单螺杆泵的力学分析与磨损研究

摘要

采油螺杆泵以投资少、结构简单、泵效高、适用范围广等特点被国内外油田所普遍使用。但在实际应用中经常出现的问题是泄漏回流和定子耐磨性较差，其中螺杆泵螺杆—衬套副间的磨损是导致螺杆泵失效的主要原因之一。为了提高螺杆泵力学性能，研究其运行方式、定子内腔变形和磨损情况具有重要的现实意义。 本文以采油单螺杆泵的螺杆—衬套副为研究对象，利用理论分析和仿真模拟方法，综合分析螺杆在衬套内的运动特点、速度规律和受力情况，及与之相关的螺杆—衬套副的磨损规律。主要内容如下: (1)以胜利油田LB190-33型号的螺杆泵为研究对象，利用UG建立了定子双螺旋内曲面、转子单螺旋外曲面的三维模型，并将其准确装配后进行运动仿真，验证了前面提出的螺杆在衬套中的运动情况分析，并得出其运动速度规律。 (2)利用有限元ANSYS软件对螺杆泵定子衬套进行了结构静力分析和定、转子间的接触应力分析，分析了螺杆泵在其工况下的接触应力、应变，剪应力和位移变形情况。得出定子橡胶衬套内轮廓线的变形规律、应力和应变分布情况。螺杆—衬套副间的接触压力及其分布规律，以及定子橡胶所受的剪应力和等效应力的分布规律。并综合分析其应力、位移和磨损间的关系。 (3)利用金属与定子橡胶试件在油水介质中进行螺杆—衬套副的磨损模拟试验，测定其磨损量，分析磨损量随着法向载荷和滑动线速度的变化规律。根据采油螺杆泵的工况，再综合上述螺杆—衬套副的运动、力学和磨损规律的研究结果，分析了定子橡胶磨损的特点。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 螺杆泵发展概述及研究现状

1．1．1 螺杆泵发展概述

1．1．2 螺杆泵国内外研究现状及发展趋势

1．1．3 目前部分油田上螺杆泵应用情况

1．2 地面驱动螺杆泵的结构组成

1．2．1 地面驱动装置

1．2．2 井下螺杆泵部分

1．2．3 其他部分

1．3 论文主要研究内容

第二章 螺杆泵定子、转子的运动学仿真分析

2．1 螺杆泵的工作原理

2．2 螺杆转子型线方程

2．3 衬套定子型线方程

2．4 螺杆泵的运动学分析

2．4．1 转子的自转和公转

2．4．2 转子螺杆在定子中的运动规律

2．5 螺杆、衬套的三维模型建立

2．5．1 三维建模软件UG简介

2．5．2 转子模型建立

2．5．3 定子模型建立

2．5．4 定子、转子的装配

2．5．5 定、转子的运动仿真

2．5．6 仿真的速度分析

2．6 本章小结

第三章 螺杆泵的力学分析

3．1 螺杆泵的力学问题

3．1．1 抽油杆受力分析与计算

3．1．2 定、转子、液体介质间力学关系

3．2 转子的轴向力计算

3．3 螺杆受液体介质的压力分析

3．4 转子离心惯性力计算

3．5 本章小结

第四章 定、转子有限元分析及数值模拟

4．1 有限元法简介

4．2 有限元分析软件ANSYS介绍

4．3 衬套的结构静力分析

4．3．1 均匀内压下衬套的应力分析

4．3．2 非均匀内压下衬套应力分析

4．4 定、转子ANSYS接触应力分析

4．4．1 定、转子有限元分析三维模型建立

4．4．2 划分网格

4．4．3 创建材料和截面属性

4．4．4 定义接触属性

4．4．5 定义边界条件和载荷

4．4．6 计算结果分析

4．5 工况下定子接触应力分析

4．5．1 转子位于定子弧顶处应力及变形分析

4．5．2 转子位于定子中间处应力及变形分析

4．6 本章小结

第五章 单螺杆泵定子磨损实验

5．1 螺杆泵定、转子磨损概述

5．1．1 橡胶的摩擦磨损理论

5．1．2 丁腈橡胶—刚摩擦副的磨损

5．1．3 螺杆泵衬套主要失效形式

5．2 定子磨损实验

5．2．1 磨损样机

5．2．2 实验目的及条件

5．2．3 各种载荷情况下的磨损量

5．2．4 实验磨损形貌及分析

5．3 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文