鉆井泵組裝式曲軸設計與有限元分析

劉紅芳，曾興昌，2，羅元清，于書清

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002；3.滄州市華油飛達石油裝備有限公司，河北滄州061001）①

鉆井泵組裝式曲軸設計與有限元分析

劉紅芳1，曾興昌1，2，羅元清1，于書清3

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002；3.滄州市華油飛達石油裝備有限公司，河北滄州061001）①

介紹了目前鉆井泵常采用的整體鑄造式、整體鍛造式、組焊式、組裝式4種結構形式。組裝式曲軸可避免整體鑄造、整體鍛造及焊接等帶來的諸多問題，被越來越多的鉆井泵設計者所采用。確定芯軸和偏心輪之間合理的裝配過盈量是組裝式曲軸設計的關鍵點和難點。應用ANSYS軟件的非線性接觸分析功能，計算出某新型組裝式曲軸的芯軸與偏心輪之間合理的裝配關系為H7／t6，可供同類設計參考。

鉆井泵；曲軸；過盈裝配；有限元分析

1 鉆井泵曲軸結構形式及特點

鉆井泵一般分為動力端和液力端2大部分。液力端將機械能轉化為泥漿動能，是實現泵功能最直接的執行部件；動力端是動力機和液力端之間能量的傳遞和轉換機構，一般將柴油機或電機的旋轉運動轉換為往復運動［1］。由于動力端不是直接的功能執行部件，只要能夠最終輸出往復運動即可，所以機構形式具有多樣性，例如：曲柄連桿機構、凸輪機構、液壓傳動等。其中，曲柄連桿機構結構簡單可靠，綜合性能最具優勢，在鉆井泵設計中應用最多。

曲軸在鉆井泵設計中至關重要，其結構型式直接影響泵的體積、質量、可靠性、平穩性、成本等。從結構形式及制造工藝的角度劃分，鉆井泵常見的曲軸有整體鑄造式、整體鍛造式、組焊式和組裝式4種，如圖1～4所示。

圖1 整體鑄造曲軸（三維模型）

圖2 整體鍛造曲軸（三維模型）

圖3 組焊式曲軸

圖4 組裝式曲軸（三維模型）

整體鑄造曲軸一般采用低合金鑄鋼或球墨鑄鐵，可以采用空心或實心結構，成本相對較低，但由于結構復雜等容易出現裂紋、氣孔、縮孔、渣眼等鑄造缺陷，如果不嚴格執行探傷檢驗程序，則會造成質量問題。在三缸泵開始推廣使用階段，國內外鉆井泵都曾發生過曲軸斷裂事故，經不斷改進設計計算方法、材料、鑄造工藝等，曲軸質量才逐漸趨于穩定［2］。整體鍛造式曲軸采用低合金鋼鍛件，零件的強度、塑性、沖擊功等力學性能指標均能達到較高的水平，但其材料和機加工成本較高，一般用于壓裂泵、注水泵等尺寸相對較小的產品，近年來才逐步引入到某些新型鉆井泵產品中。例如：寶石機械公司的QDP-3000型五缸鉆井泵、宏華公司的5NB2400GZ鉆井泵等。隨著對整體式曲軸缺點的認識不斷深入，設計者越來越多地開始采用各種形式的分體式曲軸，主要形式為組焊式和組裝式2種，它們既可以提高曲軸的力學性能和可靠性，又可以降低制造難度和成本。各種曲軸優缺點總結如表1。

2 組裝式曲軸設計要點與難點

通過對鉆井泵曲軸常見結構形式及其特點的分析，發現組裝式曲軸可避免鑄造、整體鍛造、焊接等帶來的諸多問題，兼具其他3種曲軸的優點。事實上，組裝式曲軸是近年來鉆井泵設計中才開始采用的新結構，國外應用比國內多，其常見的裝配連接方式有平鍵、銷軸、過盈等。通常情況下，僅靠1種方式不能傳遞足夠大的轉矩，需要組合應用多種連接方式，例如：平鍵＋過盈裝配、銷軸＋過盈裝配等。

表1 鉆井泵曲軸形式及其特點

續表1

組裝式曲軸對設計和裝配的要求很高，確定合理的過盈裝配量是設計的難點和關鍵點。過盈量要保證能夠傳遞足夠大的轉矩（芯軸與偏心輪之間不打滑），同時，過盈量又不能太大，否則會導致裝配應力過大而損壞零件。這在國內外各種組裝式曲軸的設計中都要遇到，在有限元分析技術出現之前，人們對過盈裝配問題的計算能力非常有限，只能計算少量規則結構的裝配應力、比壓等，例如：直軸與套筒等。

3 某新型組裝式曲軸有限元分析

本文在某新型組裝式曲軸設計中應用ANSYS非線性接觸分析方法［3-4］，求出芯軸與偏心輪之間合理的裝配過盈量，并經樣機試驗證明是可行的。

3.1 材料結構及尺寸

曲軸由芯軸和偏心輪2部分組成，兩者之間沒有平鍵等連接件，僅靠過盈裝配產生的預緊力來傳遞轉矩和彎曲載荷。

芯軸材料：Q460D，Rm≥500 MPa，ReL≥380 MPa；偏心輪材料：ZG270-500，Rm≥500 MPa，ReL≥270 MPa。曲軸結構及尺寸如圖5所示。

