鉆井泵組裝式曲軸設(shè)計(jì)與有限元分析

劉紅芳，曾興昌，2，羅元清，于書(shū)清

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002；3.滄州市華油飛達(dá)石油裝備有限公司，河北滄州061001）①

鉆井泵組裝式曲軸設(shè)計(jì)與有限元分析

劉紅芳1，曾興昌1，2，羅元清1，于書(shū)清3

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002；3.滄州市華油飛達(dá)石油裝備有限公司，河北滄州061001）①

介紹了目前鉆井泵常采用的整體鑄造式、整體鍛造式、組焊式、組裝式4種結(jié)構(gòu)形式。組裝式曲軸可避免整體鑄造、整體鍛造及焊接等帶來(lái)的諸多問(wèn)題，被越來(lái)越多的鉆井泵設(shè)計(jì)者所采用。確定芯軸和偏心輪之間合理的裝配過(guò)盈量是組裝式曲軸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。應(yīng)用ANSYS軟件的非線性接觸分析功能，計(jì)算出某新型組裝式曲軸的芯軸與偏心輪之間合理的裝配關(guān)系為H7／t6，可供同類設(shè)計(jì)參考。

鉆井泵；曲軸；過(guò)盈裝配；有限元分析

1 鉆井泵曲軸結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

鉆井泵一般分為動(dòng)力端和液力端2大部分。液力端將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為泥漿動(dòng)能，是實(shí)現(xiàn)泵功能最直接的執(zhí)行部件；動(dòng)力端是動(dòng)力機(jī)和液力端之間能量的傳遞和轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，一般將柴油機(jī)或電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)［1］。由于動(dòng)力端不是直接的功能執(zhí)行部件，只要能夠最終輸出往復(fù)運(yùn)動(dòng)即可，所以機(jī)構(gòu)形式具有多樣性，例如：曲柄連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)等。其中，曲柄連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，綜合性能最具優(yōu)勢(shì)，在鉆井泵設(shè)計(jì)中應(yīng)用最多。

曲軸在鉆井泵設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，其結(jié)構(gòu)型式直接影響泵的體積、質(zhì)量、可靠性、平穩(wěn)性、成本等。從結(jié)構(gòu)形式及制造工藝的角度劃分，鉆井泵常見(jiàn)的曲軸有整體鑄造式、整體鍛造式、組焊式和組裝式4種，如圖1～4所示。

圖1 整體鑄造曲軸（三維模型）

圖2 整體鍛造曲軸（三維模型）

圖3 組焊式曲軸

圖4 組裝式曲軸（三維模型）

整體鑄造曲軸一般采用低合金鑄鋼或球墨鑄鐵，可以采用空心或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)，成本相對(duì)較低，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜等容易出現(xiàn)裂紋、氣孔、縮孔、渣眼等鑄造缺陷，如果不嚴(yán)格執(zhí)行探傷檢驗(yàn)程序，則會(huì)造成質(zhì)量問(wèn)題。在三缸泵開(kāi)始推廣使用階段，國(guó)內(nèi)外鉆井泵都曾發(fā)生過(guò)曲軸斷裂事故，經(jīng)不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)計(jì)算方法、材料、鑄造工藝等，曲軸質(zhì)量才逐漸趨于穩(wěn)定［2］。整體鍛造式曲軸采用低合金鋼鍛件，零件的強(qiáng)度、塑性、沖擊功等力學(xué)性能指標(biāo)均能達(dá)到較高的水平，但其材料和機(jī)加工成本較高，一般用于壓裂泵、注水泵等尺寸相對(duì)較小的產(chǎn)品，近年來(lái)才逐步引入到某些新型鉆井泵產(chǎn)品中。例如：寶石機(jī)械公司的QDP-3000型五缸鉆井泵、宏華公司的5NB2400GZ鉆井泵等。隨著對(duì)整體式曲軸缺點(diǎn)的認(rèn)識(shí)不斷深入，設(shè)計(jì)者越來(lái)越多地開(kāi)始采用各種形式的分體式曲軸，主要形式為組焊式和組裝式2種，它們既可以提高曲軸的力學(xué)性能和可靠性，又可以降低制造難度和成本。各種曲軸優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表1。

2 組裝式曲軸設(shè)計(jì)要點(diǎn)與難點(diǎn)

