螺杆泵橡胶定子力学特性有限元分析研究
                                                 祖海英，耿春丽，田〓密
                               (东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆〓163318)
    以采油螺杆泵橡胶定子为研究对象，通过设置转子旋转速度、细化接触密封带网格、定义合理腔室压力等手段建立螺杆泵有限元分析模型，并对其进行分析，确定密封带的接触应力、定子横截面和内表面的剪应力，以及定子内表面的等效应力的分布规律，从而确定螺杆泵各个位置的受力变形情况。

     井下工作环境恶劣，采油螺杆泵长时间在这样的环境中运转，使得定子橡胶承受周期性的交变载荷，导致其严重变形甚至损坏，因此研究定子橡胶受力变形情况迫在眉睫。而螺杆泵的力学特性就是研究螺杆泵疲劳、磨损失效的基础。螺杆泵工作时，为了满足隔离和密封条件，其定子和转子之间存在过盈配合。为了实现从井下连续举升液体，转子绕定子轴线作行星回转运动。由于螺杆泵具有复杂的结构和运动情况，导致定子橡胶内表面承受液体压力、转子对它的接触压力、剪切力、拉伸力、摩擦力、惯性力及转子绕定子轴线行星回转时牵连运动产生的离心力等。本文采用有限元法对螺杆泵力学特性进行分析，研究橡胶定子所受接触应力、剪应力和等效应力的分布规律，进而确定螺杆泵最易变形的位置，为研究螺杆泵疲劳、磨损等失效分析奠定基础。

1〓有限元分析模型的建立
由于定子橡胶材料属性的非线性、型面的复杂性和载荷的多样性，导致目前螺杆泵的有限元分析模型多数是基于静力学的模型。为了缩小静态模型与实际工况的差距，本文以油田上普遍使用的GLB120-27型单头普通内摆线型螺杆泵为研究对象，通过设置转子旋转速度、细化接触密封带网格、定义合理腔室压力建立有限元分析模型。该螺杆泵的结构参数见表1。

表1〓GLB120-27型单头普通内
摆线型螺杆泵结构参数mm〓〓
〖HT6SS〗〖BG(!〗〖BHDFG2*8,WK14,WK13W〗
参数〖〗取值
定子外径〖〗89
转子直径〖〗38
偏心距〖〗5
过盈量〖〗0.3
定子导程〖〗160
转子导程〖〗80

    为准确分析定子所受的接触应力，将重点分析的转子和定子的过盈接触密封带部分网格设定为0.001m，承受液体压力的定子内表面网格设定为0.003m，非重点分析的转子和定子其他位置网格设定为0.005m，得到的有限元网格模型如图1所示。在螺杆定子橡胶衬套的外表面设置固定约束等效定子钢套，定子两个端面设置为对称约束。在转子上施加惯性载荷，设定转速为150r/min，分别建立螺杆泵在转速与内压综合作用时的5段有限元计算模型和只有转速无内压作用时的1段有限元计算模型，每段以一个导程为研究对象，分别对5段模型的下腔室、中间腔室、上腔室内表面施加不同的压力，模拟实际工作中的载荷分布。根据资料确定相邻腔室间压差为0.5MPa，5段模型各密封腔室压力情况见表2。其中一个导程有限元分析模型如图1所示。
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作者简介：祖海英(1979—)，女，河北唐山人，东北石油大学副教授，博士研究生，主要研究方向为采油机械的性能及失效分析。


（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）

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