基于ANSYS的螺杆泵内部压力分布有限元分析

对于螺杆泵的单级密封压力,目前广泛采用取平均值法,导致泵内压力分布呈线性变化,不能正确反映其实际分布规律.本文借助ANSYS有限元分析软件建立螺杆泵定转子二维有限元接触模型,模拟不同过盈量下的临界密封压力;分析不同温度、压力下定子衬套橡胶的变形量,利用“有效过盈量”计算不同温度、压力下的临界密封压力,并根据临界密封压力确定螺杆泵内部压力分布.结果表明:泵内压力分布是由泵排出口压力和泵各级容腔的单级密封能力决定的,压力分布在排出口处集中,随着排出口压力增加向吸入口传递;当压力传到吸入口且前两级容腔之间的压差大于其密封能力时,泵被“击穿”,此时应更换更大型号的泵.     

螺杆泵定转子过盈接触三维有限元分析

常规单螺杆泵包含两个主要的部件即橡胶定子和金属转子,定子与转子之间的相互作用是影响螺杆泵性能的主要因素之一.采用非线性有限元方法分析了螺杆泵定转子在初始过盈下的变形,结果表明转子在过盈力的作用下发生扭转与偏转;而且在初始过盈作用下圆弧段过盈小于初始过盈值,两条直线段的过盈并不相等.     

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。     

基于流固耦合的采油单螺杆泵容积效率求解方法*

容积效率是采油单螺杆泵举升性能的重要技术指标,采用试验方式获取螺杆泵的容积效率是目前最常用的方法。为提高螺杆泵的设计效率,降低设计成本,提出采用单向流固耦合的数值仿真方法求解漏失量并计算容积效率。依据定转子之间的装配关系建立几何模型,计算不同压差条件下密封带处定子橡胶变形量,得到变形量随压差变化的规律。以现场试验条件作为仿真依据,采用单向流固耦合方法求解试验转速和泵压条件下螺杆泵的漏失量,进一步得到其容积效率。仿真计算结果与现场试验结果相一致,验证了采用单向流固耦合的数值仿真方法计算容积效率的有效性。通过这种仿真分析方法,可以在减少试验量的条件下,对螺杆泵结构参数进行优化设计,并对现场运行参数的匹配提供技术支撑。     

不同过盈量和工作压力下螺杆泵定子与转子接触压力的有限元分析

螺杆泵定子与转子间接触压力对其使用寿命至关重要，而定子与转子间过盈量和工作压力对螺杆泵定子与转子间接触压力有重要影响。建立螺杆泵的三维模型，采用有限元方法研究螺杆泵装配条件下不同过盈量(0.4～0.7 mm)和工作压力(0.03、0.06、0.09 MPa)对螺杆泵定子与转子接触压力的影响。结果表明：随着过盈量的增大，定子与转子的接触压力增大，定子与转子的接触面积也随之增大，且接触压力的最大值出现在密封线吸入端的螺旋段部分；但随着过盈量的增加，接触压力的增大趋势变缓；定子与转子的接触压力随着工作压力的提高而增大，工作压力导致螺杆泵的最大接触压力向排出端偏移，接触压力的最大值出现在靠近介质排出端的螺旋段上。     

稠油开采中常规螺杆泵定子衬套磨损研究

为研究稠油开采中常规螺杆泵定子衬套的接触磨损,通过摩擦试验研究在不同转速和载荷下,定子衬套所用丁腈橡胶在高温含砂稠油中摩擦因数的变化规律。实验结果表明:定子橡胶的摩擦因数随着转数的增加先增大后减小,之后几乎保持不变;随着法向载荷的增大,定子橡胶的摩擦因数先减小后增大。以试验测得的摩擦因数为依据,利用有限元分析方法,对高温含砂稠油中螺杆泵定转子之间的接触进行分析,研究摩擦因数、过盈量、工作压差等因素对定子衬套接触磨损的影响。分析结果表明:衬套的剪应变随着衬套摩擦因数、过盈量、工作压差的增大而增大;位移量随着摩擦因数的增大而减小,随着过盈量的增大而增大;工作压差不但影响定子衬套内轮廓接触位置的磨损,还加剧衬套外壁面的黏着磨损。     

