（机械工程专业论文）f1600往复式泥浆泵机体有限元分析.pdf

l k 一 1 u m pf - 1 6 0 0 v e r s i t y ) 2 0 0 5 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e l n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh a nz h i x i n o c t o b e r ，2 0 0 9 一 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者躲司协遗 吼洲年善月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：，年 日期：如吖年 日日 7夕 月月 ? b 文u矗玖 矛搬弋 j 各 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 课题背景及研究的意义1 1 2 国内外研究的现状2 1 2 1 国内研究现状2 1 2 2 国外研究现状3 1 3 课题目的与主要研究内容一4 1 3 1 研究课题的目的4 1 3 2 课题研究的主要内容4 第2 章 f 一16 0 0 泵机体受力分析5 2 1 机体受力分析5 2 2 机体受力计算1 1 2 3 本章小结l5 第3 章机体建模与空间单元分析1 6 3 1 机体建模1 6 3 1 1 机体结构1 6 3 1 2 问题定义1 6 3 1 3 几何模型简化j 1 7 3 1 4 机体几何模型建立与p r o e a n s y s l 0 0 无缝连接1 7 3 1 5 单元选择1 8 3 1 6 模型检查处理及边界条件定义1 9 3 2 有限元法基本原理1 9 3 2 1 结构离散1 9 3 2 2 弹性力学物理量2 0 3 2 3 弹性力学基本方程2 2 3 2 。4 单元分析2 4 3 2 5 单元的应变与应力2 6 3 2 6 刚度矩阵2 7 3 2 7 载荷移置2 8 3 2 8 约束处理2 8 分析 ：1 8 2 8 2 9 ：1 9 ：1 9 ：1 9 第4 章机体结构静力分析3 0 4 1 静态分析步骤3 0 4 1 1 网格划分3 0 4 1 2 十字头导板支撑受力3 1 4 1 3 前板受力分析与加载3 1 4 1 4 轴承座载荷加载3 1 4 2 机体的材料性能参数和约束条件的确定。3 2 4 3 机体有限元静态求解3 2 4 4 结果分析4 0 4 5 本章小结4 l 第5 章机体模态分析4 2 5 1 模态计算理论4 2 5 2 模态分析与系统模型的关系4 3 5 3 机体模态分析方法提取4 4 5 4 模态分析过程4 5 5 4 1 机体建模4 5 5 4 2 网格划分4 6 5 5 机体模态计算4 6 5 5 1 约束模态计算4 6 5 5 2 自由模态计算5 2 5 6 机体模态表现原因分析5 5 5 7 机体振动频率计算5 6 5 8 机体模态影响因素5 6 5 9 本章小结5 8 结论5 9 参考文献6 0 弱! 谢6 3 i i 备，它将机械能转变为钻井 比，三缸钻井泥浆泵具有缸 小、重量轻等优点。随着高 压喷射钻井新工艺的不断革新及推广，对泥浆泵功率、排量及泵压等性能参数提 出了更高的要求。对钻井泥浆泵机体而言，保证机体具有足够而又合理的强度和 刚度是其正常工作的前提。本文应用有限元方法对f 一1 6 0 0 型往复式单作用泥浆泵 机体进行静态和模态分析，得到了有关机体刚度、强度及振动特性等方面的计算 结果和分析结论，为机体的设计、改造提供依据。 机体进行静、动态分析之前对泵动力端往复机构、连杆、曲轴作详细的受力 分析。以曲轴每旋转1 0 0 为一子步分别计算曲轴、小齿轮轴轴承座反力及十字头支 撑反力。机体结构比较复杂，几何模型建立工具选择p r o ew i i d f i r e3 0 ，建模 过程中对机体静态及动态特性产生影响的细节需作简化处理，几何模型导入有限 元软件采用无缝连接。 静态分析是以1 号缸在一个完整的吸入和排出过程中，根据受力计算结果选 取六组最大集中载荷加载在不同的机体部位进行静态有限元计算，获得了机体在 不同相位的刚度及应力分布。 模态分析分为自由模态和约束模态两种情况，应用子空间法分别提取机体的 前十阶模态作为分析的基本内容，得到机体在自由和约束条件下各阶的固有频率 和模态振型。 