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1、1绪论Ll研究的目的和意义油田注水系统是油田能耗大户，也是油田投资的主要领域之一，因此开发高效注水设备，提高现有注水系统运行效率，对于降低油田生产成本具有重要意义。早期注水是提高油田采收率的有效办法，通过人工注水可以提高地层压力，使油层具有强有力的驱油条件，保持较高的油层压力，有效克服各种阻力，达到长期稳产高产，而高压注水泵在注水工艺中起着重要的作用。由于我国不少油田为低渗透油藏，对高压注水泵的需求越来越多，因而近几年往复式注水泵得到了迅速发展l3。但由于现有注水泵普遍存在易损件寿命短、正常运行时率低的问题，以胜利油田为例，增压注水泵的正常运行时率仅为54.3%。且注水泵输出压力不能满足高压注
2、水的需要，不少油田要求注水压力大于45MPa，而目前广泛使用的往复式注水泵的注水压均小于4oMPa。因此，油田迫切需要寿命长、注水压力高的新型注水泵。柱塞泵在石油矿场主要作为压裂泵、固井水泥泵和注水泵。它们之间只有压力和流量等性能参数的不同，结构和工作原理并无实质性区别。将压裂液送入油井申，并借助高压在油层中造成裂缝，或使原油层裂缝扩大的柱塞泵，称作压裂泵。将水泥浆注入油井，使套管与井壁牢固连接的柱塞泵，称为水泥泵。向井内输送高压水，进入油层驱油和补充地层能量的柱塞泵，称为注水泵。1.2国内外发展概况注水是油田增产普遍采用的措施之一。油田开发后期大部分采用油层注水，以保持油层压力，从而提高原油
3、产量。随着钻井深度的增加，注水油层也不断加深。近几年来国内各大油田的部分注水单井或区块高压欠注问题日趋突出，促使人们逐渐认识到发展增压注水工艺的必要性。因此，增压注水泵的发展也十分迅速，到目前为止，增压注水泵己初步形成离心式、往复式两大类。目前国内各油田大小不一，油藏类型多样，其配套的注水系统也各不响注水泵寿命的因素主要有水质、材质及加工装配质量。针对某些油田注入水质的腐蚀、结垢现象，通过改善水质和泵前加防垢器;泵过流零部件全部采用防腐材料，并提高加工装配质量，可以提高注水泵的运行寿命。(3)注水泵选型问题各油田油藏类型多样，断块油田注水系统注水量较小，少数油田区块(注水压力为16MPa)若选
4、用高效率的柱塞泵，装泵台数少不能满足水量要求;若选用离心泵(80一100m/h)，则泵效仅61%一70%，达不到泵效大于75%的标准要求。2柱塞泵2.1柱塞泵的分类柱塞泵按柱塞的排列和运动方向不同，可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两大类 。1）径向柱塞泵：柱塞中心线与缸体中心线垂直。 配流轴式径向柱塞泵 阀配流径向柱塞泵2）轴向柱塞泵：柱塞中心线与缸体中心线平行。 斜盘式（直轴式）轴向柱塞泵：缸体轴线和传动轴轴线一致。 斜轴式无铰轴向柱塞泵：缸体轴线和传动轴轴线存在一摆角。2.2、配流轴式径向柱塞泵工作原理传动轴通过离合器与缸体连接；缸体2均布有五个柱塞孔，柱塞底部空间为密闭工作腔；柱塞1头部的滑
5、履与定子内圆接触；定子4与缸体2存在偏心；配流轴5配流。 图示旋转方向，b为吸油窗口；c为压油窗口。1、配流轴式径向柱塞泵排量公式式中：e 定子与缸体之间的偏心距 z 柱塞数2、配流轴式径向柱塞泵结构特点1）配流轴配流，配流轴上与吸、压油窗口对应的方向开有平衡油槽，使液压径向力得到平衡，容积效率较高。 2）柱塞头部装有滑履，滑履与定子内圆为面接触，接触面比压很小。3）可以实现多泵同轴串联，液压装置结构紧凑。4）改变定子相对缸体的偏心距e可以改变排量，且变量方式多样。2.3、斜盘式轴向柱塞泵工作原理缸体上均布Z 个柱塞孔，其分布圆直径为D，柱塞直径为d；斜盘相对于传动轴的倾角为。 泵：图示旋转方
