一种用于减缓往复泵泵阀冲击疲劳磨损的复合柱塞的制作方法

1.本发明属于石油矿场机械设备技术领域，具体地讲，是涉及一种用于减缓往复泵泵阀冲击疲劳磨损的复合柱塞。


背景技术：

2.往复泵包括柱塞泵、活塞泵、计量泵、隔膜泵等，是一种正位移泵，通过柱塞或活塞的往复运动将机械能转换为液体的压力能。安装于往复泵液力端的泵阀会随着柱塞的往复运动而周期的开启和关闭。泵阀关闭时阀芯和阀座的剧烈撞击会导致泵阀产生冲击疲劳磨损，是泵阀频繁发生快速失效的主要原因之一。
3.往复泵采用的是锥形盘状阀芯，液体沿阀芯的外缘流动，依靠阀芯上的胶皮和锥面与阀座的锥面接触实现密封，通常胶皮突出阀芯锥面一定高度，使得胶皮实现密封作用的同时对阀芯与阀座的撞击起缓冲作用。尽管胶皮可以起到一定的缓冲作用，但是在关闭阶段，阀芯受上下压差、自身重力、弹簧力等外力共同作用下撞击阀座，反复撞击后阀芯和阀座接触面产生冲击疲劳磨损最终发生失效，主要的失效特征为阀芯与阀座锥面的表面沉降和锥面表层材料剥落。因而阀芯阀座密封快速发生失效，需要及时更换阀芯和阀座，从而降低了往复泵的工作效率，增加了往复泵用户的时间和经济成本。因此，如何解决现有技术中存在的问题是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于减缓往复泵泵阀冲击疲劳磨损的复合柱塞，主要解决现有技术中存在的往复泵阀芯巨大上下压差导致阀芯阀座冲击疲劳磨损加快的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种用于减缓往复泵泵阀冲击疲劳磨损的复合柱塞，包括一级柱塞，开设在一级柱塞上位于液力端一侧的空腔，安装在空腔中并用于调节往复泵泵阀关闭瞬间阀芯上下压差的复合柱塞装置。
7.进一步地，所述复合柱塞装置包括安装在空腔内位于动力端一侧并具有复位功能的伸缩组件，安装在伸缩组件位于液力端一侧并随伸缩组件作用力和工作腔压力的共同作用而发生往复偏移的二级柱塞，套置在二级柱塞外周并具有耐超高压且为j型滑环式组合的密封组件，设置在二级柱塞位于液力端一侧且外侧壁与空腔端口内壁螺纹连接并具有通孔的锁紧螺栓，以及设置在二级柱塞与锁紧螺栓之间起缓冲作用的挡圈。
8.进一步地，所述伸缩组件为弹簧或空气包。
9.进一步地，所述二级柱塞外周开设有至少一个用于安装密封组件的密封槽。
10.具体地，所述密封组件包括安装在密封槽内部的密封圈。
11.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
12.(1)本发明通过在一级柱塞中设置能够自动往复偏移的复合柱塞装置，当一级柱塞向往复泵液力端内部移动时，导致工作腔内压力逐渐增大，复合柱塞装置内部的二级柱
塞在工作腔压力和伸缩组件作用力的共同作用下向伸缩组件一侧偏移，从而减缓了工作腔内部压力的增加；当一级柱塞从往复泵液力端内部向外部移动时，导致工作腔内压力逐渐减小，复合柱塞装置内部的伸缩组件复位，在复位的过程中将二级柱塞向往复泵液力端内部方向推动，从而减缓了工作腔内部压力的降低。因此在曲轴转动的过程中由于设置了复合柱塞装置，通过减缓工作腔内压力的变化实现了降低泵阀关闭阶段阀芯上下压力差，从而降低了阀芯阀座之间的撞击强度，减缓了阀芯阀座的冲击疲劳磨损，降低泵阀因失效而更换的频率，提升往复泵连续作业的能力，有利于压裂泵企业用户实现降本增效的目的。
