液力平衡往复泵
技术领域
本发明涉及往复泵技术领域，尤其涉及一种液力平衡往复泵。
背景技术
容积泵中的往复式柱塞泵，包括动力端部分和液力端部分。动力端为曲柄、连杆、十字头机构。液力端为泵体、阀组、函体柱塞、填料，通过动力源、电机、柴油机等。往复式柱塞泵应用范围极广，油田注水、输油及各工业、军工领域输送各种高压液体。近几年随着油田二次采油中注水地层压力的变化，特别是老油田的注水井较多出现井压不一，在批井中出现部分井压上升而注不进水的问题。对此，目前均采用井口增压注水的方式来解决，所谓增压注水就是在井口布置一台往复式柱塞泵，进口供水为高压水，往复泵增压范围一般为2-25MPa压差。通常往复增压泵在设计时是按照用户提供的设计进口压力、设计出口压力、流量三个主要参数作为设计值来计算确定大小头柱塞直径，但在实际使用时，实际进口压力、实际出口压力与设计进口压力、设计出口压力都会有误差，有时候误差很大，实际进口压力与实际出口压力的变化，对已按用户提供参数设计好大小头柱塞的常规往复增压泵而言，会对往复运动动力端受力带来不良影响，甚至导致往复增压泵无法正常工作。
针对上述问题，近年普遍出现了一种以平衡管技术为核心的液力平衡往复泵。其液力平衡原理就是在柱塞与泵体的密封函体之间形成一个与往复泵的进出口对应相通的平衡腔，以引入介质，并设定柱塞为阶梯状的主副结构，利用主柱塞与副柱塞之间的环形面积，作为进口压力与出口压力的平衡点，采用往复泵进口压力或出口压力对环形面积的受压，使主柱塞前后移动过程中形成一个液力平衡状况，使柱塞运行时轴梢与连杆铜瓦可以脱开进润滑油，以减少动力端发热情况。如申请号为CN201320246303.2(授权公告号为CN203175839U)的《液力平衡式增压注水泵》，申请号为CN200720018970.X(授权公告号为CN201016329Y)的《可调式组合阀液力平衡泵头》以及申请号为CN201910764853.5(公开号为CN110410311A)的《一种液力平衡往复泵》均公开了应用这种平衡管结构的液力平衡往复泵。
由于上述液力端平衡方式是利用阶梯柱塞的环形面积，在实际中应用往往会出现由于设计的地层压力，与实际工况应用的压力相差甚多，设计的压差未用足，出现不平衡而使动力端润滑油进不到运动件的润滑面上而干磨发热，造成过早破坏失效。为此，为了消除上述柱塞的环形结构所带来的压差影响，申请号为CN201811376198.8(授权公告号为CN109209806B)公开了《一种往复增压泵》，其是在泵体的吸入腔与液力端的平衡腔之间的介质引入路径中增设一个压力平衡缸，通过利用压力平衡缸(内置有阶梯状的活塞)，自动调节平衡腔压力，消除了高吸入压力对泵动力端的影响，使平衡腔压力在吸入行程与排出行程时始终相等，提高了往复增压泵的可靠性。
再如申请号为CN201821178118.3(授权公告号为CN208456793U)公开了一种《往复式增压泵》，其在往复式增压泵的吸入口与平衡腔之间设有连通通道，并将柱塞或活塞组件设置为包括中间段以及位于中间段两侧的驱动段和工作段的结构，其中，柱塞的中间段的直径大于驱动段的直径，然后通过尺寸匹配，使中间段径向截面的面积与驱动段径向截面的面积之差与工作段径向截面的面积相等，这样无论往复泵的吸入压力、排出压力以及流量如何变化，柱塞或活塞组件所受液压力均处于平衡状态。
