F-1300钻井泵液力端阀座的接触分析

石 油 机 械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 5期 ． ． 设计计算 F一1 3 0 0钻 井泵 液 力端 阀座 的接触 分 析 李洪波 曾兴 昌 周天 明 贾秉彦 赵 永康 廖 丽华 白丙建 ( 宝鸡石油机械 有限责任公 司) 摘要 为了延长 阀座的使用寿命 ，提高钻井效率，结合相关资料，利用有限元软件采用接触 单元对 F一 1 3 0 0钻井泵阀座、阀体、液缸之 间的接触应力和静应力进行接触分析。采用轴对称单 元建立的有限元模型进行平 面分析，且将所有的面一 面接触均简化为 线． 线接触。分析结果表 明， 阀座失效的主要原因是阀座与阀体之 间中下部 的接触应力过 大及 阀座 中下部的 M i s e s 应力过大； 阀座与液缸的接触应力及两者 的 M i s e s 应力都较大。要提高阀座的接触应力和抗胶合能力，应该 提高阀座与液缸和阀体接触部位的局部硬度，阀座与液缸和阀体的接触应力约7 0 M P a 为宜。 关键 词 F一1 3 0 0钻 井泵 阀座 液缸 接触 分析 有 限元 目 前 ，F一 1 3 0 0钻井泵是各个油 田使用最多的 钻井泵 ，大约 占钻井 泵总数的 7 0 ％。钻井泵 的工 作效率直接影响着钻井 的工作效率 。然而钻井泵的 液力端阀座常常在钻完 1 ～ 2口井后 就因失效 而更 换 ，而且更换阀座的时间大约为 2 h ，严重影 响钻 井工作效率。为了延长阀座的使用寿命 ，提高钻井 效率 ，笔者结合相关资料 ， 利用有限元软件采用接 触单元对 F一 1 3 0 0 钻井泵阀座进行接触分析 ，分析 阀座 、阀体 、液缸之间的接触应力和静应力的分布 状态 ，寻找阀座失效根源。 1 接触 问题 的有 限元理论分析 接触问题是一种 与状态相关 的高度非线性问 题 ，随着接触状态 的变化 ，接触刚度也发生变化。 笔者运用有限元离散法在接触面上布置接触单元 ， 整个问题的描述 采用笛卡尔坐标系 X O Y ，接 触摩 擦单元的描述采用局部坐标系 1 7 , 0 8( 见图 1 ) 。运用 虚位移原理可得¨ ： 式 中 △ n ——整体坐标系中增量节点位移矢量 ； △ F ——整体坐标系中增量等效节点力矢量； △ A ——局部坐标系中增量相对位移矢量 ； △∑ ——局部坐标系中增量接触应力矢量 。 引人插值函数 Ⅳ，将单元内任一点的相对位移 和接触应力用节点相......