搜索鉆井泵機(jī)架的靜動(dòng)態(tài)有限元分析
2016-11-28 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
摘要:本文應(yīng)用SAP5/LISA結(jié)構(gòu)分析程序,對(duì)F1300型三缸泵機(jī)架的強(qiáng)度、剛度和固有振動(dòng)特性進(jìn)行了有限元分析,獲得了機(jī)架在額定載荷作用下各部位的應(yīng)力和變形的分布規(guī)律,及自由振動(dòng)時(shí)的最小幾階模態(tài)頻率和模態(tài)振型。計(jì)算結(jié)果表明,整個(gè)機(jī)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形不均勻,強(qiáng)度、剛度富余。振型分析表明,機(jī)架結(jié)構(gòu)只是泵頭和泵尾開口部位動(dòng)剛度偏弱,而泵中部和內(nèi)部則剛度過剩,泵體的質(zhì)量和剛度分布不合理。為F1300型鉆井泵的改造、進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供了必要的依據(jù)。
關(guān)鍵詞:鉆井泵; 機(jī)架; 強(qiáng)度分析; 剛度分析; 模態(tài)分析; 動(dòng)特性分析; 有限元法
F1300型三缸單作用鉆井泵,是寶雞石油機(jī)械廠為了滿足油田高泵壓和大排量鉆井工藝的需求,類比美國(guó)EMSCO泵自行設(shè)計(jì)制造的。它缺少必要的理論計(jì)算依據(jù),不能完全適應(yīng)高壓噴射鉆井工藝的發(fā)展對(duì)泵的抗振性提出的高要求。為了全面了解F1300型三缸泵機(jī)架的應(yīng)力水平和剛度分布情況,發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)和過剩部位,為減輕重量、降低成本、均衡整機(jī)應(yīng)力與剛度提供必要的改進(jìn)設(shè)計(jì)依據(jù),我們進(jìn)行了靜力有限元計(jì)算。
在靜力分析的基礎(chǔ)上,我們還對(duì)機(jī)架的固有振動(dòng)特性進(jìn)行了分析,目的在于全面了解泵的動(dòng)剛度的分布,發(fā)現(xiàn)動(dòng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)和過剩部位,對(duì)泵體的改造進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),使泵體的質(zhì)量和剛度有一個(gè)合理的分布,進(jìn)一步改善泵的動(dòng)態(tài)特性,提高其抗振性能,全面提高泵的質(zhì)量,延長(zhǎng)泵的使用壽命。
F1300型三缸泵采用鋼板組焊結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)架結(jié)構(gòu)由左右兩塊主墻板、前墻板、前底板、前聯(lián)接板、頂板一、頂板二、頂板三、上、下支承板、橫墻板(Ⅰ)、橫墻板(Ⅱ)、上橫板、底板—~四和兩根座架梁組成。機(jī)架內(nèi)部由于結(jié)構(gòu)上的需要,沿x和z方向有支承筋、加強(qiáng)筋和型鋼等零部件。在兩塊主墻板的主、被動(dòng)軸承孔處分別焊接有鑄鋼軸承座。機(jī)架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型簡(jiǎn)圖。
鉆井泵機(jī)架是由鋼板組焊而成的,可以按板殼單元計(jì)算;主、被動(dòng)軸承座簡(jiǎn)化為厚圓環(huán)結(jié)構(gòu),按三維8~21節(jié)點(diǎn)塊元計(jì)算;支承筋、型鋼和兩根座架梁按空間梁?jiǎn)卧?jì)算,并從屬于相應(yīng)的主節(jié)點(diǎn);圓環(huán)結(jié)構(gòu)和板殼結(jié)構(gòu)的弱連接采用罰單元處理;傾斜板單元節(jié)點(diǎn)的第6個(gè)自由度用邊界彈簧單元處理。整個(gè)機(jī)架結(jié)構(gòu)分成12批1331個(gè)板殼單元,2批141個(gè)空間梁?jiǎn)卧?56個(gè)三維塊元,46個(gè)罰單元和182個(gè)邊界彈簧單元,總計(jì)1797個(gè)節(jié)點(diǎn)。離散后機(jī)架結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格圖和結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系。
由缸套直徑和額定壓力兩個(gè)性能參數(shù),可以獲得活塞水平方向所受最大力。該力作用在前墻板孔中心,假定1、2兩缸同時(shí)受力,按靜力等效原則簡(jiǎn)化到前墻板總體節(jié)點(diǎn)上去,成為節(jié)點(diǎn)載荷。
