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上海滬工閥門廠(集團)有限公司

滬工閥門

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摘要:通過對(dui)(dui)鉆井泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)疲(pi)勞壽(shou)命(ming)(ming)的研究,進一步闡明泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)失(shi)效(xiao)的主要機(ji)理。利用(yong) ANSYS/LS—DYNA 軟件構建(jian)泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)三維實體模型,模擬閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)盤沖(chong)擊閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)座的過程(cheng),得到閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)盤受(shou)力(li)(li)分布圖,據此(ci)分析脈動循環應(ying)力(li)(li)對(dui)(dui)泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)疲(pi)勞破壞的影響。該分析著重考慮(lv)了在交(jiao)變(bian)載荷作用(yong)下應(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)對(dui)(dui)加速(su)泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)失(shi)效(xiao)所帶來的危害性,完善了泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)的無沖(chong)擊理論。依(yi)據泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)疲(pi)勞壽(shou)命(ming)(ming)曲(qu)線(xian),對(dui)(dui)泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)(ming)進行估算,并(bing)提出(chu)一種泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)結構改(gai)進的新方案,在一定程(cheng)度上有效(xiao)減緩了應(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong),對(dui)(dui)延長泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)(ming)具有重要的實用(yong)價值。

關鍵詞:鉆井泵閥脈動循環應力應力集中疲勞壽命

泵(beng)閥(fa)是(shi)鉆井泵(beng)的(de)關鍵部件(jian)和易損(sun)件(jian)之一,其(qi)設計好(hao)壞直接影(ying)響到(dao)泵(beng)的(de)工作性(xing)能(neng)和使用壽命(ming)。一方面(mian)(mian),要提高(gao)泵(beng)閥(fa)接觸(chu)表(biao)面(mian)(mian)耐(nai)沖(chong)蝕的(de)能(neng)力(li),就(jiu)必然要增加接觸(chu)面(mian)(mian)的(de)表(biao)面(mian)(mian)硬度(du),而(er)硬度(du)過高(gao)又(you)會(hui)削弱耐(nai)沖(chong)擊的(de)性(xing)能(neng)。另一方面(mian)(mian),要提高(gao)材料抗沖(chong)擊載荷的(de)能(neng)力(li),就(jiu)必須保證(zheng)材料有(you)較高(gao)的(de)韌性(xing),相應的(de)硬度(du)又(you)會(hui)受影(ying)響。此外,盡管泵(beng)閥(fa)的(de)綜(zong)合性(xing)能(neng)好(hao),但在不同工況條件(jian)下,各種性(xing)能(neng)并(bing)不會(hui)同時(shi)發揮作用,且泵(beng)閥(fa)的(de)加工成本也會(hui)相應提高(gao)。因此,研究泵(beng)閥(fa)的(de)失效(xiao)機理對(dui)泵(beng)閥(fa)的(de)設計制造具(ju)有(you)重(zhong)要的(de)指導作用。

一(yi)般(ban)而(er)言,造成鉆(zhan)井泵(beng)閥(fa)失(shi)效的原(yuan)因(yin)有沖(chong)(chong)擊疲(pi)勞破(po)(po)壞(huai)和(he)沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)礪磨(mo)損(sun)(液(ye)力(li)磨(mo)礪性磨(mo)損(sun))兩種。然而(er)通過對(dui)礦場(chang)報廢(fei)的鉆(zhan)井泵(beng)閥(fa)宏觀和(he)微(wei)觀形(xing)貌分(fen)析表明,沖(chong)(chong)擊疲(pi)勞破(po)(po)壞(huai)是泵(beng)閥(fa)失(shi)效的主(zhu)要機(ji)理,因(yin)此在泵(beng)閥(fa)設(she)計時,要重(zhong)點考慮泵(beng)閥(fa)材料(liao)的抗沖(chong)(chong)擊疲(pi)勞性能及(ji)由零件的局部應力(li)狀態確定的疲(pi)勞強度。

本(ben)文依據泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)在關閉(bi)階段的(de)(de)簡化模(mo)型(xing)和泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)沖擊(ji)過(guo)程的(de)(de)有限元動力(li)(li)學模(mo)型(xing),重點研究(jiu)泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)沖擊(ji)時,閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)盤(pan)與閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)座接(jie)觸(chu)面上產(chan)生應力(li)(li)集中部位的(de)(de)受(shou)力(li)(li)形式及(ji)程度,并通過(guo)泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)疲(pi)勞壽命(ming)(ming)曲線對最大應力(li)(li)區(qu)進行疲(pi)勞校核(he),從(cong)而估算泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)(de)使用(yong)(yong)壽命(ming)(ming)。根據疲(pi)勞壽命(ming)(ming)曲線,以泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)最弱區(qu)為對象,通過(guo)改進泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)(de)結構(gou)以降低峰值應力(li)(li),為高效地利用(yong)(yong)泵(beng)(beng)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)提(ti)出可行性(xing)方案。