6、向，A为吸油窗口；B为压油窗口。 1、斜盘式轴向柱塞泵的几何排量公式 式中 d直径； Z柱塞数； D分布圆直径； 倾角。改变斜盘倾角可以改变泵的排量。max一般小于180200 。实际上,由于柱塞在缸体孔中运动的速度不是恒速的，因而输出流量是有脉动的，泵的瞬时理论流量是正弦函数：式中：缸体旋转角速度； 缸体转角； m位于排油过程的柱塞数流量脉动系数当柱塞数z为偶数时：当柱塞数z为奇数时：结论：通过如上分析可知，当Z为偶数是时，流量脉动周期角=，脉动周期T=/，脉动频率;当Z为奇数时，流量脉动周期角=/2，脉动周期T=/2，脉动频率。综上所述，当Z为奇数时，流量脉动系数较小，而脉动频率较高，即流
7、量品质较好。这就是斜盘泵的柱塞数通常采用奇数的原因。但近年来理论和实验研究均表明奇数柱塞泵、偶数柱塞泵的流量脉动周期角均为，并且流量脉动并没有明显差异。2.4、斜盘式轴向柱塞泵的结构特点1）主体部分：定心弹簧：保证缸体与配流盘，滑履与斜盘紧密接触，端面间隙自动补偿，提高了容积效率，额定压力可达31.5MPa。传动轴是悬臂梁，缸体外有大轴承支承。避免了缸体和配流盘之间的偏磨现象柱塞、滑履中间的小孔，把压力油引入滑履底部，形成了静压油膜，减小滑履、斜盘间的磨损。另外泵体上有泄漏油口；在配流盘的配流窗口前端开有减振槽或减振孔。图示2.411手轮；2斜盘；3回程盘；4滑靴；5柱塞；6缸体；7配流盘；8
8、输入轴。2）变量机构直轴泵的变量调节机构用以调节斜盘倾角，以改变几何排量和流量。手动变量机构手动变量机构如图2.41右部所示，变量机构装在泵体外泵体上，并靠止口与泵体连接。由于斜盘受力很大，故手动变量机构不能在工作过程中调节排量，只能在停车时调节，CY型轴向柱塞泵只能单向转动，斜盘倾角的调节范围为。手动伺服变量机构在手动伺服变量机构中，人工拉动伺服阀芯上下移动只需客服很小的摩擦力，二差动变了活塞课产生很大的推力，是斜盘摆动，以达到变量的目的，故操作力很小，并且控制方便，这种变量泵机构是一个人工控制的位移伺服机构，斜盘倾角完全可以跟踪伺服阀芯的位移，故称手动伺服变量机构。恒功率变量机构图2.42
9、恒功率变量机构结构原理图1调节螺钉；2调节套；3弹簧套；4外弹簧；5导杆；6伺服阀芯；7变量缸体；8差动变量活塞。泵的压力与流量的乘积近似等于常数，即泵的输出功率近似拟为恒定。这种泵可以是液压执行机构在空行程时获得最大流量，使空行程速度加快而在工作行程时，由于压力升高，泵的输出流量减少，使工作行程速度减慢，这正符合许多液压设备动作要求，如液压压力机、工程机械等，这样能够充分发挥设备的能力，是功率利用合理。三、斜轴式轴向柱塞泵3.1、工作原理 与斜盘式轴向柱塞泵类似，只是缸体轴线与传动轴之间存在一个摆角。柱塞与传动轴之间通过连杆连接。传动轴旋转通过连杆拨动缸体旋转，强制带动柱塞在缸体孔内作往复运
