CN219639032U - 柱塞泵及压裂装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种柱塞泵及压裂装置，涉及油气装备领域。一种柱塞泵，包括：壳体、曲轴和多个轴承；所述曲轴包括多个支撑轴颈和多个连接轴颈，多个所述支撑轴颈沿所述曲轴的轴向间隔排布，每相邻两个所述支撑轴颈之间通过所述连接轴颈连接；多个所述轴承均设置于所述壳体，多个所述轴承对应套设于多个所述支撑轴颈的外侧，且在所述曲轴的轴向上，位于中间位置的所述轴承的宽度尺寸，大于位于两端位置的各所述轴承的宽度尺寸。本申请能够解决曲轴各处轴承寿命差异较大等问题。

Description

柱塞泵及压裂装置

技术领域

本申请属于油气装备技术领域，具体涉及一种柱塞泵及压裂装置。

背景技术

柱塞泵是油田行业常用的生产装备，一台柱塞泵一般由动力端总成和液力端总成组成，其中，动力端总成的作用是将电机、柴油机等原动机的回转运动通过曲柄滑块机构转换为直线往复运动，并将机械能传递至液力端总成；液力端总成的作用是将泥浆、压裂液等作业介质从低压力转化为高压力并实现泵送输送，以将机械能转化为压力势能。

在柱塞泵运行过程中，曲轴不停旋转，并承受来自多个活塞施加的载荷，从而造成曲轴沿轴向上各处所承受的载荷差异较大，从而容易导致曲轴沿轴向上各处的轴承寿命不均衡，长此以往，会导致载荷较大区域处的轴承磨损严重，其寿命较短，而其他载荷较小区域处的轴承磨损较轻，其寿命较长。然而，当寿命最短的轴承到达寿命时，则需要对整个柱塞泵进行大修，从而造成柱塞泵的大修周期缩短，增加维保费用。

实用新型内容

本申请实施例的目的是提供一种柱塞泵，能够解决曲轴各处轴承寿命差异较大等问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

本申请实施例提供了一种柱塞泵，包括：壳体、曲轴和多个轴承；

所述曲轴包括多个支撑轴颈和多个连接轴颈，多个所述支撑轴颈沿所述曲轴的轴向间隔排布，每相邻两个所述支撑轴颈之间通过所述连接轴颈连接；

多个所述轴承设于所述壳体，多个所述轴承对应套设于多个所述支撑轴颈的外侧，且在所述曲轴的轴向上，位于中间位置的所述轴承的宽度尺寸，大于位于两端位置的各所述轴承的宽度尺寸。

本申请实施例中，多个轴承在曲轴的轴向上的宽度尺寸不完全相等，使得多个轴承各自所承受载荷的能力有所差异，具体地，在曲轴的轴向上，位于中间位置的轴承的宽度尺寸，大于位于两端位置的各轴承的宽度尺寸。如此，可以在各个轴承所承受的载荷不均衡的情况下，通过改变轴承的宽度尺寸来对应调整各个轴承的寿命，最终使多个轴承的寿命相近，从而可以提高柱塞泵的大修周期，有效降低维保费用。

附图说明

图1为本申请实施例公开的壳体、曲轴和多个轴承的结构示意图；

图2为本申请实施例公开的曲轴和多个轴承的结构示意图。

附图标记说明：

100-壳体；

200-曲轴；210-支撑轴颈；211-第一轴颈；212-第二轴颈；213-第三轴颈；214-第四轴颈；215-第五轴颈；216-第六轴颈；220-连接轴颈；230-第一轴端；240-第二轴端；

300-轴承。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例进行详细地说明。

参考图1和图2，本申请实施例公开了一种柱塞泵，应用于压裂装置中，所公开的柱塞泵包括壳体100、曲轴200和多个轴承300。

其中，壳体100为柱塞泵的基础安装构件，其可以为曲轴200、轴承300等构件提供安装基础，并且，还可以对曲轴200、轴承300等构件起到防护作用，以防止外界环境对曲轴200、轴承300等构件造成损坏。

曲轴200为柱塞泵中的旋转构件，通过其旋转可以带动柱塞泵的活塞进行往复移动，以实现对压裂液的加压和泵送传输。一些实施例中，曲轴200可以包括多个支撑轴颈210和多个连接轴颈220，多个支撑轴颈210沿曲轴200的轴向间隔排布，且每相邻两个支撑轴颈210之间通过连接轴颈220连接。多个支撑轴颈210可以受到壳体100的支撑作用，并且多个支撑轴颈210还可以相对于壳体100旋转，以保证曲轴200能够顺畅旋转；多个连接轴颈220可以用于与多个活塞的活塞杆连接，使得在曲轴200旋转过程中可以通过多个连接轴颈220分别带动多个活塞进行往复移动。

