柱塞泵動力端連桿軸承與間隙檢測儀應用

王慶斌

（大慶鉆探工程井下作業(yè)工程公司，吉林松原 138000）

0 引言

隨著油田開發(fā)的不斷深入，特別是頁巖油、頁巖氣、致密油的開發(fā)，壓裂工藝應用的重要性逐步顯現(xiàn)，對壓裂車組提出了越來越高的要求，大功率、長時間、高負載已成為壓裂施工的主要特點。而作為壓裂車的核心設備，壓裂泵的可靠性要求越來越高，小連桿承受最高113 400 kg 載荷，這些載荷通過十字頭傳遞給十字頭銷軸和連桿軸承，因此這兩個部位磨損情況直接影響油膜形成和機構工作，一旦超差，極易引發(fā)嚴重機械故障。通常檢測這兩個部位間隙需要對大泵解體后進行，解體大泵不僅周期長，還要更換相關的密封件，成本和周期都對生產(chǎn)經(jīng)營帶來較大影響，因此研制不通過拆解快速測量出該部間隙是否超差的測量工具，對生產(chǎn)和經(jīng)營具有重要意義。

目前，國內(nèi)油田壓裂設備配備的柱塞泵動力端，主要有SPM、OFM、FMC 等品牌，其結構主要由減速齒輪、動力端輸入軸及軸承、曲軸及軸承、連桿及軸承、十字頭及銅套、拉桿等主要部件組成。其動力端的原理是將能量從曲軸的輸入端輸入，經(jīng)曲軸、連桿、十字頭、拉桿傳送到液力端柱塞。在使用中柱塞泵的主要故障有：主動軸軸承磨損、主從動齒輪嚙合面磨損、柱塞與缸套磨損、連桿軸承的磨損等。柱塞泵在工作中曲軸的連桿軸承、連桿小軸軸承（推力襯套和連桿耳軸襯套），均受到泵液力端柱塞的推力，使連桿軸與軸承及連桿小軸與軸承（推力襯套）的受力面出現(xiàn)磨損，造成曲軸主軸承間隙、連桿軸承和連桿小軸與軸承（推力襯套）間隙過大。連桿軸承磨損故障是柱塞泵的主要常見故障。為達到在短時間內(nèi)快捷檢測出連桿軸承的磨損尺寸，給故障檢修提供準確的參數(shù)依據(jù)及磨損部位，該檢測儀的應用滿足了柱塞泵不解體，早期磨損的診斷檢查要求，并得到應用。

1 柱塞泵各部間隙成因及產(chǎn)生的影響

1.1 主從動齒輪及配套軸承間隙

主從動齒輪之間因長時間工作，齒面可能出現(xiàn)磨損（圖1、圖2），從而造成齒輪嚙合時出現(xiàn)振動，同樣因為軸承磨損也能引起齒輪嚙合位置變化產(chǎn)生振動，這些可通過泵兩側設置的監(jiān)測孔及時觀測到，而且齒輪嚙合不正常的振動很容易判斷。

圖1 主從動齒輪

圖2 齒面磨損

1.2 曲柄欄桿機構（連桿軸承、十字頭小軸軸承間隙）

曲柄連桿機構軸承磨損（圖3），主要是由于在油膜形成早期或極端條件下產(chǎn)生的邊界摩擦或者直接摩擦，經(jīng)過長時間累計超過油膜形成的允許條件。對于是否超過允許值檢查工作要復雜一些，尤其是十字頭銷軸常規(guī)檢查，需要將動力端全部解體，周期長、成本高。

圖3 曲柄連桿機構軸承磨損

1.3 兩個因素引發(fā)故障造成損失的比較

從歷年因間隙超差造成的大泵動力端損壞故障大修理統(tǒng)計來看，第二種因素所占比例超過90%，所以針對連桿軸承、十字頭小軸軸承間隙檢查尤為重要。

2 檢測儀研制原理

柱塞泵旋轉，泵曲軸驅(qū)動連桿、拉桿、十字頭、柱塞工作，曲軸每旋轉360°完成一個工作沖程，當沖程頂點時，連桿、拉桿、十字頭、柱塞在同一直線位置，而且在驅(qū)動力和柱塞阻力的作用下，此時連桿機構前進方向反向軸孔配合各部間隙基本為零（因轉速較低、油膜形成條件被破壞），再將曲軸繼續(xù)旋轉帶動連桿和拉桿旋轉180°，此時連桿運動方向反向軸孔之間間隙為零，將此時測得的連桿行程與標準值比較，得出的差值的1/2，即為磨損值。將該磨損值與允許磨損量比較，可以判斷大泵是否需要檢修曲柄連桿機構軸承或銷軸，也可以通過周期性測量，給出可以繼續(xù)使用的時間。