1 泵閥應力分析

隨(sui)著活塞的(de)往(wang)復運(yun)動,閥(fa)盤對閥(fa)座產生間(jian)歇沖擊,泵(beng)閥(fa)承受沖擊載荷。接觸(chu)面上應(ying)(ying)力(li)(li)由閉合瞬間(jian)到產生最大應(ying)(ying)力(li)(li)再到泵(beng)閥(fa)開(kai)啟時刻,如(ru)此循環沖擊,可以認定泵(beng)閥(fa)承受脈動循環應(ying)(ying)力(li)(li)。

在(zai)泵(beng)閥(fa)關閉(bi)(bi)階段的(de)(de)簡化模型(xing)中,假定在(zai)很(hen)小的(de)(de)滯(zhi)后(hou)高(gao)度內,閥(fa)盤(pan)受力不變,勻加速向下運動(dong),直(zhi)至關閉(bi)(bi)。根據此模型(xing)求出泵(beng)閥(fa)關閉(bi)(bi)時刻閥(fa)盤(pan)的(de)(de)速度和加速度。

文獻中以油田大量使用的 7# 閥為例,選取錐角為 45°(錐角為錐閥母線與軸線之間的夾角),設定閥開啟時曲柄轉角φ=25°,沖次為 120 次/min,泵壓為 15MPa,在曲柄轉角φ=25°~180°之間,對鉆井泵閥阿道爾夫精確微分方程進行數值仿真,得到閥盤的滯后高度為 0.0056m,在此處的速度為﹣0.4067m/s2。利用簡化模型,可求出泵閥關閉時刻閥盤的速度為﹣19.3676m/s,加速度為﹣33476.65m/s2

以簡化模型得到的(de)(de)關閉時刻閥(fa)盤的(de)(de)速度和加速度作為(wei)運動邊界(jie)條(tiao)件,利用 ANSYS/LS—DYNA 軟件構建泵閥(fa)的(de)(de)三維(wei)模型,模擬閥(fa)盤沖擊閥(fa)座的(de)(de)過程。按泵閥(fa)的(de)(de)實(shi)際尺寸建立泵閥(fa)整體模型,省略密封(feng)圈,根據(ju)鉆并泵閥(fa)實(shi)際工(gong)況設置材料(liao)屬性及幾何約束條(tiao)件,采用 8 結點六面體單元進行網格化劃分,建立模型,剖視圖(tu)如圖(tu) l 所示(shi)。

鉆井泵閥壽命分析圖1
圖(tu) 1 泵閥三維(wei)模型(xing)剖視圖(tu)

應用動(dong)力(li)學理(li)論分析處理(li)碰(peng)撞、滑(hua)動(dong)接觸界面(mian)問(wen)題,得到錐角 45 °、7 #閥(fa)閥(fa)盤在閉合階(jie)段(duan)產(chan)生最大局部(bu)應力(li)時的應力(li)分布圖,如圖 2。

鉆井泵閥壽命分析圖2
圖 2 閥(fa)盤應力(li)分布圖

由圖 2 得到閥盤在沖擊閥座的過程中,產生的最大局部集中應力為 0.955×109Pa,從而可知泵閥錐面下端應力集中區域承受的脈動循環載荷 0.955×109Pa,周期為 0.5s(泵(beng)閥的沖次為 120 次/min),如(ru)圖 3。

鉆井泵閥壽命分析圖3
圖(tu) 3 錐面下(xia)端應力集中區域受力形式

在(zai)脈動循環應力(li)作用下(xia),錐面下(xia)端(duan)應力(li)集中(zhong)區(qu)域更易形(xing)成疲勞裂(lie)紋,使泵(beng)閥的(de)疲勞強度顯著降低,這一點與閥座(zuo)失(shi)效(xiao)的(de)宏(hong)觀形(xing)貌(mao)中(zhong)錐面下(xia)部發(fa)生嚴重塑性(xing)變形(xing)的(de)現象完全吻合。可見,泵(beng)閥沖(chong)擊時(shi)應力(li)集中(zhong)引起(qi)的(de)沖(chong)擊疲勞是(shi)泵(beng)閥失(shi)效(xiao)的(de)主要原因。

