液力驅(qū)動(dòng)注聚泵旋轉(zhuǎn)式配流閥結(jié)構(gòu)與分析

鐘功祥，胡霞，陽(yáng)玲，趙國(guó)文，王平安

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500；2.江漢油田第四石油機(jī)械廠，湖北荊州 434200；3.中國(guó)石化集團(tuán)西南石油局油田工程服務(wù)公司西南石油機(jī)械廠，成都 610500）①

注聚泵是三次采油工藝中聚合物注入的核心設(shè)備。液力驅(qū)動(dòng)三缸往復(fù)注聚泵由于排量和輸出壓力波動(dòng)小、聚合物降解率低、輸出壓力高、易于調(diào)節(jié)泵排量而得到廣泛應(yīng)用。配流閥是保證液力驅(qū)動(dòng)三缸往復(fù)注聚泵動(dòng)力缸平穩(wěn)、可靠工作的關(guān)鍵設(shè)備，它可以克服現(xiàn)有液壓往復(fù)泵在換向時(shí)存在的液壓沖擊和排量、壓力的波動(dòng)問(wèn)題［1－2］。目前采用的是滑閥換向，其性能沒(méi)有達(dá)到要求。本文提出了一種旋轉(zhuǎn)式配流閥，并分析了其結(jié)構(gòu)、工作原理及輸出流量的變化規(guī)律。

1 配流閥的作用

利用配流閥過(guò)流面積的變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)對(duì)泵的動(dòng)力端3個(gè)液壓缸的直線運(yùn)動(dòng)控制。液壓控制系統(tǒng)的最主要的部件是配流閥，是通過(guò)配流閥周向上的開(kāi)槽角度和位置變化來(lái)控制液壓油的通與斷，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，減少了液壓缸的沖擊。實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能，排量可調(diào)，大幅降低了因流量的周期變化對(duì)聚合物所產(chǎn)生的機(jī)械降解率［3］。

2 旋轉(zhuǎn)式配流閥結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)式配流閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。閥芯與閥套通過(guò)固定套固定在機(jī)架上。為了防止配流閥內(nèi)部的漏油和竄油，在相關(guān)的位置安裝密封圈。在閥芯周向上開(kāi)有不同角度的油槽，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)油槽與閥套上油孔的順序連通，從而控制動(dòng)力端活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 旋轉(zhuǎn)式配流閥的結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

2.2.1 油路連接方式

配流閥油路連接方式如圖2所示。閥套外有15個(gè)油口，分別與15根油管相連接。其中：A 油口、B油口為高、低壓油進(jìn)口，分別與高壓油泵、低壓油泵連接；C 油口為回油口，與回油箱連接。油口1～3為配流閥高壓油的輸出口，分別與3個(gè)動(dòng)力端液缸的無(wú)桿腔連接；油口4～6為配流閥低壓油的輸出口，分別與3個(gè)動(dòng)力端液缸的有桿腔連接；油口7～12為配流閥的回油口，油口7～9分別與3個(gè)動(dòng)力端液缸的無(wú)桿腔連接，油口10～12分別與3個(gè)動(dòng)力端液缸的有桿腔連接。

圖2 配流閥油路連接示意

2.2.2 工作過(guò)程

通過(guò)配流閥閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制泵動(dòng)力端的3個(gè)液缸的油流，使其分別驅(qū)動(dòng)液力端的3個(gè)活塞右行，或左行，實(shí)現(xiàn)泵排液、吸液。閥芯的油槽位置相差120°，使泵排液均勻?，F(xiàn)以1＃液缸活塞的工作過(guò)程為例進(jìn)行分析。

1）排液過(guò)程如圖3所示，閥芯從0°轉(zhuǎn)動(dòng)到150°過(guò)程中，閥芯上油槽只有油口1和油口7位于頂部區(qū)域，油路被接通，高壓油從A 油口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)油口1與動(dòng)力端液缸無(wú)桿腔相通。因此，液壓油進(jìn)入動(dòng)力端液缸無(wú)桿腔推動(dòng)液力端液缸活塞向右運(yùn)行，同時(shí)回油通過(guò)油口7進(jìn)入閥芯的回油配流閥段，并流回油箱。此過(guò)程閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角度為150°，液力端1＃液缸完成1次排液過(guò)程。

