ansys螺杆泵转子所受液压力分析

螺杆泵转子所受液压力分析李晓芳王兴燕刘凤[北京石油机械厂，100083][摘要]螺杆泵的主要工作部件为转子和定子，其外部型线复杂，运动方式较为特殊。了解和掌握转子的运动特性和受力特征，对于正确设计螺杆泵是非常必要的。文中通过ANSYS软件中流体动力学分析模块FLUENT对螺杆泵的液压力载荷进行模拟，结果与理论假设一致。用ANSYS软件中多物理场模块对转子在初始过盈作用下以及同时承受液压力的情况下进行分析。结果表明，仅在初始装配过盈作用下，定转子在圆弧段的过盈值减小，接触应力相应变小，但是施加液压力之后，圆弧段的接触应力又增加，而且直线段上的接触应力也发生了相应的变化。[关键词]螺杆泵；液压力；有限元TheanalysisofthehydraulicpressureappliedtotherotorofPCPLiXiaofangWangXingyanLiuFeng[BeijingPetroleumMachineryFactory,100083][Abstract]Therotorandthestatorarethemainworkingpartsoftheprogressivecavitypump.Therotor’sandthestator’ssurfaceiscomplexandmodeofmotionisparticular.Itisessentialfordesigningprogressingcavitypumpcorrectlytounderstandthedynamicscharacteristicofrotor.ThehydraulicpressureoftherotorweresimulatedthroughFLUENT,thefluiddynamicsanalysisprogramofANSYS,andthesimulationresultsareconsistentwiththetheoreticalhypothesis.TherotorunderinitialinterferenceloadorhydraulicloadsimultaneouslywassimulatedthroughANSYSMultiphysics.Theresultsshowthatthecontactstressatcirclearcsegmentreduceswiththedecreasinginterferencefit.However,thecontactstressatcirclearcsegmentincreaseswhenappliedhydraulicload,andthecontactstressatseallineschangesaccordingly.[Keyword]PCP;Hydraulicpressure;Finiteelement.1前言常规采油单螺杆泵是由定子和转子两个部件组成，结构看似简单，但是由于橡胶定子和金属转子的过盈装配产生的相互作用以及所举升的液体施加给定转子的压力，使得它们的受力变得比较复杂，要得到准确的解析解几乎是不可能的，而且目前还没有能够直接对实际工况下的螺杆泵定转子的变形和受力状态进行测试的有效手段，因此通过有限元软件对螺杆泵进行数值模拟是当前了解螺杆泵工作特性的最好方法之一。以往螺杆泵的有限元分析大部分都以二维模型为基础，但是定转子的螺旋轮廓就说明二维模型的局限性，本文将通过ANSYS软件采用三维模型来对螺杆泵定转子所受液压力进行分析。2液压力的分布螺杆泵作为一种水力机械必然会受到液压力的作用。关于螺杆泵各级的液压力分布以及泄露机理实际上是一个相当复杂的问题，它们与定转子的过盈和转子的运动以及流体属性和定子橡胶材料的机械属性相关联。最初Moineau[1]曾经假设螺杆泵的泄露量为常数以及液压力呈线性分布，如图1所示，后来的大部分研究也基于这个线性分布的假设，前人也推导了一个转子导程长度的转子所受液压力的合力以及合力矩，公式如下[2,3]：FX0FYR∆PFZ8Re∆P（1）TZR∆PTYR∆PTXR∆P（2）式中R为转子半径，e为偏心距，t为转子导程，ΔP为进出口压差，F为合力，T位扭矩。除了定转子之间装配过盈产生的相互作用力之外，定转子还受到液压力的作用，从上述公式可以看出，转子在X方向上所受的液压力为零，Z向的液压力可以通过与转子相连接的抽油杆来承受，Y向存在液压力FY，以及三个方向的扭矩将对定转子产生一定的影响。