基于Solidworks的单头单螺杆泵参数化建模及运动仿真

1、基于Solidworks的单头单螺杆泵参数化建模及运动仿真第8卷第6期2021年3月1671?-1819(2021)6?-1470?05科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringV01.8No.6Mar.2OO82021Sci.Tech.Engng.基于Solidworks的单头单螺杆泵参数化建模及运动仿真杜秀华孙健杨敬源韩道权(大庆石油学院机械科学与工程学院,大庆163318)摘要根据单头单螺杆泵转子和定子型面的成型机理,利用三维建模软件SolidWorks建立了螺杆泵转子和定子的实体模型.通过对SolidWorks软件进行二次开发,实现了转子和定子模型的参

2、数化.利用运动学分析软件COSMOSMotion对转子和定子进行了运动学仿真和分析,结果说明,转子外型面上的点的运动轨迹为椭圆,不同的点所形成的椭圆大小及位置不同;(转子外型面上点的速度和加速度曲线为周期性简谐曲线,在定子型线直线段中点处,速度最大,加速度最小;在定子型线圆弧局部顶点处,速度最小,加速度最大.关键词单头单螺杆泵参数化建模运动学仿真运动学分析中图法分类号TP391.9TE933;文献标志码A随着大庆油田采油进人中晚期,单头单螺杆泵以其机构简单,具有良好的吸人性,可在油气比拟大,原油较黏稠,以及含砂井中有效地工作,同时螺杆泵采油系统具有投资费用低,排量调节方便,节能效果好等优点在油

3、田得到越来越广泛的应用,但螺杆泵采油效率偏低,寿命短等问题一直是油田亟待解决的突出问题Hj.为此笔者利用三维建模软件Solidworks对螺杆泵主要工作部件转子和定子进行三维参数化建模,并利用运动学分析软件COS.MOSMotion对转子和定子进行运动学仿真和分析.螺杆泵的参数化模型和运动仿真的实现将为充分理解螺杆泵的工作原理,运动学和力学特性分析以及螺杆泵的结构参数优化奠定根底.运动学分析结果将为定子磨损性能研究,解决螺杆泵的寿命问题提供理论依据.2007年l2月3日收到黑龙江省教育厅科学技术攻关工程“螺杆泵举升性能研究(10551011)资助第一作者简介:杜秀华(1964一),女,黑龙江大

4、庆人,副教授,在读博士,研究方向:采油螺杆泵理论和应用技术,CAD技术,工程图学.Email:cxdxh126.corn.1螺杆泵转子的参数化建模1.1SolidWorks简介SolidWorks是基于特征的实体化造型,复杂曲面造型以及装配造型的功能强大的实体造型软件,是目前使用最广泛的中高端CAD产品.其内置的二次开发工具s0lidw0rksAPI提供了大量的API函数,方便用户进行二次开发.SolidWorks软件还集成了如COSMOSMotion,COSMOSWorks,COSMOS.Floorks等一系列分析软件,可以同时实现建模,分析,优化设计等多种功能,是功能强大的基于特征造型工具

5、.1.2螺杆泵转子建模建模时,参照油田上常用的GLB800型螺杆泵的结构参数,具体如下:刚体外套的外径为114rain,壁厚为7mm,橡胶衬套外径为100mm,转子半径R为24mm,偏心距e为8.5mm,转子的转速设为100r/min.按照螺杆泵转子型面成形原理,转子外表可看成是由中心与转子轴线之间有一个偏心距e,半径为的极薄圆盘一边绕轴线旋转,一边以螺距t作螺旋运动形成的.建模时,首先建立以偏心距e为6期杜秀华,等:基于Solidworks的单头单螺杆泵参数化建模及运动仿真半径的圆,其圆心位于坐标原点,再利用SolidWorks工具栏中的螺旋线命令生成螺距为t的螺旋线,作为形成转子的扫描路径

6、.在同一基准面上建立以R为半径的圆,作为转子的断面圆,其圆心位于距坐标原点为e的偏心处.以断面圆为扫描轮廓线,螺旋线为扫描路径,进行螺旋扫描,形成螺杆泵转子的扫描实体图,如图1所示.一描轮廓图1转子的建模1.3螺杆泵转子模型参数化为了研究螺杆泵运动和力学特性与其结构参数的关系,以进行结构参数优化,必须建立螺杆泵的参数化模型,即当转子的偏心距e,半径R和导程等参数变化时,模型能随之改变.图2转子参数化建模界面进入到SolidworksVBA编辑器中,对上述建模过程所形成的宏录制程序进行二次开发.选择VBA开发程序界面中工具条上的【插入】/【用户窗体】命令,在宏文件中建立一个新的用户窗体,然后在窗

