基于ANSYS的钻井泵泵阀有限元分析.pdf

机械研究与应用 应用与试验 基 于 A N S Y S的钻 井泵泵 阀有 限元分析 蔡荣， 蔚海文 ， 姜海翔 I ． 西南石油大学， 四川 成都6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 荆楚理工学院， 湖北 荆门4 4 8 0 0 0 摘要 运用A N S Y S对 B F T 0 0 1 新型钻井泵泵阀的带筋阀座进行 了三维有限元分析。结果表明， 改进的泵阀阀座具有 较好的稳定性； 在泵阀小端面接近 内锥面处， 应力变形最大； 阀座外锥面底部边缘的应力较大； 中间阀盘的底 部轴孔边缘也有很大的应力集中。 关键词 钻井泵； 泵阅； 有限元； 应力分析 中图分类号 T H 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 1 0 6 0 0 4 9 0 2 F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f t h e p u mp v a l v e s i n d r i l l i n g p u mp s b a s e d o n ANS YS Ca i R o n g ，Yu Ha i - we n ，J i a n g Ha i - x i a n g 2 1 ． S o u t h w e s t p e t r o l e u m u n i v e r s i t y ， C h e n g d u S h u a n 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a ； 2 ． J i n g c h u u n i v e n i q o f t e c h n o l o g y ， J i n g m e n H u b e i 4 4 8 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n ANS YS．t h r e e - d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me n t a n al y s i s i s d o n e f o r B F 7 0 0 I n e w v alv e s e a t wi t h r i b s o f d r i U i n g p u mp s ．T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e i mp r o v e d v alv e s e a t h a s a g o o d s t a b i l i t y ．I n t h e i n n e r c o n e a t t h e s ma l l e n d s u rf a c e o f the v a l v e n e a r 。t h e S L r C S S d e f o r ma t i o n i s ma x i mu m．Ou t s i d e t h e c o fi e a t t h e b o t t o m e d g e o f t h e s e a t h a s h i g h e r s t r e s s ．T h e b o t t o m a x i a l h o l e e d g e o f i n t e rm e d i a t e v a l v e d i s k als o h a s a g r e a t s t r e s s c o n c e n t r a t i o n ． Ke y wo r d s d ri l l i n g p u mp ；p u mp v alv e ；fi n i t e e l e me n t a n aly s i s ；s t r e s s a n aly s i s 1 建立模型 泵阀是钻井泵中的关键部件， 也是易损件， 使用 寿命较低， 目 前对泵阀的失效分析和动力学方程等方 面的研究很多 ，但很少涉及泵阀的三维应力变形分 析。采用 A N S Y S 程序对 B F 7 0 0 I 新型钻井泵泵阀的 带筋阀座进行分析， 以了解掌握泵阀的应力分布和 变形规律， 优化泵阀结构， 增强其密封性能， 提高泵 阀的使用寿命 ．2 J 。 建模时， 泵阀采用三维立体建模， 选用 S o l id 1 8 5 。 阀座材料为优质合金钢， 选用各向同性线弹性材料， 其应力一 应变关系通过弹性模量 E E 2 0 6 G P a 和泊 松比 t ， 0 ． 3 等常数来确定 J 。阀座与阀箱之间 以锥面配合， 由于阀箱的体积和刚度都很大， 可认为 在阀座外锥面上 ， 各结点的径向位移 、 轴 向位移均为 零 ， 即面为固定边界。阀座的小端边界以及 由筋板所 隔内腔均承受均匀分布的工作载荷 ， 如图 1所示。即 为泵压 取最高泵压为 5 0 M P a ， 且均匀分布。其余 边界均为自由边界， 不承受载荷 J 。 2 求解及分析 在计算过程中侧重对阀座进行定性分析， 由于在 钻井泵工作过程中， 阀座主要受到钻进液压力的作 用， 在工作过程中， 阀座外侧面承受液缸施加的接触 力和挤压力， 内侧锥面承受阀体通过阀胶皮施加的挤 压力和阀杆导向架施加的挤压力， 在分析过程中， 通 过建立阀座有限元三维网格模型 ， 如图2所示。 ◎ 图 1 泵阀阀座的结构图 图2 阀座有限元网格模型图 经对阀座模型的 A N S Y S有限元计算， 找出阀座 各面受力情况， 可了解泵阀应力变形分布规律， 以便 对整个结构进行优化设计， 提高泵阀使用寿命 。 1 阀座位移变化情况的分析经过有限元计 算， 阀座位移变化情况如图3 、 4 所示。