基于ANSYS Workbench的泥漿泵導(dǎo)板分析與優(yōu)化

常平

（蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅 蘭州 730314）

基于ANSYS Workbench的泥漿泵導(dǎo)板分析與優(yōu)化

常平

（蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅 蘭州 730314）

針對(duì)泥漿泵的導(dǎo)板在試車(chē)和工作過(guò)程中容易出現(xiàn)的研磨破壞和使用壽命短等問(wèn)題，根據(jù)泥漿泵工作中的壓力、排量等參數(shù)計(jì)算出了十字頭與導(dǎo)板所承受載荷的大小，然后利用大型有限元軟件ANSYS Workbench15.0平臺(tái)對(duì)十字頭與導(dǎo)板進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到了十字頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)板的最大變形位置及最大變形量。根據(jù)分析結(jié)果，在其它參數(shù)不變的情況下，對(duì)導(dǎo)板最大變形位置進(jìn)行加厚處理，導(dǎo)入到ANSYS Workbench15.0中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)板變形量減小，證明導(dǎo)板厚度是影響導(dǎo)板壽命的一個(gè)因素，對(duì)以后的導(dǎo)板的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)理論依據(jù)。

泥漿泵；導(dǎo)板；有限元；優(yōu)化

1 概述

石油在當(dāng)代生活中發(fā)揮著十分重要的作用，它深入到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，大到國(guó)防、航天、工農(nóng)業(yè)，小到百姓的日常生活，都離不開(kāi)石油及石油制品。泥漿泵（又稱(chēng)作鉆井泵）是石油鉆機(jī)的主要功能部件，被譽(yù)為石油鉆機(jī)的“心臟”，其在鉆井過(guò)程中起到供給井底動(dòng)力鉆具的動(dòng)力和攜帶井底巖屑等作用。上個(gè)世紀(jì)六七十年代，石油礦場(chǎng)使用最廣泛的是雙缸雙作用活塞式泥漿泵，這種泥漿泵相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和操作也不太復(fù)雜，但是雙缸雙作用泵在排出過(guò)程中，因?yàn)榛钊麠U也占用了一些空間，所以使得排量減小，增大了排量的不均勻程度。隨著石油礦場(chǎng)用泥漿泵向著高壓力方向發(fā)展，作用在活塞桿上的活塞力也越來(lái)越大，活塞桿的直徑也是越來(lái)越大，致使泥漿泵的排量更加不均勻，所以漸漸地這種泥漿泵遭到淘汰。當(dāng)前石油礦場(chǎng)使用最廣泛的是三缸單作用活塞式泥漿泵，這種泥漿泵有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是短沖程和高沖次，目的是為了減輕單位馬力的重量，這種泵一般的沖程范圍為6英寸至14英寸，額定沖次可達(dá)到160沖/ min，而與之相應(yīng)功率的雙缸雙作用往復(fù)式活塞泵的沖程為12英寸至18英寸，最高的額定沖次為75沖/min；二是單作用活塞結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)拆裝維修和沖洗摩擦面都很方便，而且結(jié)構(gòu)可靠，避免了大直徑柱塞密封帶來(lái)的困難[1]。

三缸單作用活塞式泥漿泵具有排量大、壓力高、壓力波動(dòng)小、流量均勻、易損件更換簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在泥漿泵出廠(chǎng)前都會(huì)在試車(chē)臺(tái)進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，檢驗(yàn)泵的功率排量壓力等指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，各個(gè)零部件是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常等。但是試車(chē)時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)比較短，有些問(wèn)題需要泥漿泵工作一定時(shí)間之后才能顯現(xiàn)出來(lái)，由于泵的動(dòng)力端采用的是曲柄連桿—十字頭機(jī)構(gòu)，所以泥漿泵在交付客戶(hù)后，經(jīng)常會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)導(dǎo)板發(fā)熱、研磨破壞等問(wèn)題，影響正常的鉆井速度，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)利用ANSYS Workbench15.0對(duì)蘭州蘭石石油公司的F-1600型泥漿泵的導(dǎo)板進(jìn)行進(jìn)一步的分析與優(yōu)化。

