液力驱动注聚泵旋转式配流阀结构与分析

钟功祥，胡霞，阳玲，赵国文，王平安

（1.西南石油大学机电工程学院，成都 610500；2.江汉油田第四石油机械厂，湖北荆州 434200；3.中国石化集团西南石油局油田工程服务公司西南石油机械厂，成都 610500）①

注聚泵是三次采油工艺中聚合物注入的核心设备。液力驱动三缸往复注聚泵由于排量和输出压力波动小、聚合物降解率低、输出压力高、易于调节泵排量而得到广泛应用。配流阀是保证液力驱动三缸往复注聚泵动力缸平稳、可靠工作的关键设备，它可以克服现有液压往复泵在换向时存在的液压冲击和排量、压力的波动问题［1－2］。目前采用的是滑阀换向，其性能没有达到要求。本文提出了一种旋转式配流阀，并分析了其结构、工作原理及输出流量的变化规律。

1 配流阀的作用

利用配流阀过流面积的变化规律实现对泵的动力端3个液压缸的直线运动控制。液压控制系统的最主要的部件是配流阀，是通过配流阀周向上的开槽角度和位置变化来控制液压油的通与断，实现连续运动，减少了液压缸的冲击。实现了高效节能，排量可调，大幅降低了因流量的周期变化对聚合物所产生的机械降解率［3］。

2 旋转式配流阀结构和工作原理

2.1 结构

旋转式配流阀的结构如图1所示。阀芯与阀套通过固定套固定在机架上。为了防止配流阀内部的漏油和窜油，在相关的位置安装密封圈。在阀芯周向上开有不同角度的油槽，转动时，通过油槽与阀套上油孔的顺序连通，从而控制动力端活塞的往复运动。

图1 旋转式配流阀的结构

2.2 工作原理

2.2.1 油路连接方式

配流阀油路连接方式如图2所示。阀套外有15个油口，分别与15根油管相连接。其中：A 油口、B油口为高、低压油进口，分别与高压油泵、低压油泵连接；C 油口为回油口，与回油箱连接。油口1～3为配流阀高压油的输出口，分别与3个动力端液缸的无杆腔连接；油口4～6为配流阀低压油的输出口，分别与3个动力端液缸的有杆腔连接；油口7～12为配流阀的回油口，油口7～9分别与3个动力端液缸的无杆腔连接，油口10～12分别与3个动力端液缸的有杆腔连接。

图2 配流阀油路连接示意

2.2.2 工作过程

通过配流阀阀芯的转动来控制泵动力端的3个液缸的油流，使其分别驱动液力端的3个活塞右行，或左行，实现泵排液、吸液。阀芯的油槽位置相差120°，使泵排液均匀。现以1＃液缸活塞的工作过程为例进行分析。

1）排液过程如图3所示，阀芯从0°转动到150°过程中，阀芯上油槽只有油口1和油口7位于顶部区域，油路被接通，高压油从A 油口进入，经过油口1与动力端液缸无杆腔相通。因此，液压油进入动力端液缸无杆腔推动液力端液缸活塞向右运行，同时回油通过油口7进入阀芯的回油配流阀段，并流回油箱。此过程阀芯转动角度为150°，液力端1＃液缸完成1次排液过程。

图3 配流阀控制1＃液缸活塞运动流程示意

2）吸液过程如图3所示，当阀芯从150°转动到360°过程中，只有油口4和油口10位于顶部区域，油路被接通，低压油从B 油口进入，经过油口4与动力端液缸有杆腔相通，液压油进入动力端液缸有杆腔推动液力端液缸活塞向左运动。回油通过油口10进入阀芯的回油配流阀段，并流回油箱。此过程阀芯转动角度为210°，液力端1＃液缸完成1次吸液过程。

3 流量变化规律分析

3.1 液力端液缸排液过程中配流阀流量Q 分析

1）当φ∈（0°＋120°n，30°＋120°n），n∈0、1、2时，液力端活塞处于加速运动过程，配流阀流量Q1为

式中：Cd为流量系数，Cd＝0.7；ρ为系统工作油液密度，kg／m3；p1为油泵供油压力，MPa；p2为液压缸进油腔压力，MPa；φ为阀芯转角；γ为阀套孔、阀芯孔的半径；R为阀芯轴的半径。

