淺析往復式泥漿泵液力端結構優化

張慶華等

摘要：BW380/8型往復式三缸單作用泥漿泵液力端是泵的易損部件，成本占泵價的1/5，設計研制時缺少必要的理論計算依據，不能同時滿足質量輕、大排量、高壓力的要求。綜合理論研究及設計的不足，可應用有限元分析法對液力端進靜態分析和模態判斷，以便為泵體液力端的優化提供最終依據。

關鍵詞：淺析 泥漿泵 液力端 結構優化

1 往復式泥漿泵結構優化國內外研究現狀綜述及意義

1.1 往復式泥漿泵結構優化的背景及意義

近年來，隨著國民經濟建設的飛速發展，國家對礦產資源的需求量越來越大，而隨著勘探深度的增加和地質條件復雜化程度的增大，地質勘探工作的難度也不斷增加，對泥漿泵提出了具有質量小、排量大、壓力高等性能要求。

現代三缸單作用泥漿泵于1960年首次出現在工礦鉆井領域，極大地提高了鉆井效率。與一般的泥漿泵相比，三缸泵具有很強的優越性，主要表現在其體積更為輕便、作業效率高、壓力波動較小，適應了工礦鉆井的發展需求。就我國而言，目前在我國工礦鉆井作業中應用最廣的鉆井泵仍為三缸單作用往復泵。而通過比較和分析各類三缸單作用往復泵，我們可以發現其中最為適合作業要求的為往復式柱塞泵，它不僅能夠在高壓環境下完成高難度輸送，其液體特性也較為穩定，含沙量和比重較大，它以其工作效率高、輸送距離遠等特性，在工程、礦山、地質等方面有著廣泛的應用，它的正常運轉和工作效率直接關系到油井的經濟建設和成井率。

國內生產的鉆井泵由于開發時間早，經過多年的具體作業實踐其缺陷也隨之凸顯出來，主要表現在設計結構不科學、維修難度大、使用范圍有限等。甘肅省核工業機電研究所生產的往復式泥漿泵由于采用往復式柱塞泵，具有往復式柱塞泵的特性，因而在鉆井作業中得到了廣泛的應用，但其仍存在一些問題，具體表現在以下幾方面：

①泵身質量和體積較大，不便于移運。

②鉆井泵排量有限，無法滿足現代鉆井大排量的需求。

③泵壓偏低，不能完全滿足現代鉆井工藝的需要。

④沖程過短，沖次度高，鉆井泵的實際沖次范圍和與其沖次范圍不相適應，嚴重影響了其使用壽命。

近年來，為了適應鉆井提高轉速、降低作業成本以及其它一些特殊要求，提高其使用性能，國內外在泥漿泵的理論和試驗研究、設計制造等方面做了許多工作，但在通過對液力端進行結構優化，來達到研制質量輕、大排量、高壓力的泥漿泵方面的理論研究還不適應現代鉆井技術對鉆井泵的需求。BW380/8型往復式三缸單作用泥漿泵是甘肅省核工業機電研究所為了滿足地礦勘探高泵壓和大排量鉆井工藝的需求，但它同樣無法同時滿足質量輕、大排量、高壓力的要求。

液力端是泵的易損部件，成本占泵價的1/5，高泵壓脈動載荷作用下，液缸各零件易產生疲勞破壞，特別是泵壓和排量增大后會極大地使液力端的壽命和可靠性下降，如果提高液力端的使用壽命和可靠性，又會增大泵的質量。在現階段，解決上述矛盾的根本辦法是計算機輔助設計技術的應用。

綜合以上理論研究及設計的不足，應用有限元分析法對BW380/8型往復單作用泥漿泵液力端進行靜態分析和模態判斷，最終可以較為準確地預測出泥漿泵的各方面性能情況，為液力端的結構優化提供依據。對BW380/8型往復式單作用泥漿泵液力端進行結構優化，可以設計出質量小、高壓力、大排量的泵。