2 泥漿泵的工作原理

泥漿泵按結(jié)構(gòu)和功能可以分為動(dòng)力端和液力端兩大部分。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是泥漿泵實(shí)現(xiàn)吸排功能的重要組成部分，它包括曲軸、連桿、十字頭、十字頭銷(xiāo)、活塞桿和活塞等[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶、鏈條或齒輪等傳動(dòng)部件帶動(dòng)泥漿泵的輸入軸旋轉(zhuǎn)，輸入軸的小齒輪與曲軸法蘭盤(pán)上的大齒圈嚙合，帶動(dòng)曲軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)連桿的傳遞，十字頭、活塞桿及活塞實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，從而使活塞缸的容積規(guī)律性的變化，使得泥漿吸入和排出，故鉆井泵屬于容積式泵的一種。如圖1所示為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作原理圖，從中可以看出，在曲軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，曲軸每旋轉(zhuǎn)一周，十字頭在導(dǎo)板上往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次。

圖1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作原理

假設(shè)活塞位于前止點(diǎn)時(shí)，則曲柄位于最右端的水平位置，當(dāng)曲柄以角速度ω開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)，活塞開(kāi)始向左運(yùn)動(dòng)，液缸內(nèi)空間變大，缸內(nèi)形成負(fù)壓，這時(shí)排出閥在大氣壓力作用下關(guān)閉，吸入閥在泥漿池的泥漿液面大氣壓力作用下打開(kāi)，泥漿進(jìn)入液缸內(nèi)，直至曲柄旋轉(zhuǎn)至180°位置，這一過(guò)程稱(chēng)為泥漿泵的吸入過(guò)程；隨著曲柄繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞向右移動(dòng)，液缸內(nèi)泥漿受擠壓，壓力升高，導(dǎo)致吸入閥關(guān)閉，排出閥打開(kāi)，泥漿被排出缸外，經(jīng)過(guò)排出管進(jìn)入管匯，這一過(guò)程稱(chēng)為泥漿泵的排出過(guò)程。

3 分析與計(jì)算

3.1 導(dǎo)板承受載荷分析

曲軸與連桿之間通過(guò)滾動(dòng)軸承連接，在曲軸的帶動(dòng)下，連桿的運(yùn)動(dòng)形式為擺動(dòng)，所以連桿力F連的大小和方向一直在變化，現(xiàn)將連桿力分解為水平方向的最大活塞力F1，和豎直方向的分力F2。分解以后，F(xiàn)1為恒力，F(xiàn)2為變力。根據(jù)F-1600鉆井泵的計(jì)算書(shū)，F(xiàn)1=602690.2N。下面將推導(dǎo)豎直方向的分力F2的大小。

3.2 十字頭的位移方程

因?yàn)榛钊ㄟ^(guò)螺栓連接固定在十字頭上，所以十字頭與活塞的運(yùn)動(dòng)形式相同，十字頭的位移方程為

由此可見(jiàn)，十字頭在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中按照近似余弦曲線(xiàn)的規(guī)律變化。

4 十字頭與導(dǎo)板的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

4.1 幾何模型的建立

本文因主要分析導(dǎo)板的應(yīng)力與變形情況，故按照?qǐng)D紙要求對(duì)導(dǎo)板進(jìn)行完整的建模,包括圓角和倒角等，不作任何簡(jiǎn)化。

另外對(duì)于十字頭以及十字頭銷(xiāo)，在方便加載和不影響分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)二者的模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，這樣能使在保證計(jì)算精度的情況下，盡量減少計(jì)算時(shí)間，節(jié)約計(jì)算資源。

4.2 有限元模型的建立

4.2.1 定義材料屬性

根據(jù)圖紙要求，賦予各模型相應(yīng)的材料屬性，即導(dǎo)板材料為HT200，十字頭材料為QT600-3，十字頭銷(xiāo)的材料為35CrMo，各材料的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)