多个轴承300均设置于壳体100，且多个轴承300对应套设于多个支撑轴颈210的外侧，基于此，可以通过多个轴承300将多个支撑轴颈210与壳体100分离，并对多个支撑轴颈210分别起到支撑作用，从而可以降低多个支撑轴颈210分别与壳体100之间的摩擦阻力，还可以减少零部件之间的磨损。

示例性地，壳体100可以设有多个轴承座，多个轴承座沿曲轴200的轴向间隔排布，多个轴承300对应安装于多个轴承座内，保证各个轴承300安装的稳定性。

另外，轴承300可以采用向心滚子轴承或圆柱滚子轴承等，当然，还可以采用其他类型的轴承300，只要能够满足实际要求即可。

考虑到曲轴200沿自身轴向上各处所承受的载荷有所不同，相应地，对应安装于曲轴200中各个支撑轴颈210处的轴承300所承受的载荷同样会有所不同，长此以往，会导致多个轴承300的寿命不均衡，然而，当寿命最短的轴承300出现损坏时，则会影响到整个柱塞泵的正常工作。因此，需要尽可能地平衡各个轴承300的寿命。

针对上述情况，本申请实施例在配置轴承300时，使得多个轴承300在曲轴200的轴向上的宽度尺寸不完全相等，如此，在多个轴承300所承受的载荷不均衡的情况下，可以通过改变轴承300的宽度尺寸来对应调整各个轴承300的寿命，最终使多个轴承300的寿命尽量相近。

一些实施例中，在曲轴200的轴向上，位于中间位置的轴承300的宽度尺寸，大于位于两端位置的各轴承300的宽度尺寸。在实际工况下，靠近减速箱(即，靠近中间位置)的轴承300的寿命要小于远离减速箱(即，靠近两端位置)的轴承300的寿命，由此，需要对靠近减速箱的轴承300进行加宽，使其宽度尺寸大于远离减速箱的轴承300的宽度尺寸，从而使靠近减速箱的轴承300与远离减速箱的轴承300的使用寿命相差不大，进而可以延长整个柱塞泵的运行周期。此处需要说明的是，该实施方式中轴承300的个数一般不小于三个，具体数量可根据实际工况而选定。

当轴承300数量为单数时，仅有一个轴承300位于曲轴200的中间位置，此时，对一个轴承300进行加宽设计，以提高该轴承300的寿命；当轴承300数量为双数时，两个轴承300位于曲轴200的中间位置，此时，对两个轴承300进行加宽设计，体提高两个轴承300的寿命。

此处需要说明的是，可以采用受力分析等方式得出曲轴200上各个支撑轴颈210所承受的载荷大小的分布情况，根据支撑轴颈210所承受的载荷大小情况来设计和选择其外侧套设的轴承300的宽度尺寸。

具体为，当其中一个支撑轴颈210处所承受的载荷较大(即，相比于其他支撑轴颈210处所承受的载荷较大)时，套设于该支撑轴颈210外侧的轴承300的寿命会少于套设于其他支撑轴颈210外侧的轴承300的寿命，如此，可以相应地增大套设于该支撑轴颈210外侧的轴承300的宽度尺寸，使该轴承300的宽度尺寸大于其他支撑轴颈210处所对应的轴承300的宽度尺寸。

因此，通过轴承300宽度尺寸的增加可以提高对应轴承300的承载能力，从而可以相应地提高对应轴承300的寿命，最大限度地使该轴承300的寿命能够与其他轴承300的寿命接近，进而可以有效防止承受载荷较大位置处的支撑轴颈210外侧套设的轴承300寿命缩短而导致整个柱塞泵无法正常工作的情况发生，在一定程度上提高了柱塞泵的大修周期，降低了维保费用。

在一些实施例中，在曲轴200的轴向上，位于中间位置与各端位置之间的轴承300的宽度尺寸，大于位于两端位置处的各轴承300的宽度尺寸。在一些工况下，曲轴200中间位置与各端之间的区域所承受的载荷要明显大于曲轴200两端部区域所承受的载荷，如此，与曲轴200两端之间的区域相对应的轴承300容易受损，导致该区域处的轴承300的寿命低于曲轴200两端位置处的轴承300的寿命。此处需要说明的是，该实施方式中轴承300的个数一般不小于五个，例如，五个、七个等等，具体数量可根据实际工况而选定。

