2300 型壓裂車變量泵損壞原因分析及改進

韓旭輝，王海軍

（中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司，陜西西安 712000）

0 引言

2300 型壓裂泵車用于油氣田深井和中深井的壓裂施工作業，適合泵送帶支撐劑壓裂液的水力壓裂、酸化壓裂、高壓泵入不同液體（CO2液體、混合液）以及壓力測試等。由于壓裂泵車在較惡劣的環境下工作，且在相對密閉的狀況下開式運行，有諸多因素可造成臺上風扇液壓系統故障，損壞與失效經常發生，具有故障點隱蔽、部位不易確定等特點。

1 工作原理

2300 型主壓車的臺上部件散熱系統采用臥式結構的冷卻系統，壓裂車風扇液壓系統主要由PTO（Power Take Off,動力輸出裝置）、變量柱塞泵、風扇液壓電機及液壓附件組成。通過車臺柴油機前端取力，驅動多通道散熱器風扇電機，風扇轉速根據發動機和傳動箱溫度變化自動無級調速，也可采用手動控制方式。主控箱設置風扇轉速控制手動和自動切換開關，也可以手動方式對風扇轉速進行調節。液壓系統包括油箱、濾清器、溢流閥、單向閥等，以確保系統的完整和功能化。液壓系統各型泵和電機全部采用進口品牌，液壓管線和接頭都使用品牌產品。

功能及組成：風扇冷卻系統為五部分提供冷卻：車臺發動機，壓裂泵動力端潤滑油，柴油發動機柴油，液力傳動箱潤滑油，節溫器開啟溫度不超過85 ℃，為全車液壓油提供冷卻。

該套設備在投入生產前、初步調試使用后，針對調試驗收階段出現的故障問題匯總分析，發現車臺變量泵故障為該套設備常見故障，共出現相同的變量泵故障6 次，其中2018 年出現2次，2019 年出現4 次。故障導致設備等停待修，現場不能及時解決，需要拆卸變量泵返廠維修，造成維修周期延長、維修費用增加，降低了設備的使用效率，影響生產進度。

該液壓系統所使用的變量泵型號為力士樂A4VG180DT1/32L-NZD02F001P，該泵廣泛應用于設備液壓取力系統，是民用領域功能較先進的一種液壓柱塞變量泵。

針對2300 壓裂車現場使用中出現的多起變量泵故障，分析故障原因后提出解決方案和液壓系統檢查維護的基本方法，為壓裂車散熱系統長周期穩定運行提供保障。

2 故障分析

2.1 變量泵損壞情況

根據2018—2019 年的使用情況，針對2300 壓裂車變量泵損壞問題進行收集、分析，總結出損壞情況主要分為三類：①變量泵與花鍵套之間的蓋板連接螺絲松動脫落頻次較高（12 次）；②變量泵花鍵軸與花鍵套損壞、磨損（6 次）；③變量泵與發動機之間的連接齒盤損壞（2 次）。

通過對設備兩年使用過程中變量泵出現的問題進行分析，連接螺絲松動占比60%，花鍵軸及花鍵套損毀占比30%，齒盤損壞占比10%（圖1）。

圖1 變量泵出現故障類型比例

變量泵發出異聲且聲音較大，基本可以確定是變量泵故障。一般是由于連接螺絲脫落，造成變量泵的花鍵軸、齒盤的花鍵孔磨損嚴重。

部分車輛故障為變量泵與齒盤的連接螺絲松動，需對變量泵與齒盤的連接螺絲進行緊固，防止脫扣。

變量泵花鍵與齒盤花鍵孔不嚙合，可以確定花鍵軸和花鍵孔已磨損，由于兩者不嚙合，如果未及時發現，磨損嚴重可能會造成固定螺絲無法拆卸。

2.2 原因分析

2.2.1 變量泵部件材料硬度分析

查詢變量泵設計要求，對花鍵軸及軸套等進行硬度試驗，經測定變量泵花鍵軸表面硬度4～56.5 HRC（要求硬度49.1～52.3 HRC），軸套表面硬度29.4～31.2 HRC（要求硬度29.2～34.2 HRC），花鍵軸及軸套硬度符合技術要求，但是花鍵軸表面硬度高于軸套表面硬度。

