基于ADAMS的三缸柱塞泵动力学仿真分析_张子胜
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参 考文献
1 陈立平, 张 云 清, 任卫 群 等 1 机械 系 统动 力 学分 析及 ADAM S应用教程 1 北 京: 清华大 学出版 社, 2005: 148 ~ 161
2 李 军, 刑俊文, 覃文浩 1A DAM S实例教程 1 北京: 北 京理工大学出版社, 2002: 222~ 226
第一作者简介: 张子胜, 工 程师, 生于 1975年, 1997 年毕业于石油大学 (华东 ) 机械 设计与 制造专 业, 现从事 石油机械设计及工艺设计工作。地址: ( 457001) 河南省濮 阳市。电话: ( 0393) 4754340。 E - m ai:l zhanghuilin27@ 1261 com 。
到所有运动部件的扭矩、受力、位移、速度和加速 度曲线图, 任意时刻的数值均可由曲线图获得, 能 够对整个系统的运动平稳性和动力合理性作出评价 和优化, 起到了虚拟样机的作用。
另外, 参考得出的载荷和受力数据, 结合有限 元分析软件, 可以对关键零部件单独进行有限元静 态分析和疲劳分析, 得到零部件的静态应力、安全 系数和疲劳强度等结果。由此看出, 对三缸柱塞泵 进行动力学有限元分析, 对产品的设计、生产和优 化具有重要作用。
M echpro 是基 于 P ro /E 的插 件, ADAM S 软件 为了更好地与 P ro /E 结合使用, 开发了 ADAM S和 P ro /E 的接口软件 M echpro。运行 M echpro, 设定输 出参数, 把模型导入到 ADAM S仿真软件中, 仿真 模型如图 3所示。
在小齿轮端设定运动副, 使小齿轮 以 276152 r/m in的速度匀速转动, 以达到柱塞的冲程周期为 1 s。进行仿真分析, 设定 4个周期, 步长 200, 运 行后测量, 得到小齿轮输入扭矩曲线如图 4所示。
收稿日期: 2006- 10- 16 (本文编辑 赵连禄 )
( 上接第 27页 )
结
论
( 1) 在钻柱受力 分析的基础上, 根据疲劳强 度理论, 建立了钻柱在不对称循环应力状态下的疲 劳强度条件。
( 2) 算例分析说明了钻柱危险点处的疲劳安 全系数随井深、转盘转速和钻压的变化规律, 有助 于钻进参数的调整, 满足安全钻井的要求。
社, 1997: 157~ 203
第一作者简介: 李文飞, 生于 1978年, 2005年毕业于 中国石油大学 (华东 ) 油气井 工程专 业, 获硕士 学位, 现 为 博 士 研 究 生, 从 事 钻 柱 力 学 方 面 的 研 究。 地 址: ( 257061) 山东省东营市。电话: ( 0546) 8391683。
扰。为结合有限元分析软件 对零部件的有 限元分 析, 笔者此次建立了整机模型。
动力端主要部件为曲轴、连杆、十字头组件、弧 齿斜齿轮副、箱体等, 模型如图 1所示。液力端主要 部件为柱塞、吸入管、泵头等, 模型如图 2所示。
图 1 三缸柱塞泵动力端模 型
动力学仿真分析
1. 建立模型 三缸柱塞 泵由动力端、液力端及润 滑装置组 成, 在 SOL IDEDGE软件中对动力端和液力端分别 建模, 然后部件装配为整体。进行动力学分析需要 简化不必要的部件, 以提高软件运算速度和减小干
由美国 MDI公司开发的机械系统动力学仿真分 析软件 ( ADAM S) 是目前应用最广泛的动力学分析 软件, 能够有效地进行建模、仿真及后处理。由于 ADAM S仿真软件的建模功能目前不够强大, 因此笔 者使用三维建模软件 SOL IDEDGE 对三缸柱塞泵建 模, 建模完成后转换为 Pro /E 的文件格式, 再通过 P ro /E与 ADAM S 的接 口软件 M echpro 导入 到 ADAM S仿真软件中进行动力学分析[ 1, 2] 及后处理。
参考文献
1 赵国珍, 龚伟安 1 钻 井力学基础. 北京: 石油工业 出版 社, 1988: 101~ 118
2 章扬烈. 钻柱 运动 学 与 动力 学. 北 京: 石 油 工业 出 版 社, 2001: 30~ 85
3 韩志勇. 循环条件下钻柱轴向力的计算和强度校 核. 石 油大学学报, 1997, 21 ( 2): 23~ 33