1.2 往復式泥漿泵結構優化現狀

1.2.1 國外泥漿泵結構優化的發展現狀

目前，國際上普遍流行的石油鉆井泵為三缸單作用泥漿泵，并逐漸朝著小型輕便、大功率排量、高泵壓的方向發展，其中研究成果較為顯著的是美國、俄羅斯和羅馬尼亞。以美國為例，其使用范圍最廣的鉆井泵為三缸單作用泵，并采用L形液力端和閥箱。與其他國家相比，美國的吸入閥多采用螺紋方式壓緊，并與殼體緊密相連，并將泵機座設為焊接結構。另外，美國還就其三缸單作用泵的重要零件制造工藝制定了專業化嚴格化的API標準。與美國相比，俄羅斯的三缸泵研究和制造起步較晚，發展速度緩慢，但其三缸泵系列性較強，液力端和閥箱一般采用I形或L形，吸液閥在運作時依據一體液力模塊，而鑄件和焊接件通過高效組合最終形成動力端機座，能夠滿足泥漿泵發展的需求。從整體來看，目前雖然三缸單作用泵越來越成為國外泥漿泵結構優化的方向和趨勢，但就其實際應用而言，三缸單作用泥漿泵仍存在一些技術性難題，雖然有關技術人員嘗試研制出了一些新型泥漿泵以解決當前問題，但收效不明顯，推廣范圍有限。德國大眾公司利用現有設備條件，通過對某直列四缸水冷柴油機機體的一系列靜剛度分析和模態判斷，初步預測了機體表面輻射噪聲情況，并擬定了相應解決措施。美國通用公司運用實驗手段不斷優化產品結構，將有限元結構分析擴展至新領域，研制出了一種新型產品。另外，研究人員還利用液力端的特性設計了新的泵體結構，取得了很大成功。

1.2.2 國內泥漿泵結構優化的發展現狀

我國自上世紀六十年代開始關注往復式泥漿泵技術，該技術最初是從美國引進而來的。經過半個世紀的發展，目前這一技術在我國的總體應用范圍仍然有限，同時發展速度較為緩慢，尚未完全實現通過計算機來進行結構優化設計。泥漿泵機身體積較大，無法適應多數行業的發展需求，結構部件安排不科學，剛度值較低，閥箱強度和可靠性不足。另外，我國目前現有的研究水平較低，對往復泵、軸輪泵機體等的研究存在空白。為解決這一問題，國內一些研究人員針對閥箱可靠性、三鋼泵體強度、機體剛度結構等進行了一系列研究，并取得了初步成果。僅以西南石油大學為例，西南石油大學朱永友等研究者通過長期的實驗研究，利用最新機械設計自動化軟件建立起一個泥漿泵三維實體模型，追蹤了泥漿泵的具體運動形態，得出了其運動規律，并根據對其工作機理的研究和分析，有效地簡化了其泵身結構，將其整體性能提升了一個層次。總體而言，我國在石油鉆井泵的發展上與國外的差距正在逐漸縮小。endprint

從以上國內外的研究現狀可以看出，對三缸單作用往復式泥漿泵在提高泵的壓力、排量的同時減輕其質量，對液力端采用有限元分析的方法進行結構優化方面的研究還較少。利用Pro/E、ANSYS和MATLAB軟件，通過有限元分析，對BW380/8型往復式單作用泥漿泵液力端進行結構優化，可為設計質量小、大排量、高壓力往復式單作用泥漿泵進行理論研究。

2 結構優化的目標、內容和擬解決的關鍵性問題

2.1 優化內容

基于國內外對往復式三缸單作用泥漿泵液力端的研究現狀與發展趨勢，以BW380/8型往復式單作用泥漿泵液力端缸套為對象，利用Pro/E建立泥漿泵液力端缸套的三維實體模型，通過ANSYS軟件對液力端缸套進行靜動態有限元分析，得到了不同相位下液力端缸套的變形、應力及動態剛度分布情況，主要內容如下：

①以BW380/8型往復式單作用泥漿泵為設計原型，詳細地分析和研究液力端的受力情況。②用Pro/E建立BW380/8型往復式單作用泥漿泵液力端缸套三維模型。③利用ANSYS軟件，通過有限元分析液力端的缸套強度以及剛度分布強弱差距較大的部位。④利用Matlab優化軟件優化整體結構，并通過數據結果分析找出最優值，進一步證明此優化設計方法的可行性和有效性。

2.2 優化目標

通過對以上內容的研究，可得到泥漿泵液力端的主要部件缸套的強度、剛度和動態特性的有限元分析結果；對泥漿泵液力端的缸套進行結構優化；為設計出質量輕、排量大、壓力高的泥漿泵提供理論依據和技術參考。

