淺談往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

賈磊

（中海石油（中國(guó)）有限公司海南分公司，海南 海口 570300）

傳統(tǒng)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)柱塞泵的配流方法采用了單向閥門或電磁控制閥，其構(gòu)造松散，容量大，但噪音高，節(jié)流風(fēng)險(xiǎn)高，且需要專業(yè)的維護(hù)與管理，同時(shí)能源消耗大，運(yùn)行成本高。此外，容量效率低易受運(yùn)行時(shí)間的干擾，難以實(shí)現(xiàn)高頻、快速、大流量的配流。采用往復(fù)式柱塞泵的旋套型配流技術(shù)，解決了以往的氣閥式配流方法的弊端，使活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)套的單向運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了活塞的版套與旋套之間的雙向運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了裝置的可維護(hù)性、擴(kuò)展性和復(fù)用度。所以，針對(duì)往復(fù)柱塞泵旋套型配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改善，是非常需要的。

1 往復(fù)柱塞泵結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 活塞式活塞泵的工作原理

當(dāng)活塞速度上升時(shí)，油泵里的燃油被擠壓，油泵的氣壓也上升；這樣，在相同速度下，各個(gè)位置的活塞油壓就會(huì)有不同，所以也就形成了不同的壓力。當(dāng)油泵中的外壓力高于油管的內(nèi)壓力時(shí)，單向閥啟動(dòng)，油就會(huì)注入管道內(nèi)。往復(fù)式柱塞泵由插柱－密封系統(tǒng)副、配流機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，其作用原理是利用鞲鞴在油泵內(nèi)的來回運(yùn)動(dòng)，在密封系統(tǒng)和活塞頂之間構(gòu)成了一種動(dòng)態(tài)的工作容積，利用該機(jī)制可實(shí)現(xiàn)鞲鞴往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)柱塞泵工作容積增大后，油泵的揚(yáng)程也將改變，從而產(chǎn)生大氣壓力差，將泵腔和吸油室相連，當(dāng)柱塞泵的工作容量減小后，將油泵和排油室相連，由此完成由吸油腔向排油腔的流體動(dòng)力。

1.2 柱塞泵的傳動(dòng)模式

傳統(tǒng)的往復(fù)式柱塞泵多是單向閥的，其驅(qū)動(dòng)形式多種多樣，根據(jù)其驅(qū)動(dòng)形式和功率可劃分為：四類：凸輪機(jī)構(gòu)往復(fù)柱塞泵、曲柄連桿往復(fù)柱塞泵、液壓往復(fù)柱塞泵和直線馬達(dá)往復(fù)柱塞泵。該泵采用一種由彈簧耦合裝置與電動(dòng)機(jī)相連接的方法，由離合器帶動(dòng)齒輪、曲軸（或偏心齒輪）、連桿等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使滑塊沿直線方向移動(dòng)。由于其體積小，流通能力強(qiáng)，可靠性高，在出口、煤礦、化工、輕工、機(jī)床等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

（1）復(fù)式柱塞泵的凸輪傳動(dòng)。隨著活塞的上升，油泵中的燃料受到擠壓，泵內(nèi)部的壓力也隨之增加；在油泵內(nèi)部的壓力大于油管的內(nèi)部壓力時(shí)，單向閥開啟，燃料進(jìn)入管道。活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是由活塞泵的動(dòng)力端上的偏心凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的。實(shí)現(xiàn)了進(jìn)、出、出口單向閥的切換、活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

（2）曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)柱塞泵。曲柄連桿式往復(fù)式泵是以馬達(dá)或內(nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過在活塞（柱塞）桿與原動(dòng)機(jī)之間的一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)的。利用活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和單向閥的配流，實(shí)現(xiàn)了抽油、排油的工藝，從而實(shí)現(xiàn)了液壓能量的輸出。在這種情況下，水泵并聯(lián)后，系統(tǒng)的總體經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低，但是對(duì)系統(tǒng)的性能有很大的影響。

（3）液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)柱塞泵。為了滿足深井及地下動(dòng)力鉆具的需求，該廠技術(shù)人員在不斷優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，并通過多次試驗(yàn)，創(chuàng)造性地提出了“現(xiàn)場(chǎng)分水法”的工藝技術(shù)。根據(jù)工作壓力和工作要求，應(yīng)選擇各種類型的真空泵。只有在工作壓力和工作需求下，才能選用各種型號(hào)的真空泵。20 世紀(jì)90 年代初，研制了一種液壓驅(qū)動(dòng)的往復(fù)活塞泵。目前，采用液壓傳動(dòng)的往復(fù)泵有：?jiǎn)胃纂p作用往復(fù)泵，雙缸單動(dòng)往復(fù)泵，雙缸雙動(dòng)往復(fù)泵，三缸單動(dòng)往復(fù)泵，四缸單動(dòng)往復(fù)泵等。