然而，上述专利中不管是采用增设压力平衡缸来自动调节平衡腔压力的方式还是将柱塞进行变截面结构设计的方式，液力平衡往复泵都是将液力源平衡在柱塞的液力端部分，即，柱塞须为大小头形状，利用大小柱塞的环形面积作为平衡点，这样不可避免地导致柱塞长度增加一倍，函体填料也需要设为主副二个结构，增加了摩擦面积，降低了装配精度，且导致摩擦功耗增加，寿命减少，成本增加，安装及维修困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种通用性好且不受工况条件限制情况而能确保其动力端正常运行的液力平衡往复泵。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种液力平衡往复泵，包括：
液力端，包括泵体以及柱塞，所述泵体上具有柱塞通道以及进液口，所述柱塞轴向活动地设于所述的柱塞通道中；
动力端，包括机身、曲轴以及由曲轴带动作径向往复运动的传动组件，所述传动组件包括设置在机身内的连杆和十字头，其中，所述连杆的第一端与曲轴连接，连杆的第二端与十字头的后端连接，所述十字头的前端与所述柱塞的后端连接；
还包括同步隔离装置，所述同步隔离装置包括具有内腔的隔离套以及可活动地设于隔离套的内腔中的活塞，所述活塞的外周与所述隔离套的内壁密封配合并将隔离套的内腔分隔为第一腔和第二腔，所述第一腔与所述泵体的进液口相连通，所述第二腔中填充有液力油，所述十字头内置有过流流道，所述十字头的前端在与所述柱塞的后端相衔接的位置设置有与所述过流流道连通的平衡腔，所述过流流道与所述隔离套的第二腔相通从而使所述第二腔中的液力油进入所述的平衡腔中并液力作用于所述的柱塞的后端。
优选地，上述平衡腔对应液力作用于柱塞的面积设置为与柱塞的横截面相同，从而可以达到100％平衡柱塞力的目的。
为了将十字头与柱塞连接在一起，并在两者相衔接的位置形成平衡腔，还包括平衡座、调心球以及锁紧件，所述十字头的前端与所述柱塞的后端相抵并通过所述的锁紧件压紧在一起，所述十字头的前端面上开设有与所述过流流道相连通的安置槽，所述的平衡座密封配合在所述的安置槽中，并由平衡座的后端面与安置槽的内壁共同围设形成所述的平衡腔，所述调心球抵压在所述平衡座的前端面与所述柱塞的后端面之间。上述调心球的设置，使得平衡座与柱塞之间的力的传递更加平稳。
为了方便形成上述平衡腔，所述安置槽包括位于后部的锥孔段以及位于前部的阶梯孔段，所述平衡座的外形呈圆柱状，平衡座的外周壁上具有与所述安置槽的阶梯孔段相适配的外圆台阶，所述安置槽的锥孔段即构成所述平衡腔，所述平衡座的后端面的面积与所述柱塞的横截面的面积大致相同。平衡座的后端面的面积与所述柱塞的横截面的面积大致相同的结构设置，使得平衡座在受液力油作用后能够与柱塞达到100％液力平衡状态。
为了将调心球牢靠地定位在所述平衡座的前端面与所述柱塞的后端面之间，所述平衡座的前端面上设有与所述调心球相适配的第一半球凹槽，所述柱塞的后端面上设有与所述调心球相适配的第二半球凹槽，所述的调心球配置在所述第一半球凹槽与第二半球凹槽之间。
为了方便十字头与柱塞进行装配及拆卸，所述柱塞的后端的外周壁上套设有卡环，所述的锁紧件为压紧螺母，该压紧螺母的后端均有径向向内延伸的抵挡部，所述压紧螺母螺纹连接在所述十字头的前端并通过抵挡部抵压在卡环的后侧壁上。
作为改进，所述隔离套的第二腔中设有弹性件，该弹性件作用于所述的活塞，并使活塞始终具有朝向第一腔移动的趋势。当往复泵的进口压力缷压时，活塞可在弹性件的作用下复位至初始位置，从而方便隔离套的第二腔内进行补油。
为了方便安置弹性件，所述同步隔离装置除所述隔离套及活塞外还包括函体，所述的隔离套整体呈圆柱形且在一端具有开口，所述函体连接在所述隔离套的开口位置，所述活塞的端面上连接有活塞杆，所述函体上具有供所述活塞杆穿过的贯通孔道，该贯通孔道中设有与所述活塞杆的外周壁密封配合的填料密封组件，所述弹性件以弹簧为主体套设在所述的活塞杆上，并抵压在活塞的端面与函体之间。活塞杆的设置，可以起到导向的作用，使得活塞的往复移动过程更加平稳，
