摘要：本文應用SAP5/LISA結(jié)構分析程序，對F1300型三缸泵機架的強度、剛度和固有振動特性進行了有限元分析，獲得了機架在額定載荷作用下各部位的應力和變形的分布規(guī)律，及自由振動時的最小幾階模態(tài)頻率和模態(tài)振型。計算結(jié)果表明，整個機架結(jié)構應力、變形不均勻，強度、剛度富余。振型分析表明，機架結(jié)構只是泵頭和泵尾開口部位動剛度偏弱，而泵中部和內(nèi)部則剛度過剩，泵體的質(zhì)量和剛度分布不合理。為F1300型鉆井泵的改造、進行動態(tài)特性分析和動態(tài)設計提供了必要的依據(jù)。
　　關鍵詞：鉆井泵； 機架； 強度分析； 剛度分析； 模態(tài)分析； 動特性分析； 有限元法
1　前　言
　　F1300型三缸單作用鉆井泵，是寶雞石油機械廠為了滿足油田高泵壓和大排量鉆井工藝的需求，類比美國EMSCO泵自行設計制造的。它缺少必要的理論計算依據(jù)，不能完全適應高壓噴射鉆井工藝的發(fā)展對泵的抗振性提出的高要求。為了全面了解F1300型三缸泵機架的應力水平和剛度分布情況，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)和過剩部位，為減輕重量、降低成本、均衡整機應力與剛度提供必要的改進設計依據(jù)，我們進行了靜力有限元計算。
　　在靜力分析的基礎上，我們還對機架的固有振動特性進行了分析，目的在于全面了解泵的動剛度的分布，發(fā)現(xiàn)動剛度的薄弱環(huán)節(jié)和過剩部位，對泵體的改造進行動態(tài)特性分析與動態(tài)設計，使泵體的質(zhì)量和剛度有一個合理的分布，進一步改善泵的動態(tài)特性，提高其抗振性能，全面提高泵的質(zhì)量，延長泵的使用壽命。
2　機架力學計算模型
　　F1300型三缸泵采用鋼板組焊結(jié)構。整個機架結(jié)構由左右兩塊主墻板、前墻板、前底板、前聯(lián)接板、頂板一、頂板二、頂板三、上、下支承板、橫墻板(Ⅰ)、橫墻板(Ⅱ)、上橫板、底板―～四和兩根座架梁組成。機架內(nèi)部由于結(jié)構上的需要，沿x和z方向有支承筋、加強筋和型鋼等零部件。在兩塊主墻板的主、被動軸承孔處分別焊接有鑄鋼軸承座。機架結(jié)構計算模型簡圖見圖1。
　　2.1　機架結(jié)構的離散
　　鉆井泵機架是由鋼板組焊而成的，可以按板殼單元計算；主、被動軸承座簡化為厚圓環(huán)結(jié)構，按三維8～21節(jié)點塊元計算；支承筋、型鋼和兩根座架梁按空間梁單元計算，并從屬于相應的主節(jié)點；圓環(huán)結(jié)構和板殼結(jié)構的弱連接采用罰單元處理；傾斜板單元節(jié)點的第6個自由度用邊界彈簧單元處理。整個機架結(jié)構分成12批1331個板殼單元，2批141個空間梁單元，56個三維塊元，46個罰單元和182個邊界彈簧單元，總計1797個節(jié)點。離散后機架結(jié)構單元網(wǎng)格圖和結(jié)構坐標系見圖2。
　　2.2　載荷工況和機架受力的簡化
2.2.1　前墻板受力
　　由缸套直徑和額定壓力兩個性能參數(shù)，可以獲得活塞水平方向所受最大力。該力作用在前墻板孔中心，假定1、2兩缸同時受力，按靜力等效原則簡化到前墻板總體節(jié)點上去，成為節(jié)點載荷。
2.2.2　下支承筋受力
　　垂直方向受力，可由十字頭受力分析求得。并假定這個集中壓力平均作用在下支承板的四根支承筋上。
2.2.3　主墻板受力
　　三缸單作用鉆井泵機架承受著三個活塞交替變化的作用力，通過液力端閥箱上的聯(lián)接螺栓將活塞的推力傳遞給前墻板，由主、被動軸對主墻板軸承座的作用力與之平衡。三缸的作用力按120°循環(huán)交替工作，一個缸滿負荷工作時，另外兩個缸以一定的重疊系數(shù)工作著。本文按兩缸同時滿負荷工作計算，并假定被動軸處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。
　　2.3　邊界條件
　　鉆井泵在油田鉆井現(xiàn)場，底座的固定方式不一。鉆井泵機架是通過8個聯(lián)接螺栓，與底座的座架梁牢固聯(lián)接在一起的。本文對機架的約束條件采用了在底座梁下翼緣分別沿X向設置一個桿支座，Y向設置6個桿支座，Z向設置2個桿支座，以約束X、Y、Z方向的線位移。這種邊界約束條件與油田鉆采現(xiàn)場的約束條件基本相同。
3　機架強度分析
　　當1、2缸受力時，左右兩主墻板受力不相同，應力、變形更不均勻，因而更危險。根據(jù)計算結(jié)果分析如下：
　　左墻板最大拉應力發(fā)生于單元209和159，其值分別為31.50MPa和25.33MPa，這是主、被動軸孔中心連線位置區(qū)(圖3-a)。單元209為二向拉應力狀態(tài)，應力值最大，此區(qū)為左墻板受力最大區(qū)，也是實際易損壞區(qū)。與主軸承座相連處、與前墻板相連處及動力端尾部受力也較大，整板應力集中不明顯，應力水平偏低。
　　前墻板是直接承受液力端活塞推力的一塊三孔平板，整板相當應力均在25.65MPa以下，對鋼板來說，強度足夠。前聯(lián)接板最大拉應力發(fā)生于單元35，數(shù)值為σ1=55.61MPa，σ2=9.53MPa；上部邊緣為最大拉應力區(qū)(圖3-b)，相當應力數(shù)值在42.67～51.51MPa之間；一般單元相當應力多數(shù)在30MPa左右，應力分布較合理，為主要承力板之一。
　　頂板一最大拉應力發(fā)生于單元58，數(shù)值為σ1=52.38MPa，σ2=2.07MPa，這是整個機架最大應力值，次大拉應力發(fā)生于單元62，數(shù)值為σ1=30.84MPa，σ2=2.68MPa；一般在20MPa以下。此兩單元都在過渡圓角處(圖3-c)，明顯大于平均應力水平，即在開口、過渡圓角處存在明顯的應力集中。
　　橫墻板二最大拉應力值為σ1=20.87MPa，σ2=