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一种 水力 活塞 设计 SW 三维 CAD 独家

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任务书学院 XXX 专业 XXX 班级 XXX 学生姓名 XX 指导教师/职称 XX 1毕业设计(论文)题目：水力活塞泵的设计2毕业设计(论文)起止时间：20XX年11月 2019年6月3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）原始数据：适用井况：产生碳氢化合物液体或水的气井、高气油比油井；排液量：22方/天；最大井深：3048米；动力液压力：3MPa；参考资料：1中国石油学会,石油大学.石油技术辞典:M.北京:石油工业出版社,19962A型水力活塞泵J.王善政,宫树战.石油机械.1994(08)3A、D型水力活塞泵用于南疆超深井的可行性研究J.王善政.石油钻采工艺19914水力活塞泵吸入压力和油层压力的计算J.戈炳华.石油钻采工艺.1987(05)5采油工程手册M.石油工业出版社,万仁溥主编, 20006对水力活塞泵开采稠油效果的分析J.孙宝璐,梁剑明.石油钻采工艺.1983(01)7水力活塞泵多媒体设计实践J.汪楠,卢焰,周明来.天然气与石油.1998(03)8水力活塞泵井高压动力液计量新工艺J.薛小东.石油钻采工艺.1994(04)9一种可深抽的水力活塞泵J.窦宏恩,孙波.石油矿场机械.1992(05)10一种新型水力活塞泵J.窦宏恩.石油矿场机械.1990(03)11选择水力活塞泵系统的设计考虑J.WB布利克利,唐北星.石油钻采机械.1979(02)12A型水力活塞泵J.王善政,宫树战.石油机械.1994(08)4毕业设计(论文)应完成的主要任务 (1)水力活塞泵的研究现状及发展趋势(2)水力活塞泵的方案设计(3)水力活塞泵的定尺计算(4)水力活塞泵的力学分析(5)水力活塞泵整体设计及实体造型，画总装图，主要零部件（不少于4张）(6)编写水力活塞泵设计说明书（毕业论文14000字）5. 任务书下达日期 20XX 年 11月 20 日 指导教师(签字) 水力活塞泵的设计开题报告一、题目来源社会实践。二、研究（设计）目的和意义作为油田原油开采重要工具之一的水力活塞泵，它是一种液压传动的无杆采油设备，在石油工业中起着重要作用。随着油田开发的不断深入，多数油田相继进入了高含水期,这为水力活塞泵的推广和应用带来了很大的问题。然而由于水力活塞泵采油具有的独特优势，水力活塞泵在国内外油田中仍然起着重要作用，在某些特定的场合是不可取代的。目前，水力活塞泵是泵深度最深的采油方法。它主要依靠液压传递能量，并从井下提取原油到地面，它可以依靠液力起下,适应于高含蜡、高凝油的中深井和多种复杂条件井的草油开采。但是当水力活塞泵的泵挂深度较高时，要求水力活塞泵的地面动力泵的压力很高。这样就会造成水力活塞泵地面设备和输送管道故障率高。使用寿的短。目前我国油田使用水力活塞泵的泵挂深度一般不超过3000米。因此开发设计-种适合深井和超深井开发需要水力活塞泵装置对于我国深井和超深井的原油开采具有重要的现实意义。 三、阅读的主要参考文献1中隼人民共和国石油天然气行业标准水活塞泵及地面装置 控制管汇MSY5078.3-91.2方子奇2010年采油工扩充题库：山东科技技术出版社J，20103塔河油田奥陶系油藏机械采油优化理论研究与应用D. 李朝霞.中国地质大学（北京） 20094水力活塞增压注水泵的研究与应用J. 孟勇,秦延才,王金亮. 石油机械.2003(12)5王杰.油井采出液自动取样器的研制与应用J.石油工业技术监督.2016(12)6Gibbs S G.Diagnostic Method for Subsurface Hydraulic Pumping.U.S.patent,No.3635081 7 陈宪侃，万仁溥，周赤烽等. 国内水力活塞泵应用分析S石油钻采工艺，20118F.C.Christ,Abtain Low,Downhole Pressure in Deep Wells with Hydrauic Jet Pumps.SPE159中华人民共和国石油天然气行业标准水力活塞泵几地面装置水力活塞泵DSY5078.1-91.10Milam Clard Inc. Double Acting PumpP.US71302.11郭志辉;秦丙林;陆国琛;李乾;王颖.WZ油田人工举升方式优选研究J.海洋石油.2018(04)12American Petroleum Institute,API Specification 5CT S,Specification for casing and Tubing.1995.13李飞明，李庆.50mm同心管柱闭式水力活塞泵的开发应用M石油机械，2002 14韩兵奇;李连峰;高栋梁;王发元.油井套管气控制装置探讨J.石油矿场机械201115潘先国;黄厚平.坪北油田小排量找漏技术探索与应用J.江汉石油职工大学学报.2013(04)四、国内外现状和发展趋势目前，由于水力活塞泵的突出特点，在世界上许多国家的油田原油开采中都被广泛的应用，在这些国家中，生产的水力活塞泵水平较高的有原苏联、美国，后来中国、英国、法国等也进行了研究，可以独立生产出成套的水力活塞泵。一些大量技术含量较低的泵在国内市场上竞争激烈，并渐趋饱和，而一些技术含量较高、特殊用途、特殊材质的各类特种泵发展前景广阔。产品重点发展为超临界火电机组配套用锅、泵、空冷火力发电机组用泵、核电站用泵，逐步填补油田、海上采油、炼油和油品、石化等方面的特殊用泵空白。从国内看，从20世纪50年代后期我国开始进行水力活塞泵的研究，到20世纪60年代时，引进了国外成套水力活塞泵装置，并开始进行再设计和研究。经过30多年的努力研究和创新，他们在水力活塞泵上的理论研究与现场试验方面都取得了较大突破性的发现。比较有代表性的当属戈炳华提出的简单易行的水力活塞泵井底动态压力的测试方法，首次建立了国产泵的完整工作平衡理论。其次，由王庆源总结出的三活塞泵双拉杆不受压的结论，并由此设计出国产SHB型水力活塞泵，在当时得到了广泛的应用，同时也出现很多不适用的问题。但是，美中不足的是国产泵基本上都是沿用国外有关水力活塞泵的理论设计的，许多关键零部件的设计都是沿用国外的设计思路，缺少创新。由此可知，建立一套适用我国自己实际情况的的国产水力活塞泵的设计理论与方法是一项十分重要而紧迫的任务。从国外看，率先对水力活塞泵进行研究的是美国和前苏联，所以，在此领域他们成为了当今世界的最高水平。在那时，美国布朗(Borwn.K.E)等人开始对水力活塞泵的工作循环系统进行研究，对水力活塞泵设计提出了针对性较强的理论设计。而前苏联在20世纪50年代中后期也成立了针对水力活塞泵的专门研究与制造机构，着重的对水力活塞泵进行理论设计与试验研究。