定向鉆進用泥漿泵曲軸動態(tài)載荷計算及應力分析

白穩(wěn)樂，姚寧平

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

泥漿泵是煤礦井下定向鉆進設備的重要組成部分，在鉆孔過程中泥漿泵通過鉆桿提供高壓沖洗液(水)驅(qū)動孔底馬達回轉(zhuǎn)破巖。國內(nèi)市場供應的鉆探用泥漿泵輸出壓力較小，僅能滿足常規(guī)孔口回轉(zhuǎn)鉆進，石油鉆井泵雖然具有高泵壓、大流量的特點，但多采用多擋機械變速，在功率恒定時流量與壓力成反比，排量和泵壓不能同時滿足孔底馬達多種鉆進工況的需求。中煤科工集團西安研究院有限公司研發(fā)的千米定向鉆機采用負載敏感泵作為泥漿泵的動力源，可通過外界負載的變化調(diào)節(jié)泥漿泵的輸入功率，實現(xiàn)流量和泵壓的多級變化，與此同時，還根據(jù)定向鉆機的這一特點研制開發(fā)了一款與其匹配的液驅(qū)BWY-200/9型泥漿泵[1-4]。

依據(jù)定向鉆機采用的孔底馬達對泥漿泵泵量和泵壓的要求，確定泥漿泵的流量為200 L/min、最大排出壓力為9 MPa。在設計中由于曲軸是泥漿泵的關鍵零件，承受著交變的彎曲-扭轉(zhuǎn)載荷和一定的沖擊載荷，易發(fā)生過早失效或疲勞斷裂，因此筆者應用數(shù)值分析軟件及有限元分析軟件對曲軸進行靜力學、疲勞強度分析，得到曲軸的應力分布云圖，其分析結(jié)果可為BWY-200/9型泥漿泵曲軸結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

1 基于數(shù)值分析軟件的曲軸動力學分析

泥漿泵的動力端設計時選擇傳統(tǒng)的曲柄連桿機構(gòu)，該機構(gòu)將液壓馬達的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞的往復運動，曲軸采用二支撐三拐結(jié)構(gòu)。曲軸在曲柄連桿機構(gòu)的往復運動過程中，除承受互為相位差120°的連桿力引起的彎曲應力和扭轉(zhuǎn)剪應力外，還受到支座變形、軸頸磨損等因素引起的附加載荷，在實際分析時忽略次要因素以簡化計算[5]。

簡化后曲軸主要受三拐處的連桿力、齒輪傳遞的扭矩的影響，其中連桿力的大小隨曲軸轉(zhuǎn)角φ呈周期性變化，因此需要掌握其變化規(guī)律，并確定曲軸工作中的危險工況。連桿力的求解公式如下：

(1)

(2)

根據(jù)上述力學平衡方程，以曲柄轉(zhuǎn)角φ為參變量，使用數(shù)值分析軟件進行數(shù)值計算，得到連桿力在x方向的變化曲線(圖1)及連桿力在y軸的變化曲線(圖2)。圖1、圖2 表明：曲拐處所受動載荷隨曲軸轉(zhuǎn)角φ呈周期性變化，三曲拐受力狀況在相位上相差120°，活塞排液時受力較大，吸液過程中受力較小。曲柄受力在曲軸轉(zhuǎn)角為180°和360°時有一個大的跳躍，這是由于活塞上的液壓力動態(tài)變化引起的：曲軸轉(zhuǎn)角在180°時，高壓液體進入工作回路做功，引起活塞桿推力突然增大，曲拐受力也突然增加；曲軸轉(zhuǎn)角在360°時，活塞由排液過程轉(zhuǎn)化為吸液過程，活塞桿推力突然減小，曲拐受力也隨之突然變小。

圖1 連桿力變化曲線(x方向)

圖2 連桿力變化曲線(y方向)

從二支撐三拐曲軸上的受力變化可以看出，與x方向相比，y方向受力分量和變化范圍小了很多，因此將x方向的受力分量作為考察的主要對象，以此確定曲軸受力的危險工作點。在泥漿泵的一個工作循環(huán)中，兩個活塞同時排液時曲軸受力最大，危險區(qū)域存在3個，分別是：曲軸轉(zhuǎn)角在60°～120°，活塞2和3同時排液；180°～240°, 活塞1和2同時排液；300°～360°，活塞1和3同時排液，對這3個區(qū)域需進行強度分析。

2 曲軸的有限元分析

2.1 建立有限元模型

二支撐三拐曲軸結(jié)構(gòu)復雜，存在空間過渡及圓弧、斜面不規(guī)則等特點，因此采用Solid edge三維建模，以.x_t格式導入有限元分析軟件。由于大齒輪與曲軸螺紋連接，因此將其三維模型建為裝配體進行有限元分析[6-11]，對有限元模型設置與之對應的材料、彈性模量及泊松比：曲軸材料QT600-3，密度7.30 g/cm3，彈性模量154 GPa，泊松比0.27，轉(zhuǎn)速369 rad/min；大齒輪材料40Cr，密度7.82 g/cm3，彈性模量208 GPa，泊松比0.28。再采用Solid186單元對有限元模型進行網(wǎng)格劃分，將模型總共劃分為56 513個單元、97 563個節(jié)點。

