钻井泵泵阀运动特性的系统分析

《钻井泵泵阀运动特性的系统分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钻井泵泵阀运动特性的系统分析（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1钻井泵泵阀运动特性的系统分析钻井泵泵阀运动特性的系统分析吕苗荣 刘亚军 陈志强 （江苏工业学院机械与能源学院，江苏常州，213016）摘要摘要：通过研究钻井泵泵阀运动的基本规律，构造了在排出阀、吸入阀联动作用下单 缸套泵阀运动数学模型，实现了单缸套泵阀运动过程中动力学特性的系统描述。建立了钻 井泵泵阀仿真流程和逻辑运行框图，采用 Delphi 语言实现了单缸套泵阀运动的系统仿真。 通过详细全面的仿真研究，准确地分析了阀盘的运动过程中存在的各种复杂、定量的变化 关系。研究表明，泵阀的运动特性与阀盘结构、缸套结构、钻井液性能、曲轴转速等参数 之间存在非常密切的联系，参数选择不合适就会导致钻井泵工

2、况的恶化，效率降低，甚至 影响钻井泵的寿命，所得结论对泵阀优化设计及现场使用具有重要的指导意义。 关键词关键词：钻井泵；泵阀；运动特性；仿真；系统分析Simulation and Systematic Analysis of Drilling Pump ValveLv Miaorong Liu Yajun Chen Zhiqiang(Mechanical and Energy Department of Jiangsu Polytechnic University, Changzhou, JiangSu 213016)Abstract: By studying the basic law of

3、 drilling pump valves motion, a mathematical model has been constructed to achieve kinetic research for the discharge and suction valves linkage movement in a cylinder. Simulation processes and logic operation block diagram was established, system simulation software for valves movement in a cylinde

4、r was developed by use of Delphi language. Through detailed simulation study, the existence of a variety of complex and quantitative changes between different parameters for the valve disc movement in this system was comprehensively and accurately investigated. Studies have shown that there are very

5、 close relationships between the motion characteristics of valve and the valve plate structure, cylinder structure, drilling fluid properties, crankshaft rotational speed, the improper parameter choices can lead to the deterioration of drilling pump working conditions, efficiency reduction, and even

6、 shortening the drilling pump life. Such work have important guiding significance on the optimal valve design and field use for drilling pump. Keywords: drilling pump; valve; motion characteristic; simulation; systematic analysis1、引言 往复式活塞泵泵阀是钻井泵中极为重要的部件，为获得阀盘的运动规律，一般认为， 对于低速往复泵，可以应用阀盘运动的近似理论；对于高速往复

7、泵，近似理论误差太大， 应当采用阀盘运动的精确微分方程式求解1。德国的阿道尔夫(U-Adolph)于 1968 年提出了 在液体不可压缩假设条件下泵阀的精确运动微分方程的近似计算方法，其数学模型综合考 虑了泵阀的动态特性以及魏氏效应对流体连续性条件的影响，从理论上解释了泵阀运动滞 后现象。但该模型在阀盘升程为零的开启与关闭阶段泵阀运动存在奇点，即模型不能描述 泵阀在开启和关闭过程中的运动规律。为此，文献1作了泵阀开启时具有初速度的假设， 实际上泵阀开启时，泵阀的初速度和升程均应为零2。 文献2综合考虑了液缸内液体压力波动以及液体可压缩性对液缸内液体连续流条件的 影响，并以自动锥形阀的吸入阀为例

8、，应用数值微分方法建立描述泵阀运动规律的精确运 动微分方程，实现了泵阀运动较为实际的仿真。文献3利用 MATLAB 对钻井泵阀阿道尔夫 微分方程进行了数值求解，并构造了描述阀盘关闭阶段的简化模型,用以描述从活塞运动到2右死点至阀完全关闭时刻的运动状态。在现有的研究中，有很多新的描述该时段的数学模 型，这些模型各有各的特点5-8。 就目前而言，单阀运动规律的研究已经较为完善，而对于整个缸套，即同时考虑排出、 吸入过程的研究还不多。为此，本文以自动锥形阀为例，结合数值模拟的方法，采用 Delphi 语言开发相关软件，实现了缸套运动过程仿真与系统分析，现介绍如下。2、泵阀运动数学模型的建立2.12.

9、1 钻井泵工作原理钻井泵工作原理钻井泵的动力一般通过皮带轮传递给曲轴，驱动连杆的旋转运动，同时十字头将连杆 的动力传递给活塞杆，使活塞在缸内做往复运动。图 1 就是钻井泵工作原理简图，活塞向 左为排液过程，向右为抽吸过程。曲轴旋转一周，排出阀和吸入阀各开闭一次。图 2 是钻 井泵自动锥形阀的结构图。 在模型的建立过程中，笔者做如下几点假设：(1)不考虑液体在液缸内流动的摩阻损失； (2)液缸内各点的液体压力及密度相同；(3)忽略液缸与活塞杆的弹性变形。图图 1 1 钻井泵吸入冲程的工作原理钻井泵吸入冲程的工作原理2.22.2 单缸套泵阀运动特性分析单缸套泵阀运动特性分析1）缸套内钻井液质量变化

