CN117738861A - 柱塞泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱塞泵，包括动力源装置、传动机构和动力端总成；所述动力源装置通过传动机构与动力端总成的动力输入端相连接。动力端总成的动力输入端位于曲轴的端部或中部。本发明提供了中驱式结构方案和多电机同步驱动方案，缩小了柱塞泵的外形尺寸。本发明还解决了曲轴受力不均匀和液力端总成维修成本高等问题。

Description

柱塞泵

技术领域

本发明涉及柱塞泵。

背景技术

柱塞泵是油气田增产以及页岩油气和煤层气等非常规油气开采的重要设备之一，它可以持续大排量地向地层输送高压流体介质，进而达到压裂增产的效果。

目前的柱塞泵存在以下缺陷：

一、尺寸较长，占地面积大。

在压裂井场作业时，每口井的总压力和总排量是一定的，为了达到总压力和排量的需求，需要配备一定数量的压裂橇设备。单台压裂橇设备的排量越大，则需要的总设备数量就越少。当前国内井场占地面积越来越小，尤其对于川渝山路崎岖恶劣的情况，单台压裂设备整体结构越紧凑、总压裂设备数量越少，则设备转运越便利、井场占地面积越小、井场布置时间越短。

然而，现今压裂设备常用的柱塞泵驱动方案多采用柱塞泵——减速箱——传动轴——动力系统的结构。如公开号为CN114576129A的中国发明专利《压裂设备》所公开的方案，其驱动电机通过传动部件与柱塞泵机构相连接，三者一字型排列。该结构会造成压裂设备整体外形尺寸较长，占地面积大，不利于布置和转运。

另一方面，由于柱塞泵大多采用单电机驱动，对于需求功率较高的场合，需要配备体积较大的大功率电机，也会造成柱塞泵尺寸过大。

二、曲轴受力不均匀。

现有的柱塞泵，动力是由单侧传递至动力端总成的曲轴上，距离输入端较近的曲轴轴颈承受的扭矩远大于远离输入端的轴颈，造成曲轴整体受力不均匀，引起柱塞变形和振动，影响整泵的使用寿命。

三、液力端总成维修不便。

现有的柱塞泵的液力端总成都是整体式结构，上面包含多个柱塞缸体。经过井场上长时间、大排量、高压力作业，液力端损坏的频率越来越高。若其中一个柱塞缸出现损坏（裂纹、磨损），则需要对液力端总成进行整体拆卸、更换。由于液力端整体重量重、成本高，维修更换会造成较大的资源浪费，现场作业成本居高不下。

发明内容

本发明提出了一种柱塞泵，其目的是：（1）缩小柱塞泵的外形尺寸；（2）解决单侧输入动力时曲轴受力不均匀的问题；（3）降低液力端总成的维修更换成本。

本发明技术方案如下：

一种柱塞泵，包括动力源装置、传动机构和动力端总成；

所述动力源装置通过传动机构与动力端总成的动力输入端相连接；

还包括液力端总成；所述液力端总成包括至少两个液力端模块；液力端模块上设进液管路和排液管路；相邻的液力端模块之间留有间距，间距处设置有三通，三通的左右两个端口分别与两侧的液力端模块中的排液管路相连通。

作为所述柱塞泵的进一步改进：所述动力端总成包括壳体和安装在壳体中的曲轴，曲轴包括沿第一方向间隔设置的若干曲柄与若干轴颈，轴颈与其相邻曲柄固定连接；

柱塞泵还包括与壳体相连接的传动机构；所述传动机构包括一个以上的动力输入端，还包括作为动力输出端的第三传动齿轮；

所述传动机构的动力输入端连接所述动力源装置，传动机构的一个动力输入端至少对应一个动力源装置；

所述第三传动齿轮置于任意一个位于两个曲柄之间的轴颈处。

作为所述柱塞泵的进一步改进：所述传动机构包括齿轮减速机构和位于齿轮减速机构侧面的减速器，减速器连接于动力源装置与齿轮减速机构之间；

所述齿轮减速机构包括箱体，所述箱体与壳体连接，所述箱体内部通过转动连接方式安装有第一传动轴和第二传动轴；所述第一传动轴与减速器的动力输出端相连接，第一传动轴上安装有第一传动齿轮；所述第二传动轴上安装有第二传动齿轮；

