多头等壁厚橡胶螺杆钻具定子有限元分析

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新型等壁厚螺杆钻具定子结构设计及力学分析

要求。３通用性强，）可适用于各型石油钻机。
参考文献：
Ｅ］邢１
鹏．于绞车滚筒夹绳问题的几点思考Ｅ］石油关Ｊ．
矿场机械，００３（２：８８．２１，９１）７—０
［］高文凯，２梁
套装式定子结构的应力分布规律，为套装式等壁厚螺杆钻具定子设计与应用提供理论依据。
关键词：螺杆钻具；等壁厚定子；力学分析
中图分类号：９３３２ＴＥ３．０文献标识码：Ａ
ＤｅｉｎａｄＭｅｈｎｃｌＡｎｌｓｓｏｗｐｅ０ｓｇｎｃａｉａａｙｉｆａＮｅＴｙｆ
郑华林，高垒，建禄郭马
（南石油大学机电工程学院，都６００）西成１５０
摘要：等壁厚螺杆钻具定子以其独特的性能受到国内外专家学者的推崇，是其细长内螺旋曲面的但
存在带来了加工上的困难。提出了套装式螺杆钻具马达定子结构设计方案，定子整体加工为分变层加工，降低加工难度。通过有限元法对其在不同过盈量、匀内压下的力学性能进行分析，均获得
政，功祥．机启动过程快绳拉力研究钟钻
［］石油矿场机械，０９３（０：１２．Ｊ．２０，８１）２３图５新型排绳器现场使用照片
［］高加索，吉祥，文娟．车滚筒乱绳原因分析及解３范刘绞决方法［］石油矿场机械，００３（）８ —６Ｊ．２１，９２：２８．

等壁厚螺杆钻具结构特点及应用

等壁厚螺杆钻具结构特点及应用作者：种法强来源：《科学与技术》 2019年第3期摘要：同等条件下等壁厚螺杆钻具容积效率、转速、输出扭矩、总效率和输出转矩均优于常规螺杆钻具。

螺杆钻具以泥浆为动力载体，通过泥浆泵泵出的泥浆液，经过旁通阀进入马达后在进出口形成压差，推动马达转子旋转，通过传动轴和万向轴将转速和扭矩传递给钻头，等壁厚螺杆钻具技术优势明显。

掌握这种新型动力钻具的技术特点是保证其在钻井生产中合理运用的前提。

本文就等壁厚螺杆钻具与普通螺杆钻具的区别，以及在丛式井组的实践运用讨论了等壁厚螺杆钻具在钻井生产中的优势。

关键词：等壁厚螺杆钻具；技术优势；转速扭矩；结构组成1结构特点同普通螺杆钻具基本结构相同，如下图1所示，等壁厚螺杆钻具包括：传动轴总成、万向轴总成、马达总成、防掉总成和旁通阀总成等五部分。

虽然两种钻具的结构组成相似，但详细结构却存在较大的差异。

如图1a所示，常规螺杆钻具马达外壁为刚体，在内壁光滑的定子壳体上浇铸橡胶形成衬套。

橡胶衬套黏合与内壁光滑的定子壳体上，外表面为圆柱形，内表面为螺旋曲面，与转子相互啮合，通过不同的导程差形成螺旋密封腔。

采用这种浇铸方法，定子壳体内的橡胶衬套厚薄不均，波峰和波谷处的橡胶厚度存在较大差别。

由于橡胶衬套硫化过程中的温度和时间无法改变，波峰、波谷处的橡胶会出现过度硫化及硫化不充分的现象，加之螺杆钻具转子在定子内长时间工作，因此容易出现掉块、撕裂和脱胶现象，导致马达过早失效，缩短了螺杆钻具的使用寿命。

如图2b所示，等壁厚螺杆钻具马达定子的螺旋曲面经过硫化后厚度一致、分布均匀，等壁厚橡胶硫化过程中不会出现脱胶或老化等问题，内表面加工后的螺旋曲面与转子配合形成等壁厚马达，增强了橡胶在定子表面的抗变形能和耐冲击能力，达到最佳硫化效果，延长了马达使用周期。

同时定子内橡胶适用性强，在运转条件下变形程度低，增加了与转子的配合量，提高了马达压降，即使在压降相同的情况下马达尺寸缩短，钻具机械效率得到进一步提高。

螺杆钻具等壁厚衬套的设计及仿真分析

（）１
其等距线分为两部分，距曲线方程可写为：等
尺（ｒ）＝，０（）２
＋
．
密封能力，马达泄漏、功率下降。随着钻柱中液体压
力的进一步升高，马达严重泄漏，成失速。只要钻造
。
井液压力不下降，钻具就一直失速，螺杆直至钻井液
本文设计了一种普通内摆线等距线型衬套，研究了四头等壁厚衬套和常规衬套的抗压能力、同不
过盈下的接触性能。由于用到橡胶材料，以先进所行了材料的力学性能实验，拟合了橡胶材料的本构方程系数，然后进行了有限元模拟计算。
压力降低，丁腈橡胶恢复原形，能由失速状态变为才正常状态。等壁厚定子是螺杆钻具产品中近几年开发的最新技术，技术的特点是在定子注胶之前，该在定子壳体中预先加工出定子的螺旋形状，然后再实施注胶技术。该技术提高了每一级的密封压力，由原来的每级ｏ８ＭＰ．ａ提高了５％～１０，同等００％在
收稿日期：２０００７— ４—０；修回日期：２０２０７—１０—１６
由于衬套骨线为 Ⅳ＋１头普通内摆线，把式则
中的 Ⅳ换为（Ｎ＋１，为 Ⅳ，０～ｎ换为Ｔ＝）ｎ换Ｔ＝０
～
Ｎ，：则
Hale Waihona Puke （，＋ｅ—Ｏｊ）＋ｒｎ０一。
中图分类号：Ｔ２．Ｅ９１２文献标识码：Ａ文章编号：１０７８２０）６— ０８一３０６— ６Ｘ（０７００８Ｏ

