2300 型壓裂車變量泵損壞原因分析及改進

韓旭輝，王海軍

（中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西西安 712000）

0 引言

2300 型壓裂泵車用于油氣田深井和中深井的壓裂施工作業(yè)，適合泵送帶支撐劑壓裂液的水力壓裂、酸化壓裂、高壓泵入不同液體（CO2液體、混合液）以及壓力測試等。由于壓裂泵車在較惡劣的環(huán)境下工作，且在相對密閉的狀況下開式運行，有諸多因素可造成臺上風(fēng)扇液壓系統(tǒng)故障，損壞與失效經(jīng)常發(fā)生，具有故障點隱蔽、部位不易確定等特點。

1 工作原理

2300 型主壓車的臺上部件散熱系統(tǒng)采用臥式結(jié)構(gòu)的冷卻系統(tǒng)，壓裂車風(fēng)扇液壓系統(tǒng)主要由PTO（Power Take Off,動力輸出裝置）、變量柱塞泵、風(fēng)扇液壓電機及液壓附件組成。通過車臺柴油機前端取力，驅(qū)動多通道散熱器風(fēng)扇電機，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速根據(jù)發(fā)動機和傳動箱溫度變化自動無級調(diào)速，也可采用手動控制方式。主控箱設(shè)置風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制手動和自動切換開關(guān)，也可以手動方式對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。液壓系統(tǒng)包括油箱、濾清器、溢流閥、單向閥等，以確保系統(tǒng)的完整和功能化。液壓系統(tǒng)各型泵和電機全部采用進口品牌，液壓管線和接頭都使用品牌產(chǎn)品。

功能及組成：風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)為五部分提供冷卻：車臺發(fā)動機，壓裂泵動力端潤滑油，柴油發(fā)動機柴油，液力傳動箱潤滑油，節(jié)溫器開啟溫度不超過85 ℃，為全車液壓油提供冷卻。

該套設(shè)備在投入生產(chǎn)前、初步調(diào)試使用后，針對調(diào)試驗收階段出現(xiàn)的故障問題匯總分析，發(fā)現(xiàn)車臺變量泵故障為該套設(shè)備常見故障，共出現(xiàn)相同的變量泵故障6 次，其中2018 年出現(xiàn)2次，2019 年出現(xiàn)4 次。故障導(dǎo)致設(shè)備等停待修，現(xiàn)場不能及時解決，需要拆卸變量泵返廠維修，造成維修周期延長、維修費用增加，降低了設(shè)備的使用效率，影響生產(chǎn)進度。

該液壓系統(tǒng)所使用的變量泵型號為力士樂A4VG180DT1/32L-NZD02F001P，該泵廣泛應(yīng)用于設(shè)備液壓取力系統(tǒng)，是民用領(lǐng)域功能較先進的一種液壓柱塞變量泵。

針對2300 壓裂車現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的多起變量泵故障，分析故障原因后提出解決方案和液壓系統(tǒng)檢查維護的基本方法，為壓裂車散熱系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行提供保障。

2 故障分析

2.1 變量泵損壞情況

根據(jù)2018—2019 年的使用情況，針對2300 壓裂車變量泵損壞問題進行收集、分析，總結(jié)出損壞情況主要分為三類：①變量泵與花鍵套之間的蓋板連接螺絲松動脫落頻次較高（12 次）；②變量泵花鍵軸與花鍵套損壞、磨損（6 次）；③變量泵與發(fā)動機之間的連接齒盤損壞（2 次）。

通過對設(shè)備兩年使用過程中變量泵出現(xiàn)的問題進行分析，連接螺絲松動占比60%，花鍵軸及花鍵套損毀占比30%，齒盤損壞占比10%（圖1）。

圖1 變量泵出現(xiàn)故障類型比例

變量泵發(fā)出異聲且聲音較大，基本可以確定是變量泵故障。一般是由于連接螺絲脫落，造成變量泵的花鍵軸、齒盤的花鍵孔磨損嚴(yán)重。

部分車輛故障為變量泵與齒盤的連接螺絲松動，需對變量泵與齒盤的連接螺絲進行緊固，防止脫扣。

變量泵花鍵與齒盤花鍵孔不嚙合，可以確定花鍵軸和花鍵孔已磨損，由于兩者不嚙合，如果未及時發(fā)現(xiàn)，磨損嚴(yán)重可能會造成固定螺絲無法拆卸。

2.2 原因分析

2.2.1 變量泵部件材料硬度分析

查詢變量泵設(shè)計要求，對花鍵軸及軸套等進行硬度試驗，經(jīng)測定變量泵花鍵軸表面硬度4～56.5 HRC（要求硬度49.1～52.3 HRC），軸套表面硬度29.4～31.2 HRC（要求硬度29.2～34.2 HRC），花鍵軸及軸套硬度符合技術(shù)要求，但是花鍵軸表面硬度高于軸套表面硬度。