卡查克(K姗KA.c)等人对井下流道的合理性布置、泵工作水力平衡分析和泵循环系统综合性能等进行了深入的研究，总结出一套包括井下换向机构在内的完整水力活塞泵设计理论。费多托夫等人重点对井下换向机构的布置和换向机理等进行了研究，以寻求更好的方式，最后得到了相关的理论与方法，并由此设计出所谓的费氏水力活塞泵。现在，许多国家都可以进行水力活塞泵的生产，但比较有名的还是美国的科贝公司、吉伯逊公司和国家供应公司，生产的产品质量好，性价比高，其中科贝公司生产的A型水力活塞泵最为广泛被各国油田引进使用。五、主要研究（设计）内容、关键问题及解决思路5.1 主要研究内容5.1.1、调研考察和搜集资料首先，多次了解胜利油田、辽河油田和华北油田等油田的多个采油厂,调査了解水力活塞泵的使用情况;了解国外厂家的水力活塞泵在我国油田使用情况，一方面，与学校研究石油开采设备的老师交流，了解目前油田石油开采设备的使用情况与存在的问题，并提出自己利用水力活塞泵解决问题的想法，与老师讨论。另一方面，查阅与水力活塞泵相关的文献和资料，了解几年来国内外专家对水力活塞泵的研究情况和产品幵发情况，对这些年国内外水力活塞泵开展的设计和研究进行了解，完成前期简单的调研，进行分析水力活塞泵的应用情况5.1.2.水力活塞泵采油工艺流程和水力活塞泵装置的结构及特点的分析和研究通辻学习和査阅有关的文献资料，对水力活塞泵采油工艺流程和水力活塞泵装置的结构及特点迸行深入的认识，为本课题的研究打下坚实的理论基础。5.1.3.水力活塞泵井下机组主要技木参数的确定 根据油田的生产需求，通过对比分析在用水力活塞泵的性能特点,确定水力活塞泵的主要技木参数.5.1.4.总体方案设计阶段 根据水力活塞泵井下机组主要参数，确定总体方案。5.1.5.结构设计迸行水力活塞泵的结构设计及其校核计算。5.1.6.水力活塞泵基本参数的汁算计算水力活塞泵的动力液体圧力、动力液体流量、泵的排量、下泵深度等;分析水力活塞泵的结构特点，磽定水力活塞泵的适用范围。5.2 关键问题1.平台形式的选择2.油井相关成本3.平台形式比较4.输送成本5.3 解决思路解决方法；在选择参数时要结合实际考虑实际用途并查阅资料和设计手册，在有多个方案可供选择时要通过计算等方法选择最优方案。不懂的地方问老师，与老师讨论方法是否可行。 六、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件所必须具备的工作环境：（1）CAD软件（2）SolidWorks软件（3）操作系统为Window XP ；七、预期成果（达到目标）通过对水力会塞泵的设计，系统掌握水力活塞泵采油的方式，进一步巩固专业基础知识，培养提高实践和学习能力，为顺利走向工作岗位打下坚实的基础。八、工作的主要阶段、进度与时间安排1、 2018年11月2日 指导老师下发任务书2、 2018年11月21日 通过查阅资料以及网上文献，完成开题报告及开题答辩3、 2019年1月21日 初步完成毕业设计资料4、 2019年5月9日 完成毕业设计主体工作5、 2019年5月10日 指导教师完成各项审查及相关签字6、 2019年5月21日 评阅教师完成评阅意见及相关签字7、 2019年6月2日 毕业设计答辩。九、指导老师审查意见XX论文答辩 答辩人 XX专业班级 XX指导老师 XX 日期 XX 水力活塞泵的设计 目录 1 概念2 发展趋势及目的3 水力活塞泵井设备与集输流程4 水力活塞泵的组成5 水力活塞泵的工作原理 水力活塞泵是一种液压传动的无杆抽油设备 它是由地面动力泵将动力液增压后经油管或专用通道泵入井下 驱动马达做上下往复运动 将高压动力液传至井下驱动油缸和换向阀 来帮助井下柱塞泵抽油 一 概念 4 二 水力活塞泵的发展趋势及本论文的目的 目前 水力活塞泵是世界上机械采油的一项先进技术 它是一种无杆抽油设备 是利用地面注入的动力液驱动井下的液马达带动抽油泵进行抽油的 是开采低压油层 稠油层的一种好方法 它主要依靠液压传递能量 并从井下提取原油到地面 它可以依靠液力起下 适应于高含蜡 高凝油的中深井和多种复杂条件井的开采 但是当水力活塞泵的泵挂深度较高时 要求水力活塞泵的地面动力泵的压力很高 这样就会造成水力活塞泵地面设备和输送管道故障率高 使用寿的短 目前我国油田使用水力活塞泵的泵挂深度一般不超过3000米 因此开发设计 种适合深井和超深井开发需要水力活塞泵装置对于我国深井和超深井的原油开采具有重要的现实意义 随着我国油田开发向深部地层发展 采油井的深度不断增加 要求各油田使用的游梁式抽油机向长冲程 大吨位发展 因而抽油机体积质量不断增加 为改变这种状况 必须对抽油机的结构进行改进设计 即 在满足其使用性能的条件下 对主要零部件进行优化设计 并进行必要的校核 减轻抽油机的质量 以降低其制造成本 5图4 8开式水力活塞泵采油系统 液马达 三 水力活塞泵井设备与集输流程 高压泵机组 高压管控制汇 动力液处理装置计量装置 地面管线 井口 油井装置 地面流程 水力活塞泵井下机组井下器具管柱结构 液马达抽油泵滑阀控制机构 系统组成 6 总设备的工作原理 动力液地面加压 油管或专用动力液管输送 动力液被传至井下液马达处 滑阀控制机构换向 动力液驱动液马达 液马达做往复运动 液马达通过活塞杆带动抽油泵做往复运动 原油被增压举升 适 应 条 件 主要缺点 油层深度与排量范围大 含蜡 稠油 井斜 1 机组结构复杂 加工精度要求高 2 地面流程大 投资高 规模效益 7 主要优点 1 效率高 排量大 可达80 2 自动化 运行和管理方便 12 四 水力活塞泵井下机组组成 1 液马达 将动力液的压能转换为机械能 带动泵工作 2 泵 将液马达传递给它的机械能转换成 液体的压能 用来提高油层产出液的压能 3 主控滑阀 利用液压差动原理控制液马 达和泵柱塞做往复运动的换向控制机构 单作用泵工作原理示意图13 五 单作用泵工作原理 下冲程 主控制滑阀位于下死点 如图4 12a所示 这时 高压动力液从中心 油管经过通道a 进入液马达 下缸 作用在活塞下面的环形 面积上 同时 高压动力液还经过 通道b进入腔室c 再由通道d 进入液马达上缸 作用在液马 达活塞上面的全面积上 单作用泵工作原理示意图14 因此 液马达活塞上 下 两面都作用有高压的动力液 但由于它上面的面积大于下面 的面积 所以上面的总压力大于下 面的总压力 就是在这个压力差作用 下 液马达进行下冲程 由于液马达活塞和泵活 塞用一个活塞杆相连 前者的下冲程必然引起 泵活塞的下冲程 此泵是和一般抽油泵结 构相同的单作用泵 因此 下冲程时 固定阀 吸入阀 关闭 而游动阀 排出阀 打 开 抽油泵排出下冲程中被 吸入泵内的油层产出液 随着液马达活塞的下冲 程继续进行 活塞杆继续往 下 单作用泵工作原理示意图15 活塞杆实际上是一个 辅助控制滑阀 在杆身的上部和下部 开有控制槽e和f 当活塞杆接近下死点 时 它的上部控制槽e沟通 了主控制滑阀上 下端的 腔室c和g 使高压动力液由控制 槽e进入主控制滑阀下端腔 室g 单作用泵工作原理示意图16 由于主控制滑阀上端面 的面积小于下端面的面积 在同样的高压动力液作 