上海沪工阀门厂（团体）无限公司

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泵阀是钻井泵的关头部件和易损件之一，其设想黑白间接影响到泵的任务机能和操纵寿命。一方面，要进步泵阀打仗外表耐冲蚀的才能，就必然要增添打仗面的外表硬度，而硬度太高又会减弱耐打击的机能。另外一方面，要进步材料抗打击载荷的才能，就必须保障材料有较高的韧性，响应的硬度又会受影响。另外，虽然泵阀的综合机能好，但在差别工况前提下，各类机能并不会同时阐扬感化，且泵阀的加工本钱也会响应进步。是以，研讨泵阀的生效机理对泵阀的设想制作具备首要的指点感化。

普通而言，构成钻井泵阀生效的缘由有打击委靡粉碎和冲蚀磨砺磨损（液力磨砺性磨损）两种。但是经由进程对矿场报废的钻井泵阀微观和微观描摹阐发标明，打击委靡粉碎是泵阀生效的首要机理，是以在泵阀设想时，要重点斟酌泵阀材料的抗打击委靡机能及由整机的局部应力状况肯定的委靡强度。

本文按照泵阀在封闭阶段的简化模子和泵阀打击进程的无限元能源学模子，重点研讨泵阀打击时，阀盘与阀座打仗面上产生应力集合部位的受力情势及水平，并经由进程泵阀委靡寿命曲线对最大应力区停止委靡校核，从而预算泵阀的操纵寿命。按照委靡寿命曲线，以泵阀最弱区为工具，经由进程改良泵阀的布局以下降峰值应力，为高效地操纵泵阀提出可行性计划。

1 泵阀应力阐发

跟着活塞的来去活动，阀盘对阀座产生间歇打击，泵阀蒙受打击载荷。打仗面上应力由闭合刹时到产生最大应力再到泵阀开启时辰，如斯轮回打击，能够认定泵阀蒙受脉动轮回应力。

在泵阀封闭阶段的简化模子中，假定在很小的滞后高度内，阀盘受力稳定，匀加快向下活动，直至封闭。按照此模子求出泵阀封闭时辰阀盘的速率和加快度。

文献中以油田大批操纵的 7^# 阀为例，拔取锥角为 45°（锥角为锥阀母线与轴线之间的夹角），设定阀开启时曲柄转角φ=25°，冲次为 120 次／min，泵压为 15MPa，在曲柄转角φ=25°~180°之间，对钻井泵阀阿道尔夫切确微分方程停止数值仿真，获得阀盘的滞后高度为 0.0056m，在此处的速率为﹣0.4067m/s²。操纵简化模子，可求出泵阀封闭时辰阀盘的速率为﹣19.3676m/s，加快度为﹣33476.65m/s²。

以简化模子获得的封闭时辰阀盘的速率和加快度作为活动边境前提，操纵 ANSYS/LS—DYNA 软件构建泵阀的三维模子，摹拟阀盘打击阀座的进程。按泵阀的现实尺寸成立泵阀全体模子，省略密封圈，按照钻并泵阀现实工况设置材料属性及多少束缚前提，接纳 8 结点六面体单位停止网格化分别，成立模子，剖视图如图 l 所示。

图 1 泵阀三维模子剖视图

操纵能源学现实阐发处置碰撞、滑动打仗界面题目，获得锥角 45 °、7 #阀阀盘在闭合阶段产生最大局部应力时的应力散布图，如图 2。

图 2 阀盘应力散布图

由图 2 获得阀盘在打击阀座的进程中，产生的最大局部集合应力为 0.955×10⁹Pa，从而可知泵阀锥面下端应力集合地区蒙受的脉动轮回载荷 0.955×10⁹Pa，周期为 0.5s（泵阀的冲次为 120 次／min)，如图 3。

图 3 锥面下端应力集合地区受力情势

在脉动轮回应力感化下，锥面下端应力集合地区更容易构成委靡裂纹，使泵阀的委靡强度明显下降，这一点与阀座生效的微观描摹中锥面下部产生严峻塑性变形的景象完全合适。可见，泵阀打击时应力集合引发的打击委靡是泵阀生效的首要缘由。

