螺桿泵虛擬樣機(jī)的構(gòu)建與運(yùn)動學(xué)研究可視化

唐文洋

（長江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院 湖北 荊州 434023）

0 序言

螺桿泵以其運(yùn)動部件少、吸入性好、排量調(diào)節(jié)簡便、投資少、易于管理等優(yōu)點(diǎn)，在油氣比較大、較粘稠的含砂油田中有著廣泛的應(yīng)用，是油田生產(chǎn)中重要的舉升設(shè)備。伴隨CAD技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助螺桿泵設(shè)計成為螺桿泵研發(fā)的重要手段。但是，由于螺桿泵主要工作部件轉(zhuǎn)子和定子的表面形狀復(fù)雜，各點(diǎn)的速度、加速度呈規(guī)律性復(fù)雜變化，因此其工作原理難以理解，為設(shè)計工作帶來一定的困難。基于以上考慮，構(gòu)建螺桿泵虛擬樣機(jī)對于螺桿泵研發(fā)平臺的建立具有極大的必要性。

1 研究的基本要求與技術(shù)路線

以螺桿泵轉(zhuǎn)子和定子為研究對象，根據(jù)單頭螺桿泵轉(zhuǎn)子和定子骨線及輪廓線的形成機(jī)理，基于Solidworks對螺桿泵轉(zhuǎn)子和定子進(jìn)行參數(shù)化實(shí)體建模，構(gòu)建虛擬樣機(jī)，然后利用其運(yùn)動仿真插件COSMOSMotion進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，主要進(jìn)行以下表現(xiàn)：①轉(zhuǎn)子和定子配合方式；②轉(zhuǎn)子在定子中的運(yùn)動方式；③轉(zhuǎn)子和定子之間立體型腔的形成機(jī)理；④轉(zhuǎn)子在定子中運(yùn)動時各點(diǎn)的軌跡、位移、速度、加速度以及它們的變化規(guī)律；⑤轉(zhuǎn)子與定子的干涉檢查。[1-3]

2 運(yùn)動模擬工具簡介[1-4]

運(yùn)動模擬是機(jī)構(gòu)真實(shí)運(yùn)動的完整再現(xiàn)，本研究采用COSMOSMotion完成螺桿泵的運(yùn)動模擬。COSMOSMotion是基于ADAMS解決方案引擎創(chuàng)建的內(nèi)嵌于SolidWoks的工作環(huán)境中的運(yùn)動仿真插件，使用SolidWorks數(shù)據(jù)存儲庫，與Solid-Woks是無縫接合。通過COSMOSMotion可以在SolidWorks的CAD系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬樣機(jī)上查看其工作情況，從而檢測設(shè)計的結(jié)果，進(jìn)而修改設(shè)計，得到進(jìn)一步優(yōu)化的結(jié)果。可以將運(yùn)動模擬連同工程數(shù)據(jù)的XY圖示分布可視化顯示，得到可視化的數(shù)據(jù)結(jié)果，并對各點(diǎn)的運(yùn)動軌跡、速度、位移和加速度曲線加以分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)并揭示出可能的系統(tǒng)誤差、零件破壞和安全問題，可以大幅度降低制造物理樣機(jī)的成本，并縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。

3 虛擬樣機(jī)模型的構(gòu)建

在進(jìn)行螺桿泵運(yùn)動仿真之前，首先要做的工作就是螺桿泵建模。螺桿泵的主要工作部件是轉(zhuǎn)子和定子，其中轉(zhuǎn)子為單螺旋面，螺桿泵定子內(nèi)表面是雙線螺旋面。利用基于特征的參數(shù)化三維建模軟件SoidWorks來建立螺桿泵的轉(zhuǎn)子和定子的實(shí)體模型，并在模型的基礎(chǔ)上對螺桿泵進(jìn)行裝配，然后進(jìn)行運(yùn)動仿真。

