不同微造型的钻井泥浆泵缸套的有限元分析

第２６卷　第４期　２０１４年８月　黑龙江八一农垦大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｂａｙｉ　Ａｇｒｉｃｕｈｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　２６（４）：１４　１８　Ａｕｇ．２０１４　ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００２－２０９０．２０１４．０４．００４　不同微造型的钻井泥浆泵缸套的有限元分析　张锟　。郭占斌　，李夺　，吴立宏　（１．黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆１６３３１９；２．大庆物探公司开发中心委内瑞拉项目部）　摘要：以不同微造型内表面的泥浆泵缸套为研究对象，对普通缸套和内表面微造型后的缸套进行三维建模，然后利用ＣＡＥ　平台Ａｌｔａｉｒ　Ｈｙｐｅｒ　Ｗｏｒｋｓ和ＡＢＡＱＵＳ等软件对模型进行有限元分析与计算，模拟在工作状态下的热负荷，得出其应力分布情　况，滑动摩擦过程中的热结构特征，从而比较在相同工作载荷下三种缸套的耐磨性。分析结果表明：在相同　：作状况下，选取的　两种微造型内表面缸套耐磨性能要优于未经微造型的普通缸套。　关键词：泥浆泵缸套；微造型；有限元；耐磨性　中图分类号：ＴＥ９６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—２０９０（２０１４）４—００１０４—０５　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｄｉｆｅｒｅｎｔ　Ｍｉｃｒｏ－ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｍｕｄ　Ｐｕｍｐ　Ｌｉｎｅｒ　Ｚｈａｎｇ　Ｋｕｎ　，Ｇｕｏ　ＺｈａｎｂｉｎＩ，Ｌｉ　ＤｕｏＩ，Ｗｕ　Ｌｉｈｏｎｇ￣　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｂａｙｉ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｑｉｎｇ　１６３３１９；　２．Ｖｅｎｅｚｙｅｌａ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｔｅａｍ．Ｍａｒｋｅｔ　Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　Ｃｏｍｐａｎｙ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｉｖｅｒｓｅ　ｉｎｎｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｍｕｄ　ｐｕｍｐ　ｌｉｎｅｒｓ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔａｒｇｅｔ，ｔｈｅ　ｉｆｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｓ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ａｌｔａｉｒ　ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ　ａｎｄ　ＡＢＡＱＵＳ　ｏｆ　ＣＡＥ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ａｂｒａｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｌｉｎｅｒｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｌｏａｄ，ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ａｌｓｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｌｏａｄ，ａｎｄ　ｒｅａｃｈｅｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｒｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｍｉｃｒｏ—ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｍｕｄ　ｐｕｍｐ　ｌｉｎｅｒｓ　ａｂｒａｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｗａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｏｎｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｕｄ　ｐｕｍｐ　ｌｉｎｅｒ；ｍｉｃｒｏ—ｔｅｘｔｕｒｅ　ｓｃｕｌｐｔ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ；ａｂｒａｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　钻井泥浆泵是地质钻探的三大部件之一，是构　成钻井液循环系统的关键设备，通过高压输送钻井　动机缸套内表面加工出了高质量表面微观几何形　貌，在往复式活塞环一缸套摩擦磨损模拟试验机上进　行了激光造型与未造型光滑缸套试件的摩擦磨损性　能对比试验研究，证明了一定的表面粗糙度反而有　利于润滑油膜的形成从而减小摩擦磨损。达到了改　泥浆而起到冲洗井底、携带岩屑、冷却钻头等作用。　活塞和缸套是实现泥浆循环的关键部件，由于工况　复杂、条件恶劣，活塞缸套摩擦副的使用寿命偏低Ｉｌｌ。　因此，了解和研究缸套的应力分布和温度场情况，不　但能提高缸套的使用寿命，而且有利于泥浆泵缸套　的优化设计、制造及维修使用。对提高钻井作业的工　作效率，节省经济支出有着十分重要的意义。通过表　面微观结构的设计，如缸套工作表面加工的几何形　态结构ｌ２’４Ｉ，可以形成良好的油膜，从而可提高活塞一　善其润滑状况，提高其润滑耐磨性能的目的。２００９年　吉林大学和中原油田等单位的高科等［６１，在分析仿生　非光滑表面减阻、防黏和酎磨特性的基础上，将该理　论引入到钻头设计中，研制高效率、耐磨和减阻的仿　生金刚石钻头。２０１　１年河北师范大学的王再宙等［７１分　别对非光滑凹坑表面和光滑表面滑动磨损过程进行　模拟分析，结果表明非光滑表面具有较好耐磨性。　缸套摩擦副的润滑效果和耐磨性。　国内对此亦有一些相关的研究。２００６年和２００７　研究的创新之处是利用了创新、开放的企业级　ＣＡＥ平台Ａｌｔａｉｒ　ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ和ＡＢＡＱＵＳ软件，用有　年，江苏大学的符永宏等【５Ｊ采用激光微造型技术在发　收稿日期：２０１３－１１－２０　基金项目：超级稻精密钵育栽植机及示范（２Ｏ０６ＤＡＤ２８Ｂｏ０—３）。　作者简介：张锟（１９８８一），男，黑龙江八一农垦大学工程学院２０１１级硕士研究生。　通讯作者：郭占斌，男，教授，硕士研究生导师，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｋｓｘｌｚａ１＠１６３－ｃ０ｍ。　第４期　张锟等：不同微造型的钻井泥浆泵缸套的有限元分析　ｌ５　限元的分析方法来研究不同微造型内表面的泥浆泵　内缸套的应力及热负荷情况，进而达到研究耐磨性　和使用寿命的目的。研究选用了三种泥浆泵缸套模　型，一种为常用的普通光滑内表面缸套模型，其余两　种分别为经过微造型处理后的凹槽内表面和圆形凹　坑内表面缸套模型。两种微造型的尺寸参数如下：凹　槽微造型的槽宽６００　Ｉｘｍ，深度３００　ｔｘｍ，造型间距为　５　ｍｍ；圆形凹坑微造型的直径６００　ｍ，深度　３００　ｔｘｍ，造型的行列间距均为５　ｍｍ。由于三种泥浆　泵内缸套只有内表面的微造型不同，其余如外形尺　寸、材料特性、受力情况等均完全一致，因此进行有　限元分析的条件设置与分析步骤也基本相同，可进　行统一论述。