本文采用(yong)三維(wei)幾何(he)實(shi)體(ti)模(mo)(mo)(mo)型代替文獻中的(de)(de)二維(wei)平面模(mo)(mo)(mo)型,將各種類型動力載(zai)荷施加到結構模(mo)(mo)(mo)型的(de)(de)特定受載(zai)部分,模(mo)(mo)(mo)擬真實(shi)碰(peng)撞(zhuang)過程(cheng)。利用(yong) ANSY/LS—DYNA 軟件有(you)限元顯式非線性動力分析(xi)求解程(cheng)序,計算得到更加精確的(de)(de)應(ying)力解,并且(qie)對應(ying)力分布的(de)(de)方位有(you)更加直(zhi)觀的(de)(de)認(ren)識。

2 泵閥材料的S-N曲線

鉆井泵閥(fa)的制造材(cai)料廣泛(fan)采用40Cr鋼(gang),40Cr鋼(gang)屬低合(he)金中(zhong)碳結構鋼(gang),經調質(zhi)處理后,具有可塑性(xing)好(hao)、疲(pi)勞(lao)強度高、缺(que)口敏感性(xing)低、低溫沖(chong)擊韌性(xing)優良等特(te)性(xing)。力學(xue)性(xing)能見表1。

表1 泵閥材料40Cr鋼調質處理態力學性能
σb/MPa σ0.2/MPa δs/% ψ%
1080
950
18.0
58.0

文獻給出了 40Cr 鋼光滑試樣在 105~1010 循環周(zhou)次范(fan)圍(wei)內的疲勞壽命(ming)(S-N)曲線,如圖 4 所示。

鉆井泵閥壽命分析圖4
圖(tu)4 40Cr鋼(gang)S-N曲(qu)線

在 105~108周次范(fan)圍(wei)內,疲(pi)勞(lao)曲線可用 Basquin 方(fang)程式描(miao)述:

鉆井泵閥壽命分析公式1

式中σa——疲勞載荷應力幅;
Nf——σa作用下發生疲勞破壞時的載荷循環周次;
σ'f——疲勞強度系數;
b——疲(pi)勞強度(du)指(zhi)數或 Basquin 指(zhi)數。

將實驗結果擬合得到 40Cr 鋼 S-N 曲線的(de) Basquin 方程為:

σa﹣¹=2431×(2Nf-0.0998 (2)

式中 σa﹣¹——對稱循環疲勞載荷(he)應(ying)力幅。

在對稱循環(huan)條件(jian)下(xia):

σ-1a﹣¹ (3)

式中 σ-1——對稱循環極限應力(li)。

把式(3)代入式(2)得到 40Cr 鋼的對(dui)稱循(xun)(xun)環極限應(ying)力(li)與該應(ying)力(li)下發(fa)生疲勞破壞時的循(xun)(xun)環周次之間的關系式:

σ-1=2431×(2Nf-0.0998 (4)

由式(4)可得 40Cr 鋼試樣條(tiao)件疲勞極限壽命(ming)圖(tu)(tu),如圖(tu)(tu)5所示。

鉆井泵閥壽命分析圖5
圖(tu)(tu) 5 條件(jian)疲勞極限壽命圖(tu)(tu)

3 泵閥疲勞壽命曲線

Peterson 根據大量的實(shi)驗數據,得(de)到在蠕變(bian)溫度以下,描述承受交變(bian)載荷(he)機(ji)械零(ling)件的交變(bian)應(ying)力幅(fu)、平均應(ying)力與材料機(ji)械性能關系(xi)的方程(cheng):

鉆井泵閥壽命分析公式2

式中 σa——交變應力幅;
σm——平均應力;
σb——材料抗拉(la)強度。

材料在不同對稱循環極限應力作用下,都有σm=0,代入式(5)得:σa-1,符合對稱循環應力的特性。在脈動循環條件下,脈動循環極限應力 σ0與脈動循環疲勞載荷應力幅 σa0、平均應力 σm之間關系式為:

鉆井泵閥公式3

代入式(shi)(shi)(5)中可得材料在同一(yi)壽(shou)命(ming)下所對(dui)應(ying)(ying)的脈動(dong)循(xun)環(huan)極限應(ying)(ying)力(li)與對(dui)稱循(xun)環(huan)極限應(ying)(ying)力(li)的關系式(shi)(shi)為(wei):

