工作載荷下壓裂泵曲軸的受力性能分析

摘 要 壓裂泵曲軸的應(yīng)力承受情況十分復(fù)雜，導(dǎo)致其工作載荷施加不準(zhǔn)確，使分析扭轉(zhuǎn)疲勞破壞與彎曲疲勞破壞捕捉精度較低，為此設(shè)計(jì)一種工作載荷下壓裂泵曲軸的受力性能分析方法。將曲軸材料定為鑄鋼42CrMo，選用SOLID187單元作為構(gòu)建模型的體單元，切向面載荷法施加扭矩。采用Pro/E有限元建模軟件對(duì)壓裂泵曲軸進(jìn)行三維有限元建模，分析壓裂泵曲軸的工作載荷。測(cè)試結(jié)果表明：該方法能夠?qū)崿F(xiàn)最大變形量、最小變形量與剛度分析，扭轉(zhuǎn)疲勞破壞與彎曲疲勞破壞捕捉精度較高。

關(guān)鍵詞 壓裂泵曲軸 工作載荷 受力性能分析 ANSYS

中圖分類號(hào) TQ051.21" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2023）01?0054?06

曲軸是壓裂泵的重要構(gòu)件，也是載荷最大的一個(gè)部件，其尺寸參數(shù)對(duì)壓裂泵的整體重量、尺寸及可靠性與性能均有重要影響[1]。壓裂泵的運(yùn)行方式?jīng)Q定了曲軸容易出現(xiàn)彎曲疲勞破壞、扭轉(zhuǎn)疲勞破壞等問(wèn)題[2]。而曲軸一旦出現(xiàn)問(wèn)題，其他零部件就會(huì)相繼遭受破壞，最終導(dǎo)致壓裂泵無(wú)法運(yùn)行，甚至造成安全事故[3]。因此對(duì)曲軸受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，是一種基本的安全保障措施[4]。

針對(duì)壓裂泵曲軸的受力性能，很早就有學(xué)者進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)與研究工作，隨著壓裂泵的應(yīng)用變得更加廣泛，針對(duì)該問(wèn)題的研究也越來(lái)越多。學(xué)者們通過(guò)參數(shù)試驗(yàn)、靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、模態(tài)分析及應(yīng)力分析等多種技術(shù)對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究，并取得了豐富的研究成果。筆者對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行深入研究與分析，綜合現(xiàn)有研究成果設(shè)計(jì)一種工作載荷下壓裂泵曲軸的受力性能分析方法，以期獲得更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果。

1 工作載荷下壓裂泵曲軸的受力性能分析方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建曲軸有限元模型

通過(guò)Pro/E有限元建模軟件對(duì)壓裂泵曲軸進(jìn)行三維有限元建模[5]。選用SOLID187單元作為構(gòu)建模型的體單元，通過(guò)切向面載荷法施加扭矩。將曲軸材料定為鑄鋼42CrMo，取各向同性、彈性、線性作為材料特性。鑄鋼42CrMo的特征參數(shù)如下[6]：

彈性模量 210 GPa

泊松比 0.28

抗剪模量 83 GPa

密度 7.85×103 kg/m3

抗拉強(qiáng)度 1 080 MPa

屈服強(qiáng)度 不小于930 MPa

通過(guò)MeshTool網(wǎng)格劃分工具對(duì)模型實(shí)施網(wǎng)格劃分。首先通過(guò)較大尺寸的網(wǎng)格劃分實(shí)體模型，接著劃分應(yīng)力集中的一些圓角處的網(wǎng)格[7]。劃分的曲軸有限元網(wǎng)格如圖1所示。

在曲軸扭矩輸出端劃分表面效應(yīng)單元，具體如圖2所示[8]。

模型構(gòu)建中主要施加3種載荷，第1種是輸出扭矩的重力，第2種是輸出扭矩的反作用扭矩載荷，第3種是連桿作用力載荷[9]。其中，施加的輸出扭矩的反作用扭矩載荷見(jiàn)表1。

施加的連桿作用力載荷見(jiàn)表2[10]。

模型的邊界條件處理方法為：對(duì)各邊界實(shí)施自由度約束處理[11]。

1.2 工作載荷分析

根據(jù)構(gòu)建的壓裂泵曲軸三維有限元模型分析壓裂泵曲軸的工作載荷，分為兩部分實(shí)施分析，第1部分是壓裂泵運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的質(zhì)量力也就是壓縮端與動(dòng)力端荷載，第2部分是液力端工作時(shí)的介質(zhì)作用力也就是液力端工作載荷[12]。

