【摘要】：泥漿泵是石油鉆井機組的重要核心,有著輸送介質(zhì)廣、排壓高、效率高等特點。在石油鉆探作業(yè)中,隨著鉆井深度的不斷加深,泥漿泵也不斷朝著大缸徑、大功率、長沖程和高泵壓等方向去研究發(fā)展。泥漿泵作為石油生產(chǎn)的重要裝備,其性能的好壞對石油產(chǎn)量有著重要作用,所以提高國產(chǎn)五缸泥漿泵的研發(fā)設計水平,增加設備的性能和質(zhì)量有著重要意義。而曲軸又是泥漿泵動力端曲軸系中最關鍵部位,它的結構和疲勞強度直接影響到泥漿泵的可靠性與使用壽命以及生產(chǎn)的安全性。泥漿泵工作時曲軸受到循環(huán)且強烈的交變載荷,容易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象從而發(fā)生疲勞破壞,造成生產(chǎn)安全事故和大量經(jīng)濟損失。所以采用AMESim與LMS virtual.Lab Motion聯(lián)合仿真對泥漿泵進行仿真分析,得到曲軸所受應力分布,然后對其進行改進降低其所受的最大應力,提高曲軸的使用壽命及安全性。本文以一種大功率大排量的五缸單作用泥漿泵作為研究對象,通過機械系統(tǒng)的運動及動力學原理、計算機編程技術和聯(lián)合仿真技術對泥漿泵進行深入的研究和分析。具體研究內(nèi)容和研究成果包括以下的幾個方面。(1)首先,確定五缸泥漿泵的總體方案,在Creo軟件中運用自頂向下設計方法建立其頂層骨架模型,最后建立起五缸泥漿泵的整體模型。在Mathcad中進行五缸泥漿泵參數(shù)的設計,然后再利用Mathcad與Creo軟件兩者之間的無縫連接實現(xiàn)泥漿泵參數(shù)的設計與傳遞。(2)進行了五缸泥漿泵的基礎理論分析,分析了泥漿泵工作時所受的內(nèi)外力以及動力端的運動學和動力學分析,為聯(lián)合仿真奠定理論基礎。(3)在AMESim中建立泥漿泵曲軸系、液缸、閥門等零部件的仿真模型,并組合搭建成泥漿泵系統(tǒng)的1D模型。仿真分析得出缸內(nèi)活塞所受液體壓力和泥漿泵工作時的流量和壓力的波動特性,并與理論計算進行對比,驗證在AMESim中構建的泥漿泵模型的準確性。(4)基于LMS Virtual.Lab Motion和AMESim聯(lián)合仿真的方法,對曲軸柔性化后的泥漿泵進行剛柔耦合運動學和動力學仿真,得到各構件的運動學特性和活塞運動特性、曲軸曲柄梢、主軸頸等主要動態(tài)作用力的變化規(guī)律以及曲軸所受應力的分布情況。(5)根據(jù)曲軸所受應力的分布情況,使其過渡圓角改進為階梯形圓角來降低曲柄銷圓角應力。然后基于響應面法RSW(Response Surface Methodology)建立以曲柄梢圓角所受應力最小為優(yōu)化目標,R1、R2、H為設計因子的優(yōu)化模型。分析改進后的模型,通過對比得出改進后的階梯形圓角比普通圓角所受應力降低了 20.64%。
[Abstract]:Mud pump is an important core of oil drilling unit. It has the characteristics of wide medium, high pressure and high efficiency. In oil drilling, with the deepening of drilling depth, mud pump is developing towards the direction of large cylinder diameter, high power, long stroke and high pump pressure. Mud pump is an important equipment in petroleum production, its performance plays an important role in oil production, so it is of great significance to improve the R & D and design level of domestic five-cylinder mud pump and to increase the performance and quality of equipment. The crankshaft is the most important part of the crankshaft system at the power end of the mud pump. Its structure and fatigue strength directly affect the reliability and service life of the mud pump and the safety of production. The crankshaft is subjected to cyclic and strong alternating load when the mud pump is working, so it is easy to produce the phenomenon of stress concentration, which will lead to fatigue damage, which will result in safety accidents and a large amount of economic losses. Therefore, the mud pump is simulated by AMESim and LMS virtual.Lab Motion, and the stress distribution of the crankshaft is obtained. Then, the maximum stress of the crankshaft is improved to increase the service life and safety of the crankshaft. In this paper, a five-cylinder single-acting mud pump with high power and large displacement is taken as the research object. Through the principle of motion and dynamics of mechanical system, computer programming technology and combined simulation technology, the mud pump is deeply studied and analyzed. The specific research contents and research results include the following aspects. (1) first of all, the overall scheme of five-cylinder mud pump is determined, and the top-down design method is used to establish the top-level skeleton model in Creo software. Finally, the integral model of five-cylinder mud pump is established. The parameters of the five-cylinder mud pump are designed in Mathcad, and then the parameters of the five-cylinder mud pump are designed and transmitted by using the seamless connection between Mathcad and Creo software. (2) the basic theory analysis of the five-cylinder mud pump is carried out. The internal and external forces of mud pump and the kinematics and dynamics of dynamic end are analyzed. (3) the simulation model of crankshaft system, cylinder and valve of mud pump is established in AMESim. The 1D model of mud pump system is built. The flow and pressure fluctuation characteristics of the piston in the cylinder and the flow rate and pressure of the slurry pump are obtained by simulation analysis, and compared with the theoretical calculation. The accuracy of the mud pump model constructed in AMESim is verified. (4) based on the combined simulation of LMS Virtual.Lab Motion and AMESim, the rigid-flexible coupling kinematics and dynamics simulation of the flexible crankshaft mud pump is carried out. The kinematics characteristics and piston motion characteristics of each component, the variation law of main dynamic forces such as crankshaft tip and spindle neck, and the distribution of crankshaft stress are obtained. (5) according to the distribution of crankshaft stress, To reduce the stress of crank pin, the transition angle is improved to step round corner. Then, based on the response surface method (RSW (Response Surface Methodology), an optimization model with the minimum stress at the crank tip as the optimization target, R1 and R2H as the design factor, is established. By analyzing the improved model, it is concluded that the stress of the improved step corner is reduced by 20.64% than that of the ordinary circular angle.
【學位授予單位】：西南石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TE926

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本文編號：2183432