两种采油螺杆泵定子摩擦特性对比分析

在采油过程中,螺杆泵定子容易因为磨损而导致失效,针对这一问题,对螺杆泵常规定子与等壁厚定子的摩擦特性进行了研究。首先,利用有限元分析软件对两种定子进行了热力耦合仿真;然后,分析了两种定子在工作过程中的摩擦应力状态,以及过盈量和温度对其摩擦性能的影响;最后,对两种定子的摩擦特性进行了综合对比,分析了两种定子分别在过盈量和温度范围内的适宜工作区间。研究结果表明：与常规定子相比,等壁厚定子的摩擦应力分布更为均匀;随着过盈量和温度的升高,两种定子的摩擦应力均呈逐渐增大的趋势;当过盈量低于0.3 mm,温度高于40℃时,等壁厚定子的摩擦性能优于常规定子;两种定子摩擦特性的对比研究结果对于定子结构设计优化及不同工况下定子样式选取具有一定的参考价值。     

单螺杆泵密封性能的有限元分析

通过理论分析,得出了单螺杆泵压力的产生和传递规律.采用有限元方法,建立了单螺杆泵的二维模型,分析了螺杆泵定子橡胶与转子间腔体压差、腔体压力以及过盈量对接触压力的影响,得出了压差与接触压力、腔体内压力与接触压力和最大密封压力及过盈量与最大压力的关系.结果表明:压差的增大使接触压力增大;腔体内压力的增大使接触压力减小,最大密封压力降低;过盈量的增加使螺杆泵的最大压力增大.     

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。     

超高压水压泵柱塞副间隙泄漏占比的仿真计算

考虑间隙内水介质黏度、间隙受压形变在柱塞轴向沿程变化,用AMESim软件对超高压水压泵细长型柱塞副在工作压力从0～120 MPa变化时的间隙、泄漏占理论排量的比值进行了计算预测。结果表明:随着工作压力升高,柱塞间隙内水介质黏度沿程变化引起的泄漏量呈近似线性增长,在120 MPa时间隙泄漏增大25%;间隙高压形变引起的泄漏量快速增长,在120 MPa时间隙泄漏增加3倍;当配合间隙为3, 5, 7μm时,间隙泄漏占比为3.51%,8.93%和18.51%;超高压工况下,影响柱塞间隙泄漏的主要因素是柱塞副间隙大小、间隙高压变形量、柱塞副接触长度、柱塞偏心量,减小柱塞副配合间隙、间隙高压变形量,增大柱塞副接触长度,可显著减小泄漏,提高容积效率。     

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.     

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。     

外啮合齿轮泵齿轮副的偏心设计

为提高泵齿顶间隙内的润滑性能,提出了旨在强化其内动压润滑效应的齿轮副偏心设计方法,通过综合考虑泵体变形、轴-轴承不同心等因素,建立了压差流与剪切流组合下的齿顶泄漏公式,并由该泄漏的最小化条件计算出齿轮副相对于泵壳中心的偏心距。结果表明,转速越高,偏心距越小,泄漏越小,容积效率提升明显;出口压力越大,偏心距越接近上限值,泄漏越大,容积效率提升不明显等。最终,得出了通过齿轮副的偏心,齿顶间隙内动润滑效应明显的重要结论。     

基于温度比拟法的橡胶定子溶胀影响密封性能的研究

根据溶胀和温胀引起的定子变形相似特点,提出采用温度比拟法来研究橡胶定子溶胀对密封性能的影响;建立定转子刚柔接触有限元模型,分析定子溶胀引起的变形和接触压力。研究结果表明:定转子存在初始过盈,接触压力随着溶胀率的增加而显著增大;定转子存在初始间隙,定子在一定的溶胀率条件下,定转子也能实现密封效果。为实现定转子密封性能,可根据定子的溶胀率,选取合适的初始过盈值或间隙值。     

