基于ANSYS的BW380／8泥浆泵缸套有限元分析

张庆华，李宗义

（甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741001）

0 引言

缸套是泥浆泵的重要零件，同时也是易磨损件，在泥浆泵工作过程中，每隔数个工作周期都有相当数量的缸套由于受到高压载荷和磨损导致破坏，进而被拆卸与更换，较大地影响了工作效率。

提高泥浆泵缸套的耐磨性，一般采用试验法，周期长、成本高。本文运用计算机技术，采用Pro／E和ANSYS软件，采用有限元分析法，先用Pro／E对缸套进行建模，然后将模型导入ANSYS软件中对其进行有限元分析计算，从而得到缸套的应变、应力和温度场，通过对应变、应力和温度场分析，可以对缸套的耐磨性进行分析。

1 对缸套进行建模

1.1 BW380／8泥浆泵缸套结构

原BW380／8泥浆泵缸套为单金属缸套，材料为20CrMnTi，Φ95内表面渗碳，渗碳层为0.8～1.2mm，淬火硬度为56～60HRC，具体结构见图1。

图1 BW380／8泥浆泵缸套

利用Pro／E软件分别对缸套进行三维建模。将Y坐标轴作为轴向对称轴，缸套的径向与X轴的方向一致，Z轴的方向作为缸套的周向，取l／10缸套的圆周部分作为最终的三维模型［1］。建好后的模型见图2。

最后将用Pro／E建立好的简化三维模型储存为IGES格式文件，导入ANSYS软件中进行有限元分析。

图2 BW380／8泥浆泵缸套三维模型

2 应变计算分析

2.1 缸套模型在机械载荷下的计算分析结果

本研究是在如下假定前提下进行有限元分析：泥浆泵缸套与橡胶活塞摩擦副受到的载荷达到了一个较稳定的状态。利用ANSYS软件求解，经过在软件中的操作和调试后，得到了缸套模型的计算结果［2］。如图3所示，在载荷分别为5MPa、15MPa和25MPa下所对应的应变云图。

表1列出了缸套在不同载荷下对应的最大应变值。

表1 缸套在不同载荷下的最大应变值

图3 缸套在5MPa、15MPa、25MPa载荷下的应变云图

由图3可知，在最大应变值方面，在三个载荷条件下，随着载荷的增大，应变值先减小后增大。在应变分布方面，应变由缸套两端到中间逐渐增加，较大区域均出现在缸套内表面的中间部分。

3 应力场计算分析

3.1 各模型的应力场分析

利用ANSYS软件能够得出缸套模型在三个不同工作载荷下的节点综合位移、应变、Mises应力、最大主应力等应力值和各应力分布情况。Von Mises等效应力是根据第四强度理论得到的一种当量应力，Mises屈服准则又称为能量准则。本研究主要是运用 Mises应力的结果进行分析的。

上式中：σ1、σ2、σ3为主应力。

图4分别为缸套模型在三个不同工作载荷下的Mises等效应力分布情况。

图4 缸套在5MPa、15MPa、25MPa下的Mises应力云图

对图4分析可知，缸套模型的最大应力值均未超出其屈服极限并且能够确保零件正常工作；由于缸套受到流体介质的载荷和腐蚀比较大，磨损表面塑性变形变得严重，塑性变形也相应增加，会产生一定的应力。

4 缸套在热耦合工况下的计算分析结果

由于温度载荷对缸套的工作条件和使用寿命影响很大，有必要对其进行热分析，泥浆泵工作过程中，缸套受到的热载荷和机械载荷相比要大得多，极大的影响了缸套的工作可靠性。所以，就其热载荷进行分析，对缸套的优化设计尤为重要。

4.1 各模型的温度场分析

缸套模型温度场的计算结果依旧由ANSYS软件得出，温度场的计算结果分别给出了缸套模型在三个不同工作载荷下的温度场分布情况，以及选取的节点组的温度变化情况。

图5反映了缸套模型分别在5MPa、15MPa和25MPa工作载荷下的温度分布情况，不同颜色及深浅程度对应着缸套内表面不同大小的温度变化情况。

图5 缸套在5Mpa、15Mpa、25Mpa载荷下的温度场

从图5分析可知：缸套模型的温度随载荷的变化幅度最大，随着载荷的增大，缸套的温度场逐渐增大。

5 结论

基于ANSYS的BW380／8泥浆泵缸套有限元分析，可以得出模型在不同工作载荷下的应变场、应力场和温度场，对缸套的耐磨性进行分析与研究，可以很大程度的提高泥浆泵设计人员的工作效率，节约成本。

［1］ 张锟.不同微造型表面的钻井泥浆泵缸套的有限元分析［D］.大庆：黑龙江八一农垦大学，2014.

［2］ 郭绍波.F－1600往复式泥浆泵机体有限元分析［D］.兰州：兰州理工大学，2011.