关键词：往复式泥浆泵机体；有限元；静态分析；模态分析； f - 1 6 0 0 往复式泥浆泵机体有限元分析 a b s t r a c t r e c i p r o c a t i n gd r i l l i n gm u dp u m pi s t h ek e ye q u i p m e n to ft h ed r i l l i n gf l u i d c i r c u l a t i o n s y s t e m ，i tc h a n g et h ed r i l l i n g f l u i dm e c h a n i c a le n e r g yi n t oh y d r a u l i c e n e r g ya n dp r o v i d et h ep o w e rf o rt h ed r i l l i n gc i r c u l a t i o ns y s t e m c o m p a r e dw i t ht h e t w o c y l i n d e rp u m p ，t r i p l e xd r i l l i n gm u dp u m pw h i c hh a sas m a l lb o r e ，s h o r ts t r o k e ， p u m p i n gh i g ha n du n d e rt h es a m ec o n d i t i o n si nt h ep o w e r ，w h i c hh a st h ea d v a n c e do f s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h ta n dm o r e w i t ht h ep r o m o t i n gi n n o v a t i o no ft h en e w t e c h n o l o g yf o rh i g h p r e s s u r ej e td r i l l i n g ，t h em u dp u m pp o w e r ，p u m pd i s p l a c e m e n t a n dah i g h e rp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r er e q u i r e m e n t s f o rt h ef r a m eo ft h em u d p u m p ，t os e c u r et h ef r a m ew i t hs u f f i c i e n ta n dr e a s o n a b l es t r e n g t ha n de n o u g hs t i f f n e s s i st h ei m p o r t a n c ef o ri t sn a t u r a lw o r k i nt h i sp a p e r , f i n i t ee l e m e n tm e t h o da r ea p p l i e d o nf 一16 0 0s i n g l ea c t i n gr e c i p r o c a t i n gm u dp u m pf r a m ef o rs t a t i ca n dm o d a la n a l y s i s o b t a i n e dt h er e l e v a n to ff r a m es t i f f n e s s ，s t r e n g t ha n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sd a t g e t c t h er e s u l t sa n dc o n c l u s i o n si sv e r ys i g n i f i c a n c ef o rt h ed e s i g no ft h ef r a m ea n d p r o v i d et h eb a s i sf o rt h ep r o m o t i o n b e f o r et h ef r a m eo ft h es t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s ，i tn e c e s s a r yt h ee n do ft h e p u m pp o w e r , c o n n e c t i n gr o da n dt h ec r a n k s h a f ts t r e s sa n a l y s i si nd e t a i l c a l c u l a t i o