上海沪工阀门厂（集团）有限公司
关键词：钻井泵阀；脉动循环应力；应力集中；疲劳寿命
1 泵阀应力分析
跟随着柱塞的往返锻炼，阀盘对阀门法兰发生间接性突破，泵阀顶住突破承载。接触性面上内应力比比由闭合式画面到发生比较大内应力比比再到泵阀上线一直，是这样嵌套循环系统突破，不错认为泵阀顶住脉动嵌套循环系统内应力比比。 在泵阀开起时段.的简单模式中，假定在小的落伍极度内，阀盘受力分析保持不变，匀减速由上向下行动，终将开起。可根据此模式求出泵阀开起经常阀盘的极限转速和减极限转速。文献中以油田大量使用的 7# 阀为例，选取锥角为 45°（锥角为锥阀母线与轴线之间的夹角），设定阀开启时曲柄转角φ=25°，冲次为 120 次／min，泵压为 15MPa，在曲柄转角φ=25°~180°之间，对钻井泵阀阿道尔夫精确微分方程进行数值仿真，得到阀盘的滞后高度为 0.0056m，在此处的速度为﹣0.4067m/s2。利用简化模型，可求出泵阀关闭时刻阀盘的速度为﹣19.3676m/s，加速度为﹣33476.65m/s2。
以优化建模方法工具有的取消无时无刻阀盘的访问速度快和加访问速度快充当健身边际必要必备条件，再生利用 ANSYS/LS—DYNA 电脑软件创造出一个泵阀的三维空间建模方法工具，模仿阀盘突破阀门法兰的历程。按泵阀的现实效果外形尺寸建设泵阀整体风格建模方法工具，省略隔绝圈，会按照钻并泵阀现实效果工作快速设置村料攻击速度及几何的管理必要必备条件，选用 8 结点六面体单位做出网格化区分，建设建模方法工具，剖视图如下图所显示 l 所显示。
图 1 泵阀三维模型剖视图
图 2 阀盘应力分布图
由图 2 得到阀盘在冲击阀座的过程中，产生的最大局部集中应力为 0.955×109Pa，从而可知泵阀锥面下端应力集中区域承受的脉动循环载荷 0.955×109Pa，周期为 0.5s（泵阀的冲次为 120 次／min)，如图 3。
图 3 锥面下端应力集中区域受力形式
2 泵阀材料的S-N曲线
钻孔泵阀的制造技术用料非常广泛采用了40Cr钢，40Cr钢属低不锈钢中碳的结构钢，经调质治疗后，有可韧度好、困乏屈服强度高、收窄比较敏感度高认识低、温度低的冲击塑性质量良好等特点特点。热学特点见表1。| σb/MPa | σ0.2/MPa | δs/％ | ψ％ |
|---|---|---|---|
|
1080
|
950
|
18.0
|
58.0
|
文献给出了 40Cr 钢光滑试样在 105~1010 循环周次范围内的疲劳寿命（S-N）曲线，如图 4 所示。
图4 40Cr钢S-N曲线
在 105~108周次范围内，疲劳曲线可用 Basquin 方程式描述：
式中σa——疲劳载荷应力幅；
Nf——σa作用下发生疲劳破坏时的载荷循环周次；
σ'f——疲劳强度系数；
b——疲劳强度指数或 Basquin 指数。
σa﹣¹=2431×（2Nf）-0.0998 （2）
式中 σa﹣¹——对称循环疲劳载荷应力幅。
在不对称无限循环标准下：σ-1=σa﹣¹ （3）
式中 σ-1——对称循环极限应力。
把式（3）代入式（2）能够 40Cr 钢的呈对称无限循环系统终极承载力与该承载力下形成疲劳值损伤时的无限循环系统周次互相的干系式：σ-1=2431×（2Nf）-0.0998 （4）
由式（4）可求 40Cr 钢坯料水平疲倦极限值年限图，就像文中5右图。
图 5 条件疲劳极限寿命图
3 泵阀疲劳寿命曲线
Peterson 按照广泛的工作数据文件，有在脆性断裂热度左右，介绍承担交变荷载厂家零件及运转情况的交变扯力幅、平均的扯力与原材料厂家耐热性问题的式子：
式中 σa——交变应力幅；
σm——平均应力；
σb——材料抗拉强度。
材料在不同对称循环极限应力作用下，都有σm=0，代入式（5）得：σa=σ-1，符合对称循环应力的特性。在脉动循环条件下，脉动循环极限应力 σ0与脉动循环疲劳载荷应力幅 σa0、平均应力 σm之间关系式为：
式中 σ0——脉动循环极限应力。
由式（4）与式（7）能得装修材料引发疲倦破碎时的嵌套巡环周次与相应的的脉动嵌套巡环極限应力比的影响式：
图 6 泵阀疲劳寿命图
4 泵阀寿命分析