垂直方向受力,可由十字頭受力分析求得。并假定這個(gè)集中壓力平均作用在下支承板的四根支承筋上。
三缸單作用鉆井泵機(jī)架承受著三個(gè)活塞交替變化的作用力,通過液力端閥箱上的聯(lián)接螺栓將活塞的推力傳遞給前墻板,由主、被動(dòng)軸對(duì)主墻板軸承座的作用力與之平衡。三缸的作用力按120°循環(huán)交替工作,一個(gè)缸滿負(fù)荷工作時(shí),另外兩個(gè)缸以一定的重疊系數(shù)工作著。本文按兩缸同時(shí)滿負(fù)荷工作計(jì)算,并假定被動(dòng)軸處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。
鉆井泵在油田鉆井現(xiàn)場(chǎng),底座的固定方式不一。鉆井泵機(jī)架是通過8個(gè)聯(lián)接螺栓,與底座的座架梁牢固聯(lián)接在一起的。本文對(duì)機(jī)架的約束條件采用了在底座梁下翼緣分別沿X向設(shè)置一個(gè)桿支座,Y向設(shè)置6個(gè)桿支座,Z向設(shè)置2個(gè)桿支座,以約束X、Y、Z方向的線位移。這種邊界約束條件與油田鉆采現(xiàn)場(chǎng)的約束條件基本相同。
當(dāng)1、2缸受力時(shí),左右兩主墻板受力不相同,應(yīng)力、變形更不均勻,因而更危險(xiǎn)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析如下:
左墻板最大拉應(yīng)力發(fā)生于單元209和159,其值分別為31.50MPa和25.33MPa,這是主、被動(dòng)軸孔中心連線位置區(qū)。單元209為二向拉應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力值最大,此區(qū)為左墻板受力最大區(qū),也是實(shí)際易損壞區(qū)。與主軸承座相連處、與前墻板相連處及動(dòng)力端尾部受力也較大,整板應(yīng)力集中不明顯,應(yīng)力水平偏低。
前墻板是直接承受液力端活塞推力的一塊三孔平板,整板相當(dāng)應(yīng)力均在25.65MPa以下,對(duì)鋼板來說,強(qiáng)度足夠。前聯(lián)接板最大拉應(yīng)力發(fā)生于單元35,數(shù)值為σ1=55.61MPa,σ2=9.53MPa;上部邊緣為最大拉應(yīng)力區(qū),相當(dāng)應(yīng)力數(shù)值在42.67~51.51MPa之間;一般單元相當(dāng)應(yīng)力多數(shù)在30MPa左右,應(yīng)力分布較合理,為主要承力板之一。
頂板一最大拉應(yīng)力發(fā)生于單元58,數(shù)值為σ1=52.38MPa,σ2=2.07MPa,這是整個(gè)機(jī)架最大應(yīng)力值,次大拉應(yīng)力發(fā)生于單元62,數(shù)值為σ1=30.84MPa,σ2=2.68MPa;一般在20MPa以下。此兩單元都在過渡圓角處,明顯大于平均應(yīng)力水平,即在開口、過渡圓角處存在明顯的應(yīng)力集中。
橫墻板二最大拉應(yīng)力值為σ1=20.87MPa,σ2=12.43MPa;最大壓應(yīng)力值為σ1=-24.1MPa,σ2=-34.26MPa,發(fā)生于同一單元;拉、壓應(yīng)力次大的單元為26和30,數(shù)值分別為σ1=20.25MPa,σ2=8.71MPa和σ1=-6.20MPa,σ2=-25.54MPa;三處位置皆在1、2缸開孔之間較薄處。其它單元相當(dāng)應(yīng)力皆在20MPa以下,應(yīng)力水平不高,強(qiáng)度富余。
右墻板、前底板、上、下支承板、頂板二、頂板三、底板一~四、筋板、上橫板應(yīng)力水平都偏低,相當(dāng)應(yīng)力均不足20MPa;兩軸承座最大主應(yīng)力為22.80MPa,應(yīng)力水平也偏低;橫墻板一最大相當(dāng)應(yīng)力僅6.15MPa,強(qiáng)度儲(chǔ)備大。
綜觀機(jī)架的強(qiáng)度計(jì)算表明,F1300型鉆井泵機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸選取不盡合理。總體應(yīng)力水平偏低,且分布不均勻,部分板強(qiáng)度儲(chǔ)備過多。
每一個(gè)板單元節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度,由有限元計(jì)算結(jié)果可得到各節(jié)點(diǎn)沿三個(gè)總體坐標(biāo)的線位移和繞三個(gè)座標(biāo)軸的轉(zhuǎn)角。就機(jī)架的剛度而言,其在額定工作載荷作用下總的變形.
