浅析往复式泥浆泵液力端结构优化

摘要：BW380/8型往复式三缸单作用泥浆泵液力端是泵的易损部件，成本占泵价的1/5，设计研制时缺少必要的理论计算依据，不能同时满足质量轻、大排量、高压力的要求。综合理论研究及设计的不足，可应用有限元分析法对液力端进静态分析和模态判断，以便为泵体液力端的优化提供最终依据。

关键词：浅析 泥浆泵 液力端 结构优化

1 往复式泥浆泵结构优化国内外研究现状综述及意义

1.1 往复式泥浆泵结构优化的背景及意义

近年来，随着国民经济建设的飞速发展，国家对矿产资源的需求量越来越大，而随着勘探深度的增加和地质条件复杂化程度的增大，地质勘探工作的难度也不断增加，对泥浆泵提出了具有质量小、排量大、压力高等性能要求。

现代三缸单作用泥浆泵于1960年首次出现在工矿钻井领域，极大地提高了钻井效率。与一般的泥浆泵相比，三缸泵具有很强的优越性，主要表现在其体积更为轻便、作业效率高、压力波动较小，适应了工矿钻井的发展需求。就我国而言，目前在我国工矿钻井作业中应用最广的钻井泵仍为三缸单作用往复泵。而通过比较和分析各类三缸单作用往复泵，我们可以发现其中最为适合作业要求的为往复式柱塞泵，它不仅能够在高压环境下完成高难度输送，其液体特性也较为稳定，含沙量和比重较大，它以其工作效率高、输送距离远等特性，在工程、矿山、地质等方面有着广泛的应用，它的正常运转和工作效率直接关系到油井的经济建设和成井率。

国内生产的钻井泵由于开发时间早，经过多年的具体作业实践其缺陷也随之凸显出来，主要表现在设计结构不科学、维修难度大、使用范围有限等。甘肃省核工业机电研究所生产的往复式泥浆泵由于采用往复式柱塞泵，具有往复式柱塞泵的特性，因而在钻井作业中得到了广泛的应用，但其仍存在一些问题，具体表现在以下几方面：

①泵身质量和体积较大，不便于移运。

②钻井泵排量有限，无法满足现代钻井大排量的需求。

③泵压偏低，不能完全满足现代钻井工艺的需要。

④冲程过短，冲次度高，钻井泵的实际冲次范围和与其冲次范围不相适应，严重影响了其使用寿命。

近年来，为了适应钻井提高转速、降低作业成本以及其它一些特殊要求，提高其使用性能，国内外在泥浆泵的理论和试验研究、设计制造等方面做了许多工作，但在通过对液力端进行结构优化，来达到研制质量轻、大排量、高压力的泥浆泵方面的理论研究还不适应现代钻井技术对钻井泵的需求。BW380/8型往复式三缸单作用泥浆泵是甘肃省核工业机电研究所为了满足地矿勘探高泵压和大排量钻井工艺的需求，但它同样无法同时满足质量轻、大排量、高压力的要求。

液力端是泵的易损部件，成本占泵价的1/5，高泵压脉动载荷作用下，液缸各零件易产生疲劳破坏，特别是泵压和排量增大后会极大地使液力端的寿命和可靠性下降，如果提高液力端的使用寿命和可靠性，又会增大泵的质量。在现阶段，解决上述矛盾的根本办法是计算机辅助设计技术的应用。

综合以上理论研究及设计的不足，应用有限元分析法对BW380/8型往复单作用泥浆泵液力端进行静态分析和模态判断，最终可以较为准确地预测出泥浆泵的各方面性能情况，为液力端的结构优化提供依据。对BW380/8型往复式单作用泥浆泵液力端进行结构优化，可以设计出质量小、高压力、大排量的泵。

1.2 往复式泥浆泵结构优化现状

1.2.1 国外泥浆泵结构优化的发展现状

目前，国际上普遍流行的石油钻井泵为三缸单作用泥浆泵，并逐渐朝着小型轻便、大功率排量、高泵压的方向发展，其中研究成果较为显著的是美国、俄罗斯和罗马尼亚。以美国为例，其使用范围最广的钻井泵为三缸单作用泵，并采用L形液力端和阀箱。与其他国家相比，美国的吸入阀多采用螺纹方式压紧，并与壳体紧密相连，并将泵机座设为焊接结构。另外，美国还就其三缸单作用泵的重要零件制造工艺制定了专业化严格化的API标准。与美国相比，俄罗斯的三缸泵研究和制造起步较晚，发展速度缓慢，但其三缸泵系列性较强，液力端和阀箱一般采用I形或L形，吸液阀在运作时依据一体液力模块，而铸件和焊接件通过高效组合最终形成动力端机座，能够满足泥浆泵发展的需求。从整体来看，目前虽然三缸单作用泵越来越成为国外泥浆泵结构优化的方向和趋势，但就其实际应用而言，三缸单作用泥浆泵仍存在一些技术性难题，虽然有关技术人员尝试研制出了一些新型泥浆泵以解决当前问题，但收效不明显，推广范围有限。德国大众公司利用现有设备条件，通过对某直列四缸水冷柴油机机体的一系列静刚度分析和模态判断，初步预测了机体表面辐射噪声情况，并拟定了相应解决措施。美国通用公司运用实验手段不断优化产品结构，将有限元结构分析扩展至新领域，研制出了一种新型产品。另外，研究人员还利用液力端的特性设计了新的泵体结构，取得了很大成功。

