液压与气动钻井往复泵液压驱动系统姚春东（燕山大学机械工程学院机械工学部，河北省秦皇岛市066004）液，由于液压往复泵可使活塞匀速运动，从而使泵的流量和压力波动减小，可以省去减速装置和排出空气包，改善了循环系统的工作性能，也简化了设备。文中分析了进口液压钻机上配备的往复泵液压驱动系统的组成及工作原理，介绍了一种可控制多缸连续往复换向的换向转阀。

　　1前言钻机循环系统是钻机的三大工作机组之一，而往复泵堪称钻机循环系统的心脏，其工作性能和工作可靠性直接影响了钻井质量和钻进速度。目前，在石油钻机上广泛应用的是机械驱动往复泵，即柴油机或电动机通过皮带传动减速、又经齿轮减速器减速后，再通过曲柄连杆机构及导向滑块带动活塞杆及活塞进行往复运动，实现吸液和排液。由于曲柄连杆机构决定了活塞的运动速度近似于正弦曲线变化规律，因而，往复泵泵缸的瞬时流量是按正弦规律波动的，为了减轻往复泵排出管中的流量及压力的波动，通常在泵的排出口安装了排出空气包，增加了设备的重量和维护难度。

　　基于上述原因，国外在20世纪80年代末90年代初开始研制液压钻井泵，并且有功率越来越大的发展趋势。

　　美国在1991年研制成功了1500kW的液压钻井泵，用于深井钻井和井下动力钻具钻井，取得了较高的经济效益。本文拟对进口液压钻机上配备的钻井往复泵液压驱动系统进行分析介绍，以供借鉴。

　　2钻井往复泵液压驱动系统的组成及工作原理钻井往复泵液压驱动系统的组成如所示。液压驱动钻井往复泵用液压缸取代机械传动往复泵曲柄连杆及滑块机构驱动钻井泵缸的活塞，其关键部件是要有一个可靠的使3个泵缸有序工作的换向控制阀。

　　2.1旋转换向阀的结构原理该钻井泵的液压控制系统中，采用一只转阀控制液压缸的顺序自动往复运动，其结构如所示。

　　：动力油进口，即入阀总压油口Y0；分别为1、2、3号动力液压缸提供动力油的出阀压油口Yl、Y2、Y3，YbY2、Y3各油口中心线之间互成120°分别供1、2、3号动力液压缸回油的入阀回油口Hi、H2、H3，Hi、H2、H3各油口中心线之间也互成120°出阀总回油口H0.阀芯3上左半部有一个圆周环形9液控单向阀10.定值减压阀11.蓄能器12单向节流阀13液压缸14.往复泵泵缸15往复泵吸入阀16往复泵排出阀18.冷却器20二位二通电磁阀钻井往复泵液压驱动系统槽a它通过径向孔与阀芯中心孔y相通，这样就可使入阀总压油口Y0始终与阀芯中心孔y相通；还有3个与阀芯中心孔y相通的中心线互成120°的径向油口y1、y2、y3，在阀芯的外表面以径向孔y1、y2、y3的中心线液压与气动为对称中心铣有3个月牙形环槽c、d、e，各环槽占150°。阀芯3上右半部有一个阀芯中心孔h，还有3个与阀芯中心孔h相通的中心线互成120°的径向孔hi、h2、h3，在阀芯的外表面也以径向孔匕、1！2、113、的中心线为对称中心铣有3个月牙形环槽g、i、j，各环槽占150°，阀芯中心孔h直接与阀体右端的回油口H相通，阀芯左端通过联轴器6与交流调速电机7相连。高低压油腔之间用密封圈隔开。