在分别完成三维模型和有限元模型的　建立后，分析相同工作条件下的三种缸套相同部位　的应力分布情况和温度场情况，并分别在内套模型　的相同位置选取目标节点采集详细数据，对结果进　行对比分析从而得出相关结论。　１有限元模型的建立　１．１三维模型的简化与建立　利用Ｐｒｏ—ｅ对所选用的三种泥浆泵缸套进行三　维建模。在建立泥浆泵缸套的三维模型时，考虑到生　成缸套的内表面微造型结构的计算量比较大，并且　在后期有限元分析时也需要面对庞大的计算任务。　由于缸套的结构比较对称，所以可以把完整的三维　模型简化为轴对称模型，既省去了不必要的计算量　又不影响计算的精度，提高计算和分析的效率。因　此，在建立模型时作了相应的简化，以坐标Ｙ轴作为　轴向对称，Ｘ轴的方向作为缸套径向，ｚ轴的方向作为　周向，取１／１０缸套圆周部分作为最终的三维模型。　１．２理论数学模型　由于活塞环在缸套内运动摩擦产生的温度场是　一个复杂的摩擦生热过程，涉及到接触非线性和热　边界非线性。为了使计算和分析过程收敛，研究选择　的温度场有限元分析的建模方法是将摩擦能作为表　面热流输入，即在热传导微分方程中把摩擦能作为　边界热流率和温度场控制方程的边界条件，从而在　一定程度上降低了模型的非线性阎。　在计算中对模型作如下假设：活塞在缸套内只　做直线运动，不考虑其横向摆动；机械载荷暂只考虑　缸套与活塞环之间的摩擦力，暂不考虑活塞环和缸　套间的润滑；在数值计算时，一般假设零件为常物　性，在某一时刻的导热为准稳态导热。则导热微分方　程为［９１：　ｐｃ　ＯＴ－Ａ（鲁＋等＋鲁）　０　（１）　式中：ｐ——材料密度；　ｃ——材料比热容；　卜温度；　ｔ——时间；　Ａ——材料的导热系数；　——单位时间内单位体积中内热源生成热；　Ｘ、ｙ、ｒ笛卡尔坐标分量。　活塞环与缸套的摩擦力可按如下公式进行计　算：　Ｆ＝ｔｘＰＡ　（２）　式中：　——摩擦系数，ｔｘ＝０．１；　工作时的压强，Ｐ＝２５　ＭＰａ；　Ａ——活塞环与缸套内表面的接触面积，ｍｍ　；　其中原模型接触面积Ａｌ＝１　４８２．３２５　ｍｍ：，圆形凹　坑内表面接触面积Ａ：＝ｌ　４６７．３６９　ｍｍ　，凹槽内表面接　触面积Ａ３＝１　３２２．４４４　ｍｍ２。　假设在单位时间内，摩擦界面间产生的热量完　全被摩擦副所吸收，热量以热流形式在摩擦副间分　布，则接触表面产生的摩擦热量为：　ｑ＝ｃｏ　Ｉ　Ｉ　（　（　，Ｙ，　）　（　，Ｙ，ｚ，ｔ）ｄＡｄｔ（３）　式中：Ｃ　机械功的热当量；　——摩擦系数；　ｐ——摩擦表面上的比压；　、　一零件的相对移动速度；　Ａ——接触面积；　ｔ——时间；　——为计算摩擦系数与磨损强度之间的温度　关系时采用的特征温度。　假定摩擦副间的摩擦系数不随磨损和摩擦热的　变化而变化，则由公式（３）可得输入到缸套的摩擦热　流密度为【　ｏｌ：　ｑ（ｘ，ｙ，　）＝册　・ＦＷＧＴ・　・Ｐ・Ｆ・　（ｆ）　（４）　式中：ＦＨＴＧ——能量转化因子，ＦＨＴＧ＝Ｉ；　ＦｗＧＴ——目标面和接触面间的热量分配权因　子，ＦＷＧＴ＝０．５；　Ｉ　Ｊ．——摩擦系数，　＝０．１；　工作时的压强，Ｐ＝２５　ＭＰａ；　Ｆ一活塞环与缸套的摩擦力，Ｎ；　ｖ一相对移动速度，ｖ（ｔ）＝０．６４５　ｍ・Ｓ～。　假设摩擦做的功全部转化为热量，故摩擦生热　黑龙江八一农垦大学学报　第２６卷　如图８可知：溶剂倍率为２０，提取温度为４０℃　业化生产具有参考价值。　时，提取时间从６０　ａｒｉｎ向９０　ｒａｉｎ增大，超声波功率　由１００　Ｗ向１５６　Ｗ同时增大时，叶黄素酯的得率也　是随提取时间和超声波功率的增加而增加的。当提　取时间在９０　ｍｉｎ，超声波功率在１５６　Ｗ时，两者的协　同作用显著，即叶黄素酯的得率最大。当提取时间　９０　ｍｉｎ到９６　ｍｉｎ时，超声波功率大于１５６　Ｗ时，万　寿菊中叶黄素酯的得率随提取时间和超声波功率的　参考文献：　［１］梅益．中国大百科全书（化学卷）［Ｍ］．北京：中国大百科全　书出版社，１９８９．　［２］苟劲．叶黄素及其应用研究［Ｊ１＿重庆师范学院学报，　２００２，１９（２）：５６—５９．　增加而减少，说明两者存在明显的拮抗作用。　２．３．２最佳工艺条件的验证　［３］　Ｂａｒｎｅｓ　Ｈ　Ｔ．Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｎｇ　ｂｅｖｅｒａｇｅｓ　ｆｏｒ　ｈｅａｌｔｈｙ　ｅｙｅｓ　ａｎｄ　ｓｋｉｎ　ｌＪ　Ｊ．