v1, v2, v3 ) ) ) 各柱塞速度; S1, S2, S3 ) ) ) 柱塞截面积; $s) ) ) 各柱塞位移变化量。 从图 8可以看出, 柱塞的加速度平滑过渡, 没 有突变, 最大加速度可以达到 315 m / s2, 最大速度 达到 0149 m / s, 基本符合最初的设计目标。 综上所述, 可得如下结论: 通过对三缸柱塞泵的动力学仿真分析, 可以得
曲线如图 8所示。
图 6 柱塞 1的推力曲线
) 30 )
石油机械
2007年 第 35卷 第 4期
图 7 柱塞 1的速度曲线
图 8 柱塞 1的加速度曲线
从速度曲线能够计算出每一时刻的理论流量: L = L1 + L2 + L3 = ( v1S1 + v2S2 + v3 S3 ) $s 式中 L 1, L2, L3 ) ) ) 各柱塞缸理论流量;
零件名称 大齿轮
质量 /kg 1291 09
Ixx / ( kg# m2 )
51 380
Iyy / ( kg# m2 )
51 380
Izz / ( kg# m2 )
101670
小齿轮
71 76
01 022
01 022
01 036
曲轴
2501 10
21 456
1061 240 1061220
连杆
331 50
摘要 对三缸柱塞泵建模后, 使用机械系统动力学仿真分析软件 ( ADAM S) 对模型进行动力 学仿真分析, 仿真结果经过后处理得到了各运动部件的扭矩、受力、位移、速度和加速度曲线。 根据上述曲线能够对整个系统的运动平稳性和动力合理性进行评价和优化, 起到虚拟样机的作用。 此外, 对三缸柱塞泵进行动力学有限元分析, 对产品的设计、生产和优化具有重要作用。
1981: 136~ 169 7 张小柯, 狄勤丰. 钻柱涡动时弯扭组合交变应 力下的强
度计算. 天然气工业, 2004, 24 ( 7): 49~ 51 8 钻 井 手册 (甲 方 ) 编 写组. 钻井 手册. 北 京: 石 油工
业出版社, 1990: 937~ 941 9 赵 少汴, 王忠 保. 抗 疲 劳设 计. 北 京: 机 械工 业 出版
图 2 三缸柱塞泵液力端模 型
2. 模型转化及转动惯量设定 首先在 SOL IDEDGE 软件中计算出需要做动力 学仿真的零部件的质量及各方向转动惯量, 计算结 果如表 1所示。
2007年 第 35卷 第 4期
张子胜等: 基于 ADAM S的三缸柱塞泵动力学仿真分析
) 29 )
表 1 三缸柱塞泵的运动部件转动惯量
质的部分流体特性, 忽略阀堵的滞后动作, 认为液
缸内压强保持 35 M Pa无波动。建立以速度为条件
的分段函数来模拟阻力大小,
0
v柱塞 < 0
运动阻力 F = 0
v柱塞 = 0。
350
v柱塞 > 0
图 5 曲轴与连杆 1连接 处 X 向和 Y 向受力曲线
曲柄转角每 120b的受力周期相同, Y 向最大受
4 韩志勇. 垂直井眼内钻柱的轴向力计算及强度校 核. 石
油钻探技术, 1995, 23 ( S): 8~ 13 5 殷 绥 域. 弹 塑 力 学. 武 汉: 中 国 地 质 大 学 出 版 社,
1990: 23~ 24 6 徐 灏. 疲 劳 强 度 设 计. 北 京: 机 械 工 业 出 版 社,
) 28 ) ! 设计计算 #
石油机械 CH INA PETRO LEUM MA CH IN ERY
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2007年 第 35卷 第 4期
基于 ADAM S的三缸柱塞泵动力学仿真分析
张子胜 1 张惠林 1 姜士湖 2 李武幸1 轩继花 1
( 1. 中油特种车辆有限公司 2. 中原油田分公司博士后工作站 )
力 65 kN, X 向最大受力 350 kN, 随时间变化合力
的大小和方向均在改变, 从图 5可以计算出每一时
刻的合力方向和 大小。合力夹 角 H= arc tan Fy , Fx
合力 F c=
F
2 x
+
F 2y 。
对柱塞的动力学特性分析也是关键点。通过测
量得到柱塞的推力及速度、加速度曲线, 柱塞的推 力曲线如图 6所示, 速度曲线如图 7所示, 加速度
收稿日期: 2006- 10- 25 (本文编辑 李学富 )
