基于ANSYS增壓注水泵O型架的有限元分析

孫麗名 劉豪 姜辛 馬廣

關鍵詞：增壓注水泵;靜強度;有限元分析;模態分析

0引言

隨著石油開發技術的發展，對于油田增產措施的要求逐漸提高，注水泵是油田注水開發工藝中一種十分重要的機械設備。油田投入開發后，如果沒有相應的驅油能量補充，油層壓力隨著不斷開發而逐漸下降，導致油田的最終采收率下降。通過油田注水，可以使油田能量得到補充，保持油層壓力，達到油田穩產目的。早在20世紀70年代，我國各大油田在經過一段時期的開發開采后，地下油層壓力大幅度下降，導致油井的采收率不斷下降，加之采油驅油技術也相對落后，采收率明顯下降。因此增壓注水泵在油田注水工藝過程中，起著至關重要的作用。由于在高壓工作條件下，注水泵在吸水排水的過程中會產生壓力、流量變化，產生氣穴、空化等現象引起流量和壓力脈動，從而產生機械零件的振動。如果增壓注水泵的關鍵零件強度不足以及發生共振，那么將會致其失效，影響工作。因此為了保證該裝置的穩定工作，本文用ANSYS Workbench軟件對傳動端關鍵零件進行靜力學強度分析，并對其進行模態分析，證明其滿足工作要求。

1增壓柱塞注水泵傳動端結構示意圖及工作原理

增壓柱塞泵傳動端主要由曲軸、軸承、0型架組成。由電機帶動曲軸旋轉，從而使與曲軸連接的軸承做圓周運動，軸承與0型架接觸傳動，使0型架左右往復移動，0型架外端與中間桿連接，帶動柱塞桿做往復運動，從一端吸人液體，從另一端排出，從而實現增壓功能。

2注水泵傳動端O型架有限元分析

2.1 O型架靜強度分析

2.1.1 0型架的受力計算及模型建立

由工作原理可知，增壓主要是由曲軸帶動軸承轉動，從而帶動0型架做往復運動來實現，因此0型架的強度校核十分有必要。根據所設計的傳動端的尺寸大小，運用SolidWorks進行建模，將建好的模型導人到ANSYS Workbench軟件中，使用ANSYS單元庫中的結構分析單元，控制網格尺寸在10mm，采用自動網格劃分，共得到17449個節點，10346個單元。如圖2所示。

檢查0型架的網格質量劃分，如圖3所示。越靠近右端，說明網格質量劃分越好，從圖中可知，網格大部分質量良好，滿足分析要求。

按照最大柱塞直徑為120 mm、吸入壓力為14.5 MPa、排出壓力為22.5 MPa。對0型架施加的載荷及受力進行計算，在計算0型架形變時，只需考慮作用在0型架兩端的柱塞力。因此柱塞力的計算如下：

如果系統不受外部激振力的作用，則F（t）=0，此時系統處于自由振動狀態，在計算求解結構固有頻率和主振型時，阻尼系統對此影響很小，因此可以不考慮阻尼的因素，此時的動力學方程為：

2.2.2模態分析求解

有限元軟件ANSYS提供了多種分析模型，本文采用了無預應力狀態下的模態分析。在ANSYS Work-bench軟件中對所創建的0型架有限元模型進行模態分析，得到了其前6階振型，如圖6～11所示。

0型架前6階固有頻率如表1所示。

由圖6～11以及表1可以看出，0型架前6階振型主要分布在1305.4 Hz以及3223.1 Hz，其固有振型為0型架結構變形，從0型架前6階振型圖可以看出各階頻率下的振動形態。

當激勵頻率和結構的固有頻率滿足如下關系時，結構不會產生共振：

通過模態分析計算所得0型架的前6階固有頻率介于1305.4～3223.1Hz，由電機轉速為3200r/min可知，其激勵頻率為53.3Hz，遠小于固有頻率，因此該零件不會產生共振。

3 O型架的優化設計方案

優化設計作為機械設計中一種重要的科學設計方法，使得在解決復雜設計問題時，能從眾多的設計方案中尋找到盡可能完美或最適宜的設計方案。輕量化是優化設計的一種，輕量化設計是保證產品質量的基礎上提高材料利用率的一種設計方法。

根據之前分析可知，0型架設計的形變量非常小，并且0型架所受的接觸應力遠遠小于其許用應力。為了節約成本，并使其盡可能地滿足設計要求，可以從以下兩個方面進行優化設計：

（1）減小0型架的體積，使其在質量減小的情況下滿足設計要求;

（2）采用質量更輕的材料來制作0型架。

4結束語

本文針對現如今增壓注水泵工作環境惡劣的工況下，按照增壓注水泵的要求，完成了對傳動端的整體設計，該設備在完成增壓工作的同時，也可以滿足使用安全要求。利用了Solid Works建立起三維仿真模型，并使用ANYS Workbench對傳動端中的關鍵零件0型架進行了靜強度校核分析以及模態分析，得到了其前6階固有頻率和振型。通過分析可知，該零件的固有頻率遠遠大于電機的激勵頻率，因此能有效避震。最后為0型架的優化設計提供了思路，為后續的優化設計分析提供了依據。