钻井泵活塞的结构分析及改进设计
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摘要
本文概述了钻井泵活塞的研究现状和失效形式。活塞的主体材料是橡胶，橡胶是不可压缩材料，具有几何和材料的高度非线性行为；同时，活塞弹性密封件问题是状态非线性接触问题。
在本论文中，用实验方法测试了橡胶材料三种力学行为的应力应变。这三种实验分别是：单轴拉伸、双轴拉伸和剪切。根据测试数据，确定了Mooney-Rivilin理论的中的实常数，并用有限元软件ANSYS分析计算了活塞大变形问题。获得了多种应力场、位移场、变形情况和点集流线趋势，充分了解活塞在压力作用下的各种力学特性，最主要的是了解到了接触应力和摩擦力沿接触面的分布情况，探索了它们的高应力分布区，指出了活塞失效的主要原因，为活塞的改进设计提供了较为全面的资料和依据。最后，对活塞皮碗和钢芯进行改进设计；同时，提出一些延长活塞寿命的其它措施。
In the article, the present research of drilling bump piston and the expiration form of it are summarized .The piston is mainly made up of incompressible rubber materials, which is highly non-linear with geometry and physics. In the mean time, the question of the electrometric-sealing element of piston is highly non-linear in state of contact as well.
In the paper, stress and strain of three kinds of mechanics behavior of rubber material are tested by three experiment methods. These three experiments are: pull with single axis, pull with double axises and shear. According to the tested data, the real constant inside the theories of Mooney-Rivilin can be computed. And by the soft of the finite element method, which is ANSYS,
Large deformation of rubber is computed. We can acquire the fields of stress, strain and displacement, and know the trend of grains flow and understood varied mechanics characteristics of piston under press function. What's most, distributing of contact stress and friction stress along contact area can be known .We can find out district of high stress. And point out the basic reason
that the pistons of drilling pump lose efficacy. So this paper provides reliable foundation for piston's improvement design. At last, changing shape of the ring and steel hub of the piston, hope to prolong the service life of the piston, and at the same time ,mention some other improving measures in the article.
在本论文中，用实验方法测试了橡胶材料三种力学行为的应力应变。这三种实验分别是：单轴拉伸、双轴拉伸和剪切。根据测试数据，确定了Mooney-Rivilin理论的中的实常数，并用有限元软件ANSYS分析计算了活塞大变形问题。获得了多种应力场、位移场、变形情况和点集流线趋势，充分了解活塞在压力作用下的各种力学特性，最主要的是了解到了接触应力和摩擦力沿接触面的分布情况，探索了它们的高应力分布区，指出了活塞失效的主要原因，为活塞的改进设计提供了较为全面的资料和依据。最后，对活塞皮碗和钢芯进行改进设计；同时，提出一些延长活塞寿命的其它措施。
In the article, the present research of drilling bump piston and the expiration form of it are summarized .The piston is mainly made up of incompressible rubber materials, which is highly non-linear with geometry and physics. In the mean time, the question of the electrometric-sealing element of piston is highly non-linear in state of contact as well.
In the paper, stress and strain of three kinds of mechanics behavior of rubber material are tested by three experiment methods. These three experiments are: pull with single axis, pull with double axises and shear. According to the tested data, the real constant inside the theories of Mooney-Rivilin can be computed. And by the soft of the finite element method, which is ANSYS,
Large deformation of rubber is computed. We can acquire the fields of stress, strain and displacement, and know the trend of grains flow and understood varied mechanics characteristics of piston under press function. What's most, distributing of contact stress and friction stress along contact area can be known .We can find out district of high stress. And point out the basic reason
that the pistons of drilling pump lose efficacy. So this paper provides reliable foundation for piston's improvement design. At last, changing shape of the ring and steel hub of the piston, hope to prolong the service life of the piston, and at the same time ,mention some other improving measures in the article.
