三头单螺杆泵参数化实体建模与接触分析

定子作为螺杆泵的主要部件,其受力以及变形情况严重影响着螺杆泵的工作性能和寿命。因此,对接触状态下三头单螺杆泵易损件—定子的受力及变形规律进行研究分析至关重要。通过坐标变换方法推导出三头单螺杆泵定子端面线型方程,运用Top-down设计思想并结合PTC Creo3.0、Mathcad软件对三头单螺杆泵进行参数化实体建模,利用有限元分析软件Workbench分析了接触状态下泊松比、均匀内腔压力对三头单螺杆泵定子橡胶变形规律的影响。研究结果表明:定子橡胶轮廓变形位移与泊松比成反比,与定子内腔均匀压力成正比。上述建模和分析方法,不仅提高了多头单螺杆泵的设计效率,且误差较小,为进行多头单螺杆泵深入研究提供了参考。     

等壁厚螺杆泵定子的有限元分析

重点研究了等壁厚螺杆泵定子橡胶衬垫内轮廓线的变形规律,对其应力和应变分布情况作了辅助性分析;研究均匀内压作用情况下,考虑工作压差以及定子与转子的装配等所引起定子橡胶的变形和受力的变化.利用有限元分析软件Abaqus,对等壁厚螺杆泵定子进行研究,得出了螺杆泵定子在不同工况下的受力状态和变形规律,以及定子材料参数对变形规律的影响.利用此规律可对等壁厚螺杆泵进行优化设计,提高其工作效率.     

双头单螺杆泵等壁厚橡胶衬套力学性能仿真

为研究双头单螺杆泵等壁厚橡胶衬套的力学性能,建立了常规衬套和等壁厚衬套的计算模型。采用有限元法分析了均匀内压和初始接触状态下两种衬套的受力情况,由此将两种衬套的力学性能进行对比。计算结果表明:在均匀内压下,双头单螺杆泵常规型衬套最大位移出现在内壁凸起处,而等壁厚衬套的最大位移出现在圆弧凹陷处;相同压力下,等壁厚衬套的位移和应力均小于常规衬套;等壁厚衬套对压力的敏感程度低于常规衬套,具有更好的抗压抗变形能力;初始接触状态下,等壁厚衬套的接触压力更大,密封性能更好,但是等壁厚衬套的应力场扩散至了衬套外壁,这就要求衬套与缸套间必须具有更大的粘结强度。     

双头单螺杆泵衬套力热耦合模拟研究

针对双头单螺杆泵在工作过程中,还没有能够直接对井下工况衬套橡胶的温度场分布等进行有效的测试,定子衬套又容易实效、衬套型线对螺杆泵工作性能影响很大的现状,对双头单螺杆泵衬套进行计算机仿真模拟研究则是一个尝试.鉴于双头单螺杆泵衬套的特殊形状将三维模型合理简化为平面应变模型进行模拟研究.运用有限元方法对三种线型的双头单螺杆泵衬套进行力热耦合模拟研究.给出了在额定工况下,螺杆泵衬套温度场分布云图.揭示了螺杆泵衬套的温度分布规律,弥补了螺杆泵衬套温度场难以测量的问题.为双头单螺杆泵衬套的热分析、型线选择、性能优化等提供参考依据.     

单螺杆泵定转子接触应力有限元分析

定转子接触状况是单螺杆泵密封性能和使用寿命的关键影响因素,采用ANSYS对定转子接触应力进行了非线性计算,得到了非均匀内压受力和变形规律,并分析了泵压差、泊松比和过盈量对接触性能的影响规律,结果表明压差与最大法向位移呈正相关,与最大剪切应变和最大接触压力呈负相关;泊松比与最大法向位移呈负相关,而与最大剪切应变和最大接触压力呈正相关;过盈量与最大法向位移呈负相关,而与最大剪切应变和最大接触压力呈正相关。研究结果可以为泵结构的优化设计和工作性能的提高提供了理论依据。     

双头单螺杆潜油泵橡胶衬套力-热耦合模拟研究

针对用于井下采油的潜没式双头单螺杆泵在工作过程中,还没有能够直接对处于采油井下工况的衬套橡胶的温度场分布等进行有效的测试,定子衬套又容易失效、衬套型线对螺杆泵工作性能影响很大的现状,对双头单螺杆潜油泵衬套进行计算机仿真模拟研究进行一次尝试。鉴于双头单螺杆泵衬套的特殊形状,将三维模型合理简化为平面应变模型进行模拟研究。运用有限元方法对3种型线的双头单螺杆泵衬套进行了力热耦合模拟研究。获得了在额定工况下,螺杆泵衬套的温度场分布云图。揭示了螺杆泵衬套的温度分布规律,解决了螺杆泵衬套温度场难以测量的问题。为双头单螺杆泵衬套的热分析、型线选择、性能优化提供参考依据。     