等壁厚螺杆泵密封性能有限元分析(1)

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟等壁厚螺杆泵密封性能有限元分析(1)常规螺杆泵定子是由丁腈橡胶浇铸在钢泵筒内形成的。

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。

多头等壁厚橡胶螺杆钻具定子有限元分析

云图
力分布在橡胶衬套内部的凸起处，最大Ｍｉｓ力为０１ｓ应ｅ．５
ＭＰ，ａ最小值位于衬套最大应力点沿半径矢量方向钢套定子的外轮廓上，最小Ｍｉｓｓ应力为０２ａ而等壁厚橡胶螺杆钻ｅ．ＭＰ，７
具定子的最大应力分布，在定子钢套内轮轮廓凸起处和凹陷处过渡处，大Ｍｉｓ力为０５ＭＰ，小应力同样位于衬最ｓ应ｅ．ａ最７
均匀内压力作用下变形后的内轮廓线形状。
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图７常规螺杆钻具定子Ｍｉｓ应力云图ｓｅ
￡●●一００＇ ± ．４口 ¨ ． “ 抽１Ｉ． “ ｌ ■
图６等壁厚螺杆钻具定子位移变形云图
３３常规衬套和等壁厚衬套在不同过盈量下的接触性能分析．在定子不变的情况下，分别以转子的过盈量０３ｍ和．ｍ０５ｔｉ新建模计算，转子和定子的过盈量在０３ｍｍ时，．ｏ重ｎ，其
ＥｑｐｍｅｔａｕａｔｉｃｏｏｙＮｏ１，０１ｕｉｎＭｎｆｃｒｎｇＴｅｈｎｌｇ．２０
子刚体外套外侧没定为固定约束，定子钢套和橡胶衬套粘结在一起，两者之间设定为固定约束。
３１均匀内压下两种螺杆钻具定子及其橡胶衬套的位移变形．

螺杆钻具的静态及动态特性分析

螺杆钻具的静态及动态特性分析
螺杆钻具是钻井工程中的重要设备之一，马达总成是螺杆钻具的核心部位，传动轴总成是螺杆钻具实现钻井作业的纽带。

由于马达定子管接头和传动轴小径部位截面形式变化较大，不可避免地出现应力集中现象，而且在钻井过程中大多数钻具在循环载荷下工作，所以容易发生损坏。

因此，关于螺杆钻具的特性问题越来越受到国内外有关科研人员的关注。

为了研究螺杆钻具的静态特性和动态特性，本文主要利用有限元分析软件，建立螺杆钻具定子管和传动轴的有限元分析计算模型，分别在最高使用载荷条件下，从静态和疲劳两个角度对其进行分析。

首先分别对不同槽型的定子管在扭转和轴向力情况下进行静力分析，得到静态应力分布情况，确定槽型对定子管应力的影响，从而以减少应力集中和提高强度为目的进行结构改进。

其次，从减少应力和增加传动轴刚度的角度，将改造后的传动轴和某公司设计的传动轴进行比较，从而对传动轴结构进行优化。

最后，在静态分析的基础之上，通过疲劳分析，以Miner疲劳设计准则为依据，采用雨流计数法处理载荷信号，分别采用多轴和单轴应力分析法，对不同材料、不同载荷频率、不同表面粗糙度的构件分别进行疲劳仿真计算，找出影响定子管和传动轴寿命的因素，从而对二者进行优化。

通过分析对比，得出在设计定子管结构时，除了采用强度更高的材料之外，应当尽量减小退刀槽截面尺寸变化程度，在合理的情况下尽可能增大倒角半径，使退刀槽截面尺寸平稳过渡。

此外，因为最大应力大部分出现在螺纹根部，因此还需加强螺纹根部的强度。

对于传动轴，除了要在小径上选择合适的槽型之外，应当在结构允许的范围内，适当的增加小径直径数值以保证传动轴的刚度，提高表面粗糙度，在工作效率允
许的情况下采用频率较小的载荷。

橡胶挤出机螺杆构型分析及其几何参数的确定

橡胶挤出机螺杆构型分析及其几何参数的确定吕柏源郑晓斐闵鹏峰崔静（青岛科技大学高分子材料加工机械研究所）摘要：螺杆是冷喂料挤出机的一个核心部件，它在挤出机的性能参数中起着决定性的作用。

本文将螺杆从宏观功能上分成三个功能段，依据挤出理论结合生产实践分别对螺杆的喂料功能段、塑化功能段和挤出功能段的各种螺杆构型进行了较详尽较系统的分析，以便更容易理解和掌握各种螺杆构型的工作原理，希望对螺杆设计和选型有所帮助。

另一方面螺杆又是由众多的结构几何参数所组成。

因此螺杆几何参数的确定和选择直接关系着挤出机的使用性能。

本文分析了螺杆几何参数影响挤出过程的理论依据，进而对各几何参数进行选择和确定，为螺杆和挤出机的设计、选型提供依据和参考。

1.前言在橡胶工业中，螺杆挤出机是橡胶加工的重要设备，它广泛应用在轮胎制造、胶管制造、密封胶胶条制造、电线电缆和防水材料制造等等。

在挤出机中，螺杆是一个核心部件，它在挤出机的性能参数中起着决定性的作用。

从挤出机的发展史中就充分证明了这一点：最早使用的是短长径比的等距不等深或收敛螺杆，因没有塑化功能，只能用在橡胶制品的压型功能上，即出现了最早的热喂料挤出机；由于热喂料挤出机需要庞大的供胶设备，既浪费能源，浪费占地面积，劳动强度大，挤出制品质量低等问题，因此，加大了螺杆的长径比，提高了胶料在挤出过程中的剪切历程，以便提高螺杆的塑化能力，出现了大长径比的普通螺纹螺杆，即从热喂料挤出机发展到普通冷喂料挤出机；由于普通冷喂料挤出机的螺杆没有塑化元件结构，塑化能力达不到挤出工艺要求，在此背景下，螺杆的塑化段增加了主副螺纹结构，出现了主副螺杆（即强力剪切）冷喂料挤出机；主副螺纹挤出机虽然解决了塑化能力问题，但它只是简单的剪切作用，对塑化和混合作用还满足不了高质量橡胶制品的要求，因此，又将螺杆的塑化段发展成机筒销钉螺杆，则出现了销钉冷喂料挤出机。