（4）直線電機(jī)往復(fù)柱塞泵。直線馬達(dá)往復(fù)式活塞泵省去了曲軸連桿和十字頭等零件，將直線馬達(dá)與往復(fù)泵液力端柱塞桿連接，簡(jiǎn)化了動(dòng)力傳遞環(huán)節(jié)，極大地簡(jiǎn)化了往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了往復(fù)活塞泵的運(yùn)動(dòng)方式。另外，本系統(tǒng)能極大地分離牽引電源和牽引電源，使其與牽引電源不受干擾。

1.3 往復(fù)式柱塞泵的分配模式

往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)柱塞泵的配流系統(tǒng)中，一般使用閥門配流。因?yàn)閱蜗蜷y的氣體泄漏量小，密封性較好，啟閉時(shí)相對(duì)安全，對(duì)污染氣體也不敏感，且水壓損失較小，加上操縱方法也相對(duì)簡(jiǎn)單、獨(dú)立，所以在往復(fù)式的柱塞泵中普遍采用單向閥配流。但由于其構(gòu)造的差異，單向閥的類型通常包括球閥、板閥和錐閥這三種球閥，球體一般采用的鋼珠以及其他高強(qiáng)度、熱耐磨材料所制成的球體。不過，當(dāng)球閥的開閉運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于其壓力比很大，并且運(yùn)動(dòng)的慣性也更大，從而導(dǎo)致閥門的啟閉動(dòng)作形成了滯后，尤其是在高速運(yùn)動(dòng)中，如活塞式活塞泵的滯后情況就尤為突出。而平板閥門則由于其重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、比較方便使用，可通過與閥門的環(huán)形表面不接觸的方法實(shí)現(xiàn)完全封閉。

2 配流口與減振槽結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 配流口與減振槽對(duì)配流的影響分析

通過CFD 方法對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的空氣流場(chǎng)特征進(jìn)行模擬研究后發(fā)現(xiàn)，在吸油期與排油期轉(zhuǎn)換過程瞬間容易產(chǎn)生倒灌或閉死狀態(tài)，造成容積利用率下降及壓力超調(diào)量，高壓超調(diào)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生噪聲和干擾，系統(tǒng)自身與工作環(huán)境也可能產(chǎn)生損害。一旦配流口位置調(diào)整恰當(dāng)，在插桿的下行過程中或配流口與出油腔剛好對(duì)接時(shí)，泵腔內(nèi)的氣壓上升或與出油腔氣壓一致時(shí)，可有效防止上述情況。減振槽還能有效防止配流系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的高壓過調(diào)現(xiàn)象，當(dāng)配流系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)高低壓切換時(shí)，由于減振槽的配流口較早地與進(jìn)、出油腔對(duì)接，因此，如果泵腔中的油液壓與進(jìn)、出油腔中的油液的壓力差過高時(shí)，應(yīng)采用減振槽轉(zhuǎn)換方式，以穩(wěn)定泵腔的進(jìn)、出油腔相對(duì)接，因此如果泵腔中的油液壓與進(jìn)、出油腔中的油液的壓差過大，則可以采用向減振槽的過渡方式，以平衡泵腔中和進(jìn)、出油腔之間的電壓差值，起到了減小電壓差過調(diào)的作用。所以，減振槽的結(jié)構(gòu)尺寸將成為設(shè)計(jì)研究的重要尺寸。本研究將選用三角形減振槽轉(zhuǎn)套，對(duì)配流口的減振槽設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 從可燃性角度對(duì)凝析油進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化

由于活塞的往復(fù)移動(dòng)，進(jìn)氣門開啟，排氣氣門也會(huì)閉合。在這種情況下，該介質(zhì)僅作用在柱塞頭部的末端（柱塞的末端是潮濕的部分），而不會(huì)對(duì)密封起到作用。因此，進(jìn)口壓力大，不會(huì)對(duì)填料的使用壽命產(chǎn)生任何影響。

（1）入口壓力為高壓，對(duì)柱塞泵運(yùn)行沒有影響。描述：①FMC 柱塞泵的液壓端采用全鍛壓結(jié)構(gòu)，其輸出壓力通常為1.5 倍。因此，若泵的進(jìn)口壓力是高電壓(2250 ～8250kPaG)，則不會(huì)對(duì)柱塞泵的液壓端空腔產(chǎn)生任何影響。由于出口的壓力始終比進(jìn)口的壓力大，因此，在泵轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，必然會(huì)有一個(gè)力，沿著軸心，并指向入口。②目前，在做抽水撬的總體設(shè)計(jì)時(shí)，都是采用進(jìn)口和出口兩種相同的壓力。因此，在進(jìn)口壓力較高的情況下，F(xiàn)MC 柱塞泵不會(huì)受到影響。其次，泵送填料的定位、改善方法等尚需深入探討。

（2）采用高壓進(jìn)口，不會(huì)影響填料的使用壽命。介紹：對(duì)于易揮發(fā)、輕質(zhì)的凝析油，F(xiàn)MC 柱塞泵液力端填料密封采用了一種防止汽化零泄漏的填料箱結(jié)構(gòu)，可將進(jìn)口壓力降至要求的出口壓力，并根據(jù)介質(zhì)自身的能源，自動(dòng)維持在一個(gè)穩(wěn)定的閥上。在高壓條件下，密封的根部發(fā)生了很大的變形，而在同樣的壓力下，特殊密封的根部更寬，壓縮變形更少，不容易從活塞桿中擠出來。詳情見圖1。

