多头等壁厚橡胶螺杆钻具定子有限元分析
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子刚体外套外侧 没定为 固定约束 ，定子Baidu Nhomakorabea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
船 ｉ ７Ｚ 拍 “ ｌｌ ，９ ＂ ５ － ５Ｉ ａ， ７
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图 ８ 等壁厚螺杆钻具定子 Ｍｉ ￣应力云图 ｓ ｅ
分 布 范 同 ， 约 在 ０４ — ０ ５ＭＰ 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
在定子橡胶衬套上 ，图 ５和图 ６主要 表示 的是 定子橡胶衬套 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
在一 起 的 ， 结 合 处 的 剪 切 应 力 较 大 ， 要 求 更 高 的粘 接 强 度 其 会
之间不互相 串通 、 泄漏 （ 正常工作 中的螺杆钻具允许一定 的泄 漏存在） 则至少要保证 电机 的过盈量要达到 ４３ 而等壁 ， ．２ ｍｍ。 厚衬套 的最大位移值 只有 ０８ ｌ ． ｍｉ，在相同的井底压力下 ， ７ ｌ 只 需要 过盈值达 到 １ ２ ． ７ ｍｍ即可保证 腔室之 间的密封 。同时常 规衬套 的最大变形 ， 都集 中在 内部 的凹陷处 ， 凸起处 相对 凹陷 处变形较小 ， 只有 ０４ ｍ， ． ｍ 变化很大 ， ８ 变形 不均匀 ， 而等壁厚 的变形由内向外 ， 沿半径方 向均匀变化 ， 且变化量小于常规定 子橡胶衬套 的变化量。 ３２ 均匀 内压下两种螺杆钻具定子及 其橡胶衬套的应力云图 ．
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 。
在 均 匀 内 压力 作 用 下 ，常 规 橡 胶 衬 套 螺 杆 钻 具 定 子 与 等
和粘接质量 。另经计算 ， 和等壁厚衬套相比 ， 过盈 量对 常规衬 套与转 子接触 时 ，力学性能 的影 响基本保持 一致 ，即过盈越
小 ， 对应接触时 的 Ｍｉ ｓ 力 、 其 ｓ 应 ｅ 接触 压力 和剪切应力值 都会 下降 ， 但等壁厚衬套接触性能变化 ， 对过盈量非常敏感。
Ｍｓｓ ｉ 应力 、 ｅ 接触压力和剪切应力值都 显著下 降。而在 ０ ｍ ．ｍ ５
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 Ｍｉ ｓ ｓ 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
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 Ｍｉ ｓ ｓ 应力 云图如图 ｅ
７ 图 ８ 示 。在 Ｏ ａ 正压 力 作 用 下 ， 、 所 ． ＭＰ 的 ５ 常规 定 子 的最 大应 ８ ４
《 装备制造技术１００ ２ １ 年第 １ 期
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 Ｍｉ ｓ应力云图 ｓ ｅ
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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 ． ｍ ０５ｔ ｉ 新建 模 计 算 ，转 子 和 定 子 的过 盈 量 在 ０３ｍｍ 时 ， ．ｏ 重 ｎ ， 其
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 Ｍ ｓ 应 ｉｓ ｅ 力为 ０２ Ｐ 。 ． Ｍ ａ 从图中可知， ２ 等壁厚橡胶衬套 的内表面的应力
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 ２１ ｌ， ．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
云 图
力 分 布 在 橡 胶 衬 套 内 部 的 凸 起 处 ， 最 大 Ｍｉ ｓ 力 为 ０ １ ｓ 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 Ｍｉ ｓ ｓ 应力 为 ０２ ａ 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 Ｍｉ ｓ 力 为 ０ ５ＭＰ ， 小 应 力 同 样 位 于衬 最 ｓ 应 ｅ ． ａ最 ７
子刚体外套外侧 没定为 固定约束 ，定子Baidu Nhomakorabea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
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图 ８ 等壁厚螺杆钻具定子 Ｍｉ ￣应力云图 ｓ ｅ
分 布 范 同 ， 约 在 ０４ — ０ ５ＭＰ 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
在定子橡胶衬套上 ，图 ５和图 ６主要 表示 的是 定子橡胶衬套 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
在一 起 的 ， 结 合 处 的 剪 切 应 力 较 大 ， 要 求 更 高 的粘 接 强 度 其 会
之间不互相 串通 、 泄漏 （ 正常工作 中的螺杆钻具允许一定 的泄 漏存在） 则至少要保证 电机 的过盈量要达到 ４３ 而等壁 ， ．２ ｍｍ。 厚衬套 的最大位移值 只有 ０８ ｌ ． ｍｉ，在相同的井底压力下 ， ７ ｌ 只 需要 过盈值达 到 １ ２ ． ７ ｍｍ即可保证 腔室之 间的密封 。同时常 规衬套 的最大变形 ， 都集 中在 内部 的凹陷处 ， 凸起处 相对 凹陷 处变形较小 ， 只有 ０４ ｍ， ． ｍ 变化很大 ， ８ 变形 不均匀 ， 而等壁厚 的变形由内向外 ， 沿半径方 向均匀变化 ， 且变化量小于常规定 子橡胶衬套 的变化量。 ３２ 均匀 内压下两种螺杆钻具定子及 其橡胶衬套的应力云图 ．
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 。
在 均 匀 内 压力 作 用 下 ，常 规 橡 胶 衬 套 螺 杆 钻 具 定 子 与 等
和粘接质量 。另经计算 ， 和等壁厚衬套相比 ， 过盈 量对 常规衬 套与转 子接触 时 ，力学性能 的影 响基本保持 一致 ，即过盈越
小 ， 对应接触时 的 Ｍｉ ｓ 力 、 其 ｓ 应 ｅ 接触 压力 和剪切应力值 都会 下降 ， 但等壁厚衬套接触性能变化 ， 对过盈量非常敏感。
Ｍｓｓ ｉ 应力 、 ｅ 接触压力和剪切应力值都 显著下 降。而在 ０ ｍ ．ｍ ５
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 Ｍｉ ｓ ｓ 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
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 Ｍｉ ｓ ｓ 应力 云图如图 ｅ
７ 图 ８ 示 。在 Ｏ ａ 正压 力 作 用 下 ， 、 所 ． ＭＰ 的 ５ 常规 定 子 的最 大应 ８ ４
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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 ． ｍ ０５ｔ ｉ 新建 模 计 算 ，转 子 和 定 子 的过 盈 量 在 ０３ｍｍ 时 ， ．ｏ 重 ｎ ， 其
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 Ｍ ｓ 应 ｉｓ ｅ 力为 ０２ Ｐ 。 ． Ｍ ａ 从图中可知， ２ 等壁厚橡胶衬套 的内表面的应力
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 ２１ ｌ， ．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
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力 分 布 在 橡 胶 衬 套 内 部 的 凸 起 处 ， 最 大 Ｍｉ ｓ 力 为 ０ １ ｓ 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 Ｍｉ ｓ ｓ 应力 为 ０２ ａ 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 Ｍｉ ｓ 力 为 ０ ５ＭＰ ， 小 应 力 同 样 位 于衬 最 ｓ 应 ｅ ． ａ最 ７