潛油電泵機組軸伸及軸向竄量設計分析

杜丹陽+李令喜+高生

摘 要：本文就現有潛油電泵機組中各部分軸伸及軸向竄量的設計現狀進行了描述，歸納了常規選型設計方法及注意事項，并提出了全壓縮泵的軸伸設計優化方法，避免了實際生產裝配過程中潛油泵反復裝配調節軸伸及軸向竄量的問題，提高了產品裝配效率。

關鍵詞：潛油電泵機組；軸伸；軸向竄量

0 引言

潛油電泵機組的連接是依靠上下連接頭的法蘭連接，而電機的轉矩和軸向力都是是依靠潛油電機（以下簡稱電機）、潛油電機保護器（以下簡稱保護器）、油氣分離器（以下簡稱分離器）及潛油泵（以下簡稱泵）之間的花鍵套將進行軸向傳遞的，因此，機組的軸向連接尺寸配合性即軸伸和軸向竄量變得非常重要，既要滿足法蘭連接的密封性能要求，也要滿足電機扭矩和軸向力的正常傳遞，否則會造成葉導輪磨損、軸端花鍵斷裂等嚴重生產事故。

目前國內外廠家在潛油電泵產品軸伸及軸向竄量設計方面各成體系，都是依據各自產品特點及多年生產運行經驗而制定的，但總體設計的目標基本一致，即電機與保護器軸端采用“間隙”配合方式，避免軸向力傳遞至電機；泵與泵，泵與分離器及保護器之間采用“過盈”配合方式，從而保證軸向力逐級傳遞給保護器。

1 軸伸的設計分析

軸伸是指軸端面與機組法蘭端面的距離，分為上軸伸和下軸伸兩種。對于泵和分離器規定下軸伸為當上端軸頭與上接頭法蘭面平齊時，下端軸頭端面與下接頭法蘭盤平面的距離；對于保護器，由于結構設計需要，上下軸頭都采用內縮進法蘭內方式，所以分為上軸伸和下軸伸。

在設計過程中，以整套電泵機組從上到下由泵、分離器、保護器、電機構成為例，泵的下軸伸尺寸以配合花鍵套后充分與分離器的上軸端面緊密接觸為宜，其目的是保證軸向力能通過花鍵套有效的傳遞給分離器和保護器，即所謂的“過盈”配合。如果泵和分離器及花鍵套之間存在間隙，泵舉升時產生的軸向力不能通過泵軸向下傳遞，此時會造成葉輪導殼間的磨損；同時，軸端花鍵與花鍵套有效嚙合長度不足，會造成花鍵的應力損壞。

分離器的下軸伸設計與泵的下軸伸設計原理一致。保護器的上軸伸與分離器的下軸伸設計相互關聯，仍采用“過盈”配合方式；下軸伸則與電機的上軸伸設計相關，以保護器的下軸端面和電機的上軸端面通過花鍵套連接后仍有一定間隙為宜，目的是為了避免保護器的軸向力傳遞給電機，影響電機的正常運行。

2 軸向竄量的設計分析

軸向竄量分為上竄量和下竄量，即軸向上和向下的位移距離。在滿足軸伸設計要求下，軸向竄量設計以軸之間不相互干涉為原則，主要需要保證三點：第一，上一節機組的下竄量要大于下一節機組的下竄量，否則會出現上一節軸與下一節軸不接觸問題；第二，各節機組的上竄量應滿足實際裝配后軸的位移需要，否則會出現軸之間的干涉；第三，無論軸在向上或者向下哪個方向移動時，軸套和軸瓦應始終保持相對配合位置，否則會出現軸在軸瓦位置的快速磨損及震動等問題。

3 軸伸及竄量設計計算案例分析

以某系列機組為例，其各部分連接后軸伸如圖1，軸間隙及軸間干涉分析，（見圖1）。

3.1 軸間隙分析

3.1.1 電機與保護器軸間隙分析

由圖1所示，電機與保護器軸最小間隙為：K-l-J-H-i，當K-l-J-H-i>0時，電機與保護器軸間存在間隙，滿足設計要求。

3.1.2 保護器與分離器、分離器與泵、泵與泵軸間隙分析

分離器軸向下竄動Z= F+g-E-C+d，當Z小于分離器軸向下竄量時，保護器與分離器軸間不產生間隙；

第1節泵軸向下竄動Y =Z-B+A+a，第2節泵軸向下竄動X=Y-B+A+a=X，第3節泵軸向下竄動W= X-B+A+a，第4節泵軸向下竄動V= W-B+A+a，當Y、X、W、V均小于泵軸向下竄量時，分離器軸與第1節泵軸間、第一節至第四節泵軸間不產生間隙；

3.2 軸間干涉分析

分離器軸與保護器軸干涉分析：分離器軸向上竄動U=F-g-E-C-d，當U小于分離器軸向上竄量時，兩者軸間不干涉；

第1節泵軸向上竄動Q=U+B-A+a，第2節泵軸向上竄動P=Q+B-A+a，第3節泵軸向上竄動O=P+B-A+a，第4節泵軸向上竄動N=O+B-A+a，當Q、P、O、N均小于泵軸向上軸竄量時，分離器軸與第1節泵軸、第一節至第四節泵軸間不發生干涉。

4 全壓縮泵軸伸設計優化

在全壓縮泵裝配時，由于各零部件裝配后的累積公差范圍較大，造成下軸伸裝配長度公差范圍較大，不易保證，另外，不同廠家不同型號葉輪也造成了實際裝配過程中軸伸的不確定性，為此需要根據不同型號葉導輪制造有不同位置定位槽的泵軸。為此，本文提出在葉輪末端增加軸伸調節隔套，其優點是：通過實配軸伸調節隔套長度，可較容易調整下軸伸尺寸，并且公差范圍小，避免了反復裝配造成頭座和殼體研扣問題；同時軸上定位槽尺寸可統一，這樣同一根軸可以通用于不同泵型。增加調節軸伸隔離套裝配示意圖如下：

5 結語

本文從上述分析中得出以下結論：

（1）潛油電泵機組軸伸設計需要合理考慮過盈與間隙配合；

（2）軸向竄量設計需要考慮軸間干涉及間隙問題；

（3）通過增加調節軸伸隔離套可統一全壓縮泵泵軸定位槽，實現不同葉輪使用同種泵軸；

（4）通過靈活改變調節軸伸隔離套長度，可有效解決多級葉輪造成的較大累計誤差對裝配中軸伸難以控制的問題，避免反復裝配造成研扣問題。

潛油電泵機組的軸伸和軸向竄量設計最終的目標是要使機組可以正常運行，避免各部分連接的軸之間不合理的干涉及間隙造成機組故障，合理的設計還需要考慮到不同品牌產品的相互配合使用及現場連泵時的操作便捷。

參考文獻：

[1]GB/T 16750-2008潛油電泵機組[S].中國標準出版社，2009（03）.

[2]梅思杰，潛油電泵技術[S].石油工業出版社，2004（07）.

[3]張琪.采油工程原理與設計[M].東營：石油大學出版社，2000.

作者簡介：杜丹陽（1981-），男，天津人，碩士研究生，主要從事：潛油電泵的選型工藝工作。endprint