微型軸向柱塞泵建模與性能仿真研究

摘要：微型軸向柱塞泵因其高壓、高精度、高可靠性、緊湊結構以及強適應性，在鉆井作業中具有廣闊的應用空間。為研究微型柱塞泵的工作性能，設計一種3柱塞微型柱塞泵，并對微型軸向柱塞泵的結構及工作原理進行闡述，通過建模和仿真，研究微型柱塞泵的結構、轉速、流量、壓力特性。仿真結果表明：轉速提高，流量增加，泵的流量脈動變大；柱塞偶間間隙宜選0.015mm；微型柱塞泵的流量與壓差呈線性關系，流量對壓差敏感性較弱。研究成果為微型軸向柱塞泵的設計、理論計算分析提供了仿真建模基礎。

關鍵詞：微型軸向柱塞泵；建模仿真；流量；間隙；工作特性

中圖分類號：TH322 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2443（2025）01-0019-06

引言

微型軸向柱塞泵由于其高壓、高精度、緊湊結構和強適應性，在鉆井和油水井領域中展現了廣泛的應用前景［1］。在油水井開采過程中，微型泵能夠有效解決井下空間狹小、復雜環境下的高壓流體輸送需求，尤其在地層壓力變化劇烈的深井作業中，表現出卓越的穩定性和可靠性［2］。已有研究表明，微型泵在油井中的應用能夠大幅度提高抽汲效率，并減少設備的占用空間［3］。Chen等［4］的研究通過仿真分析，揭示了微型軸向柱塞泵在高壓和高轉速條件下的工作性能，提出了在極端井下環境中優化泵設計的策略。

目前微型泵在鉆井和油水井領域的應用仍面臨一些挑戰。首先，微型泵在高壓差條件下的流量脈動較大，影響其抽汲效率［5］；其次，柱塞偶件的間隙在泵的工作性能中起到關鍵作用，特別是在高溫高壓的環境下，間隙變化可能導致較大的泄漏和效率損失［6］。

國內研究微型泵的起步較晚，當前微型泵在鉆井、油水井領域大多采用國外微型泵，如HPHT 微型柱塞泵。國內研究軸向柱塞泵起于1966年國產化CY14型軸向柱塞泵［7］，此后國內高校如浙江大學［8］、哈爾濱工業大學［9］等開始展開對微型軸向柱塞泵的研究。

本文旨在前人研究的基礎上，設計一種三柱塞微型軸向柱塞泵，并通過建模和仿真深入分析其在鉆井和油水井應用中的工作性能。本文研究的目的在于優化泵的結構，研究分析微型泵轉速、壓力、流量特性，為其在復雜井下工況中的應用提供理論仿真分析手段。

1 微型軸向柱塞泵

1.1 微型軸向柱塞泵結構

為適應井下鉆井空間要求，設計一塊最大外徑22mm的微型軸向柱塞泵如圖1所示。在圖1所示的結構中，柱塞直徑為3mm，均布半徑為7mm。根據斜盤式軸向柱塞泵的相對運動原理，傳動軸1動力帶動缸體5做旋轉運動，缸體5帶動柱塞10在斜盤4上旋轉運動，柱塞10、彈簧9、斜盤4形成凸輪副，實現柱塞10的往復直線運動，通過配油盤8上的吸入口和排出口，完成微型泵的抽汲過程。

為進一步說明柱塞泵的吸入和排出過程，設計了如圖2所示的具有緩沖小溝的配油盤機構。以柱塞窗口排出過程為例：當柱塞處于圖2中從0°轉至7.65°時，柱塞窗口不排液、壓力增大，此時通過配油盤上的緩沖小孔吸納柱塞排出的液體，達到較小缸體與配油盤間的摩擦；當柱塞轉動從16.61°至155.4°時，排出窗口的開度逐漸從關閉狀態到完全打開；當柱塞轉動從155.4°至180°時，排出窗口逐漸關閉，此過程實現對外排液。吸入過程與排出過程相似，相位角相差180°。

1.2 柱塞運動方程

實際如圖3所示，設柱塞中心至斜盤回轉中心距離為R（柱塞均布至回轉軸線的半徑），柱塞運動P點與斜盤的角速度[ω]、斜盤傾角[α]有關。在[x′y′z]空間坐標系內，當斜盤轉動[θ]時，[A1]點對應x軸上的坐標值為[R?cosθ]。在[xO2z]平面內，可以得到該狀態下P點在z方向上坐標值，即柱塞隨斜盤轉動位移關系式

[SP=R?cosθ?tanα] （1）

對式（1）兩邊對時間進行求導，有

[vP=-R?ω?sin（θ+ψ）?tanα] （2）

式中：[ψ]為柱塞間的相位角。

其中相位角的計算方法為

[ψ=i?360/n] （3）

式中：[n]為活塞數量；[i=0，1…n-1]。

通對式（1）～（3）的聯立求解，可以獲得不通柱塞的位移與速度關系。

式（1）～（3）的計算結果實際上是對微型泵柱塞的運動學分析，為下文仿真分析模型運動學條件的數據奠定了基礎。

2 微型軸向柱塞泵仿真分析模型

2.1 單柱塞泵模型

在AMEsim環境下下，利用AMEsim中的標準元件庫建立單柱塞泵仿真分析模型如圖4所示。

在圖4單柱塞泵仿真分析模型中關鍵元件參數設置如表1所示。

通過設置元件3的偏移角180°，可以獲得吸入、排出窗口的開度如圖5所示。

2.2 微型軸向柱塞泵模型

由于受微型柱塞泵結構空間尺寸的限制（泵的最大外徑22mm），選用柱塞直徑3mm，均布直徑14mm進行布置柱塞。相鄰兩柱塞相位角角為120°。采用AMEsim中超級元件庫功能（create supercomponent）對圖4中的單個柱塞泵模型進行封裝，建立3柱塞微型柱塞泵仿真分析模型，如圖6所示。