鉆井泵閥公式4

式中 σ0——脈動循環極限應力。

由式(4)與式(7)可得材料發生疲(pi)勞破壞時的(de)(de)循(xun)環周次與對應(ying)的(de)(de)脈動循(xun)環極限應(ying)力的(de)(de)關系式:

鉆井泵閥公式5

從而得到泵閥在脈動循(xun)環應力作用下的疲勞(lao)壽命曲(qu)線(xian),如圖6。

鉆井泵閥壽命分析圖6
圖 6 泵閥疲(pi)勞(lao)壽命(ming)圖

4 泵閥壽命分析

閥盤在沖擊閥座的過程中,所承受最大局部集中0.955×109Pa。根據泵閥疲勞壽命曲線,對應的脈動循環周次為 2.1×105,即泵(beng)(beng)閥(fa)的使用壽命(ming)(ming)約為 25h~30h。由于(yu)以上簡化模型求解時忽(hu)略了實(shi)際(ji)工(gong)況中存在的兩(liang)個因(yin)素(su),因(yin)此得出的結果(guo)與實(shi)際(ji)泵(beng)(beng)閥(fa)壽命(ming)(ming)可(ke)能略有出入。現(xian)對這兩(liang)因(yin)素(su)分析如下:

一(yi)方(fang)(fang)(fang)(fang)面(mian),在(zai)泵閥(fa)(fa)(fa)關閉階(jie)段簡化模型和泵閥(fa)(fa)(fa)沖(chong)擊過(guo)程有(you)限元動力(li)(li)(li)學模型中認(ren)為,閥(fa)(fa)(fa)盤(pan)在(zai)高度(du)(du)(du)(du) 5.6mm處(chu),由于強大壓力(li)(li)(li)推(tui)動快(kuai)速下落,從而(er)完全忽(hu)略水力(li)(li)(li)摩(mo)阻和導軌摩(mo)阻。在(zai)此階(jie)段閥(fa)(fa)(fa)盤(pan)受(shou)力(li)(li)(li)平衡方(fang)(fang)(fang)(fang)程中,由于阻力(li)(li)(li)忽(hu)略,求(qiu)出閥(fa)(fa)(fa)盤(pan)下落時的(de)(de)(de)速度(du)(du)(du)(du)與加速度(du)(du)(du)(du)比(bi)實(shi)際情況下的(de)(de)(de)速度(du)(du)(du)(du)與加速度(du)(du)(du)(du)大。在(zai)實(shi)際工況下,閥(fa)(fa)(fa)盤(pan)從最高位置到與閥(fa)(fa)(fa)座(zuo)接觸(chu),時間極短。閥(fa)(fa)(fa)盤(pan)運動下方(fang)(fang)(fang)(fang)的(de)(de)(de)液(ye)體受(shou)到壓縮變(bian)(bian)得(de)相對稠密(mi)(mi)(密(mi)(mi)度(du)(du)(du)(du)增大),而(er)閥(fa)(fa)(fa)盤(pan)上方(fang)(fang)(fang)(fang)的(de)(de)(de)液(ye)體又會(hui)(hui)變(bian)(bian)得(de)相對稀薄(密(mi)(mi)度(du)(du)(du)(du)減(jian)小),液(ye)體會(hui)(hui)由稠密(mi)(mi)的(de)(de)(de)地(di)方(fang)(fang)(fang)(fang)向稀薄的(de)(de)(de)地(di)方(fang)(fang)(fang)(fang)流(liu)動,由于快(kuai)速運動的(de)(de)(de)閥(fa)(fa)(fa)盤(pan)上方(fang)(fang)(fang)(fang)產(chan)生了液(ye)體稀薄區域(yu),閥(fa)(fa)(fa)盤(pan)下方(fang)(fang)(fang)(fang)的(de)(de)(de)液(ye)體就會(hui)(hui)極力(li)(li)(li)繞(rao)過(guo)閥(fa)(fa)(fa)盤(pan)向閥(fa)(fa)(fa)盤(pan)上方(fang)(fang)(fang)(fang)流(liu)動,并帶動四周的(de)(de)(de)液(ye)體快(kuai)速填補這(zhe)(zhe)一(yi)區域(yu),這(zhe)(zhe)樣便(bian)形成了流(liu)體渦(wo)旋。有(you)渦(wo)旋的(de)(de)(de)地(di)方(fang)(fang)(fang)(fang)液(ye)體運動加速,壓強會(hui)(hui)進一(yi)步減(jian)小,因此,對于快(kuai)速運動的(de)(de)(de)閥(fa)(fa)(fa)盤(pan),下方(fang)(fang)(fang)(fang)受(shou)到的(de)(de)(de)液(ye)體壓強遠遠大于上方(fang)(fang)(fang)(fang)渦(wo)旋處(chu)的(de)(de)(de)壓強,上下壓強差對閥(fa)(fa)(fa)盤(pan)產(chan)生了一(yi)個(ge)向上的(de)(de)(de)阻力(li)(li)(li),這(zhe)(zhe)個(ge)阻力(li)(li)(li)跟渦(wo)旋有(you)關,定(ding)義為渦(wo)旋阻力(li)(li)(li)。在(zai)流(liu)體中運動的(de)(de)(de)閥(fa)(fa)(fa)盤(pan)所受(shou)的(de)(de)(de)阻力(li)(li)(li)包括摩(mo)擦阻力(li)(li)(li)和渦(wo)旋阻力(li)(li)(li),渦(wo)旋阻力(li)(li)(li)要(yao)比(bi)摩(mo)擦阻力(li)(li)(li)大得(de)多,所以在(zai)求(qiu)解時不叮忽(hu)略。