用下 下面的总压力必然大 于上面的总压力 所以使主控制滑阀推向 上死点 这时 就开始进行 上冲程 单作用泵工作原理示意图17 上冲程 主控制滑阀位于上死 点 如图4 12b所示 这时 高压动力液从中 心油管经过通道a进入液马 达下缸 由于主控制滑阀位于上 死点 堵塞了通道b 使高 压动力液不能象下冲程一样 由通道d进入液马达上缸 单作用泵工作原理示意图18 这时 液马达上缸经 过通道d 主控制滑阀中 部的环形空间h和抽取的 油层产出液相沟通 因此 液马达的上缸 充满低压油层产出液 而下缸仍然作用有高 压动力液 单作用泵工作原理示意图19 这时 在压力差的作用 下 液马达的活塞进行上冲 程 上缸中工作过的乏废动 力液和抽取的油层产出液相 混合后 提升到地面 上冲程时 抽油泵的游 动阀关闭 固定阀打开 进 行吸油过程 随着上冲程的 进行 活塞杆继续往上 单作用泵工作原理示意图20 当活塞杆接近于上死点时 它下部的控制槽f使主控滑阀的下腔室和抽取的原油相沟通 这时 在主控制滑阀上 端面作用有高压动力液 下端面作用的是低压的 油层产出液 在这个压力差作用下 主控制滑阀就往下运动到下 死点 这样 就使液马达重新 开始转入下冲程 单作用泵工作原理示意图22 致谢 首先 我要对我们的指导老师XXX表示诚挚的谢意 在整个做毕业论文期间 他为我付出了很多时间精力 前期帮我确定论文方向 之后时常关注着课题的进程 为我解答疑惑 在他的很多指导和帮助下 我才可以顺利完成论文 然后 要郑重地感谢答辩委员会的几位老师 我知道你们工作繁忙 百忙之中抽出时间来指导我们 我们倍感荣幸 再次向各位老师表示由衷的感谢 祝各位老师身体健康 工作顺利 一种水力活塞泵的设计【摘要】本论文主要是针对我国深井原油开采人工举升难度大的问题，结合水力活塞泵采油工艺的特点和多年以来水力活塞泵在我国油田的使用情况,设计了一种单作用插入固定式水力活塞泵。本论文主要是从以下几个方面对单作用水力活塞泵进行了设计研究。第-,通过搜集资料。了解到了水力活塞泵的使用情况，了解到了外水力活塞泵在我国的使用情况。通过查阅搜索有关文献资料，了解国内外专家对水力活塞泵的研究情况。第二，通过对水力活塞泵采油工艺流程和水力活塞泵装置的结构及特点的分析和研究。查阅和学习有关的文献资料，对水力活塞泵采油工艺流程和水力活塞泵装置的结构及特点进行深入的了解，为本课题的设计打下坚实的理论基础。第三，水力活塞泵井下机组主要技术参数的确定。根据油田生产需求，通过对比分析在用水力活塞泵的性能及特点，确定水力活塞泵的主要技术参数。第四，总体方案设计。根据水力活塞泵井下机组主要参数，确定总体方案。第五，结构设计。进行了水力活塞泵的结构设计，分析了超水力活塞泵的结构特点，确定了水力活塞泵的适用范围。在本毕业设计中，重点对活塞、活塞杆、主控制滑阀、游动阀、固定阀、各种接头、泵筒及流道布置等井下装置进行了设计计算。在此基础上，运用SolidWorks软件建立三维模型，绘制了各零件工程图和总装图。第六，水力活塞泵基本参数的计算。计算了水力活塞泵的动力液体压力、动力液流量、泵的排量、下泵深度等。通过分析和计算、P/E比可变、上下冲程完全平衡、双作用、密封可靠、效率高等优点，适用于深井、超深并及低液面井采油以及高寒地区和高凝油、高含蜡油井的开采。【关键词】水力活塞泵，采油，结构设计，插入固定式Abstract Aiming at the difficult problem of artificial lifting in deep well crude oil production in China, this paper designs a single-action plug-in fixed hydraulic piston pump, which combines the characteristics of hydraulic piston pump production technology and the application of hydraulic piston pump in oilfields in China for many years. This paper mainly studies the design of single-acting hydraulic piston pump from the following aspects. First, through the collection of information. Understand the use of hydraulic piston pump, understand the use of external hydraulic piston pump in China. By consulting and searching the relevant literature, we can understand the research situation of domestic and foreign experts on hydraulic piston pump. Secondly, through the analysis and research of the hydraulic piston pump production process and the structure and characteristics of the hydraulic piston pump device. By consulting and studying the relevant literature, we have a thorough understanding of the production process of hydraulic piston pump and the structure and characteristics of hydraulic piston pump device, which lays a solid theoretical foundation for the design of this topic. Thirdly, the determination of main technical parameters of hydraulic piston pump downhole unit. According to the production demand of oil field, the main technical parameters of hydraulic piston pump are determined by comparing and analyzing the performance and characteristics of the hydraulic piston pump in use. Fourth, the overall scheme design. According