n b ye a c h10d e g r e e sc r a n k s h a f tr o t a t i o na st h en e c e s s a r yc o n d i t i o nf o re a c hs u b s t e po f t h ec r a n k s h a f t ，p i n i o ns h a f tb e a r i n gr e a c t i o nf o r c ea n dt h ec r o s s h e a ds u p p o r tt h e r e a c t i o n f r a m es t r u c t u r ei sc o m p l i c a t e d ，t h eg e o m e t r ym o d e l i n gt o o l st os e l e c tt h e p r o ew i l d f i r e3 0 ，s i m p l i f i e dt h ed e t a i l si nw h i c hp r o c e s so fm o d e l i n gt h es t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o d yd o e sn o tm a k ea ni m p a c to nt h ef r a m e g e o m e t r i c m o d e li n t of i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e w i t ht h em e t h o do fs e a m l e s sc o n n e c t i o n w i t ht h ep r o c e s so faf u l ls u c t i o na n dd i s c h a r g ef o rn o 1c y l i n d e r ，a c c o r d i n gt o t h es t a t i c sc a l c u l a t i o nr e s u l t ，t ol o a dt h es i xg r o u p so fl a r g e s tf o r c eo nt h ed i f f e r e n t p a r t so ft h ef r a m ea n do b t a i nt h ed i f f e r e n tp h a s e so ft h es t r e s sd i s t r i b u t i o no nf r a m e m o d a la n a l y s i si sd i v i d e di n t of r e em o d ea n dc o n s t r a i n e dm o d eb o t hc a s e s ，t h e a p p l i c a t i o no fs u b s p a c em e t h o d sw e r ee x t r a c t e df r o mt h eb o d yo ft h ef i r s tt e nm o d e s a r et h eb a s i cc o n t e n t sf o ra n a l y s i s ，o b t a i nt h eb o d yu n d e rt h ec o n d i t i o n so ff r e ea n d b o u n dt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d a lt y p e k e y w o r d s ：t h ef r a m eo fr e c i p r o c a t i n gm u dp u m p ；f e a ：s t a t i ca n a l y s i s ：m o d a l a n a l y s i s ； n 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的意义 随着科学技术的不断发展，往复式泵的应用领域正在迅速扩大。往复泵在石油、 化工等行业应用十分广泛。例如钻井泥浆往复泵为钻井过程提供泥浆循环动力，从而 顺利将钻头切削下来的岩石屑送回地面，确保了钻进的连续；车载固井往复泵为固井 作业提供高能量水泥浆；在润滑油高压加氢、甲醇等生产中用往复式泵压缩介质和提 供系统循环动力；在空气分离装置中用于空气压缩；在合成氨装置中为氢气和氮气合 成提供超高压力等。 