并为此，先后出现了繁多的挤出机品种，如：挡板挤出机、传递型挤出机，销钉/主副螺纹型挤出机等等。

螺杆钻具定子寿命分析

．
ｉｔｔｒｌｆ．Ｎｏｎ－ｌａｉｔｌｍｅｎｌｉａｓｄｔｒｏｍｈｅｍａｎｄｓｒｔａｎｇｓａｏｉｅ－ｉｎｅｒｆｎｉｅｅｅｎｔａａｙｓｓＷＳｕｅｏｐｅｆｒｔｒ１ａｔｕｃｕｒ１ａ
、
材料构成、
井下温度、井液、子橡胶性能、达转速、达压降及井下作业环境等因素钻定马马
。
着重论述了定子失
，
效机理和影响定子寿命的因素，用非线性有限元分析方法对定子橡胶进行热分析和结构分析并应验证了３作条件对定子寿命的影响。－
ｈｏｅｏｐｒｔｎｇｃｎｄｔｏｌｅａｉｏｉｉｎｓＴｈｓｐａｒｆｃｅｎｔｔｔｒｆｉｕｅｎｅｈａｓｓａａｔｓａｆｃ — ｉｐｅｏｕｓｓｏｈｅｓａｏａｌｒｌｃｎｉｍｎｄｆｃｏｒｆｅｔ
，
ａｕｒｄｉｌｌｉｓａｏｒｅａｔｔｅ，ｒｌｎｇｆｕｄ，ｔｔｌｓｏｍｅｏｐｒｉｓ，ｔｒｓｅｄ，ｏｏｒｄｆｅｅｉ１Ｄｅｓｅａｄｄｗｎｉｒｐｒｅｔｅｍｏｏｐｅｍｔｉｆｒｎｔａｒｓｕｒｎｏ
．
ｄｐｎｄｎｍａｙｆｃｏｓｓｈａｏｔｒ／ｔｔｒｄｓｇｎ，ａｒｉｌｏｎｔｕｔｏｎｄｏｎｈｏｅｔｍｐｒｅｅｓｏｎａｔｒｕｃｓｒｏ／ａｏｅｉｓｍｔｅａｓｏｆｃｓｒｃｉｗｌｅｅ—

橡胶结构有限元分析收敛问题的对策

ｎｏｎｌｉｎｅａｒｔｈａｔｔｈｒｅｅｋｉｎ＆ｏｆｔｙｐｉｃａｌｎｏｎｌｉｎｅｒａｉｎｆｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｎａａｌｙｓｉｓｉｎｒｕｂｂｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｔｃｏｍｂｉｎｅｄｗｈｈＦＥＡｏｆａＹｘ
ｒｕｂｂｅｒｓｅｌ＇ａｓｐｌｎｅａｓｔｒｔｕｎｉｎｆｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅ１．ｆｏｃｓｅｕｄｔｈｅｄｓｉｃｕｓｓｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｎｓｔｒｔａｉｏｎｏｎｔｈｅａｐｐｌｃｉａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｏｒｄｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｏｒｄｅｒｅ，ｅｎ拈，ｇｒｉｄｄｅｎｓｉｔｙ，ｃｏｎｔｃｔａｓｔｆｉｆｎｅｓｓｎｄａｃｏｎｔｃｔａｌｇａｏｒｉｔｈｓ，ｍｌｏａｄｓｔｅｐｓｎｄａｓｕｂｓｔｅｐｓ，ｗｈｃｉｈｗｏｕｌｄａｆｆｅｃｔ
第７期２０１３年７月
机械设计与制造
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ２６５
橡胶结构有限元分析收敛问题的对策
夏卫明，骆桂林，嵇宽斌
（扬力集团江苏国力锻压机床有限公司，江苏扬州２２５００９）

多头等壁厚橡胶螺杆钻具定子有限元分析

多头等壁厚橡胶螺杆钻具定子有限元分析王可;陈亮亮;孙兴伟【摘要】利用三维设计软件,建立了常规螺杆钻具定子和等壁厚橡胶螺杆钻具定子的二维平面模型,在有限元分析软件环境下,进一步建立定子的有限元分析模型,并分析了定子橡胶衬套内表面在均匀压力作用下的应力、应变和位移的分布规律.结果表明,在相同压力下,等壁厚衬套比常规衬套有更好的抗形变能力;在相同的过盈量下,等壁厚衬套有更好的密封能力;在同等扭矩下,等壁厚定子的长度可以缩短,等壁厚橡胶衬套内表面相对位移变化小,使转子与定子间产生均匀的过盈,从而提高了螺杆钻具的工作性能.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2010(000)001【总页数】3页(P83-85)【关键词】等壁厚橡胶;螺杆钻具;定子;有限元【作者】王可;陈亮亮;孙兴伟【作者单位】沈阳工业大学,机械工程学院,辽宁,沈阳,110870;沈阳工业大学,机械工程学院,辽宁,沈阳,110870;沈阳工业大学,机械工程学院,辽宁,沈阳,110870【正文语种】中文【中图分类】TE921螺杆钻具等壁厚橡胶定子，是螺杆钻具产品中近几年开发的最新技术。