to the main parameters of hydraulic piston pump downhole unit, the overall scheme is determined. Fifth, structural design. The structural design of the hydraulic piston pump is carried out, the structural characteristics of the Super-Hydraulic piston pump are analyzed, and the applicable scope of the hydraulic piston pump is determined. In this graduation project, the design and calculation of downhole devices such as piston, piston rod, main control sliding valve, swimming valve, fixed valve, various joints, pump barrel and runner layout are emphasized. On this basis, SolidWorks software is used to build three-dimensional model and draw the engineering drawings and assembly drawings of various parts. Sixth, the calculation of basic parameters of hydraulic piston pump. The power liquid pressure, power liquid flow rate, pump displacement and pump depth of the hydraulic piston pump are calculated. Through analysis and calculation, variable P/E ratio, complete balance of upstream and downstroke, dual-action, reliable sealing and high efficiency, it is suitable for deep, ultra-deep and low liquid level wells, as well as high pour point and high wax content wells in frigid areas.Key words: hydraulic piston pump, oil recovery, structural design, insertion of fixed type目录前言11选题背景21.1毕业设计的题目来源21.2国内外研究现状和发展趋势21.3研究的目的和意义31.4主要研究内容32水力活塞泵的工作原理与结构52.1水力活塞泵的组成和工作流程52.2水力活塞泵井下装置的结构和原理63水力活塞泵主要技术参数的选取与计算103.1水力活塞泵的扬程103.2水力活塞泵的排量103.3水力活塞泵井下装置径向尺寸的确定与井下装置的固定103.4水力活塞泵井下机组冲程长度与冲次的选取103.5水力活塞泵活塞杆和泵活塞直径的确定114水力活塞泵总体设计134.1水力活塞泵安装型式的确定134.2水力活塞泵井下装置的基本结构组成13 4.3水力活塞泵井下装置的工作原理165水力活塞泵的结构设计175.1动力端结构设计175.2泵端的结构设计175.3泵阀的结构设计185.4主控制滑阀的设计225.5活塞的结构设计235.6活塞杆的设计与校核256水力活塞泵的参数计算286.1泵的理论排量计算286.2最大下泵深度的计算287元件的密封问题308总结31参考文献31致谢33V一种水力活塞泵的设计前言到目前为止，,我国的经济发展正在朝着与世界经济发展一致化的步伐稳点前进,在这整个发展过程当中,，人的需求不断增长，资源的消耗量却呈现出一个递增的趋势。但是，石油资源却是一种不可再生资源,在快速发展的过程当中存在着资源短缺和逐步枯竭的问题,这对于我国经济社会的发展造成了不利的影响。因而,，在石油采油的过程中，需要不断提升采油的技术和效率，实现合理有效的开发石油油田的目的。国内外的各大油田原油开的开采力度都在不断加大。但是，国内外中深度井的石油勘探开发也逐渐走入尾声。然而，在很多地方，由于油储存量一般，不集中，还石油工业经过不断的发展，从中衍生出许多附属行业，这又加大了对石油的需求量,所以是高含蜡、高凝油、高气比的中深井及深井等多种复杂条件,如果引用国内外先进采油设备,将会出现这样的情况,在高额的投资下,带来的效益却并不理想,所以没能得到好的开发。但是,在目前石油开采技术条件下,这些中深度油田又是国内石油开采的重头戏,占据着石油产出的大头。鉴于这种情况,一种适用性强、结构简单同时价格便宜，能同时满足高含蜡、高凝油的中深井等多种复杂条件的抽油设备的开发设计被重视。在众多的人工举升方式中,水力活塞泵是一种比较理想的方式,它利用液压传动,依靠液压传递能量,将液体压力转换成活塞的往复运动,从而使原油抽到地面,实现抽油的过程。它弥补了有杆抽油设备的缺陷,依靠液力起下水力活塞泵井下装置,省去了许多不必要的起下油管的麻烦,并且结构多样,可同时适应于高含蜡、高凝油的中深井等比较恶劣条件的原油开采。因此,本论文紧密结合了油田生产实际现状,提出水力活塞泵的设计,对解决目前国内油田所面临的问题具有很大的意义。391选题背景1.1毕业设计的题目来源毕业设计题目：一种水力活塞泵的设计题目来源：生产实践1.2国内外研究现状和发展趋势目前，由于水力活塞泵的突出特点，在世界上许多国家的油田原油开采中都被广泛的应用，在这些国家中，生产的水力活塞泵水平较高的有原苏联、美国，后来中国、英国、法国等也进行了研究，可以独立生产出成套的水力活塞泵。许多技术含量比较低的泵在国内市场上大量激烈竞争,并逐渐趋向饱和,而一些技术含量比较高、有特殊用途、特殊材质的各种类型特的泵发展前景广阔。产品发展重点为超临界火电机组配套用锅炉给水泵、空冷火力发电机组用泵、核电站用泵,逐步填补油田、海上采油、炼油和油品、石化等方面的特殊工程泵业空白。从国内来看，我国从20世纪50年代后期就开始进行了水力活塞泵的研究，到20世纪60年代时，引进了国外成套水力活塞泵装置，并开始进行再设计和研究。经过30多年的努力研究和创新，他们在水力活塞泵上的理论研究与现场试验方面都取得了较大突破性的发现。比较有代表性的当属戈炳华提出的简单易行的水力活塞泵井底动态压力的测试方法，首次建立了国产泵的完整工作平衡理论。其次，由王庆源总结出的三活塞泵双拉杆不受压的结论，并由此设计出国产SHB型水力活塞泵，在当时得到了广泛的应用，同时也出现很多不适用的问题。