根据我国国内泵业技术现状与发展报告，目前我国相关企业在泵产品的设计、开 发能力和速度、工艺技术、生产装备等方面还远远落后于国外企业。f - 1 3 0 0 型往复 式三缸单作用钻井泵是宝鸡石油机械厂为了满足油田高泵压和大排量钻井工艺的需 求，类比美国e m s c o 泵自行设计制造的，但是它缺少必要的理论计算依据，不能完全 适应高压喷射钻井工艺的发展对泵的抗振性提出的高要求乜1 。据统计，我国由于往复 泵突然故障造成停工损失和风险损失每年达2 至4 亿元，由于往复泵的重要地位，使得 众多的中外学者、技术人员投入了大量的精力、财力去研究如何设计、如何使用、如 何维护往复泵等问题。从往复泵开始投入工业使用直至今天，研究仍在继续和深化口l 。 现代钻井技术的发展，对泥浆泵的工作能力提出了更高的要求，如海洋钻井平台要求 泥浆泵占有的空间小、质量轻等。为了适应钻井承包商提高转速、降低作业成本以及 其它一些特殊要求，各泥浆泵制造厂商在不断对已有产品完善的同时，同时也在研制 一些性能和结构先进的泥浆泵h 1 。新钻探工艺的特点，都是用泥浆泵作为动力源，它 是将泥浆泵的动能转换成钻进的机械能进行钻进，从而扩大了泥浆泵的功能和使用范 围，但同时也对泥浆泵的性能提出了更高的要求，为了满足现场施工需要，设计一种 新的泥浆泵与施工机械匹配使用是十分必要的随1 。根据以上论述，目前我国泥浆泵的 应用和新产品的开发与经济发展在一定程度上还存在着矛盾。 在现阶段，解决上述矛盾的根本办法是计算机辅助设计技术的应用。它已成为衡 量一个国家、一个企业技术水平的重要标志1 。计算机辅助设计技术在离心泵机体、 柴油机机体上的研究较多，具体在往复泵机体研究还不太多，有待于进一步加深和提 高。在传统往复泵机体设计过程中，设计人员利用添加安全系数后的计算数据作为设 计最终结果，从而使得绝大部分机体体积比较庞大、质量偏大。本课题应用有限元方 法分析往复泵机体可以避免传统设计中的一些弊端，其优点如缩短机体设计和分析的 时间、减少设计和样机制造成本、提高机体工作的可靠性等。 j 一 f - 1 6 0 0 往复式泥浆泵机体有限元分析 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 国内研究现状 往复式泥浆泵技术的发展大约有一百多年历史，我国是从上世纪六十年代引进美 国技术发展起来的，但总体应用水平还比较低，现阶段还没有完全体现计算机辅助设 计技术特点，尚存以下不足：机体体积庞大，不能适应多数行业要求；机体结构不合 理，部分强度冗余，部分刚度不足，可靠性低h 3 ；机体三维造型研究较少，多数研究 针对阀箱强度和可靠性方面；离心泵研究偏多，而往复泵、轴流泵机体方面的研究相 对较少。以往我国泵机体多采用铸造机体，机体重量往往在3 0 吨以上，且铸造所需模 具非常复杂，工艺性要求很严格，为适应现代钻井技术的不断发展，现代泥浆泵机体 多采用成型钢板焊接新工艺，新工艺的应用不仅减轻了泵机体质量且节省了材料。 国内的一些研究人员针对往复式泥浆泵机体结构进行了静动态特性分析研究，结 合本课题简要介绍一些已有的研究成果。西南石油大学莫丽等人研究了阀箱，阀箱是 压裂泵上的易损部件，由于压裂泵长期工作在恶劣的环境下，其阀箱结构复杂，寿命 普遍较低，多数工作寿命不足3 0 0 d 、时。通过对阀箱进行有限元强度和寿命计算，找 到了危险截面和应力分布状态，对阀箱可靠性评估，指导改进设计和正确使用具有重 要意义陋1 。胜利石油管理局翟成威等人对s l 3 h b 一1 0 0 型往复泵阀箱强度进行有限元 分析，通过分析，得到了阀箱的最大应力位置及其应力值，此位置与阀箱实际破裂时 的位置一致阳】。石油大学张庆元等人对f 1 3 0 0 型三缸泵机体的强度、刚度和固有振 动特性进行了有限元分析，获得了机体在额定载荷作用下各部位的应力和变形的分布 规律，以及自由振动时的最小几阶模态频率和模态振型。计算结果表明，整个机体结 构应力、变形不均匀，强度、刚度富余；振型分析结果表明，机体结构只是泵头和泵 尾开口部位动刚度偏弱，而泵中部和内部则刚度过剩，机体的质量和刚度分布不合理。 为f 一1 3 0 0 型钻井泵的改造、进行动态特性分析和动态设计提供了必要的依据比1 。石 油大学陈威等人利用有限元方法对阀箱进行分析，考察阀箱在工作内压和阀盘冲击载 荷下的应力分布情况，通过理论分析评价设计的合理性，为产品的性能和使用工况要 求提供科学依据n0 1 。三缸泵的焊接机体刚性远比双缸泵铸造机体刚性差。这不仅会 造成齿轮啮合不良，而且还会造成激烈的振动和摇晃，因此采用双墙板泥浆泵机体， 比单墙板机体刚性好的多，可靠性更高 1 。