圖1 FMC 柱塞泵防蒸發(fā)零泄漏填料盒設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由注油器、填料密封、預(yù)壓彈簧等組成。噴油機(jī)將噴油嘴中的潤(rùn)滑油注入填料盒中，在活塞和填料間形成一層油膜，活塞往復(fù)移動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油會(huì)在活塞和填料上進(jìn)行潤(rùn)滑，從而避免活塞和填料間的干燥摩擦，從而有效地延長(zhǎng)活塞和填料的使用壽命。潤(rùn)滑油的科學(xué)合理利用，能有效地保護(hù)機(jī)器，延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命，提高機(jī)器的工作效率，降低燃油、物料的消耗量，降低裝置的廢氣污染。

（3）往復(fù)式泵在凝析油中的應(yīng)用。介紹：由于凝析油介質(zhì)質(zhì)量輕、黏度輕、揮發(fā)性好、易燃性好，因此對(duì)液體壓力端的材料及密封性能有很高的要求。

FMC 柱塞泵是一種適用于凝析油介質(zhì)的新型泵，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：①液力端腔體整體鍛造，選用雙相不銹鋼材質(zhì)。液壓端空腔采用雙相不銹鋼材料，可承受30 MPa工作壓力，而液壓端無裂紋。雙相不銹鋼的力學(xué)性能優(yōu)于一般的不銹鋼，而對(duì)易燃介質(zhì)如凝析油，則可以選擇較輕的材質(zhì)，在此條件下，可采用增大壁厚的方法來提高其強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的分離式液壓端相比，整體鍛造的液壓端降低了許多潛在的泄漏點(diǎn)，增加了現(xiàn)場(chǎng)的安全。②防蒸發(fā)零泄漏填料盒設(shè)計(jì)+收集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由注油器、填料密封和預(yù)壓彈簧組成，詳細(xì)情況參見圖2。油器將注油器的油罐中的潤(rùn)滑油注入填料盒中，在活塞和填料間形成一層油膜，活塞往復(fù)移動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油會(huì)在活塞和填料之間產(chǎn)生潤(rùn)滑，從而避免活塞和填料間的干燥摩擦，從而減少活塞沖程裕度。當(dāng)活塞桿返回時(shí)，所排出的油膜可以被抽回到系統(tǒng)中，以維持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，避免了反壓力的發(fā)生。經(jīng)過長(zhǎng)期使用，如果密封墊磨損而受損，那么泄漏的介質(zhì)和潤(rùn)滑油混合后，可以從出油孔口統(tǒng)一接到集塵箱中進(jìn)行處理，從而不會(huì)對(duì)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境造成污染。該收集系統(tǒng)裝有壓力表、壓力開關(guān)，在密封墊磨損的情況下，壓力降低，導(dǎo)致液溫、液面溫度迅速降低，從而導(dǎo)致物料的低溫?fù)p壞。

圖2 收集處理系統(tǒng)

3 優(yōu)化效果

由于活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓強(qiáng)也隨之降低，而在沖擊系的作用下，液體的壓力也會(huì)逐漸減小，直至與反壓相當(dāng)。進(jìn)氣門開啟，排氣氣門閉合。在這種情況下，該介質(zhì)僅作用在柱塞頭部的末端（柱塞的末端是潮濕的部分），而不會(huì)對(duì)密封起到作用。因此，進(jìn)口壓力大，不會(huì)對(duì)填料的使用壽命產(chǎn)生任何影響。在由吸油階段到排油階段，系統(tǒng)的最大瞬時(shí)流量增大，從排油階段到吸油階段的最大瞬間倒灌量減少，系統(tǒng)的排油能力也有所改善。通過對(duì)阻尼器和分流口的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，改善了出口的流場(chǎng)特性，并改善了系統(tǒng)的容量利用率。為了充分利用潛油柱塞泵的優(yōu)勢(shì)，提高其生產(chǎn)效率，必須對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)語

總的來說，往復(fù)式的柱塞泵與轉(zhuǎn)套式配流機(jī)構(gòu)是一個(gè)全新的柱塞泵系統(tǒng)，它結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)流小，沒有滯后。因此，本文重點(diǎn)介紹了往復(fù)式活塞油泵的基本構(gòu)造，并簡(jiǎn)要地闡述了它的運(yùn)行基本原理與技術(shù)，同時(shí)介紹了其在工程設(shè)計(jì)中的實(shí)際運(yùn)用。為更加深入認(rèn)識(shí)往復(fù)式柱塞泵轉(zhuǎn)套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磨損特征、空化功能及其各部分對(duì)流體參數(shù)影響的作用等方面奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。但是，這方面的工作還處在初級(jí)階段，還有不少方面有待深入研究。