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采油单螺杆泵接触压力的有限元分析

发布于:2018-06-26 20:10
有限元分析

      螺杆泵以其独特优势倍受国内外油田重视,但由于目前对螺杆泵的基础理论及其采油配套工艺技术,特别是螺杆泵使用寿命短一直是油田急待解决的突出问题。为此,本研究对螺杆泵转子、定子间的接触压力进行了有限元分析,为螺杆泵磨损和寿命问题的研究奠定了基础。
      根据资料模拟螺杆泵的结构参数,即定子橡胶外径78 m门飞转子直径38 m门飞偏心距5 m门飞导程160 m门飞过盈量0.3 mm,利用SolidWorks建立该螺杆泵的三维实体模型。
      螺杆泵模型是比较复杂的模型,不能通过简单的面加载来实现。在已有关于螺杆泵力学分析的文章中一直对加载没有明确说明,原有的方法是使用单元或者节点来加载压力;这种方法有很多缺陷,加载时容易产生遗漏或在主观上有错误,而且在模型变化之后,必须得重新加载,费时费力。本论文通过运用布尔减运算中的一种方法,把定子内表面划分成以密封带为边界的多个面,这其中把每个腔室需要加载的面都已经给隔离出来,非常方便加载,只要在建立接触对把各个面连接成一个整体就能保证面与面之间能够在力学特性保持一致;而且每次模型变化包括重新划分网格,网格加密等改变节点数量的变化都可以直接通过面加载来实现,非常方便并且操作简单,此种方法无论节点多少都可以一步完成。
      螺杆泵的结构形状复杂,难以简化为平面问题或轴对称问题,必须按空间问题求解,选择合适的实体单元对螺杆泵三维几何模型进行离散处理。螺杆泵中螺杆的外表面是单螺旋面,定子橡胶衬套内表面是双螺旋面,边界形状较复杂,应选择等参单元来模拟。定子是决定螺杆泵寿命的关键部件,因此定子橡胶是本文研究的主要对象,为了减少计算量,转子采用四面体单元SOLID45生成,定子橡胶采用计算精度较高的六面体单元SOLID 185生成。由于进行布尔运算,定子内腔形成的多个面,须把六面体单元SOLID 185简化成四面体单元。单元选择之后,要合理地确定有限元网格的疏密程度保证影响精度的结构部位都具有理想的单元网格。经过大量的尝试得出一组较合理的网格尺寸,即转子网格为2m门飞定子网格为2 mm并采用自由网格进行划分。
      为了能够反映螺杆泵的实际工作状态,在定子的圆周面和转子的侧面施加固定约束来模拟定子缸套的作用;为了避免明显的应力集中,在定子的侧面施加了对称约束。在各个腔室内加载压力,来表示螺杆泵的下部、中部、上部,并使得每个腔室之间的压差为0.1,完全符合螺杆泵的工作参数,设定50℃的均布温度。
      经分析在密封带的任意处,沿其横向皆具有中间压力值大,两边值小的特点,这是由于定转子的型面特征以及相邻腔室内的液压力作用的结果,并且由于两腔室间的压力不等,所以接触压力最大值点皆偏向于低压腔一侧,密封带开始变窄,直至断裂。
      (1)建立了单螺杆泵三维有限元模型,并运用布尔运算实现了面加载。
      (2)通过对单螺杆泵进行有限元分析表明,在半圆处的接触压力值的变化不大,并且该处的密封带宽度比螺旋带的宽,磨损比较均匀,因此此处不易产生泄漏;而螺旋带处的接触压力的变化幅度较大,甚至出现接触压力为零的地方,出现断裂产生泄漏,而某些地方出现接触压力的最大值或较大值,导致密封带宽度比较窄,磨损比较严重,加上各方面的破坏,以及橡胶表面在油浸一段时间之后,各种机械性能都下降,所以螺旋带上的密封带容易断裂从而产生泄漏。



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