摘要：通過對鉆井泵閥疲勞壽命的研究，進一步闡明泵閥失效的主要機理。利用 ANSYS/LS—DYNA 軟件構(gòu)建泵閥三維實體模型，模擬閥盤沖擊閥座的過程，得到閥盤受力分布圖，據(jù)此分析脈動循環(huán)應力對泵閥疲勞破壞的影響。該分析著重考慮了在交變載荷作用下應力集中對加速泵閥失效所帶來的危害性，完善了泵閥的無沖擊理論。依據(jù)泵閥疲勞壽命曲線，對泵閥使用壽命進行估算，并提出一種泵閥結(jié)構(gòu)改進的新方案，在一定程度上有效減緩了應力集中，對延長泵閥使用壽命具有重要的實用價值。
關(guān)鍵詞：鉆井泵閥；脈動循環(huán)應力；應力集中；疲勞壽命
泵閥是鉆井泵的關(guān)鍵部件和易損件之一，其設(shè)計好壞直接影響到泵的工作性能和使用壽命。一方面，要提高泵閥接觸表面耐沖蝕的能力，就必然要增加接觸面的表面硬度，而硬度過高又會削弱耐沖擊的性能。另一方面，要提高材料抗沖擊載荷的能力，就必須保證材料有較高的韌性，相應的硬度又會受影響。此外，盡管泵閥的綜合性能好，但在不同工況條件下，各種性能并不會同時發(fā)揮作用，且泵閥的加工成本也會相應提高。因此，研究泵閥的失效機理對泵閥的設(shè)計制造具有重要的指導作用。
一般而言，造成鉆井泵閥失效的原因有沖擊疲勞破壞和沖蝕磨礪磨損（液力磨礪性磨損）兩種。然而通過對礦場報廢的鉆井泵閥宏觀和微觀形貌分析表明，沖擊疲勞破壞是泵閥失效的主要機理，因此在泵閥設(shè)計時，要重點考慮泵閥材料的抗沖擊疲勞性能及由零件的局部應力狀態(tài)確定的疲勞強度。
本文依據(jù)泵閥在關(guān)閉階段的簡化模型和泵閥沖擊過程的有限元動力學模型，重點研究泵閥沖擊時，閥盤與閥座接觸面上產(chǎn)生應力集中部位的受力形式及程度，并通過泵閥疲勞壽命曲線對最大應力區(qū)進行疲勞校核，從而估算泵閥的使用壽命。根據(jù)疲勞壽命曲線，以泵閥最弱區(qū)為對象，通過改進泵閥的結(jié)構(gòu)以降低峰值應力，為高效地利用泵閥提出可行性方案。
1 泵閥應力分析
隨著活塞的往復運動，閥盤對閥座產(chǎn)生間歇沖擊，泵閥承受沖擊載荷。接觸面上應力由閉合瞬間到產(chǎn)生最大應力再到泵閥開啟時刻，如此循環(huán)沖擊，可以認定泵閥承受脈動循環(huán)應力。
在泵閥關(guān)閉階段的簡化模型中，假定在很小的滯后高度內(nèi)，閥盤受力不變，勻加速向下運動，直至關(guān)閉。根據(jù)此模型求出泵閥關(guān)閉時刻閥盤的速度和加速度。
文獻中以油田大量使用的 7# 閥為例，選取錐角為 45°（錐角為錐閥母線與軸線之間的夾角），設(shè)定閥開啟時曲柄轉(zhuǎn)角φ=25°，沖次為 120 次／min，泵壓為 15MPa，在曲柄轉(zhuǎn)角φ=25°~180°之間，對鉆井泵閥阿道爾夫精確微分方程進行數(shù)值仿真，得到閥盤的滯后高度為 0.0056m，在此處的速度為﹣0.4067m/s
