等壁厚螺杆泵密封性能有限元分析(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大庆石油学院机械科学与工程学院 作者:叶卫东

  常规螺杆泵定子是由丁腈橡胶浇铸在泵筒内形成的。橡胶定子内表面是双螺旋曲面, 其厚薄不均,如图1(a)所示。这种结构存在着诸多不足, 如螺杆泵定子工作时摩擦产生的热量主要聚集在橡胶最厚的部分, 容易导致定子过早失效; 不同厚度橡胶的溶胀、温胀不相同, 由此改变了定转子啮合作用, 增大了磨损, 降低泵的工作效率和使用寿命; 使橡胶定子的受力和变形不同, 造成局部过度疲劳而损坏。因此为了进一步延长螺杆泵工作寿命, 改善常规螺杆泵使用性能, 提高螺杆泵采油经济效益, 必须对常规螺杆泵进行改进。目前, 对常规螺杆泵改进的技术有很多, 如金属定子橡胶转子螺杆泵、全金属螺杆泵、等壁厚螺杆泵。但大部分新技术由于制造成本等原因都处于试验阶段, 只有等壁厚螺杆泵具有了一定的现场使用, 因此本文作者主要对等壁厚螺杆泵进行模拟计算, 分析其密封性能, 并与常规螺杆泵进行比较, 确定其优越性。

常规螺杆泵与等壁厚螺杆泵截面图

图1 常规螺杆泵与等壁厚螺杆泵截面图

1、等壁厚螺杆泵结构

  为了保证橡胶层具有均匀厚度, 必须改变定子钢筒的形状, 如图2所示。目前常用的等壁厚螺杆泵是采用能满足定子泵筒尺寸精度及机械性能的精铸工艺来加工的直筒式等壁厚定子外筒。

等壁厚螺杆泵结构图

图2 等壁厚螺杆泵结构图

  为了与常规螺杆泵具有可比性, 等壁厚螺杆泵选用与常规GLB800螺杆泵结构参数完全一样的DG-LB800, 其结构如图1(b) 所示。由于钢泵筒在使用过程中变形小,不易失效,为了方便有限元计算, 在有限元模型中将其简化成对定子橡胶外圈的位移约束。简化后的几何模型如图3所示。

DGLB800等壁厚螺杆泵结构图

图3 DGLB800等壁厚螺杆泵结构图

  等壁厚螺杆泵计算模型中物理参数与常规螺杆泵相同 , 唯一不同的是橡胶衬套是等厚度的, 且以常规螺杆泵定子橡胶衬套最薄处8mm为设计参数。

2、等壁厚螺杆泵有限元分析

  螺杆泵在工作中主要承受密封腔油液压力的作用。可以将此压力分解成两部分, 一部分是垂直作用在密封腔室内壁的内压力, 使螺杆泵橡胶衬套压缩,螺杆泵密封腔室体积增大; 另一部分是相邻密封腔室间的压差, 使螺杆泵定子型线发生几何形状变化。

2.1、密封腔室内压力对接触压力的影响

  根据弹性力学公式:

  式中: e表示变形前后单位体积的相对体积变化,e=ΔV/V0,V0为变形前的体积, ΔV为变形前后的体积差; σm为平均应力; μ为泊松比; E为弹性模量。螺杆泵橡胶衬套体积压缩量的大小与所受应力有关, 而决定应力大小的因素就是密封腔室内的压力。压力越大, 应力越大, 体积压缩量越大, 实际过盈量越小, 密封性能降低, 直至实际过盈量为0,产生泄漏。

  螺杆泵橡胶衬套体积压缩量的大小还与材料的性能有关, 其中泊松比μ=0.5时,e=0,此时的材料为不可压缩材料, 即使应力再大其体积压缩量也为0; 当泊松比减小时,e增大, 体积压缩量也增大,实际过盈量减小; 弹性模量E越小, e越大, 体积压缩量越大, 实际过盈量减小。下面运用有限元方法计算密封腔室内压力对接触压力的影响,分析内压力对等壁厚螺杆泵的密封性能的影响。

  建立螺杆泵有限元模型, 在左右腔室施加相同的内压力进行计算, 计算结果如图4,5所示。

  图4表示了随着密封腔室内压力的增加, 橡胶在Y方向的位移增大, 当Y方向的位移大于过盈量0.3mm时, 密封失效。等壁厚螺杆泵的Y方向位移较普通螺杆泵Y方向位移增加的慢, 特别是在内压力大于8 MPa后, 增加速度很慢。

  图5显示随着密封腔室内压力的增加, 定子与转子间的接触压力减小, 原因是橡胶受压后体积压缩造成Y方向位移增加使实际过盈量减小从而使接触压力减小。

  由于等壁厚螺杆泵Y方向位移增加较慢, 实际过盈量减小较慢, 因此接触压力的减小也比普通螺杆泵慢, 与普通螺杆泵相比具有更好的密封性能。

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