01 146
11 780
11 890
十字头 (含销 )
571 45
01 390
01 870
01 980
输入轴
221 32
01 025
11 250
11 250
将模型简 化后转化 为 P ro /E 的文件 格式, 在 P ro /E 软件中打开模型, 设定刚体、约束副、齿轮 副、运动副及载荷等条件。约束副包括固定副、移 动副、旋转副; 为方便测量传动扭矩的数据, 在齿 轮与传动轴之间设定旋转弹簧; 设定仿真系统重力 方向及重力加速度。
关键词 三缸柱塞泵 ADAM S 动力学仿真
引
言
三缸柱塞泵作为固井、酸化、压裂、压井和砾 石填充等油田作业的关键设备, 在石油天然气生产 中起到非常重要的作用。由于工作介质密度高、流 动性差、易凝固, 需要大排量、高压力短时间内将 液体打入井内一定深度, 这些设计目标决定了三缸 柱塞泵应具有功率大、线速度高、重载、变载等工 作特性。因此, 分析三缸柱塞泵的动力学性能就显 得尤为重要, 分析 运动部件的 位移、速 度、加速 度、扭矩、载荷、离心力等性能指标, 就能够评价 和优化其整体的安全性能和动态稳定性。
图 4 小齿轮输入扭矩曲线
从图 4可以得到最大输入扭矩为 5187 kN # m, 转速按 276152 r/m in 计算, 可以得 到最大功 率为 170 kW ( 不含功率损失 ), 且扭矩波 动幅度为 22 % , 以此为依据可进行驱动装置的选择。
4. 仿真后处理 由于曲轴、连杆和十字头的受力是关键点, 因 此建立测量提 取这些约束副处 的受力曲线, 对应 F 1 的曲轴处 X 向和 Y 向受力如图 5所示 (X 轴下 侧为 Y 向受力 ) 。
图 3 三缸柱塞泵动力学仿真模型
3. 动力学仿真
在每个柱塞端模拟由于液体介质压力造成的运
动阻力 F1、F2 和 F 3。根据液体介质的工作压强为 35 M Pa, F 1、F2 和 F3 的周期相差 T /3, 每个柱塞 每分钟运动 60个冲程, 可得每个冲程的周期为 1
s, 因此各阻力周期相差 ". s。运动阻力 F1、F 2 和 F3 的大小与运动的方向、速度、加速度和接触面 积有关, 在对仿真结果影响不大的前提下, 忽略介
1 陈立平, 张 云 清, 任卫 群 等 1 机械 系 统动 力 学分 析及 ADAM S应用教程 1 北 京: 清华大 学出版 社, 2005: 148 ~ 161
2 李 军, 刑俊文, 覃文浩 1A DAM S实例教程 1 北京: 北 京理工大学出版社, 2002: 222~ 226
第一作者简介: 张子胜, 工 程师, 生于 1975年, 1997 年毕业于石油大学 (华东 ) 机械 设计与 制造专 业, 现从事 石油机械设计及工艺设计工作。地址: ( 457001) 河南省濮 阳市。电话: ( 0393) 4754340。 E - m ai:l zhanghuilin27@ 1261 com 。
到所有运动部件的扭矩、受力、位移、速度和加速 度曲线图, 任意时刻的数值均可由曲线图获得, 能 够对整个系统的运动平稳性和动力合理性作出评价 和优化, 起到了虚拟样机的作用。
另外, 参考得出的载荷和受力数据, 结合有限 元分析软件, 可以对关键零部件单独进行有限元静 态分析和疲劳分析, 得到零部件的静态应力、安全 系数和疲劳强度等结果。由此看出, 对三缸柱塞泵 进行动力学有限元分析, 对产品的设计、生产和优 化具有重要作用。
M echpro 是基 于 P ro /E 的插 件, ADAM S 软件 为了更好地与 P ro /E 结合使用, 开发了 ADAM S和 P ro /E 的接口软件 M echpro。运行 M echpro, 设定输 出参数, 把模型导入到 ADAM S仿真软件中, 仿真 模型如图 3所示。
在小齿轮端设定运动副, 使小齿轮 以 276152 r/m in的速度匀速转动, 以达到柱塞的冲程周期为 1 s。进行仿真分析, 设定 4个周期, 步长 200, 运 行后测量, 得到小齿轮输入扭矩曲线如图 4所示。
收稿日期: 2006- 10- 16 (本文编辑 赵连禄 )
( 上接第 27页 )
结
论
( 1) 在钻柱受力 分析的基础上, 根据疲劳强 度理论, 建立了钻柱在不对称循环应力状态下的疲 劳强度条件。