此项技术的特点，是在定子注胶之前，在螺杆钻具定子壳体预先加工出定子的内螺旋形状，然后再实施注胶技术。

该技术提高了每一级的密封压力，由原来的每级0.8 MPa提高了50%～100%，在同等扭矩下，定子长度最短，寿命也有所提高[1～4]。

螺杆钻具的失效形式，主要表现在定子橡胶衬套内表面的失效[5]。

因此，在利用三维软件建立的螺杆钻具定子模型基础上，利用有限元分析的方法，对六头等壁厚橡胶螺杆钻具定子和常规螺杆钻具定子橡胶衬套内表面的应力、应变及位移特点进行研究，为多头等壁厚螺杆钻具的开发研制奠定了理论基础。

1 平面模型本文研究的螺杆钻具定子及其衬套的线型，为六头普通内摆线外侧等距曲线，等距半径系数r0=1，定子外径直径为Φ172 mm，内腔最大径为Φ139 mm，等壁厚衬套厚度为8.5 mm，常规衬套最薄处的厚度也为8.5 mm，利用三维软件建立的两种定子的二维平面模型如图1、图2所示。

螺杆钻具用高弹性模量橡胶的研究

螺杆钻具用高弹性模量橡胶的研究宋　建，罗西超（北京石油机械有限公司，北京　102206）摘要：通过在螺杆钻具电动机定子用橡胶配方中增添改性纳米碳化硅粉体或炭黑N440或分散预处理12687增硬树脂或调整硫黄用量来提高硫化胶弹性模量。

结果表明：增添改性纳米碳化硅粉体，可延长胶料的t10和t90，增大硫黄用量，可缩短胶料的t10和t90；增添改性纳米碳化硅粉体的硫化胶的弹性模量最高，增添炭黑N440的硫化胶的弹性模量次之；增添改性纳米碳化硅粉体的硫化胶的硬度、100%定伸应力和拉伸强度最高，拉断永久变形较小，磨耗质量损失最小，满足设计要求。

关键词：螺杆钻具；电动机定子；丁腈橡胶；弹性模量；改性纳米碳化硅粉体；炭黑；增硬树脂；硫黄中图分类号：TQ336.5；TQ333.7；TQ330.38 文章编号：1000-890X（2020）10-0773-04文献标志码：A DOI：10.12136/j.issn.1000-890X.2020.10.0773电动机定子中使用高弹性模量橡胶是螺杆钻具提速增效的一种快捷有效的手段，橡胶的弹性模量大、定伸应力高，有利于提高井下应用螺杆钻具电动机动力，加快钻井速度，缩短钻井周期[1]。

目前螺杆钻具用橡胶的邵尔A型硬度指标为（71±3）度[2]，但弹性模量相对较低，难以满足市场需求，因此开发高弹性模量橡胶成为提高井下螺杆钻具电动机动力的突破点之一。

碳化硅又名金刚砂或碳硅石，硬度仅次于金刚石。

通过特殊工艺方法制备的改性纳米碳化硅粉体无明显团聚现象，分散稳定性高，在橡胶中得到了推广应用[3]。

本工作通过在螺杆钻具电动机定子用橡胶配方中增添改性纳米碳化硅粉体或炭黑N440或分散预处理12687增硬树脂或调整硫黄用量来提高硫化胶弹性模量。

1　实验1.1　主要原材料丁腈橡胶（NBR），牌号Krynac，丙烯腈质量分数为0.334 5，加拿大Sarnia公司产品；炭黑N660和N440，俄罗斯Ivanovo公司产品；改性纳米碳化硅粉体和分散预处理12687增硬树脂，自制。

等壁厚螺杆钻具橡胶衬套设计分析和试验

中图分类号：ＴＥ９２１．２文献标识码：Ａ
－
４－・－－４－・・－４－・・－４－・・－４－・・－４－・・－４－・・－４－
质中的电化学行为［Ｊ］．宝钢技术，２００８（５）：４９ — ５３．
ｃｕｌａｔｉｏｎｓｆｏｒＣａｓｉｎｇ，Ｔｕｂｉｎｇ，ａｎｄｌａｎｅＰｉｐｅＵｓｅｄａｓ
２）降低ｓ元素的含量，调整合金元素配比，使其与主要合金元素ｃｒ和Ｍｏ的配合，可以充分发挥
因素试验研究［Ｊ］．石油矿场机械，２０１２，４１（６）：
３８ — ４２．
［１］李鹤林，韩礼红．刍议我国油井管产业的发展方向［３１．
焊管，２００９，３３（４）：５－１０．
ｆｏｒＣａｓｉｎｇａｎｄＴｕｂｉｎｇ［Ｓ１．［８］大村朋彦．抗硫化物应力裂纹性优良的油井管用钢级
油井用无缝钢管的制造方法：中国，２００６８０００９５２８．９
各合金元素的作用，综合提高套管的性能，生产出具有较高抗挤毁性能的抗硫套管。３）在材料性能相同的条件下，通过控制几何
ＣａｓｉｎｇｏｒＴｕｂｉｎｇ；ａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＴａｂｌｅｓ

等壁厚螺杆泵定子剪应变的有限元分析

等壁厚螺杆泵定子剪应变的有限元分析等壁厚螺杆泵解决了常规泵定子受力、散热和温胀等不均匀问题，改善了螺杆泵性能。

利用有限元法对等壁厚螺杆泵定子剪应变进行研究，对比分析将位移约束施加在泵筒外层和衬套外层时定子的剪应变分布，并探讨衬套弹性模量和泊松比对等壁厚螺杆泵定子剪应变分布的影响。

