设置在十字头箱体1000的与设置有进油口的侧端板1005相对的另一侧端板1005处。
160.在根据本公开的实施例的十字头箱1000中，通过十字头箱1000侧面注油，将十字头箱1000内嵌油路的主油路设计为多个分支以通往十字头箱1000及曲轴箱2000供油，减少了内嵌油路在箱体内的占用体积，避免出现油路过多导致箱体壁面变薄，因此能够在降低工艺难度的同时保证箱体的刚度。另外，通过两台油泵分别供油(高压泵和低压泵)，可以更好地保证每条油路的供油量，更好地分配润滑油，避免因润滑支路过多导致润滑油分配不均匀，各个润滑点润滑油量不足的问题，提高润滑油利用率，减少异常，更好的辅助大功率柱塞泵的持续稳定作业。
161.此外，需要说明的是，除去上述方式，曲轴箱2000的润滑油路还可以不选择从十字头箱1000处供给，而是选择在曲轴箱侧单独地开孔注油，自成一路。此方式增加了孔道加工流程、外置管路及进油接口，增加了曲轴箱2000的箱体内部油道占有面积，对曲轴箱刚度有所影响。此外，内外管路接口处还需增加密封装置对油管连接处进行密封，防止油气泄漏及污染。曲轴箱进油位置可设置在曲轴箱上部或下部，也可设置于曲轴箱的左侧或右侧。油路可随之进行横向或纵向位置的变化。
162.6.连接及密封设计
163.6.1连接设计
164.在压裂泵的组装后的作业状态下，十字头箱1000的一端与曲轴箱2000连接，另一端与间隔架3000连接。如图31和图32所示，十字头箱1000与曲轴箱2000以及十字头箱1000与间隔架3000之间的连接紧固优选均采用双重螺栓的方式。其中，第一螺栓紧固是通过第一螺栓1611(长螺栓)整体固定及预紧。如图33所示，该长螺栓贯穿设置于十字头箱1000的第一道螺栓孔1610，并延伸至曲轴箱2000和间隔架3000，以起到连接压裂泵的液力端与动力端的作用。该长螺栓设定合理的初始轴力保证在柱塞泵运行过程中，液力端与动力端螺栓接合面始终处于连接状态。用于十字头箱1000与曲轴箱2000之间的第二螺栓和用于十字头箱1000与间隔架3000之间的第三螺栓主要起到密封和紧固的作用。因此，也可以将第一螺栓1611称为紧固螺栓或第一道螺栓，把第二螺栓和第三螺栓统称为密封螺栓或第二道螺栓。可以理解的是，十字头箱1000与曲轴箱2000或间隔架3000的连接方式不限于上文所述的螺纹连接，可采用保证两者紧密连接不发生相对位移的任意连接方式，例如，例如，采用外部夹持结构将两接触面夹紧定位，或采用电磁吸连接、液压连接、自动连接钩等方式。此
外，第一道螺栓和第二道螺栓的布置位置和数量不限于本文中说明的优选实施例，可以根据紧固和密封的需要而变化。
165.用于第一螺栓1611的第一道螺栓孔1610(即，长螺栓孔)位置及数量与曲轴箱2000连接螺纹孔对应。用于第二螺栓的第二道螺栓孔1620和用于第三螺栓的第三螺栓孔1630的位置原则上应设于远离第一道螺栓孔1610且位于从十字头箱1000的箱体凸出的薄壁处。凸出的薄壁的成型方式不限，四周优选采用圆角过渡以考虑铸造便利性并提升根部刚度。这样能够尽量减小第二螺栓和第三螺栓受第一螺栓1611预紧力的影响，确保第二螺栓和第三螺栓的密封。图31图示了十字头箱1000的后端面的第一道螺栓孔1610和第二道螺栓孔1620的布置示意图，图32图示了十字头箱1000的前端面的第一道螺栓孔1610和第三螺栓孔1630的布置示意图。如图中所示，第一道螺栓孔1610设置在两个相邻的十字头内腔1100以及两个相邻的排气腔1200之间的位置处，且位于多功能结构孔1300的外侧。优选地，第一道螺栓孔1610与多功能结构孔1300的中心彼此对准。此外，如图中所示，在根据本公开的实施例的十字头箱1000中，位于十字头箱1000后端的第二道螺栓孔1620和前端的第三螺栓孔1630的数量和布置方式可以是不同的。十字头箱1000与曲轴箱2000连接一侧(即，后端面)采用上下两排较大的螺栓连接。例如，可以在十字头箱1000的后端的上侧和下侧设置有凸缘部，并在凸缘部中设置第二道螺栓孔1620。