搜索鉆井泵機架的靜動態有限元分析
2016-11-28 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
摘要:本文應用SAP5/LISA結構分析程序,對F1300型三缸泵機架的強度、剛度和固有振動特性進行了有限元分析,獲得了機架在額定載荷作用下各部位的應力和變形的分布規律,及自由振動時的最小幾階模態頻率和模態振型。計算結果表明,整個機架結構應力、變形不均勻,強度、剛度富余。振型分析表明,機架結構只是泵頭和泵尾開口部位動剛度偏弱,而泵中部和內部則剛度過剩,泵體的質量和剛度分布不合理。為F1300型鉆井泵的改造、進行動態特性分析和動態設計提供了必要的依據。
關鍵詞:鉆井泵; 機架; 強度分析; 剛度分析; 模態分析; 動特性分析; 有限元法
F1300型三缸單作用鉆井泵,是寶雞石油機械廠為了滿足油田高泵壓和大排量鉆井工藝的需求,類比美國EMSCO泵自行設計制造的。它缺少必要的理論計算依據,不能完全適應高壓噴射鉆井工藝的發展對泵的抗振性提出的高要求。為了全面了解F1300型三缸泵機架的應力水平和剛度分布情況,發現薄弱環節和過剩部位,為減輕重量、降低成本、均衡整機應力與剛度提供必要的改進設計依據,我們進行了靜力有限元計算。
在靜力分析的基礎上,我們還對機架的固有振動特性進行了分析,目的在于全面了解泵的動剛度的分布,發現動剛度的薄弱環節和過剩部位,對泵體的改造進行動態特性分析與動態設計,使泵體的質量和剛度有一個合理的分布,進一步改善泵的動態特性,提高其抗振性能,全面提高泵的質量,延長泵的使用壽命。
F1300型三缸泵采用鋼板組焊結構。整個機架結構由左右兩塊主墻板、前墻板、前底板、前聯接板、頂板一、頂板二、頂板三、上、下支承板、橫墻板(Ⅰ)、橫墻板(Ⅱ)、上橫板、底板—~四和兩根座架梁組成。機架內部由于結構上的需要,沿x和z方向有支承筋、加強筋和型鋼等零部件。在兩塊主墻板的主、被動軸承孔處分別焊接有鑄鋼軸承座。機架結構計算模型簡圖。
鉆井泵機架是由鋼板組焊而成的,可以按板殼單元計算;主、被動軸承座簡化為厚圓環結構,按三維8~21節點塊元計算;支承筋、型鋼和兩根座架梁按空間梁單元計算,并從屬于相應的主節點;圓環結構和板殼結構的弱連接采用罰單元處理;傾斜板單元節點的第6個自由度用邊界彈簧單元處理。整個機架結構分成12批1331個板殼單元,2批141個空間梁單元,56個三維塊元,46個罰單元和182個邊界彈簧單元,總計1797個節點。離散后機架結構單元網格圖和結構坐標系。
由缸套直徑和額定壓力兩個性能參數,可以獲得活塞水平方向所受最大力。該力作用在前墻板孔中心,假定1、2兩缸同時受力,按靜力等效原則簡化到前墻板總體節點上去,成為節點載荷。
垂直方向受力,可由十字頭受力分析求得。并假定這個集中壓力平均作用在下支承板的四根支承筋上。
三缸單作用鉆井泵機架承受著三個活塞交替變化的作用力,通過液力端閥箱上的聯接螺栓將活塞的推力傳遞給前墻板,由主、被動軸對主墻板軸承座的作用力與之平衡。三缸的作用力按120°循環交替工作,一個缸滿負荷工作時,另外兩個缸以一定的重疊系數工作著。本文按兩缸同時滿負荷工作計算,并假定被動軸處于正轉狀態。
鉆井泵在油田鉆井現場,底座的固定方式不一。鉆井泵機架是通過8個聯接螺栓,與底座的座架梁牢固聯接在一起的。本文對機架的約束條件采用了在底座梁下翼緣分別沿X向設置一個桿支座,Y向設置6個桿支座,Z向設置2個桿支座,以約束X、Y、Z方向的線位移。這種邊界約束條件與油田鉆采現場的約束條件基本相同。
當1、2缸受力時,左右兩主墻板受力不相同,應力、變形更不均勻,因而更危險。根據計算結果分析如下:
左墻板最大拉應力發生于單元209和159,其值分別為31.50MPa和25.33MPa,這是主、被動軸孔中心連線位置區。單元209為二向拉應力狀態,應力值最大,此區為左墻板受力最大區,也是實際易損壞區。與主軸承座相連處、與前墻板相連處及動力端尾部受力也較大,整板應力集中不明顯,應力水平偏低。