基于上述情况，在设计和选取轴承300时，可以相应地增大位于曲轴200中间位置与各端之间的区域的每个轴承300的宽度尺寸，从而可以增大该区域内每个轴承300的承载能力，使得该区域的轴承300不易受损，进而提高该区域的轴承300的寿命，使该区域的轴承300的寿命接近于曲轴200两端位置处的轴承300的寿命，因此，可以提高柱塞泵的大修周期，降低维保费用。

以五缸柱塞泵为例，其包括五个缸体，相应地，曲轴200包括六个支撑轴颈210和五个连接轴颈220，其中，六个支撑轴颈210沿曲轴200的轴向依次排布，分别为第一轴颈211、第二轴颈212、第三轴颈213、第四轴颈214、第五轴颈215和第六轴颈216，其中，第一轴颈211与第二轴颈212之间连接第一个连接轴颈220，第二轴颈212与第三轴颈213之间连接第二个连接轴颈220，第三轴颈213与第四轴颈214之间连接第三个连接轴颈220，第四轴颈214与第五轴颈215之间连接第四个连接轴颈220，第五轴颈215与第六轴颈216之间连接第五个连接轴颈220。

相应地，柱塞泵包括五个活塞，五个活塞对应设置于五个缸体内，并在相应的缸体内可进行往复移动，并且，五个活塞各自的活塞杆对应连接于五个连接轴颈220，以便于通过曲轴200带动五个活塞在缸体内往复移动。

上述六个支撑轴颈210的外侧分别套设有轴承300，而六个轴承300所承受的来自曲轴200各个支撑轴颈210的载荷不完全相同，由此，可以根据各个支撑轴颈210对相应轴承300施加载荷的分布情况来配置轴承300的宽度尺寸。

一些实施例中，套设于第二轴颈212外侧的轴承300和套设于第五轴颈215外侧的轴承300各自在曲轴200的轴向上的宽度尺寸，均大于套设于第一轴颈211外侧的轴承300或套设于第六轴颈216外侧的轴承300在曲轴200的轴向上的宽度尺寸。

具体包括，套设于第二轴颈212外侧的轴承300的宽度尺寸大于套设于第一轴颈211外侧的轴承300的宽度尺寸；套设于第二轴颈212外侧的轴承300的宽度尺寸大于套设于第六轴颈216外侧的轴承300的宽度尺寸；套设于第五轴颈215外侧的轴承300的宽度尺寸大于套设于第一轴颈211外侧的轴承300的宽度尺寸；套设于第五轴颈215外侧的轴承300的宽度尺寸大于套设第六轴颈216外侧的轴承300的宽度尺寸。

基于上述设置，可以相应地提高分别套设于第二轴颈212和第五轴颈215外侧的轴承300的承载能力和寿命，从而平衡分别套设于六个支撑轴颈210外侧的各个轴承300的寿命，进而可以增大柱塞泵的大修周期。

在其他实施例中，套设于第三轴颈213外侧的轴承300和套设于第四轴颈214外侧的轴承300各自在曲轴200的轴向上的宽度尺寸，均大于套设于第一轴颈211外侧的轴承300或套设于第六轴颈216外侧的轴承300在曲轴200的轴向上的宽度尺寸。

具体包括，套设于第三轴颈213外侧的轴承300的宽度尺寸大于套设于第一轴颈211外侧的轴承300的宽度尺寸；套设于第三轴颈213外侧的轴承300的宽度尺寸大于套设于第六轴颈216外侧的轴承300的宽度尺寸；套设于第四轴颈214外侧的轴承300的宽度尺寸大于套设于第一轴颈211外侧的轴承300的宽度尺寸；套设于第四轴颈214外侧的轴承300的宽度尺寸大于套设于第六轴颈216外侧的轴承300的宽度尺寸。

基于上述设置，可以相应地提高分别套设于第三轴颈213和第四轴颈214外侧的轴承300的承载能力和寿命，从而可以平衡分别套设于六个支撑轴颈210外侧的各个轴承300的寿命，进而可以增大柱塞泵的大修周期。

除上述方式之外，还可以是其他的设置方式，只要能够平衡多个轴承300的寿命即可，具体方式不作限定。

同样以五缸柱塞泵为例，根据公式(1)-(3)可以计算出不稳定载荷、不稳定转速时，轴承300的当量动载荷及使用寿命。

其中：

P_i——当量动载荷；

n_i——当量动载荷P_i对应的工作转速，即，曲轴转速；

q_i——轴承在每种工作状态下的运转时间与总运转时间之比；

ε——轴承参数，对于球轴承ε＝3，对于滚子轴承ε＝10/3；

L′_h——轴承的使用寿命。

此处需要说明的是，上述公式(1)-(3)可参考现有技术，其来源于：《机械设计》高等教育出版社，第8版，第13章第5节。

根据计算公式(4)可知，滚子轴承的基本额定动载荷与滚子有效长度(影响轴承宽度)的7/9次方成正比，因此，增加滚子宽度(即，轴承宽度)可以提高轴承的承载能力。

C_r＝b_mf_c(iL_weecosα)^7/9Z^3/4D_we ^29/27 (4)

