等壁厚螺桿泵解決了常規(guī)泵定子受力、散熱和溫脹等不均勻問(wèn)題，改善了螺桿泵性能。利用有限元法對(duì)等壁厚螺桿泵定子剪應(yīng)變進(jìn)行研究，對(duì)比分析將位移約束施加在泵筒外層和襯套外層時(shí)定子的剪應(yīng)變分布，并探討襯套彈性模量和泊松比對(duì)等壁厚螺桿泵定子剪應(yīng)變分布的影響。結(jié)果表明：泵筒和襯套間的固定接觸作用對(duì)定子剪應(yīng)變分布有一定影響;相同工況下，襯套彈性模量在4GPa 到40GPa 時(shí)，等壁厚螺桿泵定子具有更長(zhǎng)的使用壽命和更好的工作性能;相同工況下，襯套泊松比越接近于0.5，等壁厚螺桿泵定子的使用壽命越長(zhǎng)，工作性能越好。

引言

　　螺桿泵屬于容積式泵，由轉(zhuǎn)子和定子組成。螺桿泵在石油工業(yè)領(lǐng)域因適宜于高粘度、高含砂量原油開(kāi)采，同比采油量能耗低和設(shè)備制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用規(guī)模逐年擴(kuò)大。常規(guī)泵在工作時(shí)，產(chǎn)生熱量主要聚集在橡膠襯套最厚部分，熱效應(yīng)會(huì)使內(nèi)腔變小，摩擦損失增加，機(jī)械效率降低。為此，等壁厚螺桿泵應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)外已經(jīng)在稠油井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。目前研究與應(yīng)用證明，與常規(guī)泵相比其性能得到了改進(jìn)。國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備獨(dú)立生產(chǎn)各型螺桿泵的條件，等壁厚螺桿泵也有了一定的現(xiàn)場(chǎng)使用，但整體上與國(guó)外同型號(hào)產(chǎn)品相比還存在著較大的差距。為延長(zhǎng)螺桿泵使用壽命，改善螺桿泵工作性能，還需要加強(qiáng)對(duì)等壁厚螺桿泵的研究。

　　定子內(nèi)輪廓線變化能夠影響泵的工作特性，因此需要研究受內(nèi)壓作用下定子內(nèi)輪廓線的變化。目前還沒(méi)有有效的手段能夠直接對(duì)定子剪應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試。利用有限元法對(duì)等壁厚螺桿泵定子剪應(yīng)變進(jìn)行研究是有益的嘗試。許多學(xué)者為了簡(jiǎn)化模型，將泵筒去掉，位移約束直接施加在襯套外層。這種做法只是單純考慮了內(nèi)壓對(duì)定子內(nèi)輪廓線變化的影響，而沒(méi)有考慮泵筒和襯套間的固定接觸作用。本文利用有限元法對(duì)等壁厚螺桿泵定子剪應(yīng)變進(jìn)行研究，位移約束施加在泵筒外層，泵筒和襯套間采用非線性接觸方式，用以模擬泵筒和襯套間的固定接觸，并與位移約束直接施加在襯套外層時(shí)定子的剪應(yīng)變分布進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí)探討了由于襯套材料不同而引起的不同彈性模量和泊松比對(duì)等壁厚螺桿泵定子剪應(yīng)變的影響。

1、螺桿泵定子模型的構(gòu)建

　　1.1、螺桿泵定子的成型工藝

　　等壁厚螺桿泵襯套厚度相等且較薄，襯套與泵筒內(nèi)部輪廓相同。等壁厚螺桿泵定子的加工工藝一般采用能滿足定子泵筒尺寸精度及機(jī)械性能的鑄造工藝加工泵筒，或采用成型工藝使泵筒外觀呈螺旋扭曲狀。隨著加工工藝的發(fā)展，研制了二次澆鑄的方式加工等壁厚定子，該方法是：首先制成螺桿泵泵筒，然后在泵筒內(nèi)壁用大直徑模芯澆鑄成襯套，最后在襯套內(nèi)用直徑較小的轉(zhuǎn)子模芯澆鑄厚度相等的橡膠襯套，形成等壁厚定子。近幾年，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)結(jié)合單螺桿泵襯套的特殊結(jié)構(gòu)，在國(guó)內(nèi)首次提出了無(wú)瞬心包絡(luò)鏜削方法加工泵筒的內(nèi)螺旋曲面，擴(kuò)展了泵筒的加工方法。