本文接纳三维多少实体模子取代文献中的二维立体模子，将各类范例能源载荷施加到布局模子的特定受载局部，摹拟实在碰撞进程。操纵 ANSY/LS—DYNA 软件无限元显式非线机能源阐发求解法式，计较获得加倍切确的应力解，并且对应力散布的方位有加倍直观的熟悉。

2 泵阀材料的S-N曲线

钻井泵阀的制作材料普遍接纳40Cr钢，40Cr钢属低合金中碳布局钢，经调质处置后，具备可塑性好、委靡强度高、缺口敏理性低、高温打击韧性良好等特征。力学机能见表1。

文献给出了 40Cr 钢滑腻试样在 10⁵~10¹⁰ 轮回周次规模内的委靡寿命（S-N）曲线，如图 4 所示。

图4 40Cr钢S-N曲线

在 10⁵~10⁸周次规模内，委靡曲线可用 Basquin 方程式描写：

式中σ_a——委靡载荷应力幅；
N_f——σ_a感化下产生委靡粉碎时的载荷轮回周次；
σ'_f——委靡强度系数；
b——委靡强度指数或 Basquin 指数。

将尝试成果拟合获得 40Cr 钢 S-N 曲线的 Basquin 方程为：

σ_a﹣¹=2431×（2N_f）^-0.0998 （2）

式中 σ_a﹣¹——对称轮回委靡载荷应力幅。

在对称轮回前提下：

σ_-1=σ_a﹣¹ （3）

式中 σ_-1——对称轮回极限应力。

把式（3）代入式（2）获得 40Cr 钢的对称轮回极限应力与该应力下产生委靡粉碎时的轮回周次之间的干系式：

σ_-1=2431×（2N_f）^-0.0998 （4）

由式（4）可得 40Cr 钢试样前提委靡极限寿命图，如图5所示。

图 5 前提委靡极限寿命图

3 泵阀委靡寿命曲线

Peterson 按照大批的尝试数据，获得在蠕变温度以下，描写蒙受交变载荷机器整机的交变应力幅、均匀应力与材料机器机能干系的方程：

式中 σ_a——交变应力幅；
σ_m——均匀应力；
σ_b——材料抗拉强度。

材料在差别对称轮回极限应力感化下，都有σm=0，代入式（5）得：σ_a=σ_-1，合适对称轮回应力的特征。在脉动轮回前提下，脉动轮回极限应力 σ₀与脉动轮回委靡载荷应力幅 σ_a⁰、均匀应力 σ_m之间干系式为：

代入式（5）中可得材料在统一寿命下所对应的脉动轮回极限应力与对称轮回极限应力的干系式为：

式中 σ₀——脉动轮回极限应力。

由式（4）与式（7）可得材料产生委靡粉碎时的轮回周次与对应的脉动轮回极限应力的干系式：

从而获得泵阀在脉动轮回应力感化下的委靡寿命曲线，如图6。

图 6 泵阀委靡寿命图

4 泵阀寿命阐发

阀盘在打击阀座的进程中，所蒙受最大局部集合0.955×10₉Pa。按照泵阀委靡寿命曲线，对应的脉动轮回周次为 2.1×10₅，即泵阀的操纵寿命约为 25h~30h。因为以上简化模子求解时疏忽了现实工况中存在的两个身分，是以得出的成果与现实泵阀寿命能够略有收支。现对这两身分阐发以下：

一方面，在泵阀封闭阶段简化模子和泵阀打击进程无限元能源学模子中以为，阀盘在高度 5.6mm处，因为壮大压力鞭策疾速着落，从而完全疏忽水力摩阻和导轨摩阻。在此阶段阀盘受力均衡方程中，因为阻力疏忽，求出阀盘着落时的速率与加快度比现实环境下的速率与加快度大。在现实工况下，阀盘从最高地位到与阀座打仗，时候极短。阀盘活动下方的液体遭到紧缩变得绝对浓密（密度增大），而阀盘上方的液体又会变得绝对淡薄（密度减小），液体会由浓密的处所向淡薄的处所活动，因为疾速活动的阀盘上方产生了液体淡薄地区，阀盘下方的液体就会死力绕过阀盘向阀盘上方活动，并动员周围的液体疾速弥补这一地区，如许便构成了流体涡旋。有涡旋的处所液体活动加快，压强会进一步减小，是以，对疾速活动的阀盘，下方遭到的液体压强远弘远于上方涡旋处的压强，高低压强差对阀盘产生了一个向上的阻力，这个阻力跟涡旋有关，界说为涡旋阻力。在流体中活动的阀盘所受的阻力包含磨擦阻力和涡旋阻力，涡旋阻力要比磨擦阻力大很多，以是在求解时不叮疏忽。