三头单螺杆泵定转子接触磨损分析

采用ANSYS软件对短幅内摆线外等距曲线及短幅外摆线内等距曲线2种线型的三头单螺杆泵在过盈及压差作用下的变形、受力及接触情况进行有限元分析,得到定转子接触时变形及应力分布云图,比较2种线型三头单螺杆泵的密封性能.结果表明:过盈量的存在是实现螺杆泵密封的重要条件;压差的存在使定子橡胶发生较大的变形,应力应变值也相应增加;短幅内摆线外等距曲线三头单螺杆泵密封性能优于短幅外摆线内等距曲线三头单螺杆泵.     

常规螺杆泵定子有限元求解策略

螺杆泵定子橡胶不仅是易损构件,而且它与转子的配合状况对螺杆泵的工作性能影响显著,为此需要围绕上述问题开展相关的研究工作。目前,还没有能够直接对实际工况下的定子橡胶的变形和受力状态进行测试的有效手段,因此对螺杆泵定子进行有限元分析自然是有益的尝试。利用有限元分析软件ABAQUS,对螺杆泵定子进行研究,得出了螺杆泵定子在不同工况下的受力状态和变形规律。针对常规螺杆泵受均匀和非均匀内压情况,对空间模型与平面应变模型所求出的定子的应力、应变和内轮廓节点位移进行了比较。通过对比分析论证了三维模型和平面应变模型所求出的定子橡胶衬垫在内压作用下其内轮廓线位移是一致的。因此,在这种情况下可以用平面模型来代替三维模型,从而大幅度提高了求解效率。     

多头等壁厚橡胶螺杆钻具定子有限元分析

利用三维设计软件,建立了常规螺杆钻具定子和等壁厚橡胶螺杆钻具定子的二维平面模型,在有限元分析软件环境下,进一步建立定子的有限元分析模型,并分析了定子橡胶衬套内表面在均匀压力作用下的应力、应变和位移的分布规律。结果表明,在相同压力下,等壁厚衬套比常规衬套有更好的抗形变能力;在相同的过盈量下,等壁厚衬套有更好的密封能力;在同等扭矩下,等壁厚定子的长度可以缩短,等壁厚橡胶衬套内表面相对位移变化小,使转子与定子间产生均匀的过盈,从而提高了螺杆钻具的工作性能。     

单螺杆泵的接触疲劳磨损分析

本文将目前国内外对单螺杆泵定子的磨损研究情况作一综述,对常规单螺杆泵和等壁厚单螺杆泵进行了接触分析。针对目前单螺杆泵定子受压侧直径与圆弧连接点处的磨损最大的现象,从疲劳磨损的角度进行了深入研究,认为这是由于在圆弧段对角处的剪切应变远远大于其它地方,在周期性载荷的作用下橡胶表面产生重复的压缩、拉伸和交变剪切应力而发生多次变形,从而使橡胶表层发生疲劳磨损。对于等壁厚单螺杆泵来讲,其最大的剪切应变在橡胶衬套的外层,这意味着等壁厚单螺杆泵橡胶衬套外层与钢套之间的联接强度将受到考验,衬套外层与钢套之间的联接处可能是等壁厚单螺杆泵的疲劳失效处。     

Analysis of mechanical behavior and hysteresis heat generating mechanism of PDM motor

Positive displacement motor (PDM), which is prone to high temperature fatigue failure, can be weakened in its application in deep and superdeep well. In order to study the forced state, deformation regularity and thermal hysteresis of PDM motor, the paper established the three-dimensional thermal-mechanical coupled Finite element model (FEM). Based on the theoretical research, experimental study and numerical simulation, the study found that the displacement of stator lining shows a sinusoidal variation under internal pressure, when adapting the general form of sine function to fitting inner contour line deformation function. Then the paper analyzed the hysteresis heat generating mechanism of the motor, learning that hysteresis thermogenous of stator lining occurs due to the viscoelastic of rubber material and cyclic loading of stator lining. A heartburn happens gradually in the center of the thickest part of the stator lining as temperature increases, which means work efficiency and service life of PDM will be decreased when used in deep or superdeep well. In this paper, we established a theory equation for the choice of interference fit and motor linetype optimization design, showing hysteresis heat generating analyzing model and method are reasonable enough to significantly improve PDM’s structure and help better use PDM in deep and surdeep well.     