此外，在十字头箱1000与间隔架3000连接一侧(即，前端面)，设置一圈稍小的螺栓进行连接。例如，可以在十字头箱1000的前端的上下左右均设置有凸缘部，并在凸缘部中设置第三螺栓孔1630。这是由于十字头在十字头箱1000中往复运动的运动范围更偏向于曲轴箱2000一侧，因此作用在曲轴箱2000一侧的螺栓的支反力更大，弯矩作用力臂更短。此外，曲轴箱2000和十字头箱1000两者的刚度都较大，连接面左右两侧基本不会发生变形分离。因此，只在上下布置两排较大的螺栓来承受更大的轴向力即可。而十字头箱1000与间隔架3000的连接端面的刚度较低、力臂长，且会有一定的挠曲变形，连接端面的横向两侧有可能会发生变形分离。因此，添加左右两侧的螺栓来保证接触面贴合。需要理解的是，第二道螺栓孔1620和第三螺栓孔1630不一定设置在凸缘部中，只要是位于第一道螺栓孔1610外侧的适于与第一道螺栓孔一起构成防脱松紧固结构的位置处即可。例如，第二道螺栓孔1620和第三螺栓孔1630也可以设置于位于十字头箱体的上蒙板和下蒙板上的凹陷处。由于第二道螺栓孔与第三螺栓孔均位于第一道螺栓孔的外侧且功能相似，因此也可以将第一道螺栓孔称为内侧螺栓孔，将第二道螺栓孔和第三螺栓孔统称为外侧螺栓孔。
166.6.2密封设计
167.十字头箱1000的前后端面1002分别与间隔架3000和曲轴箱2000相连接，因此在前后端面1002处需要进行密封设计。例如，通过设置诸如密封槽等密封结构或者采用密封胶等密封手段，将十字头内腔1100与排气腔1200密封在内，以保证十字头箱1000两侧与间隔架3000和曲轴箱2000的油气密封。图33以及图34a和图34b图示了十字头箱1000的前后端面上的密封圈1701的布置示例。十字头箱1000的密封槽和密封圈1701的位置、密封胶及其他多重密封手段的位置均没有特别限制，仅需要确保将十字头内腔1100、排气腔1200包含在密封区域内，满足本技术领域对于油气密封面的密封要求且不影响周围结构功能即可。
168.在十字头箱1000与曲轴箱2000的接触面的润滑油路交界处，可以增加局部密封件1702。图35图示了设置于润滑油路的出油口1503周围的作为局部密封件1702的密封圈。局
部密封件1702的密封范围不限，满足油口处所需密封即可。密封件的形式也没有特殊限制，如密封圈(形状不限)、密封胶等。
169.此外，如图36中所示，在十字头箱1000两侧端面上均设置了一对定位销孔1703，用于十字头箱1000与间隔架3000和曲轴箱2000组装时的定位销的连接，以实现三者间的相互对准定位(图36中只图示了一个端面)。在曲轴箱2000和间隔架3000上也形成有对应的销孔。定位销孔1703的大小和形状与使用的定位销相对应。定位销孔1703的设置位置不限，满足定位要求及不影响周围结构功能即可。优选设置在端面的对角处，以利于定位。
170.7.十字头箱的其它结构部件
171.7.1工艺孔和/或观察窗
172.十字头箱1000还形成有若干工艺孔和/或观察窗1810。工艺孔和观察窗由于都是贯穿十字头箱1000的箱体而形成的且功能和结构近似，因此在本文中也可以统称它们为工艺孔。例如，上蒙板1003和/或下蒙板1004可以设置有工艺孔和/或观察窗1810，用于箱体铸造后内部油道或其他工艺的加工以及后期使用中的维护检修。参照附图可知，工艺孔和/或观察窗1810优选形成在上蒙板1003和/或下蒙板1004上的与十字头内腔1100对应的位置处，以便于日后的维护和检修。此外，如前所述地，工艺孔和/或观察窗1810优选地形成靠近内嵌式油路1500的位置处，这样便于油路的加工和维护。在根据本公开的实施例的十字头箱1000中，由于十字头箱1000的底部会有流向曲轴箱2000进行回收的润滑油，因此，如图37所示，设置于十字头箱1000的下蒙板1004的工艺孔和/或观察窗1810具有向着箱体内凸出的凸台等上凸结构1811。通过设置上凸结构，可避免十字头箱1000的底部的润滑油流出孔外造成环境污染。这样的上凸结构1811还能增加固定螺栓的旋合长度，增强此处的紧固性。