泥漿泵連桿的有限元分析與實(shí)現(xiàn)

0連續(xù)工藝原理在泥漿泵中的應(yīng)用泥漿泵是探測(cè)機(jī)械的重要組成部分。它的主要作用是在鉆進(jìn)過(guò)程中將泥漿隨鉆頭鉆進(jìn)注入井下,起著冷卻鉆頭、清洗鉆具、固著井壁、驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn),并將打鉆后巖屑帶回地面的作用。連桿是泥漿泵泵動(dòng)力端中最重要的零件,它是將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為十字頭、活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在工作過(guò)程中,連桿承受著十字頭和曲軸對(duì)它的作用力、慣性力以及自身的重力的綜合作用,這些力隨著泥漿泵的吸液、排液沖程發(fā)生周期性的變化,在連桿上產(chǎn)生交變的應(yīng)力作用,而且在大、小頭和桿身的過(guò)渡圓角處均呈現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中。因此,連桿的主要失效模式為疲勞斷裂。隨著泥漿泵的高速、高強(qiáng)度的發(fā)展,對(duì)泥漿泵的主要部件的要求越來(lái)越苛刻,因此對(duì)泥漿泵動(dòng)力端連桿進(jìn)行有限元分析,對(duì)于防止疲勞斷裂事故的發(fā)生,提高泥漿泵的使用壽命和設(shè)計(jì)水平都有重要的意義。1黃連的幾何模型和網(wǎng)格的劃分1.1建立分析模型建立準(zhǔn)確、可靠的幾何模型,是利用有限元法進(jìn)行分析的重要步驟之一。在實(shí)際建模中,完全按照實(shí)體建立分析模型,進(jìn)行有限元分析往往是很困難的,通常對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。利用PROE建立了某泥漿泵的連桿三維模型(見(jiàn)圖1),并對(duì)連桿進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化:忽略了連桿大頭、小頭的油孔和桿身的小的油道、尺寸小于5mm的倒角和過(guò)渡圓角。1.2基于hypermsh的有限元網(wǎng)格模型有限元網(wǎng)格劃分是有限元分析的一個(gè)重要環(huán)節(jié),網(wǎng)格劃分的好壞對(duì)有限元分析的精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接的影響。利用Hypermesh對(duì)連桿進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分,然后將有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入到ansys中,如圖2所示。該連桿有限元模型有23178個(gè)單元,28878個(gè)節(jié)點(diǎn)。2連續(xù)線t連桿在工作中作剛體平面運(yùn)動(dòng),利用剛體平面運(yùn)動(dòng)微分方程對(duì)連桿進(jìn)行受力分析。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)一個(gè)液缸進(jìn)行受力分析,規(guī)定力的方向指向坐標(biāo)系(X軸、Y軸)的方向?yàn)檎?如圖3所示。利用剛體平面運(yùn)動(dòng)微分方程,可求得十字頭、曲軸對(duì)連桿的作用力為式中,F1x、F1y——十字頭對(duì)連桿作用力;F3x、F3y——曲軸對(duì)連桿作用力;φ——曲柄角度,φ=ωt;λ——曲柄連桿比;m2——十字頭、活塞桿、活塞及其附件總質(zhì)量;m3——連桿的總質(zhì)量;a——十字頭、活塞桿、活塞及其附件加速度;acx、acy——連桿質(zhì)心C的加速度;f2——十字頭與導(dǎo)板間的動(dòng)摩擦系數(shù),一般取f2=0.10~0.12;F——活塞力pA和活塞與缸套之間的摩擦力Ff的合力,其大小為式中,p——液缸介質(zhì)壓力;A——液缸(活塞)的橫截面積;J1(φ)、J2(φ)——關(guān)于曲軸轉(zhuǎn)角φ的自定義函數(shù)式中,φ0——泵閥滯后角。圖4、圖5給出了一個(gè)周期內(nèi)的連桿作用力的變化曲線。3對(duì)連桿機(jī)力的影響作用在連桿上的主要有:十字頭和曲軸對(duì)連桿的作用力、慣性力以及自身的重力。對(duì)連桿進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí),通常選取最大拉伸和最大壓縮兩種工況下進(jìn)行計(jì)算。3.1接觸包角的確定將作用在連桿大、小頭的力沿著連桿中心線的方向進(jìn)行分解,得到在吸液和排液周期(曲軸轉(zhuǎn)角360°)內(nèi)連桿上的作用力,如圖6所示。圖中十字頭對(duì)連桿的力為正值表示拉力,曲軸對(duì)連桿的力為正值時(shí)表示壓力。從圖6可知,連桿在典型工況下的受力情況,如表1所示。大頭、小頭載荷一般按有限寬度軸頸油膜壓力分布規(guī)律進(jìn)行處理:載荷沿大頭、小頭軸線方向按二次拋物線分布,沿圓周方向按某一接觸包角范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布,接觸包角一般為120~180°,參見(jiàn)表2。現(xiàn)給出接觸包角為120°時(shí),連桿小頭載荷的加載方程:式中,R——小頭軸頸的半徑;H——連桿小頭厚度的一半;Fc——連桿小頭總載荷;z——連桿小頭軸向坐標(biāo),z∈(-H,H);θ——連桿小頭周向坐標(biāo),θ∈(-π/3,π/3)。3.2單元周圍節(jié)點(diǎn)的等效質(zhì)量連桿在工作中作剛體平面運(yùn)動(dòng),在有限元分析時(shí),慣性力的施加比較復(fù)雜,其處理是否合理直接影響有限元分析結(jié)果的精度。