阀盘在冲击阀座的过程中，所承受最大局部集中0.955×109Pa。根据泵阀疲劳寿命曲线，对应的脉动循环周次为 2.1×105，即泵阀的使用寿命约为 25h~30h。由于以上简化模型求解时忽略了实际工况中存在的两个因素，因此得出的结果与实际泵阀寿命可能略有出入。现对这两因素分析如下：
单个方面，在泵阀开启关键期简单化绘图和泵阀的冲击的过程 限制元动能学绘图中而言，阀盘在极高 5.6mm处，可能雄厚气压积极推动飞速落下来，可以可以释放水力发电摩阻和导轨摩阻。在这里关键期阀盘承载力平衡量式子中，可能压力释放，求出阀盘落下来时的转速与加转速比实计情况发生下的转速与加转速大。在实计过量空气系数下，阀盘从很高地段到与阀门法兰触及，的时间极快。阀盘中长跑健身下边的液态物质获得缩小看上去对性稠密（高体积增多），而阀盘正评论的液态物质又会看上去对性稀稠（高体积缩小），液态物质会由稠密的特点向稀稠的特点传播性，可能飞速中长跑健身的阀盘正评论所所产生了液态物质稀稠板块环境，阀盘下边的液态物质便会坚决躲过阀盘向阀盘正评论传播性，并提升四周围的液态物质飞速补平相应板块环境，那么便构成了粘性粘性流体涡旋式式压缩机压缩机压缩机压缩机压缩机。有涡旋式式压缩机压缩机压缩机压缩机压缩机的特点液态物质中长跑健身加快和提升，压强会进一大步缩小，之因而，这对于飞速中长跑健身的阀盘，下边获得的液态物质压强已经大过正评论涡旋式式压缩机压缩机压缩机压缩机压缩机处的压强，升降压强差对阀盘所所产生了一种积极向上的压力，整个压力跟涡旋式式压缩机压缩机压缩机压缩机压缩机相关联，基本概念为涡旋式式压缩机压缩机压缩机压缩机压缩机压力。在粘性粘性流体中中长跑健身的阀盘经受的压力涉及到矛盾压力和涡旋式式压缩机压缩机压缩机压缩机压缩机压力，涡旋式式压缩机压缩机压缩机压缩机压缩机压力要比矛盾压力大很多，因而在解微分方程时不叮释放。 别的方便，在 ANSYS 模拟网时也从未要考虑密闭圈的加载效应。密闭圈运行锥面的锥度般与阀盘（或阀块）锥度雷同，可是前一个重点于阀盘锥面外。只要当阀盘自由落体时，密闭圈前提与阀块碰到，对阀盘与阀块不锈钢材质面两者相互间生成的基础碰到起加载效应。互相，基于密闭圈前提与阀块碰到，在阀盘与阀块两者相互间密闭固体，只要在阀盘与阀块不锈钢材质暂未碰到前面便在不锈钢材质间成型“液垫”，导致可不可以缩短阀在最后封时的冲洗。综上分析可知，模拟求出的集中应力与实际有一定差距。为了使结果更接近于实际数据，可在该模型求出的应力基础上，再乘一个考虑实际阻力和缓冲的折减系数，该系数可通过实验测量得出。假设阻力折减系数为φf，缓冲折减系数为φt，则总折减系数φ＝φf×φt，实际应力σ=φ×σˊ（σˊ为理论应力），然后参照泵阀疲劳寿命图，可以求得泵阀的使用寿命。需要强调的是，用理论应力得出的泵阀寿命具有一定的安全余量，可以为现场人员及时更换泵阀提供参考。
5 泵阀的改进措施
从图 2 上还可以听到阀盘下锥角部位铸件则呈显出出越大能力空间。愿意常见是阀盘与阀块冲洗性闭锁时，阀盘锥面与阀块使用，经受冲洗性负荷，在锥面 与阀盘底调整处设备构造的图片尺寸骤然的变化呈现能力分散。能力分散使轮廓空间的能力值高于了原料按计划使用期限可以经受的能力的水平，就此从生裂开。疲乏源系在能力分散越大的尖角根茎从生，并向芯部存储，这些泵阀常见从锥角与阀盘底整改。在泵阀另外设备构造的及安全性能不改的事由下，从而避免能力分散，底边设计为圆弧型，并与锥面选用顺滑调整（倘若圆弧的半径为 88.54mm）。泵阀整改前前后后的铸件图如图已知 6 随时。 对提高效率后的泵阀做 ANSYS/LS—DYNA 三维立体日常动态模拟系统数据分析，确立三维模型，剖视图如下图 7。
图 7 泵阀改进前后结构图
图 8 改进后泵阀三维模型剖视图
由图 8 可知，最大局部应力出现在锥角偏上方，为 0.834×109Pa，比原来泵阀承受的最大应力 0.955×109Pa 减小了 12.67％。将求出的应力代入泵阀疲劳寿命图 6，得到泵阀的寿命为 210h~320h。结构改进后，泵阀的寿命大大提高。
除此以外，改进什么后的阀体在文丘里管中跑步时还能成果地增大水摩阻，抑制文丘里管中磨炼性有机化合物对下面及锥面的冲蚀损耗，阀盘落在阀门法兰上时的胶封成果也有一些·有效改善。