但是，美中不足的是国产泵基本上都是沿用国外有关水力活塞泵的理论设计的，许多关键零部件的设计都是沿用国外的设计思路，缺少创新。由此可知，建立一套适用我国自己实际情况的的国产水力活塞泵的设计理论与方法是一项十分重要而紧迫的任务。从国外看，率先对水力活塞泵进行研究的是美国和前苏联，所以，在此领域他们成为了当今世界的最高水平。在那时，美国布朗(Borwn.K.E)等人开始对水力活塞泵的工作循环系统进行研究，对水力活塞泵设计提出了针对性较强的理论设计。而前苏联在20世纪50年代中后期也成立了针对水力活塞泵的专门研究与制造机构，着重的对水力活塞泵进行理论设计与试验研究。卡查克(K姗KA.c)等人对井下流道的合理性布置、泵工作水力平衡分析和泵循环系统综合性能等进行了深入的研究，总结出一套包括井下换向机构在内的完整水力活塞泵设计理论。费多托夫等人重点对井下换向机构的布置和换向机理等进行了研究，以寻求更好的方式，最后得到了相关的理论与方法，并由此设计出所谓的费氏水力活塞泵。现在,很多国家都可以自主进行水力活塞泵的研究与生产,但是比较出名的还是美国的科贝公司、吉伯逊公司与国家供应公司,生产的产品性价比高，质量好,其中科贝公司生产的A型水力活塞泵在各国油田是最受欢迎的，并且被引进使用。1.3研究的目的和意义在世界机械采油中，水力活塞泵是一项先进的技术,它是一种无杆采油的设备,是利用地面注射的动力液驱动井下的液马达带动抽油泵进行抽油的,是开采低压油层、稠油层的一种好方法。在油田原油开采中，为适用于更多情况下人工举升抽油排液工艺要求，迅速发展起来的一种利用液压传动，依靠液压传递能量，将液体压力转换成活塞的往复运动，从而使原油抽到地面，实现抽油过程的没有抽油杆的抽油设备水力活塞泵一步步被设计出来，并在油田进行试验，最终得到各大油田的认可。但是，越来越多的油田开发期拉长，石油开采的难度也越来越大，同时，国内很多油田也逐渐走入高含水期，当油井的含水上升到一定的程度时，就会形成以油换水的局面，这样一来，油田要想达到相同的产量就会消耗更多的动力液，地面装置也必将不断扩建，经济效益不高，达不到预期的性价比，而且计量误差也大。到了20世纪末，国内水力活塞泵在油田的使用却不断地减少，甚至有些油田不再使用。经过调查研究分析发现，并不是水力活塞泵的技术不成熟，而是使用的条件不正确，解决问题的方向不够全面，置使得水力活塞泵在国内各大油田的应用和推广出现了很多的问题。但是，由于水力活塞泵在人工举升采油中具有的独特优势，水力活塞泵在国内外油田原油开采中仍然具有重要地位，是其它的抽油设备所不能替代的。因此，研究设计一种适应更多井下环境条件的水力活塞泵，对推动水力活塞泵的设计研究和石油工业的发展，是具有重大的现实意义的。1.4主要研究内容 明确研究内容，是这次论文设计基本，故我将主要通过以下几个方面展开研究与设计：1.调研考察和搜集资料 一方面，与学校研究石油开采设备的老师交流，了解目前油田石油开采设备的使用情况与存在的问题，并提出自己利用水力活塞泵解决问题的想法，与老师讨论。另一方面，查阅与水力活塞泵相关的文献和资料，对这些年国内外水力活塞泵开展的设计和研究进行了解，完成前期简单的调研，进行分析水力活塞泵的应用情况。2. 了解水力活塞泵在各大油田的工作原理和工作过程，搞懂水力活塞泵的结构及特点仔细查阅与各种水力活塞泵相关的文献和资料，了解各种水力活塞泵的工作工作过程，寻求共有的原理，为后续的设计研究奠定扎实的理论基础。3.水力活塞泵井下装置主要技术参数的确定阅读搜集的文献资料，比较分析国内外各大油田正在使用的水力活塞泵的性能及特点，然后再根据任务书的要求，对水力活塞泵进行主要的技术参数确定。4.总体方案设计阶段 根据所确定的水力活塞泵主要技术参数，通过结合实际情况和任务书的要求，初步完成可行的总体设计及方案。5.结构设计根据确定的总体方案对水力活塞泵总体结构进行设计，再根据总体结构对各零件进行设，最后进行各零、部件的校核计算。6.水力活塞泵基本参数的计算 根据所给定的参数，结合设计的结构尺寸，计算泵的排量、下泵深度、活塞是否能正常滑动等基本参数，并与所需达到的参数数值进行比较，判别设计是否合理。2水力活塞泵的工作原理与结构2.1水力活塞泵的组成和工作流程 如图1所示为水力活塞泵从地面到井下一整个工作循环过程。水力活塞泵主要由三部分组成，井下的抽油装置、地面工作部分以及将井下抽油装置和地面工作部分连接到一起的中间部分，一起构成一个完整的装置。井下抽油装置是水力活塞泵的关键装置，它主要有液力马达、活塞泵和换向控制滑阀等三个部分，在抽油过程中，主导抽油作用。地面工作部分由高压柱塞泵（简称地表泵）、控制阀总成和动力液储存、处理装置等组成，主要是给水力活塞泵井下抽油装置提供和处理动力液和控制动力液在井下的工作压力；中间部分包括各种输送动力液和将原油和工作过的废动力液混合的液体送回到地面的各种管道装置。 1.高压控制管汇；2.高压柱塞泵；3.储油罐4.分离器；5.沉没泵机组；6.泵工作筒；7.封隔器图1 水力活塞泵泵站系统流程示意图高压柱塞泵（简称地面泵）通过吸油管将储油罐中已经被处理和加热后的原油吸入泵中，在泵中加大压力后，从高压控制管汇、控制阀站，顺着油管送到水力活塞泵井下装置，驱动井下装置中的液马达活塞进行循环往复的工作。在液马达活塞的循环往复运动下驱使水力活塞泵从油井中不断地抽取原油。利用套管和油管之间的封闭空间，将抽取的原油混合液和工作后的废动力液排到地面，最后经过地面的控制阀系统流到油、气分离装置进行分离。其中，油流到地面的油储存罐后，一些会流到选油站进行油品的分析试验，另一些原油经过处理后作为动力液再次进入到地面的动力泵加压后，重新利用作动力液。这样，水力活塞泵就完成了从井下将原油运输到地面的一整个循环。2.2水力活塞泵井下装置的结构和原理 水力活塞泵是一种液压传动的无杆抽油设备，其井下部分主要由液马达、抽油泵和滑阀控制机构组成。动力由地面加压后，经油管或专用动力液管传至井下，通过滑阀控制机构不断改变供给液马达的液体流向来驱动液马达做往复运动，从而带动抽油泵进行抽油。下面我将以国产SHB系列和美国科贝公司生产的A系列来介绍她的结构和性能特点。2.2.1 SHB2 12X2020型水力活塞泵1.结构组成SHB2 12X2020型水力活塞泵主要由工作筒、沉没泵机组和固定阀组成，结构见下图2所示。 1.油管；2.水力活塞泵井下机组；3.油层套管； 4.上排出阀；5.上吸入阀；6.上液缸；7.活塞杆；8、17、22.流道；9.滑阀；10.阀芯；11、19、20.孔；12.卸压孔；13.吸入流道；14.下液缸；15.下吸入阀；16.下排出阀；18.上部换向槽；21.滑阀开孔；23.下部换向槽；24.泵工作筒；25.固定阀；26.套管封隔器；图2 SHB2 12X2020型水力活塞泵结构示意图2.工作原理上冲程：当主控制滑阀移动到下死点时，从中心油管进来的高压动力液流经通道17和通道8，进入到上液压缸的活塞下腔室，推动活塞组进行上冲程。