泵阀是钻井泵的要害部件和易损件之一 ，其设计优劣直接影响到泵的事情性能和使用寿命。一方面 ，要提高泵阀接触外貌耐冲蚀的能力 ，就一定要增加接触面的外貌硬度 ，而硬度过高又会削弱耐攻击的性能。另一方面 ，要提高质料抗攻击载荷的能力 ，就必须包管质料有较高的韧性 ，相应的硬度又会受影响。别的 ，尽管泵阀的综合性能好 ，但在差别工况条件下 ，种种性能并不会同时发挥作用 ，且泵阀的加工本钱也会相应提高。因此 ，研究泵阀的失效机理对泵阀的设计制造具有重要的指导作用 ，一般而言 ，造成钻井泵阀失效的原因有攻击疲劳破坏和冲蚀磨砺磨损（液力磨砺性磨损）两种。然而通过对矿场报废的钻井泵阀宏观和微观形貌剖析标明 ，攻击疲劳破坏是泵阀失效的主要机理 ，因此在泵阀设计时 ，要重点考虑泵阀质料的抗攻击疲劳性能及由零件的局部应力状态确定的疲劳强度。本文依据泵阀在关闭阶段的简化模型和泵阀攻击历程的有限元动力学模型 ，重点研究泵阀攻击时 ，阀盘与阀座接触面上爆发应力集中部位的受力形式及水平 ，并通过泵阀疲劳寿命曲线对最大应力区进行疲劳校核 ，从而估算泵阀的使用寿命。凭据疲劳寿命曲线 ，以泵阀最弱区为工具 ，通过革新泵阀的结构以降低峰值应力 ，为高效地利用泵阀提出可行性计划。
1、泵阀应力剖析
随着活塞的往复运动 ，阀盘对阀座爆发间歇攻击 ，泵阀蒙受攻击载荷。接触面上应力由闭合瞬间到爆发最大应力再到泵阀开启时刻 ，如此循环攻击 ，可以认定泵阀蒙受脉动循环应力。在泵阀关闭阶段的简化模型中 ，假定在很小的滞后高度内 ，阀盘受力稳定 ，匀加速向下运动 ，直至关闭。凭据此模型求出泵阀关闭时刻阀盘的速度和加速度。文献中以油田大宗使用的 7# 阀为例 ，选取锥角为 45°（锥角为锥阀母线与轴线之间的夹角） ，设定阀开启时曲柄转角φ=25° ，冲次为 120 次／min ，泵压为 15MPa ，在曲柄转角φ=25°~180°之间 ，对钻井泵阀阿道尔夫精确微分方程进行数值仿真 ，获得阀盘的滞后高度为 0.0056m ，在此处的速度为﹣0.4067m/s2。利用简化模型 ，可求出泵阀关闭时刻阀盘的速度为﹣19.3676m/s ，加速度为﹣33476.65m/s2。
以简化模型获得的关闭时刻阀盘的速度和加速度作为运动界限条件 ，利用 ANSYS/LS—DYNA 软件构建泵阀的三维模型 ，模拟阀盘攻击阀座的历程。按泵阀的实际尺寸建立泵阀整体模型 ，省略密封圈 ，凭据钻并泵阀实际工况设置质料属性及几何约束条件 ，接纳 8 结点六面体单位进行网格化划分 ，建立模型 ，剖视图如图 l 所示。
图 1 泵阀三维模型剖视图
应用动力学理论剖析处理碰撞、滑动接触界面问题 ，获得锥角 45 °、7 #阀阀盘在闭合阶段爆发最阵势部应力时的应力漫衍图 ，如图 2。
图 2 阀盘应力漫衍图
由图 2 获得阀盘在攻击阀座的历程中 ，爆发的最阵势部集中应力为 0.955×109Pa ，从而可知泵阀锥面下端应力集中区域蒙受的脉动循环载荷 0.955×109Pa ，周期为 0.5s（泵阀的冲次为 120 次／min) ，如图 3。
图 3 锥面下端应力集中区域受力形式
在脉动循环应力作用下 ，锥面下端应力集中区域更易形成疲劳裂纹 ，使泵阀的疲劳强度显著降低 ，这一点与阀座失效的宏观形貌中锥面下部爆发严重塑性变形的现象完全吻合� ？杉� ，泵阀攻击时应力集中引起的攻击疲劳是泵阀失效的主要原因。
本文接纳三维几何实体模型取代文献中的二维平面模型 ，将种种类型动力载荷施加到结构模型的特定受载部分 ，模拟真实碰撞历程。利用 ANSY/LS—DYNA 软件有限元显式非线性动力剖析求解程序 ，盘算获得越发精确的应力解 ，并且对应力漫衍的方位有越发直观的认识。
2 泵阀质料的S-N曲线
钻井泵阀的制造质料广泛接纳40Cr钢 ，40Cr钢属低合金中碳结构钢 ，经调质处理后 ，具有可塑性好、疲劳强度高、缺口敏感性低、低温攻击韧性优良等特性。力学性能见表1。
1080 | 950 | 18.0 | 58.0 |