西南石油大学朱永有等人通过对一种钻井 用n b 8 6 0 0 泥浆泵的结构特点，工作机理的研究和分析，采用机械设计自动化软件 ( p r o e ) 建立了泥浆泵的三维实体模型，实现了对泥浆泵主要运动部件的运动学和 动力学分析计算。在简化结构后，建立了泥浆泵的运动方程和解析计算模型，并通过 软件的分析验证找到了泥浆泵的运动规律、受力情况和整体性能，为优化和改进泥浆 泵的结构，提高泥浆泵的综合机械性能提供了理论依据和方法n 。f e n gg a o ，f a r o d u 等人对轻型卡车的框架结构进行有限元分析，分析过程采用两种不同的方法。一 工程硕士学位论文 在实验的基础上进行；二是利用弹簧阻尼元件c o m b i n l 4 模拟悬架弹簧进行有限元计 算，计算得到框架应力、应变分布规律和动力学响应。这项研究为框架结构的改善提 供了一定的理论基础，并在此基础之上提出了一种优化方法，最终设计出了稳定、舒 适的轻型卡车框架n 幻。近十多年来，有限元方法受到计算机技术发展的推动，得到 了广泛的应用和发展n3 1 ，它体现在往复泵的结构设计中，使往复泵结构设计更加频 繁的使用有限元方法，从而能够得到更加精确的分析计算结果，更好的辅助了往复泵 的结构设计和优化。总体来说，我国对石油钻井泵的研究起步较晚，但通过技术引进、 自主研发，我国与国外先进技术的差距正在逐步缩小h 】。 1 2 2 国外研究现状 在石油工业中，目前世界各国均大量研究和使用三缸单作用、大功率、高泵压的 方向发展，尤其美国技术最为先进、俄罗斯和罗马尼亚次之3 。国外往复式泵技术 总体上要比我国成熟，例如：美国的钻井泵大多采用三缸单作用泵，生产厂家主要有 l c t o u m c a ue l l sw i l l i a m s 公司、i d e c o 公司、e m s c o 和n a t i o n a l o i l w e l l 公司等， 大多数美国三缸单作用钻井泵的液力端、阀箱采用l 形：吸入阀采用螺纹压紧，其壳 体与阀箱螺纹连接，泵机座多为焊接结构；重要零部件的制造已经制定了相应的a p i 标准。俄罗斯的三缸泵起步较晚，发展慢，但其三缸泵已经形成系列，液力端、阀箱 采用i 或l 形，吸排阀采用一体液力模块；动力端机座是铸件和焊接件的组合体。三缸 单作用泥浆泵是国外的趋势，但是在应用方面还是存在着无法克服的缺点。目前国外 已经开始研制一些新型的钻井泥浆泵，如驱动端采用液压、新型h d 系列三缸钻井泵、 六角形无脉动钻井泵等，但是这些技术目前还不成熟，尚未得到广泛应用 1 。k o c a e l i 、 t u r k e y 用有限元方法对丙烷往复压缩机缸盖的几何尺寸、材料厚度和强度进行了计 算，计算结果为气缸缸盖制造商提供理论依据n 引；l c c h a n 等人用有限元方法分4 个 步骤设计微小零件，达到了在线设计的目的n6 1 。z q i n ，c x u e ，s p a 应用有限元方 法对复杂机械手进行分析达到优化目的n 。s h u n g t t s u n g 等人利用有限元方法研究了 柴油机的振动及噪声预测；德国大众公司m b i r t h 和s p a p e z 对某直列四缸水冷柴油机 机体作了静刚度和模态分析，并在动态分析基础上预估了机体表面辐射的噪声；比利 时l m s 公司、奥地利a v l 公司将有限元分析技术应用到实际工程设计中，借助其强大的 试验能力，在分析确定缸体激励力方面取得了重大进展，使得通过计算机模拟得出动 态响应的结果同实际情况相当接近；美国通用公司已经将有限元结构分析扩展到分析 极限变形、燃烧引起的热应力以及诸多动态响应分析上，并与试验结合起来进行新产 品新结构的优化n 引。 f - 1 6 0 0 往复式泥浆泵机体有限元分析 1 3 课题目的与主要研究内容 1 3 1 研究课题的目的 本课题以f 一1 6 0 0 型钻井泥浆泵的机体为研究对象，通过对泵机体进行静动态有 限元分析，得到机体在不同相位的应力、刚度分布情况及前十阶的模态振型，为钻 井泥浆泵机体的改进或设计提供理论依据。 1 3 2 课题研究的主要内容 本课题通过对f - 1 6 0 0 往复式泥浆泵机体的静态和动态分析研究，得到了不同相 位下整个机体的变形、结构应力及动态刚度分布情况，为机体的质量、刚度分布、 动态特性分析、设计、改进提供参考。主要内容如下： ( 1 )以f - 1 6 0 0 型钻井往复泥浆泵为原型，对往复泵机体做详细的受力分析。主要 包括对输入轴承座、曲轴轴承座、十字头滑道支撑以及前板受力部位的分析。 ( 2 ) 用p r o ew i l d f i r e3 0 建立f - 1 6 0 0 型往复泵机体三维模型。