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。 。。。。。
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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