由于機(jī)架的上半部分,特別是后上部位,是開口薄壁結(jié)構(gòu),又由于結(jié)構(gòu)上安裝液力端和動(dòng)力端零部件的需要,機(jī)架的上半部分比下半部分剛度小,且整體有繞對(duì)稱面扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。
左墻板主軸承座后部中心平面的節(jié)點(diǎn)相對(duì)前墻板底邊的x向相對(duì)位移最大,此面上下為x向相對(duì)位移最大的區(qū)域,數(shù)值在0.195~0.256mm之間,對(duì)液力端泥漿的吸入和壓出性能不會(huì)產(chǎn)生不良影響。底板一上x向變形量最大的兩點(diǎn)的變形量為0.197mm和0.207mm,變形量不大。
底板三的點(diǎn)相對(duì)前墻板底邊y向相對(duì)位移最大,數(shù)值在0.09~0.110mm之間,在減薄底板時(shí)考慮了這一重要因素。前底板上最大四點(diǎn)的y向相對(duì)位移在0.09~0.10mm之間,前聯(lián)接板的相對(duì)位移在0.088~0.096mm之間。均不會(huì)影響機(jī)架的正常工作。
左墻板鄰近前墻板區(qū)域的點(diǎn)相對(duì)左墻板底邊z向相對(duì)位移最大,數(shù)值在0.054~0.092mm之間;頂板一鄰近左墻板的過渡圓角處為z向相對(duì)位移最大的另一區(qū)域,數(shù)值在0.050~0.091mm之間,這是由應(yīng)力集中所致;由于z向不受作用力,故變形都偏小。
綜觀機(jī)架的變形表明,機(jī)架內(nèi)部各板變形偏小,剛度儲(chǔ)備大,不盡合理,應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。
為了全面了解機(jī)架的固有振動(dòng)特性,利用SAP5/LISA動(dòng)力分析有限元程序,對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了自由振動(dòng)有限元分析,得到了模態(tài)頻率和模態(tài)振型的計(jì)算值。由于機(jī)架的振動(dòng)模態(tài)主要由前十五階模態(tài)決定,因此重點(diǎn)分析了其中的部分振型,其部分振型見圖5。
第一階振型(105.5Hz) 主要表現(xiàn)為底板一上的加強(qiáng)筋作大幅前后、上下振動(dòng),頂板三上的筋小幅彎振,底板一作中小幅前后振,底板二繞Z軸小幅扭振,頂板二作小幅上下振。
第三階振型(185.8Hz) 主要表現(xiàn)為前聯(lián)接板作異向中大幅左右振,泵頭側(cè)板作小幅左右振。
第五階振型(220.9Hz) 主要表現(xiàn)為頂板二的小幅扭振,頂板三的中大幅扭振,上橫板的小幅扭振,底板一繞X軸作小幅扭振。這是上、下方向最大振幅所在振型,頂板三的Y向振幅皆較大,其最大振幅值為0.16400。
第六階振型(269.3Hz) 主要表現(xiàn)為筋板的中大幅左右振動(dòng),橫墻板間側(cè)板的小幅左右振動(dòng)。
第八階振型(348.2Hz) 主要表現(xiàn)為上橫板繞垂直軸作大幅扭振,頂板二繞Y軸作中小幅扭振,頂板三作小幅前后振,底板一繞垂直軸作小幅彎振。這是前后向最大振幅所在振型,上橫板最大振幅值為-0.51396,除上橫板外,底板一為另一薄弱部位,其上各點(diǎn)前后向振幅均較大,最大振幅為0.023557。
第九階振型(356.2Hz) 主要表現(xiàn)為上橫板的中大幅前后振,底板一繞Z軸的中幅扭振,底板二的中幅前后振,頂板二繞垂直軸中幅扭振。
第十階振型(386.2Hz) 主要表現(xiàn)為左右聯(lián)接板的中大幅扭振。
第十二階振型(418.0Hz) 主要表現(xiàn)為左右聯(lián)接板繞垂直軸作中大幅扭振,小軸承座附近側(cè)板作中幅左右振動(dòng),頂板三作中幅扭振。
第十三階振型(462.2Hz) 主要表現(xiàn)為筋板作中大幅左右振動(dòng),前聯(lián)接板作小幅左右振動(dòng)。這是側(cè)向最薄弱部位,筋板最大側(cè)向振幅為0.36527。