建模过程中根 据实际受力情况对细节作相应的取舍。 ( 3 ) 用a n s y s l 0 0 软件对机体进行静态分析，通过计算得到机体强度、刚度分布 较弱和富裕的部位。 ( 4 ) 对机体三维模型模态的分析：用子空间法提取模型自由和约束模态下的前十 阶模态，通过计算得到机体动态刚度分布情况。 工程硕士学位论文 第2 章f - i6 0 0 泵机体受力分析 根据钻井泵动力学对机体受力进行分析，主要研究对象是泵的动力端。首先对 曲轴连杆机构运动学以及对十字头、活塞的受力情况进行分析，所得结果可用于计 算这些零部件的强度、刚度、磨损等。f - 1 6 0 0 主要由动力端和液力端两大部分组成， 动力端包括：机体、小齿轮轴、曲轴、十字头、中间拉杆等；液力端包括：液缸、 阀总成、缸套、活塞、柱塞、吸入管和排出管等。其中机体由钢板焊接而成，并经 消除应力处理、刚性好、强度高。机体是钻井泵的基础，其它部件均安装在机体上， 机体内设置了必要的油池和油路，供润滑冷却之用，同时它又是阻止机体内噪声向 外辐射的一个重要屏障。另外，机体上装有小吊车，供检修和安装时吊装缸套和十 字头等部件，额定的起重量为5 0 0k g ，它起着检修机器时的吊装支撑功能。机体除 了上述的功能之外还有平衡为介质作功的泵体液力端传递而来的力，平衡齿轮啮合 而产生的力等。通过对机体作用的简要分析，泵机体主要受力的部位有小齿轮轴承 座支撑、曲轴轴承座支撑、十字头滑道处、机体前板( 或称前墙板) 。 2 1 机体受力分析 作用于动力端的载荷有以下几类。分别为介质压力、摩擦力、质量力、输入力 距和地基反力。 ( 1 )介质压力 缸内介质总压力p a 是作用与传动端的基本外载。对曲轴连杆机构，它是压向活 塞的活塞力；对泵机体，它是作用在前板上指向液力端的拉力。缸内压力p 的简化 表达式为： p - i o ，伊。 伊( 7 r + 缈。) (21，i p p d ， ( 万+ 伊。) 伊( 2 万+ 伊。) l z l ， ( 2 ) 摩擦力 相对运动零件间的摩擦力发生在活塞和缸套间、十字头和导板间以及各个滚动 轴承内。滚动轴承的摩擦力矩较小，在力的分析中可以略去。主要考虑前两种滑动 摩擦力。活塞和缸套之间的摩擦力f ，可以用下面的公式计算： f ，= f p z d b ( 2 2 ) 式中厂活塞皮碗与缸套之间的动摩擦因数 b 接触面的轴向宽度( m m ) ，标准制造的活塞皮碗b = 2 d 在满负荷的条件下，f ，约为介质压力的4 - - 8 ，取f ，的值为o 0 6 p 。a - - f - 1 6 0 0 往复式泥浆泵机体有限元分析 十字头和导板间的摩擦力为： f ：，= f ：f ：，= 0 1 1 f ：， ( 2 3 ) 式中厂，十字头与导板间钢对钢或钢对铸铁在边界摩擦条件下的动摩擦因数，取 f 2 = o 1 一o 1 2 f ：，十字头对导板的正压力 ( 3 ) 质量力 质量力包括构件自重和惯性力。自重在总载荷中所占的比例很小，因此在处理 自重时，可以近似地将质心位置置于某些易于计算零部件的特定点上。同时，也可 以应用缸体平面运动微分方程对部件进行求解，即将所有的惯性力通过十字头与曲 轴传到并叠加与对机体的导板座和轴承座的作用力中去。除了各缸的惯性力可能彼 此平衡抵消外，动力端中不可能有其它可与它们平衡的力，未能自我平衡的惯性力 或者惯性力距是引起泵机体振动的原因之一。 ( 4 ) 输入力距和地基反力 作用在动力端的还有来自驱动机作用在泵传动轴上的输入力距和地基反力。动 力端采用皮带传动，因此还需要对皮带传动中的拉力进行计算。钻井往复式泥浆泵 活塞力形成的阻力矩是波动形式的，传动轴上的扭矩和拉力也和惯性力距一样，也 是引起泵机体振动的原因之一。 由缸套直径和额定压力两个性能参数，可以获得活塞水平方向所受最大力。该力 作用在前板孔中心。假定两缸同时受力，按静力等效原则简化到前墙板总体节点上去， 成为节点载荷，前板节点总受力为1 8 1 0 5 n 。 曲轴连杆机构的运动关系采用图2 1 来表示，活塞行程s 的原点在后死点，以膏 轴的正方向为正。曲轴连杆的运动简图和运动方程如下： 式中：矿= c o t 鼍 图2 1 连杆运动简图 圳l + c o s 缈- 扣纠 “= 一r 彩( s i n f + 害s i n 2 伊) 口= 一尺功2 ( c o s 妒+ 2 c o s 2 缈) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 工程硕士学位论文 “活塞的速度 r 曲轴的回转半径 五连杆比，五= r l ，l 即a b ( 连杆) 的长度 如图2 1 ，假设连杆运动质心c 的平动坐标溉、y 。