钻井泵机架的静动态有限元分析

　　1前言

　　F1300型三缸单作用钻井泵，是宝鸡石油机械厂为了满足油田高泵压和大排量钻井工艺的需求，类比美国EMSCO泵自行设计制造的。它缺少必要的理论计算依据，不能完全适应高压喷射钻井工艺的发展对泵的抗振性提出的高要求。为了全面了解F1300型三缸泵机架的应力水平和刚度分布情况，发现薄弱环节和过剩部位，为减轻重量、降低成本、均衡整机应力与刚度提供必要的改进设计依据，我们进行了静力有限元计算。

　　在静力分析的基础上，我们还对机架的固有振动特性进行了分析，目的在于全面了解泵的动刚度的分布，发现动刚度的薄弱环节和过剩部位，对泵体的改造进行动态特性分析与动态设计，使泵体的质量和刚度有一个合理的分布，进一步改善泵的动态特性，提高其抗振性能，全面提高泵的质量，延长泵的使用寿命。

　　2　机架力学计算模型

　　F1300型三缸泵采用钢板组焊结构。整个机架结构由左右两块主墙板、前墙板、前底板、前联接板、顶板一、顶板二、顶板三、上、下支承板、横墙板（Ⅰ）、横墙板（Ⅱ）、上横板、底板—～四和两根座架梁组成。机架内部由于结构上的需要，沿x和z方向有支承筋、加强筋和型钢等零部件。在两块主墙板的主、被动轴承孔处分别焊接有铸钢轴承座。

　　2.1　机架结构的离散

　　钻井泵机架是由钢板组焊而成的，可以按板壳单元计算；主、被动轴承座简化为厚圆环结构，按三维8～21节点块元计算；支承筋、型钢和两根座架梁按空间梁单元计算，并从属于相应的主节点；圆环结构和板壳结构的弱连接采用罚单元处理；倾斜板单元节点的第6个自由度用边界弹簧单元处理。整个机架结构分成12批1331个板壳单元，2批141个空间梁单元，56个三维块元，46个罚单元和182个边界弹簧单元，总计1797个节点。

　　2.2　载荷工况和机架受力的简化

　　2.2.1　前墙板受力

　　由缸套直径和额定压力两个性能参数，可以获得活塞水平方向所受最大力。该力作用在前墙板孔中心，假定1、2两缸同时受力，按静力等效原则简化到前墙板总体节点上去，成为节点载荷。

　　2.2.2　下支承筋受力

　　垂直方向受力，可由十字头受力分析求得。并假定这个集中压力平均作用在下支承板的四根支承筋上。

　　2.2.3　主墙板受力

　　三缸单作用钻井泵机架承受着三个活塞交替变化的作用力，通过液力端阀箱上的联接螺栓将活塞的推力传递给前墙板，由主、被动轴对主墙板轴承座的作用力与之平衡。三缸的作用力按120°循环交替工作，一个缸满负荷工作时，另外两个缸以一定的重叠系数工作着。本文按两缸同时满负荷工作计算，并假定被动轴处于正转状态。

　　2.3　边界条件

　　钻井泵在油田钻井现场，底座的固定方式不一。钻井泵机架是通过8个联接螺栓，与底座的座架梁牢固联接在一起的。本文对机架的约束条件采用了在底座梁下翼缘分别沿X向设置一个杆支座，Y向设置6个杆支座，Z向设置2个杆支座，以约束X、Y、Z方向的线位移。这种边界约束条件与油田钻采现场的约束条件基本相同。