基于ProE的钻井泵曲轴结构优化.pdf

2 O 1 2年 第 4期 第 4 1 卷 第 7 6页 石 油矿 oI L FI ELD 场 机械 E QUI P MENT 2 0 1 2 ， 4 1 4 7 6 ～ 7 9 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 2 0 4 0 0 7 6 0 4 基于 P r E的钻井泵 曲轴结构优 化 余青华 ， 刘宝秋 ， 刘英吉 河北 华北石油荣盛机械制造有限公司 ， 河北 任丘 0 6 2 5 5 2 摘要 为减少钻井泵曲轴的偏心力矩及振动危害， 采用 P r o ／ E建立三维模型模 ， 分析现有曲轴的结 构 ， 并提 出改进措 施 。对结构 改进后 的 曲轴进行静 力分析和 疲 劳强度校核 。结果表 明 曲轴 的偏 心 情 况得 以改善 ， 整机运 行平稳 ， 振 动及噪 声 降低 ， 寿命提 高。 关键 词 钻 井泵 ； 曲轴 ； 结 构 ； P r o ／ E 中图分类 号 TE 9 2 6 文献标识 码 B S t r u c t u r e Op t i m i z a t i o n o f Dr i l l Pu mp s Cr a n k S h a f t Ba s e d o n Pr o - Eng i n e e r i n g YU Qi n g h u a， LI U B a o q i u ， LI U Yi n g i i Ro n g s h e n g Ma c h i n e r y Ma n u} a c t u r e Lt d．o f Hu a b e i Oi l fi e l d， Re n q i u 0 6 2 5 5 2 ， Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o r e du c e t h e ha r m o f e c c e n t r i c i t y a nd v i b r a t i o n o f d r i l l pu mp， we a na l yz e t he s t r u c t u r e o f d r i l l p u mp S h o l l o w c r a n k s h a f t a n d d e a l wi t h t h e e c c e n t r i c i t y o f t h e s h a f t wi t h P r o ／ E， a nd b r i ng o ut t h e i mpr o v i ng me a s u r e s ． W i t h s t a t i c a n a l y z i ng a n d f a t i gu e c o l l a t i n g o n t h e s ha f t wh i c h we r e a d j u s t e d， we f o u n d t h a t t h e e c c e n t r i c i t y o f t h e s h a f t wa s i mp r o v e d； t h e ma c h i n e r u n s s t e a di l y， v i br a t i o n a nd no i s e de c l i n e s a nd t h e l i f e o f s h a f t we r e i nc r e a s e d gr e a t l y ． Ke y wo r d s d r i l l p u mp ； c r a n k s h a f t ； s t r u c t u r e ； P r o ／ E 高压 、 大排 量 三缸 单 作 用钻 井 泵 是石 油 钻 探设 备中的关键设备口 ] ， 而 曲轴则是钻井泵的核心零件 ， 该零件是否能够平稳运转直接关系到泵的工作性能 和可靠性 _ 2 ] 。河 北 华 北石 油 荣 盛机 械 制 造 有 限 公 司 目前 制造 的 曲轴 为 中空铸 钢 件 ， 内表 面 为非 加 工 表 面 。额定转 速 1 2 0 r ／ mi n ， 设 计 质量 3 0 4 0 k g 。 