钻井泵组装式曲轴设计与有限元分析.pdf

２０１４年第４３卷第１１期第４８页石油矿场机械犗犐犔犉犐犈犔犇犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０１４，４３（１１）４８  ５１文章编号１００１  ３４８２（２０１４）１１  ００４８  ０４钻井泵组装式曲轴设计与有限元分析刘红芳１，曾兴昌１，２，罗元清１，于书清３（１．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡７２１００２；２．国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡７２１００２；３．沧州市华油飞达石油装备有限公司，河北沧州０６１００１）摘要介绍了目前钻井泵常采用的整体铸造式、整体锻造式、组焊式、组装式４种结构形式。组装式曲轴可避免整体铸造、整体锻造及焊接等带来的诸多问题，被越来越多的钻井泵设计者所采用。确定芯轴和偏心轮之间合理的装配过盈量是组装式曲轴设计的关键点和难点。应用ＡＮＳＹＳ软件的非线性接触分析功能，计算出某新型组装式曲轴的芯轴与偏心轮之间合理的装配关系为Ｈ７／ｔ６，可供同类设计参考。关键词钻井泵；曲轴；过盈装配；有限元分析中图分类号ＴＥ９２６文献标识码Ａ犱狅犻１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１  ３８４２．２０１４．１１．０１２犇狉犻犾犾犻狀犵犘狌犿狆犃狊狊犲犿犫犾狔犆狉犪狀犽狊犺犪犳狋犇犲狊犻犵狀犻狀犵犪狀犱犉犈犃ＬＩＵＨｏｎｇ  ｆａｎｇ１，ＺＥＮＧＸｉｎｇ  ｃｈａｎｇ１，２，ＬＵＯＹｕａｎ  ｑｉｎｇ１，ＹＵＳｈｕ  ｑｉｎｇ３（１．犅犪狅犼犻犗犻犾犳犻犲犾犱犕犪犮犺犻狀犲狉狔犆狅．，犔狋犱．，犅犪狅犼犻７２１００２，犆犺犻狀犪；２．犖犪狋犻狅狀犪犾犗犻犾犪狀犱犌犪狊犇狉犻犾犾犻狀犵犈狇狌犻狆犿犲狀狋犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犚犲狊犲犪狉犮犺犆犲狀狋犲狉，犅犪狅犼犻７２１００２，犆犺犻狀犪；３．犆犪狀犵狕犺狅狌犎狌犪犫犲犻犘犲狋狉狅犾犲狌犿犉犲犻犱犪犗犻犾犈狇狌犻狆犿犲狀狋犆狅．，犔狋犱．，犆犪狀犵狕犺狅狌０６１００１，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋Ｆｏｕｒｔｙｐｅｓｏｆｆｒｅｑｕｅｎｔｃｒａｎｋｓｈａｆｔｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｗｈｏｌｅｃａｓｔｅｄ，ｗｈｏｌｅｆｏｒｇｅｄ，ａｓｓｅｍｂｌｙｗｅｌｄｅｄ，ａｎｄａｓｓｅｍｂｌｙｃｒａｎｋｓｈａｆｔ．Ｔｈｅａｓｓｅｍｂｌｙｃｒａｎｋｓｈａｆｔｉｓｂｅｉｎｇａｄｏｐｔｅｄｂｙｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｐｕｍｐｅｎｇｉｎｅｅｒｓｂｅｃａｕｓｅｉｔｃａｎａｖｏｉｄｍａｎｙｏｔｈｅｒｔｙｐｅｃｒａｎｋｓｈａｆｔｓ’ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｉｔｉｓｃｒｉｔｉｃａｌａｎｄｄｉｆ  ｆｉｃｕｌｔｆｏｒａｓｓｅｍｂｌｙｃｒａｎｋｓｈａｆｔｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅａｐｐｏｓｉｔｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅｂｅｔｗｅｅｎｃｅｎｔｒａｌｓｈａｆｔａｎｄｅｃｃｅｎｔｒｉｃｗｈｅｅｌ．ＡＮＳＹＳ’ｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｎｔａｃｔａｎａｌｙｓｉｓｆｕｎｃｔｉｏｎｗａｓｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｓｏｍｅｎｅｗｔｙｐｅｃｒａｎｋｓｈａｆｔ’ａｐｐｏｓｉｔｅａｓｓｅｍｂｌｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｃｅｎｔｒａｌｓｈａｆｔａｎｄｅｃｃｅｎｔｒｉｃｗｈｅｅｌｉｓＨ７／ｔ６．Ｉｔｍａｙｂｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｉｎｓｉｍｉｌａｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇ．犓犲狔狑狅狉犱狊ｄｒｉｌｌｉｎｇｐｕｍｐ；ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｓｓｅｍｂｌｙ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ１钻井泵曲轴结构形式及特点钻井泵一般分为动力端和液力端２大部分。液力端将机械能转化为泥浆动能，是实现泵功能最直接的执行部件；动力端是动力机和液力端之间能量的传递和转换机构，一般将柴油机或电机的旋转运动转换为往复运动［１］。由于动力端不是直接的功能执行部件，只要能够最终输出往复运动即可，所以机构形式具有多样性，例如曲柄连杆机构、凸轮机构、液压传动等。其中，曲柄连杆机构结构简单可靠，综合性能最具优势，在钻井泵设计中应用最多。曲轴在钻井泵设计中至关重要，其结构型式直接影响泵的体积、质量、可靠性、平稳性、成本等。从结构形式及制造工艺的角度划分，钻井泵常见的曲轴有整体铸造式、整体锻造式、组焊式和组装式４种，如图１～４所示。图１整体铸造曲轴（三维模型）  收稿日期２０１４  ０６  ２８作者简介刘红芳（１９６４ ），女，陕西宝鸡人，工程师，主要从事石油标准化管理研究，Ｅ  ｍａｉｌｌｈｆ１９９６６＠１６３．ｃｏｍ。图２整体锻造曲轴（三维模型）图３组焊式曲轴图４组装式曲轴（三维模型）整体铸造曲轴一般采用低合金铸钢或球墨铸铁，可以采用空心或实心结构，成本相对较低，但由于结构复杂等容易出现裂纹、气孔、缩孔、渣眼等铸造缺陷，如果不严格执行探伤检验程序，则会造成质量问题。在三缸泵开始推广使用阶段，国内外钻井泵都曾发生过曲轴断裂事故，经不断改进设计计算方法、材料、铸造工艺等，曲轴质量才逐渐趋于稳定［２］。整体锻造式曲轴采用低合金钢锻件，零件的强度、塑性、冲击功等力学性能指标均能达到较高的水平，但其材料和机加工成本较高，一般用于压裂泵、注水泵等尺寸相对较小的产品，近年来才逐步引入到某些新型钻井泵产品中。例如宝石机械公司的ＱＤＰ  ３０００型五缸钻井泵、宏华公司的５ＮＢ２４００ＧＺ钻井泵等。随着对整体式曲轴缺点的认识不断深入，设计者越来越多地开始采用各种形式的分体式曲轴，主要形式为组焊式和组装式２种，它们既可以提高曲轴的力学性能和可靠性，又可以降低制造难度和成本。各种曲轴优缺点总结如表１。２组装式曲轴设计要点与难点通过对钻井泵曲轴常见结构形式及其特点的分析，发现组装式曲轴可避免铸造、整体锻造、焊接等带来的诸多问题，兼具其他３种曲轴的优点。事实上，组装式曲轴是近年来钻井泵设计中才开始采用的新结构，国外应用比国内多，其常见的装配连接方式有平键、销轴、过盈等。通常情况下，仅靠１种方式不能传递足够大的转矩，需要组合应用多种连接方式，例如平键＋过盈装配、销轴＋过盈装配等。表１钻井泵曲轴形式及其特点结构形式材料结构与性能特点应用情况整体铸造式低合金铸钢或球墨铸铁成本低；可靠性低，容易出现裂纹等铸造缺陷，对铸造工艺要求较高；表面需手工打磨，外观质量差；体积与质量大大量采用，例如宝石机械Ｆ系列泵等整体锻造式高强度低合金锻钢强度、塑性、冲击功等力学性能高；原材料及加工成本高；全机加工表面，外观质量好；体积与质量小一般用于压裂泵和注水泵等组焊式直轴低合金锻钢偏心轮低合金铸钢或锻钢对焊接工艺性和无损探伤要求高；为保证焊接性，一般采用低碳低合金钢，材料力学性能较低，需适当加大尺寸；体积与质量较小国外应用较多９４第４３卷第１１期刘红芳，等钻井泵组装式曲轴设计与有限元分析  续表１结构形式材料结构与性能特点应用情况组装式芯轴低合金锻钢偏心轮铸造碳钢芯轴强度、塑性、冲击功等力学性能高，偏心轮铸造难度较整体铸造式曲轴低；加工难度与成本适中；全机加工表面，外观质量好；体积与质量小新结构，形式多样，国内外均有应用组装式曲轴对设计和装配的要求很高，确定合理的过盈装配量是设计的难点和关键点。过盈量要保证能够传递足够大的转矩（芯轴与偏心轮之间不打滑），同时，过盈量又不能太大，否则会导致装配应力过大而损坏零件。这在国内外各种组装式曲轴的设计中都要遇到，在有限元分析技术出现之前，人们对过盈装配问题的计算能力非常有限，只能计算少量规则结构的装配应力、比压等，例如直轴与套筒等。３某新型组装式曲轴有限元分析本文在某新型组装式曲轴设计中应用ＡＮＳＹＳ非线性接触分析方法［３  ４］，求出芯轴与偏心轮之间合理的装配过盈量，并经样机试验证明是可行的。３．