利用有限元軟件對柱塞泵的凡爾體改進設計及驗證

王琪琿

【摘 要】論文通過對凡爾體的結構改進，并利用Solidworks simulation 和 Flow simulation 對改進后的凡爾體進行靜力學和流體力學分析，發現改進后的凡爾體不僅結構優異，而且輸送介質對泵頭體造成的壓力有了明顯下降，從而使泵頭體的工作壽命得到了有效提高。Solidworks是工程技術人員常用的設計軟件之一，利用Solidworks simulation和Flow simulation可以使得設計人員在設計時邊設計邊分析邊修改，大大提高了工作效率和工作質量。

【Abstract】By improving the structure of the valve body， paper analyzes the statics and fluid mechanics of the improved valve body by using Solidworks simulation and Flow simulation software， we found that the improved valve body is not only has the excellent structure， but also the pressure on the pump body of the pump body has been significantly reduced， so that the service life of the pump head is effectively improved. The Solidworks is one of the designing softwares by engineers and technicians commonly used， by using Solidworks simulation and Flow simulation softwares， designer can design， analysis and modify at the same time during designing， and greatly improve the work efficiency and quality.

【關鍵詞】柱塞泵；凡爾體；泵頭體

【Keywords】piston pump； valve body； pump head

【中圖分類號】TE243 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）04-0141-03

1 引言

液力端是柱塞泵重要組成部件，它的狀態直接影響到整個泵的工作狀態。液力端的主要部件為泵頭體、柱塞與泵閥等零部件。而在液力端中，泵閥是實現泵功能的關鍵部件，它的工作條件嚴酷，易磨損，為易損件，須經常更換。由于泵閥工作環境惡劣，要承受排出高壓、高循環、介質沖蝕、與閥座的沖擊等工況，其平均壽命為柱塞泵部件壽命最短的[1]。實際在油田壓裂作業時，每次作業完成后全部的泵閥幾乎都需要更換，耗費大量的人力、物力，因此對泵閥進行結構改進是非常有必要的。

泵閥主要由凡爾體、彈簧、導向機構等零部件組成，在泵閥中以凡爾體的結構最為復雜。論文通過對國內某型號的三缸柱塞泵的凡爾體進行結構性改進，利用solidworks simulation對改進前后的凡爾體進行靜力學分析，證明了改進后的凡爾體結構比較優異；利用solidworks flow simulation 對其進行流體動力學分析，證明改進后的凡爾體對泵頭體也是有好處的。

2 凡爾體的有限元分析

2.1 凡爾體的結構及改進

凡爾體由于工作狀況惡劣，外錐配合面上的接觸應力較大，為了提高其接觸疲勞強度和耐磨性，一般采用20Cr、20CrMo、20CrMnTi等滲碳鋼。其本身結構也比較復雜，尤其是四個爪比較難以加工，其改進前的結構如圖1所示。為了減少泵閥的開啟阻力，提高泵的吸排性能，減少泵閥的整體質量，筆者從改變凡爾體結構入手，以減輕重量和保持結構強度為目標，經過優化設計后，將原凡爾體四爪改為了三爪結構，相應的原凡爾體的凹槽部分也減少了2mm。其改進后的結構如圖2所示。

2.2 凡爾體的材料及力學性能

論文凡爾體采用的材料為20CrNiMoA，其主要力學性能為：屈服強度為750MPa、抗拉強度為980MPa、彈性模量為2.12GPa、泊松比為0.28。

2.3 對凡爾體進行有限元分析

柱塞泵的吸入閥與排出閥的結構基本相同，論文研究的凡爾體是排出閥的凡爾體，主要研究以下情況的受力分析：

當凡爾體與凡爾座接觸時，整個上表面受到介質的壓力，邊界條件設置為凡爾體與凡爾座接觸面的六個自由度，由于墊圈部位也受到壓力作用，因此約束墊圈槽處的六個自由度。網格劃分采用自動劃分，共生成41912個單元。其在工作時，上表面會受到介質的壓力。改進前的凡爾體網格劃分與邊界條件設置、載荷加載的情況如圖3所示；改進后的凡爾體網格劃分與邊界條件設置、載荷加載的情況如圖4所示。

對比凡爾體改進前后的形變圖（圖5和圖6）可知：未改進的凡爾體最大形變為0.0151mm，而改進后的凡爾體最大形變為0.0154mm。可以知道，將凡爾體的四爪結構變為三爪結構不會使凡爾體產生較大變形。

對比凡爾體改進前后的應力圖（圖7和圖8）可知：改進前凡爾體受到的最大應力約為357MPa；改進后的凡爾體受到的最大應力約為369MPa；同樣可以知道，將凡爾體的四爪結構變為三爪結構不會影響凡爾體的載荷性能。

3 對凡爾體進行流體力學分析

我們知道液體的壓力不僅和管道情況有關，還和管道內的零件有很大的關系。改變后的凡爾體對泵頭體造成何種影響，也是我們在設計中必須考慮到的因素。論文采用solidworks flow simulation 對改進前后的凡爾體進行泵頭體內流程進行仿真分析。

3.1 數學模型

論文在模擬條件下，泵頭體內呈湍流流動。整個過程可以用連續性方程、雷諾平均N-S方程、湍動能k以及湍動能耗散率ε的輸送方程來描述。

連續方程：

雷諾平均N-S方程：

標準K-ε模型：

湍動能k輸運方程：

湍動能耗散率ε輸運方程：

其中，ui為i點速度，u′為i點脈動速度；p為分子粘度；vT為湍湍渦粘度。系數均采用軟件推薦值[2]。

3.2 物理模型

論文的各零件是采用CAXA實體設計軟件進行的建模，進行裝配后得到柱塞泵的三維實體結構圖，如圖9所示。（分析時通過中性文件導入到solidworks中，為了減少計算量，將外觀方面的建模進行了適當的刪減）。

3.3 液力端流體仿真分析

論文采用solidworks flow simulation 對泵頭體進行分析，由于只改進了凡爾體，因此對除泵頭體和凡爾體以外的零件都進行了可行性的省略。根據柱塞泵的運行特點，論文研究的情況為當其中一個排出閥完全關閉時（圖10最右端處，為了減少計算量，圖11均將此處凡爾體省略），另兩個排出閥打開時的情形。

設液力端中流動的介質為泥漿，定義為單向流。運行后，通過對比凡爾體改進前后的液體相對壓力可以知道（圖10和圖11），未改進前的液體相對壓力最高為57MPa，改進后的液體相對壓力為56.9MPa。改進凡爾體的不僅沒有增加液體對泵頭體的壓力，反而減少了對泵頭體的壓力。

4 結論

從對凡爾體的靜力學分析和流體力學分析我們可以得出以下結論：

①通過改變和簡化凡爾體的結構，進而減輕凡爾體的質量，（未改進前的重量為2.194kg，改進后的重量為2.159kg），不會對凡爾體的載荷性能產生明顯影響，將四爪變成三爪和減少墊圈凹槽部位尺寸是可行的。

②從凡爾體的靜力學分析可以看出，凡爾體所受應力離許用應力還有較大距離，因此還可以進行進一步的改進；當然考慮到油田作業的工況比較惡劣，留較大的余地也是有必要的。

③通過對泵頭體和凡爾體的流體力學分析可以得出，改進后的凡爾體對泵頭體的內部受力也是有好處的。

【參考文獻】

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

【2】鄧衛東. ZY3NB2200往復式鉆井泵優化設計與虛擬仿真研究[D].青島：中國石油大學（華東），2010.