往復式柱塞泵十字頭的改進與應用

摘 要：隨著油田不斷開發，油田注水壓力隨之不斷升高，離心式注水泵已經不能滿足這部分油田注水需要，此類油田的注水大部分采用柱塞泵。同時隨注聚合物井不斷在各油田相繼投產，往復式柱塞泵也成為注入聚合物的主要設備。其維修費用也呈上升趨勢。在柱塞泵維修工作中發現，此類泵型由于十字頭銷軸孔磨損產生的維修費用占總體維修費用的比例已達到40%左右。因此我們對往復式柱塞泵的十字頭進行了技術改進。

關鍵詞：往復式柱塞泵;十字頭;改進措施;應用效果

隨著大慶油田近年產能形式不斷變化，外圍小區塊油田也成為油田的能源產出主力。這部分油田注水壓力相對都很高，最高可達到17.5 Mpa左右。同時中區主力油田不斷開始三次采油，注聚合物井在數量上也呈現上升趨勢，因此往復式柱塞泵也成為油田重要的注入設備。

1往復式柱塞泵

1.1組成結構

往復式柱塞泵主要由兩大部分組成，如圖一所示：一部分是動力端，這部分主要由箱體、曲軸、連桿、十字頭、十字頭滑道和中間桿等部件組成。另一部分是液力端。這部分主要由泵頭、柱塞、填料函、進液閥、排出閥組成，泵頭上有一個空腔就是泵的工作空間。

1.2工作原理

從往復泵的工作原理圖可以了解其工作泵理，如圖二所示：在原動機的帶動下，往復泵曲軸做旋轉運動，由曲軸、軸柄和連桿的機械特性決定了曲軸連桿機構將原動機的旋轉運動變為往復運動，但是這種運動是一種往復擺動，只有在通過十字頭和十字頭滑動的配合作用下才能把這種往復的擺動變為往復直線運動，從而帶動柱塞做往復直線運動。當柱塞向前運動時，泵的工作空間變小，但壓力增加，在壓力的作用下，進液閥關閉排液閥打開，泵排出液體;當柱塞向后運動時，泵的工作空間增大，但壓力降低，在彈簧彈力和排出管路壓力作用下排出閥關閉，在大氣壓力的作用下進液閥打開，泵吸入液體。原動機不停的旋轉，柱塞就不停的做前后往復運動，使得泵不斷的吸入和排出液體。

2十字頭存在問題

在往復式柱塞泵維修工作中發現，往復泵故障頻率最多的零部件就是起轉化運動方式作用的十字頭。

2.1十字頭關鍵作用

油田上使用的往復式柱塞泵是依靠泵內工作空間容積大小的變化來實現吸入和排出液體的。改變工作空間容積大小的關鍵部件是柱塞（或活塞）。十字頭在柱塞泵中的主要作用就是將連桿的往復擺動變為往復直線運動，它安裝在泵箱體上的十字頭滑道中，在滑道中做前后往復運動并帶動柱塞運動。因為它轉化的是連桿的往復擺動，十字頭與連桿的連接方式是通過一個十字頭銷將連桿和十字頭連接起來，連桿和十字頭的相對運動方式主要為擺動。

2.2十字頭故障分析

在動力端的運動系統中，十字頭與十字頭銷是不產生相對運動的，因為十字頭銷與連桿之間采用的是滑動軸承連接。造成它們之間出現相對運動的原因是十字頭與十字頭銷之間采用的是間隙配合，優點是在維修過程中，如果要更換損壞的十字頭或連桿可以不用將動力端全部拆解就能實現維修;缺點是工作過程中會在十字頭與十字頭銷之間產生相對運動。隨著工作時間的增長會出現磨損，間隙也越來越大。十字頭與十字頭銷的間隙一旦增大就會產生一系列的后果;一是它們之間在工作過程中會出現撞擊，使泵體振動增大，進而加速整個柱塞泵的疲勞破壞。二是會造成連桿與曲軸之間的撞擊，破壞連桿與曲軸之間的油膜，降低潤滑效果，使連桿與曲軸磨損加快;三是會造成柱塞行程的減小，泵效率降低。

在實際應用中，柱塞泵十字頭的損壞部位都是十字頭銷軸孔這個位置。當柱塞泵累計運行7000多小時后，十字頭銷軸孔出現嚴重磨損，間隙達到4～5mm，此時必須更換十字頭，否則會帶來嚴重后果。經常更換十字頭不僅增加了設備維修費用，而且加大了設備管理難度。

3十字頭改進措施

分析往復式柱塞泵動力端工作原理可知，如果改變十字頭與十字頭銷的配合方式，消除它們之間的相對運動，從而化解相互運動產生的磨損，問題也就迎刃而解了。圖三為改進前的十字頭與連桿裝配圖。

首先設計了第一種改進方案：將十字頭銷軸孔概念銷軸改為過盈配合，這從本質上解決了它們的相對運動問題。但是在柱塞泵維修保養過程中，如其它部件損壞（連桿等）也要先將十字頭取出。在不整體拆解柱塞泵動力端的情況下無法進行維修更換其它損壞部件。所以這種改進在實踐中并不是有效可行方案。

由此設計了第二種改進方案：在十字頭后端面加工了兩個M5的細牙內螺紋，然后相應配制兩個細牙內六角螺釘。在十字頭銷軸兩端分別銑削出深4mm，寬5mm的槽。安裝時先將連桿、十字頭、十字頭銷完全組裝好，然后頂緊螺釘，這樣就用螺釘緊定的方式將十字頭銷軸完全固定在十字頭上，消除了它們之間的相對運動。在維修其它損壞部件時，可以采用先打開曲軸箱蓋板，在將曲軸盤車到合適位置，最后用內六角扳手卸開兩條內六角螺釘的方式將十字頭取出來。由此可見第二種方案具有可行性。圖四為應用此方案改進后的十字頭與連桿裝配圖。

4效果分析

往復式柱塞泵十字頭改進前平均每8000h左右就需要更換一組十字頭，改進后的十字頭在某柱塞泵上實際應用，累計運行16000小時，十字頭銷軸孔還沒有明顯磨損，效果十分明顯。減少了維修次數，也降低了維修費用投入。

5結束語

往復式柱塞泵十字頭改進簡單易行，安全實用，且費用低廉。如能在油田推廣應用，效益十分可觀。

參考文獻

[1] 姬忠禮，鄧志安，趙會軍. 泵和壓縮機[M]. 石油工業出版社，2008（01）：83-85.

作者簡介：李殷海，男，1974年12月15日出生，注輸泵修理技師，主要從事油田常用泵修理工作，單位：第八采油廠第四油礦。