壓裂泵動力端連桿輕量化設計.pdf

1、隨著經濟的快速發(fā)展，我國對石油天然氣的需求量不斷增加，頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)油氣資源勘探開采已成為國家能源開發(fā)的戰(zhàn)略之一。壓裂泵是非常規(guī)油氣資源氣開發(fā)中壓裂作業(yè)技術的核心設備，連桿是壓裂泵動力端主要的傳動部件之一，在工作中受到拉伸、壓縮和彎曲等交變載荷作用，容易在高應力區(qū)域發(fā)生疲勞破壞，這就要求連桿在工作時不僅具有足夠的強度和抗疲勞性能，還要求連桿的形狀合理，質量盡可能輕，以減小連桿在運動中產生的慣性力。隨著壓裂泵朝大排量、大功率、高泵

2、壓的方向發(fā)展，連桿的工作環(huán)境越來越惡劣。因此，進行連桿輕量化設計，對提高連桿工作的可靠性和使用壽命，確保壓裂泵能多段連續(xù)作業(yè)有重要的意義。
　　本課題以某型號壓裂泵動力端連桿為研究對象，用接觸有限元法對連桿靜態(tài)特性進行分析，找出了結構的薄弱環(huán)節(jié)，在此基礎上，對連桿進行了輕量化設計。主要完成了以下工作:
　　1.連桿運動和受力分析。采用解析法對連桿的運動規(guī)律和運動過程中的受力情況進行了分析，找到連桿所受作用力隨曲柄轉角變化的關

3、系式，并繪制了連桿在一個工作周期內的載荷譜，得到了拉壓工況下連桿所受的最大載荷，為連桿有限元分析施加載荷邊界條件提供依據。
　　2.連桿靜態(tài)特性分析。首先利用接觸有限元法（考慮十字頭銷、曲軸對連桿的影響）對連桿螺栓的強度進行了分析，然后對連桿體與軸承座結合面不合理的螺栓布局進行了設計，使每個螺栓的受載均勻，在此基礎上，對連桿在最大拉工況和最大壓工況進行了靜力學分析，得到了連桿在兩種工況下的應力分布和變形情況，并對連桿高應力區(qū)域的疲

4、勞強度進行了校核，通過對連桿靜力分析，找到了結構的薄弱環(huán)節(jié)以及需要改進的部位，為后續(xù)連桿的設計和改進提供了依據。
　　3.連桿輕量化設計。首先對連桿進行了拓撲優(yōu)化設計，找到了結構需要改進的部位，在此基礎上，以連桿質量為目標函數(shù)，對軸承蓋壁厚、連桿應力集中點及桿身等相關尺寸進行了靈敏度分析，找出了對連桿質量影響較大的尺寸，通過施加應力約束和邊界約束條件，對連桿進行了尺寸優(yōu)化設計。最后對優(yōu)化后的連桿結構進行了靜動態(tài)性能分析，驗證了運用