圖3 配流閥控制1＃液缸活塞運(yùn)動(dòng)流程示意

2）吸液過(guò)程如圖3所示，當(dāng)閥芯從150°轉(zhuǎn)動(dòng)到360°過(guò)程中，只有油口4和油口10位于頂部區(qū)域，油路被接通，低壓油從B 油口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)油口4與動(dòng)力端液缸有桿腔相通，液壓油進(jìn)入動(dòng)力端液缸有桿腔推動(dòng)液力端液缸活塞向左運(yùn)動(dòng)?；赜屯ㄟ^(guò)油口10進(jìn)入閥芯的回油配流閥段，并流回油箱。此過(guò)程閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角度為210°，液力端1＃液缸完成1次吸液過(guò)程。

3 流量變化規(guī)律分析

3.1 液力端液缸排液過(guò)程中配流閥流量Q 分析

1）當(dāng)φ∈（0°＋120°n，30°＋120°n），n∈0、1、2時(shí)，液力端活塞處于加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，配流閥流量Q1為

式中：Cd為流量系數(shù)，Cd＝0.7；ρ為系統(tǒng)工作油液密度，kg／m3；p1為油泵供油壓力，MPa；p2為液壓缸進(jìn)油腔壓力，MPa；φ為閥芯轉(zhuǎn)角；γ為閥套孔、閥芯孔的半徑；R為閥芯軸的半徑。

2）當(dāng)φ∈［30°＋120°n，120°＋120°n］，n∈0、1、2時(shí)，液力端活塞處于勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，配流閥流量Q2為

3）當(dāng)φ∈（120°＋120°n，150°＋120°n），n∈0、1、2時(shí)，液力端活塞處于減速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，配流閥流量Q3為

3.2 液力端液缸吸液過(guò)程中配流閥流量Q 分析

1）當(dāng)φ∈［0°＋120°n，30°＋120n］，n∈0、1、2時(shí)，液力端活塞處于加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，配流閥流量Q4為

2）當(dāng)φ∈［30°＋120°n，180°＋120°n］，n∈0、1、2時(shí)，液力端活塞處于勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，配流閥流量Q5為

3）當(dāng)φ∈（180°＋120°n，210°＋120°n），n∈0、1、2時(shí)，液力端活塞處于減速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，配流閥流量Q6為

4 實(shí)例分析

4.1 排液過(guò)程

取r＝5.5mm，R＝21.25mm，p1＝7.68MPa，p2＝4.6 MPa，ρ＝900kg／m3，Cd＝0.7。液力端液缸在泵排液運(yùn)動(dòng)過(guò)程中配流閥流量Q 隨配流閥轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 泵排液過(guò)程中旋轉(zhuǎn)式配流閥流量Q隨閥芯轉(zhuǎn)角的變化曲線

由圖4可看出：當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)過(guò)角度從0°～150°過(guò)程中，液壓油進(jìn)入動(dòng)力端1＃液缸無(wú)桿腔推動(dòng)活塞向右運(yùn)行，液力端1＃泵缸柱塞完成1次排液過(guò)程；當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)過(guò)角度從120°～270°過(guò)程中，液壓油進(jìn)入動(dòng)力端2＃液缸無(wú)桿腔推動(dòng)活塞向右運(yùn)行，液力端2＃泵缸柱塞完成1次排液過(guò)程；當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)過(guò)角度從240°～390°過(guò)程中，液壓油進(jìn)入動(dòng)力端3＃液缸無(wú)桿腔推動(dòng)活塞向右運(yùn)行，液力端3＃泵缸柱塞完成1次排液過(guò)程；說(shuō)明配流閥實(shí)現(xiàn)了泵3個(gè)泵缸交替排液。在閥芯導(dǎo)通動(dòng)力端液缸無(wú)桿腔過(guò)程中，閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)前30°、中間90°和后30°使動(dòng)力端液缸活塞分別處于勻加速、勻速、勻減速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使液力端泵缸柱塞也分別處于勻加速、勻速、勻減速運(yùn)動(dòng)，且勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于加、減速時(shí)間；表明配流閥實(shí)現(xiàn)了泵的單個(gè)泵缸排液流量較均勻；進(jìn)入3個(gè)動(dòng)力端液缸無(wú)桿腔的高壓油流量疊加后為1條水平線，進(jìn)而液力端3個(gè)泵缸排出疊加流量也為恒流量；表明配流閥實(shí)現(xiàn)了泵排液流量為恒流量，排出壓力無(wú)波動(dòng)，可降低聚合物泵后流通過(guò)程中降解率［4－6］。