另一方(fang)面,在(zai)(zai) ANSYS 模擬時(shi)也并未考(kao)慮密(mi)封(feng)圈的(de)緩沖(chong)作(zuo)用(yong)。密(mi)封(feng)圈工(gong)作(zuo)錐(zhui)(zhui)面的(de)錐(zhui)(zhui)度(du)一般與(yu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)盤(pan)(pan)(或閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)(zuo))錐(zhui)(zhui)度(du)相同,而且前者(zhe)突出于閥(fa)(fa)(fa)(fa)盤(pan)(pan)錐(zhui)(zhui)面以外。這樣(yang)當閥(fa)(fa)(fa)(fa)盤(pan)(pan)下(xia)落時(shi),密(mi)封(feng)圈首先與(yu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)(zuo)接觸(chu)(chu),對閥(fa)(fa)(fa)(fa)盤(pan)(pan)與(yu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)(zuo)金屬面之(zhi)間產生(sheng)的(de)剛性(xing)接觸(chu)(chu)起緩沖(chong)作(zuo)用(yong)。同時(shi),由于密(mi)封(feng)圈首先與(yu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)(zuo)接觸(chu)(chu),在(zai)(zai)閥(fa)(fa)(fa)(fa)盤(pan)(pan)與(yu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)(zuo)之(zhi)間密(mi)封(feng)液體,這樣(yang)在(zai)(zai)閥(fa)(fa)(fa)(fa)盤(pan)(pan)與(yu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)(zuo)金屬尚未接觸(chu)(chu)之(zhi)前便在(zai)(zai)金屬間形(xing)成“液墊”,從而可以減少閥(fa)(fa)(fa)(fa)最后關閉時(shi)的(de)沖(chong)擊。

綜上分析可知,模擬求出的集中應力與實際有一定差距。為了使結果更接近于實際數據,可在該模型求出的應力基礎上,再乘一個考慮實際阻力和緩沖的折減系數,該系數可通過實驗測量得出。假設阻力折減系數為φf,緩沖折減系數為φt,則總折減系數φ=φf×φt,實際應力(li)σ=φ×σˊ(σˊ為理(li)論應力(li)),然后參照泵(beng)(beng)閥(fa)疲(pi)勞(lao)壽(shou)命(ming)圖,可以求得(de)泵(beng)(beng)閥(fa)的(de)使用(yong)壽(shou)命(ming)。需要強調的(de)是,用(yong)理(li)論應力(li)得(de)出的(de)泵(beng)(beng)閥(fa)壽(shou)命(ming)具有一定的(de)安全余量,可以為現場人員(yuan)及(ji)時更(geng)換泵(beng)(beng)閥(fa)提供(gong)參考。