Ｓｏｆｔ　Ｄｒｉｎｋｓ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００４，２５　（６）：２７—２８．　为了验证试验的可靠性，采用最优提取条件浸　提叶黄素酯。考虑可行Ｉ生试验操作，矫正的最佳提取　条件为溶剂倍率２０，提取温度４Ｏ　ｑｃ，提取时间　９０　ｒａｉｎ，超声波功率１５０　Ｗ。在此条件下进行了３次　［４］　Ｇｒａｎａｄｏ　Ｆ，Ｏｌｍｅｄｉｌｌａ　Ｂ，Ｂｌａｎｅｏ　Ｉ．Ｎｕｔｒｉｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　ｃｌｉｎｉｃａｌ　ｒｅｌｅｖａｎｃｅ　ｏｆ　ｌｕｔｅｉｎ　ｉｎ　ｈｕｍａｎ　ｈｅａｌｔｈ　ｌ　Ｌｌ　ｊ．Ｂｒｉｔｉｓｈ　Ｊｏｏｕｒ—ｎａｌ　ｏｆ　ｍｕｔｒｉｔｉｏｎ，２００３，９０（３）：４８７—５０２．　［５］李大婧，刘志凌，刘春泉．叶黄素酯和叶黄素抗氧化作用　比较［Ｊ］．中国食品学报，２００８，８（５）：２８—３２．　［６］宋吴，何泽超，张杰，等．万寿菊花中叶黄素的提取［Ｊ］．化　工设计，２００３，１３（４）：１０一ｌ２．　［７］赵文恩，孙晓平，时国庆，等．万寿菊叶黄素提取分离研究　［Ｊ］．食品科学，２００３，２４（１２）：６８—７０．　［８］盛爱武，陈翠云，谢应毅，等．万寿菊浸提方法及其性质的　初步研究［Ｊ］．仲恺农业技术学院学报，２００１，１４（４）：３８—　４１．　平行鉴定试验，叶黄素酯的得率平均值为１　８．５７％，与　理论预测值的误差很小。因此，利用响应面分析方法　得到的叶黄素酯萃取参数是真实和可靠的，具有实　用价值。　３结论　试验将超声波辅助有机溶剂提取技术应用于万　寿菊中叶黄素酯的制备中，不仅操作工艺简单，成本　［９］江茂田，谢培山，王忠东，等．天然有机化合物提取分离与　结构鉴定［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４．　［１０］赵旭博，董文宾，于琴，等．超声波技术在食品行业应用　新进展［Ｊ］．食品研究与开发，２００５，２６（１）：３－７．　［１１］黄燕，吴平．ＳＡＳ统计分析及应用［Ｍ］　Ｅ京：机械工业出　版社，２００６．　低，而且与酶解法、传统有机溶剂提取法相比，大大　提高了万寿菊中叶黄素酯的得率。同时采用响应面　回归分析，是在给定的整个区域内找到因素的最佳　组合与响应值之间的关系，能够在各影响因素合理　取值范围内找到最佳得率及其对应的最佳提取条　件【　Ｉ，通过验证试验得出结果与模型预测结果基本一　致，说明此模型可依靠，对高纯度叶黄素的提取和工　［１２］于开源，鞠晓峰，郑丽娜．响应法优化提取酸浆籽中蛋白　质的研究［ＪＪ．黑龙江八一农垦大学学报，２０１３，２５（２）：　６２－６６　（上接第１８页）　［８］孙睿珩，徐涛，左文杰，等．表面凹坑对活塞一缸套摩擦生　热过程的影响［Ｊ］．吉林大学学报：工学版，２００９，３９（５）：　１２３５．　［３］张云电．蜂窝状微坑设计和制造技术［Ｍ］．北京：科学出版　社．２００４．　［４］王国林，陈秉聪，任露泉．波纹型推土阻力的有限元分析　［Ｊ］．农业丁程学报，１９９４，２２（３）：３４—３９．　［９］荆碧舟，韩振南．缸套一活塞组耦合传热的有限元分析　［Ｊ］＿中国农机化学报，２０１３，３４（４）：１８４—１８６．　［５］符永宏，陆华才，华希俊，等．激光微珩磨缸套润滑耐磨性　能理论分析［Ｊ］．内燃机学报，２００６，２４（６）：５６３．　［６］高科，孙友宏，高润峰，等．仿生非光滑理论在钻井工程中　的应用与前景［Ｊ］．石油勘探与开发，２００９，３６（４）：５１９．　［１０］徐宇．凹坑型仿生非光滑表面的热结构分析及耐磨性的　机理研究［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００９．　［１　１］郭占斌，高松林．油润滑条件下几种金属材料摩擦磨损　规律研究［Ｊ］．黑龙江八一农垦大学学报，２０１３，２５（１）：　１９－２３．　［７］　王再宙，张春香，郑淑芝，等．仿生非光滑凹坑表面模型建　立及仿真研究［Ｊｊ．机床与液压，２０１１，３９（１）：９２．