由 于偏 心扭矩 达 3 0 0 N m， 在 运 行 过 程 中会 使 整 机 产生较大的振动及噪声 ， 影响钻井泵的使用寿命 ， 并 造成噪声污染。本文利用 P r o ／ E建立三维模型 ， 对 结构进 行优 化 ， 降低 了曲轴 的偏 心扭 矩及 振动 ， 提高 了疲 劳寿命 。 1 现有 曲轴结构及不足 现有曲轴结构如图 1 。轴头直径 o 3 6 0 mm， 中 部 3个 拐直 径 o 6 6 7 mm。3个 偏 心 圆呈 1 2 0 。 均 布 ， 用于 安装 连杆轴 承及 连杆 。第 2拐与第 3拐 之间 为 o l 1 2 0 mm法兰盘 ， 用于连接齿轮 ， 接受传动轴的输 入扭距 。 E 二 - r 图 1 现有曲轴结构 收 稿 日期 2 0 1 1 - 1 0 2 0 作者简介 余青华 1 9 7 6 一 ， 男 ， 陕西户县人 ， 工程师 ， 主要从事铸造工艺设计工作 ， E ma i l y q h l 1 0 8 1 6 3 ． c o rn。 第 4 1 卷第 4期 余青华 ， 等 基于 P R O／ E的钻井泵 曲轴结构优化 在 以前 的二维 设 计 过程 中 ， 由于手 工 计 算 的 局 限性 ， 不能使其 回转轴与重心重合。因此 ， 曲轴存在 2 0 0 N m 偏 心扭 矩 ， 只有 通 过 l1 木模 实 际 检验 ， 根据 检验 结果调 整 模 型 ， 再 根 据 调整 好 的模 型 进 行 试生 产 。 由于 曲拐 之 间 由曲面 连 接 ， 曲轴 内部 腔 型 由不 规则 曲面构 成 ， 模 型 制 作 质 量 只能 依 靠 模 型 工 的技术 做 保障 。模 型制作 好 以后非 加工 面无 法进行 检验 ， 造成 模 型 制 作 周 期 和 试 制 周 期 延 长 ， 试 制 成 本高 。 2 曲轴结构优化设计 针对 现 有 曲轴 结 构 的缺 陷 ， 采 用 三维 设 计方 法 进行优 化 ， 通过 三维模 型 的建立 ， 计 算重 心与 旋转 中 心的偏差 ， 并且调整非加工面形状尺寸 ， 将旋转重心 与 曲轴 重 心尽 量重 合 ， 消 除设 计 缺 陷 。通 过 三 维模 型直接 进行 木模 制 作 ， 将 大 幅 度缩 短 试 制 周 期 和成 本 ， 提 高经 济效益 。 2 ． 1建 立三维模 型 根 据原 始设 计 图纸 ， 对 曲轴 进行 三维模 型 输入 。 三维设 计 软 件 采 用 P r o ／ E 软 件 ] 。建 立 的三 维 模 型如 图 2 。 图 2 曲轴 的三维模 型 2 ． 2 计 算 曲轴重 心位 置并 调整质 量 分布 使 用 P r o ／ E的分 析 特 征 An a l y s i s f e a t u r e s 中 的质量 属性分 析 建立 特 征 ， 利 用 测 量 功 能建 立 的质 点 心与 回转轴 之 间 的垂 直距 离 即曲轴 偏心距 为 1 0 ． 5 mm。观 察 曲轴 偏 心 位 置 ， 其 重 心 位 置 偏 向第 2曲 拐 与第 1曲拐连接 处 。 内腔 最小壁 厚 应≥ 1 2 0 mm， 所 以采 用修正 各个 曲拐 质量 的方法 来 调整 曲轴 的重 心 ， 使 曲轴 的重心 与旋转 轴 心重合 。 2 ． 3 确定曲轴各个旋转位置的受力情况 ] 三缸单作用钻井泵装配结构如 图 3 。定义机壳 为基础 ， 对连接轴 、 驱动和载荷分别进行定义 ， 结果 如 图 4 。按 照定 义 的运动关 系 及 载荷 情 况 进行 运 动 受力 分析 ， 结果 如 图 5 ～8 。 图 3 钻 井 泉 装 配 图 图 4 对 装配图进行连接轴 、 驱动 、 载荷定义后 的完成 图 图 5活 塞 介 杆 速 度 测 试 曲 线 2 5 j 3 壬 Ij 弋 2 8 8 4 3 2 5 7 6 7 2 0 曲轴角度， f 。 图 6 连杆对 曲轴 的作用力 7 2 l 4 4 2 1 6 2 8 8 3 6 0 4 3 2 5 0 4 4 5 6 6 4 8 7 2 0 曲轴角 度 图 7 曲轴大齿轮盘受力 0 5 0 5 5 O 5 0 2 一 ●2 O 0 O O O O 0 0 O 眦帅 舯 ∞ ∞∞ m 瑚 ㈣