液力驅(qū)動注聚泵旋轉(zhuǎn)式配流閥結構與分析

鐘功祥，胡霞，陽玲，趙國文，王平安

（1.西南石油大學機電工程學院，成都 610500；2.江漢油田第四石油機械廠，湖北荊州 434200；3.中國石化集團西南石油局油田工程服務公司西南石油機械廠，成都 610500）①

注聚泵是三次采油工藝中聚合物注入的核心設備。液力驅(qū)動三缸往復注聚泵由于排量和輸出壓力波動小、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用。配流閥是保證液力驅(qū)動三缸往復注聚泵動力缸平穩(wěn)、可靠工作的關鍵設備，它可以克服現(xiàn)有液壓往復泵在換向時存在的液壓沖擊和排量、壓力的波動問題［1－2］。目前采用的是滑閥換向，其性能沒有達到要求。本文提出了一種旋轉(zhuǎn)式配流閥，并分析了其結構、工作原理及輸出流量的變化規(guī)律。

1 配流閥的作用

利用配流閥過流面積的變化規(guī)律實現(xiàn)對泵的動力端3個液壓缸的直線運動控制。液壓控制系統(tǒng)的最主要的部件是配流閥，是通過配流閥周向上的開槽角度和位置變化來控制液壓油的通與斷，實現(xiàn)連續(xù)運動，減少了液壓缸的沖擊。實現(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聚合物所產(chǎn)生的機械降解率［3］。

2 旋轉(zhuǎn)式配流閥結構和工作原理

2.1 結構

旋轉(zhuǎn)式配流閥的結構如圖1所示。閥芯與閥套通過固定套固定在機架上。為了防止配流閥內(nèi)部的漏油和竄油，在相關的位置安裝密封圈。在閥芯周向上開有不同角度的油槽，轉(zhuǎn)動時，通過油槽與閥套上油孔的順序連通，從而控制動力端活塞的往復運動。

圖1 旋轉(zhuǎn)式配流閥的結構

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個動力端液缸的無桿腔連接；油口4～6為配流閥低壓油的輸出口，分別與3個動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個動力端液缸的無桿腔連接，油口10～12分別與3個動力端液缸的有桿腔連接。

圖2 配流閥油路連接示意

2.2.2 工作過程

通過配流閥閥芯的轉(zhuǎn)動來控制泵動力端的3個液缸的油流，使其分別驅(qū)動液力端的3個活塞右行，或左行，實現(xiàn)泵排液、吸液。閥芯的油槽位置相差120°，使泵排液均勻。現(xiàn)以1＃液缸活塞的工作過程為例進行分析。

1）排液過程如圖3所示，閥芯從0°轉(zhuǎn)動到150°過程中，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 油口進入，經(jīng)過油口1與動力端液缸無桿腔相通。因此，液壓油進入動力端液缸無桿腔推動液力端液缸活塞向右運行，同時回油通過油口7進入閥芯的回油配流閥段，并流回油箱。此過程閥芯轉(zhuǎn)動角度為150°，液力端1＃液缸完成1次排液過程。

圖3 配流閥控制1＃液缸活塞運動流程示意

2）吸液過程如圖3所示，當閥芯從150°轉(zhuǎn)動到360°過程中，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 油口進入，經(jīng)過油口4與動力端液缸有桿腔相通，液壓油進入動力端液缸有桿腔推動液力端液缸活塞向左運動。回油通過油口10進入閥芯的回油配流閥段，并流回油箱。此過程閥芯轉(zhuǎn)動角度為210°，液力端1＃液缸完成1次吸液過程。

3 流量變化規(guī)律分析

3.1 液力端液缸排液過程中配流閥流量Q 分析

1）當φ∈（0°＋120°n，30°＋120°n），n∈0、1、2時，液力端活塞處于加速運動過程，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φ∈［30°＋120°n，120°＋120°n］，n∈0、1、2時，液力端活塞處于勻速運動過程，配流閥流量Q2為

