本书基于采油螺杆泵的工作原理，对螺杆泵转子进行了运动特性分析，从运动学的角度探索了螺杆泵衬套和转子之间的相互作用；完成了转子和橡胶衬套间的摩擦磨损试验，分析了橡胶磨损的影响因素和衬套表面损伤机理；通过橡胶材料的拉伸试验，分析了环境温度对橡胶材料性能的影响，并依据试验数据，确定了不同采油环境温度下的橡胶本构模型常数；采用有限元法对比分析了常规衬套和等壁厚衬套在初始装配工况下的密封性能、均匀压力作用下的变形规律、压差作用下的磨损情况，热源作用下的热膨胀行为。
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第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 螺杆泵的结构特点及工作原理 3
1.2.1 内部结构 3
1.2.2 工作原理 4
1.2.3 螺杆泵的特点 6
1.3 螺杆泵的分类 6
1.4 螺杆泵的发展概述 7
1.4.1 国外发展 7
1.4.2 国内发展 8
1.4.3 研究现状 10
第2章 螺杆泵的运动学分析 12
2.1 螺杆泵的螺杆型线方程 12
2.1.1 基本概念 12
2.1.2 定转子骨线方程 13
2.1.3 等距线型线方程 15
2.2 螺杆泵运动学模型 16
2.2.1 转子的公转和自转 16
2.2.2 螺杆转子在定子衬套内部的运动规律 17
2.2.3 螺杆转子外表面上点的运动及与衬套啮合处速度分析 19
2.3 三维模型的建立 20
2.3.1 定子与转子三维模型的建立 20
2.3.2 定子与转子装配体的建立 21
2.4 运动学仿真模型的建立 22
2.4.1 虚拟样机技术简介 22
2.4.2 SolidWorks Motion概述 22
2.4.3 运动仿真的实现 23
2.5 运动学仿真结果分析 24
2.5.1 转子固定点运动特性分析 24
2.5.2 运动轨迹分析 24
2.5.3 运动速度和加速度分析 24
2.6 结构参数对运动特性的影响 27
第3章 高温稠油中橡胶单轴拉伸试验 29
3.1 橡胶材料特性 29
3.1.1 定子橡胶材料性能 29
3.1.2 橡胶摩擦磨损特性 29
3.2 单轴拉伸试验 30
3.2.1 试验目的 30
3.2.2 试验材料及设备 30
3.3 试验结果分析 31
3.3.1 耐疲劳破坏性能变化规律 31
3.3.2 应力应变曲线变化规律 32
3.3.3 弹性模量变化规律 33
3.4 橡胶本构模型的确定 34
3.4.1 橡胶的本构关系理论 34
3.4.2 定子橡胶的本构模型 35
3.4.3 本构模型常数的确定 36
第4章 螺杆泵定转子摩擦磨损试验 39
4.1 橡胶磨损理论概述 39
4.2 非线性理论 40
4.2.1 材料非线性 40
4.2.2 几何非线性 40
4.2.3 接触非线性 42
4.3 摩擦磨损试验 43
4.3.1 试验目的 43
4.3.2 试验设备 43
4.3.3 试验介质及试件 46
4.3.4 试验流程 47
4.4 试验结果分析 49
4.4.1 转速对摩擦因数的影响 49
4.4.2 载荷对摩擦因数的影响 49
4.4.3 含砂量对摩擦因数以及磨损量的影响 50
4.4.4 橡胶磨损表面形貌分析 51
4.5 磨损机理分析 52
第5章 螺杆泵定子衬套有限元模型 53
5.1 有限元法及ANSYS分析软件简介 53
5.1.1 有限元法 53
5.1.2 ANSYS有限元分析软件 55
5.2 有限元计算模型的构建 56
5.2.1 两种壁厚的螺杆泵定子 56
5.2.2 有限元计算模型 57
5.2.3 网格无关性验证 60
5.3 初始装配时的密封性能分析 61
第6章 螺杆泵定子衬套磨损分析 62
6.1 常规厚螺杆泵的接触分析 62
6.1.1 常规厚螺杆泵模型 62
6.1.2 摩擦因数和过盈量对定子衬套磨损的影响 63
6.1.3 工作压差对定子衬套磨损的影响 64
6.2 等壁厚螺杆泵的接触分析 65
6.2.1 等壁厚螺杆泵模型 65
6.2.2 过盈量对定子衬套磨损的影响 66
6.2.3 摩擦因数对定子衬套磨损的影响 67
第7章 螺杆泵定子衬套力学性能分析 69
7.1 均匀内压作用下的稳定性分析 69
7.1.1 衬套稳定性能分析 69
7.1.2 压力对衬套稳定性能的影响 72
7.1.3 温度对衬套稳定性能的影响 73
7.2 非均匀内压作用下的接触分析 74
7.2.1 衬套接触情况分析 74
7.2.2 摩擦因数和过盈量对接触的影响 76
7.2.3 工作压力对接触的影响 78
7.3 热源作用下的热膨胀分析 78
7.3.1 单一热源作用 79
7.3.2 联合热源作用 80
第8章 定子衬套生热过程及热积聚效应试验 82
8.1 试验内容及目的 82
8.1.1 试验内容 82
8.1.2 试验目的 82
8.2 试验设备及材料 82
8.3 试验过程 84
8.4 试验结果 86
8.4.1 生热过程及热积聚效应 86
8.4.2 转子转速对定子衬套温升影响规律 88
第9章 螺杆泵热力耦合场分析 90
9.1 热力耦合场分析的数学模型 90
9.1.1 热源分析 90
9.1.2 滞后生热有限元分析法 91
9.1.3 衬套生热数学模型 91
9.1.4 温度场有限元分析 92
9.2 均匀温度场下衬套温度应力应变分析 93
9.2.1 常规定子衬套二维和三维求解结果对比分析 93
9.2.2 两种类型的定子衬套热力耦合求解结果 94
9.3 非均匀温度场下衬套温度应力应变分析 96
9.3.1 转速对定子衬套热力耦合场的影响 97
9.3.2 过盈量对定子衬套热力耦合场的影响 99
9.3.3 摩擦因数对定子衬套热力耦合场的影响 100
9.3.4 邵氏硬度对定子衬套热力耦合场的影响 101
9.3.5 橡胶泊松比对定子衬套热力耦合场的影响 103
9.3.6 工作压差对定子衬套热力耦合场的影响 104
9.4 试验仿真对比 105
第10章 结论 106
参考文献 109
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