通常的簡(jiǎn)化方法是采用“二質(zhì)量當(dāng)量系統(tǒng)”將慣性力等效地施加到連桿大、小頭上,由于大、小頭承受過(guò)大載荷,使得大、小頭端孔處的變形和實(shí)際工作情況產(chǎn)生較大差異。根據(jù)有限元的特點(diǎn),可求得連桿在任意轉(zhuǎn)角時(shí)刻每個(gè)單元的慣性力,然后將其等效地施加到單元周圍節(jié)點(diǎn)上,無(wú)疑采用這種處理是最符合實(shí)際情況的。式中,l——連桿長(zhǎng)度;r——曲柄半徑;δ——連桿擺角,在OX下方為正,反之為負(fù)。通過(guò)求二階導(dǎo)數(shù),得節(jié)點(diǎn)K的加速度在XOY坐標(biāo)系中節(jié)點(diǎn)K中慣性力為式中,mk——節(jié)點(diǎn)等效質(zhì)量,大小由式(14)確定。式中,mk(e)——與節(jié)點(diǎn)K相連的所有單元總質(zhì)量。在Ansys中連桿慣性力的加載過(guò)程比較復(fù)雜,且連桿節(jié)點(diǎn)、單元的數(shù)量非常多,手動(dòng)加載根本無(wú)法實(shí)現(xiàn),為此可采用高級(jí)語(yǔ)言APDL來(lái)實(shí)現(xiàn),其加載流程如圖8所示。4約束邊界條件在有限元分析時(shí),必須對(duì)模型施加足夠的位移約束,消除模型所有可能的剛體位移。由于連桿在工作過(guò)程中,在接觸邊界上沒(méi)有固定的自然約束條件,所以在分析時(shí)通常采用補(bǔ)充約束進(jìn)行等效處理。為此,可利用連桿模型的對(duì)稱性,在兩個(gè)對(duì)稱面(XOZ面、XOY面)上分別施加對(duì)稱邊界條件,則可約束模型的Y、Z向平移自由度和所有的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。此時(shí),模型還有一個(gè)X向平移自由度,為此可采用人為增加約束的方式,應(yīng)注意盡量遠(yuǎn)離模型的重要部位(如應(yīng)力集中部位、較大變形的部位)。根據(jù)圣維南理論,所增加的約束只是對(duì)附近的局部區(qū)域有影響,而對(duì)遠(yuǎn)離約束點(diǎn)的重要部位影響不大。經(jīng)過(guò)多次嘗試,在拉伸工況下選取靠近桿身大頭接觸表面的中央一排節(jié)點(diǎn)約束其X向位移;在最大壓縮工況下選取遠(yuǎn)離桿身大頭接觸表面的中央一排節(jié)點(diǎn)約束其X向位移。這樣連桿所有自由度均得到約束。5聯(lián)合元件分析5.1連桿縱向縮短法從圖9、圖10中可以看出:在最大拉伸工況下,連桿縱向伸長(zhǎng),其最大綜合位移約為0.5mm,發(fā)生在連桿大頭的頂部;在最大壓縮工況下,連桿縱向縮短,其最大綜合位移約為1.097mm,發(fā)生在連桿小頭的頂部。從總體看,在泥漿泵的吸液、排液周期內(nèi),該連桿的變形量較小,其剛度較好,符合設(shè)計(jì)要求。5.2最大壓縮工況下連續(xù)工藝從圖11中可以看出,最大拉伸工況下連桿的整體應(yīng)力較低,這是因?yàn)樵摴r時(shí)泥漿泵處于吸液沖程,此時(shí)活塞上無(wú)介質(zhì)壓力作用,連桿的整體受力較小。另外,在連桿大頭、小頭和桿身的過(guò)渡圓角處均存在不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象,其中連桿大頭和桿身的過(guò)渡圓角處的應(yīng)力最大,約為45.722MPa;小頭和桿身的過(guò)渡圓角處的應(yīng)力約為25~30MPa;桿身處的應(yīng)力約為5~10MPa。從圖12中可以看出,連桿在最大壓縮工況下連桿的整體應(yīng)力較大,因?yàn)樵摴r時(shí)泥漿泵處于排液沖程,此時(shí)活塞上作用著介質(zhì)壓力,連桿的整體受力較大。連桿大頭、小頭和桿身的過(guò)渡圓角處均存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象,其中連桿大頭和桿身的過(guò)渡圓角處的應(yīng)力最大,約為136.858MPa,連桿小頭和桿身的過(guò)渡圓角處的應(yīng)力也達(dá)到110MPa左右;桿身的應(yīng)力為31~46MPa。綜合以上分析,連桿在泥漿泵吸液、排液工作周期內(nèi)最大應(yīng)力約為136.858MPa,發(fā)生在最大壓縮工況大頭和桿身過(guò)渡圓角處。由于該連桿材料為40Cr,屈服極限為805MPa,強(qiáng)度極限為940MPa,連桿等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度極限,符合靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,但是由于交變應(yīng)力和應(yīng)力集中的作用下,連桿容易發(fā)生疲勞破壞,因此對(duì)連桿進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí),應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核,連桿的主要失效模式為疲勞斷裂,即在循環(huán)應(yīng)力作用下在應(yīng)力集中部位(大、小頭和桿身的過(guò)渡圓角處)產(chǎn)生微裂紋,并逐漸擴(kuò)展為宏觀裂紋,最終導(dǎo)致連桿的疲勞斷裂。6基于慣性力的復(fù)配算法1)采用剛體平面運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程,對(duì)動(dòng)力端連桿進(jìn)行受力分析,得到連桿在泥漿泵吸液、排液周期內(nèi)的作用力變化曲線,為有限元分析打下良好的基礎(chǔ)。2)根據(jù)有限元的特點(diǎn),給出了更合理有效的連桿慣性力的處理方法,即將連桿的慣性力轉(zhuǎn)換為每個(gè)單元的慣性力,然后將其等效地施加到單元周圍節(jié)