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(guān)鍵詞：增壓注水泵;靜強(qiáng)度;有限元分析;模態(tài)分析

0引言

隨著石油開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于油田增產(chǎn)措施的要求逐漸提高，注水泵是油田注水開發(fā)工藝中一種十分重要的機(jī)械設(shè)備。油田投入開發(fā)后，如果沒有相應(yīng)的驅(qū)油能量補(bǔ)充，油層壓力隨著不斷開發(fā)而逐漸下降，導(dǎo)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(bǔ)充，保持油層壓力，達(dá)到油田穩(wěn)產(chǎn)目的。早在20世紀(jì)70年代，我國各大油田在經(jīng)過一段時(shí)期的開發(fā)開采后，地下油層壓力大幅度下降，導(dǎo)致油井的采收率不斷下降，加之采油驅(qū)油技術(shù)也相對(duì)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(guān)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(huì)產(chǎn)生壓力、流量變化，產(chǎn)生氣穴、空化等現(xiàn)象引起流量和壓力脈動(dòng)，從而產(chǎn)生機(jī)械零件的振動(dòng)。如果增壓注水泵的關(guān)鍵零件強(qiáng)度不足以及發(fā)生共振，那么將會(huì)致其失效，影響工作。因此為了保證該裝置的穩(wěn)定工作，本文用ANSYS Workbench軟件對(duì)傳動(dòng)端關(guān)鍵零件進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度分析，并對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，證明其滿足工作要求。

1增壓柱塞注水泵傳動(dòng)端結(jié)構(gòu)示意圖及工作原理

增壓柱塞泵傳動(dòng)端主要由曲軸、軸承、0型架組成。由電機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，從而使與曲軸連接的軸承做圓周運(yùn)動(dòng)，軸承與0型架接觸傳動(dòng)，使0型架左右往復(fù)移動(dòng)，0型架外端與中間桿連接，帶動(dòng)柱塞桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從一端吸人液體，從另一端排出，從而實(shí)現(xiàn)增壓功能。

2注水泵傳動(dòng)端O型架有限元分析

2.1 O型架靜強(qiáng)度分析

2.1.1 0型架的受力計(jì)算及模型建立

由工作原理可知，增壓主要是由曲軸帶動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)0型架做往復(fù)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，因此0型架的強(qiáng)度校核十分有必要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)端的尺寸大小，運(yùn)用SolidWorks進(jìn)行建模，將建好的模型導(dǎo)人到ANSYS Workbench軟件中，使用ANSYS單元庫中的結(jié)構(gòu)分析單元，控制網(wǎng)格尺寸在10mm，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，共得到17449個(gè)節(jié)點(diǎn)，10346個(gè)單元。如圖2所示。

檢查0型架的網(wǎng)格質(zhì)量劃分，如圖3所示。越靠近右端，說明網(wǎng)格質(zhì)量劃分越好，從圖中可知，網(wǎng)格大部分質(zhì)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(duì)0型架施加的載荷及受力進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算0型架形變時(shí)，只需考慮作用在0型架兩端的柱塞力。因此柱塞力的計(jì)算如下：

如果系統(tǒng)不受外部激振力的作用，則F（t）=0，此時(shí)系統(tǒng)處于自由振動(dòng)狀態(tài)，在計(jì)算求解結(jié)構(gòu)固有頻率和主振型時(shí)，阻尼系統(tǒng)對(duì)此影響很小，因此可以不考慮阻尼的因素，此時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程為：

2.2.2模態(tài)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(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的模態(tài)分析。在ANSYS Work-bench軟件中對(duì)所創(chuàng)建的0型架有限元模型進(jìn)行模態(tài)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(jié)構(gòu)變形，從0型架前6階振型圖可以看出各階頻率下的振動(dòng)形態(tài)。

當(dāng)激勵(lì)頻率和結(jié)構(gòu)的固有頻率滿足如下關(guān)系時(shí)，結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生共振：

通過模態(tài)分析計(jì)算所得0型架的前6階固有頻率介于1305.4～3223.1Hz，由電機(jī)轉(zhuǎn)速為3200r/min可知，其激勵(lì)頻率為53.3Hz，遠(yuǎn)小于固有頻率，因此該零件不會(huì)產(chǎn)生共振。

3 O型架的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

優(yōu)化設(shè)計(jì)作為機(jī)械設(shè)計(jì)中一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，使得在解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問題時(shí)，能從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找到盡可能完美或最適宜的設(shè)計(jì)方案。輕量化是優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種，輕量化設(shè)計(jì)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高材料利用率的一種設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)之前分析可知，0型架設(shè)計(jì)的形變量非常小，并且0型架所受的接觸應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力。為了節(jié)約成本，并使其盡可能地滿足設(shè)計(jì)要求，可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：

（1）減小0型架的體積，使其在質(zhì)量減小的情況下滿足設(shè)計(jì)要求;

（2）采用質(zhì)量更輕的材料來制作0型架。

4結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)如今增壓注水泵工作環(huán)境惡劣的工況下，按照增壓注水泵的要求，完成了對(duì)傳動(dòng)端的整體設(shè)計(jì)，該設(shè)備在完成增壓工作的同時(shí)，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(duì)傳動(dòng)端中的關(guān)鍵零件0型架進(jìn)行了靜強(qiáng)度校核分析以及模態(tài)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)的激勵(lì)頻率，因此能有效避震。最后為0型架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析提供了依據(jù)。