對置活塞鉆井泵機(jī)構(gòu)原理及運(yùn)動學(xué)分析

王大慶，李　華，姚　進(jìn)，余德平

（四川大學(xué)　制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都610065）①

對置活塞鉆井泵機(jī)構(gòu)原理及運(yùn)動學(xué)分析

王大慶，李華，姚進(jìn)，余德平

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都610065）①

合理降低鉆井泵沖次可以提高鉆井泵內(nèi)活塞、活塞皮碗、缸套、泵閥等易損件的工作壽命，提高鉆井泵可靠性，從而縮減鉆井泵停車檢修時(shí)間，提升鉆井泵作業(yè)效率。提出了一種對置活塞結(jié)構(gòu)泵，介紹了其結(jié)構(gòu)及工作原理。與傳統(tǒng)活塞鉆井泵相比，在相同鉆進(jìn)作業(yè)流量需求場合，對置活塞泵沖次可以大大降低，理論上可減小50%；通過動力學(xué)分析軟件的運(yùn)動學(xué)仿真分析得出，對置活塞泵活塞速度幅值變化量減小50%，速度曲線波動程度減弱；加速度幅值變化量減小75%，加速度曲線波動程度減弱。在相同流量需求場合，對置活塞泵沖次更低，運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。

鉆井泵；沖次；易損件；壽命

在使用旋轉(zhuǎn)鉆井法鉆井作業(yè)中，鉆井泵用于輸送鉆井液，使其循環(huán)流動于鉆井作業(yè)的整個(gè)工作過程，以達(dá)到攜帶鉆井巖屑、防止井壁坍塌、平衡壓力、冷卻鉆頭、處理井下復(fù)雜情況等目的［1］。國內(nèi)外主流的鉆井泵是20世紀(jì)70年代開始使用的三缸單作用活塞泵，其性能水平和使用壽命與鉆井速率、生產(chǎn)成本有著直接關(guān)系。隨著井深的增加和高壓噴射鉆井等工藝的發(fā)展，對鉆井泵工作的可靠性要求越來越高［2］，提高其易損件（泵閥、活塞和缸套）的工作壽命，成為鉆井泵設(shè)計(jì)、制造和使用中迫切需要解決的問題［35］。眾多學(xué)者已對鉆井泵活塞、活塞皮碗、缸套、泵閥等關(guān)鍵易損件的工作磨損、失效形式進(jìn)行了大量的分析，并得出了提升鉆井泵易損件工作壽命的相關(guān)途徑。這些方法分為2個(gè)方面：

1） 優(yōu)化曲軸等動力端結(jié)構(gòu)，使鉆井泵運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)［6］。

2） 優(yōu)化活塞皮碗、缸套、泵閥等易損件結(jié)構(gòu)，選用更加合適的材料，配合先進(jìn)加工工藝以提升易損件耐磨性能［7-8］。

鉆井泵泵閥工作時(shí)所受沖擊的大小、活塞與缸套間的磨損程度，與鉆井泵沖次的大小直接相關(guān)。通過降低鉆井泵沖次可以有效降低泵內(nèi)各往復(fù)運(yùn)動件、泵閥和活塞的運(yùn)動速度，降低泵閥、活塞、活塞皮碗、缸套等易損件的磨損程度，從而延長這些易損件的工作壽命，提高鉆井泵工作的可靠性。基于降低沖次提升鉆井泵易損件使用壽命的思路，提出一種對置活塞結(jié)構(gòu)鉆井泵；與傳統(tǒng)鉆井泵相比，在相同流量需求的場合下，理論上對置活塞鉆井泵沖次可以降低一半，易損件的磨損程度降低，延長了使用壽命，鉆井泵運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，可靠性增加。