另外一方面，在 ANSYS 摹拟时也并未斟酌密封圈的缓冲感化。密封圈任务锥面的锥度普通与阀盘（或阀座）锥度不异，并且前者凸起于阀盘锥面之外。如许当阀盘着落时，密封圈起首与阀座打仗，对阀盘与阀座金属面之间产生的刚性打仗起缓冲感化。同时，因为密封圈起首与阀座打仗，在阀盘与阀座之间密封液体，如许在阀盘与阀座金属还不打仗之前便在金属间构成“液垫”，从而能够削减阀最初封闭时的打击。

综上阐发可知，摹拟求出的集合应力与现实有必然差异。为了使成果更靠近于现实数据，可在该模子求出的应力底子上，再乘一个斟酌现实阻力缓和冲的折减系数，该系数可经由进程尝试丈量得出。假定阻力折减系数为φ_f，缓冲折减系数为φ_t，则总折减系数φ＝φ_f×φ_t，现实应力σ=φ×σˊ（σˊ为现实应力），而后参照泵阀委靡寿命图，能够求得泵阀的操纵寿命。须要夸大的是，用现实应力得出的泵阀寿命具备必然的宁静余量，能够为现场职员实时改换泵阀供给参考。

5 泵阀的改良办法

从图 2 上能够看到阀盘下锥角部位显现出最大应力地区。缘由首要是阀盘与阀座打击闭合时，阀盘锥面与阀座打仗，蒙受打击载荷，在锥面 与阀盘底部过渡处布局尺寸急剧变更产生应力集合。应力集合使局部地区的应力值跨越了材料按预约寿命所能蒙受的应力水平，由此萌发裂纹。委靡源系在应力集合较大的尖角根部萌发，并向芯部扩大，以是泵阀首要从锥角与阀盘底部改良。在泵阀别的布局及机能稳定的景象下，为了削减应力集合，底面设想为圆弧型，并与锥面接纳油滑过渡（此时圆弧半径为 88.54mm）。泵阀改良前后的整机图如图 6 所示。

对改良后的泵阀做 ANSYS/LS—DYNA 三维静态摹拟阐发，成立模子，剖视图如图 7。

图 7 泵阀改良前后布局图

获得阀盘在闭合阶段产生最大局部应力时的应力散布图，如图 8。

图 8 改良后泵阀三维模子剖视图

由图 8 可知，最大局部应力呈现在锥角偏上方，为 0.834×10₉Pa，比本来泵阀蒙受的最大应力 0.955×10₉Pa 减小了 12.67％。将求出的应力代入泵阀委靡寿命图 6，获得泵阀的寿命为 210h~320h。布局改良后，泵阀的寿命大大进步。

另外，改良后的阀体在流体中活动时还能有用地减小水力摩阻，减缓流体中磨砺性物资对底部及锥面的冲蚀磨损，阀盘落在阀座上时的密封结果也有所改良。

6 论断

（1）操纵 ANSYS/LS—DYNA 软件对阀盘打击阀座做三维实体静态摹拟，获得打击进程中泵阀产生最大局部应力时的应力散布图，阐发阀盘下锥角处应力集合的受力情势与水平。

（2）针对钻井泵阀的打击委靡粉碎，经由进程阐发泵阀材料在对称轮回应力下的前提委靡极限，获得泵阀在脉动轮回载荷感化下的委靡寿命曲线。按照此曲线，校核由泵阀封闭阶段简化模子和泵阀打击进程无限元能源学模子求出的最大集合应力，预算泵阀的操纵寿命。

（3）提出一种可下降应力集合的泵阀布局改良计划，从底子上减缓泵阀的打击委靡粉碎，对指点泵阀设想，进一步耽误泵阀的操纵寿命有必然的参考代价。