　　等壁厚螺桿泵定子模型中幾何參數(shù)盡量與GLB800 常規(guī)泵相同，襯套厚度取8mm，泵筒內(nèi)外表面均是雙螺旋曲面，厚度取10mm，以此為例進(jìn)行分析研究，具體參數(shù)如圖1 所示。

圖1 等壁厚螺桿泵定子截面

　　1.2、有限元模型

　　張勁等通過(guò)對(duì)比分析論證了三維模型和平面應(yīng)變模型所求出的內(nèi)壓作用下定子內(nèi)輪廓線變形、應(yīng)力和應(yīng)變基本是一致的，可以用平面模型來(lái)代替三維模型，從而大幅度提高求解效率。因此，本文中的有限元模型選用二維平面模型。襯套的單元類型為PLANE182，由于變形較小，可視為不可壓縮材料，橡膠本構(gòu)關(guān)系按線彈性處理，彈性模量E1=4MPa，泊松比μ1=0.499。泵筒的單元類型為PLANE183，彈性模量E2=210GPa，泊松比μ2=0.26。泵筒和襯套之間采用面-面的接觸方式。

2、定子剪應(yīng)變的有限元計(jì)算結(jié)果及分析

　　2.1、均勻壓力作用下定子的剪應(yīng)變分布

　　假設(shè)定子內(nèi)腔液體壓力為5MPa，模擬時(shí)將5MPa 均勻壓力作用到定子內(nèi)腔上。圖2 為均勻壓力作用下，等壁厚螺桿泵定子的剪應(yīng)變分布。圖2a)為將x 和y 方向的位移約束施加在泵筒外層時(shí)定子的剪應(yīng)變分布。圖2b)為將x 和y 方向的位移約束施加在襯套外層時(shí)定子的剪應(yīng)變分布。從圖中可以看出：位移約束施加在泵筒外層和襯套外層時(shí)，定子的最大剪應(yīng)變都在B、H 處，前者為1.41%，后者為1.26%。由上述分析可知：均勻壓力作用下，位移約束施加在泵筒外層時(shí)定子的最大剪應(yīng)變大于施加在襯套外層時(shí)。

a)位移約束施加在泵筒外層時(shí)b)位移約束施加在襯套外層時(shí)

圖2 均勻壓力作用下定子的剪應(yīng)變分布

　　2.2、壓差作用下定子的剪應(yīng)變分布

　　圖3 為壓差作用下，等壁厚螺桿泵定子的剪應(yīng)變分布。圖3a)為將x和y 方向的位移約束施加在泵筒外層時(shí)定子的剪應(yīng)變分布。圖3b)為將x 和y 方向的位移約束施加在襯套外層時(shí)定子的剪應(yīng)變分布。從圖中可以看出：壓差作用下，位移約束施加在泵筒外層和襯套外層時(shí)，定子的

　　最大剪應(yīng)變都在d 處，前者為1.35%，后者為1.36%，相差很小。由上述分析可知：壓差作用下，定子的剪應(yīng)變分布與均勻壓力作用下相比有了很大的變化，位移約束施加在泵筒外層時(shí)定子的最大剪應(yīng)變稍稍小于直接施加在襯套外層時(shí)，這與定子受均勻壓力作用時(shí)有所不同。壓差作用下，定子的最大剪應(yīng)變?cè)谝r套與泵筒的交界面附近。因此，對(duì)于等壁厚螺桿泵來(lái)講，這意味著泵筒和襯套間的聯(lián)接強(qiáng)度將受到考驗(yàn)，其聯(lián)接處可能會(huì)是等壁厚螺桿泵的疲勞失效處。對(duì)等壁厚螺桿泵而言，正確地選取膠粘劑并確定適當(dāng)?shù)恼辰庸に囈员ＷC良好的粘接質(zhì)量很重要。

a)位移約束施加在泵筒外層時(shí)b)位移約束施加在襯套外層時(shí)