此外，设置于十字头箱1000的上蒙板1003的上部工艺窗采用向着箱体内凸出的下凸结构1812来增加固定螺栓的旋合长度，增强此处的紧固性。由于设备维护时工人会站立在十字头箱1000的上方，考虑到作业安全性，减少工人被绊倒的可能，此处不选择上凸结构。图38图示了工艺孔和/或观察窗1810的形成上凸结构1811或者下凸结构1812的凸台的示意性结构。在该图中，为了图示清楚，省略了其它部件的图示。若采用其他方式收集润滑油，底部工艺孔/观察窗可设计为其他结构。工艺孔/观察窗的数量不限，形状不限于圆形，位置设置不阻挡后期加工即可，此外根据实际需要工艺孔/观察窗也可采用其他方式加工而成或者也可以不设置工艺孔/观察窗。
173.7.2安装凸台及相关设计
174.在十字头箱1000两侧，在侧端板1005上设置有用于布置吊装耳板与支撑耳板的安装平面。例如，如图39所示，这样的安装平面可以是安装凸台1820的形式。安装凸台1820与十字头箱1000主体一体成型而成，四周设置圆弧或坡口过渡，增加根部刚度。安装凸台1820的位置、数量、横截面形状根据吊装耳板和支撑耳板的设置需求而定。除了安装凸台1820(外凸平面)之外，还可以根据实际情况通过在吊装处减薄来设置安装平面(内凹平面)。
175.7.3支撑耳板
176.根据本公开的实施例的十字头箱1000还设置有支撑耳板1830。如图39所示，根据本实施例的支撑耳板1830安装在安装凸台1820上，且设置于十字头箱1000的后端的靠近减速箱一侧，用于连接减速箱的螺杆支撑组件。合理的支撑耳板1830布置位置能有效减小减速箱朝向动力传输轴及重力方向的变形，提高减速箱箱体刚度。支撑耳板1830的位置、数
量、横截面形状不限，与螺杆支撑组件相配合即可。
177.7.4吊装耳板
178.根据本公开的实施例的十字头箱1000还设置有吊装耳板1840。如图39所示，根据本实施例的吊装耳板1840安装在位于箱体上部的安装凸台1820上。当液力端拆卸时，吊装耳板1840可用于十字头箱1000与曲轴箱组件或十字头箱1000自身的吊装作业。吊装耳板1840的形状、位置、数量不限。保证吊装时受力均匀，十字头箱1000不发生侧倾即可。吊装耳板1840的成型方式不限，可采用铸造等一体成型或加工等。在图39中示出的实施例中，在位于十字头箱的箱体上部的安装凸台上，吊装耳板1840与支撑耳板1830是一体成型的。这样的结构减少了安装凸台1820的占用面积和加工工序，节省了成本。应当理解的是，也可以根据设计需要在不同位置处的安装凸台1820上分别形成支撑耳板1830和吊装耳板1840。
179.上文中已经参照附图详细说明了根据本发明的一体成型式的十字头箱的优选实施例。应当理解的是，根据本发明的一体成型式的十字头箱不一定需要具有附图中示出的所有技术特征，而是可以根据需要对本文中说明的这些技术特征进行组合。例如，在前文中说明的根据本发明的一体成型式十字头箱的各种优选结构中，例如排气腔、内嵌式油路、多功能结构孔等结构可以根据具体需要而选择性地设置。它们对于实现根据本发明的一体成型式的十字头箱的基本功能而言并不是必不可少的结构。例如，根据本发明的一体成型式的十字头箱也可以不采用内嵌式油路，而采用现有技术中的外接式油管。
180.例如，根据本发明的一个实施例的十字头箱是通过一体成型工艺形成的大致矩形箱体，并且具有前端面、后端面、上端面、下端面和侧端面，所述十字头箱设置有多个十字头内腔，各所述十字头内腔沿着所述十字头箱的纵向延伸并贯穿箱体，所述多个十字头内腔沿着所述十字头箱的横向排布。所述十字头箱还设置有多个排气腔，各所述排气腔在所述十字头箱的纵向上贯穿所述十字头箱并且与相应的所述十字头内腔连通。
181.例如，根据本发明的另一实施例的十字头箱是通过一体成型工艺形成的大致矩形箱体，并且具有前端面、后端面、上端面、下端面和侧端面，所述十字头箱设置有多个十字头内腔，各所述十字头内腔沿着所述十字头箱的纵向延伸并贯穿箱体，所述多个十字头内腔沿着所述十字头箱的横向排布。所述十字头箱还设置有多个多功能结构孔，各所述多功能结构孔沿着所述十字头箱的纵向延伸并贯穿箱体。