10、关系分析）缸套内钻井液质量变化关系分析在时刻 t，液缸内液体压力为 P，液体质量 Mt可表示为： 10dspptVVxxFM式中，Fp液缸横截面积，m2；x0余隙长度，即将余隙容积 V0转化成横截面为 Fp的圆柱体时所对应的长度， m； 时刻 t 液缸内液体的密度，g/cm3；Vs时刻 t 吸入阀阀盘、阀隙与阀座所形成的空间体积，m3。当吸入阀阀盘升程 hs=0 时，Vs=0；Vd时刻 t 排出阀阀盘、阀隙与阀座所形成的空间体积，m3。当排出阀阀盘升程 hd=0 时，Vs=0；xp时刻 t 的活塞位移，m。 对式（1）取微分，并忽略高阶无穷小量可以得到下式： 20tppdsdsppdxFdVd

11、VdVVxxFdM结合文献2，在 dt 时间内，同时考虑吸入阀阀隙流入与排出阀阀隙流出导致缸套内液图图 2 2 自动锥形阀的结构自动锥形阀的结构3体质量的变化 dMt为：)3(22MdtPPfdtPPfdd dxdxs xss sxst式中 s、d吸入阀、排出阀处流量系数； fxs、fxd吸入阀、排出阀阀隙过流面积，m2； s、d系数。当吸入阀开启时，s =1 否则 s =0；当排出阀开启时，d =1 否则 d =0； Ps、Pd、P吸入管内吸入阀口处的吸入压力、排出管内排出阀口处的排出压力和 缸套内流体压力，Pa；xs、吸入阀吸入端及缸套内流体的密度，g/cm3。 根据质量守恒定律，可以得到

12、：dMt=dMt。由此可得缸套内压力变化关系式如下： 41|2|2CdtdxFdtdhfdtdhfPPBhPPAhdtdPp pd ds sd dxs xss s式中，A=，B=，C=ssinsssdddddsindPdhfhfxxFddsspp)(0ds、dd吸入阀、排出阀阀盘直径，m； hs、hd吸入阀、排出阀升程，m； fs、fd 阀盘面积，fs=(ds 2)/4、fd=(dd 2)/4，m2； s、d吸入和排出阀阀盘锥角，。 液缸内液体密度与压力之间的函数关系可由下式确定： 5000PPCe式中，P0、0标准压力和液缸内液体在标准压力下的密度；C0液体的体积压缩系数； 活塞运动的位移

13、xp与速度 /dt 可由下式确定： 6sin21cos12 Rxp 72sin21cos Rdt式中，曲柄转动的角速度，rad/s；R曲柄半径，m； L连杆长度，m； 系数，=R/L； 2）阀盘运动微分方程）阀盘运动微分方程以吸入阀为例，阀盘运动受如下几个力的作用：阀盘在其下部与上部液体压差 Ps-P 的 作用下所产生的举升力；阀盘自重 Gs=msg；弹簧对阀盘的反力(R-Kh)；液体对阀盘的水力 阻力 1dhs/dt（1为阻力系数）以及阀盘导向架对阀盘的机械摩擦力 Rm (Rm的方向和阀 盘运动方向相反)。由于阀盘所受水力阻力 1dhs/dt 与机械阻力 Rm一般很小，当忽略这 两项对阀盘受

14、力的影响时，则阀盘运动微分方程简化为： 922sssss sKhRgmfPPdthdm4同理可以建立排出阀运动微分方程如下： 1022ddddd dKhRgmfPPdthdm式中 升力系数，一般可取 =1； ms、md吸入阀、排出阀质量，kg；R弹簧预压力，N； K弹簧刚度，N/m；3）泵阀阀运动规律的数学模型）泵阀阀运动规律的数学模型通过前面的推导，可以获得单缸套泵阀运动的数学模型如下： 41554213321420531 41 211111)(|2|2KxRgmfPxmdtdxxdtdxKxRgmfxPmdtdxxdtdxdxdxfxfxxFdtdxFxfxfxpAxxpAxdtdxddd

15、 dsss sdsppp pdsxs xss xs xss式中 x1液缸内液体压力，x1=P；x2吸入阀阀升程，x2= hs；x3吸入阀运动速度，x3=dhs/dt；x4排出阀升程，x2= hd；x5排出阀运动速度，x3=dhd/dt；2.32.3 单缸套泵阀仿真逻辑单缸套泵阀仿真逻辑根据以上建立的单缸套泵阀运动规律的数学模型，笔者利用 Delphi 语言编制了单缸套 泵阀运动特性仿真程序，该程序的逻辑运行框图参见图 3。3、仿真分析3.13.1 泵阀运动规律仿真分析泵阀运动规律仿真分析根据上述对钻井泵单缸套泵阀运动规律的分析，笔者建立了泵阀运动的仿真模型，并 在 Delphi 集成开发环境下编制了泵阀运动规律的仿真程序。利用该程序对油田 3NB-1300 型钻井往复泵进行了仿真研究。1） 、该泵仿真试验的基本条件 在进行仿真研究过程中给定的基本条件为：冲程 305mm；液缸直径 170mm；钻井液 密度 1.10g/cm3；阀盘质量 4.0kg；排出阀弹簧刚度为 7500N/m，吸入阀弹簧刚度设为 5000 N/m；阀弹簧预压力为 230N。5图图