3）當φ∈（120°＋120°n，150°＋120°n），n∈0、1、2時，液力端活塞處于減速運動過程，配流閥流量Q3為

3.2 液力端液缸吸液過程中配流閥流量Q 分析

1）當φ∈［0°＋120°n，30°＋120n］，n∈0、1、2時，液力端活塞處于加速運動過程，配流閥流量Q4為

2）當φ∈［30°＋120°n，180°＋120°n］，n∈0、1、2時，液力端活塞處于勻速運動過程，配流閥流量Q5為

3）當φ∈（180°＋120°n，210°＋120°n），n∈0、1、2時，液力端活塞處于減速運動過程，配流閥流量Q6為

4 實例分析

4.1 排液過程

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動過程中配流閥流量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：當閥芯轉(zhuǎn)過角度從0°～150°過程中，液壓油進入動力端1＃液缸無桿腔推動活塞向右運行，液力端1＃泵缸柱塞完成1次排液過程；當閥芯轉(zhuǎn)過角度從120°～270°過程中，液壓油進入動力端2＃液缸無桿腔推動活塞向右運行，液力端2＃泵缸柱塞完成1次排液過程；當閥芯轉(zhuǎn)過角度從240°～390°過程中，液壓油進入動力端3＃液缸無桿腔推動活塞向右運行，液力端3＃泵缸柱塞完成1次排液過程；說明配流閥實現(xiàn)了泵3個泵缸交替排液。在閥芯導通動力端液缸無桿腔過程中，閥芯轉(zhuǎn)動前30°、中間90°和后30°使動力端液缸活塞分別處于勻加速、勻速、勻減速運動，進而使液力端泵缸柱塞也分別處于勻加速、勻速、勻減速運動，且勻速運動時間遠長于加、減速時間；表明配流閥實現(xiàn)了泵的單個泵缸排液流量較均勻；進入3個動力端液缸無桿腔的高壓油流量疊加后為1條水平線，進而液力端3個泵缸排出疊加流量也為恒流量；表明配流閥實現(xiàn)了泵排液流量為恒流量，排出壓力無波動，可降低聚合物泵后流通過程中降解率［4－6］。

4.2 吸液過程

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動過程中配流閥流量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：當閥芯轉(zhuǎn)過角度從0°～210°過程中，液壓油進入動力端1＃液缸有桿腔推動活塞向左運行，液力端1＃泵缸柱塞完成1次吸液過程；當閥芯轉(zhuǎn)過角度從120°～330°過程中，液壓油進入動力端2＃液缸有桿腔推動活塞向右運行，液力端2＃泵缸柱塞完成1次吸液過程；當閥芯轉(zhuǎn)過角度從240°～450°過程中，液壓油進入動力端3＃液缸有桿腔推動活塞向右運行，液力端3＃泵缸柱塞完成1次吸液過程；說明配流閥實現(xiàn)了泵3個泵缸交替吸液。在閥芯導通動力端液缸有桿腔過程中，閥芯轉(zhuǎn)動前30°、中間150°和后30°使動力端液缸活塞分別處于勻加速、勻速、勻減速運動，進而使液力端泵缸柱塞也分別處于勻加速、勻速、勻減速運動，且勻速運動時間遠長于加、減速時間［7－8］；表明配流閥實現(xiàn)了泵單個泵缸吸液流量均勻，可降低泵對聚合物降解率，提高泵缸充滿度，提高泵效。但進入3個動力端液缸有桿腔的高壓油疊加流量有一定波動，進而使得泵吸入流量和壓力有一定波動；表明應在泵吸入管線上設置吸入空氣包［9－10］，以減少吸入流量和壓力波動，降低聚合物降解率，同時動力端低壓供液泵應設置緩沖罐。

4 結論

1）在三缸往復式注聚泵工作過程中，配流閥對穩(wěn)定流量、減少壓力波動具有重要作用。

2）設計了旋轉(zhuǎn)式配流閥，在閥芯的周向間隔120°加工有油槽，通過旋轉(zhuǎn)來控制液壓油的通與斷，實現(xiàn)液流連續(xù)運動。實例計算表明，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）進入3個動力端液缸有桿腔的高壓油疊加流量有一定波動，使得泵吸入流量和壓力有一定波動，影響泵工作性能。目前是在吸入管線上設置了吸入空氣包。可通過流體軟件模擬來優(yōu)化設計配流閥，取代空氣包，以使注聚泵結構更加簡單合理。

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

［1］王巖鵬，周鯤，萬秀琦.轉(zhuǎn)閥換向2臺油泵驅(qū)動的液壓三缸往復泵設計［J］.石油機械，2004，32（1）：19－22.

［2］王新華，張永紅，劉世強，等.液壓驅(qū)動往復泵中的液壓沖擊現(xiàn)象分析［J］.石油礦場機械，2002，31（5）：53－55.

［3］石培吉，施國標，林逸，等.轉(zhuǎn)閥式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與仿真分析［J］.機床與液壓，2009（2）：012.

［3］賀小峰，楊明國，李壯云.水壓柱塞泵配流閥的設計及試驗研究［J］.中國機械工程，2004，15（10）：862－864.

［4］潘洪政，董懷榮，王平，等.注聚合物用恒流量往復泵柱塞運動規(guī)律分析［J］.石油礦場機械，2004，33（2）：44－47.

［5］Seright R S，Mac Seheult，Todd Talashek.Injectivity Characteristics of EOR Polymers.SPE Annual Technical Conference and Exhibition［R］.SPE15142.

［6］牛曙光，雷宏，趙硯虹，等.液壓注聚泵的研究［J］.黑龍江科技學院學報，2003，13（4）：33－35.

［7］周江林，王新華，王思民，等.液壓驅(qū)動往復泵壓力特性的理論與實驗研究［J］.機床與液壓，2010，38（9）：29－33.

［8］翁武釗，吳萬榮，周現(xiàn)奇.新型液壓驅(qū)動往復泵泵閥運動規(guī)律的仿真研究［J］.計算機仿真，2011，28（10）：411－414.

［9］姚春東.鉆井往復泵液壓驅(qū)動系統(tǒng)［J］.液壓與氣動，2002（10）：14.

［10］賈光政，王宣銀.液壓驅(qū)動往復泵的設計特點［J］.液壓與氣動，2002（2）：10－12.