第十五階振型(492.2Hz) 主要表現(xiàn)為底板一加強(qiáng)筋的中大幅振動(dòng),頂板三的中幅扭振,上橫板繞X軸的中幅扭振,下支承板的小幅扭振。
從各階振型分析中,可以概括出兩個(gè)薄弱部位,首先是泵尾部開口部位,其次是泵頭部位,這兩部位在低頻階段的模態(tài)中振幅均較大,振幅較小的部位為泵體中部和泵后部的側(cè)板部位,由于這兩個(gè)部位的動(dòng)剛度均較大,因而使振幅較小,下面針對(duì)上述兩個(gè)較薄弱的部位,進(jìn)行原因分析。
從泵的結(jié)構(gòu)可以看出,泵尾開口部位的邊界為自由邊界,并且在開口部位附近又開了一個(gè)被動(dòng)軸孔,雖有加強(qiáng)筋在起作用,但這不足以補(bǔ)償開口的減弱,使得開口部位在局部范圍內(nèi)振幅較大,主要表現(xiàn)為頂板二、頂板三、底板一至底板四,上橫板在大多數(shù)模態(tài)振型中振動(dòng)幅值均較大,若考慮了后蓋的部分加強(qiáng)作用,開口部位仍是整個(gè)機(jī)架動(dòng)剛度最小,最薄弱的部位。因而,加強(qiáng)筋在整體中的加強(qiáng)作用應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng),以增大開口部位的動(dòng)剛度,降低振動(dòng)幅值。
泵頭是其次薄弱的部位,薄弱部位有四處 (1) 泵頭部的前聯(lián)接板,左右向動(dòng)剛度較弱,表現(xiàn)為出現(xiàn)中大幅左右向振動(dòng)和扭振。(2) 泵頭部頂板一,由于鉆井工藝要求,開有一個(gè)大方孔,它不僅削弱了泵頭部的彎曲剛度,而且很大程度的削弱了泵頭的扭振動(dòng)剛度,導(dǎo)致泵頭的扭振動(dòng)剛度較小。(3) 泵頭底板,由于本身的鋼板較薄,導(dǎo)致在低頻階段的部分頻率中振幅較大,同時(shí)由于泵頭底板的動(dòng)剛度較小,也造成泵頭整體動(dòng)剛度的下降。(4) 泵頭另一個(gè)較薄弱的部位是泵頭側(cè)板,雖有兩個(gè)前腿在起加強(qiáng)作用,但由于未與底座聯(lián)接,對(duì)側(cè)向剛度影響很小,所以,泵頭側(cè)板在某些頻率下左右向振幅仍較大。綜上可見,泵頭的彎曲和扭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均較小,而泵頭部聯(lián)接著泵的重要部件液力端,它的振動(dòng)特性,直接影響著液力端,影響著液力端的工作特性以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作特性,是整泵正常工作的關(guān)鍵。
1. 鉆井泵機(jī)架是個(gè)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu),其每個(gè)組成部分的應(yīng)力狀態(tài)和變形規(guī)律也相當(dāng)復(fù)雜,通過靜力有限元計(jì)算,獲得了機(jī)架任一部位的應(yīng)力和變形,對(duì)整個(gè)機(jī)架的強(qiáng)度和剛度有了全面了解。通過動(dòng)力有限元計(jì)算,對(duì)整個(gè)機(jī)架的動(dòng)剛度有了全面了解,發(fā)現(xiàn)了薄弱環(huán)節(jié)和過剩部位,為鉆井泵的結(jié)構(gòu)改進(jìn),進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
2. F1300型三缸泵機(jī)架的組成不盡合理,應(yīng)力、變形分布不均勻,部分板應(yīng)力水平過低,變形量偏,大部分板強(qiáng)度、剛度儲(chǔ)備過多;致使整機(jī)過重,造價(jià)過高。
3. F1300型三缸泵機(jī)架的振動(dòng)特性,并非整體剛度偏弱,而只是泵頭和泵尾開口部位偏弱,另有泵體中部、泵后部的側(cè)板和泵體內(nèi)部剛度過剩。
4. 機(jī)架結(jié)構(gòu)整體動(dòng)剛度不均勻,質(zhì)量、剛度分布不合理,動(dòng)力性能尚可進(jìn)一步改善。
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