其中：

C_r——径向基本额定动载荷；

b_m——额定系数；

f_c——与轴承零件几何形状、制造精度及材料有关的系数；

i——滚动体列数；

L_we——用于额定载荷计算的滚子有效长度；

α——公称接触角；

Z——单列轴承中的滚动体数；

D_we——用于额定载荷计算的滚子直径。

此处需要说明的是，上述公式可参考现有技术，其来源于：GB/T6391-2010。

根据轴承的基本额定寿命(即，设计寿命)的计算公式(5)可知，曲轴的轴承若选用相同的轴承规格，即，轴承的基本额定动载荷参数相同，轴承基本额定寿命与所受载荷的3.33次方成反比。

其中：

L_h——轴承基本额定寿命；

n——轴承转速；

C_r——轴承基本额定动载荷；

P——轴承当量动载荷；

ε——轴承参数，对于球轴承ε＝3，对于滚子轴承ε＝10/3。

此处需要说明的是，上述公式(5)可参考现有技术，其来源于：《机械设计》高等教育出版社，第8版，第13章第5节。

根据柱塞泵的作业原理，轴承载荷主要与产品设计的最大负载相关，与惯性力、壳体结构等影响不大，进而，可以在给定的转速、负载等边界条件下，计算出各个轴承的瞬时载荷P_{i_1}、P_{i_2}、P_{i_3}、P_{i_4}、P_{i_5}、P_{i_6}(其中，数字代表轴承的序号)。

根据上述所得的各轴承瞬时载荷，结合公式(1)-(3)可以计算出各轴承的当量动载荷P_{m_1}、P_{m_2}、P_{m_3}、P_{m_4}、P_{m_5}、P_{m_6}。

通过计算，各个轴承的当量动载荷约为520KN、860KN、850KN、770KN、680KN、400KN(这些数值与柱塞泵的其他设计参数相关，仅在此处作为示例)，分析计算结果，其载荷比约为1.3:2.15:2.13:1.93:1.7:1(以所受载荷最小的轴承为基准)，若使用等宽度轴承，轴承的额定动载荷基本一致，例如，选取1800KN，对应各轴承的寿命比(以第六个轴承为基准)，为0.42:0.08:0.08:0.11:0.17:1，由此可见，第六个轴承的寿命明显高于其他轴承。

根据各轴承的瞬时载荷和各轴承的当量动载荷进行分析，可以根据各轴承的载荷比，通过调整受载荷较大的轴承的宽度，使各轴承的寿命相对均衡。

本申请实施例中，分别套设于第一轴颈211、第二轴颈212、第三轴颈213、第四轴颈214、第五轴颈215和第六轴颈216外侧的轴承300各自在曲轴200的轴向上的宽度尺寸比为1.4:2.7:2.7:2.4:2:1。

此处需要说明的是，根据轴承300的载荷比将六个轴承300的宽度比调整为1.4:2.7:2.7:2.4:2:1。假设原等宽轴承300的额定动载荷是1800KN，其轴承300的寿命比接近相等。

本申请实施例中，分别套设于第一轴颈211、第二轴颈212、第三轴颈213、第四轴颈214、第五轴颈215和第六轴颈216外侧的轴承300各自在曲轴200的轴向上的宽度尺寸比为1:2:2:1.7:1.7:1。

此处需要说明的是，鉴于维保性和互换性，可以根据需求调整其中几个轴承300的宽度尺寸，使整体达到产品预估的大修寿命。示例性地，可以将六个轴承300的宽度比调整为：1:2:2:1.7:1.7:1，这样允许其中一个轴承300涉及寿命远高于其他轴承300，其他轴承300寿命基本相近，同时提高了轴承300的互换性。

本申请实施例还可以以七缸柱塞泵为例，或者以其他缸数的柱塞泵为例，具体缸数不作限定。

在一些实施例中，柱塞泵还可以包括多个活塞，相应地，壳体100包括多个缸体，多个活塞一一对应且可移动地设于多个缸体中，且多个活塞与多个连接轴颈220一一对应连接，如此，在曲轴200旋转时，可以通过多个连接轴颈220带动多个活塞在多个缸体内进行往复移动，以实现对压裂液的加压和输送。

