钻井泵泵阀运动特性的系统分析

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1、钻井泵泵阀运动特性的系统分析吕苗荣刘亚军陈志强（江苏工业学院机械与能源学院，江苏常州，213016）摘要：通过研究钻井泵泵阀运动的基本规律，构造了在排出阀、吸入阀联动作用下单缸套泵阀运动数学模型，实现了单缸套泵阀运动过程中动力学特性的系统描述。建立了钻井泵泵阀仿真流程和逻辑运行框图，采用Delphi语言实现了单缸套泵阀运动的系统仿真。通过详细全面的仿真研究，准确地分析了阀盘的运动过程中存在的各种复杂、定量的变化关系。研究表明，泵阀的运动特性与阀盘结构、缸套结构、钻井液性能、曲轴转速等参数之间存在非常密切的联系，参数选择不合适就会导致钻井泵工况的恶化，效率降低，甚至

2、影响钻井泵的寿命，所得结论对泵阀优化设计及现场使用具有重要的指导意义。关键词：钻井泵；泵阀；运动特性；仿真；系统分析SimulationandSystematicAnalysisofDrillingPumpValveLvMiaorongLiuYajunChenZhiqiang(MechanicalandEnergyDepartmentofJiangsuPolytechnicUniversity,Changzhou,JiangSu213016)Abstract:Bystudyingthebasiclawofdrillingpumpvalve’smotion,amat

3、hematicalmodelhasbeenconstructedtoachievekineticresearchforthedischargeandsuctionvalve’slinkagemovementinacylinder.Simulationprocessesandlogicoperationblockdiagramwasestablished,systemsimulationsoftwareforvalve’smovementinacylinderwasdevelopedbyuseofDelphilanguage.Throughdetailedsimul

4、ationstudy,theexistenceofavarietyofcomplexandquantitativechangesbetweendifferentparametersforthevalvediscmovementinthissystemwascomprehensivelyandaccuratelyinvestigated.Studieshaveshownthatthereareverycloserelationshipsbetweenthemotioncharacteristicsofvalveandthevalveplatestructure,cy

5、linderstructure,drillingfluidproperties,crankshaftrotationalspeed,theimproperparameterchoicescanleadtothedeteriorationofdrillingpumpworkingconditions,efficiencyreduction,andevenshorteningthedrillingpumplife.Suchworkhaveimportantguidingsignificanceontheoptimalvalvedesignandfielduseford

6、rillingpump.Keywords:drillingpump;valve;motioncharacteristic;simulation;systematicanalysis1、引言往复式活塞泵泵阀是钻井泵中极为重要的部件，为获得阀盘的运动规律，一般认为，对于低速往复泵，可以应用阀盘运动的近似理论；对于高速往复泵，近似理论误差太大，应当采用阀盘运动的精确微分方程式求解[1]。德国的阿道尔夫(U-Adolph)于1968年提出了在液体不可压缩假设条件下泵阀的精确运动微分方程的近似计算方法，其数学模型综合考虑了泵阀的动态特性以及魏氏效应对流体连续性条件的影响，从

7、理论上解释了泵阀运动滞后现象。但该模型在阀盘升程为零的开启与关闭阶段泵阀运动存在奇点，即模型不能描述泵阀在开启和关闭过程中的运动规律。为此，文献[1]作了泵阀开启时具有初速度的假设，实际上泵阀开启时，泵阀的初速度和升程均应为零[2]。文献[2]综合考虑了液缸内液体压力波动以及液体可压缩性对液缸内液体连续流条件的影响，并以自动锥形阀的吸入阀为例，应用数值微分方法建立描述泵阀运动规律的精确运动微分方程，实现了泵阀运动较为实际的仿真。文献[3]利用MATLAB对钻井泵阀阿道尔夫微分方程进行了数值求解，并构造了描述阀盘关闭阶段的简化模型,10用以描述从活塞运动到右死点至阀

8、完全关闭时