和绕c 点的转角来描述。现 规定以连杆和o x 轴的夹角艿为连杆的转角，连杆在o x y 平面内的任意位置有以下 数学关系： s i n 8 = 彤s i n q ，= 2 s i n q ， ( 2 7 ) 质心c 的在平面内的坐标为( 工。，y 。) x 。= r e o s q + l c o s 8 = r c o s t o t + 1 4 1 - 2 2 s i n 2 国t y 。= r s i n p - l s i n 8 = r s i n c o t - 1 2 s i n t o t ( 2 8 ) 对( 2 7 ) 、( 2 8 ) 式中时间t 两次求导，并略去次要项，得到连杆的角加速度占，。和 c 点的加速度分量口一口。为： 一一五彩z s i n 妒i1 一砍1 一百3s i n q ，) l ( 2 9 ) a 。= - r c 0 2 c o s q ，- l a 2 缈2 c o s 矽 ( 2 1 0 ) a 。= - r r _ 0 2 s i n q ，+ l a ( 9 2 s i n q ， ( 2 1 1 ) 从( 2 9 ) 式可以看出，g 。的实际方向总是和连杆的摆动方向相反。当缈= 2 和 缈= 3 z 2 时，s 。的绝对值最大。 活塞、活塞杆、介杆、十字头、十字头销、十字头轴承以及随它们作往复运动 的附件总质量为m ：。为简化计算，将质量为朋：的系统质心定在十字头销中心。现将 活塞力硝和活塞摩擦力f ，合并为活塞杆的推力f 为： f = 一叫+ ( o 0 6 p a ) j 。( 妒) ( 2 1 2 ) 式中的，( 缈) 为一自定义的伊角的函数： “小k 麓万 ( 2 1 3 ) 这样，在吸入冲程中摩擦力为正，在排出冲程中的摩擦力为负。 下面分析其中任意一缸曲轴、十字头的受力，以第l 缸为例并从连杆中分离， 如图2 2 。，、，。，为连杆对十字头的作用力，：，、，：，分别为导板对十字头的正 压力和摩擦力。考虑到泵阀关闭滞后效应，故在吸入冲程开始0 矽纸= 1 5 0 的一小 段内，活塞上作用有介质压力p 。，这会使f ：，方向向下且为正。考虑到这个因素， 式( 2 3 ) 可以改写成如下形式： f ：。= f ：f 2 ，j ：( 矽) ( 2 1 4 ) l 一，1 ，一f 3 ，十m 3g 2 m 3 a 口 i c 占。= f ，( l - 0 2 s i n f o - f 3 a s i n 伊+ f 。，( 三- 1 ) 1 - 2 2 s i n k a - f 3 川1 - 2 2 s i i l 矽 式中，为a c 的长度，即连杆大端中心到质吣的距离 以上五个方程和( 2 1 4 ) 式共六个方程，从中可以求解出f f f h 和f ，六个未知数。可先将，、f 。，、f ，和f ，表达为f ：，的函数， ( 2 2 0 ) ，可求得f ：， 一 彳 ，2 ，2 百 求解结果为： ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) f 2 ，、f 2 ，、 全部代入 彳= 一。s 。一( f m 2 a 一，1 3 口。) 2 s i n 伊- ( m 2 + 聊3 ) g m ，口钞 ，i 石+ ( m ：a f ) ( 三一t ) a s i n 伊一 ( 2 2 1 ) 聊2 9 ( 一0 4 1 - 2 2 s i n 2 f 0 曰= 2 ( 咖厂s i i l 伊+ 汀丽 f 。，= 所掣一f - f ：f ：，j ：( 缈) 8 一 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) f 3 y = ( ， 2 一m 3 ) g m 3 a 9 + f 2 ， ( 妒) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 曲轴的受力比较复杂，三缸泵整根曲轴上承受互为1 2 0 度相位差的三个连杆力， 小齿轮的啮合力、主轴承座的反力、自重和偏心质量的惯性力。以下仍然假设各力 均为集中载荷，根据达朗伯原理求解各个作用力。 现为曲轴的三个曲柄编号，假设大齿轮在2 # 和3 # 曲柄之间。三个曲柄的工作 顺序为l # 一2 # 一3 # ，将与每个曲柄相连的连杆、十字头、活塞等分别称为l # 、 2 # 、3 # 曲柄系统，并以上标7 、”及 ，分别表示这三个系统的参数。 对1 # 连杆： ，3 ，= 一m 3 口。