所述第一传动齿轮、第二传动齿轮与第三传动齿轮依次啮合连接。

作为所述柱塞泵的进一步改进：所述传动机构具有至少两个动力输入端，所述动力源装置相对于传动机构对称分布或非对称分布。

作为所述柱塞泵的进一步改进：包括至少两个动力源装置，且至少有两个动力源装置位于传动机构的同侧。

作为所述柱塞泵的进一步改进：所述动力源装置为多台电机；

所述传动机构具有多个动力输入端和一个动力输出端；各电机的输出轴与传动机构的动力输入端一一对应连接；传动机构的动力输出端与动力端总成的动力输入端相连接。

作为所述柱塞泵的进一步改进：动力端总成的动力输入端位于其端部或中部。

作为所述柱塞泵的进一步改进：所述动力源装置位于所连接的传动机构的单侧或两侧。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）在采用中驱式结构的方案（对应实施例一至三）中，动力源装置通过传动机构与曲轴上任意两个曲柄之间的轴颈处传动连接，一方面可以缩小柱塞泵的整体尺寸，另一方面曲轴受到的驱动力是从中部传入，可以解决其受力不均的问题，减少作业过程中的异常振动，降低磨损，提升使用寿命和作业的稳定性。

（2）传动机构采用行星减速器与斜齿轮组相结合的方案，兼具结构紧凑，减速比大，承载能力强等优点。

（3）第一传动箱内部的所有齿轮位于一个封闭的腔体内，可实现飞溅润滑，润滑油路更加简单。

（4）打开第一传动箱的上盖，即可对内部的齿轮进行检修，不需要整体拆卸，维护方便。

（5）液力端总成采用分体式模块化设计，当某个柱塞缸损坏后，可单独拆卸、更换所在的液力端模块，工作量小，成本低，同时基于模块化设计，还可以根据不同缸数的需求，对液力端模块进行不同的组合，降低了设计与生产制造的成本。

（6）液力端模块之间连接有三通的方案，不仅将所有液力端模块内部的排液管路串联为一体，而且还提供了至少一个位于柱塞泵前端的总排液口，方便从前端连接排液管路，进一步减少对横向空间的占用。

（7）采用多台小型电机代替单台大功率电机时，可以缩小柱塞泵的整体尺寸，降低采购成本和难度。

（8）多台电机通过传动机构将动力同时传递至动力端总成的方案中，电机的布局更加灵活，可以满足不同场景的需求。

（9）在驱动力由端部传递至动力端总成的方案中，电机可以布置在动力端总成的上方或下方，电机的输出轴朝向动力端总成的外侧，进一步缩小了设备的宽度，尤其采用电机布置在动力端总成下方的方案时，可以进一步降低设备的重心。

（10）在驱动力由中部、或两端同步传递至动力端总成的方案中，曲轴的受力更加均匀，可减小振动.

（11）在驱动力从中部传递至动力端总成的方案中，动力端总成和液力端总成可进一步采用分体式模块化设计，可以根据不同缸数的需求，对动力端模块、液力端模块和传动机构进行不同的组合。

附图说明

图1为实施例一的结构示意图；

图2为实施例一中动力源装置、传动机构和动力端总成部分的爆炸图；

图3为实施例一中动力源装置、传动机构和动力端总成部分的示意图，展现第一传动箱和动力端总成的内部结构；

图4为曲轴及第三传动齿轮部分的结构示意图；

图5为实施例一液力端总成以及连接杆部分的结构示意图；

图6为实施例四的结构示意图；

图7为实施例四的爆炸图之一；

图8为实施例四的爆炸图之二；

图9为实施例五的结构示意图；

图10为实施例六的结构示意图；

图11为实施例七的结构示意图；

图12为实施例八的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

实施例一

如图1至4，本实施例提供了一种柱塞泵，包括动力端总成4和液力端总成5。

如图3和4，所述动力端总成4包括壳体和安装在壳体中的曲轴42。曲轴42包括沿左右方向上间隔设置的若干曲柄422与若干轴颈421，轴颈421与其相邻曲柄422固定连接。

所述柱塞泵还包括动力源装置和传动机构。

本实施例中，传动机构设置在曲轴42的上方。传动机构也可以设置在曲轴42的下方、前方或后方，以及其它除曲轴42端部以外的位置，从而缩小横向方向的尺寸。当传动机构位于曲轴42的下方时，还可以降低设备的重心。

