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螺桿泵以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)倍受國(guó)內(nèi)外油田重視，但由于目前對(duì)螺桿泵的基礎(chǔ)理論及其采油配套工藝技術(shù)，特別是螺桿泵使用壽命短一直是油田急待解決的突出問(wèn)題。為此，本研究對(duì)螺桿泵轉(zhuǎn)子、定子間的接觸壓力進(jìn)行了有限元分析，為螺桿泵磨損和壽命問(wèn)題的研究奠定了基礎(chǔ)。
根據(jù)資料模擬螺桿泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即定子橡膠外徑78 m門飛轉(zhuǎn)子直徑38 m門飛偏心距5 m門飛導(dǎo)程160 m門飛過(guò)盈量0.3 mm，利用SolidWorks建立該螺桿泵的三維實(shí)體模型。
螺桿泵模型是比較復(fù)雜的模型，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的面加載來(lái)實(shí)現(xiàn)。在已有關(guān)于螺桿泵力學(xué)分析的文章中一直對(duì)加載沒(méi)有明確說(shuō)明，原有的方法是使用單元或者節(jié)點(diǎn)來(lái)加載壓力;這種方法有很多缺陷，加載時(shí)容易產(chǎn)生遺漏或在主觀上有錯(cuò)誤，而且在模型變化之后，必須得重新加載，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本論文通過(guò)運(yùn)用布爾減運(yùn)算中的一種方法，把定子內(nèi)表面劃分成以密封帶為邊界的多個(gè)面，這其中把每個(gè)腔室需要加載的面都已經(jīng)給隔離出來(lái)，非常方便加載，只要在建立接觸對(duì)把各個(gè)面連接成一個(gè)整體就能保證面與面之間能夠在力學(xué)特性保持一致;而且每次模型變化包括重新劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格加密等改變節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化都可以直接通過(guò)面加載來(lái)實(shí)現(xiàn)，非常方便并且操作簡(jiǎn)單，此種方法無(wú)論節(jié)點(diǎn)多少都可以一步完成。
螺桿泵的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，難以簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題或軸對(duì)稱問(wèn)題，必須按空間問(wèn)題求解，選擇合適的實(shí)體單元對(duì)螺桿泵三維幾何模型進(jìn)行離散處理。螺桿泵中螺桿的外表面是單螺旋面，定子橡膠襯套內(nèi)表面是雙螺旋面，邊界形狀較復(fù)雜，應(yīng)選擇等參單元來(lái)模擬。定子是決定螺桿泵壽命的關(guān)鍵部件，因此定子橡膠是本文研究的主要對(duì)象，為了減少計(jì)算量，轉(zhuǎn)子采用四面體單元SOLID45生成，定子橡膠采用計(jì)算精度較高的六面體單元SOLID 185生成。由于進(jìn)行布爾運(yùn)算，定子內(nèi)腔形成的多個(gè)面，須把六面體單元SOLID 185簡(jiǎn)化成四面體單元。單元選擇之后，要合理地確定有限元網(wǎng)格的疏密程度保證影響精度的結(jié)構(gòu)部位都具有理想的單元網(wǎng)格。經(jīng)過(guò)大量的嘗試得出一組較合理的網(wǎng)格尺寸，即轉(zhuǎn)子網(wǎng)格為2m門飛定子網(wǎng)格為2 mm并采用自由網(wǎng)格進(jìn)行劃分。
為了能夠反映螺桿泵的實(shí)際工作狀態(tài)，在定子的圓周面和轉(zhuǎn)子的側(cè)面施加固定約束來(lái)模擬定子缸套的作用；為了避免明顯的應(yīng)力集中，在定子的側(cè)面施加了對(duì)稱約束。在各個(gè)腔室內(nèi)加載壓力，來(lái)表示螺桿泵的下部、中部、上部，并使得每個(gè)腔室之間的壓差為0.1，完全符合螺桿泵的工作參數(shù)，設(shè)定50℃的均布溫度。
經(jīng)分析在密封帶的任意處，沿其橫向皆具有中間壓力值大，兩邊值小的特點(diǎn)，這是由于定轉(zhuǎn)子的型面特征以及相鄰腔室內(nèi)的液壓力作用的結(jié)果，并且由于兩腔室間的壓力不等，所以接觸壓力最大值點(diǎn)皆偏向于低壓腔一側(cè)，密封帶開(kāi)始變窄，直至斷裂。
(1)建立了單螺桿泵三維有限元模型，并運(yùn)用布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了面加載。
(2)通過(guò)對(duì)單螺桿泵進(jìn)行有限元分析表明，在半圓處的接觸壓力值的變化不大，并且該處的密封帶寬度比螺旋帶的寬，磨損比較均勻，因此此處不易產(chǎn)生泄漏；而螺旋帶處的接觸壓力的變化幅度較大，甚至出現(xiàn)接觸壓力為零的地方，出現(xiàn)斷裂產(chǎn)生泄漏，而某些地方出現(xiàn)接觸壓力的最大值或較大值，導(dǎo)致密封帶寬度比較窄，磨損比較嚴(yán)重，加上各方面的破壞，以及橡膠表面在油浸一段時(shí)間之后，各種機(jī)械性能都下降，所以螺旋帶上的密封帶容易斷裂從而產(chǎn)生泄漏。
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