上吸入阀关闭，上液压缸活塞上腔室的原油通过上排出阀，流到油管和套管之间的环形空间。与此同时，原油通过固定阀、下吸入阀，从套管封隔器以下进人下液压缸的活塞下腔室。下液压缸活塞上腔室中的废动力液，经过通道22、孔19和20，排到油管和套管的环形空间之间，和被抽取的原油混合后流到地面。当液马达活塞组向上运动到接近上死点时，高压动力液利用活塞杆下部的控制槽23和孔11，流到主控制滑阀的下端。但是，主控制滑阀两端面面积不同，下端面大于上端面，所以，在相等压力的高压动力液作用下，作用在下端面的总压力比作用在上端面的总压力大。在这种压力差的作用下，使主控制滑阀向上运动接近到上死点时，这时就开始进行下冲程。下冲程：主控制滑阀位于上死点，从中心油管进来的高压动力液，经过流道17、主控制滑阀和活塞杆间的环形空间、孔2l及流道22，流入下液压缸活塞的上腔室，推动活塞组进行下冲程。下吸入阀关闭，下液压缸活塞下腔室中的原油通过下排出阀，流到油管和套管的环形空间。上液压缸活塞下室中工作过的废动力液则通过通道8、主控制滑阀外表面中部的空间、孔19及孔20，被排至油管和套管环形空间。原油和废动力液通过吸入通道及上吸入阀进人上液压缸活塞的上腔室。当活塞组向下运动接近下死点时，活塞杆上部的控制槽18将孔11与卸压孔12连通，使主控制滑阀的下端面和低压的侧相通。于是，主控制滑阀在压力差作用下，重新向下运动到下死点。这时，又开始进行上冲程。活塞组上、下冲程的循环进行，使原油不断地从井底抽到到地面。3存在问题SHB2 12X2020型水力活塞泵加工精度要求高，试制质量不稳定，同时零部件互换性差，局部零件强度不够，这些问题导致对材料要求较高。2.2.2 A型水力活塞泵1.基本结构A型水力活塞泵由沉没泵、工作筒、打捞总成和固定阀四部分组成，如图3所示a下冲程 b上冲程1.油管；2.打捞总成；3.外密封总成；4.滑阀；5.阀杆；6、12.外管；7.动力缸套；8.动力活塞；9.上吸排阀组；10.中间杆；11.泵活塞13.泵缸套；14.下吸排阀组；15.工作简；16.下杆；17.平衡管；18.固定阀； A 型水力活塞泵示意图2.工作原理A型泵属于可变P/E比完全平衡双作用投入式井下泵。上冲程：主控制滑阀位于上死点的时候，来自油管的动力液流入动力活塞下腔，推动动力活塞上行。动力端活塞泵上腔室的乏动力液与泵的排出液混合，从工作筒下端的排出口到油管与套管之间的环形空间返出地面。动力端活塞泵运动到上死点后，阀杆槽与控制滑阀下端连通，使其与原油相通。下冲程：主控制滑阀位于下死点的时候，此时高压动力液充满主控制滑阀上端面腔室，而主控制滑阀下端面为低压侧，在压力差作用下，主控制滑阀运动到下死点，改变动力液流向，动力液流入动力活塞上腔室，推动动力端活塞向下死点运动。在这个过程中，动力端活塞下腔室的废动力液与泵的排出原油混合，由工作筒下端的排出口排到油管与套管之间的环形空间返出地面。当动力活塞向下运动到下死点的时候，阀杆孔与滑阀下端连通，动力液流入，由于主控制滑阀的上端面面积小于下端面面积，滑阀向上运动到上死点，泵开始上冲程。泵活塞与动力活塞通过中间活塞杆连接，在动力活塞的驱动下做循环往复运动，通过吸排阀组的开启与关闭，持续的将混合液抽出地面。3水力活塞泵主要技术参数的选取与计算进行水力活塞泵的设计之前，要先选取水力活塞泵的主要技术参数，辅以适当的计算，以此判定参数选取的合理性，从而来指导下一步结构设计。3.1水力活塞泵的扬程结合任务指导书与实际问题的需要，水力活塞泵下井最大井深为3048m，查水力活塞泵规格标准可确定水力活塞泵的最小扬程为3500m。3.2水力活塞泵的排量根据设计任务要求，本次水力活塞泵排量Q=22m/d，以此为依据来确定水力活塞泵的设计方案和总体结构。3.3水力活塞泵井下装置径向尺寸的确定与井下装置的固定水力活塞泵井下装置的径向尺寸在设计过程中受到各方面因素的影响，查文献23知，水力活塞泵井下装置最大基本直径应符合表1的规定。表1 井下机组的最大直径尺寸油管内径/mm50.362.075.9100.3井下机组最大外径/mm48597295在国内的各油田很多都采用73551mm(内径为62.0mm)的油管，故这次设计水力活塞泵井下装置的径向尺寸确定为61mm，并且水力活塞泵井下装置安装方式采用插入固定式，简单而且排液量大。3.4水力活塞泵井下机组冲程长度和冲次的选取水力活塞泵井下装置最大径向尺寸为61mm，数值较小，为了达到任务要求所需的排量和扬程，就得想办法最大程度的取增加井下装置的最大冲程长度和最大冲程次数。限制水力活塞泵井下装置冲程长度增加的因素有很多，比如：(1)装置中各同轴零、部件之间需达到的同轴度；(2)细长活塞杆的运动稳定性；(3)各泵阀和工作部件的使用寿命；(4)安装、维护方便等因素。对于固定插入式安装的井下机组，根据以往的经验，水力活塞泵冲程的长度基本上选择在0.41.0m之间。依据水力活塞泵的使用过程及经验，确定最大冲程长度为S=485mm。限制水力活塞泵井下装置冲程次数增加的因素有很多，在众多影响因素里，下面两个因素的影响较为显著：(1)水力活塞泵井下装置的使用寿命：冲程次数太大，对井下装置的冲击损害就更大，从而不能保证正常的使用寿命；(2)水力活塞泵井下装置泵缸的充满系数：。根据国内外据国内外使用差动式水力活塞泵的经验表明有：SN=2800035000（1）式中： S活塞组的最大冲程长度,mm；N活塞组的最大冲程次数,冲/min;其中S=485mm，根据国内相关资料选取最大冲程为N=60冲min。3.5水力活塞泵活塞杆和泵活塞直径的确定依据选取的水力活塞泵井下机组工作参数，确定水力活塞泵泵活塞和活塞杆直径，是水力活塞泵设计的第一个环节，也是很重要的一个环节。水力活塞泵泵活塞直径既取决于下泵深度，又受到地面柱塞泵排出压力的限制。在对活塞杆直径进行设计时，必须保证它的强度，这是最基本的，也是使用中最关键和重要的。因为水力活塞泵井下机组的活塞所能承受的载荷数值在很大程度上被活塞杆的强度所限制，这也就导致水力活塞泵的排量被限制，所以想要提高排量和扬程，设计这两者的时候是非常重要的。查文献23知，水力活塞泵活塞杆直径和泵活塞直径的基本尺寸系列如表2所示。表2 水力活塞泵活塞直径和活塞杆直径的基本尺寸系列活塞直径的基本尺寸系列/mm28，30，32，35，(36)，38，40，(44)，45，60， 65，70，75，80活塞杆直径的基本尺寸系列mm13，15，17，19，(20)，21，23，25，(26)， 28，31根据前面选取的水力活塞泵井下机组的最大径向尺寸61mm，所以在水力活塞泵井下装置设计中，泵活塞和活塞杆直径如下： (1) 活塞杆的直径：d=17mm(2) 泵活塞直径：本次设计的水力活塞泵井下装置为单作用式泵，它只有一个泵，每进行一个完整的冲程，都只排出一个腔室的液体体积。假设井下装置正常工作时冲程为N冲/min，那么水力活塞泵的理论排量的计算公式如下： （2）式中Q水力活塞泵井下装置的理论排量，m3/d； dp水力活塞泵直径，m； dR活塞杆直径，m；S水力活塞泵井下装置的最大冲程长度，m；N水力活塞泵井下机组的冲程次数，冲/min。