圖5 新型組裝式曲軸結構及尺寸

3.2 三維模型與有限元網格

應用UG軟件建立曲軸裝配體三維模型，導入ANSYS Workbench軟件劃分網格。模型主體部分采用SOLID186、SOLID187高階實體單元，芯軸與偏心輪結合面處應用CONTA174和TARGE170單元建立接觸，并按H7／t6配合的最大和最小值分別設置過盈量。曲軸三維模型與有限元網格如圖6～7所示。

圖6 曲軸三維模型

圖7 曲軸網格模型

3.3 約束與載荷

因為曲軸兩端安裝有調心軸承，其允許的轉動量遠遠大于曲軸彈性彎曲變形引起的轉動量，所以將曲軸兩端按簡支梁支撐（如圖8，約束A、B）；限制安裝人字齒輪法蘭面的周向位移，即：防止曲軸在連桿力的作用下轉動（如圖8，約束C）。

按2個載荷步計算：①計算因過盈引起的裝配應力；②保持裝配應力，再在連桿軸承安裝面上施加連桿力（如圖8，載荷D、E）。連桿力的大小及方向由機構動力學模擬分析得出，在此不再詳述。

圖8 曲軸約束與載荷示意

3.4 計算與結果分析

有限元計算結果如圖9～11所示。芯軸與偏心輪設計裝配關系為H7／t6，在最大過盈量作用下產生的最大裝配應力為96.3 MPa；在過盈裝配及最大連桿力的共同作用下的最大應力為：芯軸130.7 MPa，偏心輪101.5 MPa；裝配結合面上的平均比壓為15.4 MPa，最大比壓為47.6 MPa。

圖9 裝配應力云圖（Von-Mises應力）

圖10 裝配＋連桿力作用下Mises應力

圖11 裝配接觸面比壓

結果分析主要有2點：①按第四強度理論，取最大過盈量＋連桿力作用下的Von-Mises應力，分別校核芯軸和偏心輪的強度；②取最小過盈量作用下裝配接觸面的比壓，校核曲軸傳動能力是否足夠，即：在連桿力作用下芯軸與偏心輪之間是否會打滑。

1） 強度校核。

芯軸強度：σmax＝130.7 MPa≤ReL／n＝168.9 MPa，足夠（取安全系數n＝2.25）。

偏心輪強度：σmax＝101.5 MPa≤ReL／n＝120 MPa，足夠（取安全系數n＝2.25）。

2） 曲軸抗扭轉能力校核。

過盈裝配能夠傳遞的轉矩為

式中：p為結合面平均比壓，MPa；A為結合面面積，mm2；r為結合面半徑，mm；μ為摩擦因數，取0.1。代入相關數據可得

曲軸額定轉矩為

式中：N為額定功率；no為曲軸額定轉速。

過盈裝配能夠傳遞的轉矩T＞T*，抗扭轉能力足夠，芯軸與偏心輪之間不會打滑。

4 結語

曲軸在鉆井泵設計中至關重要，其結構形式直接影響泵的體積、質量、可靠性、平穩性、成本等。組裝式曲軸可避免鑄造、整體鍛造、焊接等帶來的諸多問題，但對設計和裝配要求很高，關鍵在于合理設計芯軸與偏心輪之間的過盈量。有限元分析技術可精確計算裝配過盈量，為組裝式曲軸的設計制造提供理論依據。通過應用ANSYS軟件對某新型組裝式曲軸進行非線性接觸分析，認為組裝式曲軸的芯軸與偏心輪之間比較合理的裝配關系為H7／t6，可供同類設計參考。

［1］ 朱俊華站長松.往復泵［M］.北京：機械工業出版社，1991.

［2］ 沈學海.鉆井往復泵原理與設計［M］.北京：機械工業出版社，1990.

［3］ Chan S H，Tuba I S.A finite element method for contact problems of solid bodies［J］.Int.J.Mesh.Sciences，1971（13）：615-639.

［4］ 李洪波，劉振龍，周天明，等.F-1600型泥漿泵閥座的接觸分析［J］.石油礦場機械，2010，39（5）：26-29.

［5］ 阿瓦科夫B A.鉆井設備的計算［M］.北京：石油工業出版社，1985.

Drilling Pump Assembly Crankshaft Designing and FEA

Four types of frequent crankshafts are introduced：whole casted，whole forged，assembly welded，and assembly crankshaft.The assembly crankshaft is being adopted by more and more pump engineers because it can avoid many other type crankshafts’problems.It is critical and difficult for assembly crankshaft designing to determine apposite interference value between central shaft and eccentric wheel.ANSYS’nonlinear contact analysis function was used to calculate some new type crankshaft’apposite assemble relationship between central shaft and eccentric wheel is H7／t6.It may be a reference in similar designing.

drilling pump；crankshaft；interference assembly；finite element analysis

TE926

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.012

1001-3482（2014）11-0048-04

2014-06-28

劉紅芳（1964-），女，陜西寶雞人，工程師，主要從事石油標準化管理研究，E-mail：lhf19966＠163.com。