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【上海方工】解讀鉆井泵閥疲勞壽命的方案
來源:http://coking.com.cn/news.html | 作者:fanggong | 發(fā)布時間: 686天前 | 3162 次瀏覽 | 分享到:
通過對鉆井泵閥疲勞壽命的研究,進一步闡明泵閥失效的主要機理。利用 ANSYS/LS—DYNA 軟件構(gòu)建泵閥三維實體模型,模擬閥盤沖擊閥座的過程,得到閥盤受力分布圖,據(jù)此分析脈動循環(huán)應(yīng)力對泵閥疲勞破壞的影響。該分析著重考慮了在交變載荷作用下應(yīng)力集中對加速泵閥失效所帶來的危害性,完善了泵閥的無沖擊理論。依據(jù)泵閥疲勞壽命曲線,對泵閥使用壽命進行估算,并提出一種泵閥結(jié)構(gòu)改進的新方案,在一定程度上有效減緩了應(yīng)力集中,對延長泵閥使用壽命具有重要的實用價值。

鉆井泵閥壽命分析圖5
圖 5 條件疲勞極限壽命圖

3 泵閥疲勞壽命曲線

Peterson 根據(jù)大量的實驗數(shù)據(jù),得到在蠕變溫度以下,描述承受交變載荷機械零件的交變應(yīng)力幅、平均應(yīng)力與材料機械性能關(guān)系的方程:

鉆井泵閥壽命分析公式2

式中 σa——交變應(yīng)力幅;
σm——平均應(yīng)力;
σb——材料抗拉強度。

材料在不同對稱循環(huán)極限應(yīng)力作用下,都有σm=0,代入式(5)得:σa-1,符合對稱循環(huán)應(yīng)力的特性。在脈動循環(huán)條件下,脈動循環(huán)極限應(yīng)力 σ0與脈動循環(huán)疲勞載荷應(yīng)力幅 σa0、平均應(yīng)力 σm之間關(guān)系式為:

鉆井泵閥公式3

代入式(5)中可得材料在同一壽命下所對應(yīng)的脈動循環(huán)極限應(yīng)力與對稱循環(huán)極限應(yīng)力的關(guān)系式為:

鉆井泵閥公式4

式中 σ0——脈動循環(huán)極限應(yīng)力。

由式(4)與式(7)可得材料發(fā)生疲勞破壞時的循環(huán)周次與對應(yīng)的脈動循環(huán)極限應(yīng)力的關(guān)系式:

鉆井泵閥公式5

從而得到泵閥在脈動循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞壽命曲線,如圖6。

鉆井泵閥壽命分析圖6
圖 6 泵閥疲勞壽命圖

4 泵閥壽命分析

閥盤在沖擊閥座的過程中,所承受最大局部集中0.955×109Pa。根據(jù)泵閥疲勞壽命曲線,對應(yīng)的脈動循環(huán)周次為 2.1×105,即泵閥的使用壽命約為 25h~30h。由于以上簡化模型求解時忽略了實際工況中存在的兩個因素,因此得出的結(jié)果與實際泵閥壽命可能略有出入。現(xiàn)對這兩因素分析如下:

一方面,在泵閥關(guān)閉階段簡化模型和泵閥沖擊過程有限元動力學模型中認為,閥盤在高度 5.6mm處,由于強大壓力推動快速下落,從而完全忽略水力摩阻和導軌摩阻。在此階段閥盤受力平衡方程中,由于阻力忽略,求出閥盤下落時的速度與加速度比實際情況下的速度與加速度大。在實際工況下,閥盤從最高位置到與閥座接觸,時間極短。閥盤運動下方的液體受到壓縮變得相對稠密(密度增大),而閥盤上方的液體又會變得相對稀?。芏葴p?。?,液體會由稠密的地方向稀薄的地方流動,由于快速運動的閥盤上方產(chǎn)生了液體稀薄區(qū)域,閥盤下方的液體就會極力繞過閥盤向閥盤上方流動,并帶動四周的液體快速填補這一區(qū)域,這樣便形成了流體渦旋。有渦旋的地方液體運動加速,壓強會進一步減小,因此,對于快速運動的閥盤,下方受到的液體壓強遠遠大于上方渦旋處的壓強,上下壓強差對閥盤產(chǎn)生了一個向上的阻力,這個阻力跟渦旋有關(guān),定義為渦旋阻力。在流體中運動的閥盤所受的阻力包括摩擦阻力和渦旋阻力,渦旋阻力要比摩擦阻力大得多,所以在求解時不叮忽略。

另一方面,在 ANSYS 模擬時也并未考慮密封圈的緩沖作用。密封圈工作錐面的錐度一般與閥盤(或閥座)錐度相同,而且前者突出于閥盤錐面以外。這樣當閥盤下落時,密封圈首先與閥座接觸,對閥盤與閥座金屬面之間產(chǎn)生的剛性接觸起緩沖作用。同時,由于密封圈首先與閥座接觸,在閥盤與閥座之間密封液體,這樣在閥盤與閥座金屬尚未接觸之前便在金屬間形成“液墊”,從而可以減少閥最后關(guān)閉時的沖擊。