基于ANSYS增压注水泵O型架的有限元分析

孙丽名 刘豪 姜辛 马广

关键词：增压注水泵;静强度;有限元分析;模态分析

0引言

随着石油开发技术的发展，对于油田增产措施的要求逐渐提高，注水泵是油田注水开发工艺中一种十分重要的机械设备。油田投入开发后，如果没有相应的驱油能量补充，油层压力随着不断开发而逐渐下降，导致油田的最终采收率下降。通过油田注水，可以使油田能量得到补充，保持油层压力，达到油田稳产目的。早在20世纪70年代，我国各大油田在经过一段时期的开发开采后，地下油层压力大幅度下降，导致油井的采收率不断下降，加之采油驱油技术也相对落后，采收率明显下降。因此增压注水泵在油田注水工艺过程中，起着至关重要的作用。由于在高压工作条件下，注水泵在吸水排水的过程中会产生压力、流量变化，产生气穴、空化等现象引起流量和压力脉动，从而产生机械零件的振动。如果增压注水泵的关键零件强度不足以及发生共振，那么将会致其失效，影响工作。因此为了保证该装置的稳定工作，本文用ANSYS Workbench软件对传动端关键零件进行静力学强度分析，并对其进行模态分析，证明其满足工作要求。

1增压柱塞注水泵传动端结构示意图及工作原理

增压柱塞泵传动端主要由曲轴、轴承、0型架组成。由电机带动曲轴旋转，从而使与曲轴连接的轴承做圆周运动，轴承与0型架接触传动，使0型架左右往复移动，0型架外端与中间杆连接，带动柱塞杆做往复运动，从一端吸人液体，从另一端排出，从而实现增压功能。

2注水泵传动端O型架有限元分析

2.1 O型架静强度分析

2.1.1 0型架的受力计算及模型建立

由工作原理可知，增压主要是由曲轴带动轴承转动，从而带动0型架做往复运动来实现，因此0型架的强度校核十分有必要。根据所设计的传动端的尺寸大小，运用SolidWorks进行建模，将建好的模型导人到ANSYS Workbench软件中，使用ANSYS单元库中的结构分析单元，控制网格尺寸在10mm，采用自动网格划分，共得到17449个节点，10346个单元。如图2所示。

检查0型架的网格质量划分，如图3所示。越靠近右端，说明网格质量划分越好，从图中可知，网格大部分质量良好，满足分析要求。

按照最大柱塞直径为120 mm、吸入压力为14.5 MPa、排出压力为22.5 MPa。对0型架施加的载荷及受力进行计算，在计算0型架形变时，只需考虑作用在0型架两端的柱塞力。因此柱塞力的计算如下：

如果系统不受外部激振力的作用，则F（t）=0，此时系统处于自由振动状态，在计算求解结构固有频率和主振型时，阻尼系统对此影响很小，因此可以不考虑阻尼的因素，此时的动力学方程为：

2.2.2模态分析求解

有限元软件ANSYS提供了多种分析模型，本文采用了无预应力状态下的模态分析。在ANSYS Work-bench软件中对所创建的0型架有限元模型进行模态分析，得到了其前6阶振型，如图6～11所示。

0型架前6阶固有频率如表1所示。

由图6～11以及表1可以看出，0型架前6阶振型主要分布在1305.4 Hz以及3223.1 Hz，其固有振型为0型架结构变形，从0型架前6阶振型图可以看出各阶频率下的振动形态。

当激励频率和结构的固有频率满足如下关系时，结构不会产生共振：

通过模态分析计算所得0型架的前6阶固有频率介于1305.4～3223.1Hz，由电机转速为3200r/min可知，其激励频率为53.3Hz，远小于固有频率，因此该零件不会产生共振。

3 O型架的优化设计方案

优化设计作为机械设计中一种重要的科学设计方法，使得在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻找到尽可能完美或最适宜的设计方案。轻量化是优化设计的一种，轻量化设计是保证产品质量的基础上提高材料利用率的一种设计方法。

根据之前分析可知，0型架设计的形变量非常小，并且0型架所受的接触应力遠远小于其许用应力。为了节约成本，并使其尽可能地满足设计要求，可以从以下两个方面进行优化设计：

（1）减小0型架的体积，使其在质量减小的情况下满足设计要求;

（2）采用质量更轻的材料来制作0型架。

4结束语

本文针对现如今增压注水泵工作环境恶劣的工况下，按照增压注水泵的要求，完成了对传动端的整体设计，该设备在完成增压工作的同时，也可以满足使用安全要求。利用了Solid Works建立起三维仿真模型，并使用ANYS Workbench对传动端中的关键零件0型架进行了静强度校核分析以及模态分析，得到了其前6阶固有频率和振型。通过分析可知，该零件的固有频率远远大于电机的激励频率，因此能有效避震。最后为0型架的优化设计提供了思路，为后续的优化设计分析提供了依据。