基于ABAQUS的柱塞泵盘根压环结构优化研究

　　[摘 要] 针对大功率压裂柱塞泵工业性试验中液力端密封总成盘根压环多次出现断裂现象，运用ABAQUS有限元分析软件，对柱塞泵液力端密封系统进行应力分析，找出柱塞泵运行过程中液力端密封总成盘根压环断裂的主要原因，分析不同结构的受力情况，提出了合理参数，压环强度得以提高。

　　[关键词] 柱塞泵;盘根压环;断裂;有限元分析

　　压裂柱塞泵[1]性能的好坏决定着压裂施工的成败，其液力端密封系统在工作中起着重要作用。密封系统整体置于盘根盒，右侧外缘被盘根盒固定，左侧被密封压盖固定，盘根内侧与柱塞表面通过过盈接触实现密封，盘根外侧与盘根盒内腔表面过盈接触，盘根压环作为泵液力端密封系统的关键零件之一，主要起柱塞导向作用。

　　工业试验发现盘根压环V形槽根部经常出现断裂失效现象，对盘根进行更换时必须检查压环并对断裂压环进行更换，增加了成本且影响工程进度。本文对盘根压环所受的应力进行ABAQUS有限元分析[2-3]，并提出了合理的压环结构参数。

　　1 问题分析

　　密封系统如图1所示，左起依次是：压环、2个夹布盘根、盘根和盘根座圈。盘根内侧与柱塞表面通过过盈接触实现密封，压环主要起导向作用。柱塞与压环内缘的间隙约为0.1mm，腔体与压环外缘的间隙约为0.05mm。柱塞往复运动过程中，整个系统受到六部分外力：密封压盖对压环的力、盘根盒内腔对密封系统的力、盘根盒对座圈的力、液体对密封系统的力、柱塞往复运动时对盘根的摩擦力以及柱塞对密封系统的挤压，如图1所示，其中前三个为约束力，后三个可以视为载荷。

　　在工业性试验阶段，柱塞泵要在不同的频率下完成总计1 0 6次冲刺，腔内液压最高达到140MPa，当泵头体出现漏油时(约4 h，视为盘根已经失效必须进行更换，更换盘根时，发现压环凹槽位置出现了轴向裂纹，如图2所示，先后试验的10个泵(30个压环)有11个压环出现了不同程度的裂纹。

　　2 基于ABAQUS的有限元应力分析

　　鉴于压环易在倒圆的根部出现裂纹，笔者以4 in柱塞泵为例，应用ABAQUS有限元分析软件，采用近似实际结构模型对压环“45o倾角(斜面与轴向夹角)和R3.05倒圆”根部的应力集中情况进行分析，如图3所示。由于该系统部分零件的几何形状和摩擦作用下的载荷传递过程复杂，因此，对结构进行简化：①将与铜环接触的密封圈的半圆孔(截面)改为R倒圆;②设定所有部位的接触特性一致，均为通用接触。其摩擦特性为法向硬接触、切向摩擦，摩擦系数取钢与丁腈橡胶的摩擦系数0.75[4]。模型中的网格精度为0.2mm。

　　2.1 建模参数[5]

　　(1)橡胶。压裂柱塞泵液力端密封系统中常规采用的橡胶有两种：丁腈橡胶和夹布丁腈橡胶，硬度分别为邵氏HD95和HD100，弹性模量E=0.00784GPa，泊松比μ=0.47。

　　(2)铸铝青铜。密封压环所用材料为铸铝青铜ZQAl9-4Ni2.5(σb≥525MPa，σs≥210MPa，δ≥12%，布式硬度HB170)。铸铝青铜弹性模量E=103GPa，泊松比μ=0.3。压环的实际工作温度为50~70℃(柱塞和液腔)，本文取材料的室温力学性能参数。

　　(3)钢。盘根座圈为20号钢，参照碳钢的弹性模量范围取20号钢的弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3。

　　2.2 应力计算

　　模型中载荷的施加方式如下：设定两个刚体结构，让其沿径向缓慢地将盘根压到相应的间隙位置(此状态视为“压缩完”，取外径间隙为0mm、内径间隙为1mm)，而后在钢制压环内缘和丁腈橡胶左下内缘逐步施加压强(10MPa递增)，如图4所示。由于最大载荷出现在柱塞做功时，此时的柱塞产生的滑动摩擦力减缓压环根部应力集中，因此，不考虑柱塞做功过程中的滑动摩擦。

　　加载过程中，不同载荷状态下压环根部的应力分布如图5所示。

　　由图5 可见 ，压缩完时，压环根部最大Mises应力(24.6MPa)出现在铜环倒圆内侧处，载荷120MPa时，压环根部最大Mises应力高达511.6MPa，应力集中系数约为4，最大Mises应力已远远超出材料的屈服强度，甚至接近材料的强度极限。不同载荷下的压环根部最大Mises应力如表1所示。

　　3 压环结构优化

　　鉴于在弹性范围内模拟分析的压环根部最大Mises应力高达500MPa以上，远远超出一般材料的屈服极限，通过改变材料成分和工艺来提高材料屈服极限难度大、成本高，最简单易行的方法是改变压环根部的结构设计。

　　选取两种结构改进方案：“倾角60°-倒角R6”和“倾角75°-倒角R6”，优化改进结构后的分析结果如表2所示。

　　从表2中可看出，改进后的60°-R6压环根部最大Mises应力只有原来的一半，75°-R6压环根部最大Mises应力则不到原来的1/3，优化改进压环几何结构能够有效缓解应力集中问题。

　　4 结论

　　(1)“45°倾角-R3.05倒圆”压环根部所存在的4~5倍的应力集中是导致铜环失效的主要原因。

　　(2)压环根部的实际应力在腔内最大压强时已经达到屈服极限(局部发生塑性变形)，但因未达到疲劳极限，不会瞬间断裂，但随着周期性的加载，压环根部的局部微裂纹开始萌生，而后不断扩展。

　　(3)为了缓解压环根部的应力集中，对压环进行了几何尺寸改进，最佳的压环结构尺寸为75°-R6，有效解决了压环断裂的问题。

　　【参考文献】

　　[1] SY/T 5211-2009，压裂成套设备[S].

　　[2] 江丙云，孔祥宏，罗元元编著. ABAQUS工程实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2014.

　　[3] 庄茁，张帆等. ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京：科学出版社，2005.

　　[4] 孔江生，张维良，朱天军. 橡胶履带的结构分析及改进措施[J].工程机械，2002，(6)：27-29.

　　[5] 王先逵主编.机械加工工艺手册(第2版)第1卷[M].北京：机械工业出版社，2007

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