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标题 利用有限元软件对柱塞泵的凡尔体改进设计及验证
范文 王琪珲



【摘 要】论文通过对凡尔体的结构改进，并利用Solidworks simulation 和 Flow simulation 对改进后的凡尔體进行静力学和流体力学分析，发现改进后的凡尔体不仅结构优异，而且输送介质对泵头体造成的压力有了明显下降，从而使泵头体的工作寿命得到了有效提高。Solidworks是工程技术人员常用的设计软件之一，利用Solidworks simulation和Flow simulation可以使得设计人员在设计时边设计边分析边修改，大大提高了工作效率和工作质量。
【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.
【关键词】柱塞泵；凡尔体；泵头体
【Keywords】piston pump； valve body； pump head
【中图分类号】TE243 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0141-03
1 引言
液力端是柱塞泵重要组成部件，它的状态直接影响到整个泵的工作状态。液力端的主要部件为泵头体、柱塞与泵阀等零部件。而在液力端中，泵阀是实现泵功能的关键部件，它的工作条件严酷，易磨损，为易损件，须经常更换。由于泵阀工作环境恶劣，要承受排出高压、高循环、介质冲蚀、与阀座的冲击等工况，其平均寿命为柱塞泵部件寿命最短的[1]。实际在油田压裂作业时，每次作业完成后全部的泵阀几乎都需要更换，耗费大量的人力、物力，因此对泵阀进行结构改进是非常有必要的。
泵阀主要由凡尔体、弹簧、导向机构等零部件组成，在泵阀中以凡尔体的结构最为复杂。论文通过对国内某型号的三缸柱塞泵的凡尔体进行结构性改进，利用solidworks simulation对改进前后的凡尔体进行静力学分析，证明了改进后的凡尔体结构比较优异；利用solidworks flow simulation 对其进行流体动力学分析，证明改进后的凡尔体对泵头体也是有好处的。
2 凡尔体的有限元分析
2.1 凡尔体的结构及改进
凡尔体由于工作状况恶劣，外锥配合面上的接触应力较大，为了提高其接触疲劳强度和耐磨性，一般采用20Cr、20CrMo、20CrMnTi等渗碳钢。其本身结构也比较复杂，尤其是四个爪比较难以加工，其改进前的结构如图1所示。为了减少泵阀的开启阻力，提高泵的吸排性能，减少泵阀的整体质量，笔者从改变凡尔体结构入手，以减轻重量和保持结构强度为目标，经过优化设计后，将原凡尔体四爪改为了三爪结构，相应的原凡尔体的凹槽部分也减少了2mm。其改进后的结构如图2所示。
2.2 凡尔体的材料及力学性能
论文凡尔体采用的材料为20CrNiMoA，其主要力学性能为：屈服强度为750MPa、抗拉强度为980MPa、弹性模量为2.12GPa、泊松比为0.28。
2.3 对凡尔体进行有限元分析
柱塞泵的吸入阀与排出阀的结构基本相同，论文研究的凡尔体是排出阀的凡尔体，主要研究以下情况的受力分析：
当凡尔体与凡尔座接触时，整个上表面受到介质的压力，边界条件设置为凡尔体与凡尔座接触面的六个自由度，由于垫圈部位也受到压力作用，因此约束垫圈槽处的六个自由度。网格划分采用自动划分，共生成41912个单元。其在工作时，上表面会受到介质的压力。改进前的凡尔体网格划分与边界条件设置、载荷加载的情况如图3所示；改进后的凡尔体网格划分与边界条件设置、载荷加载的情况如图4所示。
对比凡尔体改进前后的形变图（图5和图6）可知：未改进的凡尔体最大形变为0.0151mm，而改进后的凡尔体最大形变为0.0154mm。可以知道，将凡尔体的四爪结构变为三爪结构不会使凡尔体产生较大变形。
对比凡尔体改进前后的应力图（图7和图8）可知：改进前凡尔体受到的最大应力约为357MPa；改进后的凡尔体受到的最大应力约为369MPa；同样可以知道，将凡尔体的四爪结构变为三爪结构不会影响凡尔体的载荷性能。
3 对凡尔体进行流体力学分析
我们知道液体的压力不仅和管道情况有关，还和管道内的零件有很大的关系。改变后的凡尔体对泵头体造成何种影响，也是我们在设计中必须考虑到的因素。论文采用solidworks flow simulation 对改进前后的凡尔体进行泵头体内流程进行仿真分析。
3.1 数学模型
论文在模拟条件下，泵头體内呈湍流流动。整个过程可以用连续性方程、雷诺平均N-S方程、湍动能k以及湍动能耗散率ε的输送方程来描述。
连续方程：
雷诺平均N-S方程：
标准K-ε模型：
湍动能k输运方程：
湍动能耗散率ε输运方程：
其中，ui为i点速度，u′为i点脉动速度；p为分子粘度；vT为湍湍涡粘度。系数均采用软件推荐值[2]。
3.2 物理模型
论文的各零件是采用CAXA实体设计软件进行的建模，进行装配后得到柱塞泵的三维实体结构图，如图9所示。（分析时通过中性文件导入到solidworks中，为了减少计算量，将外观方面的建模进行了适当的删减）。
3.3 液力端流体仿真分析
论文采用solidworks flow simulation 对泵头体进行分析，由于只改进了凡尔体，因此对除泵头体和凡尔体以外的零件都进行了可行性的省略。根据柱塞泵的运行特点，论文研究的情况为当其中一个排出阀完全关闭时（图10最右端处，为了减少计算量，图11均将此处凡尔体省略），另两个排出阀打开时的情形。
设液力端中流动的介质为泥浆，定义为单向流。运行后，通过对比凡尔体改进前后的液体相对压力可以知道（图10和图11），未改进前的液体相对压力最高为57MPa，改进后的液体相对压力为56.9MPa。改进凡尔体的不仅没有增加液体对泵头体的压力，反而减少了对泵头体的压力。
4 结论
从对凡尔体的静力学分析和流体力学分析我们可以得出以下结论：
①通过改变和简化凡尔体的结构，进而减轻凡尔体的质量，（未改进前的重量为2.194kg，改进后的重量为2.159kg），不会对凡尔体的载荷性能产生明显影响，将四爪变成三爪和减少垫圈凹槽部位尺寸是可行的。
②从凡尔体的静力学分析可以看出，凡尔体所受应力离许用应力还有较大距离，因此还可以进行进一步的改进；当然考虑到油田作业的工况比较恶劣，留较大的余地也是有必要的。
③通过对泵头体和凡尔体的流体力学分析可以得出，改进后的凡尔体对泵头体的内部受力也是有好处的。
【参考文献】
【1】沈学海.钻井往复泵原理与设计[M]. 北京：机械工业出版社，1990.
【2】邓卫东. ZY3NB2200往复式钻井泵优化设计与虚拟仿真研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2010.
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更新时间：2024/12/23 1:48:09