通過(guò)對(duì)鉆井泵曲軸常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式及其特點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)組裝式曲軸可避免鑄造、整體鍛造、焊接等帶來(lái)的諸多問(wèn)題，兼具其他3種曲軸的優(yōu)點(diǎn)。事實(shí)上，組裝式曲軸是近年來(lái)鉆井泵設(shè)計(jì)中才開(kāi)始采用的新結(jié)構(gòu)，國(guó)外應(yīng)用比國(guó)內(nèi)多，其常見(jiàn)的裝配連接方式有平鍵、銷軸、過(guò)盈等。通常情況下，僅靠1種方式不能傳遞足夠大的轉(zhuǎn)矩，需要組合應(yīng)用多種連接方式，例如：平鍵＋過(guò)盈裝配、銷軸＋過(guò)盈裝配等。

表1 鉆井泵曲軸形式及其特點(diǎn)

續(xù)表1

組裝式曲軸對(duì)設(shè)計(jì)和裝配的要求很高，確定合理的過(guò)盈裝配量是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。過(guò)盈量要保證能夠傳遞足夠大的轉(zhuǎn)矩（芯軸與偏心輪之間不打滑），同時(shí)，過(guò)盈量又不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致裝配應(yīng)力過(guò)大而損壞零件。這在國(guó)內(nèi)外各種組裝式曲軸的設(shè)計(jì)中都要遇到，在有限元分析技術(shù)出現(xiàn)之前，人們對(duì)過(guò)盈裝配問(wèn)題的計(jì)算能力非常有限，只能計(jì)算少量規(guī)則結(jié)構(gòu)的裝配應(yīng)力、比壓等，例如：直軸與套筒等。

3 某新型組裝式曲軸有限元分析

本文在某新型組裝式曲軸設(shè)計(jì)中應(yīng)用ANSYS非線性接觸分析方法［3-4］，求出芯軸與偏心輪之間合理的裝配過(guò)盈量，并經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)證明是可行的。

3.1 材料結(jié)構(gòu)及尺寸

曲軸由芯軸和偏心輪2部分組成，兩者之間沒(méi)有平鍵等連接件，僅靠過(guò)盈裝配產(chǎn)生的預(yù)緊力來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩和彎曲載荷。

芯軸材料：Q460D，Rm≥500 MPa，ReL≥380 MPa；偏心輪材料：ZG270-500，Rm≥500 MPa，ReL≥270 MPa。曲軸結(jié)構(gòu)及尺寸如圖5所示。

圖5 新型組裝式曲軸結(jié)構(gòu)及尺寸

3.2 三維模型與有限元網(wǎng)格

應(yīng)用UG軟件建立曲軸裝配體三維模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件劃分網(wǎng)格。模型主體部分采用SOLID186、SOLID187高階實(shí)體單元，芯軸與偏心輪結(jié)合面處應(yīng)用CONTA174和TARGE170單元建立接觸，并按H7／t6配合的最大和最小值分別設(shè)置過(guò)盈量。曲軸三維模型與有限元網(wǎng)格如圖6～7所示。

圖6 曲軸三維模型

圖7 曲軸網(wǎng)格模型

3.3 約束與載荷

因?yàn)榍S兩端安裝有調(diào)心軸承，其允許的轉(zhuǎn)動(dòng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于曲軸彈性彎曲變形引起的轉(zhuǎn)動(dòng)量，所以將曲軸兩端按簡(jiǎn)支梁支撐（如圖8，約束A、B）；限制安裝人字齒輪法蘭面的周向位移，即：防止曲軸在連桿力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖8，約束C）。

按2個(gè)載荷步計(jì)算：①計(jì)算因過(guò)盈引起的裝配應(yīng)力；②保持裝配應(yīng)力，再在連桿軸承安裝面上施加連桿力（如圖8，載荷D、E）。連桿力的大小及方向由機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模擬分析得出，在此不再詳述。

圖8 曲軸約束與載荷示意

3.4 計(jì)算與結(jié)果分析

有限元計(jì)算結(jié)果如圖9～11所示。芯軸與偏心輪設(shè)計(jì)裝配關(guān)系為H7／t6，在最大過(guò)盈量作用下產(chǎn)生的最大裝配應(yīng)力為96.3 MPa；在過(guò)盈裝配及最大連桿力的共同作用下的最大應(yīng)力為：芯軸130.7 MPa，偏心輪101.5 MPa；裝配結(jié)合面上的平均比壓為15.4 MPa，最大比壓為47.6 MPa。