结果表明：泵筒和衬套间的固定接触作用对定子剪应变分布有一定影响；相同工况下，衬套弹性模量在4GPa到40GPa时，等壁厚螺杆泵定子具有更长的使用寿命和更好的工作性能；相同工况下，衬套泊松比越接近于0.5，等壁厚螺杆泵定子的使用寿命越长，工作性能越好。

标签：螺杆泵；等壁厚定子；剪应变；有限元分析引言螺杆泵属于容积式泵，由转子和定子组成。

螺杆泵在石油工业领域因适宜于高粘度、高含砂量原油开采，同比采油量能耗低和设备制造成本低等优点[1]，应用规模逐年扩大。

常规泵在工作时，产生热量主要聚集在橡胶衬套最厚部分，热效应会使内腔变小，摩擦损失增加，机械效率降低。

为此，等壁厚螺杆泵应运而生。

国外已经在稠油井中进行了现场试验[2]。

目前研究与应用证明，与常规泵相比其性能得到了改进[3]。

国内已经具备独立生产各型螺杆泵的条件，等壁厚螺杆泵也有了一定的现场使用[4]，但整体上与国外同型号产品相比还存在着较大的差距。

为延长螺杆泵使用寿命，改善螺杆泵工作性能，还需要加强对等壁厚螺杆泵的研究。

定子内轮廓线变化能够影响泵的工作特性，因此需要研究受内压作用下定子内轮廓线的变化。

目前还没有有效的手段能够直接对定子剪应变进行测试。

利用有限元法对等壁厚螺杆泵定子剪应变进行研究是有益的尝试。

许多学者为了简化模型，将泵筒去掉，位移约束直接施加在衬套外层。

这种做法只是单纯考虑了内压对定子内轮廓线变化的影响，而没有考虑泵筒和衬套间的固定接触作用。

本文利用有限元法对等壁厚螺杆泵定子剪应变进行研究，位移约束施加在泵筒外层，泵筒和衬套间采用非线性接触方式，用以模拟泵筒和衬套间的固定接触，并与位移约束直接施加在衬套外层时定子的剪应变分布进行对比分析。

油田螺杆钻具橡胶定子注射硫化生产线传动装置联接板的结构改进和有限元分析

｛｝＝Ｊ｝Ｒｆ州｛ｄ［Ｐ
式中：Ⅳ］［一单元形函数矩阵在结点上的值。
注射时产生注射压力的关键联接部件。联接板的正常工作既保证了注射的稳定性和精度，保证了橡又胶定子制品的质量。利用ＡＳＳ有限元分析软件，ＮＹ分析了联接板在注射压力的反作用力下各种力学性
第３７卷第２期
２１００年２月
世界橡胶工业
ＷｏｌｂｒＩｄｓｒｄＲｕｂｅｎｕ！
Ｖｏ．７Ｎｏ．ｌ —２１１３２：６Ｆｂ．２０ｅ０１
， ’’’’’’’’、
２理论研究：
ｌｔＩｌｌＩｔｔ ‘
力，而防止由于压力不足而产生胶料泄漏或从
有限单元法的理论基础是变分原理。最常
用的变分原理有最小势能原理、最小余能原理
和混合变分原理。采用不同的变分原理，得将到不同的未知场变量。当采用最小势能原理
时，须假设单元内位移场函数的形式，必这种以
位移作为基本未知量的分析方法称作位移法。
当采用最小余能原理时，必须假设应力场的形式，种方法称为应力法。当采用混合变分原这
理时，就必须同时假设某些位移和某些应力，因而这种方法称为混合法。当用有限元法处理瞬态问题时，用的变分原理是Ｈｍｌｎ原理。常ａｉｏｔ

等壁厚螺杆钻具定子电解加工技术研究

ＷＥＮＧａｎｇ — ｚｈｕ，ＪＩＮＪｉａｎ，ＬＩＯｕ，ＰＡＮＧＺｈｉ — ｈｕｉ
（ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＮｏｒｔｈＨｅａｖｙＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｂａｏｔｏｕ０１４国内目前的多种加工方法还处于研制、试验阶段，考虑生产效率、加工精
度和产品质量等因素，电解加工方法是首选。为了设计阴极，进行了结构选取，计算了加工间隙、工
作部分长度、前后引导段的长度等。电解质的温度、压力、电流密度等参数会影响加工质量，应控制
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｖｅｎｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌｓｔａｔｏｒｂｏｒｅｉｓｍａｄｅｕｐｏｆｓｐｉｒａｌｌｉｎｅｔｈａｔｉｓｓｉｍｉｌａｒｏｆｔｈｅｐｌｕｍｆｌｏｗｅｒｐｅｔａｌｏｆｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｓｈａｐｅ，ｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｌｅｎｇｔｈｔｏｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｓｔａｔｏｒｂｅｉｎｇａｂｏｕｔ４０ｔｉｍｅｓ。ｓｐｉｒａｌｃｕｒｖｅｄｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｂｏｒｅｉｓｔｈｅｍｏｓｔｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ａｖａｒｉｅｔｙｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃ

等壁厚螺杆泵定子剪应变的有限元分析

科技创新
一
２０１３年第２８期Ｉ科技创新与应用
次采全高短壁工作面采煤机及 “ 割内放外’ 鼎煤机技术研究分院，山西晋城０４８００６）摘要：国内外针对大型矿井的采煤工艺和装备发展迅速且较为成熟，而对中小型矿井使用的工艺和装备则研究较少，尤其是高效机械化采煤设备更为稀缺，大量的资源整合矿井由于缺少相应的采煤设备，仍采用简易机采或炮采的方式进行生产，不仅安全性差、生产效率低、产量低、经济效益低，而且工作环境恶劣、资源丢失严重。本文所述的一次采全高采煤机应用先进科学的割内放外采煤工艺，具有结构紧凑、安全高效、节能环保的突出优点，可对中小块段资源进行开采，极大的提高资源利用率。关键词：采煤机；采煤工艺；割内放外１“ 割内放外 ” 新型采煤机及其工艺的研究背景目前我国大采高工作面回采装备（尤其是采煤机）绝大部分是以进口设备为主，与国际先进水平尚存在差距。一些矿井在设备的使用过程中也出现了不同的问题，设备的维修费用过高，配件需要进口，一些企业为了不耽搁生产不得不采购大量的配件以备应急之需，这样就呆滞大量的资金。我国尚没有一种体积小、结构紧凑、使用方便、采高达到４ｍ以上的短壁采煤机，这种状况极大的制约了中小型矿井机械化程度的提高。随着煤矿企业兼并，重组整合工作的推进，大量的中小型矿井整合完成，按照“ 总量适度、优化布局、产能置换、关小上大、提升水平” 的原则，这些矿井都面临着改造升级的紧迫问题，但受限于设备、采高、供电、投入等原因无法实现安全高效的综合机械化开采。晋煤集团金鼎煤机矿业有限责任公司率先提出“ 割内放外” 采煤工艺，并研制生产出了一次采全高短壁工作面采煤机及配套装备。从一定程度上将解决大型综采设备开采无法开采的资源相对分散、储量相对较少的煤炭开采难题，对促进我国中小型矿井安全高效生产，提高资源回收率，将具有显著经济效益和社会效益。２一次采全高短壁工作面采煤机及“ 割内放外” 工艺次采全高短壁工作面采煤机及“ 割内放外” 工艺是为中小型矿井实现高效综采生产而提出设计的，其核心是在回采过程中运用新型采煤机的结构特点，巧妙的利用顶板压力、重力及采动影响作用，来实现 “ 割内放外 ” 的采煤工艺。次采全高短壁工作面采煤机次采全高短壁工作面采煤机它是由多电机驱动的齿轮一销轨式

等壁厚螺杆钻具的研制与现场应用

- 14 -论文广场石油和化工设备2018年第21卷图1 常规螺杆钻具定子图2 等壁厚螺杆钻具定子等壁厚螺杆钻具的研制与现场应用习玉阳（大庆钻探工程公司钻井一公司，黑龙江大庆 163411）[摘要] 为提高螺杆钻具的使用寿命，研制了等壁厚螺杆钻具。

通过研究等壁厚螺杆钻具关键参数，确定了172mm等壁厚螺杆定子衬套厚度为10mm，定/转子头数比为5:6；室内等壁厚螺杆钻具与普通螺杆钻具的性能对比试验表明：同等条件下等壁厚螺杆钻具容积效率、转速、输出扭矩、总效率和输出转矩均优于常规螺杆钻具。

在现场应用中，等壁厚螺杆钻具比常规螺杆钻具纯钻时间提高48.79%，机械钻速提高30%，进尺增加465.05m，取得了良好效果。

[关键词] 等壁厚螺杆钻具；衬套厚度；定/转子头数比；室内试验；现场应用作者简介：习玉阳（1979—），男，黑龙江巴彦县人，大学学历，工程师，在大庆钻探工程公司钻井一公司从事井控教师工作。

螺杆钻具在20世纪50年代中期诞生于美国，80年代初期引进我国，是一种以钻井液为动力的井下动力钻具[1]。

在定向井、大斜度井、水平井和大位移井的施工中发挥着重要作用，同时应用螺杆+转盘钻井能够使机械钻速大幅度提高，缩短钻井周期，降低钻井综合成本。

经过几十年的发展，国内多家石油机械厂已形成了比较成熟的螺杆钻具制造工艺，原理大体相同，一般螺杆钻具的使用时间在120-150h 左右。

随着水平井钻井工艺的推广应用，螺杆钻具使用寿命达不到生产需求的问题越来越突出。

通过查阅相关专业技术文献，对螺杆钻具定子衬套进行改进与完善，形成了等壁厚螺杆钻具。

1 等壁厚螺杆钻具定子的设计目前国内外螺杆钻具生产厂家在进行螺杆钻具定子加工时是把橡胶直接浇铸在光滑的定子壳体内壁上，如图1所示，这种螺杆钻具定子外缘为圆柱，内缘为摆线，在轴向剖面上橡胶厚度不均匀，渐变波动[2]。

等壁厚螺杆钻具应用特殊电解工艺在定子外壳上电离出与定子橡胶相一致的摆线轮廓，然后再均匀浇铸橡胶，如图2所示。

采油螺杆泵定子橡胶失效分析与检验

采油螺杆泵定子橡胶失效分析与检验摘要：螺杆泵采油技术具有占地面积小、结构简单、效率高等优点，已经广泛应用于国内各大油田。

螺杆泵核心部件为橡胶定子和金属转子，两者配合运行时形成用于举升原油的密封腔室，但受到高温高压、强腐蚀性介质等油井极端复杂工况环境的影响，定子橡胶材料易产生膨胀，出现硬度下降、材料变软和摩损加剧等现象，橡胶老化加快了定子失效速度，导致螺标泵的使用寿命较短，制约着运行效率，在使用过程中时常出现运行故障。

这就需要对定子橡胶失效进行分析与研究，为选择满足油井工况要求的橡胶材料提供参考。

本文主要分析采油螺杆泵定子橡胶失效分析与检验。

关键词：螺杆泵；失效形式；材料引言螺杆泵定子橡胶损坏是由于溶胀、化学侵蚀和机械磨损导致，机械磨损多伴随着溶胀、化学侵蚀，多种因素共同作用与影响，加快了定子橡胶的失效速度。

