往復(fù)式柱塞泵十字頭的改進與應(yīng)用

摘 要：隨著油田不斷開發(fā)，油田注水壓力隨之不斷升高，離心式注水泵已經(jīng)不能滿足這部分油田注水需要，此類油田的注水大部分采用柱塞泵。同時隨注聚合物井不斷在各油田相繼投產(chǎn)，往復(fù)式柱塞泵也成為注入聚合物的主要設(shè)備。其維修費用也呈上升趨勢。在柱塞泵維修工作中發(fā)現(xiàn)，此類泵型由于十字頭銷軸孔磨損產(chǎn)生的維修費用占總體維修費用的比例已達到40%左右。因此我們對往復(fù)式柱塞泵的十字頭進行了技術(shù)改進。

關(guān)鍵詞：往復(fù)式柱塞泵;十字頭;改進措施;應(yīng)用效果

隨著大慶油田近年產(chǎn)能形式不斷變化，外圍小區(qū)塊油田也成為油田的能源產(chǎn)出主力。這部分油田注水壓力相對都很高，最高可達到17.5 Mpa左右。同時中區(qū)主力油田不斷開始三次采油，注聚合物井在數(shù)量上也呈現(xiàn)上升趨勢，因此往復(fù)式柱塞泵也成為油田重要的注入設(shè)備。

1往復(fù)式柱塞泵

1.1組成結(jié)構(gòu)

往復(fù)式柱塞泵主要由兩大部分組成，如圖一所示：一部分是動力端，這部分主要由箱體、曲軸、連桿、十字頭、十字頭滑道和中間桿等部件組成。另一部分是液力端。這部分主要由泵頭、柱塞、填料函、進液閥、排出閥組成，泵頭上有一個空腔就是泵的工作空間。

1.2工作原理

從往復(fù)泵的工作原理圖可以了解其工作泵理，如圖二所示：在原動機的帶動下，往復(fù)泵曲軸做旋轉(zhuǎn)運動，由曲軸、軸柄和連桿的機械特性決定了曲軸連桿機構(gòu)將原動機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橥鶑?fù)運動，但是這種運動是一種往復(fù)擺動，只有在通過十字頭和十字頭滑動的配合作用下才能把這種往復(fù)的擺動變?yōu)橥鶑?fù)直線運動，從而帶動柱塞做往復(fù)直線運動。當柱塞向前運動時，泵的工作空間變小，但壓力增加，在壓力的作用下，進液閥關(guān)閉排液閥打開，泵排出液體;當柱塞向后運動時，泵的工作空間增大，但壓力降低，在彈簧彈力和排出管路壓力作用下排出閥關(guān)閉，在大氣壓力的作用下進液閥打開，泵吸入液體。原動機不停的旋轉(zhuǎn)，柱塞就不停的做前后往復(fù)運動，使得泵不斷的吸入和排出液體。

2十字頭存在問題

在往復(fù)式柱塞泵維修工作中發(fā)現(xiàn)，往復(fù)泵故障頻率最多的零部件就是起轉(zhuǎn)化運動方式作用的十字頭。

2.1十字頭關(guān)鍵作用

油田上使用的往復(fù)式柱塞泵是依靠泵內(nèi)工作空間容積大小的變化來實現(xiàn)吸入和排出液體的。改變工作空間容積大小的關(guān)鍵部件是柱塞（或活塞）。十字頭在柱塞泵中的主要作用就是將連桿的往復(fù)擺動變?yōu)橥鶑?fù)直線運動，它安裝在泵箱體上的十字頭滑道中，在滑道中做前后往復(fù)運動并帶動柱塞運動。因為它轉(zhuǎn)化的是連桿的往復(fù)擺動，十字頭與連桿的連接方式是通過一個十字頭銷將連桿和十字頭連接起來，連桿和十字頭的相對運動方式主要為擺動。

