張慶華，李宗義

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001）

0 引言

缸套是泥漿泵的重要零件，同時(shí)也是易磨損件，在泥漿泵工作過(guò)程中，每隔數(shù)個(gè)工作周期都有相當(dāng)數(shù)量的缸套由于受到高壓載荷和磨損導(dǎo)致破壞，進(jìn)而被拆卸與更換，較大地影響了工作效率。

提高泥漿泵缸套的耐磨性，一般采用試驗(yàn)法，周期長(zhǎng)、成本高。本文運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用Pro／E和ANSYS軟件，采用有限元分析法，先用Pro／E對(duì)缸套進(jìn)行建模，然后將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中對(duì)其進(jìn)行有限元分析計(jì)算，從而得到缸套的應(yīng)變、應(yīng)力和溫度場(chǎng)，通過(guò)對(duì)應(yīng)變、應(yīng)力和溫度場(chǎng)分析，可以對(duì)缸套的耐磨性進(jìn)行分析。

1 對(duì)缸套進(jìn)行建模

1.1 BW380／8泥漿泵缸套結(jié)構(gòu)

原BW380／8泥漿泵缸套為單金屬缸套，材料為20CrMnTi，Φ95內(nèi)表面滲碳，滲碳層為0.8～1.2mm，淬火硬度為56～60HRC，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 BW380／8泥漿泵缸套

利用Pro／E軟件分別對(duì)缸套進(jìn)行三維建模。將Y坐標(biāo)軸作為軸向?qū)ΨQ軸，缸套的徑向與X軸的方向一致，Z軸的方向作為缸套的周向，取l／10缸套的圓周部分作為最終的三維模型［1］。建好后的模型見圖2。

最后將用Pro／E建立好的簡(jiǎn)化三維模型儲(chǔ)存為IGES格式文件，導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析。

圖2 BW380／8泥漿泵缸套三維模型

2 應(yīng)變計(jì)算分析

2.1 缸套模型在機(jī)械載荷下的計(jì)算分析結(jié)果

本研究是在如下假定前提下進(jìn)行有限元分析：泥漿泵缸套與橡膠活塞摩擦副受到的載荷達(dá)到了一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)。利用ANSYS軟件求解，經(jīng)過(guò)在軟件中的操作和調(diào)試后，得到了缸套模型的計(jì)算結(jié)果［2］。如圖3所示，在載荷分別為5MPa、15MPa和25MPa下所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)茍D。

表1列出了缸套在不同載荷下對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)變值。

表1 缸套在不同載荷下的最大應(yīng)變值

圖3 缸套在5MPa、15MPa、25MPa載荷下的應(yīng)變?cè)茍D

由圖3可知，在最大應(yīng)變值方面，在三個(gè)載荷條件下，隨著載荷的增大，應(yīng)變值先減小后增大。在應(yīng)變分布方面，應(yīng)變由缸套兩端到中間逐漸增加，較大區(qū)域均出現(xiàn)在缸套內(nèi)表面的中間部分。

3 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算分析

3.1 各模型的應(yīng)力場(chǎng)分析

利用ANSYS軟件能夠得出缸套模型在三個(gè)不同工作載荷下的節(jié)點(diǎn)綜合位移、應(yīng)變、Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力等應(yīng)力值和各應(yīng)力分布情況。Von Mises等效應(yīng)力是根據(jù)第四強(qiáng)度理論得到的一種當(dāng)量應(yīng)力，Mises屈服準(zhǔn)則又稱為能量準(zhǔn)則。本研究主要是運(yùn)用 Mises應(yīng)力的結(jié)果進(jìn)行分析的。

上式中：σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力。

圖4分別為缸套模型在三個(gè)不同工作載荷下的Mises等效應(yīng)力分布情況。

圖4 缸套在5MPa、15MPa、25MPa下的Mises應(yīng)力云圖

對(duì)圖4分析可知，缸套模型的最大應(yīng)力值均未超出其屈服極限并且能夠確保零件正常工作；由于缸套受到流體介質(zhì)的載荷和腐蝕比較大，磨損表面塑性變形變得嚴(yán)重，塑性變形也相應(yīng)增加，會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力。

4 缸套在熱耦合工況下的計(jì)算分析結(jié)果

由于溫度載荷對(duì)缸套的工作條件和使用壽命影響很大，有必要對(duì)其進(jìn)行熱分析，泥漿泵工作過(guò)程中，缸套受到的熱載荷和機(jī)械載荷相比要大得多，極大的影響了缸套的工作可靠性。所以，就其熱載荷進(jìn)行分析，對(duì)缸套的優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。

4.1 各模型的溫度場(chǎng)分析

缸套模型溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果依舊由ANSYS軟件得出，溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果分別給出了缸套模型在三個(gè)不同工作載荷下的溫度場(chǎng)分布情況，以及選取的節(jié)點(diǎn)組的溫度變化情況。

圖5反映了缸套模型分別在5MPa、15MPa和25MPa工作載荷下的溫度分布情況，不同顏色及深淺程度對(duì)應(yīng)著缸套內(nèi)表面不同大小的溫度變化情況。

圖5 缸套在5Mpa、15Mpa、25Mpa載荷下的溫度場(chǎng)

從圖5分析可知：缸套模型的溫度隨載荷的變化幅度最大，隨著載荷的增大，缸套的溫度場(chǎng)逐漸增大。

5 結(jié)論

基于ANSYS的BW380／8泥漿泵缸套有限元分析，可以得出模型在不同工作載荷下的應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，對(duì)缸套的耐磨性進(jìn)行分析與研究，可以很大程度的提高泥漿泵設(shè)計(jì)人員的工作效率，節(jié)約成本。

［1］ 張錕.不同微造型表面的鉆井泥漿泵缸套的有限元分析［D］.大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2014.

［2］ 郭紹波.F－1600往復(fù)式泥漿泵機(jī)體有限元分析［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2011.