从干摩擦、水润滑和油润滑实验结果来看，同样油井环境下橡胶材料磨损会引起机理变化，溶胀导致硬度、耐磨性下降，油液化学成分会侵蚀橡胶表面而改变分子链结构，因此，选择合适的材料对提升定子橡胶寿命有着重要作用。

1、定子橡胶材料类别(1)螺杆泵定子橡胶材料为丙烯腈橡胶，工作温度低于或等于80℃，井下复杂条件要求较高，必须进行研发，将工作温度提高到120℃。

由于其特殊的材料特性2)丁二烯橡胶分类。

①根据聚合温度，可分为高温聚合橡胶和低温聚合橡胶；②根据适用范围，可分为一般型和特殊型丙烯腈橡胶。

油田使用的丁二烯丙烯腈橡胶是由丁二烯丙烯腈组成的二元聚合物。

专用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯橡胶包括引入第三单体的三轴共聚物，例如羧甲基橡胶、氢氧化铝橡胶、与聚氯乙烯相结合的apaan橡胶和部分树脂丙烯腈-丁二烯-苯乙烯橡胶。

2、油田螺杆泵定子橡胶失效分析2.1溶胀失效螺杆泵定子橡胶出现溶胀，会在承压端产生突起，橡胶材料受到溶胀作用影响会导致体积变大，多出的体积会在承压端显现出来，这就是承端端突起的根本原因。

