多級自補償式軟柱塞抽油泵結(jié)構(gòu)及試驗研究*

戶春影 ，韓 霞 ，李慶達

（黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163319）

1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理分析

多級自補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]。本研究對兩級自補償式軟柱塞抽油泵進行闡述。軟柱塞結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，單級軟柱塞由上接頭、下接頭、軟柱塞、支撐鋼架、游動閥球、游動閥座、扶正器構(gòu)成，兩個單級軟柱塞串聯(lián)則構(gòu)成抽油泵的軟柱塞總成。相鄰的兩個軟柱塞通過柱塞上下接頭的螺紋進行連接，上接頭開有螺紋用以與上一級軟柱塞下接頭進行連接。并且上接頭周圍開有四個通孔，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，下沖程階段中游動閥開啟，使整個軟柱塞形成貫通，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，將閥芯和游動閥罩設(shè)計成一體式，這樣可以減少單個軟柱塞結(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承壓原理。當抽油泵處于上沖程階段時，游動閥關(guān)閉，油液首先通過軟柱塞上接頭的四個通孔流入第一級軟柱塞內(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脹滿整個泵筒的設(shè)計條件，油液通過第一級軟柱塞與泵筒之間的間隙泄漏到第二級軟柱塞內(nèi)，在沿程阻力作用下，油液通過第一級軟柱塞后產(chǎn)生壓力降，低壓油液再通過第二級軟柱塞上接頭的四個通孔進入其內(nèi)部，使第二級軟柱塞變形。這樣，壓力逐級遞減，形成多級密封，使每一級軟柱塞承受的壓差大大降低，可以有效地延長其使用壽命。

2 有限元分析

聚醚醚酮（PEEK）具有耐高溫、耐腐蝕、自潤滑、穩(wěn)定性強等特征，以及良好的剛性和柔韌性等力學性能，在交變應(yīng)變的情況下具有很好的抗疲勞特性。其拉伸強度大約為140 MPa[3-5]。PEEK具有適用于所有塑料的優(yōu)良滑動特性，所以在摩擦磨損應(yīng)用中脫穎而出[6-8]。有限元作為力學分析的現(xiàn)代計算方法，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行有限元分析。如圖2所示，確定力學分析為網(wǎng)格劃分類型，軟柱塞長度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。

圖2 劃分網(wǎng)格

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

圖3 施加載荷

經(jīng)計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 試驗研究

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

對兩級自補償式軟柱塞抽油泵進行試驗研究，每級軟柱塞長度為100 mm，厚度為5 mm，膨脹后的縫隙設(shè)計為0.05 mm，油液黏度0.05 Pa·s，每級分級壓差為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，隨著出口壓力的增大，泵效逐漸降低；在3.5 MPa時，泵效增大，隨后又開始降低，自補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。由試驗數(shù)據(jù)可知，自補償式抽油泵的泵效能達到67%，因此，兩級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裝置系統(tǒng)圖

圖7 兩級自補償軟柱塞抽油泵泵效隨出口壓力的變化曲線