2300 型压裂车变量泵损坏原因分析及改进

韩旭辉，王海军

（中国石油川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西西安 712000）

0 引言

2300 型压裂泵车用于油气田深井和中深井的压裂施工作业，适合泵送带支撑剂压裂液的水力压裂、酸化压裂、高压泵入不同液体（CO2液体、混合液）以及压力测试等。由于压裂泵车在较恶劣的环境下工作，且在相对密闭的状况下开式运行，有诸多因素可造成台上风扇液压系统故障，损坏与失效经常发生，具有故障点隐蔽、部位不易确定等特点。

1 工作原理

2300 型主压车的台上部件散热系统采用卧式结构的冷却系统，压裂车风扇液压系统主要由PTO（Power Take Off,动力输出装置）、变量柱塞泵、风扇液压电机及液压附件组成。通过车台柴油机前端取力，驱动多通道散热器风扇电机，风扇转速根据发动机和传动箱温度变化自动无级调速，也可采用手动控制方式。主控箱设置风扇转速控制手动和自动切换开关，也可以手动方式对风扇转速进行调节。液压系统包括油箱、滤清器、溢流阀、单向阀等，以确保系统的完整和功能化。液压系统各型泵和电机全部采用进口品牌，液压管线和接头都使用品牌产品。

功能及组成：风扇冷却系统为五部分提供冷却：车台发动机，压裂泵动力端润滑油，柴油发动机柴油，液力传动箱润滑油，节温器开启温度不超过85 ℃，为全车液压油提供冷却。

该套设备在投入生产前、初步调试使用后，针对调试验收阶段出现的故障问题汇总分析，发现车台变量泵故障为该套设备常见故障，共出现相同的变量泵故障6 次，其中2018 年出现2次，2019 年出现4 次。故障导致设备等停待修，现场不能及时解决，需要拆卸变量泵返厂维修，造成维修周期延长、维修费用增加，降低了设备的使用效率，影响生产进度。

该液压系统所使用的变量泵型号为力士乐A4VG180DT1/32L-NZD02F001P，该泵广泛应用于设备液压取力系统，是民用领域功能较先进的一种液压柱塞变量泵。

针对2300 压裂车现场使用中出现的多起变量泵故障，分析故障原因后提出解决方案和液压系统检查维护的基本方法，为压裂车散热系统长周期稳定运行提供保障。

2 故障分析

2.1 变量泵损坏情况

根据2018—2019 年的使用情况，针对2300 压裂车变量泵损坏问题进行收集、分析，总结出损坏情况主要分为三类：①变量泵与花键套之间的盖板连接螺丝松动脱落频次较高（12 次）；②变量泵花键轴与花键套损坏、磨损（6 次）；③变量泵与发动机之间的连接齿盘损坏（2 次）。

通过对设备两年使用过程中变量泵出现的问题进行分析，连接螺丝松动占比60%，花键轴及花键套损毁占比30%，齿盘损坏占比10%（图1）。

图1 变量泵出现故障类型比例

变量泵发出异声且声音较大，基本可以确定是变量泵故障。一般是由于连接螺丝脱落，造成变量泵的花键轴、齿盘的花键孔磨损严重。

部分车辆故障为变量泵与齿盘的连接螺丝松动，需对变量泵与齿盘的连接螺丝进行紧固，防止脱扣。

变量泵花键与齿盘花键孔不啮合，可以确定花键轴和花键孔已磨损，由于两者不啮合，如果未及时发现，磨损严重可能会造成固定螺丝无法拆卸。

2.2 原因分析

2.2.1 变量泵部件材料硬度分析

查询变量泵设计要求，对花键轴及轴套等进行硬度试验，经测定变量泵花键轴表面硬度4～56.5 HRC（要求硬度49.1～52.3 HRC），轴套表面硬度29.4～31.2 HRC（要求硬度29.2～34.2 HRC），花键轴及轴套硬度符合技术要求，但是花键轴表面硬度高于轴套表面硬度。