10、动。图 A2F型斜轴式泵1主轴；2轴承组；3连杆柱塞副；4缸体；5壳体；6配流盘；7后盖；8蝶形弹簧；9中心轴2、特点 柱塞受力状态较斜盘式好，不仅可增大摆角来增大流量，且耐冲击、寿命长。3.2、柱塞泵的应用由于轴向柱塞泵的密封容积是利用圆柱表面形成的： 1、圆柱加工方便，配合精度高，容积效率为95左右，总效率为90左右； 2、只需改变柱塞的工作行程就能改变流量，易于实现变量。 3、主要零件均受压应力，材料强度性能可得以充分利用。 轴向柱塞泵被广泛用于高压、大流量、大功率的系统中和流量需要调节的场合，如龙门刨床、拉床、液压机、工程机械、矿山冶金机械、船舶等得到广泛的应用。五、泵的方案确定及参数
11、设计六、典型零件的力学分析6.1柱塞和滑靴柱塞滑靴组件如图6.11所示，泵的工作压力p经柱塞上的节流孔流入滑靴的凹形腔室，压力降为，滑靴与斜盘之间的液压支承力可根据圆环形压力放射流原理计算出，即式中 滑靴支承面外径； 滑靴油腔凹槽内径； 滑靴油腔凹槽腔液压力，图示6.11 柱塞滑靴组件柱塞上液压力，则F沿滑靴轴线方向作用在滑靴上的力式中 d柱塞直径； P泵工作压力； 斜盘倾角。对于平衡式滑靴.通常情况下略大于，即产生剩余压紧力，以使滑靴压在斜盘上，同时使滑靴和斜盘之间产生一定厚度的油膜，以防干摩擦。6.2曲轴、连杆、柱塞静力学模型分析单个曲柄、连杆、柱塞的力学模型:为了简化模型，在这里我们暂时
12、不考虑摩擦力和各构件的质量的影响，以方便对模型的计算，这样，我们就得到了单个曲柄、连杆、柱塞的力学模型:对于曲柄: 图4.4曲柄的受力分析其中；M曲柄上所施加的力矩，N.m; F曲柄顶端所受到的合力，N； r曲柄长度（冲程的一半），m； 曲柄顶端所受到的轴向分力，N； 曲柄顶端所受到的径向分力，N。对于连杆：图4.5连杆的受力分析其中：F连杆上所受到的合力。连杆两端所受到的力为大小相等，方向相反的一对作用与反作用力，大小相等，所以用同一符号表示。对于滑块:图4.6滑块的受力分析其中，Pc柱塞在吸入和排除时受到的压力和拉力，N; N柱塞在运动过程中受到运动轨道壁的压力，N； F柱塞在运动过程中受
13、到连杆对它的驱动力，N。对于柱塞杆：图4.7柱塞杆受力受力计算:由技术条件知:出口压力为44MPa，进口压力为0.03MPa，直径为35。(l)柱塞、连杆受力计算:吸入液体时：排出液体时：对柱塞有：F=对连杆有：滑块对滑道的压力：连杆作用力F与滑块对滑道的压力N的计算与连杆与水平线形成的角度日有关，而p的可以通过曲柄转动角度中、连杆长度L与曲柄半径来求，因此N、F是随曲柄转动角度改变而改变的变量。(2)曲柄的受力计算:由以上分析我们并联系已知图4.6、图4.5、图4.4、图4.3，考虑角度对受力的影响，假设坐标系如图4.8我们可以得到以下关系: 图4.8角度定义示意图定义角度，按曲轴的旋转方向
14、定义为正，小为曲轴转动的角度，由于曲轴为匀速转动，故可以得到以下关系:其中，曲轴与水平线所成的角度; 连杆与水平线所成的角度; 曲轴转动的角度; 转动角速度； t转动时间。对曲轴的具体位置受力情况进行分析如下： 当位于第四象限时的受力分析:图4.9当p位于第四象限的受力分析 当中位于第三象限时的受力分析:图4.10当位于第三象限时的受力分析当中位于第二象限时的受力分析:图4.11当位于第二象限时的受力分析当位于第一象限时的受力分析:图4.12当位于第一象限时的受力分析通过以上分析，可以得到当曲轴处于和时刻为受力变化的分界位置。这样就得到了力学模型的计算公式:从而得到单个曲轴的旋转时所需要的力矩:联系式：得到：这就是单个曲柄的所需要施加的力矩计算公式。“最优化设计”是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术，是根据最优化原理和方法，综合各