１材料结构及尺寸曲轴由芯轴和偏心轮２部分组成，两者之间没有平键等连接件，仅靠过盈装配产生的预紧力来传递转矩和弯曲载荷。芯轴材料Ｑ４６０Ｄ，犚ｍ≥５００ＭＰａ，犚ｅＬ≥３８０ＭＰａ；偏心轮材料ＺＧ２７０  ５００，犚ｍ≥５００ＭＰａ，犚ｅＬ ≥２７０ＭＰａ。曲轴结构及尺寸如图５所示。图５新型组装式曲轴结构及尺寸３．２三维模型与有限元网格应用ＵＧ软件建立曲轴装配体三维模型，导入ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件划分网格。模型主体部分采用ＳＯＬＩＤ１８６、ＳＯＬＩＤ１８７高阶实体单元，芯轴与偏心轮结合面处应用ＣＯＮＴＡ１７４和ＴＡＲＧＥ１７０单元建立接触，并按Ｈ７／ｔ６配合的最大和最小值分别设置过盈量。曲轴三维模型与有限元网格如图６～７所示。图６曲轴三维模型图７曲轴网格模型３．３约束与载荷因为曲轴两端安装有调心轴承，其允许的转动量远远大于曲轴弹性弯曲变形引起的转动量，所以将曲轴两端按简支梁支撑（如图８，约束犃、犅）；限制安装人字齿轮法兰面的周向位移，即防止曲轴在连杆力的作用下转动（如图８，约束犆）。按２个载荷步计算①计算因过盈引起的装配应力；②保持装配应力，再在连杆轴承安装面上施加连杆力（如图８，载荷犇、犈）。连杆力的大小及方向由机构动力学模拟分析得出，在此不再详述。０５石油矿场机械２０１４年１１月  图８曲轴约束与载荷示意３．４计算与结果分析有限元计算结果如图９～１１所示。芯轴与偏心轮设计装配关系为Ｈ７／ｔ６，在最大过盈量作用下产生的最大装配应力为９６．３ＭＰａ；在过盈装配及最大连杆力的共同作用下的最大应力为芯轴１３０．７ＭＰａ，偏心轮１０１．５ＭＰａ；装配结合面上的平均比压为１５．４ＭＰａ，最大比压为４７．６ＭＰａ。图９装配应力云图（Ｖｏｎ  Ｍｉｓｅｓ应力）图１０装配＋连杆力作用下Ｍｉｓｅｓ应力图１１装配接触面比压结果分析主要有２点① 按第四强度理论，取最大过盈量＋连杆力作用下的Ｖｏｎ  Ｍｉｓｅｓ应力，分别校核芯轴和偏心轮的强度；②取最小过盈量作用下装配接触面的比压，校核曲轴传动能力是否足够，即在连杆力作用下芯轴与偏心轮之间是否会打滑。１）强度校核。芯轴强度 σｍａｘ＝１３０．７ＭＰａ≤犚ｅＬ／狀＝１６８．９ＭＰａ，足够（取安全系数狀＝２．２５）。偏心轮强度 σｍａｘ＝１０１．５ＭＰａ≤犚ｅＬ／狀＝１２０ＭＰａ，足够（取安全系数狀＝２．２５）。２）曲轴抗扭转能力校核。过盈装配能够传递的转矩为犜＝狆犃狉 μ 式中狆为结合面平均比压，ＭＰａ；犃为结合面面积，ｍｍ２；狉为结合面半径，ｍｍ； μ为摩擦因数，取０．１。代入相关数据可得犜＝１５．４９６５８５１１９２０．１＝２８５５８３Ｎｍ曲轴额定转矩为犜＝９５５０犖／狀０＝９５５０１６４０．５／１１５＝１３６２３３Ｎｍ式中犖为额定功率；狀ｏ为曲轴额定转速。过盈装配能够传递的转矩犜＞犜，抗扭转能力足够，芯轴与偏心轮之间不会打滑。４结语曲轴在钻井泵设计中至关重要，其结构形式直接影响泵的体积、质量、可靠性、平稳性、成本等。组装式曲轴可避免铸造、整体锻造、焊接等带来的诸多问题，但对设计和装配要求很高，关键在于合理设计芯轴与偏心轮之间的过盈量。有限元分析技术可精确计算装配过盈量，为组装式曲轴的设计制造提供理论依据。通过应用ＡＮＳＹＳ软件对某新型组装式曲轴进行非线性接触分析，认为组装式曲轴的芯轴与偏心轮之间比较合理的装配关系为Ｈ７／ｔ６，可供同类设计参考。参考文献［１］朱俊华站长松．往复泵［Ｍ］．北京机械工业出版社，１９９１．［２］沈学海．钻井往复泵原理与设计［Ｍ］．北京机械工业出版社，１９９０．［３］ＣｈａｎＳＨ，ＴｕｂａＩＳ．Ａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃｏｎ  ｔａｃｔｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｓｏｌｉｄｂｏｄｉｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍｅｓｈ．Ｓｃｉ  ｅｎｃｅｓ，１９７１（１３）６１５  ６３９．［４］李洪波，刘振龙，周天明，等．Ｆ  １６００型泥浆泵阀座的接触分析［Ｊ］．石油矿场机械，２０１０，３９（５）２６  ２９．［５］阿瓦科夫ＢＡ．钻井设备的计算［Ｍ］．北京石油工业出版社，１９８５．１５第４３卷第１１期刘红芳，等钻井泵组装式曲轴设计与有限元分析 

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