1　鉆井泵沖次

目前，三缸鉆井泵以中、大功率為主，一些大功率鉆井泵沖次參數(shù)如表1［8］。為滿足鉆井作業(yè)的大功率、大排量的需求，鉆井泵的沖次較高；大功率鉆井泵的額定沖次一般在100 min－1左右。較高的泵沖次使鉆井泵內(nèi)關(guān)鍵磨損部件（泵閥、活塞及其密封件、活塞桿、缸套等）易損壞；影響最大的是泵閥，較高的沖次使閥運(yùn)動的速度以及閥質(zhì)量所引起的慣性力增加，閥工作時(shí)容易產(chǎn)生沖擊，閥工作表面以及密封圈在沖擊載荷下遭受破壞，壽命降低［9］。鉆井泵的沖次影響活塞在缸套內(nèi)的運(yùn)動速度、活塞皮碗受力變形次數(shù)和摩擦溫度?，F(xiàn)場使用表明，在泵壓及泥漿性能相同的情況下，相同尺寸的活塞，沖次高的比沖次低的壽命要短［10］。當(dāng)沖次降低后，活塞往復(fù)運(yùn)動的速度減慢，活塞與缸套間的摩擦功耗減小，從而延長了活塞密封的工作壽命，也提高了缸套的工作壽命。另外，沖次降低后，慣性損失減少，泵不易產(chǎn)生“水擊”現(xiàn)象，慣性力減弱，將會提高泵動力端齒輪、軸承等零部件的工作壽命。在滿足鉆井過程排量需求的條件下，合理降低泵的沖次已成為今后鉆井泵設(shè)計(jì)的發(fā)展方向［11］。對置活塞泵與傳統(tǒng)活塞鉆井泵相比，在滿足排量要求的前提下，沖次降低。

表1　國內(nèi)外主要廠家大功率鉆井泵沖次參數(shù)

2　對置活塞泵結(jié)構(gòu)與工作原理

2．1 對置活塞泵工作原理

圖2為對置活塞泵機(jī)構(gòu)簡圖。驅(qū)動端由一對曲拐成180°對置組成，分別為內(nèi)曲拐和外曲拐；液缸內(nèi)左、右對置兩個(gè)活塞，分別為內(nèi)活塞和外活塞；進(jìn)、排液口設(shè)在液缸體中部。內(nèi)曲拐通過內(nèi)連桿、十字頭和活塞拉桿的傳動驅(qū)動內(nèi)活塞做往復(fù)運(yùn)動，外曲拐通過外連桿、十字頭和活塞拉桿的傳動驅(qū)動外活塞做往復(fù)運(yùn)動。在對置曲拐一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，曲拐轉(zhuǎn)角在0～180°時(shí)，內(nèi)、外活塞相互遠(yuǎn)離，共同進(jìn)行吸液過程；曲拐轉(zhuǎn)角在180～360°時(shí)，內(nèi)、外活塞相互靠近，共同進(jìn)行排液過程。圖3為對置活塞三缸泵工作原理簡圖，與傳統(tǒng)三缸泵類似，相鄰兩缸曲拐間相位交錯(cuò)120°；高速電機(jī)通過帶傳動、齒輪傳動將動力轉(zhuǎn)矩輸入給泵曲軸，帶動3個(gè)液缸同時(shí)工作。

圖1　傳統(tǒng)鉆井泵單缸機(jī)構(gòu)

圖2　對置活塞鉆井泵單缸機(jī)構(gòu)

圖3　對置活塞三缸泵工作原理

2．2 對置活塞泵流量計(jì)算

由往復(fù)泵設(shè)計(jì)理論，往復(fù)泵流量Q（mm3／s）計(jì)算公式為

式中：A為活塞面積，mm2，A＝4 π D 2；D為活塞直徑，mm；s為活塞行程長度，mm；n為鉆井泵沖次，min－1；z為泵的聯(lián)數(shù)（活塞數(shù)）；K為活塞桿尺寸對缸腔面積影響系數(shù)（對于單作用泵K＝0）；ηv為泵的容積效率。