圖9 裝配應(yīng)力云圖（Von-Mises應(yīng)力）

圖10 裝配＋連桿力作用下Mises應(yīng)力

圖11 裝配接觸面比壓

結(jié)果分析主要有2點(diǎn)：①按第四強(qiáng)度理論，取最大過(guò)盈量＋連桿力作用下的Von-Mises應(yīng)力，分別校核芯軸和偏心輪的強(qiáng)度；②取最小過(guò)盈量作用下裝配接觸面的比壓，校核曲軸傳動(dòng)能力是否足夠，即：在連桿力作用下芯軸與偏心輪之間是否會(huì)打滑。

1） 強(qiáng)度校核。

芯軸強(qiáng)度：σmax＝130.7 MPa≤ReL／n＝168.9 MPa，足夠（取安全系數(shù)n＝2.25）。

偏心輪強(qiáng)度：σmax＝101.5 MPa≤ReL／n＝120 MPa，足夠（取安全系數(shù)n＝2.25）。

2） 曲軸抗扭轉(zhuǎn)能力校核。

過(guò)盈裝配能夠傳遞的轉(zhuǎn)矩為

式中：p為結(jié)合面平均比壓，MPa；A為結(jié)合面面積，mm2；r為結(jié)合面半徑，mm；μ為摩擦因數(shù)，取0.1。代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得

曲軸額定轉(zhuǎn)矩為

式中：N為額定功率；no為曲軸額定轉(zhuǎn)速。

過(guò)盈裝配能夠傳遞的轉(zhuǎn)矩T＞T*，抗扭轉(zhuǎn)能力足夠，芯軸與偏心輪之間不會(huì)打滑。

4 結(jié)語(yǔ)

曲軸在鉆井泵設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，其結(jié)構(gòu)形式直接影響泵的體積、質(zhì)量、可靠性、平穩(wěn)性、成本等。組裝式曲軸可避免鑄造、整體鍛造、焊接等帶來(lái)的諸多問(wèn)題，但對(duì)設(shè)計(jì)和裝配要求很高，關(guān)鍵在于合理設(shè)計(jì)芯軸與偏心輪之間的過(guò)盈量。有限元分析技術(shù)可精確計(jì)算裝配過(guò)盈量，為組裝式曲軸的設(shè)計(jì)制造提供理論依據(jù)。通過(guò)應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)某新型組裝式曲軸進(jìn)行非線性接觸分析，認(rèn)為組裝式曲軸的芯軸與偏心輪之間比較合理的裝配關(guān)系為H7／t6，可供同類設(shè)計(jì)參考。

［1］ 朱俊華站長(zhǎng)松.往復(fù)泵［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［2］ 沈?qū)W海.鉆井往復(fù)泵原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［3］ Chan S H，Tuba I S.A finite element method for contact problems of solid bodies［J］.Int.J.Mesh.Sciences，1971（13）：615-639.

［4］ 李洪波，劉振龍，周天明，等.F-1600型泥漿泵閥座的接觸分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（5）：26-29.

［5］ 阿瓦科夫B A.鉆井設(shè)備的計(jì)算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1985.

Drilling Pump Assembly Crankshaft Designing and FEA

Four types of frequent crankshafts are introduced：whole casted，whole forged，assembly welded，and assembly crankshaft.The assembly crankshaft is being adopted by more and more pump engineers because it can avoid many other type crankshafts’problems.It is critical and difficult for assembly crankshaft designing to determine apposite interference value between central shaft and eccentric wheel.ANSYS’nonlinear contact analysis function was used to calculate some new type crankshaft’apposite assemble relationship between central shaft and eccentric wheel is H7／t6.It may be a reference in similar designing.

drilling pump；crankshaft；interference assembly；finite element analysis

TE926

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.012

1001-3482（2014）11-0048-04

2014-06-28

劉紅芳（1964-），女，陜西寶雞人，工程師，主要從事石油標(biāo)準(zhǔn)化管理研究，E-mail：lhf19966＠163.com。