引文
[1]．张文斌 六彩云王景昌．钻井泵活塞寿命可靠性研究．石油机械，1998年第26卷第12期
[2]．张方升等．水利保护时钻井泵活塞现场试验评价．石油机械，1998年第26卷第12期
[3]．周锡容 彭胜商．钻井泵活塞的功能及使用寿命．石油机械，Vo．15．No．7 June，1986
[4]．周锡容 杨启明，钻井泵钢套—活塞间隙值的试验研究．石油机械，Vol．13．No．3 June，1986
[5]．[美]E．C．Lewis．泥浆泵活塞结构对其散热性能的影响．石油钻采机械，Vol．13．No．3 June，1986
[6]．Edwin C．Lewis．磨擦对泥浆泵活塞磨损的失效的影响 (.Mud Pump Failuer Analysis.)．石油工程师，1981年9月
[7]．Edwin C．Lewis．挤伤—泥浆泵活塞失效的主要原因．(Mud Pump Failuer Analysis.)．石油工程师，1981年10月
[8]．有缺陷的钢套对泥浆泵活塞胶丸的影响．石油矿场机械，1983年第5期
[9]．周锡容 杨启明．钻井泵活塞综述．石油机械技术水平调研报告集，1983年
[10]．谷祖德 李文才等．增强性钻井泵活塞的试验研究．石油机械,Vol．20 No．11 No1．1992
[11]．周任 侯福朝 杨桂芬．泥浆泵活塞静态应力和磨擦实验研究
[12]．张有志．泥浆泵活塞的试验寿命的数理统计(一)．石油钻采机械，1983年第2期
[13]．张有志．泥浆泵活塞的试验寿命的数理统计(二)．石油钻采机械，1983年第3期
[14]．江汉石油管理局钻采设备研究所．石油钻井泥浆泵聚氨酯橡胶组装式活塞研制总结报告
[15]．周凤石．井泵活塞质量的基本对策．石油矿场机械，第23卷第1期
[16]．季常柱 张勃立．钻井泵橡胶活塞温度长的试验研究．石油机械，Vol18．No．9 Sep．1990
[17]．任杰．我国泥浆泵滑动件耐磨措施的现状和展望．石油矿场机械，1995
[18]．李金峰 张嗣为．往复密封材料的现状和展望．石油机械，Vol．20 No．12 Dec．1992
[19]．李树臻等．水利保护钻井泵活塞的设计．石油矿场机械，1993年
[20]．王为先 沈桂荣．水利活塞泵工作简氟塑料密封装置的优化设计．石油机械，Vol．20 No．4 Apr．1992
[21]．王俊杰．NB500型钻井泵要点分析．石油矿场机械，1996年
[22]．顾永泉．机械密封的磨擦系数与工况参数．石油大学学报，1991年第15卷第3期
[23]．路永明．高分子材料的磨擦磨损机理的考察研究．石油大学学报，1989年第13卷第3期
[24]．杨晓翔等．橡胶—钢双材料界面断裂韧性的实验测定．大庆石油学院学报，1998年第22卷第4期
[25]．署恒木 罗文丽．自封式封井器胶芯大变形分析．石油大学学报，1997年第21卷第3期
[26]．樊俊才等．平面橡胶板位移和应力的有限元分析．大庆石油学院学报，第16卷第4期1992年12月
[27]．彭胜商 焦时全．钻井泵活塞密封失效机理分析
[28]．彭胜商 杨启明．高罗铸铁—定性橡胶磨擦磨损试验研究(二)．西南石油学院学报，1985提第三期
[29]．范家齐．杂交三角形还原计算可压缩和几乎不可压缩材料的周对称体．大庆石油学院学报，1984年第4期
[30]．吕和祥．橡皮环大变性接触问题．应用数学和力学，1986年第3期
[31]．吕和祥．橡皮环轴对称大变形分析．大连工学院学报，Vol，23．No．13
[32]．朱俊华．站长松．活塞和柱塞的结构刚度．往复泵．机械工业出版社，1991
[33]．范家齐．皱龙庆．橡胶类零件的位移和应力的有限元分析．特种橡胶制品，第一期
[34]．[英]L．R．G．橡胶弹性物理学 化学工业出版社
[35]．周光泉 刘教敏．粘弹性力学．中国科学技术出版社
[36]．王震鸣 复合材料力学和复合材料结构力学 化学工业出版社
[37]．ANSYS非线性指南．美国ANSYS工北京办事处1988年
[38]．实用工程数值模拟技术在ANSYS上的实践．王国强 北京工业大学出版社
[39]．橡胶工业手册．实验方法 化学工业出版社
[40]．石油矿场往复泵．国外近期综述 兰州市有机械研究所
[41]．万邦烈 李继志．石油矿场水利机械 石油工业出版社
[42]．王勖成 邵敏．有限单元基本原理和数值方法．清华大学出版社
[43]．张勃力 黄兆芝 贺杰．泥浆静态接触压力分布的试验研究．石油钻采机械通讯，1980年第5期
[44]. Oden JT. Finite Element of Nolinear Continua McGrwa-Hill 1972 320-327
[45]. Scharnhorst T. and Pian T.H.H., "Finite Element Analysis of Rubber-like Materials by a Mixed Model.Int. J,Num Meth Engng., 12,1987
[2]．张方升等．水利保护时钻井泵活塞现场试验评价．石油机械，1998年第26卷第12期
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[29]．范家齐．杂交三角形还原计算可压缩和几乎不可压缩材料的周对称体．大庆石油学院学报，1984年第4期
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[36]．王震鸣 复合材料力学和复合材料结构力学 化学工业出版社
[37]．ANSYS非线性指南．美国ANSYS工北京办事处1988年
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[40]．石油矿场往复泵．国外近期综述 兰州市有机械研究所
[41]．万邦烈 李继志．石油矿场水利机械 石油工业出版社
[42]．王勖成 邵敏．有限单元基本原理和数值方法．清华大学出版社
[43]．张勃力 黄兆芝 贺杰．泥浆静态接触压力分布的试验研究．石油钻采机械通讯，1980年第5期
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