2．2．1 傳統(tǒng)三缸鉆井泵流量Q1

泵的聯(lián)數(shù)z＝3，系數(shù)K＝0，Q1為

2．2．2 對置活塞三缸鉆井泵流量Q 2

不同濃度的CO2麻醉液對斑點(diǎn)叉尾鮰存活率的影響結(jié)果見圖 2。隨著二氧化碳濃度的升高，保活 5 h后，存活率先增加后降低，CO2濃度為400、450 mg/L時(shí)，存活率為80%和95%；CO2濃度為500、550 mg/L時(shí)，存活率為100%；而當(dāng)麻醉液濃度為600、650 mg/L時(shí)，存活率分別為88%和65%，所以從?；顣r(shí)間和存活率來看，較佳CO2濃度范圍為500～550 mg/L。

對置活塞結(jié)構(gòu)三缸單作用往復(fù)泵工作時(shí)，3個(gè)泵缸的內(nèi)、外活塞同時(shí)參與工作，泵的聯(lián)數(shù)z＝6，系數(shù)K＝0，Q2為

2．3 對置活塞泵優(yōu)勢及特點(diǎn)

由式（2）～（3）可知，在其余參數(shù)取值相同的情況下，對置活塞往復(fù)泵的流量為傳統(tǒng)三缸泵的2倍；在要求流量大小的場合，其余參數(shù)取值不變，對置活塞往復(fù)泵的活塞沖次大幅降低，理論上為傳統(tǒng)三缸鉆井泵的50%。

基于以上分析，采用對置活塞結(jié)構(gòu)的鉆井往復(fù)泵，在保證流量要求的條件下，活塞的沖次得以大幅降低，在相同時(shí)間內(nèi)，對置活塞鉆井泵泵閥、活塞等運(yùn)轉(zhuǎn)零件和受壓部件的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)減少，活塞皮碗、缸套等磨損件的磨損程度減弱，泵內(nèi)易損件工作壽命得到延長。

3　泵沖次對活塞速度及加速度的影響

曲柄泵傳動示意如圖4所示。

圖4　曲柄泵運(yùn)動學(xué)簡化模型

活塞位移x（以遠(yuǎn)離曲柄旋轉(zhuǎn)中心為正）為

式中：φ為曲柄轉(zhuǎn)角，逆時(shí)針為正，x＝0時(shí)，φ＝0；r為曲柄半徑；l為連桿長度；λ為連桿比，λ＝r。l

活塞速度u為

式中：n為曲軸轉(zhuǎn)速；ω為曲柄角速度，dφ＝nπ。d t30活塞加速度a為

由式（6）～（7）可知，活塞速度u與曲軸轉(zhuǎn)速n成正比；活塞加速度a與曲軸轉(zhuǎn)速n2成正比。由此可得，泵沖次的改變對泵的各運(yùn)轉(zhuǎn)部件的速度及加速度的變化有著直接的影響。

4　運(yùn)動學(xué)仿真分析

4．1 基于ADAMS的模型

以某鉆井泵的為研究對象，在ADAMS／View中分別建立傳統(tǒng)鉆井泵與對置活塞泵單缸模型，如圖5～6所示。

技術(shù)參數(shù)：理論流量Q＝3．3×107mm3／s；最大設(shè)計(jì)泵壓p＝52．3 MPa；活塞直徑D＝150 mm；活塞沖程s＝356 mm；額定沖次n＝105 min－1。

圖5　傳統(tǒng)鉆井泵單缸模型

圖6　對置活塞鉆井泵單缸模型

4．2 運(yùn)動學(xué)仿真

4．2．1 傳統(tǒng)鉆井泵單缸運(yùn)動仿真

設(shè)泵容積效率ηV＝1，泵沖次min－1，則曲軸平均轉(zhuǎn)角速度旋轉(zhuǎn)周期為T。定義仿真時(shí)間為16 s，仿7真步數(shù)為2 000步，進(jìn)行仿真，測量活塞運(yùn)動過程中的速度及加速度，得到活塞速度時(shí)間曲線u 1t和加速度時(shí)間曲線a 1t，如圖7～8所示

