螺桿泵的動(dòng)力學(xué)機(jī)理和三維數(shù)值模擬技術(shù)研究.pdf

1、作為一種高效環(huán)保的新型舉升工藝，在過(guò)去二十年中，螺桿泵采油技術(shù)在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用規(guī)模迅速擴(kuò)大。但是，由于受到螺桿泵自身空間構(gòu)造的復(fù)雜性、定子材料力學(xué)特征的高度非線性，以及對(duì)井下實(shí)際工況的敏感性等諸多因素的限制，如何清晰準(zhǔn)確地表征和認(rèn)識(shí)螺桿泵的工作機(jī)理(尤其是橡膠定子的力學(xué)行為)成為長(zhǎng)期困擾采油工程師們的難題。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，利用有限元分析技術(shù)進(jìn)行螺桿泵工作機(jī)理的深入研究已經(jīng)成為可能。目前這項(xiàng)工作開展了不到十

2、個(gè)年頭，現(xiàn)有的分析主要是建立在二維靜力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，模型的結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)模型與實(shí)際工況存在較大差距；同時(shí)，由于對(duì)定子橡膠材料的超彈性力學(xué)特征認(rèn)識(shí)不足，在分析由于溫升導(dǎo)致的定子材料破壞問(wèn)題時(shí)，難以建立有效的分析模型。針對(duì)以上問(wèn)題，本文開展了螺桿泵三維動(dòng)力學(xué)和溫度場(chǎng)分析模型的研究。 第二章從螺桿泵定子和轉(zhuǎn)子的三維幾何模型入手，建立了定子和轉(zhuǎn)子的型線方程、嚙合線方程；通過(guò)分析轉(zhuǎn)子中心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、轉(zhuǎn)子表面和嚙合點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了螺桿

3、泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；從描述螺桿泵定子、轉(zhuǎn)子和工作介質(zhì)的相互作用關(guān)系入手，對(duì)螺桿泵部件的受力進(jìn)行了分類，由液壓力的分析模型中給出了液壓軸向力、橫向力、傾倒力，以及有功負(fù)載力矩、傾倒力矩的表征和計(jì)算方法，出此建立了完整的螺桿泵動(dòng)力學(xué)模型。 在第三章中，為了準(zhǔn)確描述定子橡膠材料的宏觀力學(xué)特征，利用解耦的方法，開展了橡膠材料超彈性本構(gòu)模型研究。借鑒輪胎橡膠領(lǐng)域的研究成果，根據(jù)螺桿泵定子橡膠在實(shí)際工況中存在的大變形現(xiàn)象，選用YEOH模型作為定

4、子橡膠的本構(gòu)模型，并利用單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果獲得了定子橡膠的本構(gòu)方程，同時(shí)還給出了利用ABAQUS軟件優(yōu)化橡膠本構(gòu)方程的方法。 在準(zhǔn)確表達(dá)橡膠材料力學(xué)屬性的基礎(chǔ)上，建立定子和轉(zhuǎn)子接觸模型是開展螺桿泵三維有限元分析的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。在接觸問(wèn)題中，除了需要滿足一般的控制方程外，還要考慮接觸面上的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的條件，其中的關(guān)鍵是不可侵徹性條件。對(duì)接觸模型的形式和邊界條件也進(jìn)行了詳細(xì)的描述，同時(shí)給出了定子和轉(zhuǎn)子的摩擦模型。 第

5、四章利用幾個(gè)典型算例，討論了運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS建立螺桿泵三維動(dòng)力學(xué)模型的具體過(guò)程。其中，重點(diǎn)討論了過(guò)盈接觸引起的摩擦力以及液壓力作用下的螺桿泵應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律和相關(guān)力學(xué)特征。數(shù)值模擬表明，過(guò)盈參數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致摩擦扭矩增加，而偏心距的改變也會(huì)對(duì)摩擦扭矩產(chǎn)生直接影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化組合有助于減小負(fù)載扭矩的大小和波動(dòng)；數(shù)值模擬結(jié)果表明，定子材料的硬度也會(huì)對(duì)摩擦扭矩產(chǎn)生影響；另外，在橡膠材料的不可壓縮特性作用下，定子的應(yīng)力應(yīng)變會(huì)更多集中

6、到壓力較高的泵上端，從而可能導(dǎo)致泵出口處定子橡膠的變形和磨損程度加劇。 第五章探討了單向解耦法獲得了螺桿泵二維溫度場(chǎng)分析模型的過(guò)程，橡膠的粘性特征是其生熱的起因，在轉(zhuǎn)子周期性載荷作用下，定子橡膠會(huì)產(chǎn)生粘性損耗，損耗能量轉(zhuǎn)化為熱能導(dǎo)致橡膠內(nèi)部溫升，損耗能量的計(jì)算是通過(guò)彈性應(yīng)力應(yīng)變分析獲得的。計(jì)算獲得了損耗熱產(chǎn)生的不均勻溫度場(chǎng)分布規(guī)律，也探討了均勻溫度和不均勻溫度場(chǎng)對(duì)定子型線的影響。計(jì)算表明，損耗熱引起的不均勻溫度場(chǎng)對(duì)于型線的改變作