往复式柱塞泵十字头的改进与应用获奖科研报告

往复式柱塞泵十字头的改进与应用获奖科研报告

摘要：随着油田不断开发，油田注水压力随之不断升高，离心式注水泵已经不能满足这部分油田注水需要，此类油田的注水大部分采用柱塞泵。同时随注聚合物井不断在各油田相继投产，往复式柱塞泵也成为注入聚合物的主要设备。其维修费用也呈上升趋势。在柱塞泵维修工作中发现，此类泵型由于十字头销轴孔磨损产生的维修费用占总体维修费用的比例已达到40%左右。因此我们对往复式柱塞泵的十字头进行了技术改进。

关键词：往复式柱塞泵;十字头;改进措施;应用效果

随着大庆油田近年产能形式不断变化，外围小区块油田也成为油田的能源产出主力。这部分油田注水压力相对都很高，最高可达到17.5Mpa左右。同时中区主力油田不断开始三次采油，注聚合物井在数量上也呈现上升趋势，因此往复式柱塞泵也成为油田重要的注入设备。

1往复式柱塞泵

1.1组成结构

往复式柱塞泵主要由两大部分组成，如图一所示：一部分是动力端，这部分主要由箱体、曲轴、连杆、十字头、十字头滑道和中间杆等部件组成。另一部分是液力端。这部分主要由泵头、柱塞、填料函、进液阀、排出阀组成，泵头上有一个空腔就是泵的工作空间。

1.2工作原理

从往复泵的工作原理图可以了解其工作泵理，如图二所示：在原动机的带动下，往复泵曲轴做旋转运动，由曲轴、轴柄和连杆的机械特性决定了曲轴连杆机构将原动机的旋转运动变为往复运动，但是这种运动是一种往复摆动，只有在通过十字头和十字头滑动的配合作用下才能把这种往复的摆动变为往复直线运动，从而带动柱塞做往复直线运动。当柱塞向前运动时，泵的工作空间变小，但压力增加，在压力的作用下，进液阀关闭排液阀打开，泵排出液体;当柱塞向后运动时，泵的工作空间增大，但压力降低，在弹簧弹力和排出管路压力作用下排出阀关闭，在大气压力的作用下进液阀打开，泵吸入液体。原动机不停的旋转，柱塞就不停的做前后往复运动，使得泵不断的吸入和排出液体。

2十字頭存在问题

在往复式柱塞泵维修工作中发现，往复泵故障频率最多的零部件就是起转化运动方式作用的十字头。

2.1十字头关键作用

油田上使用的往复式柱塞泵是依靠泵内工作空间容积大小的变化来实现吸入和排出液体的。改变工作空间容积大小的关键部件是柱塞（或活塞）。十字头在柱塞泵中的主要作用就是将连杆的往复摆动变为往复直线运动，它安装在泵箱体上的十字头滑道中，在滑道中做前后往复运动并带动柱塞运动。因为它转化的是连杆的往复摆动，十字头与连杆的连接方式是通过一个十字头销将连杆和十字头连接起来，连杆和十字头的相对运动方式主要为摆动。

2.2十字头故障分析

在动力端的运动系统中，十字头与十字头销是不产生相对运动的，因为十字头销与连杆之间采用的是滑动轴承连接。造成它们之间出现相对运动的原因是十字头与十字头销之间采用的是间隙配合，优点是在维修过程中，如果要更换损坏的十字头或连杆可以不用将动力端全部拆解就能实现维修;缺点是工作过程中会在十字头与十字头销之间产生相对运动。随着工作时间的增长会出现磨损，间隙也越来越大。十字头与十字头销的间隙一旦增大就会产生一系列的后果;一是它们之间在工作过程中会出现撞击，使泵体振动增大，进而加速整个柱塞泵的疲劳破坏。二是会造成连杆与曲轴之间的撞击，破坏连杆与曲轴之间的油膜，降低润滑效果，使连杆与曲轴磨损加快;三是会造成柱塞行程的减小，泵效率降低。

在实际应用中，柱塞泵十字头的损坏部位都是十字头销轴孔这个位置。当柱塞泵累计运行7000多小时后，十字头销轴孔出现严重磨损，间隙达到4～5mm，此时必须更换十字头，否则会带来严重后果。经常更换十字头不仅增加了设备维修费用，而且加大了设备管理难度。

3十字头改进措施

分析往复式柱塞泵动力端工作原理可知，如果改变十字头与十字头销的配合方式，消除它们之间的相对运动，从而化解相互运动产生的磨损，问题也就迎刃而解了。图三为改进前的十字头与连杆装配图。

首先设计了第一种改进方案：将十字头销轴孔概念销轴改为过盈配合，这从本质上解决了它们的相对运动问题。但是在柱塞泵维修保养过程中，如其它部件损坏（连杆等）也要先将十字头取出。在不整体拆解柱塞泵动力端的情况下无法进行维修更换其它损坏部件。所以这种改进在实践中并不是有效可行方案。

由此设计了第二种改进方案：在十字头后端面加工了两个M5的细牙内螺纹，然后相应配制两个细牙内六角螺钉。在十字头销轴两端分别铣削出深4mm，宽5mm的槽。安装时先将连杆、十字头、十字头销完全组装好，然后顶紧螺钉，这样就用螺钉紧定的方式将十字头销轴完全固定在十字头上，消除了它们之间的相对运动。在维修其它损坏部件时，可以采用先打开曲轴箱盖板，在将曲轴盘车到合适位置，最后用内六角扳手卸开两条内六角螺钉的方式将十字头取出来。由此可见第二种方案具有可行性。图四为应用此方案改进后的十字头与连杆装配图。

4效果分析

往复式柱塞泵十字头改进前平均每8000h左右就需要更换一组十字头，改进后的十字头在某柱塞泵上实际应用，累计运行