本文關鍵詞：2800型壓裂泵動力端結構優(yōu)化設計

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【摘要】：壓裂泵是油田開采石油的重要壓裂設備,其壓裂技術在油氣田的廣泛使用,不僅可以增加油氣井的開采量,大大加快油氣田開發(fā)的步伐,而且還能夠大幅度地提高石油的產量。隨著各大淺井油田的相繼開完完成,后續(xù)的油田的開采壓力越來越大,對于壓裂設備的要求越來越高,壓裂泵技術結構越來越苛刻,與此同時,壓裂泵也是越來越笨重。各大油田都希望得到高壓力、大排量和大功率,性能更加優(yōu)異,重量更加輕便,能在較惡劣工況下工作的壓裂泵。目前,2800型壓裂泵由于其高壓力的特點已經逐漸進入各大油田市場。雖然我國已經具備研發(fā)大型壓裂機組的能力,產品也已經可以銷往國外,但是由于我國壓裂技術起步較晚,核心零部件又依靠國外進口,基本零件要么是仿造,要么是依據(jù)經驗來加工生產。往往尺寸的確定依據(jù)性不是很強,結構上少有創(chuàng)新,不僅材料存在浪費情況,增加成本,而且壓裂泵大型笨重,在重量上也會增加很大負擔,與目前高山、密林中的油井需要小巧、輕便的大功率的壓裂泵的宗旨不符。因此,分析壓裂泵的結構,了解其原理,并在此基礎上對現(xiàn)有壓裂泵的結構、尺寸作出優(yōu)化,在不影響使用的情況下,以達到節(jié)省材料,降低成本,整機輕便的目的,以適應于作業(yè)環(huán)境不利于運輸?shù)沫h(huán)境。首先,先要了解壓裂泵的結構以及它的工作原理,然后了解壓裂泵的動力端的本質就是一個曲柄滑塊機構,通過壓裂泵動力端的工作情況做相關的運動以及受力公式推導。并結合2800壓裂泵的相關參數(shù)和推導的受力公式計算出曲軸、連桿、柱塞的在輸出壓力最大(140MPa)時的受力,同時也要考慮曲軸最大扭矩時曲軸各部位的承受應力情況,找到各個零件的受到的最大力情況。其次,對于現(xiàn)有的2800型壓裂泵動力端的曲軸、連桿、柱塞進行調研,繪制出2800型壓裂泵的曲軸、連桿、柱塞的三維模型。結合前面公式推導出來的各個零件在運動過程中受到的最大力,并其根據(jù)實際情況加載到曲軸、連桿、柱塞上面進行有限元分析,通過有限元分析的結果很直觀的看到曲軸、連桿、柱塞的應力分布情況,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有曲軸、連桿、柱塞的最大應力遠遠小于材料本身能承受的強度,尺寸較為富余,材料大為浪費,需要對其進行優(yōu)化。最后,根據(jù)有限元的分析情況以及結合現(xiàn)有的實際情況對曲軸、連桿、柱塞連桿、以及柱塞進行優(yōu)化：1)現(xiàn)有曲軸主軸頸與連桿頸直接相連的特點,比較增加凸臺比較有凸臺與無凸臺,軸頸在受到相同力的情況的應力情況。對于曲軸軸頸在不同直徑下,加載受到軸向與軸向合成的余弦函數(shù)力,找出直徑與應力的關系,并繪制出優(yōu)化后的力學模型進行有限元分析驗證優(yōu)化后的曲軸可以安全工作。2)雖然現(xiàn)有連桿結構有尺寸優(yōu)化的空間,但是考慮到實際使用以及裝配拆卸問題,對連桿的小頭端部連接方式進行更改,并參考《柴油機設計手冊》關于連桿設計的部分尺寸,重新設計了連桿,對連桿桿身肋板的凹槽以及與小頭端部的連接圓角部分進行有限元分析,找出凹槽深度與應力以及桿身肋板與應力的關系,繪制優(yōu)化后的連桿的力學模型,并進行有限元分析驗證可以安全工作。3)因為連桿結構的更改,對于柱塞桿也進行了相應的結構設計以及進行有限元分析桿身直徑處圓角與應力的關系,繪制優(yōu)化后的柱塞連桿的力學模型,并進行有限元分析驗證柱塞連桿可以安全工作。4)進行有限元分析柱塞靠近動力端部的空心部位直徑與應力關系、深度與應力的關系以及與柱塞連桿連接凹槽部位的圓角與應力的關系,繪制出優(yōu)化的連桿力學模型,并進行有限元分析驗證柱塞可以安全工作。本文通過對2800型壓裂泵動力端的原理以及運動、受力情況進行了分析,總結出了相關運動公式。并借助有限元軟件對現(xiàn)有壓裂泵動力端結構進行分析以及結合實際情況進行了優(yōu)化,得出了一些曲軸、連桿、柱塞桿以及柱塞的一些尺寸與應力之間的關系,使人們對于壓裂泵動力端結構有了一定了解,并對于相關結構、尺寸與應力的關系有了一定認識�？梢詾楫a品開發(fā)設計人員對于壓裂泵動力端的結構以及尺寸優(yōu)化方向提供一種參考。為壓裂泵動力端的結構小巧、輕便起到了重要作用。
【關鍵詞】：壓裂泵 動力端 曲柄滑塊機構 有限元
【學位授予單位】：長江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TE934.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-18
• 1.1 引言11
• 1.2 研究目的和意義11-12
• 1.3 壓裂技術的應用12-13
• 1.4 國內外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢13-18
• 第2章 壓裂泵動力端的工作情況分析18-32
• 2.1 壓裂泵的結構與組成18
• 2.2 壓裂泵動力端的工作情況分析18-25
• 2.3 壓裂泵動力端的受力分析25-32
• 第3章 2800型壓裂泵動力端結構有限元分析32-42
• 3.1 MATLAB與ANSYS介紹32-33
• 3.2 曲軸的有限元分析33-38
• 3.3 連桿的有限元分析38-40
• 3.4 柱塞的有限元分析40-41
• 3.5 小結41-42
• 第4章 2800壓裂泵的結構優(yōu)化設計42-71
• 4.1 曲軸的優(yōu)化設計42-46
• 4.2 連桿的優(yōu)化設計46-58
• 4.3 柱塞連桿的優(yōu)化設計58-63
• 4.4 柱塞的優(yōu)化設計63-70
• 4.5 小結70-71
• 第5章 工作總結以及工作展望71-73
• 5.1 工作總結71-72
• 5.2 工作展望72-73
• 致謝73-74
• 參考文獻74-77
• 個人簡介77-78

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本文編號：558481