所述传动机构具有一个以上的用于连接动力源装置的动力输入端。传动机构的一个动力输入端至少对应一个动力源装置。

本实施例中采用两台变频式电机1作为动力源装置，且传动机构具有两个与电机1一一对应的动力输入端。

所述传动机构的动力输出端与所述曲轴42上任意一个位于两个曲柄422之间的轴颈421相连接，从而将驱动力从中部传递到曲轴42，改善其受力条件。

具体的，如图1至3，所述传动机构包括安装在壳体顶部开口上方的第一传动箱3和安装在第一传动箱3左右两侧、与电机1一一对应的两组减速器。

本实施例中，所述减速器为行星减速器2。两台行星减速器2的输入轴即为传动机构的两个动力输入端。两台电机1的输出轴分别与所对应的行星减速器2的输入轴相连接。

本实施例中，两个行星减速器2的输出轴与第一传动箱3的两个动力输入端一一对应连接，第一传动箱3的动力输出端则与曲轴42的中部相连接。

进一步的，所述第一传动箱3包括安装在壳体顶部的箱体32，所述箱体32内部通过转动连接方式安装有第一传动轴和第二传动轴。所述第一传动轴的两端即为第一传动箱3的两个动力输入端，第一传动轴上安装有两个第一传动齿轮33，第一传动齿轮33与第一传动轴上通过销、键进行连接。所述第二传动轴上则安装有两个与第一传动齿轮33一一对应啮合的第二传动齿轮34。

所述第一传动箱3还包括安装在曲轴42上任意一个位于两个曲柄422之间的轴颈421处（优选位于中间位置）的两个与所述第二传动齿轮34一一对应啮合的第三传动齿轮35，所述第三传动齿轮35即为第一传动箱3的动力输出端，也是整个传动机构的动力输出端。

优选的，所述第一传动齿轮33和第二传动齿轮34为两个旋向相反的斜齿轮，不仅提高了承载能力，而且可以平衡曲轴42所受的轴向力。

进一步的，所述箱体32顶部安装有可拆卸的上盖31，打开后可以对齿轮组进行检修。如需对曲轴42检修，可以将箱体32卸下，无需打开整个壳体。

所述动力端总成4还包括若干与壳体滑动连接的柱塞杆41，各柱塞杆41的后端分别通过一组连杆机构与曲柄422相连接。一般的，所述连杆机构包括连杆和十字头。

所述液力端总成5上设有与柱塞杆41一一对应的柱塞缸，所述柱塞杆41的前端与柱塞缸相连接。所述液力端模块52内还设置有分别与柱塞缸相连接的进液管路和排液管路，进液管路和排液管路上还设置有单向阀，当柱塞缸在曲轴42的驱动下往复运动时，柱塞缸的容积周期变化，循环完成进液、排液。工作时，两台电机1同步转动，通过两个行星减速器2的输出轴共同带动第一传动轴旋转，然后通过三级齿轮驱动曲轴42旋转，从而带动柱塞杆41往复运动。

如图4，本实施例中的液力端总成5包括三个液力端模块52，两侧的液力端模块52内分别设有两个柱塞缸，中间的液力端模块52设有一个柱塞缸。还可以对液力端模块52进行组合，满足不同的排量需求。

本实施例中，所有的液力端模块52都安装在连接板51上，相邻的液力端模块52之间为流体导通连接。连接板51通过多个并联设置的连接杆与壳体固定连接。

可选的，各液力端模块52也可以各自分别通过连接杆与壳体固定连接。

优选的，相邻的液力端模块52之间留有间距，间距处设置有连通装置，连通装置可以为三通53或者任何流体导通装置，以三通为例：三通53的左右两个端口分别与两侧的液力端模块52中的排液管路相连通，从而将所有的排液管路连接成一个整体。三通53的第三个端口朝向前方或上方，可以作为柱塞泵的总排液口，方便从前端连接排液管路，进一步减少对横向空间的占用。

液力端总成5还可以采用其它形式的排液结构，比如单独设置一个排液管汇，与各排液管路连通，然后再在排液管汇上设置一个总排液口。排液管汇可以设置在液力端总成5的上方、下方或前方，也可以连接至液力端总成5的侧面。

柱塞泵还包括进液管汇，它与各液力端模块52的进液管路连通。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于，动力源装置为一台电机1，相应的，传动机构只有一个动力输入端。

可以参照实施例一的结构：将行星减速器2改为单侧设置。电机1输出轴连接行星减速器2，行星减速器2的输出轴通过第一传动箱3内部的单组三级齿轮驱动曲轴42旋转。

实施例三

本实施例与实施例一和二的不同之处在于，动力源装置为三台以上的电机1。

本实施例中，动力源装置的布置方式是多种多样的：

例如，传动机构采用类似实施例一的结构，包括两个行星减速器2，但每个行星减速器2的输入轴上还安装一个大齿轮，同时行星减速器2的机壳上还安装有多个与该大齿轮啮合的行星小齿轮，小齿轮即为传动机构的动力输入端，可分别连接一个电机1的输出轴。此时，各小齿轮均为传动机构的动力输入端，电机1及与行星减速器2之间是间接的传动连接。两侧的电机1可以相对于传动机构对称分布，也可以是非对称分布。电机1转动时，共同驱动对应的大齿轮转动，然后再通过行星减速器2和第一传动箱3来驱动曲轴42转动。

