2800型压裂泵动力端结构优化设计

发布时间：2017-07-18 15:46

  本文关键词：2800型压裂泵动力端结构优化设计

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【摘要】：压裂泵是油田开采石油的重要压裂设备,其压裂技术在油气田的广泛使用,不仅可以增加油气井的开采量,大大加快油气田开发的步伐,而且还能够大幅度地提高石油的产量。随着各大浅井油田的相继开完完成,后续的油田的开采压力越来越大,对于压裂设备的要求越来越高,压裂泵技术结构越来越苛刻,与此同时,压裂泵也是越来越笨重。各大油田都希望得到高压力、大排量和大功率,性能更加优异,重量更加轻便,能在较恶劣工况下工作的压裂泵。目前,2800型压裂泵由于其高压力的特点已经逐渐进入各大油田市场。虽然我国已经具备研发大型压裂机组的能力,产品也已经可以销往国外,但是由于我国压裂技术起步较晚,核心零部件又依靠国外进口,基本零件要么是仿造,要么是依据经验来加工生产。往往尺寸的确定依据性不是很强,结构上少有创新,不仅材料存在浪费情况,增加成本,而且压裂泵大型笨重,在重量上也会增加很大负担,与目前高山、密林中的油井需要小巧、轻便的大功率的压裂泵的宗旨不符。因此,分析压裂泵的结构,了解其原理,并在此基础上对现有压裂泵的结构、尺寸作出优化,在不影响使用的情况下,以达到节省材料,降低成本,整机轻便的目的,以适应于作业环境不利于运输的环境。首先,先要了解压裂泵的结构以及它的工作原理,然后了解压裂泵的动力端的本质就是一个曲柄滑块机构,通过压裂泵动力端的工作情况做相关的运动以及受力公式推导。并结合2800压裂泵的相关参数和推导的受力公式计算出曲轴、连杆、柱塞的在输出压力最大(140MPa)时的受力,同时也要考虑曲轴最大扭矩时曲轴各部位的承受应力情况,找到各个零件的受到的最大力情况。其次,对于现有的2800型压裂泵动力端的曲轴、连杆、柱塞进行调研,绘制出2800型压裂泵的曲轴、连杆、柱塞的三维模型。结合前面公式推导出来的各个零件在运动过程中受到的最大力,并其根据实际情况加载到曲轴、连杆、柱塞上面进行有限元分析,通过有限元分析的结果很直观的看到曲轴、连杆、柱塞的应力分布情况,发现现有曲轴、连杆、柱塞的最大应力远远小于材料本身能承受的强度,尺寸较为富余,材料大为浪费,需要对其进行优化。最后,根据有限元的分析情况以及结合现有的实际情况对曲轴、连杆、柱塞连杆、以及柱塞进行优化：1)现有曲轴主轴颈与连杆颈直接相连的特点,比较增加凸台比较有凸台与无凸台,轴颈在受到相同力的情况的应力情况。对于曲轴轴颈在不同直径下,加载受到轴向与轴向合成的余弦函数力,找出直径与应力的关系,并绘制出优化后的力学模型进行有限元分析验证优化后的曲轴可以安全工作。2)虽然现有连杆结构有尺寸优化的空间,但是考虑到实际使用以及装配拆卸问题,对连杆的小头端部连接方式进行更改,并参考《柴油机设计手册》关于连杆设计的部分尺寸,重新设计了连杆,对连杆杆身肋板的凹槽以及与小头端部的连接圆角部分进行有限元分析,找出凹槽深度与应力以及杆身肋板与应力的关系,绘制优化后的连杆的力学模型,并进行有限元分析验证可以安全工作。3)因为连杆结构的更改,对于柱塞杆也进行了相应的结构设计以及进行有限元分析杆身直径处圆角与应力的关系,绘制优化后的柱塞连杆的力学模型,并进行有限元分析验证柱塞连杆可以安全工作。4)进行有限元分析柱塞靠近动力端部的空心部位直径与应力关系、深度与应力的关系以及与柱塞连杆连接凹槽部位的圆角与应力的关系,绘制出优化的连杆力学模型,并进行有限元分析验证柱塞可以安全工作。本文通过对2800型压裂泵动力端的原理以及运动、受力情况进行了分析,总结出了相关运动公式。并借助有限元软件对现有压裂泵动力端结构进行分析以及结合实际情况进行了优化,得出了一些曲轴、连杆、柱塞杆以及柱塞的一些尺寸与应力之间的关系,使人们对于压裂泵动力端结构有了一定了解,并对于相关结构、尺寸与应力的关系有了一定认识。可以为产品开发设计人员对于压裂泵动力端的结构以及尺寸优化方向提供一种参考。为压裂泵动力端的结构小巧、轻便起到了重要作用。
【关键词】：压裂泵 动力端 曲柄滑块机构 有限元
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE934.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 引言11
• 1.2 研究目的和意义11-12
• 1.3 压裂技术的应用12-13
• 1.4 国内外现状与发展趋势13-18
• 第2章 压裂泵动力端的工作情况分析18-32
• 2.1 压裂泵的结构与组成18
• 2.2 压裂泵动力端的工作情况分析18-25
• 2.3 压裂泵动力端的受力分析25-32
• 第3章 2800型压裂泵动力端结构有限元分析32-42
• 3.1 MATLAB与ANSYS介绍32-33
• 3.2 曲轴的有限元分析33-38
• 3.3 连杆的有限元分析38-40
• 3.4 柱塞的有限元分析40-41
• 3.5 小结41-42
• 第4章 2800压裂泵的结构优化设计42-71
• 4.1 曲轴的优化设计42-46
• 4.2 连杆的优化设计46-58
• 4.3 柱塞连杆的优化设计58-63
• 4.4 柱塞的优化设计63-70
• 4.5 小结70-71
• 第5章 工作总结以及工作展望71-73
• 5.1 工作总结71-72
• 5.2 工作展望72-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-77
• 个人简介77-78

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本文编号：558481