与文献[ 3 ] 中 相比， 此次采用的载荷施加方式不一样， 载荷是由阀 体在运动过程中产生的接触应力引起 的。而文献 中载荷是线性地施加在阀座锥面的法向方向上。 阀座的整体变形 图如图 3 、 4所示 ， 阀座内锥面越 靠近底端 ， 变形逐渐增大 ， 在泵阀小端面接近内锥面 处 ， 应力变形最大 ， 与以往对 阀座失效主要形式 的研 究结果相符， 即为阀座下部锥面下沉， 而上部锥面基 本无变形， 形成上下两个锥面， 从而导致密封失效， 进而泵阀失效。另外， 阀座下部接近筋板附近的内锥 面以及与锥面连接处的筋板也有一定的变形， 可见筋 板的存在对阀座起了很大的支撑作用 。 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 0 3 作者简介 蔡荣 1 9 8 2 一 ， 女， 湖北十堰人， 在读硕士， 主要从事化工机械相关设备安全与可靠性研究， 海上石油开采、 设备操作维护工作。 49 蔡荣 ，郝星 ，蔚海文 ，刘洋 ，姜海翔 11123 （1 . 西南石油大学机电工程学院，四川 成都 6 1 0 5 0 0 ；2 . 中国石油西气东输管道（销售）公司，上海 2 0 0 1 2 2 3 . 荆楚理工学院，湖北 荆门 4 4 8 0 0 0 ） 应用与试验 { { 机械研究与应用 图3 阀座位移变形图 I 图4 阀座位移变形图Ⅱ 2 阀座上的 V o n M i s e s 应力 阀体与阀座采 用接触单元， 施加渐进的位移载荷， 阀座应力变化情 况如图 5 、 6所示 。 图5 阀座上的 V o n Mi s e s 图6 阀座上的 V o n Mi s e s 应力图 I 应力图Ⅱ 在实际工作中，以往的泵阀由于阀座下部锥面 与阀盘金属锥面直接接触， 承受高的冲击载荷， 该新 型泵阀在阀盘下部接近导向杆处加有一减震垫圈， 使 阀座内下部锥面的冲击应力得到缓解 见图5 。在另 一 端， 液流由下锥孔进入推开阀盘， 直接冲击阀座下部 端面， 由图6 可知， 阀座外锥面底部边缘应力较大， 中 间阀盘的底部轴孔边缘也有很大的应力集中。 根据阀座上的 V o n Mi s e s 应力计算结果 ， 施加载 荷为 5 0 MP a时 ， 阀座通孔处的径 向变形及应力分布， 如表 1 、 2所示 。 表1 阀座通孔处的径向变形随相对位置 沿通孔自下而上 的变化情况 径向变形／ 1 0 ～m 0 ． 0 3 0 ． O 1 0 ． 0 0 2 0 ． 0 0 4 0 ． 0 4 相对位 置／ 1 0 一n l 0 0 ． 0 5 0 ． 1 2 0 ． 1 7 0 ． 2 表2 阀座通孔处的应力值随相对位置 沿通孔自下而上 的变化情况 应力／ 1 0 ‘ P a 6 5 4 0 1 2 1 1 0 1 5 5 相对位 置／ 1 0 一m 0 0 ． 0 6 0 ． 1 2 0 ． 1 7 0 ． 2 5 从表 1 可以看出， 阀座通孑 L 处的径向变形呈抛物 线形状， 中间部位基本上没有径向变形。从表2可以 看出， 通孔的上下两端存在较高的皮力， 与变形情况 5 O 相一致 。图7为施加载荷为 5 0 MP a时 ， 阀座通孔处 的径向变形随相对位置的变化， 图 8为施加载荷为 5 0 M P a 时， 阀座通孔处的应力值随相对位置的变化。 图7 施加载荷为5 0 M P a时， 阀座通孔处的 径向变形随相对位置的变化 寡 图 8 施加载荷为 5 0 M P a时 ， 阀座 通孔处的应力值随相对位置的变化 3 结论 1 阀座内锥面越靠近底端， 变形越大， 在泵阀 小端面接近内锥面处， 应力变形最大， 符合现有结论 中对泵阀变形的描述。筋板对 阀座锥面起 了很大 的 支撑作用。 2 在阀座外锥面底部边缘的应力较大， 中间阀 盘的底部轴孔边缘也有很大的应力集中。 3 由定性分析可知 ， 阀座有一定的应力变形和 应力集中， 而由定量分析可知， 变形量与应力很微小， 阀座具有很好的稳定性， 提高了泵阀的使用寿命。 参考文献 [ 1 ] 郑水荣 ， 王秀勇． 钻井泵泵阀与阀座问的接触应力分析[ J ] ． 石 油机械 ， 2 0 0 1 ， 2 9 9 5 0 - 5 2 ． [ 2 ] Y u H ， K i v i l a t h t i J ． C F D m o d e l i n g o f t h e f l o w fi e l d i n s i d e a r e fl o w o v e n[ J ] ．S o l d e r i n g a n d s u r f a c e m o u n t t e c h n o l o g y ， 2 0 0 2 ， 1 4 1 1 3 8 4 4． [ 3 ] 王秀勇， 翟玉生， 路永明， 等． 钻井泵泵阀的应力分析【 J ] ． 石油 大学学报 自 然科学版 ， 1 9 9 4 ， 1 8 6 6 3 6 7 ． [ 4 ] 杨国安， 张冬， 黄聪． 钻井泵阀的冲击特性分析[ J ] ． 振动与 分析 ， 2 0 0 8 ， 2 7 1 2 1 8 2 2 ． [ 5 ] 王中辉， 仵亚红． 新型钻井泵泵阀的设计计算[ J ] ． 北京石油化 工学院学报， 2 0 0 1 ， 9 2 5 - 8 ． [ 6 ] L i Q i a n g ， G o n g E n - X i a n ， S h i H a i - x i a ， e t a 1 ． A n a l y s i s a n d m o d i fi c a t i o n o n I n s p i r a t i o n e x h a u s t v a l v e o f h i g h p r e s s u r e r e c i p r o c a t i n g p u m p [ J ] ． D r a i n a g e a n d i r r i g a t io n m a c h i n e r y ， 2 0 0 7 ， 2 5 5 9 1 2 ．