双作用直线电机六缸往复泵的运动特性研究

摘要：以直线电机为动力的往复泵（简称直线电机往复泵）是通过直线运动的电动机动子直接驱动活塞杆做往复运动的一种往复泵。可从理论上基本消除往复泵输出流量和压力的脉动性，往复泵的结构也将大大简化。一台直线电机推力达不到要求时可采用几台直线电机驱动的往复泵。本文主要是从流量、压力、相位误差分析和泵阀方面对双作用直线电机六缸往复泵进行分析，确定运动规律和相位。为直线电机往复泵控制系统研制提供技术支持。

关键词：往复泵；直线电机；运动规律；性能；泵阀

中图分类号： TH3 文献标识码：A文章编号：

Abstract: A linear motor-powered reciprocating pump (linear motor reciprocating pump) is such a reciprocating pump that the mover of linear motor doing a linear movement directly drive the piston rod to do reciprocating motion. Reciprocating pump output volume and pressure pulsation are theoretically removed, reciprocating pump structure will also be greatly simplified. It can deal with several linear motor-driven reciprocating pump when a linear motor thrust doesn’t meet requirements. This paper analyzes mainly from the flow, pressure, phase error analysis and valve,determine the best movement law and the best phase for Dual-acting linear motor six cylinders reciprocating pump.What’s more,it can provide technical support for reciprocating pump control system.

Keywords: reciprocating pump;linear motor;laws of movement; performance ;valve

前言

往复泵在石油矿场中广泛应用于石油钻井、酸化压裂、注水等生产中。随着石油工业对往复泵的要求越来越高，往复泵向着输出压力高、流量大、制造和维修方便、流量压力脉动小、体积和重量小等方向发展。[1]

现有的往复泵都不同程度的存在这样那样的问题，例如，曲柄连杆往复泵流量大、压力大，但冲程短、冲次大、压力流量脉动大，导致缸套寿命短，停机检修时间长，效率低；凸轮机构往复泵流量恒定、压力无波动，但凸轮易磨损，可靠性低，应用范围小；液压驱动往复泵流量大、压力大，但控制系统要求高，在恶劣环境下的可靠性需进一步提高等等。[1]难以满足现代石油工业的要求。

以直线电机[2]为动力的往复泵（简称直线电机往复泵[3]）是通过直线运动的电动机动子直接驱动活塞杆做往复运动的一种往复泵。它省去了旋转运动转换为直线往复运动的中间转换机构，实现直接驱动，因而可以消除中间环节所带来的各种误差，可以大大地提高整个系统的精度，同时总体结构紧凑，中间传动环节少，系统效率高。可从理论上基本消除往复泵输出流量和压力的脉动性，往复泵的结构也将大大简化，而且制造加工容易，维护保养简单。

1性能分析

根据传统往复泵的运动规律，提出该种泵采用梯形运动规律。泵缸的活塞组件经历：匀加速――匀速――匀减速，三个阶段。这种运动规律与文献[4]提出的恒流量往复泵运动规律相同，同时它也应用与凸轮机构往复泵[5][6],理论上是可以实现恒流量。

双作用直线电机六缸往复泵，即三个直线电机带动六个缸体。所以与传统往复泵的结构相比，可以理解为六缸单作用或三缸双作用。如果按照单作用泵分析可以确定相位角为T/6；如果按照双作用泵分析可以将其转化为单作用泵分析。因为三缸单作用往复泵的运动规律和三缸双作用往复泵是相同的，可视为两个单作用泵串联。下面按照三缸单作用活塞泵1300马力的相关参数进行分析。功率：缸套内径：140mm，最大排量：46.53 L/s，冲次：120次/分。如上所述进行分析：

1.1流量

如图1.1所示：相位差为T/3；冲程： 因此， ，活塞组件的速度函数为

（1-1）

图1.1梯形运动规律

将各活塞组件对应的液缸同相位叠加后得到流量为

代入数据，即 （1-2）

Matlab[7]绘制流量曲线如图1.2所示

图1.2梯形运动规律的流量曲线 图1.3无空气室往复泵单缸工作示意图

由梯形运动规律的流量曲线可知，在泵稳定运行后，理论上可以实现恒流量。

1.2压力

往复泵的排出压力是指泵出口处的压力换算到基准面上的值，用P2 表示。如图1.3所示，往复泵的排出压力P2 可以用下式计算（1-3）

――泵出口处压力表的读数单位；

――介质重度；

――压力表中心到基准面的垂直距离，用压力传感器测压时， 为测压点至基准面的垂直距离。当压力表中心或传感器测压点低于基准面时， 为负值。

（1-4）

――排出液面上的压力；

――基准面到排出压力的高度；

――排出管路中的损失（包括水力损失和液体的惯性损失）

――泵出口法兰处管路中液体的流速。[8]