- m 2 a + ，+ 厂2 f 2 y j 2 ( 伊7 ) ( 2 2 8 ) f 3 ，= ( m 2 一所3 ) g - m 3 口7 9 + ，2 ， ( 2 2 9 ) 对2 # 连杆： f 。3 。= 一m 3 口。- m ：a 。+ f 。+ 厂2 f 。2 y ，2 ( 伊”) ( 2 3 0 ) f 3 ，= ( m 2 一m 3 ) g - m 3 口。叮+ ，2 ， ( 2 3 1 ) 对3 # 连杆： ，_ 3 ，= 一m 3 口_ 。- m ：a _ + f 。+ 2 f 一2 】，2 ( 伊肿) ( 2 3 2 ) f 一3 ，= ( m 2 一班3 ) g - m 3 口。掣+ f ”2 ， ( 2 3 3 ) 曲柄工作的顺序为1 # - - 2 # 一3 # ，在此条件下用于三个系统计算公式的曲柄 转角分别为： = 伊 ( 2 3 4 ) 矿= 矽+ 2 么 ( 2 3 5 ) 缈”= 伊+ 4 哆 ( 2 3 6 ) 动力端部件自重的处理方法是将曲轴、大齿轮、连杆大端轴承和压板质量的一 半为曲轴的总质量作为聊。简化计算时，将研，= m 。2 作用于大齿轮中心上，另三个 曲柄端点上各分配m 4 - m 。6 。 偏心质量惯性力即朋。的离心力，该力的大小为r c 0 2 聊。，方向沿曲轴离心向外。 设l # 、2 # 和3 # 曲柄的离心力分别为f ，、f 。和，一，则 f 4 ，= r c 0 2 ，1 4 c o s q ， ( 2 3 7 ) f ，= r c 0 2 朋4 s i n t p ( 2 3 8 ) 以此类推，f 一。和f _ 。的表达式和上面一样，将替换成矿和矿即可。 大齿轮和小齿轮啮合力可以分解为沿径向和切向的两个分力，、f ，也可以分 f - 1 6 0 0 往复式泥浆泵机体有限元分析 解在x 、y 轴上的分量f 钳、f ，。根据以上对曲轴受力的分析，得到受力简图如2 3 。 图2 3 曲轴受力分析简图 求解f | 、fr f ，= 瓦rm t - 缈t 一( f r 3 y + m , g ) c o s 伊+ 儿s i n 矿一 ( ，# 3 y + m 召) c o s ”+ f m 3 x s i n q ，。一( ，。3 ，+ m 4 9 ) c o s 一】 ( 2 3 9 ) 式中r ：大齿轮的分度圆直径 f ，2 面f s j g 万a ( 2 4 0 ) c o s 式中a 。法向啮合角，标准斜齿轮口= 2 0 0 。斜齿轮的节圆螺旋角，螺旋角不宜选的太大，常在。= 8 。2 0 。之间选择。 取风= 1 4 。将凡、f ，变换表达为沿x 、y 轴分量的形式： f 5 ，= f ，s i n q ，- f ，c o s 缈 ( 2 4 1 ) f 5 ，= f ，c o s ( p + f ，s i n 尹 ( 2 4 2 ) 式中缈大小齿轮中心连线和o x 轴的夹角 求解曲轴支撑左轴承反力： ，“= 一【( f ，+ f 。，) ( ，- 。一“) + ( f 。，+ f t t 4 x ) ( ，。一，。：) + f ，o 。一，) + ( f ”，+ f ”。) ( ，。一，。：) 】 ( 2 4 3 ) f 6 y = 【( f ，+ f t 4 y ) ( ，。一“) + ( f 。，+ f w 4 y ) ( ，。一，t ：) + ( ，+ 聊落) ( ，。一，) + ( f ”，+ f 。，) ( ，。一，- ：) j ( 2 4 4 ) f ，= 一【( f 7 ，+ f 4 j “+ ( ，”，+ f 4 ，) 1 1 2 + f ，+ ( ，”，+ f ”。，) ，。3 】 ( 2 4 5 ) 1 1 0 f t y = - 【( f 3 ，+ ，。，) “+ ( f 。，+ f 。，) ，。：+ 1 1 0 ( f ，+ ml g ) l ，+ ( f 一，+ f 。，) z 。，】 ( 2 4 6 ) 求解小齿轮轴轴承反力时设传动轮在右轴承侧，其半径为r ，圆周力为f 。，传 动轴、小齿轮和传动轮总质量为肌。，质心在小齿轮中心，传动轴的轴承跨距为z ，。 则传动轮的圆周力为： f i o x = 鱼， ( 2 4 7 ) r 3 式中尺小齿轮的分度圆直径 幽2 4 传动硼糸统赏刀葡圈 运用刚体系统平衡原理，求出小齿轮左右轴承反力。 左轴承反力： = 荨黜，_ f 6 ) - f i o ，i , ( 2 4 8 ) f s y - l t 必 (21 h(fsy-m69)49) 1 7 右轴承反力： ，9 ，= f s x l 6 + f l o x ( ，8 + ，7 ) 】 ( 2 5 0 ) = 等( 岛一肌毋) ( 2 2 2 机体受力计算 根据以上的分析，从理论上求解出了十字头、连杆、曲