图1Moineau假设的压力分布图图2为ANSYS的流体动力学模块FLUENT模拟螺杆泵液压力的分布图，实际建模时我们减小转子直径0.6mm，有0.3mm的均匀间隙，吸入口处给定0MPa，出口处给定1MPa，粘性系数为10/.kgms。从图2可以看出各级的液压力整体上是呈线性分布的，由于液体粘性越高漏失也越少，所以这里的粘性系数设置较大，这也是为了让高压腔与低压腔分界明显便于观看结果。由此看来，数值模拟结果与理论假设还是比较一致的。当然在实际应用中，举升液体的属性以及转子在定子腔中的运动形式，还有各级之间的流体泄露方式都可能影响液压力的分布，而液压力的分布又反过来对转子在定子中的位置和运动形式产生一定的影响，目前还没有比较完善的理论和模型来描述螺杆泵的工作特性。本文只是通过ANSYS软件对螺杆泵内的液压力分布以及对转子的影响做一个简单的分析。图2Fluent软件模拟的压力分布3有限元结果分析这里我们通过ANSYS多物理场模块来模拟转子在液压力以及初始装配过盈作用下的变形。定转子的几何模型如图3所示，转子的结构参数为转子直径D=67mm，偏心e=7.25mm，转子导程T=480mm，初始过盈为0.5mm。图4为转子加上液压力载荷的有限元模型。绿色为5.5MPa，长度正好为一个定子导程，蓝色和红色分别为5MPa和6MPa，长度为半个定子导程，考虑到橡胶定子与金属转子的过盈接触，通过两个体相交除去相接触的面，在转子与定子不接触的地方施加液压力，如图4所示。图3定转子几何模型图4转子上施加的液压力图5为在初始装配过盈下定转子之间的接触应力分布图，图5（a）是从X正向看，图5（b）是从X负向看，通过5（a）和5（b）比较可以看出在初始装配圆弧段过盈的作用下，转子整体向-X方向偏移，导致从两侧线啮合上的接触应力不等，而且圆弧段的接触应力较小。（a）（b）图5仅在接触过盈作用力下的接触应力分布图6（a）（b）为初始配合过盈加上液压力作用下的接触应力分布图，比较图6和图5之后发现，加上液压力之后，X正向这一侧的线啮合处的接触应力又反过来大于X负向侧的线啮合处的接触应力。显示整个转子的位移图，见图7所示，从图可以看出整个转子绕着大约平行于定转子轴线的一条线发生了旋转，从Z轴正向看上去为逆时针旋转，说明式（2）中Tz对转子的位置影响较大。从图7可以看出，在液压力作用下转子绕其旋转的轴，这条轴线在图中蓝色区域，与Z轴平行，由于这条线偏离转子自身轴线，而且大概位于定子圆弧段与直线段相接之处。当发生逆时针旋转时，从图7可以看出圆弧段的过盈会增加，所以会导致圆弧段的接触应力增加，而且会出现图6中两侧直线啮合处的接触应力发生变化的情况。由于采油螺杆泵在工况下或多或少会出现橡胶定子的溶胀，而且直线段上的溶胀比圆弧段上的溶胀大，所以直线段过盈相应增加，根据合理的选择转子截面直径和初始装配过盈，一般来说直线段不会产生间隙配合或密封力不够的情况，而圆弧段之间联系的是相隔两个级的定子腔，所需承受的密封压力为直线段的两倍，从施加液压力之后的分析结果来看，圆弧段的接触应力比较大，应该可以满足工作要求。如果由于接触应力过大导致工作扭矩增加，根据作者调整转子结构参数的分析结果（待发表）调整转子的偏心就可以改变圆弧段的过盈，从而来调节圆弧段的接触应力。（a）（b）图6在接触过盈与液压力共同作用下的接触应力分布图7转子的总位移分布图4结论由于螺杆泵工作时液压力的分布比较复杂，难以精确描述，本文以简化的液压力分布为基础，通过ANSYS软件中流体动力学模块FLUENT模拟了螺杆泵定转子中的液压力分布，经过合理的选择流体属性参数，模拟结果与理论假设比较吻合，最后对螺杆泵三维有限元模型施加液压力进行分析，并与单纯在初始装配过盈下的分析结果进行比较，在初始装配过盈作用下，圆弧段的过盈减小导致接触应力下降，而加上液压力之后转子发生比较明显的旋转，旋转轴偏离转子轴线，导致圆弧段的接触应力比初始装配时要大得多。根据作者调整转子结构参数的分析结果减小转子的偏心就可以减小圆弧段的过盈，从而降低圆弧段的接触应力，减小螺杆泵的工作扭矩。[参考文献][1]Moineau,Rene.ANewCapsulim[D].TheUniversityofParis.1930[2]韩修廷等．螺杆泵采油原理及应用[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1998,1~14．[3]师国臣．螺杆泵采油及其配套技术[D]．黑龙江：哈尔滨工业大学,2002．