一种五缸往复泵曲轴上曲柄初相角优化布置方法技术

本发明专利技术涉及一种曲柄初相角优化布置方法，具体涉及一种五缸往复泵曲轴上曲柄初相角优化布置方法。本发明专利技术对单缸单作用往复泵柱塞的运动规律进行分析，找出各运动参量与曲轴转角之间的对应关系；并根据据五缸往复泵各缸吸/排液特性及排出压力高的特点，对五缸往复泵曲轴上曲柄初相角优化布置方案进行优化设计，在方案的基础上提高了往复泵设计的可靠性，有效地降低了吸入液体产生的附加惯性水头损失、减轻了管路断流沉沙问题，改善了泵的吸入性能，且降低了曲轴弯曲应力，从而提高了五缸泵的使用寿命。

An optimal arrangement of the initial crank angle on the crankshaft on the crankshaft of five cylinder reciprocating pump

The invention relates to an optimum arrangement method of the initial angle of a crank, in particular to a method of optimizing the initial angle of the crank on the crankshaft of the five cylinder reciprocating pump. The movement rules of single cylinder single acting reciprocating piston pump are analyzed, and find out the corresponding relationship between the movement parameters and the crank angle; and according to the five cylinder reciprocating pump suction / discharge characteristics and high discharge pressure characteristics, optimize the design of the five cylinder reciprocating pump crankshaft crank angle optimization layout scheme in the scheme, based on the improved reliability of the reciprocating pump design, effectively reduce the inhalation of the liquid inertia head loss, reduce the pipeline flow sand, improve the pump suction performance, and reduce the crankshaft bending stress, thereby improving the service life of the pump cylinder five.

