螺杆泵定子力学特性及疲劳寿命研究

发布时间：2020-01-28 13:40

【摘要】：目前,制约采油螺杆泵技术在油田推广和普及的主要原因之一是螺杆泵采油检泵周期较短。根据螺杆泵井失效情况统计,定子橡胶的疲劳是导致螺杆泵失效的重要原因之一。为提高采油螺杆泵的检泵周期,延长使用寿命,迫切需要对定子橡胶的疲劳寿命进行研究。因此本文采用基于断裂力学疲劳裂纹扩展法和基于S-N曲线的Fe-safe疲劳裂纹形成法分别对螺杆泵定子的疲劳裂纹扩展和形成寿命进行研究,研究结果不仅充实了螺杆泵的相关理论,且在提高螺杆泵采油技术和经济效益等方面具有重要的现实意义和应用价值。本文主要以采油用螺杆泵橡胶定子为研究对象,依据定子橡胶材料的单轴拉伸和平面剪切试验,对不同温度的常规橡胶和油浸橡胶不同应力-应变状态的M-R、Yeoh、 Ogden、A-B、VDW本构模型进行优选,确定分析哑铃型橡胶试件和螺杆泵的本构模型及模型常数。通过设置转子旋转速度,细化接触密封带网格等建立螺杆泵有限元分析模型,并计算和分析密封带接触应力、剪应力和等效应力,确定整个螺杆泵最易发生疲劳失效的危险位置为高压腔室内螺旋带向圆弧过渡的中间偏靠近半圆带位置。建立基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命预测模型,并预测带有预制切口的哑铃型橡胶试件裂纹扩展寿命,与其相应的疲劳试验寿命进行比较,误差值为15.66%,确定基于断裂力学预测疲劳裂纹扩展寿命是可行的。根据有限元计算结果,确定螺杆泵各段模型危险疲劳位置的应变能释放率范围,预测橡胶定子的疲劳裂纹扩展寿命,对预测结果进行分析,确定橡胶定子疲劳裂纹扩展寿命与腔室压力的关系。本文对螺杆泵定子橡胶材料进行了伸张疲劳试验,建立主应变类、八面体剪应变、应变能密度为损伤参量的疲劳寿命预测模型,并根据此模型预测哑铃型橡胶试件的总寿命。根据定子材料的伸张疲劳试验获得的S-N曲线,首次采用Fe-safe确定哑铃型橡胶试件和不同工况的定子橡胶的疲劳裂纹形成寿命和安全系数,分析结果表明,橡胶定子的疲劳裂纹形成寿命和安全系数随腔室压力下降,且疲劳裂纹形成最集中位置在螺杆泵定子橡胶高压腔室内螺旋带向圆弧过渡的中间偏靠近半圆带位置。对定子橡胶试件的疲劳裂纹扩展、形成和总疲劳寿命对比分析,确定采用基于断裂力学的裂纹扩展法和基于S-N曲线裂纹形成法相结合预测橡胶的疲劳寿命可行。用这两种方法预测的定子裂纹扩展寿命与形成寿命之和,与螺杆泵的实际寿命基本吻合。
【图文】：

布尔操作,内表面

螺巧累的结构参数如表２－５所示。由于巧杆累型面为摆线型螺旋曲面，用ＡＮＳＹＳ自带逡逑的建模功能建立螺杆粟模型难度很大。因此，本文使用ＵＧ对该型号螺杆果建立一个逡逑导程的Ｈ维模型，如图２．１１所示。将该模型文件转换为＊．ｘ＿ｔ格式，并导入ＡＮＳＹＳ逡逑１４．０软件。逡逑表２－５邋ＧＬＢ１２０－２７巧单头普通内巧线型巧杆巧结构参巧逦（ｍｍ）逡逑Ｔａｂｌｅ邋２－５邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｏｆ邋ＧＬＢ１２０－２７邋ｓｉｎｇｌｅ邋ｇｅｎｅｒａｌ邋ｈｙｐｏｃｙｃｌｏｉｄ邋ｐｕｍｐ逡逑定子外巧邋巧子巧巧邋偏私距逦过盈错邋定子导梓邋转子导程逡逑、逦８９逦３８逦５逦０．３逦１６０逦８０逡逑凿２．１１邋ＧＬＢ１２０－２７琳巧杆巧的几何模巧逡逑Ｆｉｇ．２．１１邋Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ邋ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ＧＬＢ邋１２０－２７逡逑采油螺巧装定子与转子过盈配合所形成的接触密封带，将巧巧聚分隔成连续密封逡逑腔室。在举升原油时，油液对各个密封腔室内表面产化法向压力，两个相邻的腔室间逡逑２６逡逑

几何形状,网格划分,定子,密封带

逡逑图２．１２布尔操作分剌巧杆粟内表面逡逑Ｆｉｇ．２．１２邋Ｓｅｃｔｉｏｎ邋ａｆｔｅｒ邋良ｏｏｌｅａｎ邋ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ逡逑对定子内表面施加压力时，该压力不能作用到密封带接触面，这不符合巧杆索实逡逑际工况。本文利用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件中无间隙接触对，在巧杆亲腔室内表面和定逡逑子密封带接触面间建立接触对，使定子的非接触腔室内表面与定子密封带接触面之间逡逑建立相互关联的力学性，也就是定子非接触的腔室内表面受到油液作用时，定子内表逡逑面的接触密封带部分也会受到影响，使密封带上接触压力发生变化。从而保证模拟与逡逑实际工况更接近１＾１。逡逑２．２．２单元类型的选取逡逑巧巧累有限元模型中，定子和转子的型面是摆线型共巧的空间巧旋曲面，，对于这逡逑种几何形状比较复杂的连续体，用常规单元离散比较困难。定子与转子性能差别较逡逑大
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE933.3

【参考文献】