柱塞泵動力端連桿軸承與間隙檢測儀應用

王慶斌

（大慶鉆探工程井下作業工程公司，吉林松原 138000）

0 引言

隨著油田開發的不斷深入，特別是頁巖油、頁巖氣、致密油的開發，壓裂工藝應用的重要性逐步顯現，對壓裂車組提出了越來越高的要求，大功率、長時間、高負載已成為壓裂施工的主要特點。而作為壓裂車的核心設備，壓裂泵的可靠性要求越來越高，小連桿承受最高113 400 kg 載荷，這些載荷通過十字頭傳遞給十字頭銷軸和連桿軸承，因此這兩個部位磨損情況直接影響油膜形成和機構工作，一旦超差，極易引發嚴重機械故障。通常檢測這兩個部位間隙需要對大泵解體后進行，解體大泵不僅周期長，還要更換相關的密封件，成本和周期都對生產經營帶來較大影響，因此研制不通過拆解快速測量出該部間隙是否超差的測量工具，對生產和經營具有重要意義。

目前，國內油田壓裂設備配備的柱塞泵動力端，主要有SPM、OFM、FMC 等品牌，其結構主要由減速齒輪、動力端輸入軸及軸承、曲軸及軸承、連桿及軸承、十字頭及銅套、拉桿等主要部件組成。其動力端的原理是將能量從曲軸的輸入端輸入，經曲軸、連桿、十字頭、拉桿傳送到液力端柱塞。在使用中柱塞泵的主要故障有：主動軸軸承磨損、主從動齒輪嚙合面磨損、柱塞與缸套磨損、連桿軸承的磨損等。柱塞泵在工作中曲軸的連桿軸承、連桿小軸軸承（推力襯套和連桿耳軸襯套），均受到泵液力端柱塞的推力，使連桿軸與軸承及連桿小軸與軸承（推力襯套）的受力面出現磨損，造成曲軸主軸承間隙、連桿軸承和連桿小軸與軸承（推力襯套）間隙過大。連桿軸承磨損故障是柱塞泵的主要常見故障。為達到在短時間內快捷檢測出連桿軸承的磨損尺寸，給故障檢修提供準確的參數依據及磨損部位，該檢測儀的應用滿足了柱塞泵不解體，早期磨損的診斷檢查要求，并得到應用。

1 柱塞泵各部間隙成因及產生的影響

1.1 主從動齒輪及配套軸承間隙

主從動齒輪之間因長時間工作，齒面可能出現磨損（圖1、圖2），從而造成齒輪嚙合時出現振動，同樣因為軸承磨損也能引起齒輪嚙合位置變化產生振動，這些可通過泵兩側設置的監測孔及時觀測到，而且齒輪嚙合不正常的振動很容易判斷。

圖1 主從動齒輪

圖2 齒面磨損

1.2 曲柄欄桿機構（連桿軸承、十字頭小軸軸承間隙）

曲柄連桿機構軸承磨損（圖3），主要是由于在油膜形成早期或極端條件下產生的邊界摩擦或者直接摩擦，經過長時間累計超過油膜形成的允許條件。對于是否超過允許值檢查工作要復雜一些，尤其是十字頭銷軸常規檢查，需要將動力端全部解體，周期長、成本高。

圖3 曲柄連桿機構軸承磨損

1.3 兩個因素引發故障造成損失的比較

從歷年因間隙超差造成的大泵動力端損壞故障大修理統計來看，第二種因素所占比例超過90%，所以針對連桿軸承、十字頭小軸軸承間隙檢查尤為重要。

2 檢測儀研制原理

柱塞泵旋轉，泵曲軸驅動連桿、拉桿、十字頭、柱塞工作，曲軸每旋轉360°完成一個工作沖程，當沖程頂點時，連桿、拉桿、十字頭、柱塞在同一直線位置，而且在驅動力和柱塞阻力的作用下，此時連桿機構前進方向反向軸孔配合各部間隙基本為零（因轉速較低、油膜形成條件被破壞），再將曲軸繼續旋轉帶動連桿和拉桿旋轉180°，此時連桿運動方向反向軸孔之間間隙為零，將此時測得的連桿行程與標準值比較，得出的差值的1/2，即為磨損值。將該磨損值與允許磨損量比較，可以判斷大泵是否需要檢修曲柄連桿機構軸承或銷軸，也可以通過周期性測量，給出可以繼續使用的時間。

3 結構概述

檢測儀分成儀表的基座裝置和測量裝置兩部分，儀表的基座裝置主要有：導軌1 根、導軌上端有檢測儀表座的軌道槽，在選位置時儀表座可在軌道槽內滑動選位，導軌設有固定板4 塊，每2 塊對導軌形成一個固定支撐，安裝過程2 塊壓盤由快速螺栓連在導軌的兩側，經快速螺栓扭力將導軌與泵的液力端閥箱固定一體。測量裝置有：百分表1 塊，可調式百分表支架1 組，帶一對磁鐵塊的磁盤定位尺1 個，磁盤定位尺可在校正百分表及測量時與拉桿形成一體。

表1 SPM 動力端拆解前后參數對比

4 檢測應用實施

將檢測儀的導軌與動力端的泵殼體鎖止固定，磁盤定位尺與連桿磁吸固定與百分表指針校對歸零，利用杠桿的推力推動柱塞卡盤移動出軸承的配合間隙尺寸，百分表顯示數值為間隙數值，精確到0.01 mm。根據使用標準測量數值達到大于0.40（0.36）～0.65 mm 應泵體解體拆檢，檢修磨損機件。

5 驗證對比

將SPM 動力端解體檢測和檢測儀檢測對比，兩種方法檢測連桿軸承與小軸軸承的間隙值，解體檢測值大于檢測儀檢測值，誤差均在0.02～0.05 mm。

對比結論：檢測儀檢測值加大0.05 mm 為軸承磨損實際間隙值。對不同規格型號的柱塞泵連桿軸承使用極限數值，與檢測數值進行參照對比，可確定為連桿軸承磨損的參考數值。SPM動力端拆解前后參數對比見表1。

6 檢測儀的應用效益

實施前的檢查診斷方法：項目實施前，大泵需要進行解體檢查，泵在施工過程出現異常撞擊異響及機械故障時，要拆卸泵體曲軸一側的端蓋，逐個拆檢連桿軸承檢查測量其連桿軸承的磨損間隙，連桿小軸與推力襯套在柱塞缸套內，無法完成拆檢項目，如需檢查要進行泵體的整體解體檢查、檢測，檢測過程至少1 周，此項檢查、檢測項目工作強度大、檢測修理成本高、檢測周期長，降低了設備利用率。檢測儀實物見圖4。

圖4 檢測儀實物

實施效果：使用該檢測儀可根據泵的工作時間，定期進行動力端不解體逐缸檢測，和故障后對故障部位的檢測，檢測時間大約1～2 h，既節約成本，又縮短檢查周期，對泵動力端的連桿軸與軸承及連桿小軸與軸承（推力襯套）磨損間隙測量精確，為故障檢修提供依據，每臺檢查拆檢費用需8 萬元，年均檢測4 臺柱塞泵，可創效30 余萬元。

7 推廣應用

檢測儀的使用可檢測出柱塞泵的常見連桿軸承磨損間隙，確定故障部位，操作過程簡單快捷，安全可靠，檢測精確誤差小、提高功效，可在柱塞泵不解體的條件下進行檢測，早期發現柱塞泵的連桿軸承磨損，目前已經在大慶鉆探井下作業工程公司范圍內推廣應用，該檢測儀器可在其他柱塞泵檢測中推廣應用。