3.1 轉(zhuǎn)子

設(shè)定半徑R=21mm，偏心距e=7.5mm，螺旋線為左旋。

圖1 轉(zhuǎn)子的三維模型

3.2 定子

定子內(nèi)表面是雙螺旋面，襯套內(nèi)螺旋線的螺距T等于螺桿螺距的2倍，即T=2t，同時截面輪廓是由半徑為R（等于轉(zhuǎn)子截面半徑）的兩個半圓與兩條直線段組成，直線段的長度等于4e，螺旋線的旋向同樣設(shè)為左旋。

圖2 定子的三維模型

3.3 轉(zhuǎn)子與定子的裝配

在螺桿泵定子軸線中心處建立兩條正交的基準(zhǔn)線，因為轉(zhuǎn)子的軸線相對于定子的中心軸線有一值為e的偏移，所以在距離定子軸線中心點(diǎn)為e處也建立兩條正交的基準(zhǔn)線，配合時將定子與轉(zhuǎn)子的兩條正交的基準(zhǔn)線設(shè)定為相互重合。螺桿泵裝配后效果如圖所示。

圖3 轉(zhuǎn)子與定子裝配模型

4 虛擬樣機(jī)的運(yùn)動模擬[1-5]

4.1 轉(zhuǎn)子與定子配合的干涉檢查

為驗證所建立的參數(shù)化模型的正確性，利用Solid-Works中的干涉檢查功能對所建立的裝配體中轉(zhuǎn)子和定子的螺旋面進(jìn)行是否干涉的檢查。檢查結(jié)果顯示，所建立的裝配體中無干涉現(xiàn)象，證明所建立的螺桿泵實(shí)體模型是正確的。

圖4 轉(zhuǎn)子與定子嚙合情況

4.2 運(yùn)動學(xué)模擬

因篇幅所限，僅就轉(zhuǎn)子橫截面中心點(diǎn)加速度模擬進(jìn)行簡要分析。

圖5為螺桿泵轉(zhuǎn)子截面中心點(diǎn)的加速度曲線。由于截面中心點(diǎn)無X方向位移，其速度分量為零，其加速度分量也為零，速度曲線為零直線。在Y軸方向上，截面中心點(diǎn)的加速度是周期T=0.5s的正（余）弦曲線。當(dāng)螺桿泵轉(zhuǎn)子與定子兩半圓弧相接觸時，截面中心點(diǎn)加速度的值為最大；當(dāng)螺桿泵轉(zhuǎn)子運(yùn)動到定子兩直線段中心處時，截面中心點(diǎn)加速度為零最小。輸出運(yùn)動曲線符合螺桿泵理論分析結(jié)果，因此，運(yùn)動仿真的結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖5 螺桿泵轉(zhuǎn)子截面中心點(diǎn)的加速度曲線

5 結(jié)論

通過輸出動畫可以充分表現(xiàn)轉(zhuǎn)子在定子中的行星運(yùn)動方式，進(jìn)而說明了轉(zhuǎn)子和定子之間立體型腔的形成機(jī)理；轉(zhuǎn)子與定子充分接觸且無干涉，證明建模的精確性；輸出曲線可以精確描述轉(zhuǎn)子在定子中運(yùn)動時特定點(diǎn)的軌跡、位移、速度、加速度以及變化規(guī)律。因此，模擬結(jié)果可以作為設(shè)計時的檢驗鑒定標(biāo)準(zhǔn)。

［1］張玉坤.單頭螺桿泵運(yùn)動學(xué)仿真及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[D].大慶:大慶石油學(xué)院,2007.

［2］王亮.單螺桿泵的運(yùn)動學(xué)仿真、有限元模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].青島:青島科技大學(xué),2008.

［3］邢天宜.單螺桿泵襯套截面形狀的改進(jìn)[J].流體機(jī)械,2007,35(8):43-45.

［4］Progressing cavity pumps in oil and gas production.WORLD PUMPS,2004.

［5］David Doty,Moyno,A PC Pump Primer,PUMPS&SYSTEMS,2006.