2.3 擬解決的關鍵性問題

①泥漿泵液力端缸套三維模型的建立及邊界條件確定。②對泥漿泵液力端缸套進行有限元分析計算。③對有限元計算結果進行分析討論，得到最優解，進行結構優化。

3 擬采取的研究方法、技術路線及其可行性分析

3.1 擬采用的研究方法

研究時首先利用Pro/E三維軟件對液力端缸套進行建模，建模過程中根據實際受力情況對細節作相應的取舍。然后基于有限元分析軟件ANSYS進行靜態計算和動態特性分析，得到結構的變形、Mises應力、固有頻率和相應的模態。最后利用Matlab軟件進行結構優化，得到結構的最優幾何參數。

3.2 技術路線

傳統設計與現代設計方法相結合，利用計算機輔助設計技術，通過三種不同的軟件（Pro/E、ANSYS和Matlab）對泥漿泵的液力端缸套進行有限元分析和結構優化，能夠為泵的液力端結構優化提供重要的理論依據。

參考文獻：

[1]梁華慶.往復式泥漿泵出口流量的一種非接觸測量方法[J].自動化儀表，2001（08）.

[2]沉學海.鉆井往復泵原理與設計[M].北京：機械工業出版社，1990.

[3]Kelly J.L.Jr.An Economic Approach to Drilling Hydraulics[J].Drilling Technology Conference Transactions，1984.

[4]朱鳳霞.往復式泥漿泵動力端連桿模態特性分析[J].科技與企業，2012（19）.

作者簡介：

張慶華（1978-），女，甘肅機電職業技術學院現代制造工程系，研究方向：機械制造；李宗義（1960-），男，甘肅機電職業技術學院黨委書記，研究方向：機械工程。endprint

從以上國內外的研究現狀可以看出，對三缸單作用往復式泥漿泵在提高泵的壓力、排量的同時減輕其質量，對液力端采用有限元分析的方法進行結構優化方面的研究還較少。利用Pro/E、ANSYS和MATLAB軟件，通過有限元分析，對BW380/8型往復式單作用泥漿泵液力端進行結構優化，可為設計質量小、大排量、高壓力往復式單作用泥漿泵進行理論研究。

2 結構優化的目標、內容和擬解決的關鍵性問題

2.1 優化內容

基于國內外對往復式三缸單作用泥漿泵液力端的研究現狀與發展趨勢，以BW380/8型往復式單作用泥漿泵液力端缸套為對象，利用Pro/E建立泥漿泵液力端缸套的三維實體模型，通過ANSYS軟件對液力端缸套進行靜動態有限元分析，得到了不同相位下液力端缸套的變形、應力及動態剛度分布情況，主要內容如下：

①以BW380/8型往復式單作用泥漿泵為設計原型，詳細地分析和研究液力端的受力情況。②用Pro/E建立BW380/8型往復式單作用泥漿泵液力端缸套三維模型。③利用ANSYS軟件，通過有限元分析液力端的缸套強度以及剛度分布強弱差距較大的部位。④利用Matlab優化軟件優化整體結構，并通過數據結果分析找出最優值，進一步證明此優化設計方法的可行性和有效性。

2.2 優化目標

通過對以上內容的研究，可得到泥漿泵液力端的主要部件缸套的強度、剛度和動態特性的有限元分析結果；對泥漿泵液力端的缸套進行結構優化；為設計出質量輕、排量大、壓力高的泥漿泵提供理論依據和技術參考。

2.3 擬解決的關鍵性問題

①泥漿泵液力端缸套三維模型的建立及邊界條件確定。②對泥漿泵液力端缸套進行有限元分析計算。③對有限元計算結果進行分析討論，得到最優解，進行結構優化。

3 擬采取的研究方法、技術路線及其可行性分析

3.1 擬采用的研究方法

研究時首先利用Pro/E三維軟件對液力端缸套進行建模，建模過程中根據實際受力情況對細節作相應的取舍。然后基于有限元分析軟件ANSYS進行靜態計算和動態特性分析，得到結構的變形、Mises應力、固有頻率和相應的模態。最后利用Matlab軟件進行結構優化，得到結構的最優幾何參數。

3.2 技術路線

傳統設計與現代設計方法相結合，利用計算機輔助設計技術，通過三種不同的軟件（Pro/E、ANSYS和Matlab）對泥漿泵的液力端缸套進行有限元分析和結構優化，能夠為泵的液力端結構優化提供重要的理論依據。

參考文獻：

[1]梁華慶.往復式泥漿泵出口流量的一種非接觸測量方法[J].自動化儀表，2001（08）.