7、口中添加相应控件,设定转子参数化建模的界面,如图2所示.对建模过程中所需要的相应的尺寸重新定义,使界面中的参数与模型的结构尺寸建立连接,从而使转子模型参数化.在转子外表上设定了测试点的,y,z坐标,以便对转子进行运动分析.2螺杆泵定子的参数化建模2.1螺杆泵定子建模单头单螺杆泵定子橡胶衬套内外表是双螺旋面,定子的型线是由半径为R(转子截面半径)的两个半圆和两条长为4e的直线段围成的长圆形,定子内外表是由该长圆形绕着本身的轴线旋转,并沿轴线方向移动形成的,定子衬套内螺旋面和转子的外螺旋面旋向相同,同为左旋或右旋.利用SolidWorks建模工具中的旋转切除功能建立定子模型,首先建立一个直径为橡胶

8、衬套外径的圆柱体,然后在圆柱端面上以圆心为原点建立一平面直角坐标系xoy,以坐标原点为圆心以长圆形长轴的长度4e+2R为直径生成一个圆,以此圆为基线生成一条螺旋线,该螺旋线作为旋转切除时的扫描路径.再以坐标原点为中心,Y轴方向为长轴,长度为4e+2R,X轴方向为短轴,长度为2R生成长圆形线,注意该长圆形与螺旋线要相交,形成贯穿.以长圆形线为扫描轮廓,螺旋线为扫描路径,进行扫描切除,从而形成定子橡胶衬套内外表,如图3所示.图3定子的建模径2.2螺杆泵定子模型参数化同转子模型参数化的方法,进入所形成的宏录制程序中对所形成的VBA语言程序进行二次开发,1472科学技术与工程8卷建立定子参数化建模界面

9、,如图4所示,使界面中的参数与定子结构参数建立连接,实现定子模型的参数化.图4定子参数化建模界面3螺杆泵参数化模型的正确性验证及运动仿真利用Solidworks的装配功能,将螺杆泵转子和定子的参数化模型装配起来,并进行干预检查,以验证螺杆泵转子和定子模型的正确性.在转子端面轴线处建立两条正交的基准线X,yl,在定子端面中心线处也建立两条正交的基准线,y2.转子的轴线相对于定子的中心线有一偏心距e,因此装配时,使基准线五和平行,相距为e,使基准线yl和y2重合.在转子轴线上添加小圆柱体为螺杆泵运动仿真时运动副的设定提供参照,如图5所示.图5螺杆泵装配体利用SolidWorks中的干预检查功能对所

10、建立的装配体中转子和定子的螺旋面进行干预检查,结果显示,所建立的装配体中无干预现象,证明所建立的螺杆泵的实体模型是正确的_4】.将模型切换到COSMOSMotion环境中,(1)设定装配体中的零部件的运动状态,设定子为固定件,转子为运动部件.(2)设定运动副,根据螺杆泵转子在定子中的运动规律,设定添加的小圆柱体相对于定子轴线旋转,实现转子轴线相对于定子轴线的旋转,转速为nr/min;设定转子断面相对与添加的圆柱体轴线旋转,实现转子断面中心相对于转子轴线的旋转,转速为一2nr/min.其速度的一半一nr/min用以平衡掉上一步中所添加的旋转,这样才能实现转子轴线相对于定子轴线有一转速,同时转子的

11、断面相对于转子轴线有一转速,并且两者大小相等,方向相反.4螺杆泵的运动学分析螺杆泵的转子是通过万向连轴节与抽油杆相连的,从而限制了转子的轴向运动,工作时,转子只能作径向运动,另外,根据转子的结构特点,在转子的各截面上,假设均以定子中心为原点,以长轴为y轴,短轴为轴,那么在其自身坐标系中对于坐标值相同的点,其运动规律完全相同,因此对螺杆泵转子进行运动分析时,只分析转子某一截面上的点的运动规律即可.在螺杆泵的运动仿真模型上,截取某一横截面,利用COSMOSMotion软件,对其转子型面上点的运动轨迹,位移,速度和加速度等运动学分量进行分析,从而得出螺杆泵转子的运动规律,为研究定子的磨损性能和螺杆泵

12、的寿命问题提供理论依据.4.1转子型面上点的运动轨迹和位移分析利用COSMOSMotion分析工具,设定转子型面上某一点的轨迹追踪,可描绘出点的运动轨迹,如图6所示.由图可知,转子型面上任一点的运动轨迹都是椭圆,椭圆的中心在定子中心上,型面上不同的点所形成的椭圆的长轴与短轴的大小和方向不同.6期杜秀华,等:基于Solidworks的单头单螺杆泵参数化建模及运动仿真1473F图6转子外型面上点的运动轨迹分析转子型面上的点相对于定子中心(椭圆轨迹中心)的幅值位移,如图7所示.由图可知,点的幅值位移曲线为简谐周期曲线,周期为转子运转半周所需要的时间.点幅值位移的最大值38mm和最小值22mm分别为其