【技术实现步骤摘要】
一种五缸往复泵曲轴上曲柄初相角优化布置方法
本专利技术涉及一种曲柄初相角优化布置方法，具体涉及一种五缸往复泵曲轴上曲柄初相角优化布置方法。
技术介绍
石油天然气工业中，往复泵主要用于钻井液的循环、高压注水、注聚合物采油和油气藏地层压裂等生产过程。随着油气开发重点逐渐向深部地层和非常规页岩气的转移，对大功率、高泵压往复泵的需求量日益增大，同时对其工作性能的要求也不断提高。近年来五缸往复泵的研发力度不断加大，已形成系列产品，其额定功率已达到3000马力，现场应用呈逐年增加的趋势。现行文献报道中对往复泵的研究，主要集中在其关键件、易损件的疲劳寿命仿真、吸入过程气化仿真以及液体滑动密封的摩擦与磨损等方面，都是在现有的曲轴传动方案下开展的，对往复泵的性能改进和可靠性水平的提高起到了积极作用。但是曲轴传动方案是往复泵工作性能及零部件寿命研究的基础，而不同的曲轴传动方案下，往复泵的工作性能差异较大，故，首先确定出往复泵的最优传动方案是非常有必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种能为优化设计提供依据，以提高五缸往复泵设计可靠性的五缸往复泵曲轴上曲柄初相角优化布置方法。本专利技术的技术方案是：一种五缸往复泵曲轴上曲柄初相角优化布置方法；其特征在于：它包括以下步骤：1）、对单缸单作用往复泵柱塞的运动规律进行分析，找出各运动参量与曲轴转角之间的对应关系；2）、根据流量与速度及过流截面面积的关系，得出单缸单作用往复泵瞬时流量与曲轴转角的对应关系，并采用无因次方法得到单缸单作用往复泵的无因次瞬时流量计算表达式；3）、对五缸往复泵的液缸进行1号—5号的顺序标号，并在液缸对应的曲轴曲柄上进行1#—5#的顺序标号，将五缸往复泵曲轴的吸入管划分为5个过流截面，并顺序标注1—1断面、2—2断面、3—3断面、4—4断面；分别记载各过流截面的瞬时流量波动情况数据，主要记载瞬时流量波动幅值及零流量持续时间（亦即断流时间，以曲轴转角度量）数据；4）、以过流断面4-4断面断流时间和瞬时流量脉动幅值小为选择目标，在五个曲柄初相角中任取二个初相角进行组合分别布置在4#、5#液缸位置，当这两个初相角的组合能使4-4断面的瞬时流量波动幅值及断流时间达到最小时，即为所选择的两初相角组合；5）、将步骤4中得到的两初相角组合同时置于1#、2#或4#、5#液缸位置，剩下的一个初相角置于3#液缸位置，即可得到一种布置方案，同时要求保证各布置方案中每一初相角仅出现一次；6）、由排出状态时液缸内压作用力在曲轴上产生的无因次弯矩的计算公式分别计算步骤5得到的各优化布置方案在五个曲柄旋转中心的无因次弯矩，以弯矩小为选择方法，选择出最终五缸泵曲柄初相角布置方案。本专利技术的有益效果在于：本专利技术根据五缸往复泵各缸吸/排液特性及排出压力高的特点，对五缸往复泵曲轴上曲柄初相角优化布置方案进行优化设计，在方案的基础上提高了往复泵设计的可靠性，有效地降低了吸入液体产生的附加惯性水头损失、减轻了管路断流沉沙问题，改善了泵的吸入性能，且降低了曲轴弯曲应力，从而提高了五缸泵的使用寿命。附图说明图1为本专利技术的流程示意图；图2为单缸单作用往复泵的工作原理简图；图3为本专利技术五缸往复泵布置原理方案图；图4为本专利技术曲轴标注示意图；图5为本专利技术吸入管标注示意图；图6为本专利技术断面1—1无因次瞬时流量波动情况对比图，图7为本专利技术断面2—2无因次瞬时流量波动情况对比图，图8为本专利技术断面3—3无因次瞬时流量波动情况对比图，图9为本专利技术断面4—4无因次瞬时流量波动情况对比图，图10为本专利技术曲柄连杆机构的受力简化图；图11为本专利技术曲轴的受力简图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。首先将五缸往复泵曲轴上曲柄的五个初相角分别为0°、72°、144°、216°和288°，为简化，分别以和标记。如图2所示，对单缸单作用往复泵柱塞的运动规律进行分析，找出各运动参量与曲轴转角之间的对应关系；这是五缸往复泵各柱塞运动的基本规律，是各缸流量计算的依据。当曲柄绕曲轴中心旋转时，曲柄滑块机构将旋转运动转变为柱塞在液缸内的往复运动，液缸内容积变化实现液体的吸入和排出。以轴正向为曲柄转角的参考轴，顺时针方向旋转，曲柄与轴正向的夹角为曲柄转角。当时，滑块中心C与滑块右死点A重合，；当时，滑块中心C与滑块左死点B重合，。在任意曲柄转角下，取CB长为，由几何关系可得：式中:为曲柄半径；为连杆长度；称为连杆比。由式（1）对时间求导，可得任意转角下滑块的运动速度为：式中:为曲柄旋转角速度。设泵缸柱塞或活塞端面面积为，则缸内吸入瞬时流量为：对上述流量进行无量纲化，得无因次瞬时流量为：当时为单缸单作用泵的吸入过程，反之为排出过程。