兩者表面硬度均符合要求，且花鍵軸表面硬度更高，出現故障時首先磨損花鍵套，有利于保護變量泵花鍵軸不受損壞。

2.2.2 變量泵安裝形式分析

2300 壓裂車變量泵安裝在發動機飛輪端，變量泵花鍵軸通過軸套與齒盤連接，兩者之間通過螺絲連接，齒盤與發動機飛輪端內齒盤嚙合傳輸動力。

通過對安裝結構分析，花鍵軸與軸套之間采用一根螺絲進行連接，該螺絲無鎖緊裝置，且為正扣。發動機帶動變量泵運轉過程中，連接螺絲因振動等因素出現松動，導致花鍵軸與軸套出現軸向位移，嚙合部位變小，單位面積受力變大。同時花鍵套在運轉過程中會出現徑向位移，導致花鍵軸與軸套不同心。軸向及徑向應力不均勻，在高轉速下，加劇了變量泵花鍵軸及軸套的磨損。變量泵失效，風扇馬達驅動失效，風扇停轉后，臺上散熱系統出現高溫現象。

2.2.3 部件結構分析

通過拆解查看，變量泵花鍵軸與軸套只有1/2 嚙合工作，在連接螺絲松動或脫落時，由于軸向位移導致嚙合面積變小，花鍵軸及軸套單位面積受力變大，極易導致磨損。

3 結論

（1）變量泵本體及花鍵軸本身并無問題，且在多次故障中周變量泵本體未出現故障，該型號變量泵應用廣泛，設備生產廠家及維修人員對泵的質量都進行過驗證，可以排除變量泵質量問題。

（2）變量泵損壞時均出現連接螺絲脫落現象，且螺絲脫落后會引起軸套軸向、徑向位移，導致嚙合面積減小，嚙合部位受力不均，加速花鍵軸與軸套磨損。

（3）變量泵花鍵軸為成品件，與軸套只有1/2 相互嚙合工作，螺絲松動使嚙合面積進一步減小。

4 改進措施

（1）花鍵軸與鍵套嚙合面過短，間隙配合面僅前半部分嚙合，嚙合面承受較大的徑向力，加速花鍵軸及軸套的磨損，造成配合間隙增大，影響變量泵的使用壽命。

改進措施：按設計要求重新加工花鍵軸，加大花鍵軸與軸套的接觸面積，可以降低單位面積的受力，延長花鍵軸及軸套使用時間。

（2）改進花鍵軸與軸套連接形式，可以通過增加鎖片、擋板，將連接螺絲設計為反扣形式，避免變量泵使用過程中螺絲松動現象，從根本上解決變量泵損壞頻繁的問題。

（3）原壓裂車聯軸器主要材質為橡膠。在野外環境中，保養不到位會影響動力傳遞的穩定性和使用壽命。聯軸器為進口產品，采購周期長、價格高。

如將傳動方式改造為傳動軸萬向節連接，結構簡單、運行可靠、傳動效率穩定，在日常維護和更換時更加方便快捷，使用壽命大幅延長。同時采用國產材料，維修更加容易，采購周期縮短、性價比高。

5 液壓系統故障檢查

液壓系統常見故障為液壓泵磨損和溢流閥故障。

（1）液壓系統壓力檢查。散熱系統無壓力，檢查液壓泵和PTO，判斷是否由于進油回油管路、濾清器、單向閥、節溫器等堵塞引起。

（2）溢流閥、沖洗閥工作是否正常。因為壓力油路中的某個溢流閥主閥芯阻尼孔堵塞、主閥芯復位彈簧斷裂或卡死、錐閥調節彈簧斷裂、錐閥破損，使溢流閥處于回油位置，致使壓力油路與溢流回路相通，液壓油直接流回油箱。

（3）變量柱塞泵輸出液壓油量是否正常?？蓮囊簤合到y源頭查找，首先檢查PTO 和變量柱塞泵連接部分是否正常，排除動力的原因；檢查變量泵有無液壓油輸出，判斷液壓系統泵體是否有鑄造缺陷（砂眼），使吸油腔與壓油腔相通，喪失增壓能力；輸入功率不足使輸出油壓達不到工作壓力或不能輸出油等。

（4）變量柱塞泵電磁閥工作是否正常。檢查電磁閥供電信號，電磁閥供電電壓為0 時，可判斷變量柱塞泵故障主要原因是泵的電磁閥不工作。

6 使用保養

（1）定期緊固。工作中由于設備振動、液壓沖擊等原因會造成松動，應定期緊固。

（2）定期保養更換濾芯。一般每兩月清洗一次，工作環境惡劣的，周期應適當縮短。

（3）油箱底部的污物應定期清洗。環境粉塵較大，周期適當縮短。

（4）及時補充及清潔液壓油。

（5）定期強制過濾、更換液壓油和密封件。