13.(2)本发明设置的复合柱塞装置，通过二级柱塞在弹簧力和工作腔压力的共同作用下来改变吸入阀和排出阀关闭瞬间工作腔的体积大小，在改变体积变化的同时，工作腔内的压力也跟随发生变化，从而使得工作腔内的压力大小保持在相对稳定的状态，因此降低关闭阀芯瞬间上下压差导致的阀芯与阀座强烈撞击，减缓阀芯阀座冲击疲劳磨损。
14.(3)本发明仅在一级柱塞上增加复合柱塞装置结构，无需对往复泵液力端及其他零部件进行改动，对往复泵的调试、安装、维修不产生任何影响。并且复合柱塞装置结构简单，易于拆装更换和维修。
附图说明
15.图1为本发明复合柱塞排液冲程的工作原理示意图。
16.图2为本发明复合柱塞吸液冲程的工作原理示意图。
17.图3为本发明的结构示意图。
18.图4为本发明复合柱塞降低泵阀关闭阶段上下压差的仿真验证曲线图。
19.上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
20.1-一级柱塞，2-复合柱塞装置，21-伸缩组件，22-二级柱塞，23-密封圈，24-锁紧螺栓，25-挡圈，22-密封槽，3-十字头，4-连杆，5-曲轴，6-往复泵，7-吸入阀，8-排出阀。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列
22.实施例
23.如图1至图4所示，一种用于减缓往复泵泵阀冲击疲劳磨损的复合柱塞，包括一级柱塞1，开设在一级柱塞1上位于液力端一侧的空腔，安装在空腔中并用于调节往复泵泵阀关闭瞬间阀芯上下压差的复合柱塞装置2；所述复合柱塞装置2包括安装在空腔内位于动力端一侧并具有复位功能的伸缩组件21，安装在伸缩组件21位于液力端一侧并随伸缩组件作用力和工作腔压力的共同作用而发生往复偏移的二级柱塞22，套置在二级柱塞22外周并具有耐超高压且为j型滑环式组合的密封组件，设置在二级柱塞位于液力端一侧且外侧壁与空腔端口内壁螺纹连接并具有通孔的锁紧螺栓24，以及设置在二级柱塞22与锁紧螺栓24之间起缓冲作用的挡圈25。
24.安装方法：首先在空腔内部安装伸缩组件21(以弹簧为例)，在二级柱塞22外周的密封槽22中安装密封圈23，密封圈23为活塞孔用耐超高压j型滑环式组合密封组件用于阻止液力端高压液体进入弹簧一侧，然后在弹簧的左侧安装二级柱塞22，之后安装用于降低
二级柱塞22与锁紧螺栓24刚性冲击的挡圈25，最后通过螺纹连接安装锁紧螺栓24，实现复合柱塞内部各零部件的固定，以及通过锁紧螺栓24中心的通孔(内六角孔、内三角、反向螺纹孔等)保证高压液体能够作用在二级柱塞22表面。
25.拆装方法：首先通过锁紧螺栓24中心的通孔(内六角孔、内三角、反向螺纹孔等)将锁紧螺栓24卸下，然后拆卸用于防止二级柱塞22与锁紧螺栓24碰撞的挡圈25，依次拆卸二级柱塞22以及伸缩组件21(弹簧)，最后拆卸活塞孔用耐超高压j型滑环式组合密封件。
26.由泵阀运动理论可知，泵阀(吸入阀和排出阀)在不考虑阀芯运动过程中所存在的惯性力和弹簧的变形力的前提下，泵阀的运动由公式(1)至公式(3)三个方程控制：
27.阀芯上下端面力平衡方程：δp
vav
＝g+f0(1)
28.阀隙瞬时流量方程：
29.阀隙连续液流方程：
30.以上三个公式中，δpv表示阀芯上下端面压力差；av表示阀芯上端面面积；g表示阀芯在液体中的重力；f0表示弹簧预紧力；qv表示瞬时流量；ρ表示液体密度；ξ表示阀隙局部阻力系数；h表示阀芯升程；lv表示阀芯周长；θ表示阀芯密封面的倾角；a
p
表示柱塞截面面积。
31.由以上三个控制方程可以推导出泵阀运动方程公式(4)：
[0032][0033]
