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螺桿泵以其獨特優(yōu)勢倍受國內(nèi)外油田重視，但由于目前對螺桿泵的基礎理論及其采油配套工藝技術(shù)，特別是螺桿泵使用壽命短一直是油田急待解決的突出問題。為此，本研究對螺桿泵轉(zhuǎn)子、定子間的接觸壓力進行了有限元分析，為螺桿泵磨損和壽命問題的研究奠定了基礎。
根據(jù)資料模擬螺桿泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即定子橡膠外徑78 m門飛轉(zhuǎn)子直徑38 m門飛偏心距5 m門飛導程160 m門飛過盈量0.3 mm，利用SolidWorks建立該螺桿泵的三維實體模型。
螺桿泵模型是比較復雜的模型，不能通過簡單的面加載來實現(xiàn)。在已有關(guān)于螺桿泵力學分析的文章中一直對加載沒有明確說明，原有的方法是使用單元或者節(jié)點來加載壓力;這種方法有很多缺陷，加載時容易產(chǎn)生遺漏或在主觀上有錯誤，而且在模型變化之后，必須得重新加載，費時費力。本論文通過運用布爾減運算中的一種方法，把定子內(nèi)表面劃分成以密封帶為邊界的多個面，這其中把每個腔室需要加載的面都已經(jīng)給隔離出來，非常方便加載，只要在建立接觸對把各個面連接成一個整體就能保證面與面之間能夠在力學特性保持一致;而且每次模型變化包括重新劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格加密等改變節(jié)點數(shù)量的變化都可以直接通過面加載來實現(xiàn)，非常方便并且操作簡單，此種方法無論節(jié)點多少都可以一步完成。
螺桿泵的結(jié)構(gòu)形狀復雜，難以簡化為平面問題或軸對稱問題，必須按空間問題求解，選擇合適的實體單元對螺桿泵三維幾何模型進行離散處理。螺桿泵中螺桿的外表面是單螺旋面，定子橡膠襯套內(nèi)表面是雙螺旋面，邊界形狀較復雜，應選擇等參單元來模擬。定子是決定螺桿泵壽命的關(guān)鍵部件，因此定子橡膠是本文研究的主要對象，為了減少計算量，轉(zhuǎn)子采用四面體單元SOLID45生成，定子橡膠采用計算精度較高的六面體單元SOLID 185生成。由于進行布爾運算，定子內(nèi)腔形成的多個面，須把六面體單元SOLID 185簡化成四面體單元。單元選擇之后，要合理地確定有限元網(wǎng)格的疏密程度保證影響精度的結(jié)構(gòu)部位都具有理想的單元網(wǎng)格。經(jīng)過大量的嘗試得出一組較合理的網(wǎng)格尺寸，即轉(zhuǎn)子網(wǎng)格為2m門飛定子網(wǎng)格為2 mm并采用自由網(wǎng)格進行劃分。
為了能夠反映螺桿泵的實際工作狀態(tài)，在定子的圓周面和轉(zhuǎn)子的側(cè)面施加固定約束來模擬定子缸套的作用；為了避免明顯的應力集中，在定子的側(cè)面施加了對稱約束。在各個腔室內(nèi)加載壓力，來表示螺桿泵的下部、中部、上部，并使得每個腔室之間的壓差為0.1，完全符合螺桿泵的工作參數(shù)，設定50℃的均布溫度。
經(jīng)分析在密封帶的任意處，沿其橫向皆具有中間壓力值大，兩邊值小的特點，這是由于定轉(zhuǎn)子的型面特征以及相鄰腔室內(nèi)的液壓力作用的結(jié)果，并且由于兩腔室間的壓力不等，所以接觸壓力最大值點皆偏向于低壓腔一側(cè)，密封帶開始變窄，直至斷裂。
(1)建立了單螺桿泵三維有限元模型，并運用布爾運算實現(xiàn)了面加載。
(2)通過對單螺桿泵進行有限元分析表明，在半圓處的接觸壓力值的變化不大，并且該處的密封帶寬度比螺旋帶的寬，磨損比較均勻，因此此處不易產(chǎn)生泄漏；而螺旋帶處的接觸壓力的變化幅度較大，甚至出現(xiàn)接觸壓力為零的地方，出現(xiàn)斷裂產(chǎn)生泄漏，而某些地方出現(xiàn)接觸壓力的最大值或較大值，導致密封帶寬度比較窄，磨損比較嚴重，加上各方面的破壞，以及橡膠表面在油浸一段時間之后，各種機械性能都下降，所以螺旋帶上的密封帶容易斷裂從而產(chǎn)生泄漏。
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