　　1.阀体2密封件3.阀芯4.螺钉5.阀盖6联轴器7.交流调速电机Y0 YrY2、Y3i1、2、3号缸出阀压油口民，一出阀总回油口旋转换向阀结构原理当交流调速电机带动阀芯以一定的转速旋转时，在阀芯转动的一周内，首先阀体上的Yi油口与阀芯上的yi油口相通，这样，来自泵的压力油就通过阀体上的Y1油口经管线G1进入液压缸①中（见）使泵缸I进行排出冲程，向钻机循环系统管线提供高压钻井液，转过120°后，阀体上的Y3油口就通过月牙形环槽e与阀芯上的y3油口相通，这样，来自液压泵的压力油就通过阀体上的Y3油口经管线G3进入液压缸③中使泵缸进行排出冲程，向钻机循环系统管线提供高压钻井液，再转过120°后，阀体上的Y2油口就通过月牙形环槽d与阀芯上的y2油口相通，这样，来自液压泵的压力油就通过阀体上的Y2油口经管线G2进入液压缸②中使泵缸进行排出冲程，向钻机循环系统管线提供高压钻井液，其中每两个泵缸之间都有30°重叠排液。回油口的工作顺序与压油口相同。如中所示，电机每转一周，各泵缸吸液一次，排液一次。因此，交流调速电机7的转速就是液压往复泵的冲次。由于交流调速电机7功率很小，用于调速，造价较低。

　　2.2往复泵液压驱动系统的工作原理如中所示，钻机循环系统工作时，首先起动柴油机3（也可用电动机）带动液压泵4旋转，此时由于电磁换向阀20尚未通电（电磁换向阀20与交流调速电机6联动）处于打开状态，因此，液压泵4排出的油经阀20回油箱，即液压泵4处于卸载状态。当交流调速电机6通电时，同时阀20的电磁铁通电而关闭，卸载油路断开。泵4排出的压力油分两部分，一部分经节流阀8和减压阀10进入蓄能器11中，作为泵缸I、、贩入冲程时进入液压缸①、②、③有杆腔的用油。

　　另一部分压力油经换向转阀7的进口Y0进入阀中，此时阀体径向压油口Y1与阀芯径向压油口y1相通（参见中B―B截面剖视图）而阀体径向回油口H1与阀芯径向回油口h1不通（参见A―A截面剖视图）压力油就经出油口Y1及管线G1进入动力液压缸①中，推动液压缸活塞及泵缸活塞向右运动，泵缸I进行排出冲程，此时，动力液压缸①有杆腔中的低压油被排到管线X1中，可作为处于吸入冲程中的动力液压缸有杆腔的进油，另外有少量的油经液控单向阀9及管线H回油箱冷却；在出油口Y1有压力油流出后再经过120°出油口Y3就开始有压力油流出，经管线G3进入动力液压缸③中，推动液压缸活塞及泵缸活塞向右运动，泵缸进行排出冲程，此时，动力液压缸③有杆腔中的低压油被排到管线X2中，可作为处于吸入冲程中的动力液压缸有杆腔的进油，另外有少量的油经液控单向阀9及管线H回油箱冷却；在出油口Y3有压力油流出后再经过120°出油口Y2就开始有压力油流出，经管线G进入动力液压缸②中，推动液压缸活塞及泵缸活塞向右运动，泵缸进行排出冲程，此时，动力液压缸②有杆腔中的低压油被排到管线X2及X1中，可作为处于吸入冲程中的动力液压缸有杆腔的进油，另外有少量的油经液控单向阀9及管线H回油箱冷却；在出油口Y2有压力油流出后再经过120°，出油口Y1就又开始有压力油流出（此时阀芯已开始转第二周）经管线G1进入动力液压缸①中，推动液压缸活塞及泵缸活塞向右运动，泵缸I又进行排出冲程。其中泵缸I排液过程的后30°与泵缸腓液过程的前30°是重叠排液的，泵缸11排液过程的后30°与泵缸排液过程的前30°是重叠排液的，泵缸排液过程的后30°与泵缸I排液过程的前30°是重叠排液的（参见中B―B截面剖视图）在所示的位置时（参见中A视图）此时阀体径向回油口H1与阀芯径向回油口h1液压与气动不通，阀体径向回油口H2与阀芯径向回油口h2即将断开，而阀体径向回油口H3与阀芯径向回油口h3通过月牙形环槽i刚开始接通，动力液压缸③无杆腔中的压力油就经管线G3及回油口H3、月牙形环槽i进入阀中心孔h中，又经总回油口Ho及管线H、冷却器18、过滤器19返回油箱。与此同时，蓄能器11中的压力油经单向节流阀12及管线X、X2进入动力液压缸③的有杆腔中推动液压缸活塞带动泵缸活塞向左运动，泵缸班行吸入冲程。阀芯再转过120°时，阀体径向回油口Hi与阀芯径向回油口hi通过月牙形环槽g开始接通，动力液压缸①无杆腔中的压力油就经管线G，及回油口氏、月牙形环槽g进入阀中心孔h中，又经总回油口H0及管线H、冷却器18、过滤器19返回油箱。

