螺桿馬達(dá)定子襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

邵增元，關(guān)勤勤，劉軼溟

中石化石油機(jī)械股份有限公司，湖北武漢 430000

螺桿鉆具是石油鉆井中為鉆頭提供破巖扭矩的一種工具，隨鉆頭一起在井下工作。螺桿鉆具主要由旁通閥、螺桿馬達(dá)、萬(wàn)向軸和傳動(dòng)軸等四大總成組成，其中螺桿馬達(dá)是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，是螺桿鉆具最核心的部件。螺桿馬達(dá)由定子、轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子是表面經(jīng)過(guò)硬化的鋼件，定子通常是在鋼管內(nèi)壁壓注橡膠襯套而形成，定子橡膠襯套的內(nèi)孔表面與轉(zhuǎn)子的外表面為相互嚙合的螺旋面，利用兩者的導(dǎo)程差和定子的局部預(yù)壓縮形成螺旋密封腔，泥漿進(jìn)入馬達(dá)后，密封腔與非密封腔之間的壓差推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而為鉆頭提供旋轉(zhuǎn)扭矩。

螺桿馬達(dá)定子在使用中會(huì)出現(xiàn)機(jī)械失效、疲勞失效、熱失效和化學(xué)失效[1]。其中定子的疲勞失效和熱失效與定子襯套的壁厚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)。

1 等壁厚定子襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

（1）常規(guī)定子襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性質(zhì)。等壁厚定子襯套是對(duì)常規(guī)定子襯套結(jié)構(gòu)的一次設(shè)計(jì)優(yōu)化，常規(guī)定子襯套的截面如圖1所示。

圖1 常規(guī)螺桿馬達(dá)定子

從圖1中可以看出，定子襯套a、b處的壁厚相差很大。橡膠是黏彈性材料，螺桿馬達(dá)工作過(guò)程中，定子橡膠受到轉(zhuǎn)子和流體壓力的重復(fù)撓曲作用，其中一部分撓曲能轉(zhuǎn)換成熱能，由于橡膠的導(dǎo)熱性較差，定子襯套壁厚中心的溫度較高，圖2是有限元分析得出的定子襯套的溫度分布[2]，厚壁中心溫度比表面溫度高30℉（1℉=9/5℃+32）。

圖2 常規(guī)定子襯套的溫度分布/℉

計(jì)算結(jié)果與理論分析一致。熱聚集的結(jié)果導(dǎo)致定子橡膠物理性能減弱，發(fā)生失效。高溫下不同時(shí)刻定子橡膠受損情況如圖3所示[3]。

圖3 高溫下不同時(shí)刻定子橡膠受損情況

（2）等壁厚定子襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性質(zhì)。針對(duì)常規(guī)螺桿馬達(dá)壁厚中心的熱聚集問(wèn)題，對(duì)馬達(dá)定子襯套的壁厚結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)出等壁厚定子襯套（馬達(dá)稱為等壁厚螺桿馬達(dá)），見(jiàn)圖4。

圖4 等壁厚螺桿馬達(dá)定子

等壁厚螺桿馬達(dá)的定子襯套壁厚沿螺旋面法線方向處處相等。采用有限元法對(duì)等壁厚定子襯套與常規(guī)定子襯套的受力和變形進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在相同壓力下，等壁厚定子襯套的最大位移比常規(guī)定子襯套小59%[4]，說(shuō)明等壁厚定子襯套位移變化平緩，熱聚集問(wèn)題得到顯著改善。

2 等壁厚定子襯套結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化

2.1 等壁厚螺桿馬達(dá)定子襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題分析

雖然采用有限元受力分析方法得出的結(jié)論認(rèn)為，等壁厚螺桿馬達(dá)定子襯套位移以及熱性能均優(yōu)于常規(guī)螺桿馬達(dá)，但實(shí)際使用中，等壁厚螺桿馬達(dá)定子襯套仍然會(huì)發(fā)生掉膠失效現(xiàn)象，于是對(duì)等壁厚定子襯套結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更深入的分析研究。

采用流固耦合的理論和方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)子沿定子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，定子表面的受力是不均勻的，研究結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5（a）顯示：定子襯套嚙入面波峰與波谷之間的應(yīng)力最大，此處最容易發(fā)生橡膠失效；圖5（b）顯示：失效定子的實(shí)際失效部位與圖5（a）分析結(jié)果一致。當(dāng)轉(zhuǎn)子波峰沿定子波峰嚙入波谷過(guò)程中，定子襯套嚙入面波峰-波谷中間的應(yīng)力先增大，然后減小，其應(yīng)力均值和幅值的大小影響著定子襯套的疲勞壽命。

2.2 等應(yīng)力螺桿馬達(dá)定子襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性質(zhì)

針對(duì)等壁厚螺桿馬達(dá)定子襯套存在的上述缺陷，提出了一種定子管內(nèi)輪廓波峰波谷非對(duì)稱的螺桿馬達(dá)[5]（專利正在審理），其在定子鋼管中壓注橡膠形成定子襯套，見(jiàn)圖6。該馬達(dá)的定子襯套設(shè)計(jì)目的是減小高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力水平和應(yīng)力波動(dòng)，因此也稱作等應(yīng)力螺桿馬達(dá)。

圖5 等壁厚螺桿馬達(dá)定子應(yīng)力分布與失效

圖6 等應(yīng)力螺桿馬達(dá)定子

由圖6可見(jiàn)：定子襯套的波峰a與波谷c幾何結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，嚙入面波峰與波谷之間b處的壁厚適當(dāng)增大。

采用流固耦合方法對(duì)優(yōu)化的定子襯套進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)后的定子襯套，其最大承載點(diǎn)的平均應(yīng)力降低了18%，應(yīng)力幅值降低了38%。等壁厚螺桿馬達(dá)和等應(yīng)力螺桿馬達(dá)的定子襯套最大承載點(diǎn)的應(yīng)力變化見(jiàn)圖7。

圖7 兩種螺桿馬達(dá)的定子襯套最大承載點(diǎn)的應(yīng)力變化

3 結(jié)束語(yǔ)

等壁厚螺桿馬達(dá)雖然改善了常規(guī)螺桿馬達(dá)定子襯套的熱性能，減小或消除了常規(guī)螺桿馬達(dá)的熱聚集問(wèn)題，但由于其定子襯套嚙入面波峰-波谷之間的應(yīng)力水平和應(yīng)力波動(dòng)較大，依然不能解決定子襯套因疲勞而產(chǎn)生的掉膠問(wèn)題。

對(duì)等壁厚螺桿馬達(dá)定子襯套結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了等應(yīng)力螺桿馬達(dá)，采用流固耦合的方法對(duì)兩種馬達(dá)定子的受力進(jìn)行了分析對(duì)比，與等壁厚螺桿馬達(dá)對(duì)比，等應(yīng)力螺桿馬達(dá)定子的襯套最大承載點(diǎn)的平均應(yīng)力降低了18%，應(yīng)力幅值降低了38%，能夠改善等壁厚螺桿馬達(dá)定子襯套的疲勞性能。