利用有限元軟件對(duì)柱塞泵的凡爾體改進(jìn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

王琪琿

【摘 要】論文通過(guò)對(duì)凡爾體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并利用Solidworks simulation 和 Flow simulation 對(duì)改進(jìn)后的凡爾體進(jìn)行靜力學(xué)和流體力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的凡爾體不僅結(jié)構(gòu)優(yōu)異，而且輸送介質(zhì)對(duì)泵頭體造成的壓力有了明顯下降，從而使泵頭體的工作壽命得到了有效提高。Solidworks是工程技術(shù)人員常用的設(shè)計(jì)軟件之一，利用Solidworks simulation和Flow simulation可以使得設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)邊設(shè)計(jì)邊分析邊修改，大大提高了工作效率和工作質(zhì)量。

【Abstract】By improving the structure of the valve body， paper analyzes the statics and fluid mechanics of the improved valve body by using Solidworks simulation and Flow simulation software， we found that the improved valve body is not only has the excellent structure， but also the pressure on the pump body of the pump body has been significantly reduced， so that the service life of the pump head is effectively improved. The Solidworks is one of the designing softwares by engineers and technicians commonly used， by using Solidworks simulation and Flow simulation softwares， designer can design， analysis and modify at the same time during designing， and greatly improve the work efficiency and quality.

【關(guān)鍵詞】柱塞泵；凡爾體；泵頭體

【Keywords】piston pump； valve body； pump head

【中圖分類號(hào)】TE243 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）04-0141-03

1 引言

液力端是柱塞泵重要組成部件，它的狀態(tài)直接影響到整個(gè)泵的工作狀態(tài)。液力端的主要部件為泵頭體、柱塞與泵閥等零部件。而在液力端中，泵閥是實(shí)現(xiàn)泵功能的關(guān)鍵部件，它的工作條件嚴(yán)酷，易磨損，為易損件，須經(jīng)常更換。由于泵閥工作環(huán)境惡劣，要承受排出高壓、高循環(huán)、介質(zhì)沖蝕、與閥座的沖擊等工況，其平均壽命為柱塞泵部件壽命最短的[1]。實(shí)際在油田壓裂作業(yè)時(shí)，每次作業(yè)完成后全部的泵閥幾乎都需要更換，耗費(fèi)大量的人力、物力，因此對(duì)泵閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)是非常有必要的。

泵閥主要由凡爾體、彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等零部件組成，在泵閥中以凡爾體的結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜。論文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某型號(hào)的三缸柱塞泵的凡爾體進(jìn)行結(jié)構(gòu)性改進(jìn)，利用solidworks simulation對(duì)改進(jìn)前后的凡爾體進(jìn)行靜力學(xué)分析，證明了改進(jìn)后的凡爾體結(jié)構(gòu)比較優(yōu)異；利用solidworks flow simulation 對(duì)其進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，證明改進(jìn)后的凡爾體對(duì)泵頭體也是有好處的。

2 凡爾體的有限元分析

2.1 凡爾體的結(jié)構(gòu)及改進(jìn)

凡爾體由于工作狀況惡劣，外錐配合面上的接觸應(yīng)力較大，為了提高其接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性，一般采用20Cr、20CrMo、20CrMnTi等滲碳鋼。其本身結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，尤其是四個(gè)爪比較難以加工，其改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了減少泵閥的開(kāi)啟阻力，提高泵的吸排性能，減少泵閥的整體質(zhì)量，筆者從改變凡爾體結(jié)構(gòu)入手，以減輕重量和保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為目標(biāo)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，將原凡爾體四爪改為了三爪結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的原凡爾體的凹槽部分也減少了2mm。其改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 凡爾體的材料及力學(xué)性能

論文凡爾體采用的材料為20CrNiMoA，其主要力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度為750MPa、抗拉強(qiáng)度為980MPa、彈性模量為2.12GPa、泊松比為0.28。

2.3 對(duì)凡爾體進(jìn)行有限元分析

柱塞泵的吸入閥與排出閥的結(jié)構(gòu)基本相同，論文研究的凡爾體是排出閥的凡爾體，主要研究以下情況的受力分析：

當(dāng)凡爾體與凡爾座接觸時(shí)，整個(gè)上表面受到介質(zhì)的壓力，邊界條件設(shè)置為凡爾體與凡爾座接觸面的六個(gè)自由度，由于墊圈部位也受到壓力作用，因此約束墊圈槽處的六個(gè)自由度。網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)劃分，共生成41912個(gè)單元。其在工作時(shí)，上表面會(huì)受到介質(zhì)的壓力。改進(jìn)前的凡爾體網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置、載荷加載的情況如圖3所示；改進(jìn)后的凡爾體網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置、載荷加載的情況如圖4所示。