前墻板是直接承受液力端活塞推力的一塊三孔平板,整板相當應力均在25.65MPa以下,對鋼板來說,強度足夠。前聯接板最大拉應力發生于單元35,數值為σ1=55.61MPa,σ2=9.53MPa;上部邊緣為最大拉應力區,相當應力數值在42.67~51.51MPa之間;一般單元相當應力多數在30MPa左右,應力分布較合理,為主要承力板之一。
頂板一最大拉應力發生于單元58,數值為σ1=52.38MPa,σ2=2.07MPa,這是整個機架最大應力值,次大拉應力發生于單元62,數值為σ1=30.84MPa,σ2=2.68MPa;一般在20MPa以下。此兩單元都在過渡圓角處,明顯大于平均應力水平,即在開口、過渡圓角處存在明顯的應力集中。
橫墻板二最大拉應力值為σ1=20.87MPa,σ2=12.43MPa;最大壓應力值為σ1=-24.1MPa,σ2=-34.26MPa,發生于同一單元;拉、壓應力次大的單元為26和30,數值分別為σ1=20.25MPa,σ2=8.71MPa和σ1=-6.20MPa,σ2=-25.54MPa;三處位置皆在1、2缸開孔之間較薄處。其它單元相當應力皆在20MPa以下,應力水平不高,強度富余。
右墻板、前底板、上、下支承板、頂板二、頂板三、底板一~四、筋板、上橫板應力水平都偏低,相當應力均不足20MPa;兩軸承座最大主應力為22.80MPa,應力水平也偏低;橫墻板一最大相當應力僅6.15MPa,強度儲備大。
綜觀機架的強度計算表明,F1300型鉆井泵機架的結構尺寸選取不盡合理。總體應力水平偏低,且分布不均勻,部分板強度儲備過多。
每一個板單元節點有六個自由度,由有限元計算結果可得到各節點沿三個總體坐標的線位移和繞三個座標軸的轉角。就機架的剛度而言,其在額定工作載荷作用下總的變形.
由于機架的上半部分,特別是后上部位,是開口薄壁結構,又由于結構上安裝液力端和動力端零部件的需要,機架的上半部分比下半部分剛度小,且整體有繞對稱面扭轉的趨勢。
左墻板主軸承座后部中心平面的節點相對前墻板底邊的x向相對位移最大,此面上下為x向相對位移最大的區域,數值在0.195~0.256mm之間,對液力端泥漿的吸入和壓出性能不會產生不良影響。底板一上x向變形量最大的兩點的變形量為0.197mm和0.207mm,變形量不大。
底板三的點相對前墻板底邊y向相對位移最大,數值在0.09~0.110mm之間,在減薄底板時考慮了這一重要因素。前底板上最大四點的y向相對位移在0.09~0.10mm之間,前聯接板的相對位移在0.088~0.096mm之間。均不會影響機架的正常工作。
左墻板鄰近前墻板區域的點相對左墻板底邊z向相對位移最大,數值在0.054~0.092mm之間;頂板一鄰近左墻板的過渡圓角處為z向相對位移最大的另一區域,數值在0.050~0.091mm之間,這是由應力集中所致;由于z向不受作用力,故變形都偏小。
綜觀機架的變形表明,機架內部各板變形偏小,剛度儲備大,不盡合理,應適當調整。
為了全面了解機架的固有振動特性,利用SAP5/LISA動力分析有限元程序,對機架結構進行了自由振動有限元分析,得到了模態頻率和模態振型的計算值。由于機架的振動模態主要由前十五階模態決定,因此重點分析了其中的部分振型,其部分振型見圖5。
第一階振型(105.5Hz) 主要表現為底板一上的加強筋作大幅前后、上下振動,頂板三上的筋小幅彎振,底板一作中小幅前后振,底板二繞Z軸小幅扭振,頂板二作小幅上下振。
第三階振型(185.8Hz) 主要表現為前聯接板作異向中大幅左右振,泵頭側板作小幅左右振。