　　与此同时由蓄能器来的管线x中的压力油经管线XI进入动力液压缸①的有杆腔中推动液压缸活塞带动泵缸活塞向左运动，泵缸I进行吸入冲程。阀芯再转过120°时，阀体径向回油口H2与阀芯径向回油口h2通过月牙形环槽j开始接通，动力液压缸②无杆腔中的压力油就经管线G2及回油口H2、月牙形环槽j进入阀中心孔h中，又经总回油口H0及管线H、冷却器18、过滤器19返回油箱。与此同时由蓄能器来的管线x中的压力油经管线X2及管线X，进入动力液压缸②的有杆腔中推动液压缸活塞带动泵缸活塞向左运动，泵缸进行吸入冲程。阀芯再转过120°时，泵缸I又进行吸入冲程（此时阀芯已开始转第二周）综上所述，只要交流调速电机以一定的转速N带动阀芯旋转，泵缸就以冲次N进行吸液、排液，为钻机循环系统提供动力钻井液。如此循环往复，可使钻机循环系统管路中的钻井液流量均匀，压力平稳。

　　3结束语液压钻井往复泵在性能上与机械传动往复泵相比有如下突出优点：（1）泵的排量及压力波动小，特别是三缸单作用液压钻井泵的排量基本上无波动，这对稳定井壁和堵漏有很大益处；（2）排液行程的大部分为匀速运动，而且是低冲次，不会产生困扰三缸泵的水击现象，吸入性能大大优于机械传动往复泵，可省去灌注泵和吸入空气包；（3）由于只在行程两端有短暂负载变化，匀速运动阶段没有负载变化，而且由于没有曲柄连杆运动机构，消除了摆动力的作用。综合作用的结果，使主要的受力件如拉杆、机体等的强度要求下降，整体的振动减少，零部件的受力状态大为改善，其寿命得以延长；（）液压往复泵可以不用通过换缸套改变排量，从而大大提高了钻井时效（通常换一次缸套可影响进尺200m左右），这也是机械驱动往复泵难以做到的；（5）易于实现长冲程，低冲次，减少了泵阀等易损件的磨损，所以维修工作量大为减少，节省了停钻维修时间和维修费用。

　　液压往复泵用作钻井泵是钻井设备界的一大变革应大力提倡。在我国，液压钻井泵尚处在研制阶段，有关技术资料十分缺乏，其中关键技术是换向控制和大功率液压能的转换。本文介绍的可控制多缸连续往复换向的换向转阀具有结构简单，换向准确可靠，换向阀连续旋转即可换向，换向过程无冲击，寿命长的优点。口征集2002年度网员中国机械工程学会流体传动与控制分会和全国液压气动标准化技术委员会合办的“流体传动与控制情报网”2002年度新网员征集工作现已开始。欢迎全国涉及液压气动技术及其应用的有关单位踊跃参加。本情报网有自己的网站（www.yeyanet.com），我们将以多种形式为各网员单位提供一系列国内外新液压气动行业信息、技术情报资料和标准资料，并不定期举办专业技术讲座和学术交流活动，为企业的生产、管理和发展创造良好条件。具体事宜请来电或来函联系。