1.2.2 国内泥浆泵结构优化的发展现状

我国自上世纪六十年代开始关注往复式泥浆泵技术，该技术最初是从美国引进而来的。经过半个世纪的发展，目前这一技术在我国的总体应用范围仍然有限，同时发展速度较为缓慢，尚未完全实现通过计算机来进行结构优化设计。泥浆泵机身体积较大，无法适应多数行业的发展需求，结构部件安排不科学，刚度值较低，阀箱强度和可靠性不足。另外，我国目前现有的研究水平较低，对往复泵、轴轮泵机体等的研究存在空白。为解决这一问题，国内一些研究人员针对阀箱可靠性、三钢泵体强度、机体刚度结构等进行了一系列研究，并取得了初步成果。仅以西南石油大学为例，西南石油大学朱永友等研究者通过长期的实验研究，利用最新机械设计自动化软件建立起一个泥浆泵三维实体模型，追踪了泥浆泵的具体运动形态，得出了其运动规律，并根据对其工作机理的研究和分析，有效地简化了其泵身结构，将其整体性能提升了一个层次。总体而言，我国在石油钻井泵的发展上与国外的差距正在逐渐缩小。

从以上国内外的研究现状可以看出，对三缸单作用往复式泥浆泵在提高泵的压力、排量的同时减轻其质量，对液力端采用有限元分析的方法进行结构优化方面的研究还较少。利用Pro/E、ANSYS和MATLAB软件，通过有限元分析，对BW380/8型往复式单作用泥浆泵液力端进行结构优化，可为设计质量小、大排量、高压力往复式单作用泥浆泵进行理论研究。

2 结构优化的目标、内容和拟解决的关键性问题

2.1 优化内容

基于国内外对往复式三缸单作用泥浆泵液力端的研究现状与发展趋势，以BW380/8型往复式单作用泥浆泵液力端缸套为对象，利用Pro/E建立泥浆泵液力端缸套的三维实体模型，通过ANSYS软件对液力端缸套进行静动态有限元分析，得到了不同相位下液力端缸套的变形、应力及动态刚度分布情况，主要内容如下：

①以BW380/8型往复式单作用泥浆泵为设计原型，详细地分析和研究液力端的受力情况。②用Pro/E建立BW380/8型往复式单作用泥浆泵液力端缸套三维模型。③利用ANSYS软件，通过有限元分析液力端的缸套强度以及刚度分布强弱差距较大的部位。④利用Matlab优化软件优化整体结构，并通过数据结果分析找出最优值，进一步证明此优化设计方法的可行性和有效性。

2.2 优化目标

通过对以上内容的研究，可得到泥浆泵液力端的主要部件缸套的强度、刚度和动态特性的有限元分析结果；对泥浆泵液力端的缸套进行结构优化；为设计出质量轻、排量大、压力高的泥浆泵提供理论依据和技术参考。

2.3 拟解决的关键性问题

①泥浆泵液力端缸套三维模型的建立及边界条件确定。②对泥浆泵液力端缸套进行有限元分析计算。③对有限元计算结果进行分析讨论，得到最优解，进行结构优化。

3 拟采取的研究方法、技术路线及其可行性分析

3.1 拟采用的研究方法

研究时首先利用Pro/E三维软件对液力端缸套进行建模，建模过程中根据实际受力情况对细节作相应的取舍。然后基于有限元分析软件ANSYS进行静态计算和动态特性分析，得到结构的变形、Mises应力、固有频率和相应的模态。最后利用Matlab软件进行结构优化，得到结构的最优几何参数。

3.2 技术路线

传统设计与现代设计方法相结合，利用计算机辅助设计技术，通过三种不同的软件（Pro/E、ANSYS和Matlab）对泥浆泵的液力端缸套进行有限元分析和结构优化，能够为泵的液力端结构优化提供重要的理论依据。

参考文献：

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[2]沉学海.钻井往复泵原理与设计[M].北京：机械工业出版社，1990.

[3]Kelly J.L.Jr.An Economic Approach to Drilling Hydraulics[J].Drilling Technology Conference Transactions，1984.

[4]朱凤霞.往复式泥浆泵动力端连杆模态特性分析[J].科技与企业，2012（19）.

作者简介：

张庆华（1978-），女，甘肃机电职业技术学院现代制造工程系，研究方向：机械制造；李宗义（1960-），男，甘肃机电职业技术学院党委书记，研究方向：机械工程。