单螺杆泵转子在定子衬套中运动接触迹的研究

单螺杆泵在抽汲高黏度、高含气量和高含砂量的原油方面具有独特的效果，在机械采油设备方面被广泛应用。单螺杆泵的核心部件是定子和转子。通过研究转子在定子衬套中的运动接触迹，确定镗削刀具加工轨迹，从而实现具有内螺旋孔的金属定子的加工，以其作为衬套替代传统的橡胶衬套。     

单螺杆泵定子橡胶的接触磨损分析

采用有限元法对常规单螺杆泵和等壁厚定子单螺杆泵的定子橡胶和螺杆进行接触非线性计算,得到了螺杆与定子在不同位置接触时变形及剪应变云图;分析了定子接触磨损的特点及规律,并进行了比较。结果表明：常规单螺杆泵定子与螺杆在圆弧顶接触时,剪应变和变形最大,定子两圆弧对角磨损最严重,同时定子的磨损随过盈量增大而明显增大;而等壁厚螺杆泵则在中间位置接触时,剪应变和变形最大,且最大剪应变位于定子的外表面。由于目前还没有能够直接对实际工况下的定子橡胶的变形和接触状态进行测试的有效手段,本文为定子的优化设计提供了理论基础和有效的数值模拟方法。     

空气螺杆钻具定转子啮合动力学仿真分析

为研究空气螺杆钻具结构参数与其工作效率及使用寿命的关系,建立了空气螺杆钻具一个导程的非线性动力学模型。采用橡胶Mooney-Rivlin双参数模型,考虑橡胶衬套材料非线性、内压及转子惯性对橡胶衬套的作用,对空气螺杆钻具进行了动力学仿真。研究了过盈量、偏心距变化对空气螺杆钻具定子衬套应力应变和摩擦阻力矩的影响。结果表明,过盈量和偏心距的变化对空气螺杆钻具摩擦阻力矩及定子衬套所受应力应变均有影响,而过盈量变化的影响作用更加明显,合理调整过盈量和偏心距可以提高空气螺杆钻具的工作效率和使用寿命。     

高温含砂原油中等壁厚螺杆泵定子衬套磨损分析

为研究高温采油工况下螺杆泵定子衬套的磨损情况,将定子橡胶在高温含砂原油中进行摩擦学试验,测出橡胶的摩擦因数。运用有限元分析方法,对螺杆泵等壁厚定子橡胶衬套进行接触非线性计算,研究工作压差、过盈量以及摩擦因数等多因素对定子衬套磨损的影响。分析结果表明：在工作温度60℃、压差0.5MPa的工况下,橡胶衬套最大等效应力和等效应变出现在定子衬套外侧,最大等效应力和等效应变随着过盈量和摩擦因数的增大而增大,摩擦因数对定子橡胶衬套的磨损影响相对较小,选择合适的过盈量有助于减小磨损,提高效率。     

螺杆泵定子温胀溶胀耦合变形及密封特性

采油螺杆泵工作时,定子在高温介质作用下发生温胀和溶胀,使定子脆化、膨胀等,降低螺杆泵密封性能。通过试验测得橡胶材料体积热膨胀系数及水浸和油浸时的溶胀参数,推导橡胶定子自由膨胀变形量表达式;对定子温胀变形进行有限元计算,使用温度当量法分析定子溶胀特性,耦合温胀与溶胀载荷进行有限元计算,得到型线的温胀与溶胀耦合作用变形规律。结果表明：定子发生温胀与溶胀变形时,定子型腔内表面变形量与壁厚成比例,最大变形出现在定转子接触位置;溶胀产生的变形量远高于温胀变形量。对螺杆泵密封特性进行有限元分析,得到定转子间密封带接触应力随温度与过盈量变化规律。结果表明：接触应力随温度和过盈量的增大而增大,油浸时最大接触应力高于水浸。     

基于Pumplinx的螺杆泵性能优化仿真研究

为了得到螺杆泵转子直径与定子导程对泵性能的影响规律,基于Pumplinx软件对橡胶定子单头单螺杆泵进行非稳态数值计算求解,在此基础上探究了不同压差条件下无量纲参数T/D对螺杆泵流量、水力效率以及轴向力的影响进行分析并基于此进行性能优化。结果显示,随着T/D的增大,泵流量增加,轴向力基本保持不变,而水力效率先增大后减小,其最优值出现在T/D=4.5时;螺杆泵定子转子啮合区域的泄漏较为明显,且随着T/D的增大泄漏量增多。因此为了得到更高的效率,T/D宜优化至4.5;为了得到更大流量的同时不牺牲效率,T/D宜优化至5.4。此外,数值计算与试验结果较为一致,偏差不超过3.5%,表明该螺杆泵仿真方法具有参考价值。