首先分析液力端工作時(shí)的介質(zhì)作用力。用p表示液壓缸中的介質(zhì)總壓力，在液壓缸吸液時(shí)，該力是面向液力端作用的一種拉力;在液壓缸排液時(shí)，該力是面向活塞的一種拉力。p的計(jì)算式為：

p=p

，πφ

lt;φl(shuí)t;2πφ

0 ，φ=πφ

（1）

其中，φ是液壓缸缸徑;φ是液壓缸所產(chǎn)生的推力;p是液壓缸工作壓力[13]。

接著分析壓裂泵運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的質(zhì)量力。在分析中需要做出以下定義：

a. 曲軸總質(zhì)量包括6個(gè)圓柱滾子軸承的實(shí)際質(zhì)量、兩個(gè)大齒輪的實(shí)際質(zhì)量和曲軸自身實(shí)際質(zhì)量;

b. 往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為一個(gè)液缸十字頭的所有運(yùn)動(dòng)部件、介桿、柱塞桿以及所有組件的質(zhì)量之和;

c. 連桿質(zhì)量包括連桿自身質(zhì)量及上壓板質(zhì)量與大端軸承質(zhì)量的一半;

d. 傳動(dòng)軸系統(tǒng)質(zhì)量為皮帶輪與齒輪軸的質(zhì)量之和;

e. 曲柄偏心質(zhì)量為總曲軸質(zhì)量的六分之一。

1.3 受力性能分析

在工作載荷下，從活塞氣體力，慣性力，面向動(dòng)力端的支反力與電機(jī)面向輸入軸的力矩，運(yùn)動(dòng)零部件之間工作時(shí)的摩擦力4個(gè)方面對(duì)壓裂泵曲軸進(jìn)行受力性能分析。

首先從活塞氣體力對(duì)壓裂泵曲軸進(jìn)行受力性能分析，具體公式如下：

F=A·p（2）

其中，F(xiàn)是作用于氣缸上的連桿機(jī)構(gòu)氣體力;A是有效活塞面積;p是作用于缸內(nèi)活塞面積上的連桿機(jī)構(gòu)氣體壓力[14]。

接著從慣性力出發(fā)對(duì)壓裂泵曲軸進(jìn)行受力性能分析，具體包括往復(fù)慣性力與旋轉(zhuǎn)慣性力。其中，往復(fù)慣性力是指曲軸運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)往復(fù)質(zhì)量產(chǎn)生的一種慣性力，其計(jì)算公式如下：

F=Mrω（Asin θ+Bλsin 2θ）（3）

其中，F(xiàn)是往復(fù)慣性力;M是壓裂泵曲軸運(yùn)動(dòng)質(zhì)量;r是壓裂泵曲軸加速度;ω是慣性參數(shù);θ是曲軸轉(zhuǎn)角;A是一階慣性力;B是二階慣性力;λ是曲軸轉(zhuǎn)角的慣性旋轉(zhuǎn)閾值[15]。

往復(fù)慣性力與曲軸轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系如圖3所示。

旋轉(zhuǎn)慣性力F計(jì)算公式如下：

F=mRU（4）

其中，m是曲拐不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量;R是曲柄半徑;U是曲拐不平衡閾值。

然后對(duì)面向動(dòng)力端的支反力與電機(jī)面向輸入軸的力矩進(jìn)行受力性能分析。相應(yīng)的尺寸參數(shù)如下：

大齒輪分度圓直徑 1 250 mm

曲軸偏心 142 mm

連桿大頭與質(zhì)心的距離 109 mm

連桿長(zhǎng)度 550 mm

最后對(duì)運(yùn)動(dòng)零部件之間工作時(shí)的摩擦力進(jìn)行受力性能分析。摩擦力具體包括上下導(dǎo)板與十字頭間工作時(shí)的摩擦力、密封部件與柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力、壓裂泵從動(dòng)軸與主動(dòng)軸軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力。由于壓裂泵從動(dòng)軸與主動(dòng)軸軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力的影響較小，故忽略不計(jì)該摩擦力，主要對(duì)前兩種摩擦力進(jìn)行分析[16]。上下導(dǎo)板與十字頭間工作時(shí)的摩擦力F計(jì)算公式為：

F=fF=0.24F（5）

其中，f是邊界摩擦條件下導(dǎo)板與十字頭之間的動(dòng)摩擦因子;F是十字頭對(duì)導(dǎo)板起到的正壓力。

密封部件與柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力F計(jì)算公式為：

F=fPD（6）

其中，f是缸套與活塞皮碗間的動(dòng)摩擦因數(shù);P是柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的負(fù)荷;D是介質(zhì)壓力。