5 泵閥的改進措施

從圖(tu) 2 上可以看到閥盤下錐(zhui)角部(bu)(bu)位(wei)呈現出(chu)最大應力(li)(li)區域(yu)。原(yuan)因主要是(shi)閥盤與閥座沖擊閉合(he)時,閥盤錐(zhui)面與閥座接觸,承(cheng)受沖擊載荷,在(zai)錐(zhui)面 與閥盤底(di)部(bu)(bu)過(guo)渡(du)處結構(gou)尺寸(cun)急(ji)劇變化(hua)產生(sheng)(sheng)應力(li)(li)集中(zhong)。應力(li)(li)集中(zhong)使局部(bu)(bu)區域(yu)的(de)應力(li)(li)值超過(guo)了材料(liao)按預(yu)定(ding)壽(shou)命(ming)所能(neng)承(cheng)受的(de)應力(li)(li)水平,由此(ci)萌生(sheng)(sheng)裂紋。疲(pi)勞源系在(zai)應力(li)(li)集中(zhong)較大的(de)尖角根部(bu)(bu)萌生(sheng)(sheng),并向(xiang)芯(xin)部(bu)(bu)擴展,所以泵(beng)閥主要從錐(zhui)角與閥盤底(di)部(bu)(bu)改進(jin)。在(zai)泵(beng)閥其它(ta)結構(gou)及性能(neng)不變的(de)情形下,為(wei)(wei)了減少應力(li)(li)集中(zhong),底(di)面設計為(wei)(wei)圓(yuan)(yuan)弧(hu)型,并與錐(zhui)面采用圓(yuan)(yuan)滑過(guo)渡(du)(此(ci)時圓(yuan)(yuan)弧(hu)半(ban)徑為(wei)(wei) 88.54mm)。泵(beng)閥改進(jin)前后的(de)零件圖(tu)如圖(tu) 6 所示。

對改進后的泵閥做 ANSYS/LS—DYNA 三(san)維動態模擬(ni)分析,建立模型(xing),剖視圖如圖 7。

鉆井泵閥壽命分析圖7
圖 7 泵閥改進前后(hou)結構圖

得到閥盤在(zai)閉合階段產生最大局部(bu)應力時的應力分(fen)布圖,如圖 8。

鉆井泵閥壽命分析圖8
圖 8 改(gai)進后泵(beng)閥(fa)三維模型剖視圖

由圖 8 可知,最大局部應力出現在錐角偏上方,為 0.834×109Pa,比原來泵閥承受的最大應力 0.955×109Pa 減(jian)小了 12.67%。將求(qiu)出的應力代入泵(beng)(beng)閥疲勞壽命(ming)圖 6,得到泵(beng)(beng)閥的壽命(ming)為 210h~320h。結構(gou)改進后,泵(beng)(beng)閥的壽命(ming)大大提高。

此(ci)外,改(gai)進后的閥體(ti)(ti)在流體(ti)(ti)中(zhong)運動(dong)時還能有(you)(you)效(xiao)(xiao)地減小水(shui)力摩阻,減緩流體(ti)(ti)中(zhong)磨礪(li)性物質(zhi)對底部(bu)及錐面的沖蝕磨損,閥盤落在閥座上時的密封(feng)效(xiao)(xiao)果也(ye)有(you)(you)所改(gai)善。

6 結論

(1)利用 ANSYS/LS—DYNA 軟件對閥盤沖擊(ji)(ji)閥座做三維實體動態(tai)模擬,得(de)到沖擊(ji)(ji)過(guo)程中(zhong)泵閥產生最大局部應力(li)時的(de)應力(li)分(fen)布圖(tu),分(fen)析(xi)閥盤下錐角處應力(li)集中(zhong)的(de)受力(li)形式(shi)與程度(du)。

(2)針對(dui)鉆(zhan)井泵閥(fa)的(de)(de)沖擊(ji)疲勞破壞,通(tong)過分析泵閥(fa)材料在(zai)對(dui)稱循(xun)環(huan)(huan)應(ying)力(li)下的(de)(de)條件疲勞極(ji)限(xian),得(de)到泵閥(fa)在(zai)脈(mo)動(dong)循(xun)環(huan)(huan)載荷作用下的(de)(de)疲勞壽(shou)命曲線。依據此曲線,校核由泵閥(fa)關閉階段簡化(hua)模型和泵閥(fa)沖擊(ji)過程有限(xian)元(yuan)動(dong)力(li)學模型求出的(de)(de)最大集中應(ying)力(li),估算泵閥(fa)的(de)(de)使(shi)用壽(shou)命。

(3)提出一(yi)種(zhong)可(ke)降低應力集(ji)中的泵閥(fa)結構改進方案,從根本上減緩(huan)泵閥(fa)的沖擊疲(pi)勞破壞(huai),對指導泵閥(fa)設計,進一(yi)步(bu)延長泵閥(fa)的使用壽命有一(yi)定的參考(kao)價(jia)值。


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