值得注意的是，在微型柱塞泵仿真中，需要利用式（3）中對對各柱塞相位角進行重新設置，即在各單柱塞模型中的元件3、4設置相位角，以便真實反應微型柱塞泵工作性能。

3 微型軸向柱塞泵工作性能

3.1 轉速與流量的關系

在仿真環境下，改變電機輸入轉速，設置電機加速時間為1s，泵的排出口與吸入口壓差為6MPa，獲得微型泵在不同轉速下的流量曲線如圖7所示。

圖7表明，微型柱塞泵的流量隨著電機轉速的提高而提高，但隨著轉速的提高，流量變化幅度增加，即泵的流量脈動變大，這與微型泵的吸入口、排出口轉換快慢有關，因此在滿足微泵流量輸出條件下，應盡可能選用較低轉速。

3.2 轉速與功率的關系

泵的水力學計算泵的軸功率為

[N=ρgΔPQ] （4）

式中：[ρ]-泵送介質密度，[kgm3]；[g]-重力加速度，[ms2]；[ΔP]-微型泵的吸入口、排出口壓差，MPa；[Q]-微型泵每轉排量，[m3r]。

式（4）表明，在泵的吸入口、排出口壓差一定條件下，泵的軸功率與泵的排量呈正比關系。在3.1節仿真條件下，改變泵的轉速，微型泵的軸功率與轉速的仿真計算結果如圖8所示。對比式（4），說明圖8中仿真計算結果與經典水力功率計算式一致。

在圖8仿真結果中，確定了微型柱塞泵在額定排量條件下，微型柱塞泵電機裝機功率的計算方法，即在額定轉速、電機效率已知條件下，為微型柱塞泵的電機選型奠定了理論仿真的計算方法。

3.3 柱塞偶件間隙與流量關系

為優化柱塞偶件間隙，在吸入口、排出口壓差在16Mpa下，電機轉速500r/min，不同間隙下的流量曲線如圖9所示。

從圖9 可以看出，當間隙值大于0.015mm，微型泵流量下降趨勢明顯，當間隙值小于0.015mm時，微型泵流量變化不明顯。基于降低生產加工難度，提高泵的經濟效益的考慮，建議柱塞偶件間隙值在0.015mm左右。

3.4 壓力與流量的關系

為研究微型柱塞泵的工作特性曲線，即在微型泵不同吸入口、排出口壓差下，微型泵的排量曲線，設定柱塞偶件間隙值為0.015mm，仿真結果如圖10所示。

圖10 表明，泵的流量與壓差近似呈線性關系，即隨著壓差的增大，泵的流量呈線性降低，但變化量不大，進一步研究表明微型柱塞泵的容積效率與壓差關系敏感性較弱，并與微泵的漏失量有關。

結論

通過對微型軸向柱塞泵的建模與仿真分析，本文得出了重要結論。首先，泵的流量與轉速呈正相關，轉速越高，流量越大，但流量脈動隨之增加；這一特性表明泵在高轉速下需要優化設計以降低流量脈動；其次，柱塞偶件的間隙對泵的工作性能有顯著影響，最佳間隙值應控制在0.015mm，以確保泵在高壓環境下保持較高的流量輸出與效率；最后，泵的流量與壓差呈線性關系，且對壓差變化的敏感性較弱，表明該泵在高壓差工況下具備良好的容積效率和穩定性。總體而言，本研究為微型軸向柱塞泵在鉆井和油水井中的應用提供了關鍵的理論依據，優化了設計參數，為未來在復雜井下環境中的應用奠定了基礎。

參考文獻：

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［9］ 孫毅.軸向柱塞泵滑靴及其偶件的潤滑與功率損失的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013：21.

Study on Modeling and Performance Simulation of Micro Axial Piston Pump

XIANG Hao-yu1， YANG Hu-kun2

（1.College of Safety and Ocean Engineering， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102200，China； 2. School of Mechanical Science and Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing 163318，China）

Abstract：Due to its high pressure capability， high precision， high reliability， compact structure and strong adaptability， the micro axial piston pump has broad application prospects in drilling operations. To investigate the working performance of the micro piston pump， a three-piston micro piston pump was designed， and the structure and working principle of the micro axial piston pump were elaborated. Through modeling and simulation， the structural， rotational speed， flow rate， and pressure characteristics of the micro piston pump were studied. The simulation results indicate that as the rotational speed increases， the flow rate also increases， but the flow pulsation of the pump becomes larger; the optimal clearance between the piston pairs should be 0.015mm; the flow rate of the micro piston pump exhibits a linear relationship with the differential pressure， and the flow rate is relatively insensitive to the differential pressure. The research findings provide a simulation modeling foundation for the design and theoretical analysis of micro axial piston pumps.

Key words： micro axial piston pump; modeling and simulation; flow rate; clearance; working characteristics

（責任編輯：葉松慶）