我国的石油钻采现状向着低渗透油气层、深井超深井的趋势发展,水力压裂工艺因其独特的优点备受重视。压裂泵作为水力压裂工艺中的核心设备,其工作性能的优劣直接关系到压裂工艺的时间效率与经济成本。国外石油装备制造商出于技术垄断和数据保密等因素,导致在网络数据库中可检索到的关于压裂泵(尤其是超高压压裂泵)的研究文献资料极少。国内以中石化石油工程机械有限公司第四机械厂为代表性的重量级企业尽管专门设计建造了固井、压裂设备模拟性能试验场,可以对固井、压裂设备的制造、装配质量和整机性能进行试验检测,但其可检测的性能指标相对比较宽泛,对液力端的工作性能参数检测项目少之又少。因此,提出一套可行性高的试验台架设计方案及数据采集系统,用于实时检测压裂泵液力端各关键零部件的工作性能显得尤为重要。本篇论文在深入调研国内外柱塞式压裂泵研究技术水平现状和试验台架设计研究现状的基础上,提出一套可行性高的试验台架设计方案,用于实时监控压裂泵液力端各关键零部件的工作性能。在明确检测对象的运动特征及使用环境,确定试验台架各硬件的安装方式及结构。同时设计一套专门用于进行压裂泵液力端工作性能实时监控的高速数据采集软件,开展全尺寸室内试验,实时监控柱塞泵工作时各关键参数的动态特征,并对试验数据进行后处理,深入分析动态特征的产生机理、影响因素。本篇论文主要开展以下几个方面的研究工作:(1)压裂泵液力端工作机理研究现状调研。开展压裂泵液力端各零部件运动基础理论研究和试验测试分析研究现状的国内外调研工作。在此基础上提出压裂泵液力端工作性能实时监测系统的设计要求。(2)压裂泵液力端工作机理研究。通过对液力端正常吸入条件下柱塞运动理论模型、吸入腔压力变化规律理论模型、泵阀运动规律数学模型进行详细分析,弄清其基本特征,为压裂泵液力端工作性能实时监测系统各传感器性能要求提供充足依据。(3)设计实时监测系统子传感器组。结合2800型五缸柱塞压裂泵结构特性,依据三维计算机辅助软件对柱塞位移传感器、排出阀位移传感器、吸入阀位移传感器、吸入管压力传感器进行结构设计,依据ANSYS APDL有限元分析软件和现有理论公式对所设计结构进行参数验证,同时完成吸入腔压力传感器设计及关键参数理论计算。(4)设计实时监控系统采集硬件和软件。依据子传感器组件基本参数,设计高速率数据采集器。在Visual Studio2010环境下运用C#语言,进行配套实时监控系统数据采集软件设计。(5)全尺寸室内试验。依据所设计的压裂泵液力端工作性能实时监测系统,对2800型五缸压裂泵进行试验测试,实时监控柱塞泵工作时各关键参数的动态特征,明确其变化规律,对试验数据进行后处理,深入分析动态特征的产生机理、影响因素。通过本文的研究,将具备柱塞式压裂泵液力端工作性能参数的检测和分析能力,可用于指导压裂泵液力端的优化设计和新产品研发,有利于进一步提高柱塞式压裂泵的工作性能,提高国内压裂泵在市场上的竞争力和份额。