基于ANSYS的BW380／8泥漿泵缸套有限元分析

張慶華，李宗義

（甘肅機電職業(yè)技術學院，甘肅 天水 741001）

0 引言

缸套是泥漿泵的重要零件，同時也是易磨損件，在泥漿泵工作過程中，每隔數(shù)個工作周期都有相當數(shù)量的缸套由于受到高壓載荷和磨損導致破壞，進而被拆卸與更換，較大地影響了工作效率。

提高泥漿泵缸套的耐磨性，一般采用試驗法，周期長、成本高。本文運用計算機技術，采用Pro／E和ANSYS軟件，采用有限元分析法，先用Pro／E對缸套進行建模，然后將模型導入ANSYS軟件中對其進行有限元分析計算，從而得到缸套的應變、應力和溫度場，通過對應變、應力和溫度場分析，可以對缸套的耐磨性進行分析。

1 對缸套進行建模

1.1 BW380／8泥漿泵缸套結構

原BW380／8泥漿泵缸套為單金屬缸套，材料為20CrMnTi，Φ95內表面滲碳，滲碳層為0.8～1.2mm，淬火硬度為56～60HRC，具體結構見圖1。

圖1 BW380／8泥漿泵缸套

利用Pro／E軟件分別對缸套進行三維建模。將Y坐標軸作為軸向對稱軸，缸套的徑向與X軸的方向一致，Z軸的方向作為缸套的周向，取l／10缸套的圓周部分作為最終的三維模型［1］。建好后的模型見圖2。

最后將用Pro／E建立好的簡化三維模型儲存為IGES格式文件，導入ANSYS軟件中進行有限元分析。

圖2 BW380／8泥漿泵缸套三維模型

2 應變計算分析

2.1 缸套模型在機械載荷下的計算分析結果

本研究是在如下假定前提下進行有限元分析：泥漿泵缸套與橡膠活塞摩擦副受到的載荷達到了一個較穩(wěn)定的狀態(tài)。利用ANSYS軟件求解，經過在軟件中的操作和調試后，得到了缸套模型的計算結果［2］。如圖3所示，在載荷分別為5MPa、15MPa和25MPa下所對應的應變云圖。

表1列出了缸套在不同載荷下對應的最大應變值。

表1 缸套在不同載荷下的最大應變值

圖3 缸套在5MPa、15MPa、25MPa載荷下的應變云圖

由圖3可知，在最大應變值方面，在三個載荷條件下，隨著載荷的增大，應變值先減小后增大。在應變分布方面，應變由缸套兩端到中間逐漸增加，較大區(qū)域均出現(xiàn)在缸套內表面的中間部分。

3 應力場計算分析

3.1 各模型的應力場分析

利用ANSYS軟件能夠得出缸套模型在三個不同工作載荷下的節(jié)點綜合位移、應變、Mises應力、最大主應力等應力值和各應力分布情況。Von Mises等效應力是根據(jù)第四強度理論得到的一種當量應力，Mises屈服準則又稱為能量準則。本研究主要是運用 Mises應力的結果進行分析的。

上式中：σ1、σ2、σ3為主應力。

圖4分別為缸套模型在三個不同工作載荷下的Mises等效應力分布情況。

圖4 缸套在5MPa、15MPa、25MPa下的Mises應力云圖

對圖4分析可知，缸套模型的最大應力值均未超出其屈服極限并且能夠確保零件正常工作；由于缸套受到流體介質的載荷和腐蝕比較大，磨損表面塑性變形變得嚴重，塑性變形也相應增加，會產生一定的應力。

4 缸套在熱耦合工況下的計算分析結果

由于溫度載荷對缸套的工作條件和使用壽命影響很大，有必要對其進行熱分析，泥漿泵工作過程中，缸套受到的熱載荷和機械載荷相比要大得多，極大的影響了缸套的工作可靠性。所以，就其熱載荷進行分析，對缸套的優(yōu)化設計尤為重要。

4.1 各模型的溫度場分析

缸套模型溫度場的計算結果依舊由ANSYS軟件得出，溫度場的計算結果分別給出了缸套模型在三個不同工作載荷下的溫度場分布情況，以及選取的節(jié)點組的溫度變化情況。

圖5反映了缸套模型分別在5MPa、15MPa和25MPa工作載荷下的溫度分布情況，不同顏色及深淺程度對應著缸套內表面不同大小的溫度變化情況。

圖5 缸套在5Mpa、15Mpa、25Mpa載荷下的溫度場

從圖5分析可知：缸套模型的溫度隨載荷的變化幅度最大，隨著載荷的增大，缸套的溫度場逐漸增大。

5 結論

基于ANSYS的BW380／8泥漿泵缸套有限元分析，可以得出模型在不同工作載荷下的應變場、應力場和溫度場，對缸套的耐磨性進行分析與研究，可以很大程度的提高泥漿泵設計人員的工作效率，節(jié)約成本。

［1］ 張錕.不同微造型表面的鉆井泥漿泵缸套的有限元分析［D］.大慶：黑龍江八一農墾大學，2014.

［2］ 郭紹波.F－1600往復式泥漿泵機體有限元分析［D］.蘭州：蘭州理工大學，2011.