4．2．2 對置活塞泵單缸運(yùn)動仿真

設(shè)泵容積效率ηV＝1，對置活塞泵沖次n2＝則曲軸平均轉(zhuǎn)角速度ω2＝，旋轉(zhuǎn)周期為，定義仿真時(shí)間為32s，定義仿真步數(shù)為2 000步。進(jìn)行仿7真，以內(nèi)活塞為例，測量其運(yùn)動過程中的速度及加速度，得到內(nèi)活塞速度時(shí)間曲線u2t和加速度時(shí)間曲線a2t，如圖7～8所示。

4．3 運(yùn)動仿真結(jié)果討論

對比圖7中u1、u2數(shù)據(jù)，u2幅值變化量約為u1幅值變化量的50%，減小了50%；對比圖8中a1、a2數(shù)據(jù)，a2幅值變化量約為a1幅值變化量的25%，減小了75%，與理論分析一致。因ω1＝2ω2，t1＝0．5t2，在相同時(shí)間內(nèi)u2波動程度相對于u1明顯減弱，a2波動程度相對于a1明顯減弱。

圖7　活塞速度－時(shí)間曲線

圖8　活塞加速度－時(shí)間曲線

5　結(jié)論

1） 鉆井泵設(shè)計(jì)參數(shù)相同時(shí)，對置活塞泵的流量為傳統(tǒng)三缸鉆井泵的2倍。

2） 在同流量大小要求的場合，相比于傳統(tǒng)三缸鉆井泵，對置活塞泵的工作沖次可減小50%，活塞速度幅值變化量減小50%，速度波動程度減弱；加速度幅值變化量減小75%，加速度波動程度減弱。

3） 在同流量大小要求的場合，相比于傳統(tǒng)三缸鉆井泵，在相同工況，同一時(shí)間內(nèi)，對置活塞鉆井泵泵閥、活塞等運(yùn)轉(zhuǎn)零件和受壓部件的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)將會減少，活塞皮碗、缸套等磨損件的磨損程度將會減弱，對置活塞泵運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，泵內(nèi)易損件的工作壽命得到延長，鉆井泵可靠性提高。

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Mechanism Principle and Kinematic Analysis of the Opposed Piston Drilling Pump

WANG Daqing，LI Hua，YAO Jin，YU Deping
（School of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

By reducing the pump speed of the drilling pump reasonably，the service life of the quickwear parts of the drilling pump such as the piston，the piston seal，the cylinder liner and the pump valve can be increased，thus the reliability of the drilling pump can be improved．Thus the time spent in repair work of the drilling pump can be reduced，and the pump efficiency can be improved．To reduce the pump speed reasonably is a promising trend for the drilling pump．Based on this，a new drilling pump with the opposed piston structure is proposed，the mechanism and operation principle of the opposed piston pump（OPP）is introduced．Theoretical analysis concluded that with the same flow rate demand，the pump speed of the OPP could be reduced by half compared with that of the conventional drilling pump．The kinematic simulations based on dynamic software indicated that the velocity amplitude of the OPP piston reduced by 50%，the velocity fluctuation of the OPP piston significantly reduced compared with that of the conventional drilling pump，and the acceleration amplitude of the OPP piston reduced by 75%，the acceleration fluctuation of the OPP piston significantly reduced compared with that of the conventional drilling pump．Under the same flow rate demand，the OPP works more smoothly with lower pump speed and improved reliability．

drilling pump；pump speed；quickwear parts；service life

TE926

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．008

1001-3482（2015）09-0031-05

①2015-03-05

王大慶（1992），男，黑龍江青岡人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)，E-mail：wangdaqing318＠163．com。

①2015-03-15

解文芳（1982-），女，河北衡水人，工程師，主要從事陸地、海洋鉆機(jī)的研發(fā)。