2.2 施加載荷及約束

二支撐三拐曲軸通過軸承支撐于泥漿泵箱體中，采用有限元軟件對其左右軸頸施加相應的位移約束。曲軸上載荷包括三曲拐處連桿力、齒輪扭矩、旋轉(zhuǎn)角速度及自重，自重由分析軟件自行加入。旋轉(zhuǎn)角速度ω=38.6 rad/s，順時針旋轉(zhuǎn)；連桿力即為上述危險工作區(qū)域內(nèi)受力情況及液壓馬達輸入扭矩，分別計算3個危險區(qū)域曲軸應力變化情況。施加載荷后曲軸模型如圖3所示。

圖3 施加載荷之后的曲軸模型

2.3 靜強度校核

根據(jù)第四強度理論得到各個危險區(qū)域的應力云圖，如圖4所示。比較得到相鄰兩活塞同時排液(1和2，2和3)時曲軸受力最大，其中分布于齒輪兩側(cè)的1，2活塞同時排液，在曲軸轉(zhuǎn)角達到200°時應力達到最大(248.97 MPa)，其節(jié)點應力分布云圖如圖5所示。應力云圖顯示應力最大點發(fā)生在遠離齒輪的主軸頸過渡圓角處，因此需要對此處進行強度校核。曲軸材料的強度極限σb=600 MPa，根據(jù)靜強度安全系數(shù)計算公式得安全系數(shù)為2.4，滿足設計要求。后期也可以對軸頸加工表面粗糙度做出詳細要求，并適當增加過渡圓角的大小，從而減少應力集中，提高曲軸的可靠性。

圖4 等效應力分布云圖

圖5 疲勞計算應力云圖

2.4 疲勞強度校核

由于曲軸工作時過渡圓角處易產(chǎn)生較大的應力集中，也最容易出現(xiàn)疲勞裂紋，最終導致曲軸斷裂，因此對重要的軸類還需進行疲勞校核。同樣采用有限元分析得到主應力及剪應力的分布云圖，圖5顯示最大彎曲應力及最大剪應力均發(fā)生在軸頸過渡圓角處，分別為152.83 MPa、75.66 MPa，根據(jù)疲勞強度校核公式得到安全系數(shù)為1.5，滿足設計要求。

3 泥漿泵的試驗研究

泥漿泵樣機的試驗分兩部分完成：性能試驗和可靠性試驗。性能試驗在擁有獨立水泵檢測試驗站的寶雞水泵廠完成，可靠性試驗在中煤科工集團西安研究院的1號廠房完成。

3.1 性能試驗

性能試驗主要檢測水泵的工作能力，在額定往復次數(shù)時泥漿泵出口截止閥按額定壓力的25%、50%、75%、100%升壓，每一試驗點用流量計讀取泥漿泵流量，測量多次取平均值。檢測數(shù)據(jù)見表1，試驗表明泥漿泵額定壓力可達9.00 MPa，每一測點的實測流量均大于設計值200 L/min，隨著壓力的升高，流量有所下降，符合往復泵流量壓力變化規(guī)律，工作能力達到了預期設計要求。

表1 性能試驗測試數(shù)據(jù)

3.2 關鍵部件的可靠性試驗

為驗證泥漿泵各個主要部件的可靠性，在中煤科工集團西安研究院有限公司1號廠房搭建了專用的試驗臺：采用某型號煤礦井下分體鉆機泵站為泥漿泵液壓馬達提供動力，設置水箱為泥漿泵提供水源，泥漿泵從水箱吸水、水泵高壓水通過截止閥及水管回到水箱，試驗連接示意如圖6所示。

1—泥漿泵；2—某鉆機泵站；3—截止閥；4—水箱

試驗中用截止閥控制壓力，實現(xiàn)泥漿泵壓力及流量的改變，模擬定向鉆機的不同鉆進工況，定期查看各重要部件的變化情況。在泥漿泵試驗滿6 000 h后，對曲軸部分進行查看，尤其是過渡圓角部位。曲軸表面光潔，未發(fā)現(xiàn)細小裂紋，充分說明曲軸結(jié)構(gòu)設計合理、安全可靠，圖7是保養(yǎng)中的曲軸實物照片。

圖7 試驗中曲軸實物

4 結(jié)論

1)本文對二支撐三拐曲軸進行了空間力系分析，并通過軟件用數(shù)值計算的方法獲得了定向鉆進用泥漿泵在一個工作循環(huán)內(nèi)各曲拐所受連桿力隨曲軸轉(zhuǎn)角φ的動態(tài)變化曲線圖，確定了曲軸旋轉(zhuǎn)一周，兩個活塞同時排液時對曲軸的工作最為不利，應視為危險工作區(qū)域。

2)通過對鉆探用泥漿泵3個危險區(qū)域的靜力學分析，對等效應力云圖進行比較后可以看出，該結(jié)構(gòu)曲軸在齒輪兩側(cè)活塞同時排液時承受的應力最大，最大點發(fā)生在主軸頸與曲柄臂過渡圓角處，而彎曲疲勞裂紋也最容易出現(xiàn)在這些部位，因此在對該曲軸結(jié)構(gòu)進行設計時應重點考慮各個過渡圓角的大小。

3)曲軸的強度分析是泥漿泵設計中的難點及關鍵點，采用數(shù)值計算與有限元分析相結(jié)合的方法，可校核曲軸上應力最大區(qū)域的安全性及疲勞強度，從而為泥漿泵曲軸的優(yōu)化和改進設計提供理論依據(jù)。

4)泥漿泵后期的可靠性試驗研究結(jié)果證明本文設計的曲軸結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定，達到了設計要求。