多級(jí)自補(bǔ)償式軟柱塞抽油泵結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)研究*

戶春影 ，韓 霞 ，李慶達(dá)

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理分析

多級(jí)自補(bǔ)償式軟柱塞抽油泵的泵筒、固定閥總成和常規(guī)泵的結(jié)構(gòu)相似，其主要的區(qū)別在于軟柱塞總成存在差異[1-2]。本研究對(duì)兩級(jí)自補(bǔ)償式軟柱塞抽油泵進(jìn)行闡述。軟柱塞結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，單級(jí)軟柱塞由上接頭、下接頭、軟柱塞、支撐鋼架、游動(dòng)閥球、游動(dòng)閥座、扶正器構(gòu)成，兩個(gè)單級(jí)軟柱塞串聯(lián)則構(gòu)成抽油泵的軟柱塞總成。相鄰的兩個(gè)軟柱塞通過柱塞上下接頭的螺紋進(jìn)行連接，上接頭開有螺紋用以與上一級(jí)軟柱塞下接頭進(jìn)行連接。并且上接頭周圍開有四個(gè)通孔，主要作用是使油液在上沖程階段從泵筒流入軟柱塞內(nèi)部，在流入軟柱塞內(nèi)的高壓油液的作用下使軟柱塞變形。另外，上接頭頂端也開有通孔，下沖程階段中游動(dòng)閥開啟，使整個(gè)軟柱塞形成貫通，油液由抽油泵筒的下端排到上端。

圖1 軟柱塞結(jié)構(gòu)圖

為了減少螺紋連接帶來的加工誤差與配合誤差，將閥芯和游動(dòng)閥罩設(shè)計(jì)成一體式，這樣可以減少單個(gè)軟柱塞結(jié)構(gòu)零件，增加結(jié)構(gòu)緊湊性。支撐鋼架與軟柱塞之間具有微小縫隙，在支撐鋼架上開有六個(gè)通槽，有利于油液的流通，在高壓油液作用下軟柱塞產(chǎn)生形變。

本裝置主要采用分級(jí)承壓原理。當(dāng)抽油泵處于上沖程階段時(shí)，游動(dòng)閥關(guān)閉，油液首先通過軟柱塞上接頭的四個(gè)通孔流入第一級(jí)軟柱塞內(nèi)部，使內(nèi)部液體壓力升高。并且滿足軟柱塞受力膨脹但不會(huì)脹滿整個(gè)泵筒的設(shè)計(jì)條件，油液通過第一級(jí)軟柱塞與泵筒之間的間隙泄漏到第二級(jí)軟柱塞內(nèi)，在沿程阻力作用下，油液通過第一級(jí)軟柱塞后產(chǎn)生壓力降，低壓油液再通過第二級(jí)軟柱塞上接頭的四個(gè)通孔進(jìn)入其內(nèi)部，使第二級(jí)軟柱塞變形。這樣，壓力逐級(jí)遞減，形成多級(jí)密封，使每一級(jí)軟柱塞承受的壓差大大降低，可以有效地延長(zhǎng)其使用壽命。

2 有限元分析

聚醚醚酮（PEEK）具有耐高溫、耐腐蝕、自潤(rùn)滑、穩(wěn)定性強(qiáng)等特征，以及良好的剛性和柔韌性等力學(xué)性能，在交變應(yīng)變的情況下具有很好的抗疲勞特性。其拉伸強(qiáng)度大約為140 MPa[3-5]。PEEK具有適用于所有塑料的優(yōu)良滑動(dòng)特性，所以在摩擦磨損應(yīng)用中脫穎而出[6-8]。有限元作為力學(xué)分析的現(xiàn)代計(jì)算方法，備受不同行業(yè)研究者的青睞[9-11]。本研究以聚醚醚酮軟柱塞為例進(jìn)行有限元分析。如圖2所示，確定力學(xué)分析為網(wǎng)格劃分類型，軟柱塞長(zhǎng)度100 mm，最大直徑30 mm，厚度5 mm，最小劃分網(wǎng)格尺寸為0.69 mm，共劃分網(wǎng)格378 570個(gè)。

圖2 劃分網(wǎng)格

由于每級(jí)軟柱塞的壓力差相等，設(shè)均為1 MPa，故對(duì)其中一級(jí)進(jìn)行受力分析即可。油液對(duì)軟柱塞存在徑向壓作用，需要對(duì)軟柱塞的內(nèi)部面施加力載荷，如圖3所示。同時(shí)，對(duì)泵筒兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行約束設(shè)置。

圖3 施加載荷

經(jīng)計(jì)算得出聚醚醚酮軟柱塞應(yīng)變范圍為0.000 021 45～0.001 901，應(yīng)力范圍為0.062 83 MPa～5.566 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.001 901，最大應(yīng)力5.566 MPa。最大應(yīng)變處于大載荷內(nèi)部邊緣，最大應(yīng)力位于小載荷內(nèi)部邊緣，如圖4、圖5所示。

圖4 聚醚醚酮應(yīng)變

圖5 聚醚醚酮應(yīng)力

3 試驗(yàn)研究

自補(bǔ)償式軟柱塞抽油泵及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖6所示，主要包括自制簡(jiǎn)易抽油機(jī)、抽油泵及泵筒密封等附件。試驗(yàn)過程中能夠?qū)_程、沖次進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足抽油泵工作的沖程、沖次和動(dòng)力，模擬軟柱塞抽油泵井下工況，從而驗(yàn)證泵效與壓差的影響規(guī)律。

對(duì)兩級(jí)自補(bǔ)償式軟柱塞抽油泵進(jìn)行試驗(yàn)研究，每級(jí)軟柱塞長(zhǎng)度為100 mm，厚度為5 mm，膨脹后的縫隙設(shè)計(jì)為0.05 mm，油液黏度0.05 Pa·s，每級(jí)分級(jí)壓差為1 MPa，泵筒直徑為32 mm，沖程為0.8 m，沖次6次/分鐘。

如圖7所示，在出口壓力低于3 MPa時(shí)，隨著出口壓力的增大，泵效逐漸降低；在3.5 MPa時(shí)，泵效增大，隨后又開始降低，自補(bǔ)償式軟柱塞抽油泵在承受超過理論壓差后出現(xiàn)泵效上升的情況，主要是由于軟柱塞與泵筒過盈配合。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，自補(bǔ)償式抽油泵的泵效能達(dá)到67%，因此，兩級(jí)軟柱塞抽油泵在泵效基本相同的條件下可以承載更大的出口壓力。

圖6 軟柱塞抽油泵模擬試驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

圖7 兩級(jí)自補(bǔ)償軟柱塞抽油泵泵效隨出口壓力的變化曲線