定子橡胶衬套生热影响因素分析.pdf

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1、３１４化工机械２０１７年定子橡胶衬套生热影响因素分析张强蒋豹刘昱良高磊张晓光（东北石油大学机械科学与工程学院）摘要将金属转子处理成刚体，橡胶衬套定子处理成弹性体，材料选取ＭｏｏｎｅｙＲｉｔａｌｉｎ本构模型，采用平面应变单元，建立定转子接触非线性有限元模型。分析了材料硬度、转速、损耗因子和流体压力对橡胶衬套滞后生热和摩擦生热的影响，其中滞后生热引起橡胶衬套温升起主要作用，橡胶硬度使温升略有减小，转子转速和损耗因子均导致温升显著增加，非均匀压力能够降低橡胶衬套温升。关键词定转子刚柔接触非均匀压力滞后生热摩擦生热中图分类号ＴＱ０５０．４文献标识码Ａ文章编号０２５４６０９４（２０１７）０

2、３０３１４０６定转子是采油螺杆泵和螺杆钻具的核心部维平面模型，建立了定转子接触非线性有限元模件，滞后和摩擦生热会引起橡胶衬套温升，对橡胶型，动态施加腔室流体压力，采用单向热力耦合衬套性能有重要影响。定子橡胶对温度非常敏法，分析以上因素对橡胶衬套滞后生热和摩擦生感，在实际工况条件下，由于井底温度、滞后生热热的影响，进行滞后生热和摩擦生热的温升对比，及摩擦生热等因素，引起定子橡胶衬套温度升高，找出定子温升热源的主要因素。产生温胀。当温胀高于橡胶材料所允许的最大值１定子温升理论分析时，定子橡胶衬套的工作性能变差，工作扭矩增１．１基本假设加，发生早期失效，极大地缩短了定子的使用寿定子橡胶

3、滞后生热和摩擦生热采用以下假［１］命。设：定子橡胶衬套滞后生热和摩擦生热情况较为ａ．定子橡胶衬套材料各向同性，忽略温度复杂，目前研究者对滞后生热进行了深入研究，并对橡胶材料参数和热力学参数的影响；且普遍将热力耦合分析分解为变形分析、损耗计ｂ．定子橡胶衬套轴向无热传导过程，即轴算和热传导分析这３个部分。分析了材料硬向无温度梯度，定子和转子的配合在各个截面相［２，３］［２，３］［４～６］［２～７］度、泊松比、过盈量、转速、井同，简化为二维平面热传导问题；［２，３］［２，３］［２，３］温、静压及压差等因素对定子滞后生ｃ．定子橡胶衬套体积不可压缩，不考虑化学热的影响。ＢｒａｔｕＣ认为定转子摩

4、擦生热引起的溶胀和热溶涨对橡胶材料属性的影响，溶涨产生温升是压力梯度、转子转速和摩擦系数的函的物理变化仅反映为橡胶材料体积的变化；［８，９］数。薛建泉等考虑橡胶衬套的滞后生热和定ｄ．定转子摩擦产生的热量不向周围流体传转子摩擦生热的共同作用，采用单向解耦法，研究递，部分传入橡胶衬套，部分传入转子，热流是一［５］了过盈量和转速对定子温升的影响。维的，沿接触面法向向定子橡胶衬套传递；但在滞后生热和摩擦生热双热源共同作用ｅ．不考虑橡胶衬套的热辐射；下，考虑腔室压力的作用方式、定子材料硬度、转ｆ．忽略橡胶松弛的影响。子转速及橡胶损耗因子等综合影响因素，研究定１．２橡胶滞后生热子温升的影响还未见

5、报道。鉴于此，笔者采用二工作过程定子橡胶应力σ和应变ε分别为：基金项目：国家自然科学基金项目（１１５０２０５１）；黑龙江省自然科学基金项目（１２５３１０５５）。作者简介：张强（１９８１），副教授，从事流固耦合力学的研究，ｔｉｃａｌ２０１２＠１６３．ｃｏｍ。第４４卷第３期化工机械３１５ε＝εｍａｘｓｉｎωｔ（１）λ———材料导热系数，Ｗ／（ｍ·℃）；σ＝σｍａｘｓｉｎ（ωｔ＋δ）（２）ρ———材料密度，ｋｇ／ｍ３。式中ｔ———时间，ｓ；１．４热传导微分控制方程ε———最大应变；ｍａｘ将滞后生热的定子内热源生热率ｑ′代入热传σ———最大应力，ＭＰａ；［１０］ｍａｘ导微分控制方程，得：ω

6、———变形频率，ｒａｄ／ｓ；Ｔ′Ｔ′Ｔ′ρｃ＝（λ）＋（λ）＋ｑ′（１０）ｒｒｘｙδ———损耗角，即滞后角，ｒａｄ。ｔｘｘｙｙ根据定子橡胶生热机理，转子在定子衬套中式中Ｔ′———温度，℃；λ、λ———在坐标系ｘ、ｙ方向的热传导系数，滚动一周产生的能量损失为：ｘｙπ／ωｄεＷ／（ｍ·℃）。Ｑ＝２∫σｄｔ（３）０ｄｔ定子初始边界条件为恒温场，温度等于井下２２Ｑ＝πＥ′ε＝πＥεｔａｎδ（４）ｍａｘｍａｘ温度。除了定子内部滞后生热边界条件，式（１０）式中Ｅ———弹性模量，ＭＰａ；的边界条件还有摩擦生热定子热流密度，由式Ｅ′———损耗模量，ＭＰａ；（８）求出。ｔａｎδ——

7、—损耗因子。２有限元模型转子在定子衬套中滚动一周单位时间内产生２．１结构简化［１］的能量，即平均生热率为：由于转子和定子外面的钢套与定子橡胶相比Ｑ２ｑ′＝＝πｎＥεｍａｘｔａｎδ（５）弹性模量很大，为简化模型，将定子钢套去掉，定Ｔ子处理成弹性体，定子橡胶材料本构模型选用式中ｎ———转子转速，ｒ／ｓ；ＭｏｏｎｅｙＲｉｖｌｉｎ模型。转子简化成刚体。Ｔ———转子在定子衬套中滚动一周单位时２．２单元离散间，ｓ。采用ＡＮＳＹＳ有限元软件，为提高计算精度，１．３摩擦