( 2) 算例分析说明了钻柱危险点处的疲劳安 全系数随井深、转盘转速和钻压的变化规律, 有助 于钻进参数的调整, 满足安全钻井的要求。
社, 1997: 157~ 203
第一作者简介: 李文飞, 生于 1978年, 2005年毕业于 中国石油大学 (华东 ) 油气井 工程专 业, 获硕士 学位, 现 为 博 士 研 究 生, 从 事 钻 柱 力 学 方 面 的 研 究。 地 址: ( 257061) 山东省东营市。电话: ( 0546) 8391683。
扰。为结合有限元分析软件 对零部件的有 限元分 析, 笔者此次建立了整机模型。
动力端主要部件为曲轴、连杆、十字头组件、弧 齿斜齿轮副、箱体等, 模型如图 1所示。液力端主要 部件为柱塞、吸入管、泵头等, 模型如图 2所示。
图 1 三缸柱塞泵动力端模 型
动力学仿真分析
1. 建立模型 三缸柱塞 泵由动力端、液力端及润 滑装置组 成, 在 SOL IDEDGE软件中对动力端和液力端分别 建模, 然后部件装配为整体。进行动力学分析需要 简化不必要的部件, 以提高软件运算速度和减小干
由美国 MDI公司开发的机械系统动力学仿真分 析软件 ( ADAM S) 是目前应用最广泛的动力学分析 软件, 能够有效地进行建模、仿真及后处理。由于 ADAM S仿真软件的建模功能目前不够强大, 因此笔 者使用三维建模软件 SOL IDEDGE 对三缸柱塞泵建 模, 建模完成后转换为 Pro /E 的文件格式, 再通过 P ro /E与 ADAM S 的接 口软件 M echpro 导入 到 ADAM S仿真软件中进行动力学分析[ 1, 2] 及后处理。
参考文献
1 赵国珍, 龚伟安 1 钻 井力学基础. 北京: 石油工业 出版 社, 1988: 101~ 118
2 章扬烈. 钻柱 运动 学 与 动力 学. 北 京: 石 油 工业 出 版 社, 2001: 30~ 85
3 韩志勇. 循环条件下钻柱轴向力的计算和强度校 核. 石 油大学学报, 1997, 21 ( 2): 23~ 33
v1, v2, v3 ) ) ) 各柱塞速度; S1, S2, S3 ) ) ) 柱塞截面积; $s) ) ) 各柱塞位移变化量。 从图 8可以看出, 柱塞的加速度平滑过渡, 没 有突变, 最大加速度可以达到 315 m / s2, 最大速度 达到 0149 m / s, 基本符合最初的设计目标。 综上所述, 可得如下结论: 通过对三缸柱塞泵的动力学仿真分析, 可以得
曲线如图 8所示。
图 6 柱塞 1的推力曲线
) 30 )
石油机械
2007年 第 35卷 第 4期
图 7 柱塞 1的速度曲线
图 8 柱塞 1的加速度曲线
从速度曲线能够计算出每一时刻的理论流量: L = L1 + L2 + L3 = ( v1S1 + v2S2 + v3 S3 ) $s 式中 L 1, L2, L3 ) ) ) 各柱塞缸理论流量;
零件名称 大齿轮
质量 /kg 1291 09
Ixx / ( kg# m2 )
51 380
Iyy / ( kg# m2 )
51 380
Izz / ( kg# m2 )
101670
小齿轮
71 76
01 022
01 022
01 036
曲轴
2501 10
21 456
1061 240 1061220
连杆
331 50
摘要 对三缸柱塞泵建模后, 使用机械系统动力学仿真分析软件 ( ADAM S) 对模型进行动力 学仿真分析, 仿真结果经过后处理得到了各运动部件的扭矩、受力、位移、速度和加速度曲线。 根据上述曲线能够对整个系统的运动平稳性和动力合理性进行评价和优化, 起到虚拟样机的作用。 此外, 对三缸柱塞泵进行动力学有限元分析, 对产品的设计、生产和优化具有重要作用。
1981: 136~ 169 7 张小柯, 狄勤丰. 钻柱涡动时弯扭组合交变应 力下的强
度计算. 天然气工业, 2004, 24 ( 7): 49~ 51 8 钻 井 手册 (甲 方 ) 编 写组. 钻井 手册. 北 京: 石 油工
业出版社, 1990: 937~ 941 9 赵 少汴, 王忠 保. 抗 疲 劳设 计. 北 京: 机 械工 业 出版
图 2 三缸柱塞泵液力端模 型
