基于Pro／E的钻井泵曲轴结构优化

余青华，刘宝秋，刘英吉

（河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘062552） ①

基于Pro／E的钻井泵曲轴结构优化

余青华，刘宝秋，刘英吉

（河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘062552）①

为减少钻井泵曲轴的偏心力矩及振动危害，采用Pro／E建立三维模型模，分析现有曲轴的结构，并提出改进措施。对结构改进后的曲轴进行静力分析和疲劳强度校核。结果表明：曲轴的偏心情况得以改善，整机运行平稳，振动及噪声降低，寿命提高。

钻井泵；曲轴；结构；Pro／E

高压、大排量三缸单作用钻井泵是石油钻探设备中的关键设备［1］，而曲轴则是钻井泵的核心零件，该零件是否能够平稳运转直接关系到泵的工作性能和可靠性［2－3］。河北华北石油荣盛机械制造有限公司目前制造的曲轴为中空铸钢件，内表面为非加工表面。额定转速120r／min，设计质量3 040kg。由于偏心扭矩达300N·m，在运行过程中会使整机产生较大的振动及噪声，影响钻井泵的使用寿命，并造成噪声污染。本文利用Pro／E建立三维模型，对结构进行优化，降低了曲轴的偏心扭矩及振动，提高了疲劳寿命。

1 现有曲轴结构及不足

现有曲轴结构如图1。轴头直径∅360mm，中部3个拐直径∅667mm。3个偏心圆呈120°均布，用于安装连杆轴承及连杆。第2拐与第3拐之间为∅1 120mm法兰盘，用于连接齿轮，接受传动轴的输入扭距。

图1 现有曲轴结构

在以前的二维设计过程中，由于手工计算的局限性，不能使其回转轴与重心重合。因此，曲轴存在200N·m偏心扭矩，只有通过1∶1木模实际检验，根据检验结果调整模型，再根据调整好的模型进行试生产。由于曲拐之间由曲面连接，曲轴内部腔型由不规则曲面构成，模型制作质量只能依靠模型工的技术做保障。模型制作好以后非加工面无法进行检验，造成模型制作周期和试制周期延长，试制成本高。

2 曲轴结构优化设计

针对现有曲轴结构的缺陷，采用三维设计方法进行优化，通过三维模型的建立，计算重心与旋转中心的偏差，并且调整非加工面形状尺寸，将旋转重心与曲轴重心尽量重合，消除设计缺陷。通过三维模型直接进行木模制作，将大幅度缩短试制周期和成本，提高经济效益。

2.1 建立三维模型

根据原始设计图纸，对曲轴进行三维模型输入。三维设计软件采用Pro／E软件［4］。建立的三维模型如图2。

图2 曲轴的三维模型

2.2 计算曲轴重心位置并调整质量分布

使用Pro／E的分析特征（Analysis features）中的质量属性分析建立特征，利用测量功能建立的质点心与回转轴之间的垂直距离即曲轴偏心距为10.5 mm。观察曲轴偏心位置，其重心位置偏向第2曲拐与第1曲拐连接处。内腔最小壁厚应≥120mm，所以采用修正各个曲拐质量的方法来调整曲轴的重心，使曲轴的重心与旋转轴心重合。

2.3 确定曲轴各个旋转位置的受力情况［5］

三缸单作用钻井泵装配结构如图3。定义机壳为基础，对连接轴、驱动和载荷分别进行定义，结果如图4。按照定义的运动关系及载荷情况进行运动受力分析，结果如图5～8。

图3 钻井泵装配图

图4 对装配图进行连接轴、驱动、载荷定义后的完成图

图5 活塞介杆速度测试曲线

图6 连杆对曲轴的作用力

图7 曲轴大齿轮盘受力

图8 曲轴两端主轴承受力

由图7～8知，曲轴两端主轴承及活塞的最大受力方向为（以第3拐位于水平位置时为0°，作为起始位置）120°、240°、360°时。

2.4 优化设计

根据重心位置对曲轴的非加工表面进行设计修改，使重心与旋转中心尽量重合。

1） 调整砂芯形状尺寸，减少零件重心与零件回转轴线距离并保证砂芯强度。

2） 调整模型外形尺寸，减少零件重心与零件回转轴线距离。

3） 将重心在小范围内下移，以保证浇注后重心正好在控制范围内。

图9 优化后的三维模型

2.5 优化前后应力及疲劳强度对比

应用Pro／MECHANICA Structure对曲轴各旋转位置进行静力分析，并校核疲劳强度。图10～12分别为120°、240°、360°位置的曲轴应力、疲劳强度在优化前后的云图对比，发现曲轴的应力和疲劳强度无明显变化，说明优化设计的曲轴结构达到使用要求。

图10 120°位置的曲轴应力、疲劳强度优化前后对比云图

图1 1 2 4 0°位置的曲轴应力、疲劳强度优化前后对比云图

图1 2 3 6 0°位置的曲轴应力、疲劳强度优化前后对比云图

3 结论

1） 利用P r o／E强大的建模功能及运动模拟功能，特别是其优化设计模块可对钻井泵曲轴进行优化设计，缩短了设计周期，降低试制成本。

2） 优化设计后，曲轴的偏心得到了大幅度的校正。

3） 现场应用表明，优化曲轴结构后钻井泵运行更加平稳，振动噪声明显降低，受到用户好评。

［1］ 刘济宁，曹丽平，杜志妍.石油钻井用钻井泵的新发展［J］.石油矿场机械，2 0 0 6，3 5（4）：4 9－5 1.

［2］ 沈学海.钻井往复泵原理与设计［M］.北京：机械工业出版社，1 9 9 0.

［3］ 苏爱民，王丽萍.钻井泵制造工艺的改进［J］.石油矿场机械，2 0 0 6，3 5（5）：1 0 3－1 0 5.

［4］ 刘筱路.P r o＼E NG I N E E R曲面造型技术详解［M］.北京：人民邮电出版社，2 0 0 5.

［5］ 高秀华，李炎亮，邓洪超，等 .机械三维动态设计仿真技术［M］.北京：化学工业出版社，2 0 0 3.

Structure Optimization of Drill Pump′s Crank Shaft Based on Pro－Engineering

YU Qing－hua，LIU Bao－qiu，LIU Ying－ji
（Rongsheng Machinery Manufacture Ltd.of Huabei Oilfield，Renqiu062552，China）

In order to reduce the harm of eccentricity and vibration of drill pump，we analyze the structure of drill pump＇s hollow crank shaft and deal with the eccentricity of the shaft with Pro／E，and bring out the improving measures.With static analyzing and fatigue collating on the shaft which were adjusted，we found that the eccentricity of the shaft was improved；the machine runs steadily，vibration and noise declines and the life of shaft were increased greatly.

drill pump；crank shaft；structure；Pro／E

1001－3482（2012）04－0076－04

TE926

B

2011－10－20

余青华（1976－），男，陕西户县人，工程师，主要从事铸造工艺设计工作，E－mail：yqh1108＠163.com。