将n=60冲min， dR=0017m，水力活塞泵井下机组的理论排量Q=22md，L=O.485mm，代入公式(2)，得出：水力活塞泵井下装置泵活塞直径 dR=36.875mm；查表2可取 dR=40mm。4水力活塞泵总体设计 4.1水力活塞泵安装型式的确定水力活塞泵井下装置用得比较多的安装形式有固定式、插入式和投入式，各有自己的特点。在固定式安装中，随油管柱一起起下的还有水力活塞泵井下机组，它固定在油管柱的下端，检泵时必须将全部的油管柱起出地面。它的特点是在同等直径的套管，此种安装类型的水力活塞泵井下直径大，排量也更高。在插入式安装中，随大直径油管一起起下的还有水力活塞泵的井下机组，而沉没泵组装在动力油管柱的底端，和动力油管柱一起下入井下，插入泵工作筒内。其优点是，检泵时只需将动力油管柱起出到地面，而不需将泵工作筒及其管柱都起出。在投入式安装中，水力活塞泵井下机组泵工作筒随动力油管下入井内，而沉没泵从井口投入，并用动力液将其送入水力活塞泵井下机组泵工作筒内。其优点是，检泵时方便，只需依靠液力就可起下泵，不用专门的作业队，节省修井作业费用。所以，针对本次设计，水力活塞泵井下装置的在井下选择的安装方式为单管柱开式循环固定插入式。4.2水力活塞泵井下装置的基本结构组成根据前面的主要技术参数，利用SolidWorks软件三维建模，设计出水力活塞泵井下装置的模型图，加以优化改善。如图4、图5、图6所示。图4 水力活塞泵井下装置总体模型图图5 水力活塞泵井下装置上部分模型图图6 水力活塞泵井下装置下部分模型图根据建立的三维模型图来初步确定水力活塞泵的井下装置总体结构，并确定各零件的结构。图7为水力活塞泵井下装置结构示意图。 1液马达活塞；2活塞杆；3主控制滑阀；4水力活塞泵活塞；a、b、d流道；c上腔室；g下腔室；e、f换向控制槽；h环形空间图7 单作用水力活塞泵结构示意图由上图可以看出，水力活塞泵是由井下装置、泵筒和固定阀构成。其关键部分是水力活塞泵的井下装置，它有液马达缸套活塞副、泵缸套活塞副、主控制滑阀、游动阀、外管、外密封总成等零部件，实现泵的循环往复运动和抽油。其中：液马达：将动力液的能量转换为机械能带动泵活塞的往复运动。泵：将液马达传递给它的机械能转换成液体的能量，用来提供抽油是所需要的压力。主控滑阀：利用主控制滑阀上下两端面的面积差而产生的液压差机理，实现控制液马达和泵柱塞做往复运动的换向控制机构。4.3水力活塞泵井下装置的工作原理1.下冲程：如图7（a）所示主控制滑阀位于下死点的时候，从中心油管流过来的没工作的动力液经过流道a进入液马达的下缸，作用在活塞的下端面上：与此同时，从中心油管过来的高压动力液经过通道b进入上腔室c，再经过流道d进入液压马达的上缸，作用在活塞上端面上。但由于活塞上下两端面作用面积不同而产生压力差，使液马达带动水力活塞泵泵柱塞向下运动。在这个过程中，类似于一个辅助控制滑阀作用的活塞杆开始发挥作用，它杆身的上下部都开有控制槽e和f，当活塞杆向下运动到快要到达下死点时，活塞杆杆身上部控制槽e连通了主控制滑阀上、下端的腔室c和g。但是，主控制滑阀下端面的接触面积大于上端面的接触面积，在高压动力液的作用下便产生压力差，使得主控制滑阀向上死点滑动，从而完成下冲程。2.上冲程：如图7（b）所示主控制滑阀位于上死点，从中心油管进来的高压动力液通过流道a进入液压马达的下缸，在上冲程开始时，流道b被主控制滑阀堵塞，使得高压动力液不能进入液压马达的下缸。而液压马达的上缸从流道d、主控制滑阀之间的区域h与排出的原油相连通。在液压马达上、下缸的压力差作用下，液压马达活塞带动水力活塞泵的柱塞向上运动，这样使得上缸中工作过的废动力液和抽取的原油混合后被提升到地面。当活塞杆接近下死点时，杆身下部控制槽f将主控制阀的下端腔室g和抽取的原油连通，主控制滑阀便被推向下死点，而液压马达又重新开始转入下冲程，上冲程结束。5水力活塞泵的结构设计水力活塞泵井下装置和固定阀是这次结构设计的关键部分，如何设计这两个部分是设计的重点，而井下装置由动力端和泵端上、下两部分组成。5.1动力端结构设计动力端位于水力活塞泵的上部分，其结构如图8所示。动力端主要是将液体的能量转换为机械能，让活塞循环往复运动带动下部泵活塞的运动，完成动力传递。 6 1 2 3 4 51-活塞杆；2.工作筒；3.流道；4.活塞；5.上接头；图8 水力活塞泵泵端结构图水力活塞泵在工作时，活塞在上、下冲程的运动过程中，在液体阻力下，与缸壁会有摩擦，这时，动力液能起润滑的作用，能减少磨损，增加活塞的使用寿命。5.2泵端的结构设计泵端位于水力活塞泵的下方，主要有游动阀、泵端活塞副、主控制滑阀等，实现从井下抽取原油的过程。图9为泵端结构图。 1 2 3 4 5 6 71-下接头；2-固定阀；3-游动阀；4-泵缸套；5-流道；6-主控制滑阀；7-中间接头；图9 泵端结构图5.3泵阀的结构设计泵阀是抽油设备的重要而又易损的组件，种类多样，但是原来相差无几，并且都是由由阀球和阀座构成，它对水力活塞泵泵效和工作可靠性有较大的的影响。5.3.1泵阀的性能要求1.具有良好的密封性能，以保证水力活塞泵在井下复杂工况下正常工作；2.有较好的密封稳定性，使泵阀在异常工况下也能工作；3.阀球可以灵活、迅速地开启与关闭，尽可能避免出现卡死的现象；4.具有良好的耐磨性能、耐冲刷能力和抗腐蚀能力；5.3.2泵阀的材料选择根据工况和流量等要求，选择钨钴铬合金材料来做阀座和阀球的材料，它具有良好的耐磨性和抗腐蚀性，工艺性好，成本还很低廉，是国内外较受欢迎的材料。5.3.3泵阀的结构设计1.阀球的结构设计游动阀球的直径 DQ=0.7D+3.6（3）式中：D活塞直径，mm；将D=20mm带入上式得: DQ=17.6mm查文献17，表4-15阀球直径规格知，取DQ=19.05mm。固定阀球的直径根据经验和结构空间要求，固定阀的阀球一般比游动阀的阀球大1至2档，参考文献17，表4-15固定阀的阀球直径规格，可选择DQ=23.813mm。2.阀座的结构设计阀座口的结构设计阀座采用钨钴铬合金来制造，并且选择维护式的阀口，可以达到比较理想的座封效果。阀座锥角的选取根据经验设计，一般常见阀座的锥角2取值范围为4590。但是，鉴于对阀座口过流面积、泵阀开启与关闭的灵活程度、整体密封性能及其工作稳定性能等的考虑，2的最理想范围是6575，故取2=70。阀座外形的结构设计在众多的阀座结构外形中，最常用的是扁平型，它结构简单，制造方便，还能有较理想的密封性能，所以选择扁平型阀座外型，如图10所示。泵阀的结构设计计算 图10 维护式阀口简图表3 泵阀的结构设计计算表名称上游动阀下游动阀固定阀阀球直径DQ/mm190.519.0523.813阀座锥角2707070研和宽度a=0.4DQ/mm222研和深度/mm0.040.040.04节径d=DQcos/mm15.6015.6019.506阀座孔径d0=DQcos-asin/mm14.4514.4518.356阀口大径d1=DQcos+asin/mm16.7516.7520.656阀座厚度H/mm121220根据上面的计算数据，可得到如图11所示的阀座结构示意图。