2.2十字頭故障分析

在動力端的運動系統(tǒng)中，十字頭與十字頭銷是不產(chǎn)生相對運動的，因為十字頭銷與連桿之間采用的是滑動軸承連接。造成它們之間出現(xiàn)相對運動的原因是十字頭與十字頭銷之間采用的是間隙配合，優(yōu)點是在維修過程中，如果要更換損壞的十字頭或連桿可以不用將動力端全部拆解就能實現(xiàn)維修;缺點是工作過程中會在十字頭與十字頭銷之間產(chǎn)生相對運動。隨著工作時間的增長會出現(xiàn)磨損，間隙也越來越大。十字頭與十字頭銷的間隙一旦增大就會產(chǎn)生一系列的后果;一是它們之間在工作過程中會出現(xiàn)撞擊，使泵體振動增大，進而加速整個柱塞泵的疲勞破壞。二是會造成連桿與曲軸之間的撞擊，破壞連桿與曲軸之間的油膜，降低潤滑效果，使連桿與曲軸磨損加快;三是會造成柱塞行程的減小，泵效率降低。

在實際應(yīng)用中，柱塞泵十字頭的損壞部位都是十字頭銷軸孔這個位置。當柱塞泵累計運行7000多小時后，十字頭銷軸孔出現(xiàn)嚴重磨損，間隙達到4～5mm，此時必須更換十字頭，否則會帶來嚴重后果。經(jīng)常更換十字頭不僅增加了設(shè)備維修費用，而且加大了設(shè)備管理難度。

3十字頭改進措施

分析往復(fù)式柱塞泵動力端工作原理可知，如果改變十字頭與十字頭銷的配合方式，消除它們之間的相對運動，從而化解相互運動產(chǎn)生的磨損，問題也就迎刃而解了。圖三為改進前的十字頭與連桿裝配圖。

首先設(shè)計了第一種改進方案：將十字頭銷軸孔概念銷軸改為過盈配合，這從本質(zhì)上解決了它們的相對運動問題。但是在柱塞泵維修保養(yǎng)過程中，如其它部件損壞（連桿等）也要先將十字頭取出。在不整體拆解柱塞泵動力端的情況下無法進行維修更換其它損壞部件。所以這種改進在實踐中并不是有效可行方案。

由此設(shè)計了第二種改進方案：在十字頭后端面加工了兩個M5的細牙內(nèi)螺紋，然后相應(yīng)配制兩個細牙內(nèi)六角螺釘。在十字頭銷軸兩端分別銑削出深4mm，寬5mm的槽。安裝時先將連桿、十字頭、十字頭銷完全組裝好，然后頂緊螺釘，這樣就用螺釘緊定的方式將十字頭銷軸完全固定在十字頭上，消除了它們之間的相對運動。在維修其它損壞部件時，可以采用先打開曲軸箱蓋板，在將曲軸盤車到合適位置，最后用內(nèi)六角扳手卸開兩條內(nèi)六角螺釘?shù)姆绞綄⑹诸^取出來。由此可見第二種方案具有可行性。圖四為應(yīng)用此方案改進后的十字頭與連桿裝配圖。

4效果分析

往復(fù)式柱塞泵十字頭改進前平均每8000h左右就需要更換一組十字頭，改進后的十字頭在某柱塞泵上實際應(yīng)用，累計運行16000小時，十字頭銷軸孔還沒有明顯磨損，效果十分明顯。減少了維修次數(shù)，也降低了維修費用投入。

5結(jié)束語

往復(fù)式柱塞泵十字頭改進簡單易行，安全實用，且費用低廉。如能在油田推廣應(yīng)用，效益十分可觀。

參考文獻

[1] 姬忠禮，鄧志安，趙會軍. 泵和壓縮機[M]. 石油工業(yè)出版社，2008（01）：83-85.

作者簡介：李殷海，男，1974年12月15日出生，注輸泵修理技師，主要從事油田常用泵修理工作，單位：第八采油廠第四油礦。