摘要：通過對鉆井泵閥疲勞壽命的研究，進(jìn)一步闡明泵閥失效的主要機(jī)理。利用 ANSYS/LS—DYNA 軟件構(gòu)建泵閥三維實(shí)體模型，模擬閥盤沖擊閥座的過程，得到閥盤受力分布圖，據(jù)此分析脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力對泵閥疲勞破壞的影響。該分析著重考慮了在交變載荷作用下應(yīng)力集中對加速泵閥失效所帶來的危害性，完善了泵閥的無沖擊理論。依據(jù)泵閥疲勞壽命曲線，對泵閥使用壽命進(jìn)行估算，并提出一種泵閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)的新方案，在一定程度上有效減緩了應(yīng)力集中，對延長泵閥使用壽命具有重要的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：鉆井泵閥；脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力；應(yīng)力集中；疲勞壽命
泵閥是鉆井泵的關(guān)鍵部件和易損件之一，其設(shè)計(jì)好壞直接影響到泵的工作性能和使用壽命。一方面，要提高泵閥接觸表面耐沖蝕的能力，就必然要增加接觸面的表面硬度，而硬度過高又會(huì)削弱耐沖擊的性能。另一方面，要提高材料抗沖擊載荷的能力，就必須保證材料有較高的韌性，相應(yīng)的硬度又會(huì)受影響。此外，盡管泵閥的綜合性能好，但在不同工況條件下，各種性能并不會(huì)同時(shí)發(fā)揮作用，且泵閥的加工成本也會(huì)相應(yīng)提高。因此，研究泵閥的失效機(jī)理對泵閥的設(shè)計(jì)制造具有重要的指導(dǎo)作用。
一般而言，造成鉆井泵閥失效的原因有沖擊疲勞破壞和沖蝕磨礪磨損（液力磨礪性磨損）兩種。然而通過對礦場報(bào)廢的鉆井泵閥宏觀和微觀形貌分析表明，沖擊疲勞破壞是泵閥失效的主要機(jī)理，因此在泵閥設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)考慮泵閥材料的抗沖擊疲勞性能及由零件的局部應(yīng)力狀態(tài)確定的疲勞強(qiáng)度。
本文依據(jù)泵閥在關(guān)閉階段的簡化模型和泵閥沖擊過程的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，重點(diǎn)研究泵閥沖擊時(shí)，閥盤與閥座接觸面上產(chǎn)生應(yīng)力集中部位的受力形式及程度，并通過泵閥疲勞壽命曲線對最大應(yīng)力區(qū)進(jìn)行疲勞校核，從而估算泵閥的使用壽命。根據(jù)疲勞壽命曲線，以泵閥最弱區(qū)為對象，通過改進(jìn)泵閥的結(jié)構(gòu)以降低峰值應(yīng)力，為高效地利用泵閥提出可行性方案。
1 泵閥應(yīng)力分析
隨著活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，閥盤對閥座產(chǎn)生間歇沖擊，泵閥承受沖擊載荷。接觸面上應(yīng)力由閉合瞬間到產(chǎn)生最大應(yīng)力再到泵閥開啟時(shí)刻，如此循環(huán)沖擊，可以認(rèn)定泵閥承受脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力。
在泵閥關(guān)閉階段的簡化模型中，假定在很小的滯后高度內(nèi)，閥盤受力不變，勻加速向下運(yùn)動(dòng)，直至關(guān)閉。根據(jù)此模型求出泵閥關(guān)閉時(shí)刻閥盤的速度和加速度。
文獻(xiàn)中以油田大量使用的 7# 閥為例，選取錐角為 45°（錐角為錐閥母線與軸線之間的夾角），設(shè)定閥開啟時(shí)曲柄轉(zhuǎn)角φ=25°，沖次為 120 次／min，泵壓為 15MPa，在曲柄轉(zhuǎn)角φ=25°~180°之間，對鉆井泵閥阿道爾夫精確微分方程進(jìn)行數(shù)值仿真，得到閥盤的滯后高度為 0.0056m，在此處的速度為﹣0.4067m/s
