[摘 要] 針對大功率壓裂柱塞泵工業(yè)性試驗中液力端密封總成盤根壓環(huán)多次出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件，對柱塞泵液力端密封系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析，找出柱塞泵運(yùn)行過程中液力端密封總成盤根壓環(huán)斷裂的主要原因，分析不同結(jié)構(gòu)的受力情況，提出了合理參數(shù)，壓環(huán)強(qiáng)度得以提高。

　　[關(guān)鍵詞] 柱塞泵;盤根壓環(huán);斷裂;有限元分析

　　壓裂柱塞泵[1]性能的好壞決定著壓裂施工的成敗，其液力端密封系統(tǒng)在工作中起著重要作用。密封系統(tǒng)整體置于盤根盒，右側(cè)外緣被盤根盒固定，左側(cè)被密封壓蓋固定，盤根內(nèi)側(cè)與柱塞表面通過過盈接觸實現(xiàn)密封，盤根外側(cè)與盤根盒內(nèi)腔表面過盈接觸，盤根壓環(huán)作為泵液力端密封系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一，主要起柱塞導(dǎo)向作用。

　　工業(yè)試驗發(fā)現(xiàn)盤根壓環(huán)V形槽根部經(jīng)常出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象，對盤根進(jìn)行更換時必須檢查壓環(huán)并對斷裂壓環(huán)進(jìn)行更換，增加了成本且影響工程進(jìn)度。本文對盤根壓環(huán)所受的應(yīng)力進(jìn)行ABAQUS有限元分析[2-3]，并提出了合理的壓環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

　　1 問題分析

　　密封系統(tǒng)如圖1所示，左起依次是：壓環(huán)、2個夾布盤根、盤根和盤根座圈。盤根內(nèi)側(cè)與柱塞表面通過過盈接觸實現(xiàn)密封，壓環(huán)主要起導(dǎo)向作用。柱塞與壓環(huán)內(nèi)緣的間隙約為0.1mm，腔體與壓環(huán)外緣的間隙約為0.05mm。柱塞往復(fù)運(yùn)動過程中，整個系統(tǒng)受到六部分外力：密封壓蓋對壓環(huán)的力、盤根盒內(nèi)腔對密封系統(tǒng)的力、盤根盒對座圈的力、液體對密封系統(tǒng)的力、柱塞往復(fù)運(yùn)動時對盤根的摩擦力以及柱塞對密封系統(tǒng)的擠壓，如圖1所示，其中前三個為約束力，后三個可以視為載荷。

　　在工業(yè)性試驗階段，柱塞泵要在不同的頻率下完成總計1 0 6次沖刺，腔內(nèi)液壓最高達(dá)到140MPa，當(dāng)泵頭體出現(xiàn)漏油時(約4 h，視為盤根已經(jīng)失效必須進(jìn)行更換，更換盤根時，發(fā)現(xiàn)壓環(huán)凹槽位置出現(xiàn)了軸向裂紋，如圖2所示，先后試驗的10個泵(30個壓環(huán))有11個壓環(huán)出現(xiàn)了不同程度的裂紋。

　　2 基于ABAQUS的有限元應(yīng)力分析

　　鑒于壓環(huán)易在倒圓的根部出現(xiàn)裂紋，筆者以4 in柱塞泵為例，應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件，采用近似實際結(jié)構(gòu)模型對壓環(huán)“45o傾角(斜面與軸向夾角)和R3.05倒圓”根部的應(yīng)力集中情況進(jìn)行分析，如圖3所示。由于該系統(tǒng)部分零件的幾何形狀和摩擦作用下的載荷傳遞過程復(fù)雜，因此，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化：①將與銅環(huán)接觸的密封圈的半圓孔(截面)改為R倒圓;②設(shè)定所有部位的接觸特性一致，均為通用接觸。其摩擦特性為法向硬接觸、切向摩擦，摩擦系數(shù)取鋼與丁腈橡膠的摩擦系數(shù)0.75[4]。模型中的網(wǎng)格精度為0.2mm。

　　2.1 建模參數(shù)[5]

　　(1)橡膠。壓裂柱塞泵液力端密封系統(tǒng)中常規(guī)采用的橡膠有兩種：丁腈橡膠和夾布丁腈橡膠，硬度分別為邵氏HD95和HD100，彈性模量E=0.00784GPa，泊松比μ=0.47。