2. 模型转化及转动惯量设定 首先在 SOL IDEDGE 软件中计算出需要做动力 学仿真的零部件的质量及各方向转动惯量, 计算结 果如表 1所示。
2007年 第 35卷 第 4期
张子胜等: 基于 ADAM S的三缸柱塞泵动力学仿真分析
) 29 )
表 1 三缸柱塞泵的运动部件转动惯量
质的部分流体特性, 忽略阀堵的滞后动作, 认为液
缸内压强保持 35 M Pa无波动。建立以速度为条件
的分段函数来模拟阻力大小,
0
v柱塞 < 0
运动阻力 F = 0
v柱塞 = 0。
350
v柱塞 > 0
图 5 曲轴与连杆 1连接 处 X 向和 Y 向受力曲线
曲柄转角每 120b的受力周期相同, Y 向最大受
4 韩志勇. 垂直井眼内钻柱的轴向力计算及强度校 核. 石
油钻探技术, 1995, 23 ( S): 8~ 13 5 殷 绥 域. 弹 塑 力 学. 武 汉: 中 国 地 质 大 学 出 版 社,
1990: 23~ 24 6 徐 灏. 疲 劳 强 度 设 计. 北 京: 机 械 工 业 出 版 社,
) 28 ) ! 设计计算 #
石油机械 CH INA PETRO LEUM MA CH IN ERY
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2007年 第 35卷 第 4期
基于 ADAM S的三缸柱塞泵动力学仿真分析
张子胜 1 张惠林 1 姜士湖 2 李武幸1 轩继花 1
( 1. 中油特种车辆有限公司 2. 中原油田分公司博士后工作站 )
力 65 kN, X 向最大受力 350 kN, 随时间变化合力
的大小和方向均在改变, 从图 5可以计算出每一时
刻的合力方向和 大小。合力夹 角 H= arc tan Fy , Fx
合力 F c=
F
2 x
+
F 2y 。
对柱塞的动力学特性分析也是关键点。通过测
量得到柱塞的推力及速度、加速度曲线, 柱塞的推 力曲线如图 6所示, 速度曲线如图 7所示, 加速度
收稿日期: 2006- 10- 25 (本文编辑 李学富 )
01 146
11 780
11 890
十字头 (含销 )
571 45
01 390
01 870
01 980
输入轴
221 32
01 025
11 250
11 250
将模型简 化后转化 为 P ro /E 的文件 格式, 在 P ro /E 软件中打开模型, 设定刚体、约束副、齿轮 副、运动副及载荷等条件。约束副包括固定副、移 动副、旋转副; 为方便测量传动扭矩的数据, 在齿 轮与传动轴之间设定旋转弹簧; 设定仿真系统重力 方向及重力加速度。
关键词 三缸柱塞泵 ADAM S 动力学仿真
引
言
三缸柱塞泵作为固井、酸化、压裂、压井和砾 石填充等油田作业的关键设备, 在石油天然气生产 中起到非常重要的作用。由于工作介质密度高、流 动性差、易凝固, 需要大排量、高压力短时间内将 液体打入井内一定深度, 这些设计目标决定了三缸 柱塞泵应具有功率大、线速度高、重载、变载等工 作特性。因此, 分析三缸柱塞泵的动力学性能就显 得尤为重要, 分析 运动部件的 位移、速 度、加速 度、扭矩、载荷、离心力等性能指标, 就能够评价 和优化其整体的安全性能和动态稳定性。
图 4 小齿轮输入扭矩曲线
从图 4可以得到最大输入扭矩为 5187 kN # m, 转速按 276152 r/m in 计算, 可以得 到最大功 率为 170 kW ( 不含功率损失 ), 且扭矩波 动幅度为 22 % , 以此为依据可进行驱动装置的选择。
4. 仿真后处理 由于曲轴、连杆和十字头的受力是关键点, 因 此建立测量提 取这些约束副处 的受力曲线, 对应 F 1 的曲轴处 X 向和 Y 向受力如图 5所示 (X 轴下 侧为 Y 向受力 ) 。
图 3 三缸柱塞泵动力学仿真模型
3. 动力学仿真
在每个柱塞端模拟由于液体介质压力造成的运
动阻力 F1、F2 和 F 3。根据液体介质的工作压强为 35 M Pa, F 1、F2 和 F3 的周期相差 T /3, 每个柱塞 每分钟运动 60个冲程, 可得每个冲程的周期为 1
s, 因此各阻力周期相差 ". s。运动阻力 F1、F 2 和 F3 的大小与运动的方向、速度、加速度和接触面 积有关, 在对仿真结果影响不大的前提下, 忽略介