作为改进，所述填料密封组件包括自后向前依次设于函体的贯通孔道中的导向套、密封填料、压环以及填料调节帽，所述填料调节帽螺纹连接在所述贯通孔道的端口位置并压紧在所述压环上。填料调节帽的设置，用来对填料密封的压紧程度进行调节，防止液力油发生泄漏。
作为改进，所述活塞杆穿过所述函体并外露，所述函体上还连接有罩设在活塞杆的外露部分之外的护罩，所述护罩上设有定位触点，该定位触点与往复泵的控制系统信号连通，所述活塞杆上设有移动触头，所述移动触头在随活塞杆移动过程中能触发所述的定位触点进而进行报警及停泵动作。当液力油出现泄漏时，活塞会往前行直至移动触头与定位触点相碰通电，此时，将液力油泄露信号传递至控制系统，从而通过控制系统进行报警、停泵动作，起到了保护作用。
为了配合往复泵的多缸结构，使多缸往复泵的对应的柱塞均实现液力平衡，还包括与所述隔离套的第二腔相连通的分配罐，往复泵具有多缸体结构，所述分配罐上设置有多个排液接头，多个排液接头与往复泵的多缸体结构一一对应，并分别连通与各自缸体对应的十字头的过流流道。
与现有技术相比，本发明的优点：液力平衡往复泵设置了同步隔离装置，同步隔离装置由可活动的活塞将隔离套的内腔分隔为第一腔和第二腔，其中，第一腔与往复泵的进液口连通，第二腔与十字头的过流流道及平衡腔连通，即，往复泵的平衡液力源取于进口或出口压力，并将往复泵的动力端缸位运动件(十字头)设为平衡点，具体根据液力端进口或出口的压力源经同步隔离装置的隔离套内的活塞压缩液力油来传递压力至十字头的过流流道及平衡腔中，然后液力作用于柱塞，达到平衡柱塞力的目的，促使动力端运动件受力面能进入润滑油，减少由于不平衡供不进润滑油而干磨发热烧损的问题。优选地，将往复泵的动力端缸位运动件(十字头)作为液力平衡点，可以将平衡腔对应液力作用于柱塞的面积设置为与柱塞的横截面相同，这样便可达到100％平衡柱塞力的目的。此外，将液力平衡点设于往复泵的动力端，这样液力端可选配常规结构，而无须采用大小头阶梯形柱塞，因而通用性更强，并且，往复泵的柱塞及函体也均不需要加长、采用一节密封即可，减少了摩擦面积及摩擦功耗，提高了装配精度且安装方便，减少耗材，节约成本，维修更加方便。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的同步隔离装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的十字头的结构示意图；
图4为图3的左侧视图；
图5为本发明实施例的平衡座的结构示意图；
图6为图5的左侧视图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
参见图1-图6，一种液力平衡往复泵包括液力端、动力端以及同步隔离装置30。液力端包括泵体10、柱塞11、柱塞通道12、阀组、阀组通道14以及对应的填料密封组件(未示出)。泵体10上设有进液口101以及排液口102。柱塞通道12与阀组通道相连通，柱塞11可在柱塞通道12中前后往复运行。本实施例的阀组可以选择为进液阀及排液阀一体设计的组合阀13结构，组合阀13设于阀组通道14中。动力端包括机身20、曲轴21以及由曲轴21带动作径向往复运动的传动组件，其中，曲轴21由电机(未示出)带动转动。传动组件包括设置在机身20内的连杆22和十字头23，其中，连杆22的第一端与曲轴21连接，连杆22的第二端与十字头23的后端连接，十字头23的前端与柱塞11的后端连接。动力端动作带动柱塞11前后往复运行，从而实现往复泵的进液及排液过程。上述动力端及液力端结构均为现有技术，在此不赘述。
