煤层气排采中螺杆泵定转子磨损行为及机理研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目:煤层气排采中螺杆泵定转子磨损行为及机理研究作者：孙艳萍学科专业：机械设计及理论指导教师：赵宁教授2017年6月Studyontheperformanceandmechanismofwearofthestatorandrotorofscrewpumpinthecoal-bedmethane(CBM)wellsdrainingandcollectionBySunYan-pingUndertheSupervisionofProfessorZhaoNingADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalU

2、niversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMechanicalEngineeringXi’anP.R.ChinaJune2017摘要摘要螺杆泵作为煤层气排采中的常用设备，所面对的服役环境较为复杂，用户对设备使用寿命的要求也不断提高。作为导致螺杆泵失效的主要原因之一，螺杆泵的定转子磨损一直是困扰煤层气排采生产的一个问题。本文以煤层气排采中的单螺杆泵为研究对象，将从动力学分析、有限元接触力学计算、磨损率计算、实物磨损分析四个方面对单螺杆泵定转子磨损行为及磨损机理进行探讨研究。为了描述单螺杆泵转子在定子中

3、的真实运动方式，提出用近转子圆心位置两点的运动轨迹来表达转子在定子中的运动过程的方法。将转子在定子内的行星运动转换为粘附于转子上的动圆绕粘附于定子上定圆的纯滚动，建立了以转子在定子内腔中心位置为运动起始状态的螺杆泵转子“滚-滑”运动模型；以“滚-滑”运动中转子上的点受力变形最小为原则，选取螺杆泵转子上近转子圆心位置两点为加载对象，通过将两点运动轨迹作为有限元分析中的加载条件，实现了螺杆泵转子在定子中的真实运动过程的表达。应用本文建立的螺杆泵转子“滚-滑”运动模型，计算了转子与定子在任一接触点的相对运动速度，并将其与有限元仿真结果进行对比，验证了模型的正确性。用罚函数法引入接触界面约束条件，

4、建立了螺杆泵定转子有限元接触方程，利用有限元方法进行了螺杆泵定转子最大接触应力和剪应力分析。讨论了煤层气排采中排采液特性、排采液量、两相邻腔室间的压力水平、橡胶溶胀、摩擦系数对接触应力的影响，将煤层气排采中螺杆泵转速、定转子过盈量作为自变量参数，将各相关影响因素作为有限元分析的边界条件，应用ANSYSWorkbench求解了定转子的最大接触应力及接触宽度，发现转子在定子表面“滚-滑”运动的整个过程中，由于橡胶接触表面经历了变形-聚集-回弹运动，接触中心点两侧的接触宽度会表现为不对称；并且得出定子与转子的接触应力受接触位置、过盈量、转速影响显著的结论。为此，拟合出了32种不同参数组合条件下定

5、转子“滚-滑”运动点接触位置处的最大接触应力三维曲面图并得到其数学关系式；分别针对接触中心点两侧，进一步拟合了接触宽度三维曲面图并得到其数学关系式，然后通过接触应力理论验证了有限元分析结果，构建了接触应力分布函数；通过对定转子点接触、线接触的剪应力分析，得出了不同的过盈量、转子转速和不同时刻的剪应力变化规律。采用摩擦学系统识别法，通过煤泥浓度动态变化对橡胶磨损率的影响试验研究与分析，提出一套考虑煤泥浓度动态变化的定子磨损率计算方法。首先，在Archard磨损方程基础上，基于接触应力分布函数构建了螺杆泵定子磨损率基本计算模型；其次，鉴于煤层气排采中排采介质为含煤泥的水，分析了煤泥颗粒的随机特

6、性、单颗粒煤泥运动、小浓度煤泥颗粒沉降速度、煤泥颗粒运动轨迹对螺杆泵的作用方式。最后，以煤泥浓度变化作为输入端，定子磨损为输出端，将煤泥浓度按照M序列随机信号作为输入量，I西北工业大学博士学位论文并根据磨损量与采样时间关系曲线，获得互相关函数曲线和脉冲响应函数曲线，进而求得定子橡胶点接触、线接触磨损率模型的传递函数，定量地反映了煤泥浓度动态变化对定子橡胶磨损率的影响。在磨损率基本计算模型基础上，建立了考虑煤泥浓度动态变化的点接触、线接触定子磨损率综合计算模型，并对计算模型进行了实验验证，对可能产生误差的原因进行了分析。对煤层气井场因磨损而失效的螺杆泵进行了磨损形貌实验研究，结合接触应力、剪

7、应力及磨损率计算结果，得出煤层气排采螺杆泵定转子的磨损机理。剖切煤层气排采井场所使用过的螺杆泵定转子，制备实验样件，对磨损后的螺杆泵定转子表面进行了扫描电镜（SEM）、X射线能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）系列实验研究，以螺杆泵上段和下段为分析对象，分别对比了定子、转子在不同磨损表面处的硬度、宏观形貌、微观形貌，根据实验研究结果并结合磨损率计算结果及接触应力、剪应力分析结果，分别探讨了螺杆泵定转子点接触区域和线接触区