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关键词：钻井泵； 机架； 强度分析； 刚度分析； 模态分析； 动特性分析； 有限元法
1 前 言
F1300型三缸单作用钻井泵，是宝鸡石油机械厂为了满足油田高泵压和大排量钻井工艺的需求，类比美国EMSCO泵自行设计制造的。它缺少必要的理论计算依据，不能完全适应高压喷射钻井工艺的发展对泵的抗振性提出的高要求。为了全面了解F1300型三缸泵机架的应力水平和刚度分布情况，发现薄弱环节和过剩部位，为减轻重量、降低成本、均衡整机应力与刚度提供必要的改进设计依据，我们进行了静力有限元计算。
在静力分析的基础上，我们还对机架的固有振动特性进行了分析，目的在于全面了解泵的动刚度的分布，发现动刚度的薄弱环节和过剩部位，对泵体的改造进行动态特性分析与动态设计，使泵体的质量和刚度有一个合理的分布，进一步改善泵的动态特性，提高其抗振性能，全面提高泵的质量，延长泵的使用寿命。
2 机架力学计算模型
F1300型三缸泵采用钢板组焊结构。整个机架结构由左右两块主墙板、前墙板、前底板、前联接板、顶板一、顶板二、顶板三、上、下支承板、横墙板(Ⅰ)、横墙板(Ⅱ)、上横板、底板―～四和两根座架梁组成。机架内部由于结构上的需要，沿x和z方向有支承筋、加强筋和型钢等零部件。在两块主墙板的主、被动轴承孔处分别焊接有铸钢轴承座。机架结构计算模型简图见图1。
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2.1 机架结构的离散
钻井泵机架是由钢板组焊而成的，可以按板壳单元计算；主、被动轴承座简化为厚圆环结构，按三维8～21节点块元计算；支承筋、型钢和两根座架梁按空间梁单元计算，并从属于相应的主节点；圆环结构和板壳结构的弱连接采用罚单元处理；倾斜板单元节点的第6个自由度用边界弹簧单元处理。整个机架结构分成12批1331个板壳单元，2批141个空间梁单元，56个三维块元，46个罚单元和182个边界弹簧单元，总计1797个节点。离散后机架结构单元网格图和结构坐标系见图2。
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2.2 载荷工况和机架受力的简化
2.2.1 前墙板受力
由缸套直径和额定压力两个性能参数，可以获得活塞水平方向所受最大力。该力作用在前墙板孔中心，假定1、2两缸同时受力，按静力等效原则简化到前墙板总体节点上去，成为节点载荷。
2.2.2 下支承筋受力
垂直方向受力，可由十字头受力分析求得。并假定这个集中压力平均作用在下支承板的四根支承筋上。
2.2.3 主墙板受力
三缸单作用钻井泵机架承受着三个活塞交替变化的作用力，通过液力端阀箱上的联接螺栓将活塞的推力传递给前墙板，由主、被动轴对主墙板轴承座的作用力与之平衡。三缸的作用力按120°循环交替工作，一个缸满负荷工作时，另外两个缸以一定的重叠系数工作着。本文按两缸同时满负荷工作计算，并假定被动轴处于正转状态。
2.3 边界条件
钻井泵在油田钻井现场，底座的固定方式不一。钻井泵机架是通过8个联接螺栓，与底座的座架梁牢固联接在一起的。本文对机架的约束条件采用了在底座梁下翼缘分别沿X向设置一个杆支座，Y向设置6个杆支座，Z向设置2个杆支座，以约束X、Y、Z方向的线位移。这种边界约束条件与油田钻采现场的约束条件基本相同。
3 机架强度分析
当1、2缸受力时，左右两主墙板受力不相同，应力、变形更不均匀，因而更危险。根据计算结果分析如下：
左墙板最大拉应力发生于单元209和159，其值分别为31.50MPa和25.33MPa，这是主、被动轴孔中心连线位置区(图3-a)。单元209为二向拉应力状态，应力值最大，此区为左墙板受力最大区，也是实际易损坏区。与主轴承座相连处、与前墙板相连处及动力端尾部受力也较大，整板应力集中不明显，应力水平偏低。
前墙板是直接承受液力端活塞推力的一块三孔平板，整板相当应力均在25.65MPa以下，对钢板来说，强度足够。前联接板最大拉应力发生于单元35，数值为σ1=55.61MPa，σ2=9.53MPa；上部边缘为最大拉应力区(图3-b)，相当应力数值在42.67～51.51MPa之间；一般单元相当应力多数在30MPa左右，应力分布较合理，为主要承力板之一。
顶板一最大拉应力发生于单元58，数值为σ1=52.38MPa，σ2=2.07MPa，这是整个机架最大应力值，次大拉应力发生于单元62，数值为σ1=30.84MPa，σ2=2.68MPa；一般在20MPa以下。此两单元都在过渡圆角处(图3-c)，明显大于平均应力水平，即在开口、过渡圆角处存在明显的应力集中。
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横墙板二最大拉应力值为σ1=20.87MPa，σ2=