例如，只有一侧有行星减速器2，它再通过上述行星结构连接多个电机1。

例如，一侧的行星减速器2直接连接一台电机1，而另一侧的行星减速器2通过上述行星结构连接多个电机1。采用此结构，需要注意电机1的转速并不一致，对控制的要求较高。

需要说明的是，基于上述实施例一至三，还可以衍生出其它的实施方式：

作为可选的方案：可以用发动机代替电机1等作为动力源装置。当需要多个动力源装置同步等速驱动时，可以选择多台型号、规格一致的发动机，同时控制发动机的供油量一致。

作为可选的方案：减速器也可以选择多级齿轮减速器、蜗杆式减速器等结构紧凑、减速比大、承载能力强的减速装置。另外，所述减速器的输入轴和输出轴可以是平行或重合的，也可以是相互垂直的（直角减速器），即电机1或发动机与减速器可以是左右设置的，也可以是上下设置的，还可以是前后设置的。

作为可选的方案：所述第一传动箱3可以采用其它结构形式。例如，各传动轴上仅有一组传动齿轮，而非两组；或者，采用二级或四级齿轮传动；或者，使用两根同心的较短的传动轴代替上述整体的第一传动轴或第二传动轴，两根较短的传动轴上各自分别安装有一个传动齿轮。显然，也可以是上几种结构形式的组合。

实施例四

如图6至8，一种柱塞泵，包括动力源装置、传动机构和动力端总成4。

所述动力源装置为多台小功率电机1。

所述传动机构为第二传动箱6，其具有多个动力输入端和一个动力输出端。具体的，所述传动机构包括由安装板61和外壳64组成的壳体，所述安装板61相对于在动力端总成4固定设置。传动机构还包括安装在壳体中的作为传动机构的动力输入端的第四传动齿轮62和作为传动机构的动力输出端的第五传动齿轮63，各第四传动齿轮62均与第五传动齿轮63相啮合。各电机1的输出轴与第四传动齿轮62一一对应连接。

作为可选的方案，所述传动机构还可以是其它结构，例如第四传动齿轮62与第五传动齿轮63之间还设有介轮。

所述动力端总成4包括曲轴42、连杆机构和柱塞杆41。所述连杆机构和柱塞杆41为多组，二者一一对应。曲轴42通过连杆机构驱动各柱塞杆41往复移动。

所述动力端总成4具有动力输入端。

本实施例中，曲轴42的两端即为动力端总成4的两个动力输入端。传动机构同样为两组，各传动机构中的第五传动齿轮63分别安装在曲轴42的两端。本方案中，动力是从两端同步传递至曲轴42上，可以改善曲轴42的受力，减小振动，减少磨损。

作为可选的方案，动力端总成4只有一个动力输入端，即曲轴42的左端或右端。该方案虽然结构更加简单，成本较低，但存在曲轴42受力不均匀的问题，适用于总功率不高、对成本、重量敏感的场合。

进一步的，所述电机1位于所连接的传动机构的单侧或两侧。

本实施例中，所有电机1都位于传动机构靠近动力端总成4的一侧，且电机1都位于动力端总成4的上方。如果柱塞泵的高度有限制，也可以将全部电机1设置在动力端总成4的下方，充分利用支腿之间的空间。

作为可选的方案，所述电机1还可以布置在第二传动箱6的两侧，电机1可以相对于传动机构对称布置，也可以是非对称布置，该方案适用于总功率较大、电机1较多的情况。

作为可选的方案，电机1还可以位于动力端总成4的侧方，比如当第五传动齿轮63直径较大时，电机1可以位于动力端总成4的前侧或后侧。

总体而言，电机1相对于动力端总成4的位置不受限制，可以根据实际情况灵活布置。

进一步的，所述柱塞泵还包括液力端总成5，所述液力端总成5中包括若干与柱塞杆41一一对应连接的柱塞缸，柱塞缸连接有进液管路和排液管路。柱塞杆41往复移动时，柱塞缸循环完成进液、排液。

进一步的，柱塞泵还与所有进液管路相连通的进液管汇以及与所有排液管路相连通的排液管汇。

工作时，所有的电机1以相同的速度旋转，通过传动机构共同驱动曲轴42转动。小功率电机1的尺寸较小，可以围绕动力端总成4布置，使得整个设备的结构更加紧凑，尺寸、体积更小。