参见图2，同步隔离装置30包括隔离套31、函体34、护罩36、活塞32以及密封填料352组件。隔离套31为具有内腔的一个外壳，其在整体呈圆柱形。隔离套31在前端位置具有开口，函体34通过法兰连接在隔离套31的开口位置。
继续参见图2，活塞32可活动地设于隔离套31的内腔中。活塞32的外周与隔离套31的内壁密封配合并将隔离套31的内腔分隔为第一腔311和第二腔312，其中，第一腔311通过相应管道与泵体10的进液口101相连通，具体地，可在隔离套31的后端设有一个NPT丝扣安置接头310，设置接管与液力端的进液口101连接。
结合图1及图3，动力端的十字头23内置有过流流道230，十字头23的前端在与柱塞11的后端相衔接的位置设置有与过流流道230连通的平衡腔24，隔离套31的第二腔312通过高压软管62并经分配罐60(针对往复泵的多缸体结构)与十字头23的过流流道230连通。第二腔312、高压软管62、十字头23的过流流道230以及平衡腔24中填充有液力油，从而将液力端进口或出口的压力源经隔离套31内的活塞32压缩来传递压力至十字头23的过流流道230及平衡腔24中，然后液力作用于柱塞11，达到平衡柱塞11力的目的。
参见图2，活塞32的端面上连接有活塞杆321，活塞杆321位于隔离套31的第二腔312内的一侧，并沿活塞32的轴线延伸。函体34上具有供活塞杆321穿过的贯通孔道340，其中，填料密封组件35设于贯通孔道340中，并与活塞杆321的外周壁密封配合。
参见图2，函体34的贯通孔道340的后端具有径向向内延伸的挡壁341结构。填料密封组件35包括自后向前依次设于函体34的贯通孔道340中的导向套351、密封填料352、压环353以及填料调节帽354。填料调节帽354螺纹连接在贯通孔道340的前部端口位置，从而将压环353、密封填料352、导向套351依次压紧在函体34的挡壁341上。其中，用户可通过填料调节帽354对填料密封的压紧程度进行调节，防止液力油发生泄漏。
隔离套31的第二腔312中设有弹性件33，该弹性件33作用于所述的活塞32，并使活塞32始终具有朝向第一腔311移动的趋势。具体地，本实施例中的弹性件33以弹簧为主体套设在活塞杆321上，并抵压在活塞32的端面与函体34之间。当往复泵的进口压力缷压时，活塞32可在弹性件33的作用下复位至初始位置，从而方便隔离套31的第二腔312内进行快速补油，详见图2。
参见图2，活塞杆321穿过函体34并使前端外露，函体34上还连接有罩设在活塞杆321的外露部分之外的护罩36。护罩36可防止外物触碰活塞杆321，起到保护活塞杆321的作用。另一方面，护罩36上在对应于活塞杆321运行路径外上设有定位触点37，该定位触点37与往复泵的控制系统信号连通，而活塞杆321上设有移动触头38，该移动触头38在随活塞杆321移动过程中能触发所述的定位触点37进而进行报警及停泵动作。比如，在液力油出现泄漏的情况下，活塞杆321(活塞32)会往前行直至移动触头38与定位触点37相碰通电，此时，将液力油泄露信号传递至控制系统，从而通过控制系统进行报警、停泵动作，起到了保护作用。
参见图1及图2，为了配合往复泵的多缸结构，使多缸往复泵的对应的柱塞11均实现液力平衡，在本实施例中，还包括分配罐60，分配罐60可通过定位连接板64固定在机身20的后盖板上，其中，分配罐60的底部通过高压软管62与隔离套31的第二腔312相连通，分配罐60的上位设有补油放气阀63。分配罐60为管状形，且二端装有封头，在分配罐60的中心线位置，可根据往复泵的缸数设置一缸一个排液接头61，各排液接头61通过高压软管62连接连通与各自缸体对应的十字头23的过流流道230。