圖3 壓差作用下定子的剪應(yīng)變分布

　　2.3、彈性模量對(duì)定子剪應(yīng)變分布的影響

　　利用有限元法探討襯套彈性模量E1和泊松比μ1對(duì)等壁厚螺桿泵定子剪應(yīng)變分布的影響。通過(guò)改變襯套彈性模量E1來(lái)觀察定子最大剪應(yīng)變?cè)趬翰钭饔孟碌淖兓�，如圖4 所示。相同條件下，襯套彈性模量E1=4MPa~4GPa 時(shí)，定子的最大剪應(yīng)變隨彈性模量增大而減小;E1=4GPa~40GPa 時(shí)，定子的最大剪應(yīng)變隨彈性模量增大而緩慢減小;E1=40GPa~400GPa 時(shí)，定子的最大剪應(yīng)變隨彈性模量增大而增大。由以上分析可知：相同工況下，當(dāng)襯套彈性模量在4GPa 到40GPa 時(shí)，定子的最大剪應(yīng)變數(shù)值較小且變化趨勢(shì)較平穩(wěn)，因此等壁厚螺桿泵具有更長(zhǎng)的使壽命和更好的工作性能。等壁厚螺桿泵定子的剪應(yīng)變不只數(shù)值大小隨彈性模量而變化，當(dāng)襯套和泵筒的彈性模量相差不大時(shí)，最大剪應(yīng)變的發(fā)生位置也有了改變。相同條件下，襯套彈性模量取4GPa 時(shí)，最大剪應(yīng)變?cè)趀、k 處(圖略)。由以上分析可知：相同工況下，由于襯套彈性模量的不同引起定子最大剪應(yīng)變發(fā)生位置不同，會(huì)導(dǎo)致等壁厚螺桿泵定子失效位置和失效形式的不同。

圖4 定子最大剪應(yīng)變隨彈性模量的變化

　　2.4、泊松比對(duì)定子剪應(yīng)變分布的影響

　　通過(guò)改變襯套泊松比μ1來(lái)觀察等壁厚螺桿泵定子最大剪應(yīng)變?cè)趬翰钭饔孟碌淖兓�，如圖5 所示。相同條件下，定子的最大剪應(yīng)變隨泊松比增大而減小。由以上分析可知：相同工況下，襯套泊松比越接近于0.5，定子的最大剪應(yīng)變?cè)叫�，等壁厚螺桿泵定子的使用壽命越長(zhǎng)，工作性能越好。

　　襯套泊松比的變化也會(huì)引起等壁厚螺桿泵定子最大剪應(yīng)變發(fā)生位置變化。相同條件下，只有當(dāng)襯套泊松比接近于0.5 時(shí)，定子的最大剪應(yīng)變才在襯套外層直線段中點(diǎn)d 處，否則定子的最大剪應(yīng)變?cè)贐、H 處(圖略)。由以上分析可知：相同工況下，襯套泊松比的變化引起定子大剪應(yīng)變發(fā)生位置變化，會(huì)導(dǎo)致等壁厚螺桿泵定子失效形式和失效位置改變。

圖5 定子最大剪應(yīng)變隨泊松比的變化

3、結(jié)論

　　(1)均勻壓力作用下，位移約束施加在泵筒外層時(shí)定子的最大剪應(yīng)變大于施加在襯套外層時(shí);壓差作用下，位移約束施加在泵筒外層時(shí)定子的最大剪應(yīng)變稍稍小于施加在襯套外層時(shí)。泵筒和襯套間的固定接觸作用對(duì)定子剪應(yīng)變分布有一定影響，利用有限元法對(duì)分析精度要求高的等壁厚螺桿泵定子進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)將位移約束施加在泵筒外層。

　　(2)相同工況下，襯套彈性模量取4GPa 到40GPa 區(qū)間時(shí)，等壁厚螺桿泵具有更長(zhǎng)的使用壽命和更好的工作性能，襯套彈性模量的不同會(huì)導(dǎo)致定子失效位置和失效形式不同。

　　(3)相同工況下，襯套泊松比越接近于0.5，等壁厚螺桿泵定子的使用壽命越長(zhǎng)，工作性能越好，襯套泊松比的變化會(huì)導(dǎo)致定子失效形式和失效位置變化。