3 結構概述

檢測儀分成儀表的基座裝置和測量裝置兩部分，儀表的基座裝置主要有：導軌1 根、導軌上端有檢測儀表座的軌道槽，在選位置時儀表座可在軌道槽內(nèi)滑動選位，導軌設有固定板4 塊，每2 塊對導軌形成一個固定支撐，安裝過程2 塊壓盤由快速螺栓連在導軌的兩側，經(jīng)快速螺栓扭力將導軌與泵的液力端閥箱固定一體。測量裝置有：百分表1 塊，可調(diào)式百分表支架1 組，帶一對磁鐵塊的磁盤定位尺1 個，磁盤定位尺可在校正百分表及測量時與拉桿形成一體。

表1 SPM 動力端拆解前后參數(shù)對比

4 檢測應用實施

將檢測儀的導軌與動力端的泵殼體鎖止固定，磁盤定位尺與連桿磁吸固定與百分表指針校對歸零，利用杠桿的推力推動柱塞卡盤移動出軸承的配合間隙尺寸，百分表顯示數(shù)值為間隙數(shù)值，精確到0.01 mm。根據(jù)使用標準測量數(shù)值達到大于0.40（0.36）～0.65 mm 應泵體解體拆檢，檢修磨損機件。

5 驗證對比

將SPM 動力端解體檢測和檢測儀檢測對比，兩種方法檢測連桿軸承與小軸軸承的間隙值，解體檢測值大于檢測儀檢測值，誤差均在0.02～0.05 mm。

對比結論：檢測儀檢測值加大0.05 mm 為軸承磨損實際間隙值。對不同規(guī)格型號的柱塞泵連桿軸承使用極限數(shù)值，與檢測數(shù)值進行參照對比，可確定為連桿軸承磨損的參考數(shù)值。SPM動力端拆解前后參數(shù)對比見表1。

6 檢測儀的應用效益

實施前的檢查診斷方法：項目實施前，大泵需要進行解體檢查，泵在施工過程出現(xiàn)異常撞擊異響及機械故障時，要拆卸泵體曲軸一側的端蓋，逐個拆檢連桿軸承檢查測量其連桿軸承的磨損間隙，連桿小軸與推力襯套在柱塞缸套內(nèi)，無法完成拆檢項目，如需檢查要進行泵體的整體解體檢查、檢測，檢測過程至少1 周，此項檢查、檢測項目工作強度大、檢測修理成本高、檢測周期長，降低了設備利用率。檢測儀實物見圖4。

圖4 檢測儀實物

實施效果：使用該檢測儀可根據(jù)泵的工作時間，定期進行動力端不解體逐缸檢測，和故障后對故障部位的檢測，檢測時間大約1～2 h，既節(jié)約成本，又縮短檢查周期，對泵動力端的連桿軸與軸承及連桿小軸與軸承（推力襯套）磨損間隙測量精確，為故障檢修提供依據(jù)，每臺檢查拆檢費用需8 萬元，年均檢測4 臺柱塞泵，可創(chuàng)效30 余萬元。

7 推廣應用

檢測儀的使用可檢測出柱塞泵的常見連桿軸承磨損間隙，確定故障部位，操作過程簡單快捷，安全可靠，檢測精確誤差小、提高功效，可在柱塞泵不解體的條件下進行檢測，早期發(fā)現(xiàn)柱塞泵的連桿軸承磨損，目前已經(jīng)在大慶鉆探井下作業(yè)工程公司范圍內(nèi)推廣應用，該檢測儀器可在其他柱塞泵檢測中推廣應用。