182.例如，根据本发明的又一实施例的十字头箱是通过一体成型工艺形成的大致矩形箱体，并且具有前端面、后端面、上端面、下端面和侧端面，所述十字头箱设置有多个十字头内腔，各所述十字头内腔沿着所述十字头箱的纵向延伸并贯穿箱体，所述多个十字头内腔沿着所述十字头箱的横向排布。所述十字头箱还设置有内嵌式润滑油路，所述内嵌式润滑油路是形成在所述十字头箱的箱体内的相互连通的油孔和油道，并且所述内嵌式润滑油路包含主油路和分支油路。
183.根据本公开的十字头箱通过采用铸造工艺一体成型及平台化设计，提高了零件通用性和适配性，极大减少了不同型号压裂泵中的配件种类，节省了大量购买配件和维护检修的成本。传统的拼焊式动力端壳体一旦部分开裂破坏就要整体返修甚至报废，影响压裂作业效率，加大了维护保养的费用。此外，一体成型的十字头箱不但提高了动力端壳体的强度和刚度，延长壳体寿命和保养周期，而且可以实现部分壳体的单独维护和更换，降低维修难度和返修成本。
184.此外，根据本公开的实施例的一体成型的十字头箱可以设置有多功能结构孔等结构，由此在确保结构刚度的同时还减轻了箱体的重量。根据本公开的实施例的一体成型的十字头箱可以通过设置专用的排气腔体和流体通道，使得箱体内部具有良好的流体循环通路，从而使得作业过程中箱体内部的气压始终能够保持平衡，由此提高设备的运转平稳性和使用寿命。根据本公开的实施例的十字头箱的润滑油路可以采用内嵌式结构来取代传统的外接油管布置，从而省去了大量的柔性软管和管路接头，极大降低了由于管路氧化腐蚀、管接头松动等潜在风险带来的油压泄露问题。因而，能有效延长润滑系统的维保周期，并方便故障排查和检修。
185.根据本公开的十字头箱的两侧设计有吊点，便于单独及各种组合吊装。十字头箱的圆筒形的十字头内腔使得能够采用圆筒形的十字头滑套来取代两片式的轴瓦，减少了安装工序，同时便于轴瓦的检查与更换。十字头箱上还装有传感器用以实时监测设备的振动、箱体的温度以及润滑油的温度和流速等数据，便于现场人员在设备产生异常的初始阶段就能及时发现并做出应对行为，如停机检查、更换组件等。
186.尽管在上文中已经参照附图说明了根据本公开的一体成型式的十字头箱，但是本发明不限于上述实施例。且本领域技术人员应理解，在不偏离本发明随附权利要求书限定的实质或范围的情况下，可以做出各种改变、组合、次组合以及变型。此外，本公开的有益效果也不限于上文中提到的效果，而可以是通过阅读本公开而能够想到的其它效果。
187.附图标记列表
188.1000十字头箱
189.2000曲轴箱
190.3000间隔架
191.4000减速箱
192.1001前端面
193.1002后端面
194.1003上蒙板、上端面
195.1004下蒙板、下端面
196.1005侧端板、侧端面
197.1006限位槽
198.1100十字头内腔
199.1200排气腔
200.1300多功能结构孔
201.1101间隔板
202.1102间隔柱
203.1400十字头滑套
204.1401滑套油孔
205.1402滑套定位销孔
206.1403滑套凸出部
207.1404滑套内凹部
208.1201流体通道
209.1210加强梁
210.1211过渡结构
211.1500润滑油路
212.1510高压润滑油路
213.1520低压润滑油路
214.1511高压进油口
215.1512低压进油口
216.1501溢流阀
217.1502油槽端部
218.1503出油口
219.1504凸台结构
220.1610第一道螺栓孔
221.1620第二道螺栓孔
222.1630第三螺栓孔
223.1611第一螺栓
224.1701密封圈
225.1702局部密封件
226.1703定位销孔
227.1810工艺孔/观察窗
228.1811上凸结构
229.1812下凸结构
230.1820安装凸台
231.1830支撑耳板
232.1840吊装耳板
233.2001连杆活动窗