4.2.2 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格是有限元分析中相當(dāng)關(guān)鍵的一項(xiàng)工作，一個(gè)好的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到計(jì)算的精度和時(shí)間，所以本文在整體上先采用默認(rèn)網(wǎng)格劃分方式，并對(duì)導(dǎo)板進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。

4.3 施加約束和載荷

由于F-1600泥漿泵的最大沖次為120沖/min，所以十字頭在導(dǎo)板上每往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次需要時(shí)間0.5s，故此總仿真時(shí)間設(shè)置為0.25s，即十字頭運(yùn)動(dòng)的一個(gè)單程，在此過(guò)程中泵處于它的排出過(guò)程，活塞力最大，導(dǎo)板的工況也最?lèi)毫樱脒^(guò)程時(shí)活塞力近似為0，所以不予考慮。導(dǎo)板通過(guò)螺栓固定在導(dǎo)板座上，導(dǎo)板的約束和載荷如圖2所示，設(shè)置完畢后進(jìn)行求解。

圖2 導(dǎo)板的約束和載荷

其中，導(dǎo)板承受的總壓力F總=80157.8sin（4πt）+4413.92，如圖3所示。十字頭的位移約束方程z= 152.5-152.5cos（4πt），如圖4所示。

圖3 導(dǎo)板承受的總壓力

圖4 導(dǎo)板的位移

4.4 仿真結(jié)果

如圖5所示，十字頭在導(dǎo)板上運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)板的最大變形發(fā)生在中間部位，最大變形量為0.035mm，與導(dǎo)板座接觸的位置幾乎沒(méi)有變形。

圖5 導(dǎo)板變形圖

5 導(dǎo)板結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過(guò)上述分析結(jié)果得知，在泥漿泵的排出過(guò)程中，導(dǎo)板的最大變形發(fā)生在其中間部位，最大變形量為0.035mm，故此可將這一部位加厚來(lái)增大該位置的剛度，如圖6所示。將新導(dǎo)板模型導(dǎo)入到Workbench中，相關(guān)設(shè)置同上，計(jì)算后結(jié)果如圖7所示。

圖6 改進(jìn)后的導(dǎo)板

圖7 更改后導(dǎo)板變形圖

6 結(jié)論

基于ANSYS Workbench15.0平臺(tái)，運(yùn)用有限元方法對(duì)十字頭與導(dǎo)板進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到了十字頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)板的變形情況、最大變形量及位置。通過(guò)對(duì)比結(jié)果可以看出，導(dǎo)板在十字頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)作用下，最大變形處位于導(dǎo)板的中間位置，原導(dǎo)板最大變形為0.035mm，加厚導(dǎo)板的腹部后最大變形為減小為0.031mm，更改后較更改前變形減小0.004mm，減小率為11.16%。所以導(dǎo)板厚度是影響導(dǎo)板變形的因素之一，加厚導(dǎo)板可以延長(zhǎng)使用壽命。同時(shí)，我們也要意識(shí)到，導(dǎo)板結(jié)構(gòu)并不是影響導(dǎo)板壽命的唯一因素，除去泥漿泵的各個(gè)零部件的裝配問(wèn)題外，導(dǎo)板的材料、熱處理工藝、潤(rùn)滑情況等也都是需要我們討論的重要課題，只有把這些問(wèn)題都認(rèn)真的研究清楚，我們才能真正的了解到底哪些因素影響導(dǎo)板壽命，在今后對(duì)于導(dǎo)板的設(shè)計(jì)、制造、裝配和使用過(guò)程中加以控制，從而提升泵的工作性能，加快鉆井速度。

[1] 邱真理.三缸單作用活塞式泥漿泵導(dǎo)板發(fā)熱原因分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，1999,28（3）：31-33.

[2] 宋保華，王立梅，賀建隆，等.三缸單作用泥漿泵曲軸受力分析[J].化學(xué)工程與裝備，2011，（6）：131-134.

[3] 華東石油學(xué)院礦機(jī)教研室.石油鉆采機(jī)械[M].1版.北京：石油工業(yè)出版社，1982:144-151.

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