根據(jù)以上分析，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)壓裂泵曲軸的受力進(jìn)行應(yīng)變與應(yīng)力分析。其中，通過(guò)應(yīng)變分析能夠獲取各缸發(fā)火時(shí)曲軸的實(shí)際應(yīng)變情況，獲取曲軸在工作載荷下的最大變形處。通過(guò)應(yīng)力分析能夠獲取各缸發(fā)火時(shí)曲軸的實(shí)際應(yīng)力分布情況，從而獲取曲軸的實(shí)際變形情況。就此完成工作載荷下壓裂泵曲軸的實(shí)際受力性能分析。

2 實(shí)際受力性能分析

2.1 實(shí)驗(yàn)壓裂泵曲軸有限元模型構(gòu)建

利用壓裂泵曲軸受力性能分析方法對(duì)某壓裂泵曲軸在工作載荷下的實(shí)際受力性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)中的壓裂泵型號(hào)為6500HP，其動(dòng)力系統(tǒng)采用五缸泵。該壓裂泵曲軸的技術(shù)參數(shù)具體如下：

材料 鑄鋼42CrMo

各段軸頸直徑 120 mm

曲軸內(nèi)孔直徑 80 mm

上軸承支撐跨距 180 mm

曲軸懸伸量 120 mm

最大加工直徑 320 mm

曲軸偏心段長(zhǎng)度 250 mm

構(gòu)建實(shí)驗(yàn)壓裂泵曲軸的有限元模型如圖4所示。

對(duì)該壓裂泵曲軸進(jìn)行受力性能分析，通過(guò)分析結(jié)果測(cè)試受力性能分析方法的性能。

2.2 分析結(jié)果

壓裂泵曲軸應(yīng)變分析結(jié)果如圖5所示。

壓裂泵曲軸應(yīng)力分析結(jié)果如圖6所示。

2.3 性能測(cè)試結(jié)果

首先利用受力性能分析方法在不同缸發(fā)火時(shí)對(duì)最大變形量與最小變形量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

再利用受力性能分析方法對(duì)壓裂泵曲軸進(jìn)行裂紋判別，即進(jìn)行壓裂泵曲軸受力下的剛度分析，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，通過(guò)受力性能分析方法能夠?qū)崿F(xiàn)曲軸剛度分析，從而對(duì)壓裂泵曲軸進(jìn)行裂紋判別，剛度急劇下降處即為裂紋處。

接著測(cè)試受力性能分析方法在扭轉(zhuǎn)疲勞破壞與彎曲疲勞破壞捕捉精度方面的性能，分別在壓裂泵曲軸不同工作時(shí)間下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，隨著壓裂泵曲軸工作時(shí)間的增長(zhǎng)，受力性能分析方法所獲得的扭轉(zhuǎn)疲勞破壞與彎曲疲勞破壞捕捉精度稍有下降，但整體降幅較小。綜合來(lái)說(shuō)，采用筆者所提受力性能分析方法獲得的扭轉(zhuǎn)疲勞破壞與彎曲疲勞破壞捕捉精度均較高，證明該方法具有良好的疲勞破壞捕捉性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者在壓裂泵曲軸的研究中，設(shè)計(jì)了一種工作載荷下壓裂泵曲軸的受力性能分析方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際工作載荷下的曲軸受力情況分析，對(duì)于壓裂泵曲軸工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及裂紋故障診斷的實(shí)現(xiàn)均有重大現(xiàn)實(shí)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-04-07，修回日期：2023-01-31）

Force Capability Analysis of Fracturing Pump Crankshaft

under Working Load

LIU Xin， HU Deng?ping， BAI Xing?jia， DU Lei， ZHANG Yang?yang

（Oil amp; Gas Exploration Company， Shaanxi Yanchang Petroleum （Group） Co.， Ltd.）

Abstract" "Considering the fact that complex stress bearing of the fracturing pump crankshaft causes inaccurate working load， and poor capture accuracy of analyzing both torsional fatigue failure and bending fatigue failure， a method of analyzing the fracturing pump crankshaft’s force capability under working load was proposed. Through selecting 42CrMo cast steel for crankshaft material and taking SOLID187 element as the model’s volume element， and employing the tangential surface loading method for the torque， having Pro/E finite element modeling software adopted to model fracturing pump crankshaft three?dimensionally" and analyze its working load. Test results show that， this method can realize the maximum deformation， minimum deformation and stiffness analysis together with good accuracy in capturing both torsional fatigue failure and bending fatigue failure.

Key words" " fracturing pump crankshaft， working load， force capability analysis， ANSYS

作者簡(jiǎn)介：劉欣（1989-），工程師，從事氣井開(kāi)發(fā)、壓裂技術(shù)相關(guān)方向的研究，l88017426@vip.qq.com。

引用本文：劉欣，胡登平，白興家，等.工作載荷下壓裂泵曲軸的受力性能分析[J].化工機(jī)械，2023，50（1）：54-58;87.