参见图1，为了将十字头23与柱塞11连接在一起，并在两者相衔接的位置形成平衡腔24，还包括平衡座40、调心球50以及锁紧件51。十字头23的前端与柱塞11的后端相抵并通过上述锁紧件51压紧在一起。十字头23的前端面上开设有与过流流道230相连通的安置槽231，安置槽231包括位于后部的锥孔段232以及位于前部的阶梯孔段233，阶梯孔段233的为后部小前部大的阶梯孔道，锥孔段232的前端的最大截面与阶梯孔段233的小孔部分的截面一致，详见图3。平衡座40的外形呈圆柱状，平衡座40的外周壁上具有与安置槽231的阶梯孔段233相适配的外圆台阶41(参见图5)，在平衡座40安置到位后，平衡座40的外圆台阶41与阶梯孔段233的台阶部限位，平衡座40的后端可与安置槽231的锥孔段232的内壁相抵，由此，安置槽231的锥孔段232即构成一个能液力作用于平衡座40的后端面的平衡腔24。在本实施例中，平衡座40的后端面的面积与柱塞11的横截面的面积大致相同。平衡座40的后端面的面积与柱塞11的横截面的面积大致相同的结构设置，使得平衡座40在受液力油作用后能够与柱塞11达到100％液力平衡状态。此外，为了避免液力油在平衡座40与十字头23的结合位置出现泄漏，衡座的外周壁与安置槽231的阶梯孔段233的内壁之间还设有密封。
本实施例的锁紧件51可选择为压紧螺母。柱塞11的后端的外周壁上套设有卡环111，该压紧螺母的后端均有径向向内延伸的抵挡部510，十字头23的前端外周壁上设有外螺纹，压紧螺母螺纹连接在十字头23的前端，并通过抵挡部510抵压在卡环111的后侧壁上，从而实现柱塞11与十字头23的牢靠连接。
调心球50抵压在所述平衡座40的前端面与所述柱塞11的后端面之间。具体地，平衡座40的前端面上设有与调心球50相适配的第一半球凹槽42，柱塞11的后端面上设有与调心球50相适配的第二半球凹槽110，调心球50配置在所述第一半球凹槽42与第二半球凹槽110之间。上述调心球50的设置，可使得平衡座40与柱塞11之间的力的传递更加平稳。
本实施例的液力平衡往复泵的优点：首先，液力平衡往复泵设置了同步隔离装置30，同步隔离装置30由可活动的活塞32将隔离套31的内腔分隔为第一腔311和第二腔312，其中，第一腔311与往复泵的进液口101连通，第二腔312与十字头23的过流流道230及平衡腔24连通，即，往复泵的平衡液力源取于进口或出口压力，并将往复泵的动力端缸位运动件(十字头23)设为平衡点，根据液力端进口或出口的压力源经同步隔离装置30的隔离套31内的活塞32压缩第二腔312中的液力油来传递压力至十字头23的过流流道230及平衡腔24中，然后液力作用于柱塞11，达到平衡柱塞11力的目的，促使动力端运动件受力面能进入润滑油，减少由于不平衡供不进润滑油而干磨发热烧损的问题。其次，本实施例将往复泵的动力端缸位运动件(十字头23)作为液力平衡点，这样可以将平衡腔24对应液力作用于柱塞11的面积设置为与柱塞11的横截面相同，以达到100％平衡柱塞11力的目的，并且，将液力平衡点设于往复泵的动力端，这样液力端可选配常规结构，而无须采用大小头阶梯形柱塞11，因而通用性更强，往复泵的柱塞11及函体34也均不需要加长、采用一节密封即可，减少了摩擦面积及摩擦功耗，提高了装配精度且安装方便，减少耗材，节约成本，维修更加方便。再者，液力平衡点设于往复泵的动力端克服了现有技术中液力平衡点设于液力端而不能完全平衡的问题，因为在动力端上平衡只与进口压力有关，设置的平衡座40的后端面可以与柱塞11的横截面大体一致，液力平衡可以是100％，而出口压力多少与液力平衡没有关系，这有利于现场各种工况中选用。