图11 阀座结构示意图3.阀罩的结构设计阀罩的材料选择阀罩常用材料有碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢等，采油调质热处理，要求硬度约HB239-269。故上、下游动阀罩均采用开口阀罩，两者中间螺纹连接，材料选择45碳素钢，进行调质处理。阀罩的主要结构参数选确定 游动阀罩主要设计参数确定如图所示，图12为四槽型球室阀罩阀室断面图，图13为游动阀阀罩结构示意图。图12 阀罩阀室断面图图13 游动阀阀罩结构示意图导向直径: D1=1.04DQ（4）将DQ=19mm代入上式得： D1=19.76mm，圆整后取 D1=20mm；阀罩外径：D2=DR-1.5（5）将DR=40mm代入得 D2=38.5mm；沟槽铣刀直径：d=0.63DQ（6）将DQ=19mm代入上式得d=11.97mm，圆整后取d=12mm；导向筋宽度c：c=DQsin(N-)（7）将DQ=19mm，N=4，=35代入上式得c=3.3；又Nc=4c=43.3=13.20.6DQ=0.619=11.4mm因为Nc0.6DQ，故本次设计的阀罩符合要求的使用寿命。 固定阀阀罩主要设计参数的确定如图14所示为固定阀阀罩结构图。图14 固定阀阀罩结构示意图导向直径: D1=1.04DQ（8）将DQ=24mm代入上式得： D1=24.96mm，圆整后取 D1=25mm。阀罩外径： D2=DR-1.5（9）将DR=40mm代入得 D2=38.5mm；出油孔直径：d=0.4DQ（10）将DQ=24mm代入上式得d=9.6mm，圆整后取d=10mm；出油孔分布直径：D4=0.7DQ（11）将DQ=24mm代入上式得D4=16.8mm，圆整后取D4=17mm；由于固定阀阀罩是按照国家行业标准推荐值来选取的，所以不需要进行校核，可以满足固定阀罩的使用寿命。5.4主控制滑阀的设计主控制阀阀是水力活塞泵中换向的主要零件，在动力液的作用下，利用主控制滑阀上、下两端面的面积差形成压力差而使主控制滑阀上下运动，从而使活塞往复运动。主控制阀如图15所示。图15 主控制滑阀机构图5.5活塞的结构设计根据前面计算的活塞直径设计活塞的结钩，如图16为泵活塞的结构示意图。图16 泵活塞结构示意图泵活塞式水力活塞泵井下装置动力核心零件，活塞主要的承载方式是与泵筒内表面之间的摩擦与磨损，并产生高温损坏，以及井下各种介质的腐蚀。所以在性能要求上，较高的耐磨性和耐耐蚀性是活塞外表面所需要的，这是保证活塞的使用寿命基本要求。故它结构设计的合理性将直接关系到整个水力活塞泵的工作效率，所有泵活塞的设计至关重要。活塞运动可行性分析：在高压动力液形成的压差作用下，泵活塞利用活塞杆带动下部游动阀进行循环往复的抽油。在这个过程中要克服各种阻力。上、下两个活塞与筒壁间的阻力作用比较显著，其余的都可忽而略不计。假设：动力粘度=0.0025Pa.s，（1）计算活塞运动速度vV=SN/60(12)式中：S冲程长度，m；N冲程冲次，冲/min；已知冲程长度S=485mm，N=60冲/mini,代入上式得：v=0.485m/s。（2）计算活塞上下两端面的压力差p下冲程时，假设动力液为在稳定条件下不可压缩的理想流体，根据伯努利方程有：（13）p=p1-p2（14）式中： z1，z2活塞上、下端面的液位高度，m，其中，z2-z1=0.05m； p1，p2活塞上、下端面的压力，Pa; u1，u2活塞上、下端面的速度，m/s，其中u1=u2; -动力液中重度，取=8000N/m;其中，z2-z1=0.05m, u1=u2,，代入上式得：p=400Pa；（3）计算动力液在活塞上产生的合力FF=p(d2活塞-d2杆)/4（15）将d活塞=40mm，d杆=17mm代入上式得：F=41.2N；（4）计算活塞与泵筒壁阻力f阻沿冲程长度方向将活塞划分为若干微元段，假设每一段长度为dl，这一段产生的阻力为df,，则df=2j（m2-1）(m2+1)lnm-(m2-1)v(16)所以f=00.4852j（m2-1）(m2+1)lnm-(m2-1)v（17）f阻=jf1.3（18）式中：J系数，上冲程时取j=1;m活塞与活塞杆直径比，即m=d活塞/d杆；v活塞运动速度，m/s；将d活塞=40mm，d杆=17mm，v=0.485m/s代入上式得：f阻=1.58N因为F=41.2Nf阻，故活塞可以运动，设计可行。下冲程时，由于活塞杆将通道堵塞，高压动力液不能进去活塞上端面所在腔室，活塞上端面压力远小于活塞下端面的压力，所以活塞可以顺利自由滑动，无需进行运动性分析计算即可判别。5.6活塞杆的设计与校核活塞杆的结构图如图17所示。活塞杆材料选用45碳素结构钢，调质处理硬度大约为HB220-269。图17 活塞杆结构图由图5-9可看出，活塞杆直径小但较细长，需对其直径进行强度和稳定性的校核。1.直径强度校核d0=4F（19）F=p（d活塞2-d杆2）/4（20） =s/n（21）式中： 材料许用应力，MPa，45碳素结构钢s=365MPa；n安全系数，n=1.21.6，计算取n=1.4;假设动力液对活塞施加的压力为p=3MPa，将d活塞=40mm，d杆=17mm代入上式得：d0=15.2mm17mm当dd0时，可满足要求，故活塞杆强度满足要求。1. 稳定性校核（1）计算活塞杆的截面惯性半径iA=d2/4（22）I=d4/64（23）I=IA（24）联立（22）、（23）与（24）得:i=d4（25）式中：d活塞杆的直径，mm；将d=17mm代入上式得：i=4.25mm；(2)计算柔度活塞杆的柔度=li （26）式中：长度因数，取=0.5 l活塞杆的长度，mm；将l=1285mm代入上式得：=151；对于45碳素结构钢来说:p=2Ep（27）式中：E材料的弹性模量，MPa，对于45碳素结构钢而言，E=2105MPa； p许用应力，MPa. 对于45碳素结构钢而言, p= s/n, s=365MPa;代入数据得：p=87：由于p，故活塞杆为大柔度杆，按欧拉公式进行计算临界力。（3）计算活塞杆临界力FcrFcr=2EI（l）2（28）代入数据得：Fcr=19.57kN;活塞施加给活塞杆的力为41.2N，对比几乎可以忽略不计，故活塞杆的稳定性满足要求。6水力活塞泵的参数计算6.1泵的理论排量计算水力活塞泵井下装置泵活塞向上每移动一个有效冲程长度S效时，腔室排出的液体体积为： q1=S效（F-F杆）（29）当水力活塞泵井下装置向下每移动一个有效冲程长度S效时，腔室所排出的液体体积为 q2=S效F杆（30）联立（29）、（30）知在水力活塞泵上、下两个冲程中，排出的液体体积为：Q=q1+q2=S效（F-F杆）+S效F杆=FS效（31）即：Q理=1440FS效n（32）F=（D2-d2）4（33）水力活塞泵冲程长度为S效=485mm，冲程次数N=60次/min，液体全充满，n=1;所以，泵排