第五階振型(220.9Hz) 主要表現為頂板二的小幅扭振,頂板三的中大幅扭振,上橫板的小幅扭振,底板一繞X軸作小幅扭振。這是上、下方向最大振幅所在振型,頂板三的Y向振幅皆較大,其最大振幅值為0.16400。
第六階振型(269.3Hz) 主要表現為筋板的中大幅左右振動,橫墻板間側板的小幅左右振動。
第八階振型(348.2Hz) 主要表現為上橫板繞垂直軸作大幅扭振,頂板二繞Y軸作中小幅扭振,頂板三作小幅前后振,底板一繞垂直軸作小幅彎振。這是前后向最大振幅所在振型,上橫板最大振幅值為-0.51396,除上橫板外,底板一為另一薄弱部位,其上各點前后向振幅均較大,最大振幅為0.023557。
第九階振型(356.2Hz) 主要表現為上橫板的中大幅前后振,底板一繞Z軸的中幅扭振,底板二的中幅前后振,頂板二繞垂直軸中幅扭振。
第十階振型(386.2Hz) 主要表現為左右聯接板的中大幅扭振。
第十二階振型(418.0Hz) 主要表現為左右聯接板繞垂直軸作中大幅扭振,小軸承座附近側板作中幅左右振動,頂板三作中幅扭振。
第十三階振型(462.2Hz) 主要表現為筋板作中大幅左右振動,前聯接板作小幅左右振動。這是側向最薄弱部位,筋板最大側向振幅為0.36527。
第十五階振型(492.2Hz) 主要表現為底板一加強筋的中大幅振動,頂板三的中幅扭振,上橫板繞X軸的中幅扭振,下支承板的小幅扭振。
從各階振型分析中,可以概括出兩個薄弱部位,首先是泵尾部開口部位,其次是泵頭部位,這兩部位在低頻階段的模態中振幅均較大,振幅較小的部位為泵體中部和泵后部的側板部位,由于這兩個部位的動剛度均較大,因而使振幅較小,下面針對上述兩個較薄弱的部位,進行原因分析。
從泵的結構可以看出,泵尾開口部位的邊界為自由邊界,并且在開口部位附近又開了一個被動軸孔,雖有加強筋在起作用,但這不足以補償開口的減弱,使得開口部位在局部范圍內振幅較大,主要表現為頂板二、頂板三、底板一至底板四,上橫板在大多數模態振型中振動幅值均較大,若考慮了后蓋的部分加強作用,開口部位仍是整個機架動剛度最小,最薄弱的部位。因而,加強筋在整體中的加強作用應適當加強,以增大開口部位的動剛度,降低振動幅值。
泵頭是其次薄弱的部位,薄弱部位有四處 (1) 泵頭部的前聯接板,左右向動剛度較弱,表現為出現中大幅左右向振動和扭振。(2) 泵頭部頂板一,由于鉆井工藝要求,開有一個大方孔,它不僅削弱了泵頭部的彎曲剛度,而且很大程度的削弱了泵頭的扭振動剛度,導致泵頭的扭振動剛度較小。(3) 泵頭底板,由于本身的鋼板較薄,導致在低頻階段的部分頻率中振幅較大,同時由于泵頭底板的動剛度較小,也造成泵頭整體動剛度的下降。(4) 泵頭另一個較薄弱的部位是泵頭側板,雖有兩個前腿在起加強作用,但由于未與底座聯接,對側向剛度影響很小,所以,泵頭側板在某些頻率下左右向振幅仍較大。綜上可見,泵頭的彎曲和扭轉動剛度均較小,而泵頭部聯接著泵的重要部件液力端,它的振動特性,直接影響著液力端,影響著液力端的工作特性以及傳動機構的工作特性,是整泵正常工作的關鍵。
1. 鉆井泵機架是個比較復雜的結構,其每個組成部分的應力狀態和變形規律也相當復雜,通過靜力有限元計算,獲得了機架任一部位的應力和變形,對整個機架的強度和剛度有了全面了解。通過動力有限元計算,對整個機架的動剛度有了全面了解,發現了薄弱環節和過剩部位,為鉆井泵的結構改進,進行動態分析及動態設計提供了依據。
2. F1300型三缸泵機架的組成不盡合理,應力、變形分布不均勻,部分板應力水平過低,變形量偏,大部分板強度、剛度儲備過多;致使整機過重,造價過高。
3. F1300型三缸泵機架的振動特性,并非整體剛度偏弱,而只是泵頭和泵尾開口部位偏弱,另有泵體中部、泵后部的側板和泵體內部剛度過剩。
4. 機架結構整體動剛度不均勻,質量、剛度分布不合理,動力性能尚可進一步改善。
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