　　(2)鑄鋁青銅。密封壓環(huán)所用材料為鑄鋁青銅ZQAl9-4Ni2.5(σb≥525MPa，σs≥210MPa，δ≥12%，布式硬度HB170)。鑄鋁青銅彈性模量E=103GPa，泊松比μ=0.3。壓環(huán)的實際工作溫度為50~70℃(柱塞和液腔)，本文取材料的室溫力學(xué)性能參數(shù)。

　　(3)鋼。盤根座圈為20號鋼，參照碳鋼的彈性模量范圍取20號鋼的彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3。

　　2.2 應(yīng)力計算

　　模型中載荷的施加方式如下：設(shè)定兩個剛體結(jié)構(gòu)，讓其沿徑向緩慢地將盤根壓到相應(yīng)的間隙位置(此狀態(tài)視為“壓縮完”，取外徑間隙為0mm、內(nèi)徑間隙為1mm)，而后在鋼制壓環(huán)內(nèi)緣和丁腈橡膠左下內(nèi)緣逐步施加壓強(qiáng)(10MPa遞增)，如圖4所示。由于最大載荷出現(xiàn)在柱塞做功時，此時的柱塞產(chǎn)生的滑動摩擦力減緩壓環(huán)根部應(yīng)力集中，因此，不考慮柱塞做功過程中的滑動摩擦。

　　加載過程中，不同載荷狀態(tài)下壓環(huán)根部的應(yīng)力分布如圖5所示。

　　由圖5 可見 ，壓縮完時，壓環(huán)根部最大Mises應(yīng)力(24.6MPa)出現(xiàn)在銅環(huán)倒圓內(nèi)側(cè)處，載荷120MPa時，壓環(huán)根部最大Mises應(yīng)力高達(dá)511.6MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為4，最大Mises應(yīng)力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料的屈服強(qiáng)度，甚至接近材料的強(qiáng)度極限。不同載荷下的壓環(huán)根部最大Mises應(yīng)力如表1所示。

　　3 壓環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　鑒于在彈性范圍內(nèi)模擬分析的壓環(huán)根部最大Mises應(yīng)力高達(dá)500MPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般材料的屈服極限，通過改變材料成分和工藝來提高材料屈服極限難度大、成本高，最簡單易行的方法是改變壓環(huán)根部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　選取兩種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案：“傾角60°-倒角R6”和“傾角75°-倒角R6”，優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的分析結(jié)果如表2所示。

　　從表2中可看出，改進(jìn)后的60°-R6壓環(huán)根部最大Mises應(yīng)力只有原來的一半，75°-R6壓環(huán)根部最大Mises應(yīng)力則不到原來的1/3，優(yōu)化改進(jìn)壓環(huán)幾何結(jié)構(gòu)能夠有效緩解應(yīng)力集中問題。

　　4 結(jié)論

　　(1)“45°傾角-R3.05倒圓”壓環(huán)根部所存在的4~5倍的應(yīng)力集中是導(dǎo)致銅環(huán)失效的主要原因。

　　(2)壓環(huán)根部的實際應(yīng)力在腔內(nèi)最大壓強(qiáng)時已經(jīng)達(dá)到屈服極限(局部發(fā)生塑性變形)，但因未達(dá)到疲勞極限，不會瞬間斷裂，但隨著周期性的加載，壓環(huán)根部的局部微裂紋開始萌生，而后不斷擴(kuò)展。

　　(3)為了緩解壓環(huán)根部的應(yīng)力集中，對壓環(huán)進(jìn)行了幾何尺寸改進(jìn)，最佳的壓環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸為75°-R6，有效解決了壓環(huán)斷裂的問題。

　　【參考文獻(xiàn)】

　　[1] SY/T 5211-2009，壓裂成套設(shè)備[S].

　　[2] 江丙云，孔祥宏，羅元元編著. ABAQUS工程實例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2014.

　　[3] 莊茁，張帆等. ABAQUS非線性有限元分析與實例[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

　　[4] 孔江生，張維良，朱天軍. 橡膠履帶的結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)措施[J].工程機(jī)械，2002，(6)：27-29.

　　[5] 王先逵主編.機(jī)械加工工藝手冊(第2版)第1卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007

　　免責(zé)聲明：以上內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò)，僅供參考，如果侵犯，請及時通知我們，本網(wǎng)站將在第一時間及時刪除!

更多四氟盤根、高溫盤根及芳綸盤根的知識歡迎訪問四氟網(wǎng)