为了研究方便，实验质采用水，且不考虑 ，则将其代入容易得出

（1-5）

假设zd=2m,c3=0,g=10m/s2 ,c2=u，pd为大气压力，所以排出压力的伯努利方程可写为：（1-6）

分别计算各活塞组件对应缸的排出压力，同相位叠加得到排出压力的函数，用Matlab[7]绘制压力变化曲线如图1.4所示

图1.4梯形运动规律压力曲线

由Matlab求得最大值、最小值和平均压力，泵进入稳定工作阶段后压力的波动为

（1-7）（1-8）

实际上，由于zd 远远大于2m，它的压力波动将更小，几乎不发生变化。

1.3相位误差分析

直线电机驱动的往复泵因控制误差或传感器精度等因素的存在，各缸活塞组件的速度相位不可避免的较理论值差略有偏差。

以第1活塞组件的速度曲线为基准，设第2活塞组件的速度曲线较“理论相位”超前t1，设第3活塞组件的速度曲线较“理论相位”滞后t2，并且假设 。显然，此时相位误差对直线电机往复泵的流量影响最大。

将具有相位误差时，各缸流量同相位叠加得到

（1-9）

显然相位误差引起的最大流量波动是由 引起的，为0.558 。按照工业上的要求流量波动在 [8]，所以0.558 =0.0465*5%，得到 =0.0083T。对应于圆周方向上的30 。由于最大误差是由 引起的，所以60 。

1.4考虑魏斯特法尔现象时泵阀的影响

由于魏斯特法尔(Westpha1)现象的存在，实际上泵阀工作时是不断运动的，并非固定在某一最大升距，流经阀隙的流量并不等于单缸瞬时流量。在排出过程中，阀盘上升时，阀盘的下方有一个容积为 的空间需要输送的液体来填充满，这样流经阀隙的流量就小于液缸的瞬时流量；而当阀盘下落时，其下部的容积逐渐减小，把原来存储的液体全部挤出，使流经阀隙的流量就大于液缸的瞬时流量。而阀盘上升时的速度为正，下落时速度为负，因此，考虑阀盘抽挤作用后的流量方程可以表示为：

（1-10）

同样由文献[10]对传统往复泵泵阀运动滞后现象的分析，对比直线电机驱动往复泵的特点，可以得出考虑滞后现象时阀盘的升距公式：

（1-11）

令h=0时，即可得出泵阀的滞后时间：

（1-12）

为了简化运算，假设：实验介质为水（ ）；泵阀为平板盘阀，即 ；根据文献[10]的分析，可以选择，阀隙的流量系数 为1，可以选择阀盘的直径 为40mm，因此阀盘的横截面积 ；假设盘阀在工作介质中的质量 为10N，弹簧力为10N，并且假定泵阀开启滞后和关闭滞后的时间皆为 ；将各数据代入（1-12）公式；

（1-13）

相应的流量波动：

（1-14）

式中

――分别为泵阀开启滞后和关闭滞后引起的流量波动；

――泵阀滞后引起的流量波动。

（1-15）

2结论

(1) 从同相位叠加后的流量可知，理论上梯形运动规律是可以实现恒流量的，只是在泵开始运行时有脉动。

(2) 由前面的压力分析可知，压力几乎是没有变化的，基本是上实现恒压。

(3) 在本文实验条件下，双作用直线电机六缸往复泵允许的最大相位误差为 ，为控制系统研制提供技术依据。

(4) 从运动规律可知，阀盘运动速度也有突变，阀盘运动存在刚性冲击，这是导致泵阀损坏的重要原因之一，因此要在阀盘或阀座上安装橡胶缓冲垫。

(5) 通过上述分析，理论上可以确定梯形运动规律（相位差为T/3）是适合双作用直线电机六缸往复泵的。流量、压力基本上都可以实现恒定，满足现代石油工业对往复泵的要求。

参考文献

[1] 张云霞，张金中. 往复泵的发展与展望. 现代制造技术与装备,2006,(5):19-20

[2] Jack Barrett,Tim Harned,Jim Monnich.Linear Motor Basics. Parker Hannifin Corporation.

[3] 侯勇俊 闫国兴 刘金生. 直线电机驱动的往复泵. 中国专利. 公开号CN200420061662.1.

[4] 王复东，李宗清，祝远征，董怀荣，王安庆，周 燕，周 鲲. SL3ZB-37HJ型恒排量往复泵的研制与应用.石油机械.2000，28（4）：38-40

[5] 张慧峰,董怀荣,裴峻峰. 凸轮机构3缸单作用恒流量往复泵特性分析.江苏石油化工学院学报.2002，14（2）：4-7

[6] 董怀荣,张慧峰,裴峻峰. 凸轮机构往复泵与曲柄连杆机构往复泵性能对比分析.江苏石油化工学院学报.2002，14（4）：10-13

[7]陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用指南.西安：西安电子科技大学出版社.2004

[8] 朱俊华,战长松.往复泵.北京:机械工业出版社,1992.

[9] 万邦烈，李继志.石油矿场水力机械.北京：石油工业出版社，1990.

[10] 朱俊华 主编.往复泵及其它类型泵. 北京：机械工业出版社.1982.7.

[11] 黄维菊，魏星.阀滞后对往复泵性能影响的研究.流体机械.1997，25（4）：6-10

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