2）当φ∈［30°＋120°n，120°＋120°n］，n∈0、1、2时，液力端活塞处于匀速运动过程，配流阀流量Q2为

3）当φ∈（120°＋120°n，150°＋120°n），n∈0、1、2时，液力端活塞处于减速运动过程，配流阀流量Q3为

3.2 液力端液缸吸液过程中配流阀流量Q 分析

1）当φ∈［0°＋120°n，30°＋120n］，n∈0、1、2时，液力端活塞处于加速运动过程，配流阀流量Q4为

2）当φ∈［30°＋120°n，180°＋120°n］，n∈0、1、2时，液力端活塞处于匀速运动过程，配流阀流量Q5为

3）当φ∈（180°＋120°n，210°＋120°n），n∈0、1、2时，液力端活塞处于减速运动过程，配流阀流量Q6为

4 实例分析

4.1 排液过程

取r＝5.5mm，R＝21.25mm，p1＝7.68MPa，p2＝4.6 MPa，ρ＝900kg／m3，Cd＝0.7。液力端液缸在泵排液运动过程中配流阀流量Q 随配流阀转角的变化规律如图4所示。

图4 泵排液过程中旋转式配流阀流量Q随阀芯转角的变化曲线

由图4可看出：当阀芯转过角度从0°～150°过程中，液压油进入动力端1＃液缸无杆腔推动活塞向右运行，液力端1＃泵缸柱塞完成1次排液过程；当阀芯转过角度从120°～270°过程中，液压油进入动力端2＃液缸无杆腔推动活塞向右运行，液力端2＃泵缸柱塞完成1次排液过程；当阀芯转过角度从240°～390°过程中，液压油进入动力端3＃液缸无杆腔推动活塞向右运行，液力端3＃泵缸柱塞完成1次排液过程；说明配流阀实现了泵3个泵缸交替排液。在阀芯导通动力端液缸无杆腔过程中，阀芯转动前30°、中间90°和后30°使动力端液缸活塞分别处于匀加速、匀速、匀减速运动，进而使液力端泵缸柱塞也分别处于匀加速、匀速、匀减速运动，且匀速运动时间远长于加、减速时间；表明配流阀实现了泵的单个泵缸排液流量较均匀；进入3个动力端液缸无杆腔的高压油流量叠加后为1条水平线，进而液力端3个泵缸排出叠加流量也为恒流量；表明配流阀实现了泵排液流量为恒流量，排出压力无波动，可降低聚合物泵后流通过程中降解率［4－6］。

4.2 吸液过程

取r＝5.5mm，R＝21.25mm，p1＝0.73MPa，p2＝0.03 MPa，ρ＝900kg／m3，Cd＝0.7。液力端液缸在泵吸液运动过程中配流阀流量Q 随配流阀转角的变化规律如图5所示。

图5 泵吸液过程中旋转式配流阀流量Q随阀芯转角的变化曲线

由图5可看出：当阀芯转过角度从0°～210°过程中，液压油进入动力端1＃液缸有杆腔推动活塞向左运行，液力端1＃泵缸柱塞完成1次吸液过程；当阀芯转过角度从120°～330°过程中，液压油进入动力端2＃液缸有杆腔推动活塞向右运行，液力端2＃泵缸柱塞完成1次吸液过程；当阀芯转过角度从240°～450°过程中，液压油进入动力端3＃液缸有杆腔推动活塞向右运行，液力端3＃泵缸柱塞完成1次吸液过程；说明配流阀实现了泵3个泵缸交替吸液。在阀芯导通动力端液缸有杆腔过程中，阀芯转动前30°、中间150°和后30°使动力端液缸活塞分别处于匀加速、匀速、匀减速运动，进而使液力端泵缸柱塞也分别处于匀加速、匀速、匀减速运动，且匀速运动时间远长于加、减速时间［7－8］；表明配流阀实现了泵单个泵缸吸液流量均匀，可降低泵对聚合物降解率，提高泵缸充满度，提高泵效。但进入3个动力端液缸有杆腔的高压油叠加流量有一定波动，进而使得泵吸入流量和压力有一定波动；表明应在泵吸入管线上设置吸入空气包［9－10］，以减少吸入流量和压力波动，降低聚合物降解率，同时动力端低压供液泵应设置缓冲罐。

4 结论

1）在三缸往复式注聚泵工作过程中，配流阀对稳定流量、减少压力波动具有重要作用。

2）设计了旋转式配流阀，在阀芯的周向间隔120°加工有油槽，通过旋转来控制液压油的通与断，实现液流连续运动。实例计算表明，旋转式配流阀减少了液压缸的冲击，也使注聚泵的排量稳定。

3）进入3个动力端液缸有杆腔的高压油叠加流量有一定波动，使得泵吸入流量和压力有一定波动，影响泵工作性能。目前是在吸入管线上设置了吸入空气包。可通过流体软件模拟来优化设计配流阀，取代空气包，以使注聚泵结构更加简单合理。

4）旋转式配流阀的性能优越，可广泛应用于三次采油中关键地面设备之一的注聚泵。

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