螺杆泵定子是螺杆泵中的关键部件。利用ANSTYS 有限元分析软件对常规单螺杆泵的定子进行研究,在定子承受5 MPa 均匀压力作用下,得出了定子、定子橡胶和定子钢套的应力、应变和内轮廓的变形量;分析了常规单螺杆泵定子变形的特点及规律。
单螺杆泵由于具有效率高、地面设备简单紧凑、操作安全可靠、管理方便、质量轻、占地面积小、一次性投资少,而被越来越广泛地应用于各油田。螺杆泵结构如图1 ,主要包括定子和转子。其中定子由定子橡胶衬套和钢套组成,定子橡胶是螺杆泵结构中的易损件,它与转子的配合状况对螺杆泵的工作性能有很大的影响 。目前还没有有效的方法对定子橡胶在工作状况下的变形和受力进行检测,因此用有限元方法对单螺杆泵定子进行分析成为一种有效的手段。
1 模型的建立
1. 1 几何模型
定子的外层一般是钢套,内层是丁晴橡胶衬套,通过硫化工艺粘接在钢套内。橡胶衬套内表面是双螺旋面,截面轮廓是由半径为R (等于转子截面半径) 的2 个半圆与2 条直线段组成。直线段的长度等于2 个半圆的中心距, 因为螺杆的截面相对于其本身轴线有一个偏心距e , 而螺杆本身的轴线又相对于衬套的轴线有一个偏心距e , 所以2 个半圆的圆心距离是4e。以GLB800 型常规螺杆泵为例建立几何模型。 定子钢套外径<114 mm ,壁厚7 mm ,橡胶衬套外径<100 mm ,内腔轮廓尺寸由转子直径和偏心距决定,取螺杆泵定子直径<24 mm ,偏心距8. 5 mm。 
1. 2 有限元模型
在ANSYS 中用实体单元PLANE182 建立螺杆泵定子有限元模型,并进行网格划分 。定子钢套材料的弹性模量E = 210 GPa ,泊松比μ= 0. 3 ;定子橡胶衬套材料为丁晴橡胶,当变形很小时,橡胶材料可视为不可压缩材料,其本构关系可按线弹性处理,弹性模量E = 4 MPa ,泊松比μ= 0. 499 。建立的有限元模型如图2 。定子钢套和定子橡胶衬套之间的接触问题利用ANSYS 中的接触向导来建立。 
2 计算结果与分析
为了对单螺杆泵定子的受力状况和变形进行模拟分析,需要对定子施加载荷和约束。假设定子内腔液体压力为5 MPa ,模拟时将5 MPa 压力载荷作用到定子橡胶内腔上。定子钢套外施加x 和y 方向的约束,模拟实际工况下定子固定不动。经过ANSYS 计算,得出定子的变形计算结果如图3 。在以上载荷和约束的作用下,定子钢套所产生的变形几乎为零,变形主要发生在定子橡胶衬套上,分布呈放射状,离中心越远变形越小,变形最大处发生在内腔的直边处。定子的应力计算结果如图4 ,可以看出,定子橡胶衬套的应力较定子钢套的应力小得多,定子橡胶衬套的应力在01021 6 MPa左右,定子钢套的应力在1 MPa 以上。由上述分析可以看出,钢套变形相比橡胶非常微小,在对定子橡胶衬套进行分析时,可将x 和y. 方向的约束直接施加到定子橡胶衬套的外圈上,将5 MPa 压力载荷施加到定子橡胶衬套内腔上。定子橡胶衬套的变形计算结果如图5 ,可以看出,定子橡胶衬套变形的分布规律与上述分析一致,为放射状。变形的最大位置在定子内腔的直边中心处,为0. 21 mm。定子橡胶衬套的应力计算结果如图6 。分布规律也是距离定子中心越近值越大,但在相同的半径上,直边的应力值要比圆弧边的小很多。最大应力发生在内腔的圆弧边上,为0. 042 MPa 。虽然定子橡胶衬套的应力值很小,但由于橡胶材料的弹性模量较定子钢套小得多,因此变形和应变都很大。 
 
应变分布规律(图略) 与应力完全一致,只是数值不同,最大应变为1. 05 %。对于橡胶材料来说,承受这么大的应变是没有问题的。
3 结论
1) 在定子受到5 MPa 均匀压力作用时,定子钢套的应力大,应变小,变形小;定子橡胶衬套的应力小,应变大,变形大。
2) 定子橡胶衬套的变形和应力分布规律均为放射状,距离定子中心越近,值越大。
3) 在距离定子中心相同的情况下,圆弧边的应力值较直边大得多,而直边的变形量较圆弧边大。 (end)
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