對(duì)比凡爾體改進(jìn)前后的形變圖（圖5和圖6）可知：未改進(jìn)的凡爾體最大形變?yōu)?.0151mm，而改進(jìn)后的凡爾體最大形變?yōu)?.0154mm。可以知道，將凡爾體的四爪結(jié)構(gòu)變?yōu)槿Y(jié)構(gòu)不會(huì)使凡爾體產(chǎn)生較大變形。

對(duì)比凡爾體改進(jìn)前后的應(yīng)力圖（圖7和圖8）可知：改進(jìn)前凡爾體受到的最大應(yīng)力約為357MPa；改進(jìn)后的凡爾體受到的最大應(yīng)力約為369MPa；同樣可以知道，將凡爾體的四爪結(jié)構(gòu)變?yōu)槿Y(jié)構(gòu)不會(huì)影響凡爾體的載荷性能。

3 對(duì)凡爾體進(jìn)行流體力學(xué)分析

我們知道液體的壓力不僅和管道情況有關(guān)，還和管道內(nèi)的零件有很大的關(guān)系。改變后的凡爾體對(duì)泵頭體造成何種影響，也是我們?cè)谠O(shè)計(jì)中必須考慮到的因素。論文采用solidworks flow simulation 對(duì)改進(jìn)前后的凡爾體進(jìn)行泵頭體內(nèi)流程進(jìn)行仿真分析。

3.1 數(shù)學(xué)模型

論文在模擬條件下，泵頭體內(nèi)呈湍流流動(dòng)。整個(gè)過(guò)程可以用連續(xù)性方程、雷諾平均N-S方程、湍動(dòng)能k以及湍動(dòng)能耗散率ε的輸送方程來(lái)描述。

連續(xù)方程：

雷諾平均N-S方程：

標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型：

湍動(dòng)能k輸運(yùn)方程：

湍動(dòng)能耗散率ε輸運(yùn)方程：

其中，ui為i點(diǎn)速度，u′為i點(diǎn)脈動(dòng)速度；p為分子粘度；vT為湍湍渦粘度。系數(shù)均采用軟件推薦值[2]。

3.2 物理模型

論文的各零件是采用CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行的建模，進(jìn)行裝配后得到柱塞泵的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)圖，如圖9所示。（分析時(shí)通過(guò)中性文件導(dǎo)入到solidworks中，為了減少計(jì)算量，將外觀方面的建模進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膭h減）。

3.3 液力端流體仿真分析

論文采用solidworks flow simulation 對(duì)泵頭體進(jìn)行分析，由于只改進(jìn)了凡爾體，因此對(duì)除泵頭體和凡爾體以外的零件都進(jìn)行了可行性的省略。根據(jù)柱塞泵的運(yùn)行特點(diǎn)，論文研究的情況為當(dāng)其中一個(gè)排出閥完全關(guān)閉時(shí)（圖10最右端處，為了減少計(jì)算量，圖11均將此處凡爾體省略），另兩個(gè)排出閥打開(kāi)時(shí)的情形。

設(shè)液力端中流動(dòng)的介質(zhì)為泥漿，定義為單向流。運(yùn)行后，通過(guò)對(duì)比凡爾體改進(jìn)前后的液體相對(duì)壓力可以知道（圖10和圖11），未改進(jìn)前的液體相對(duì)壓力最高為57MPa，改進(jìn)后的液體相對(duì)壓力為56.9MPa。改進(jìn)凡爾體的不僅沒(méi)有增加液體對(duì)泵頭體的壓力，反而減少了對(duì)泵頭體的壓力。

4 結(jié)論

從對(duì)凡爾體的靜力學(xué)分析和流體力學(xué)分析我們可以得出以下結(jié)論：

①通過(guò)改變和簡(jiǎn)化凡爾體的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減輕凡爾體的質(zhì)量，（未改進(jìn)前的重量為2.194kg，改進(jìn)后的重量為2.159kg），不會(huì)對(duì)凡爾體的載荷性能產(chǎn)生明顯影響，將四爪變成三爪和減少墊圈凹槽部位尺寸是可行的。

②從凡爾體的靜力學(xué)分析可以看出，凡爾體所受應(yīng)力離許用應(yīng)力還有較大距離，因此還可以進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)；當(dāng)然考慮到油田作業(yè)的工況比較惡劣，留較大的余地也是有必要的。

③通過(guò)對(duì)泵頭體和凡爾體的流體力學(xué)分析可以得出，改進(jìn)后的凡爾體對(duì)泵頭體的內(nèi)部受力也是有好處的。

【參考文獻(xiàn)】

【1】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.

【2】鄧衛(wèi)東. ZY3NB2200往復(fù)式鉆井泵優(yōu)化設(shè)計(jì)與虛擬仿真研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2010.