双头单螺杆泵运动仿真及结构参数优化

摘要

螺杆泵以其运动部件少、排量均匀、适应性强等特点在油田得到广泛的应用.双头单螺杆泵与单头单螺杆泵相比具有排量大、效率高、能耗低、转子受力状况好等优点,在国际上得到逐步的推广.国内由于对双头单螺杆泵的理论和试验研究较少,目前各油田多数采用单头单螺杆泵.因此,对双头单螺杆泵进行深入的理论研究具有十分重要的现实意义.其中,合理地选择构成螺杆一衬套的型线是一个尚待深入研究的重要课题.本文主要针对双头单螺杆泵的线型进行深入的理论研究,即在双头单螺杆泵的转子和定子是刚性接触,它们的配合间隙(或过盈)刚好为零的假设前提下,不考虑油田现场的实际影响因素,对转子和定子的线型进行研究.根据多线式单螺杆钻具的设计理论,分析了共轭曲面构成的三个基本要求和端面齿形的两种类型.并对单螺杆泵端面型线进行详细的分析比较后,最终提出采用短幅内摆线的等距曲线作为定子原始齿形曲线,其共轭曲线作为转子齿形曲线的双头单螺杆泵的设计方法.利用 Pro/E软件对这种新型的双头单螺杆泵的定子线型进行优选.确定变幅因数k=0.5的短幅内摆线为定子骨线,利用外滚法得出转子骨线,建立定子、转子骨线的方程.进而建立起转子、定子线型方程、等距曲面方程,并利用F曲线接触图证明该定子骨线和转子骨线满足理论密封性和连续下移条件.利用数学方法对双头单螺杆泵的线型进行优化.以追求过流面积最大,偏心距最小为优化目标,再结合螺杆泵的实际工况,建立线型优化的数学模型.利用复合型法,并结合转子和定子间的最大滑动速度的参量,优化出使双头单螺杆泵达到最佳工作特性的变幅因数k的值为0.5,以及相应的结构参数.在Visual C++语言的MFC框架内,调用OpenGL绘图命令建立双头单螺杆泵的参数化实体模型,将上述线型优化过程编译成双头单螺杆泵线型优化软件.对双头单螺杆泵的行星运动进行仿真分析,并且实时显示转子在定子内作行星运动的运动过程及运动状态.使抽象的数学方程形象、直观地表达出来,具有较强的空间感和实体感.这种可视化的参数化实体模型与优化设计软件结合,便于设计和修改.

目录

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创新点摘要

引言

第一章双头单螺杆泵的线型理论及分析

1.1双头单螺杆泵的型线设计基础

1.1.1线型研究的理论基础

1.1.2复平面柱坐标法

1.1.3摆线简介

1.1.4周期、循环曲线和等效动点

1.2线形啮合原理的基本概念

1.2.1瞬心线及其性质

1.2.2共轭齿形曲线

1.2.3共轭曲面的基本要求和端面齿形类型

1.3双头单螺杆泵端面齿形的选取

1.3.1齿形几何参数的选择原则

1.3.2基于等距线半径最大临界值的齿形选择

1.3.3基于偏心距系数的齿形选择

1.3.4基于摆线对比分析的齿形选择

1.4线型的研究方法

1.4.1逆解法

1.4.2发生线的选取

1.4.3特定的行星运动

1.4.4分离定义域

1.4.5证明理论密封性

1.4.6等距曲线线型

1.5本章小结

第二章双头单螺杆泵线型方程和曲面方程的建立

2.1双头单螺杆泵的线型设计

2.1.1短幅内摆线线型

2.1.2定子骨线及线型

2.1.3转子骨线及线型

2.2接触图和密封性

2.2.1接触点数和隔离条件

2.2.2消失条件

2.2.3计算共轭副的最小长度

2.3等距曲面共轭副

2.4双头单螺杆泵的虚拟建模

2.4.1 Pro/ENGINEER WILDFIRE简介

2.4.2基于Pro/E的实体建模

2.4.3基于Pro/E的运动分析

2.5本章小结

第三章双头单螺杆泵线型的优化设计

3.1以内摆线作为定子线型的单螺杆泵参数计算

3.1.1内摆线及其共轭线的几何量计算

3.1.2以内摆线作为定子线型的单螺杆泵参数计算

3.2单螺杆泵线型优化的数学模型

3.2.1双头单螺杆泵线型优化的数学方程及目标函数

3.2.2约束条件的确定

3.2.3目标函数的化简

3.3双头单螺杆泵线型的优化

3.3.1复合形法

3.3.2双头单螺杆泵线型优化

3.4双头单螺杆泵线型优化结果分析

3.5本章小结

第四章双头单螺杆泵的参数化建模与优化软件

4.1 OPENGL编程技术与环境

4.1.1 OpenGL简介

4.1.2 OpenGL工作流程

4.1.3 OpenGL建模

4.2基于MFC的OPENGL图形类

4.2.1创建COpenGLView类

4.2.2相关函数创建

4.2.3基于MFC环境中OpenGL编程

4.3基于OPENGL的参数化模型

4.4双头单螺杆泵优化软件

4.5本章小结

结论

展望

参考文献

作者硕士研究生期间发表及录用论文

致谢