潜油螺杆泵密封特性与举升性能分析

为了充分认识螺杆泵的密封特性与举升性能，采用数值仿真软件对平面螺杆泵进行接触非线性分析，研究不同腔室压力下压差与接触应力的关系，并结合密封准则求出不同腔室压力下的临界密封压力，绘制出两者间的关系曲线，然后，研究了过盈量和橡胶硬度与临界密封压力之间的关系，给出了不同过盈量和橡胶硬度下的临界密封压力曲线，并采用多项式拟合方法给出临界密封压力与腔室压力之间的关系式。紧接着根据螺杆泵压力传递规律，分析了过盈量和橡胶硬度与螺杆泵扬程之间的定量关系，并研究了举升压力随密封腔数的变化规律。研究结果表明：接触应力随压差的增大而增大，随腔室压力的增大而减小；腔室之间的临界密封压力随腔室压力的增大而较小，且减小的速度逐渐变快，但此规律不受过盈量和橡胶硬度大小的影响；在相同腔室压力下，过盈量和橡胶硬度越大，临界密封压力就越大，螺杆泵的密封性能就越好；螺杆泵的扬程随过盈量的增大而呈线性增大，随橡胶硬度的增大而呈非线性增大；螺杆泵的举升压力随密封腔数的增加而增大，但增速逐渐变缓，最终达到一个最大值，这个最大值就是螺杆泵所能达到的最大举升压力，然后通过螺杆泵水力特性试验验证了结果的合理性。研究结果可为螺杆泵的研发...     

基于温度比拟法的定子溶胀对密封性能的影响

根据溶胀和温胀引起的定子变形相似特点,提出采用温度比拟法来研究橡胶定子溶胀对密封性能的影响;建立定转子刚柔接触有限元模型,分析定子溶胀引起的变形和接触压力。研究结果表明：定转子存在初始过盈,接触压力随着溶胀率的增加而显著增大;定转子存在初始间隙,定子在一定的溶胀率条件下,定转子也能实现密封效果。为实现定转子密封性能,可根据定子的溶胀率,选取合适的初始过盈值或间隙值。     

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.     

煤层气排采螺杆泵定、转子接触应力研究

为了研究煤层气排采中螺杆泵定、转子的接触应力状况,以螺杆泵转子近圆心位置的两点为对象,建立了运动方程,并比较了在纯滚动状态下的有限元分析结果与赫兹(Hertz)接触应力的误差,得出与赫兹(Hertz)接触应力相近的结果,在过盈量为0.05 mm至0.3 mm范围内,最大误差值为2.46%,最小误差值仅为0.048%;考虑定、转子接触非线性,用罚函数法引入接触界面约束条件,用ANSYS Workbench软件来求解定、转子接触应力。结果表明,螺杆泵在工作时,定子与转子的接触应力受接触位置、过盈量的影响显著;当定、转子摩擦系数不为0时,摩擦系数对接触应力的影响不敏感;当转子转速较高时,转速对接触应力的影响不敏感。     

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。     

偏心效应下大范围转动弹性梁振动特性分析

计及转子偏心效应,借助转子动力学理论,应用Galerkin法和Hamilton原理建立电机-弹性梁系统动力学模型;采用Runge-Kutta法实现动力学解耦,解析不同速度下大范围转动弹性梁的动力学特性,对比分析电机转子动偏心、静偏心与转动梁振动特性的耦合关系。研究结果表明：转子动偏心与系统动力学响应呈现强耦合,动偏心距达到0.5 mm时,转动梁振幅高达2 mm;而静偏心距由0 mm增至0.5 mm时,其振幅均为0.178 mm,后续研究可忽略静偏心因素;随着角速度提高至150 rad/s时,在转子动偏心的作用下,弹性梁振动由周期振动变为非周期振动,也是该类机构高速下呈现不同程度的突发性或间歇性振动的主要原因之一。