壓裂泵動力端連桿輕量化設(shè)計.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對石油天然氣的需求量不斷增加，頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)油氣資源勘探開采已成為國家能源開發(fā)的戰(zhàn)略之一。壓裂泵是非常規(guī)油氣資源氣開發(fā)中壓裂作業(yè)技術(shù)的核心設(shè)備，連桿是壓裂泵動力端主要的傳動部件之一，在工作中受到拉伸、壓縮和彎曲等交變載荷作用，容易在高應(yīng)力區(qū)域發(fā)生疲勞破壞，這就要求連桿在工作時不僅具有足夠的強(qiáng)度和抗疲勞性能，還要求連桿的形狀合理，質(zhì)量盡可能輕，以減小連桿在運(yùn)動中產(chǎn)生的慣性力。隨著壓裂泵朝大排量、大功率、高泵

2、壓的方向發(fā)展，連桿的工作環(huán)境越來越惡劣。因此，進(jìn)行連桿輕量化設(shè)計，對提高連桿工作的可靠性和使用壽命，確保壓裂泵能多段連續(xù)作業(yè)有重要的意義。
　　本課題以某型號壓裂泵動力端連桿為研究對象，用接觸有限元法對連桿靜態(tài)特性進(jìn)行分析，找出了結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上，對連桿進(jìn)行了輕量化設(shè)計。主要完成了以下工作:
　　1.連桿運(yùn)動和受力分析。采用解析法對連桿的運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動過程中的受力情況進(jìn)行了分析，找到連桿所受作用力隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的關(guān)

3、系式，并繪制了連桿在一個工作周期內(nèi)的載荷譜，得到了拉壓工況下連桿所受的最大載荷，為連桿有限元分析施加載荷邊界條件提供依據(jù)。
　　2.連桿靜態(tài)特性分析。首先利用接觸有限元法（考慮十字頭銷、曲軸對連桿的影響）對連桿螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，然后對連桿體與軸承座結(jié)合面不合理的螺栓布局進(jìn)行了設(shè)計，使每個螺栓的受載均勻，在此基礎(chǔ)上，對連桿在最大拉工況和最大壓工況進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到了連桿在兩種工況下的應(yīng)力分布和變形情況，并對連桿高應(yīng)力區(qū)域的疲

4、勞強(qiáng)度進(jìn)行了校核，通過對連桿靜力分析，找到了結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)以及需要改進(jìn)的部位，為后續(xù)連桿的設(shè)計和改進(jìn)提供了依據(jù)。
　　3.連桿輕量化設(shè)計。首先對連桿進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，找到了結(jié)構(gòu)需要改進(jìn)的部位，在此基礎(chǔ)上，以連桿質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，對軸承蓋壁厚、連桿應(yīng)力集中點及桿身等相關(guān)尺寸進(jìn)行了靈敏度分析，找出了對連桿質(zhì)量影響較大的尺寸，通過施加應(yīng)力約束和邊界約束條件，對連桿進(jìn)行了尺寸優(yōu)化設(shè)計。最后對優(yōu)化后的連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜動態(tài)性能分析，驗證了運(yùn)用