如图3、4、5所示，对五缸往复泵的液缸进行1号—5号的顺序标号，并在液缸对应的曲轴曲柄上进行1#—5#的顺序标号，将五缸往复泵曲轴的吸入管划分为5个过流截面，并顺序标注1—1断面、2—2断面、3—3断面、4—4断面；分别记载各过流截面的瞬时流量波动情况数据，主要记载瞬时流量波动幅值及零流量持续时间（亦即断流时间，以曲轴转角度量）数据；曲轴上任一曲柄编号与其对应的液缸编号相一致，记为，以轴正向为参考轴，顺时针方向度量，第号曲柄的初相角可设置为0°、72°、144°、216°或288°种任一角度。五缸泵往复泵中，任一曲柄初相角均可布置在不同液缸位置，以的排列顺序表示不同的布置方案，如，每一初相角在同一方案中仅出现一次。按照排列原理可知，共有曲柄布置方案种。当曲轴顺时针旋转角时，第号曲柄转角为，用取代式（5）中的，计算各缸无因次瞬时流量，如在曲柄布置方案中，，，，，。如图5所示，将吸入管分为6个过流断面分别记为。若研究吸入过程，过流断面的瞬时吸入流量仅对相同下瞬时流量小于零的数据求和。泵的总吸入（排出）端口可以在左、中、右侧布置，若总吸入端口在过流断面1-1左侧（见图5），则过流断面的无因次流量为，其中。如图6所示，取连杆比，分别以方案和方案为例，对各断面瞬时吸入流量进行分析，对于过流断面5-5而言，经过该断面的液流只能由5号液缸吸入，对任一布置方案，5-5断面的流量变化情况完全相同。由图6可以看出，过流断面1-1瞬时流量代表五缸总瞬时吸入流量，与曲柄初相角布置方案无关；过流断面2-2瞬时吸入流量脉动幅值比过流断面1-1大，与曲柄初相角布置方案无关，流量曲线仅相差一定的相位角；过流断面3-3瞬时吸入流量与曲柄初相角布置方案有关，方案B存在零瞬时吸入流量区（称为断流区），而方案A不存在零瞬时吸入流量区，且方案B的瞬时吸入流量脉动幅值大于方案A；过流断面4-4瞬时吸入流量受曲柄初相角布置方案影响，方案A和方案B均存在断流区，但方案B断流区较方案A宽，且方案B的瞬时吸入流量脉动幅值大于方案A。断流区越宽，管路中固相颗粒越容易发生沉降，影响有效通流面积，导致瞬时吸入流量脉动幅值增加。瞬时吸入流量脉动幅值越大，惯性水头也越大，降低了泵的吸入性能，加剧了泵的振动。由图6过流断面3-3和过流断面4-4的瞬时吸入流量曲线还可以发现，断流区宽度越小，瞬时吸入流量脉动幅值相应也越小。因此，可认为优化曲柄初相角布置方案，对改善五缸泵的吸入性能、减轻固相颗粒沉降具有积极意义。根据曲柄初相角布置方案对五缸泵吸入管无因次瞬时吸入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种五缸往复泵曲轴上曲柄初相角优化布置方法；其特征在于：它包括以下步骤：1）、对单缸单作用往复泵柱塞的运动规律进行分析，找出各运动参量与曲轴转角之间的对应关系；2）、根据流量与速度及过流截面面积的关系，得出单缸单作用往复泵瞬时流量与曲轴转角的对应关系，并采用无因次方法得到单缸单作用往复泵的无因次瞬时流量计算表达式；3）、对五缸往复泵的液缸进行1号—5号的顺序标号，并在液缸对应的曲轴曲柄上进行1#—5#的顺序标号，将五缸往复泵曲轴的吸入管划分为5个过流截面，并顺序标注1—1断面、2—2断面、3—3断面、4—4断面；分别记载各过流截面的瞬时流量波动情况数据，主要记载瞬时流量波动幅值及零流量持续时间数据；4）、以过流断面4‑4断面断流时间和瞬时流量脉动幅值小为选择目标，在五个曲柄初相角中任取二个初相角进行组合分别布置在4#、5#液缸位置，当这两个初相角的组合能使4‑4断面的瞬时流量波动幅值及断流时间达到最小时，即为所选择的两初相角组合；5）、将步骤4中得到的两初相角组合同时置于1#、2#或4#、5#液缸位置，剩下的一个初相角置于3#液缸位置，即可得到一种布置方案，同时要求保证各布置方案中每一初相角仅出现一次；6）、由排出状态时液缸内压作用力在曲轴上产生的无因次弯矩的计算公式分别计算步骤5得到的各优化布置方案在五个曲柄旋转中心的无因次弯矩，以弯矩小为选择方法，选择出最终五缸泵曲柄初相角布置方案。...

【技术特征摘要】
1.一种五缸往复泵曲轴上曲柄初相角优化布置方法；其特征在于：它包括以下步骤：1）、对单缸单作用往复泵柱塞的运动规律进行分析，找出各运动参量与曲轴转角之间的对应关系；2）、根据流量与速度及过流截面面积的关系，得出单缸单作用往复泵瞬时流量与曲轴转角的对应关系，并采用无因次方法得到单缸单作用往复泵的无因次瞬时流量计算表达式；3）、对五缸往复泵的液缸进行1号—5号的顺序标号，并在液缸对应的曲轴曲柄上进行1#—5#的顺序标号，将五缸往复泵曲轴的吸入管划分为5个过流截面，并顺序标注1—1断面、2—2断面、3—3断面、4—4断面；分别记载各过流截面的瞬时流量波动情况数据，主要记载瞬时流量波动幅值及零流量持续时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯进，魏俊，马良丰，
申请(专利权)人：长江大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42