兩者表面硬度均符合要求，且花鍵軸表面硬度更高，出現(xiàn)故障時首先磨損花鍵套，有利于保護變量泵花鍵軸不受損壞。

2.2.2 變量泵安裝形式分析

2300 壓裂車變量泵安裝在發(fā)動機飛輪端，變量泵花鍵軸通過軸套與齒盤連接，兩者之間通過螺絲連接，齒盤與發(fā)動機飛輪端內(nèi)齒盤嚙合傳輸動力。

通過對安裝結(jié)構(gòu)分析，花鍵軸與軸套之間采用一根螺絲進行連接，該螺絲無鎖緊裝置，且為正扣。發(fā)動機帶動變量泵運轉(zhuǎn)過程中，連接螺絲因振動等因素出現(xiàn)松動，導(dǎo)致花鍵軸與軸套出現(xiàn)軸向位移，嚙合部位變小，單位面積受力變大。同時花鍵套在運轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)徑向位移，導(dǎo)致花鍵軸與軸套不同心。軸向及徑向應(yīng)力不均勻，在高轉(zhuǎn)速下，加劇了變量泵花鍵軸及軸套的磨損。變量泵失效，風(fēng)扇馬達驅(qū)動失效，風(fēng)扇停轉(zhuǎn)后，臺上散熱系統(tǒng)出現(xiàn)高溫現(xiàn)象。

2.2.3 部件結(jié)構(gòu)分析

通過拆解查看，變量泵花鍵軸與軸套只有1/2 嚙合工作，在連接螺絲松動或脫落時，由于軸向位移導(dǎo)致嚙合面積變小，花鍵軸及軸套單位面積受力變大，極易導(dǎo)致磨損。

3 結(jié)論

（1）變量泵本體及花鍵軸本身并無問題，且在多次故障中周變量泵本體未出現(xiàn)故障，該型號變量泵應(yīng)用廣泛，設(shè)備生產(chǎn)廠家及維修人員對泵的質(zhì)量都進行過驗證，可以排除變量泵質(zhì)量問題。

（2）變量泵損壞時均出現(xiàn)連接螺絲脫落現(xiàn)象，且螺絲脫落后會引起軸套軸向、徑向位移，導(dǎo)致嚙合面積減小，嚙合部位受力不均，加速花鍵軸與軸套磨損。

（3）變量泵花鍵軸為成品件，與軸套只有1/2 相互嚙合工作，螺絲松動使嚙合面積進一步減小。

4 改進措施

（1）花鍵軸與鍵套嚙合面過短，間隙配合面僅前半部分嚙合，嚙合面承受較大的徑向力，加速花鍵軸及軸套的磨損，造成配合間隙增大，影響變量泵的使用壽命。

改進措施：按設(shè)計要求重新加工花鍵軸，加大花鍵軸與軸套的接觸面積，可以降低單位面積的受力，延長花鍵軸及軸套使用時間。

（2）改進花鍵軸與軸套連接形式，可以通過增加鎖片、擋板，將連接螺絲設(shè)計為反扣形式，避免變量泵使用過程中螺絲松動現(xiàn)象，從根本上解決變量泵損壞頻繁的問題。

（3）原壓裂車聯(lián)軸器主要材質(zhì)為橡膠。在野外環(huán)境中，保養(yǎng)不到位會影響動力傳遞的穩(wěn)定性和使用壽命。聯(lián)軸器為進口產(chǎn)品，采購周期長、價格高。

如將傳動方式改造為傳動軸萬向節(jié)連接，結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、傳動效率穩(wěn)定，在日常維護和更換時更加方便快捷，使用壽命大幅延長。同時采用國產(chǎn)材料，維修更加容易，采購周期縮短、性價比高。

5 液壓系統(tǒng)故障檢查

液壓系統(tǒng)常見故障為液壓泵磨損和溢流閥故障。

（1）液壓系統(tǒng)壓力檢查。散熱系統(tǒng)無壓力，檢查液壓泵和PTO，判斷是否由于進油回油管路、濾清器、單向閥、節(jié)溫器等堵塞引起。

（2）溢流閥、沖洗閥工作是否正常。因為壓力油路中的某個溢流閥主閥芯阻尼孔堵塞、主閥芯復(fù)位彈簧斷裂或卡死、錐閥調(diào)節(jié)彈簧斷裂、錐閥破損，使溢流閥處于回油位置，致使壓力油路與溢流回路相通，液壓油直接流回油箱。

（3）變量柱塞泵輸出液壓油量是否正常?？蓮囊簤合到y(tǒng)源頭查找，首先檢查PTO 和變量柱塞泵連接部分是否正常，排除動力的原因；檢查變量泵有無液壓油輸出，判斷液壓系統(tǒng)泵體是否有鑄造缺陷（砂眼），使吸油腔與壓油腔相通，喪失增壓能力；輸入功率不足使輸出油壓達不到工作壓力或不能輸出油等。

（4）變量柱塞泵電磁閥工作是否正常。檢查電磁閥供電信號，電磁閥供電電壓為0 時，可判斷變量柱塞泵故障主要原因是泵的電磁閥不工作。

6 使用保養(yǎng)

（1）定期緊固。工作中由于設(shè)備振動、液壓沖擊等原因會造成松動，應(yīng)定期緊固。

（2）定期保養(yǎng)更換濾芯。一般每兩月清洗一次，工作環(huán)境惡劣的，周期應(yīng)適當(dāng)縮短。

（3）油箱底部的污物應(yīng)定期清洗。環(huán)境粉塵較大，周期適當(dāng)縮短。

（4）及時補充及清潔液壓油。

（5）定期強制過濾、更換液壓油和密封件。