13、椭圆轨迹的长半轴和短半轴的值,由此可以确定该椭圆轨迹的方程以及该点在每一时刻的坐标值.34呻3O埝26l220.O00.400.8O1.201.6O2.O0时间kse(图7L点的幅值位移转子型面上其他点的椭圆轨迹与幅值位移的关系与点类似,椭圆轨迹的长短半轴或极限幅值位移,最高点最大,分别为41mm(月+2e)和24mm(R),点越低,其值越小,最低点Q其值最小,分别为24mm(R)和7mm.4.2转子的速度和加速度分析由转子型面上点的运动轨迹(如图6所示)或位移分析可知,转子型面上任一点的椭圆轨迹都与定子型线直线边形成两个固定捏合点或线,该处的滑动速度对定子的磨损性能影响较大,因此,笔者主要对

14、转子型面上各点与定子捏合处进行速度分析.捏合处的速度应为转子型面上的点在l,方向速度分量的最大值.转子型面上的点在l,方向的速度分量为转子断面中心速度与型面上点绕断面中心点旋转速度的合成.利用COSMOSMotion软件分析得出转子型面上各点在l,方向的速度曲线,其中点的速度曲线如图8所示,由图可知,各点的速度幅值和幅角各不相同,转子型面上最高点与定子型线直线段的捏合点在其中点处,速度幅值最大,为±429mm/s,在与定子圆弧段捏合处,速度最小,为零.点越低,其速度幅值越小,最低点Q的速度幅值最小,为±73mm/s.389195E0型一195一389O.OO0.400.8O

15、1.2O1.6O2.oo时间/sec图8L点在Y轴方向上速度曲线综上,转子在运转过程中,型面上的最高点与定子型线直线边的捏合点在其中点处,该处的滑动速度最大,与定子圆弧段的捏合处在其中点(定子型线的最高和最低点),该处的滑动速度最小.同速度的分析方法分析转子型面上点的加速度,结果说明,转子型面上点的加速度的变化规律与速度的变化规律相似,即,在定子长边中点处,加速度最小;在运转到定子圆弧局部顶点时,加速度最大.5结论(1)利用Solidworks软件及对其进行二次开发,建立了单头单螺杆泵的转子和定子的参数化模型,并通过装配对其进行了正确性验证.(下转第1486页)6期张萍,等:PET/AIOOH

16、纳米复合材料的制备及性能研究1487StudyonSynthesisandPropertiesofPET/AIOOHNanocompositesZHANGPing,JIQuan,XIAYanzhi,KONGQingshan(StateKeyLaboratoryCultivatingBaseofAdvancedFibersandTextiles,QingdaoUniversity,Qingdao266071,P.R.China)AbstractPET/A1OOHnanocompositeshavebeensynthesizedviatheinsitumethodinordertoimprovet

17、heflameretardancyofPET.ThePET/A1OOHnanocompositeswerestudiedbyTEM,TG,CONEandSEM.TheresultsshowedthatthePET/A1OOHcompositeswerenanolevel,thevalueofactivationenergyofPET/A1OOHnanocompositeswashi【gherthanthepureone,theheatreleaserate(HRR)ofPET/A1OOHnanocompositesweredistinctlylowerthanthatofthepureone;

18、theproductionofsmokewasalsolowerthanthatofthepureone.SothePET/A1OOHnanocompositeshadexcellentthermalstabilityandflameretardancy.Keywordspoly(ethyleneterephthalate)boehmiteflameretardantactivationenergynanocomposites(上接第1473页)(2)利用COSMOSMotion软件,实现了螺杆泵的运动仿真,并对螺杆泵进行了运动学分析,说明,转子外型面上的点的运动轨迹为椭圆,椭圆的中心点在定子

19、的中心点上,不同的点所形成的椭圆其长轴与短轴的大小和方向不同;转子外型面上的点的速度,加速度曲线为为周期性简谐曲线,在定子型线直线段中点处,速度到达最大,其加速度最小;在运转到定子圆弧局部顶点时,速度最小,加速度最大.PPPPPP参考文献1李兴科,王锋,于国栋.浅层定向井螺杆泵举升工艺研究.石油,2005;26(3):118一l222(美)SolidWorks公司.SolidWorksAPI二次开发.生信实维公司,译.北京:机械工业出版社,2005:l223周志宏,曾华.应用CAD软件对蜗轮蜗杆螺杆三维造型的技巧.江汉石油学院,2003;25(增刊):l36l374宋宪一,王伟,张瑞波.SolidWorks在螺杆3D造型设计中的应用.机械设计与制造,2007;20(9):8O一8l5万邦列.单螺杆泵水利机械.东营:石油大学出版社,1993:28-29ParameterizedModelingandMotionSimulationofSingleScrewPumpBasedonSolidworksDUXiuhua,SUNJian,YANGJingyuan,HANDaoquan(MechanicalScienceandEngineeringCollege,DaqingPetroleumInstitute,Daqing163318,P.R.China)AbstractAccord