两者表面硬度均符合要求，且花键轴表面硬度更高，出现故障时首先磨损花键套，有利于保护变量泵花键轴不受损坏。

2.2.2 变量泵安装形式分析

2300 压裂车变量泵安装在发动机飞轮端，变量泵花键轴通过轴套与齿盘连接，两者之间通过螺丝连接，齿盘与发动机飞轮端内齿盘啮合传输动力。

通过对安装结构分析，花键轴与轴套之间采用一根螺丝进行连接，该螺丝无锁紧装置，且为正扣。发动机带动变量泵运转过程中，连接螺丝因振动等因素出现松动，导致花键轴与轴套出现轴向位移，啮合部位变小，单位面积受力变大。同时花键套在运转过程中会出现径向位移，导致花键轴与轴套不同心。轴向及径向应力不均匀，在高转速下，加剧了变量泵花键轴及轴套的磨损。变量泵失效，风扇马达驱动失效，风扇停转后，台上散热系统出现高温现象。

2.2.3 部件结构分析

通过拆解查看，变量泵花键轴与轴套只有1/2 啮合工作，在连接螺丝松动或脱落时，由于轴向位移导致啮合面积变小，花键轴及轴套单位面积受力变大，极易导致磨损。

3 结论

（1）变量泵本体及花键轴本身并无问题，且在多次故障中周变量泵本体未出现故障，该型号变量泵应用广泛，设备生产厂家及维修人员对泵的质量都进行过验证，可以排除变量泵质量问题。

（2）变量泵损坏时均出现连接螺丝脱落现象，且螺丝脱落后会引起轴套轴向、径向位移，导致啮合面积减小，啮合部位受力不均，加速花键轴与轴套磨损。

（3）变量泵花键轴为成品件，与轴套只有1/2 相互啮合工作，螺丝松动使啮合面积进一步减小。

4 改进措施

（1）花键轴与键套啮合面过短，间隙配合面仅前半部分啮合，啮合面承受较大的径向力，加速花键轴及轴套的磨损，造成配合间隙增大，影响变量泵的使用寿命。

改进措施：按设计要求重新加工花键轴，加大花键轴与轴套的接触面积，可以降低单位面积的受力，延长花键轴及轴套使用时间。

（2）改进花键轴与轴套连接形式，可以通过增加锁片、挡板，将连接螺丝设计为反扣形式，避免变量泵使用过程中螺丝松动现象，从根本上解决变量泵损坏频繁的问题。

（3）原压裂车联轴器主要材质为橡胶。在野外环境中，保养不到位会影响动力传递的稳定性和使用寿命。联轴器为进口产品，采购周期长、价格高。

如将传动方式改造为传动轴万向节连接，结构简单、运行可靠、传动效率稳定，在日常维护和更换时更加方便快捷，使用寿命大幅延长。同时采用国产材料，维修更加容易，采购周期缩短、性价比高。

5 液压系统故障检查

液压系统常见故障为液压泵磨损和溢流阀故障。

（1）液压系统压力检查。散热系统无压力，检查液压泵和PTO，判断是否由于进油回油管路、滤清器、单向阀、节温器等堵塞引起。

（2）溢流阀、冲洗阀工作是否正常。因为压力油路中的某个溢流阀主阀芯阻尼孔堵塞、主阀芯复位弹簧断裂或卡死、锥阀调节弹簧断裂、锥阀破损，使溢流阀处于回油位置，致使压力油路与溢流回路相通，液压油直接流回油箱。

（3）变量柱塞泵输出液压油量是否正常。可从液压系统源头查找，首先检查PTO 和变量柱塞泵连接部分是否正常，排除动力的原因；检查变量泵有无液压油输出，判断液压系统泵体是否有铸造缺陷（砂眼），使吸油腔与压油腔相通，丧失增压能力；输入功率不足使输出油压达不到工作压力或不能输出油等。

（4）变量柱塞泵电磁阀工作是否正常。检查电磁阀供电信号，电磁阀供电电压为0 时，可判断变量柱塞泵故障主要原因是泵的电磁阀不工作。

6 使用保养

（1）定期紧固。工作中由于设备振动、液压冲击等原因会造成松动，应定期紧固。

（2）定期保养更换滤芯。一般每两月清洗一次，工作环境恶劣的，周期应适当缩短。

（3）油箱底部的污物应定期清洗。环境粉尘较大，周期适当缩短。

（4）及时补充及清洁液压油。

（5）定期强制过滤、更换液压油和密封件。