为了适应宽度不完全相等的多个轴承300的使用，本申请实施例中，多个缸体中每相邻两个缸体之间的缸间距不完全相等。此处需要说明的是，相邻两个缸体各自中心线之间的距离成为缸间距。

基于上述设置，可以通过改变缸间距来适应不同宽度尺寸的轴承300的安装，以避免零部件之间出现干涉的情况，并且，还可以使部分缸间距适当缩小，以减小壳体100的外形尺寸及重量，有利于运输、使用。

在一些实施例中，曲轴200还可以包括第一轴端230和第二轴端240，其中，第一轴端230和第二轴端240分别位于曲轴200的沿轴向方向的两端处，且第一轴端230和第二轴端240分别用于与传动轮连接。

示例性地，传动轮可以是动力输入齿轮，该动力输入齿轮可以与动力齿轮相啮合，以便于通过动力齿轮将动力传递至动力输入齿轮，并带动曲轴200旋转，从而带动多个活塞在缸体内往复移动，以实现对压裂液的加压和传输。

本申请实施例还公开了一种压裂装置，包括上述柱塞泵。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种柱塞泵，其特征在于，包括：壳体(100)、曲轴(200)和多个轴承(300)；

所述曲轴(200)包括多个支撑轴颈(210)和多个连接轴颈(220)，多个所述支撑轴颈(210)沿所述曲轴(200)的轴向间隔排布，每相邻两个所述支撑轴颈(210)之间通过所述连接轴颈(220)连接；

多个所述轴承(300)均设置于所述壳体(100)，多个所述轴承(300)对应套设于多个所述支撑轴颈(210)的外侧，且在所述曲轴(200)的轴向上，位于中间位置的所述轴承(300)的宽度尺寸，大于位于两端位置的各所述轴承(300)的宽度尺寸。

2.根据权利要求1所述的柱塞泵，其特征在于，在所述曲轴(200)的轴向上，位于中间位置与各端位置之间的所述轴承(300)的宽度尺寸，大于位于两端位置处的各所述轴承(300)的宽度尺寸。

3.根据权利要求2所述的柱塞泵，其特征在于，多个所述支撑轴颈(210)包括沿所述曲轴(200)的轴向依次排布的第一轴颈(211)、第二轴颈(212)、第三轴颈(213)、第四轴颈(214)、第五轴颈(215)和第六轴颈(216)；

套设于所述第二轴颈(212)外侧的所述轴承(300)和套设于所述第五轴颈(215)外侧的所述轴承(300)各自在所述曲轴(200)的轴向上的宽度尺寸，分别大于套设于所述第一轴颈(211)外侧的所述轴承(300)或套设于所述第六轴颈外侧的所述轴承(300)在曲轴的轴向上的宽度尺寸。

4.根据权利要求3所述的柱塞泵，其特征在于，分别套设于所述第一轴颈(211)、所述第二轴颈(212)、所述第三轴颈(213)、所述第四轴颈(214)、所述第五轴颈(215)和所述第六轴颈(216)外侧的所述轴承(300)各自在所述曲轴(200)的轴向上的宽度尺寸比为1.4:2.7:2.7:2.4:2:1。

5.根据权利要求3所述的柱塞泵，其特征在于，分别套设于所述第一轴颈(211)、所述第二轴颈(212)、所述第三轴颈(213)、所述第四轴颈(214)、所述第五轴颈(215)和所述第六轴颈(216)外侧的所述轴承(300)各自在所述曲轴(200)的轴向上的宽度尺寸比为1:2:2:1.7:1.7:1。

6.根据权利要求1所述的柱塞泵，其特征在于，所述柱塞泵还包括多个活塞，所述壳体(100)包括多个缸体，多个所述活塞一一对应且可移动地设置于多个所述缸体中，且多个所述活塞与多个所述连接轴颈(220)一一对应连接；

多个所述缸体中每相邻两个所述缸体之间的缸间距不完全相等。

7.根据权利要求1所述的柱塞泵，其特征在于，所述轴承(300)为向心滚子轴承。

8.根据权利要求1所述的柱塞泵，其特征在于，所述轴承(300)为圆柱滚子轴承。

9.根据权利要求1所述的柱塞泵，其特征在于，所述曲轴(200)还包括第一轴端(230)和第二轴端(240)，所述第一轴端(230)和所述第二轴端(240)分别位于所述曲轴(200)的沿轴向方向的两端处；

所述第一轴端(230)和所述第二轴端(240)分别用于与传动轮连接。

10.一种压裂装置，其特征在于，包括权利要求1至9中任意一项所述的柱塞泵。