4.2 吸液過(guò)程

取r＝5.5mm，R＝21.25mm，p1＝0.73MPa，p2＝0.03 MPa，ρ＝900kg／m3，Cd＝0.7。液力端液缸在泵吸液運(yùn)動(dòng)過(guò)程中配流閥流量Q 隨配流閥轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 泵吸液過(guò)程中旋轉(zhuǎn)式配流閥流量Q隨閥芯轉(zhuǎn)角的變化曲線

由圖5可看出：當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)過(guò)角度從0°～210°過(guò)程中，液壓油進(jìn)入動(dòng)力端1＃液缸有桿腔推動(dòng)活塞向左運(yùn)行，液力端1＃泵缸柱塞完成1次吸液過(guò)程；當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)過(guò)角度從120°～330°過(guò)程中，液壓油進(jìn)入動(dòng)力端2＃液缸有桿腔推動(dòng)活塞向右運(yùn)行，液力端2＃泵缸柱塞完成1次吸液過(guò)程；當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)過(guò)角度從240°～450°過(guò)程中，液壓油進(jìn)入動(dòng)力端3＃液缸有桿腔推動(dòng)活塞向右運(yùn)行，液力端3＃泵缸柱塞完成1次吸液過(guò)程；說(shuō)明配流閥實(shí)現(xiàn)了泵3個(gè)泵缸交替吸液。在閥芯導(dǎo)通動(dòng)力端液缸有桿腔過(guò)程中，閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)前30°、中間150°和后30°使動(dòng)力端液缸活塞分別處于勻加速、勻速、勻減速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使液力端泵缸柱塞也分別處于勻加速、勻速、勻減速運(yùn)動(dòng)，且勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于加、減速時(shí)間［7－8］；表明配流閥實(shí)現(xiàn)了泵單個(gè)泵缸吸液流量均勻，可降低泵對(duì)聚合物降解率，提高泵缸充滿度，提高泵效。但進(jìn)入3個(gè)動(dòng)力端液缸有桿腔的高壓油疊加流量有一定波動(dòng)，進(jìn)而使得泵吸入流量和壓力有一定波動(dòng)；表明應(yīng)在泵吸入管線上設(shè)置吸入空氣包［9－10］，以減少吸入流量和壓力波動(dòng)，降低聚合物降解率，同時(shí)動(dòng)力端低壓供液泵應(yīng)設(shè)置緩沖罐。

4 結(jié)論

1）在三缸往復(fù)式注聚泵工作過(guò)程中，配流閥對(duì)穩(wěn)定流量、減少壓力波動(dòng)具有重要作用。

2）設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)式配流閥，在閥芯的周向間隔120°加工有油槽，通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)控制液壓油的通與斷，實(shí)現(xiàn)液流連續(xù)運(yùn)動(dòng)。實(shí)例計(jì)算表明，旋轉(zhuǎn)式配流閥減少了液壓缸的沖擊，也使注聚泵的排量穩(wěn)定。

3）進(jìn)入3個(gè)動(dòng)力端液缸有桿腔的高壓油疊加流量有一定波動(dòng)，使得泵吸入流量和壓力有一定波動(dòng)，影響泵工作性能。目前是在吸入管線上設(shè)置了吸入空氣包?？赏ㄟ^(guò)流體軟件模擬來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)配流閥，取代空氣包，以使注聚泵結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理。

4）旋轉(zhuǎn)式配流閥的性能優(yōu)越，可廣泛應(yīng)用于三次采油中關(guān)鍵地面設(shè)備之一的注聚泵。

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