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
1　前　言
　　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。
2　機(jī)架力學(xué)計(jì)算模型
　　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)圖見圖1。
　　2.1　機(jī)架結(jié)構(gòu)的離散
　　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?6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)系見圖2。
　　2.2　載荷工況和機(jī)架受力的簡(jiǎn)化
2.2.1　前墻板受力
　　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。
2.2.2　下支承筋受力
　　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。
2.2.3　主墻板受力
　　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)。
　　2.3　邊界條件
　　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。
3　機(jī)架強(qiáng)度分析
　　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)(圖3-a)。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)(圖3-b)，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(圖3-c)，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=