定子弹性体上也会存在一定程度的裂纹损伤，使定子表面变脆、变硬。

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［杜秀华，４】何庆旭，国有．于ＳｌＷｏｓ韩基ｏｄｒ的单头采油螺杆泵有限ｉｋ元分析及其线型优化［．Ｊ科学技术与工程，０８（）１８ — ９３】２０，４：９０１８．
［】劲，５张张士诚．常规螺杆泵衬套有限元求解策略【Ｊ机械工程学Ｊ＿
具定子的二维平面模型，用有限元分析方法，析了定子钢利分
［】恒，伟亚．漏失深孔螺杆钻具失速的探讨及解决途径ｌ．１魏何全Ｊ探】
套以及橡胶衬套在不同压力、不同过盈量下的形变、应力和接触情况。研究结果表明，子钢套的变形较小，定变形主要发生在橡胶衬套上；和常规传统衬套相比，等壁厚螺杆钻具衬套有更好的抗压能力和更高的接触压力。
均匀内压力作用下变形后的内轮廓线形状。
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图７常规螺杆钻具定子Ｍｉｓ应力云图ｓｅ
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云图
力分布在橡胶衬套内部的凸起处，最大Ｍｉｓ力为０１ｓ应ｅ．５
ＭＰ，ａ最小值位于衬套最大应力点沿半径矢量方向钢套定子的外轮廓上，最小Ｍｉｓｓ应力为０２ａ而等壁厚橡胶螺杆钻ｅ．ＭＰ，７
具定子的最大应力分布，在定子钢套内轮轮廓凸起处和凹陷处过渡处，大Ｍｉｓ力为０５ＭＰ，小应力同样位于衬最ｓ应ｅ．ａ最７
报，０４，０５：８ — ９．２０４（）９１３１
其值的选定，接影响到螺杆钻具的工作性能。直（）３在提供相同转矩和功率的情况下，等壁厚螺杆钻具可以利用很短的长度，获得很大抗压能力，来所以可以更好的用在小曲率半径的油井。
参考文献：
ｓｌｒｓｕｅｔｅｅａｌｈｉｋｓｕｓａｔｅｔａｎｅｐｅｓｒｈｑｕｗａｌｔｃｎｅｓｂｈｈｓａｂｅｔｒａｉｆｒｔｏａｃｔｈｒｄｉｏｌｂｕｈｎｔａｅａｕｎｆｉｅｅｅｃ．ｌｎ－ｄｅｏｍａｉｎｃｐａｉｔａｔａｔｎａｓ；ｉｈｅｓｍｍｏｔｏｒｒｎｅｙｎｉｎｔｆ
图６等壁厚螺杆钻具定子位移变形云图
３３常规衬套和等壁厚衬套在不同过盈量下的接触性能分析．在定子不变的情况下，分别以转子的过盈量０３ｍ和．ｍ０５ｔｉ新建模计算，转子和定子的过盈量在０３ｍｍ时，．ｏ重ｎ，其
ＡｂｔａｔＴ — ｉｎｉｎｌｐａａｄｌｇｏｔｔｒｏｏｈｔｄｔｎｃｅｒｌｇｔｏｎｅｅｕｌｔｉｋｅｓｏｕｂｒｏｃｅｓｒｃ：ｗｏｄｍｅｓｏａｌｎｒｍｏｅｉｆａｏｆｂｔａｉｏａＳｒｗｄｉｉｏｌａｄｔｑａｗａｃｎｓｆｒｂｅｆＳＦｗｎｓｒｉｌｌｎｈｌｌｈｄｌｎｏｅｐｗｔｅ３ｄｓｇｉｉｏｉｒｌｇｔｌｓｓｔｉｔＤｅｉｎ￣ｆｗｅＦｎｔｌｍｅｔｎｙｉｇｍｏｅｉｇｉｓｔｐａｅｌａｎｏｍｉｒｓｕｅｏｎｒｓｒａｅｕｈｈｔａ．ｉｉｅｅｎａｚｎｄｌｅｓｗｌｔｉｒｔｐｅｓｒｆｎｅｕｃｒｅａｌｎｓｕ，ｕｆｙｉｆｏｅｓｔｒｒｂｅ，ｅｕａｉｅｆｉｔｂｔｎｏｅｓｅｓｔｅｓｒｉｎｈｉｐａｅｎｒａｙｅ．Ａｎｅｒｓｌｈｗｔａｉｅｆｈｔｏｕｂｒｒｇｌｒｔｓｏｓｒｕｉｆｔｔｓ．ｈｔｎａｄｔｅｄｓｌｃｍｅｔａｅａｌｚｄｔａｉｄｉｏｈｒａｎｄｔｅｕｔｓｏｈｔｎｔｈｓｈ
计算结果表明，常规定子橡胶衬套和等壁厚定子橡胶衬
套的最大位移变形，都发生在衬套内部的凹陷处，离中心越远，变形越小。常规衬套的最大位移值达到了２１ｌ，．６ｍｎ若要保
持螺杆钻具电机在此压力下正常工作，即保证各个密封腔室
４结束语
（）１建立了常规螺杆钻具定子和等壁厚橡胶衬套螺杆钻
壁厚橡胶螺杆钻具定子，各自所对应的Ｍｉｓｓ应力云图如图ｅ
７图８示。在Ｏａ正压力作用下，、所．ＭＰ的５常规定子的最大应８４
《装备制造技术１００２１年第１期
（ｃｏｌｆｅｈｎｃｌｎｉｅｎ，ｈｎａｇｎｖｒｔｏｅｈｏｇ，ｈｎａｇ１０７，ｈａＳｈｏｏＭｃａｉａＥｇｅｒｇＳｅｙｎｉｅｉｆｃｎｌｙＳｅｙｎ１１８Ｃｉ）ｎｉＵｓｙＴｏｎ
ｔｅｅｕｌｔｉｋｅｓｂｓａｅａｂｔｒｅｅａａｉ．ｎｔｅｓｎｅｔｒｕ，ｈｎｔｆｑａａｌｈｃｎｓｔｔｒｆｃｅｒｌａｅｈｑａｗａｌｈｃｎｓｕｈｈｖｅｔａｄｃｐｃｔＩａ＇ｑｅｔｅｌｇｈｏｕｗｌｔｉｋｅｓｓａｏｒｗｄｌｃｂｌｅｓｌｙｈｒｏｅｅｌｏｓｉｎｓｏｔｎｄｔｅｃａｇｓｏｅｒｌｔｅｄｓｌｃｍｅｔｆｅｕａｌｔｉｋｅｓｏｂｅｕｈｉｎｒｓｒａｅｉｓｌｗｈｃｋｓｕｉｒｔｈｒｅ．ｈｈｅｆｅａｉｉｐａｅｎａｗｌｈｃｎｓｆｒｂｒｂｓｎｅｕｆｃｓｍａ１ｅｎｈｔｖｏｑｌｕ．ｉｈｍａｅｎｆｍｉｏｙｉｔｒｒｎｅｆｅｗｅｎｔｅｒｔｄｔｅｓｔ，ｄｅｈｃｓｓｒｗｄｌｓｗｒｉｇｐｒｒａｃ．ｎｅｆｅｅｔｔｅｏｏａｔｏａｎａｅｃｅｒｌｏｋｎｅｏｎｅｅｉｂｈｒｎｈａｒｎｎｉ ’ ｆｍＫｅｒｓｅｕｌｌｔｉｋｅｓｏｂｅ；ｃｅｒｌｇｔｏ；ｔｔｒｆｉｌｍｅｔｙｗｏｄ：ｑａｌｈｃｎｓｆｂｒｓｒｗｄｌｎｌｓａｏ；ｎｔｅｅｎｗａｕｒｉｉｏｉｅ
Ｍｓｓｉ应力、ｅ接触压力和剪切应力值都显著下降。而在０ｍ．ｍ５
过盈时，等壁厚衬套的接触压力比常规衬套的接触压力要大。所以可知，同过盈量下等壁厚衬套的密封性能，相要优于常规衬套。常规衬套和等壁厚衬套与转子接触时，剪切应力的分其布规律和Ｍｉｓｓ应力分布规律相似。但相同过盈值下，ｅ等壁厚衬套的剪切应力较常规定子大。由于衬套和定子壳体是粘接
【】跃进．限元原理与ＡＳ６商有ＮＹＳ应用指南【．Ｍ】北京：清华大学出版
社，０５２０．
【王国强．７Ｊ实用工程数值模拟技术及其在ＡＳＳ的实现［１西ＮＹ上Ｍ．
安：北工业大学出版社，００西２０．
分布范同，约在０４ — ０５ＭＰ间，力变化小。大．０．ａ之４应
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
在套的各点法向位移云图。图中虚线和实线分别表示变形前和在
经过有限元软件计算与分析，得出两种定子的变形结果
如图５图６所示，种定子在上述提到的均匀内压载荷和约、两
套凹陷处沿半径矢量方向钢套定子的外轮廓上，最小Ｍｓ应ｉｓｅ力为０２Ｐ。．Ｍａ从图中可知，２等壁厚橡胶衬套的内表面的应力
（）２等壁厚橡胶衬套与定子钢套结合处剪切应力的增大，
要求两者有很好的粘结强度和粘结质量；等壁厚衬套接触性
能变化，过盈量非常敏感，子和衬套间过盈值要求适宜，对转
ｒｎｅ［．ｅｌｅｏｅ，０２７３：４．ａｇＪＲｅＲｐｒｒ２０，（）－】ｔ２
ＥｑｐｍｅｔａｕａｔｉｃｏｏｙＮｏ１，０１ｕｉｎＭｎｆｃｒｎｇＴｅｈｎｌｇ．２０
子刚体外套外侧没定为固定约束，定子钢套和橡胶衬套粘结在一起，两者之间设定为固定约束。
３１均匀内压下两种螺杆钻具定子及其橡胶衬套的位移变形．
图５常规螺杆钻具定子位移变形云图