[2]沉學海.鉆井往復泵原理與設計[M].北京：機械工業出版社，1990.

[3]Kelly J.L.Jr.An Economic Approach to Drilling Hydraulics[J].Drilling Technology Conference Transactions，1984.

[4]朱鳳霞.往復式泥漿泵動力端連桿模態特性分析[J].科技與企業，2012（19）.

作者簡介：

張慶華（1978-），女，甘肅機電職業技術學院現代制造工程系，研究方向：機械制造；李宗義（1960-），男，甘肅機電職業技術學院黨委書記，研究方向：機械工程。endprint

從以上國內外的研究現狀可以看出，對三缸單作用往復式泥漿泵在提高泵的壓力、排量的同時減輕其質量，對液力端采用有限元分析的方法進行結構優化方面的研究還較少。利用Pro/E、ANSYS和MATLAB軟件，通過有限元分析，對BW380/8型往復式單作用泥漿泵液力端進行結構優化，可為設計質量小、大排量、高壓力往復式單作用泥漿泵進行理論研究。

2 結構優化的目標、內容和擬解決的關鍵性問題

2.1 優化內容

基于國內外對往復式三缸單作用泥漿泵液力端的研究現狀與發展趨勢，以BW380/8型往復式單作用泥漿泵液力端缸套為對象，利用Pro/E建立泥漿泵液力端缸套的三維實體模型，通過ANSYS軟件對液力端缸套進行靜動態有限元分析，得到了不同相位下液力端缸套的變形、應力及動態剛度分布情況，主要內容如下：

①以BW380/8型往復式單作用泥漿泵為設計原型，詳細地分析和研究液力端的受力情況。②用Pro/E建立BW380/8型往復式單作用泥漿泵液力端缸套三維模型。③利用ANSYS軟件，通過有限元分析液力端的缸套強度以及剛度分布強弱差距較大的部位。④利用Matlab優化軟件優化整體結構，并通過數據結果分析找出最優值，進一步證明此優化設計方法的可行性和有效性。

2.2 優化目標

通過對以上內容的研究，可得到泥漿泵液力端的主要部件缸套的強度、剛度和動態特性的有限元分析結果；對泥漿泵液力端的缸套進行結構優化；為設計出質量輕、排量大、壓力高的泥漿泵提供理論依據和技術參考。

2.3 擬解決的關鍵性問題

①泥漿泵液力端缸套三維模型的建立及邊界條件確定。②對泥漿泵液力端缸套進行有限元分析計算。③對有限元計算結果進行分析討論，得到最優解，進行結構優化。

3 擬采取的研究方法、技術路線及其可行性分析

3.1 擬采用的研究方法

研究時首先利用Pro/E三維軟件對液力端缸套進行建模，建模過程中根據實際受力情況對細節作相應的取舍。然后基于有限元分析軟件ANSYS進行靜態計算和動態特性分析，得到結構的變形、Mises應力、固有頻率和相應的模態。最后利用Matlab軟件進行結構優化，得到結構的最優幾何參數。

3.2 技術路線

傳統設計與現代設計方法相結合，利用計算機輔助設計技術，通過三種不同的軟件（Pro/E、ANSYS和Matlab）對泥漿泵的液力端缸套進行有限元分析和結構優化，能夠為泵的液力端結構優化提供重要的理論依據。

參考文獻：

[1]梁華慶.往復式泥漿泵出口流量的一種非接觸測量方法[J].自動化儀表，2001（08）.

[2]沉學海.鉆井往復泵原理與設計[M].北京：機械工業出版社，1990.

[3]Kelly J.L.Jr.An Economic Approach to Drilling Hydraulics[J].Drilling Technology Conference Transactions，1984.

[4]朱鳳霞.往復式泥漿泵動力端連桿模態特性分析[J].科技與企業，2012（19）.

作者簡介：

張慶華（1978-），女，甘肅機電職業技術學院現代制造工程系，研究方向：機械制造；李宗義（1960-），男，甘肅機電職業技術學院黨委書記，研究方向：機械工程。endprint