实施例五

如图9，本实施例与实施例一四的不同之处主要在于：一部分电机1位于动力端总成4的上方，另一部分电机1位于动力端总成4的下方。这种结构既可以包含较多的电机1，提供较大的功率，而且可以降低设备的重心。

作为可选的方案，也可以只在动力端总成4的左侧或右侧设置第二传动箱6和电机1。

实施例六

如图10，本实施例与实施例四的不同之处在于：所有电机1都位于第二传动箱6上远离动力端总成4的一侧（可视为位于动力端总成4的侧方）。该方案适用于第五传动齿轮63直径较小的情况，此时如果电机1位于靠近动力端总成4的一侧，会与其发生干涉。将电机1改至外侧，可不再受到动力端总成4的限制。

实施例七

如图11，本实施例与实施例三的区别在于：只有一组传动机构，位于曲轴42的一端。

实施例八

如图12，本实施例与前述其它实施例的不同之处在于：动力端总成4的动力输入端位于其中部。

进一步的，本实施例中，动力端总成4采用分体式模块化结构，包括两个动力端模块43。两个动力端模块43可以是共用一根曲轴42，可以是分别包含独立的曲轴42，再通过传动机构连接为一体。传动机构位于两个动力端模块43之间，用于驱动曲轴42转动。同理，也可以采用三个动力端模块43与两个传动机构间隔设置的结构形式，满足大功率、大排量的需求。

作为可选的方案，当传动机构尺寸较小时，所述动力端总成4也可以采用整体式结构，但需要在中部设开口，使得第二传动箱6得以嵌入。

本实施例中，液力端总成5也采用分体式模块化结构，包括若干与所述动力端模块43一一对应连接的液力端模块52。

作为可选的方案，所述液力端总成5可以采用类似其它实施例的整体式结构，但柱塞缸的位置需要与柱塞杆41相匹配。

Claims (8)

1.一种柱塞泵，其特征在于：包括动力源装置、传动机构和动力端总成（4）；

所述动力源装置通过传动机构与动力端总成（4）的动力输入端相连接；

还包括液力端总成（5）；所述液力端总成（5）包括至少两个液力端模块（52）；液力端模块（52）上设进液管路和排液管路；相邻的液力端模块（52）之间留有间距，间距处设置有三通（53），三通（53）的左右两个端口分别与两侧的液力端模块（52）中的排液管路相连通。

2.如权利要求1所述的柱塞泵，其特征在于：所述动力端总成（4）包括壳体和安装在壳体中的曲轴（42），曲轴（42）包括沿第一方向间隔设置的若干曲柄（422）与若干轴颈（421），轴颈（421）与其相邻曲柄（422）固定连接；

柱塞泵还包括与壳体相连接的传动机构；所述传动机构包括一个以上的动力输入端，还包括作为动力输出端的第三传动齿轮（35）；

所述传动机构的动力输入端连接所述动力源装置，传动机构的一个动力输入端至少对应一个动力源装置；

所述第三传动齿轮（35）置于任意一个位于两个曲柄（422）之间的轴颈（421）处。

3.如权利要求2所述的柱塞泵，其特征在于：所述传动机构包括齿轮减速机构和位于齿轮减速机构侧面的减速器，减速器连接于动力源装置与齿轮减速机构之间；

所述齿轮减速机构包括箱体（32），所述箱体（32）与壳体连接，所述箱体（32）内部通过转动连接方式安装有第一传动轴和第二传动轴；所述第一传动轴与减速器的动力输出端相连接，第一传动轴上安装有第一传动齿轮（33）；所述第二传动轴上安装有第二传动齿轮（34）；

所述第一传动齿轮（33）、第二传动齿轮（34）与第三传动齿轮（35）依次啮合连接。

4.如权利要求2所述的柱塞泵，其特征在于：所述传动机构具有至少两个动力输入端，所述动力源装置相对于传动机构对称分布或非对称分布。

5.如权利要求2所述的柱塞泵，其特征在于：包括至少两个动力源装置，且至少有两个动力源装置位于传动机构的同侧。

6.如权利要求1所述的柱塞泵，其特征在于：所述动力源装置为多台电机（1）；

所述传动机构具有多个动力输入端和一个动力输出端；各电机（1）的输出轴与传动机构的动力输入端一一对应连接；传动机构的动力输出端与动力端总成（4）的动力输入端相连接。

7.如权利要求6所述的柱塞泵，其特征在于：动力端总成（4）的动力输入端位于其端部或中部。

8.如权利要求1至7任一所述的柱塞泵，其特征在于：所述动力源装置位于所连接的传动机构的单侧或两侧。