公式(4)为一阶非齐次线性微分方程，其中：
[0034][0035]
取初始条件t＝0，h＝0，通过解微分方程的方法可得上式的通解为：
[0036][0037]
其中，tanφ1＝aω/b，tanφ2＝2aω/b。
[0038]
由上述推导得知，在前止点或后止点处，泵阀并不是随着一级柱塞2的运动而立即关闭，即存在一个关闭滞后相位角。可以看出，通过合理设计复合柱塞装置的相关参数，使泵阀关闭前因一级柱塞移动而减少的工作腔体积等于二级柱塞反向移动所增加的体积，即可实现在吸入阀7和排出阀8滞后关闭阶段，阀芯仅在自身重力和弹簧作用力的共同作用下下落，减缓阀芯与阀座的冲击疲劳磨损。
[0039]
为了验证本发明实现降低泵阀关闭阶段阀芯上下压力差的可行性，设计的液压仿真模型的关键技术参数如下：动力端曲柄转数100rpm，曲柄半径101.6mm，连杆长度612mm，柱塞直径101.6mm，吸入阀和排出阀直径116mm，弹簧刚度10.5n/mm，弹簧预紧力460n，阀座质量2.02kg，最大升程12mm，二级柱塞装置直径38.1mm，工作行程50.8mm，弹簧刚度20n/mm。仿真结果如图4所示，通过绘制吸入腔内压力曲线，可以看出，相比于传统柱塞，本发明复合
柱塞可以显著降低泵阀关闭阶段阀芯上下的压力差，使得阀芯在延缓的时间内仅在自身重力和弹簧作用力共同作用下下落及关闭，可以有效解决现有技术问题。
[0040]
在往复泵1作业的实际过程中，如图1和图2所示，往复泵6动力端驱动一级柱塞1在工作腔内进行往复运动。在一级柱塞1由后止点向前止点运动时，排液冲程开始，工作腔内部的压力会随着工作腔体积减小而不断增大。由于吸入阀7运动与一级柱塞1运动之间存在滞后，阀芯不能立即下落。在此阶段中，复合柱塞装置2中的二级柱塞22在弹簧力和工作腔压力的共同作用下，弹簧被压缩，二级柱塞22向反向偏移(向右侧偏移)，减缓工作腔容积的缩减速度，从而使得工作腔内压力的增加存在一个时间滞后。在此滞后时间内，阀芯上下压差基本保持稳定，阀芯主要在自身重力下和弹簧力作用下撞击阀座，由此避免了阀芯上下压差对阀芯阀座撞击的加剧作用，减缓了阀芯阀座之间的冲击疲劳损伤。类似地，在一级柱塞1由前止点向后始点运动时，吸液冲程开始，工作腔内部的压力会随着工作腔体积增大而不断减小。由于排出阀8运动与一级柱塞1运动之间存在滞后，阀芯不能立即下落。在此阶段中，复合柱塞装置2中的二级柱塞22在弹簧力和气压的共同作用下，弹簧伸长，二级柱塞反向偏移(向左侧偏移)，减缓工作腔容积的增加速度，从而使得工作腔内压力的减小存在一个时间滞后。在此滞后时间内，阀芯上下压差基本保持稳定，阀芯主要在自身重力下和弹簧力作用下撞击阀座，由此避免了阀芯上下压差对阀芯阀座撞击的加剧作用，减缓了阀芯阀座之间的冲击疲劳损伤。因此，无论是吸液冲程还是排液冲程本发明的复合柱塞都能够减缓由于阀芯上下压差对阀芯阀座的冲击疲劳损伤，延长阀芯阀座的使用寿命，降低阀芯阀座的更换频率，使得往复泵连续作业的能力得到了显著提示。
[0041]
实施例中提到的“左”、“右”方位词语是根据本技术装置的具体的安装位置(如图1和图2)进行描述的，并且本发明中锁紧螺栓的通孔只要满足能够将锁紧螺栓与空腔端口内壁螺纹拧紧且允许液体流过即可；同样的，伸缩组件具体结构并不局限为本发明中提到的弹簧和空气包，只要能够实现其伸缩功能均属于本发明所保护的内容。
[0042]
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。