基于ABAQUS的柱塞泵盘根压环结构优化研究.pdf

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1、第4期-17-基于ABAQUS的柱塞泵盘根压环结构优化研究孔丽娟（中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北荆州434024）[摘要]针对大功率压裂柱塞泵工业性试验中液力端密封总成盘根压环多次出现断裂现象，运用ABAQUS有限元分析软件，对柱塞泵液力端密封系统进行应力分析，找出柱塞泵运行过程中液力端密封总成盘根压环断裂的主要原因，分析不同结构的受力情况，提出了合理参数，压环强度得以提高。[关键词]柱塞泵；盘根压环；断裂；有限元分析[1]压裂柱塞泵性能的好坏决定着压裂施工的成表面通过过盈接触实现密封，压环主要起导向作败，其液力端密封系统在工作中起着重要作用。用。柱塞与压环内缘的间

2、隙约为0.1mm，腔体与密封系统整体置于盘根盒，右侧外缘被盘根盒固压环外缘的间隙约为0.05mm。柱塞往复运动过程定，左侧被密封压盖固定，盘根内侧与柱塞表面中，整个系统受到六部分外力：密封压盖对压环通过过盈接触实现密封，盘根外侧与盘根盒内腔的力、盘根盒内腔对密封系统的力、盘根盒对座表面过盈接触，盘根压环作为泵液力端密封系统圈的力、液体对密封系统的力、柱塞往复运动时的关键零件之一，主要起柱塞导向作用。对盘根的摩擦力以及柱塞对密封系统的挤压，如工业试验发现盘根压环V形槽根部经常出现断图1所示，其中前三个为约束力，后三个可以视为裂失效现象，对盘根进行更换时必须检查压环并载荷。对断裂压

3、环进行更换，增加了成本且影响工程进在工业性试验阶段，柱塞泵要在不同的频6度。本文对盘根压环所受的应力进行ABAQUS有率下完成总计10次冲刺，腔内液压最高达到[2-3]限元分析，并提出了合理的压环结构参数。140MPa，当泵头体出现漏油时（约4h），视为盘根已经失效必须进行更换，更换盘根时，发现压1问题分析环凹槽位置出现了轴向裂纹，如图2所示，先后试密封系统如图1所示，左起依次是：压环、2验的10个泵（30个压环）有11个压环出现了不同个夹布盘根、盘根和盘根座圈。盘根内侧与柱塞程度的裂纹。（a）（b）图2压环断口形貌1-密封压盖对压环的力；2-盘根盒对座圈的力；3-盘根盒内腔对

4、密封系统的力；4-柱塞对密封系统的挤压；5-液体对密封系统的力；6-柱塞往复运动时对盘根作者简介：孔丽娟（1982—），女，湖北人，2005年毕业于湖的摩擦力北工业大学机械设计制造及自动化专业，本科学历，工程师。现在中石化石油机械股份有限公司第四机械厂从事工艺设计工作。图1液力端密封系统结构及受力分析石油和化工设备-18-论文广场2016年第19卷2基于ABAQUS的有限元应力分析学性能参数。鉴于压环易在倒圆的根部出现裂纹，笔者以(3)钢。盘根座圈为20号钢，参照碳钢的弹性4in柱塞泵为例，应用ABAQUS有限元分析软件，模量范围取20号钢的弹性模量E=206GPa，泊松比采用

5、近似实际结构模型对压环“45o倾角（斜面与μ=0.3。轴向夹角）和R3.05倒圆”根部的应力集中情况进2.2应力计算行分析，如图3所示。由于该系统部分零件的几何模型中载荷的施加方式如下：设定两个刚形状和摩擦作用下的载荷传递过程复杂，因此，体结构，让其沿径向缓慢地将盘根压到相应的间对结构进行简化：①将与铜环接触的密封圈的半隙位置（此状态视为“压缩完”，取外径间隙为圆孔（截面）改为R倒圆；②设定所有部位的接触0mm、内径间隙为1mm），而后在钢制压环内特性一致，均为通用接触。其摩擦特性为法向硬缘和丁腈橡胶左下内缘逐步施加压强（10MPa递接触、切向摩擦，摩擦系数取钢与丁腈橡胶的摩增

6、），如图4所示。由于最大载荷出现在柱塞做功[4]擦系数0.75。模型中的网格精度为0.2mm。时，此时的柱塞产生的滑动摩擦力减缓压环根部应力集中，因此，不考虑柱塞做功过程中的滑动摩擦。图3压环结构简图[5]2.1建模参数(1)橡胶。压裂柱塞泵液力端密封系统中常规采用的橡胶有两种：丁腈橡胶和夹布丁腈橡胶，硬度分别为邵氏HD95和HD100，弹性模量E=0.00784GPa，泊松比μ=0.47。(2)铸铝青铜。密封压环所用材料为铸铝青铜ZQAl9-4Ni2.5（σb≥525MPa，σs≥210MPa，图4模型加载示意图δ≥12%，布式硬度HB170）。铸铝青铜弹性模量E=103GP

7、a，泊松比μ=0.3。压环的实际工作温度加载过程中，不同载荷状态下压环根部的应为50~70℃（柱塞和液腔），本文取材料的室温力力分布如图5所示。(a)压缩完(b)载荷60MPa(c)载荷120MPa图5不同状态下的压环根部Mises应力图由图5可见，压缩完时，压环根部最大511.6MPa，应力集中系数约为4，最大Mises应力Mises应力(24.6MPa)出现在铜环倒圆内侧处，已远远超出材料的屈服强度，甚至接近材料的强载荷120MPa时，压环根部最大Mises应力高达度极限。不同载荷下的压