七缸泵动力端的动力分析及其关键件优化

发布时间：2020-08-12 20:40

【摘要】：随着我国改革开放的进行,我国对石油等能源需求也越来越大。在开采油气的设备中,最为核心的便是能够实现对液体加压的压裂泵,国外已经研制出性能更好的七缸泵,而国内的油气开发已有逐步向地层深、低渗透等环境更加恶劣的地区推进。因此,我国的压裂泵研发十分急切的需要向更大功率和排量的七缸压裂泵发展,以提高开采的效率并降低其成本。本文通过查阅国内外有关于压裂泵动力端的设计及性能研究相关文献,明确学者及工程师们主要的研究内容和研究方法,以及目前我国设计生产的压裂泵在实际的油气开发中遇到的问题,以运用到七缸泵动力端的动力分析及其关键优化论文的研究上。为了改善泵的吸排性能及受力情况,本文提出了七缸泵曲轴的曲柄初相角布置优选,并对曲柄滑块机构进行了设计,通过三维造型设计确定其几何参数及物性参数,进而为七缸泵动力端的动力分析建立动力平衡方程并求解提供数据支持,从而得到了随着曲轴旋转过程中各个零部件所受力大小的变化规律;其次由于缸数增加使得曲轴长度相应的增加,为满足曲轴的支承强度务必需要增加曲轴主支承数量,如此便需要成倍的提高加工精度与成本。为减少曲轴主支承数量以降低加工精度与成本,便提出了曲轴主支承数量的优化方法。主要研究内容及其研究方法如下:1)七缸泵曲轴的曲柄初相角布置优选:为了改善吸入和压出过程断流沉沙、流量波动等问题,以及汽蚀现象。基于断流时间、流量波动及曲轴受力三个方面提出了对七缸往复泵曲柄布置的优选设计方案。通过吸入管汇流量分析,确定零瞬时流量持续时间短的曲柄初相角组合方案;通过分析曲轴所受弯矩优化曲柄布置方案。最终得到了流量脉动幅值小、惯性水头损失小且曲轴受力良好的四种布置方案,从而:(1)有效的改善了断流沉沙和汽蚀问题;(2)降低了七缸往复泵的流量脉动幅值,从而减小了惯性水头损失;(3)改善了曲轴的受力,从而可提高七缸往复泵工作的使用寿命和可靠性;2)曲柄滑块机构的结构设计:根据API标准和往复泵设计手册,参考五缸泵的设计规范,根据曲轴结构设计的一般原则,选定相关参数并确定了最大连杆负载;根据往复泵设计的经验公式,初步确定了曲轴、连杆及十字头的的主要尺寸并完成了其强度校核。3)七缸泵动力端的动力分析:根据曲柄滑块机构的设计所得的结构尺寸和材料参数,通过UG三维造型软件进行三维设计以确定其几何参数,从而确定其质量;首先对七缸泵动力端的连杆和十字头机构进行了运动分析,以得到连杆、十字头随着曲轴转动的相关运动特性;其次对十字头和连杆进行受力分析,建立动力平衡方程组并求解以得到连杆、十字头所承受的各个作用力;最后分析得出曲轴的受力情况。4)曲轴主支承数量及连杆体结构优化:应用有限元软件ANSYS workbench对曲轴主支承数量进行仿真优化,通过对主支承数量及其布置方式的探讨,确定主支承方案;然后对不同方案曲轴的应力及变形分析,通过理论分析曲轴的应力及弯矩与曲轴的结构仿真相结合的方法对主支承数量方案进行了优化;为了获得符合强度刚度要求、重量轻且结构合理的连杆外形及其截面尺寸,借助ANSYS workbench对连杆体进行了结构优化。本文所得主要结论:(1)得到了吸入性能较好且曲轴所受弯矩最大值最小的四种曲柄初相角布置方案:(2)得到了连杆、十字头的速度、加速度随曲轴相位角的变化的运动规律、曲柄滑块机构及曲轴所受的作用力随着曲轴相位角增加的变化规律;(3)在满足曲轴强度和刚度设计要求的前提下,得到了对曲轴材料及加工精度的要求相对较低且支承数量最少的六支点支承方案;(4)从消除应力集中和减轻重量对连杆体进行结构优化,最终得出了应力峰值最小、重量较轻的连杆体外形结构。
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE934.2
【图文】：

1-动力端总成、2-液力端总成图 1-1 压裂泵主要结构示意图Figure 1-1 Schematic diagram of the main structure of the fracturing pump1.2 压裂泵国内外发展及研究现状 压裂泵国内外的发展现状

6图 1-2 SQP2800 型卧式五缸泵动力端Figure 1-2 SQP2800 horizontal five-cylinder pump power end

图 2-1 吸入管汇示意图Figure 2-1 Schematic diagram of the suction manifold如图所示#1， # 2， … ，# 7分别为对应液缸编号，根据往复泵曲柄的分布位置，将吸入管汇分为 8 个断面1-1,2-2， … ,8-8。七缸泵的七个曲柄及匹配液缸所对应的初相角为=1), 1,2, ,7iθi i° = 360（,各液缸对应的曲柄初相角不同，各液缸的吸排状态不

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