等壁厚螺桿泵密封性能有限元分析

2009-09-17 葉衛(wèi)東大慶石油學(xué)院機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院

　　常規(guī)螺桿泵定子是由丁腈橡膠澆鑄在鋼泵筒內(nèi)形成的。橡膠定子內(nèi)表面是雙螺旋曲面, 其厚薄不均,如圖1(a)所示。這種結(jié)構(gòu)存在著諸多不足, 如螺桿泵定子工作時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量主要聚集在橡膠最厚的部分, 容易導(dǎo)致定子過早失效; 不同厚度橡膠的溶脹、溫脹不相同, 由此改變了定轉(zhuǎn)子嚙合作用, 增大了磨損, 降低泵的工作效率和使用壽命; 使橡膠定子的受力和變形不同, 造成局部過度疲勞而損壞。因此為了進(jìn)一步延長螺桿泵工作壽命, 改善常規(guī)螺桿泵使用性能, 提高螺桿泵采油經(jīng)濟(jì)效益, 必須對(duì)常規(guī)螺桿泵進(jìn)行改進(jìn)。目前, 對(duì)常規(guī)螺桿泵改進(jìn)的技術(shù)有很多, 如金屬定子橡膠轉(zhuǎn)子螺桿泵、全金屬螺桿泵、等壁厚螺桿泵。但大部分新技術(shù)由于制造成本等原因都處于試驗(yàn)階段, 只有等壁厚螺桿泵具有了一定的現(xiàn)場使用, 因此本文作者主要對(duì)等壁厚螺桿泵進(jìn)行模擬計(jì)算, 分析其密封性能, 并與常規(guī)螺桿泵進(jìn)行比較, 確定其優(yōu)越性。

常規(guī)螺桿泵與等壁厚螺桿泵截面圖

圖1　常規(guī)螺桿泵與等壁厚螺桿泵截面圖

1、等壁厚螺桿泵結(jié)構(gòu)

　　為了保證橡膠層具有均勻厚度, 必須改變定子鋼筒的形狀, 如圖2所示。目前常用的等壁厚螺桿泵是采用能滿足定子泵筒尺寸精度及機(jī)械性能的精鑄工藝來加工的直筒式等壁厚定子外筒。

等壁厚螺桿泵結(jié)構(gòu)圖

圖2　等壁厚螺桿泵結(jié)構(gòu)圖

　　為了與常規(guī)螺桿泵具有可比性, 等壁厚螺桿泵選用與常規(guī)GLB800螺桿泵結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一樣的DG-LB800, 其結(jié)構(gòu)如圖1(b) 所示。由于鋼泵筒在使用過程中變形小,不易失效,為了方便有限元計(jì)算, 在有限元模型中將其簡化成對(duì)定子橡膠外圈的位移約束。簡化后的幾何模型如圖3所示。

DGLB800等壁厚螺桿泵結(jié)構(gòu)圖

圖3　DGLB800等壁厚螺桿泵結(jié)構(gòu)圖

　　等壁厚螺桿泵計(jì)算模型中物理參數(shù)與常規(guī)螺桿泵相同 , 唯一不同的是橡膠襯套是等厚度的, 且以常規(guī)螺桿泵定子橡膠襯套最薄處8mm為設(shè)計(jì)參數(shù)。

2、等壁厚螺桿泵有限元分析

　　螺桿泵在工作中主要承受密封腔油液壓力的作用�？梢詫⒋藟毫Ψ纸獬蓛刹糠�, 一部分是垂直作用在密封腔室內(nèi)壁的內(nèi)壓力, 使螺桿泵橡膠襯套壓縮,螺桿泵密封腔室體積增大; 另一部分是相鄰密封腔室間的壓差, 使螺桿泵定子型線發(fā)生幾何形狀變化。

2.1、密封腔室內(nèi)壓力對(duì)接觸壓力的影響

　　根據(jù)彈性力學(xué)公式:

　　式中: e表示變形前后單位體積的相對(duì)體積變化,e=ΔV/V0,V0為變形前的體積, ΔV為變形前后的體積差; σm為平均應(yīng)力; μ為泊松比; E為彈性模量。螺桿泵橡膠襯套體積壓縮量的大小與所受應(yīng)力有關(guān), 而決定應(yīng)力大小的因素就是密封腔室內(nèi)的壓力。壓力越大, 應(yīng)力越大, 體積壓縮量越大, 實(shí)際過盈量越小, 密封性能降低, 直至實(shí)際過盈量為0,產(chǎn)生泄漏。

　　螺桿泵橡膠襯套體積壓縮量的大小還與材料的性能有關(guān), 其中泊松比μ=0.5時(shí),e=0,此時(shí)的材料為不可壓縮材料, 即使應(yīng)力再大其體積壓縮量也為0; 當(dāng)泊松比減小時(shí),e增大, 體積壓縮量也增大,實(shí)際過盈量減小; 彈性模量E越小, e越大, 體積壓縮量越大, 實(shí)際過盈量減小。下面運(yùn)用有限元方法計(jì)算密封腔室內(nèi)壓力對(duì)接觸壓力的影響,分析內(nèi)壓力對(duì)等壁厚螺桿泵的密封性能的影響。

　　建立螺桿泵有限元模型, 在左右腔室施加相同的內(nèi)壓力進(jìn)行計(jì)算, 計(jì)算結(jié)果如圖4,5所示。