螺杆泵虚拟样机的构建与运动学研究可视化

唐文洋

（长江大学计算机科学学院 湖北 荆州 434023）

0 序言

螺杆泵以其运动部件少、吸入性好、排量调节简便、投资少、易于管理等优点，在油气比较大、较粘稠的含砂油田中有着广泛的应用，是油田生产中重要的举升设备。伴随CAD技术的发展，计算机辅助螺杆泵设计成为螺杆泵研发的重要手段。但是，由于螺杆泵主要工作部件转子和定子的表面形状复杂，各点的速度、加速度呈规律性复杂变化，因此其工作原理难以理解，为设计工作带来一定的困难。基于以上考虑，构建螺杆泵虚拟样机对于螺杆泵研发平台的建立具有极大的必要性。

1 研究的基本要求与技术路线

以螺杆泵转子和定子为研究对象，根据单头螺杆泵转子和定子骨线及轮廓线的形成机理，基于Solidworks对螺杆泵转子和定子进行参数化实体建模，构建虚拟样机，然后利用其运动仿真插件COSMOSMotion进行运动仿真分析，主要进行以下表现：①转子和定子配合方式；②转子在定子中的运动方式；③转子和定子之间立体型腔的形成机理；④转子在定子中运动时各点的轨迹、位移、速度、加速度以及它们的变化规律；⑤转子与定子的干涉检查。[1-3]

2 运动模拟工具简介[1-4]

运动模拟是机构真实运动的完整再现，本研究采用COSMOSMotion完成螺杆泵的运动模拟。COSMOSMotion是基于ADAMS解决方案引擎创建的内嵌于SolidWoks的工作环境中的运动仿真插件，使用SolidWorks数据存储库，与Solid-Woks是无缝接合。通过COSMOSMotion可以在SolidWorks的CAD系统构建的虚拟样机上查看其工作情况，从而检测设计的结果，进而修改设计，得到进一步优化的结果。可以将运动模拟连同工程数据的XY图示分布可视化显示，得到可视化的数据结果，并对各点的运动轨迹、速度、位移和加速度曲线加以分析，进而发现并揭示出可能的系统误差、零件破坏和安全问题，可以大幅度降低制造物理样机的成本，并缩短产品开发时间。

3 虚拟样机模型的构建

在进行螺杆泵运动仿真之前，首先要做的工作就是螺杆泵建模。螺杆泵的主要工作部件是转子和定子，其中转子为单螺旋面，螺杆泵定子内表面是双线螺旋面。利用基于特征的参数化三维建模软件SoidWorks来建立螺杆泵的转子和定子的实体模型，并在模型的基础上对螺杆泵进行装配，然后进行运动仿真。

3.1 转子

设定半径R=21mm，偏心距e=7.5mm，螺旋线为左旋。

图1 转子的三维模型

3.2 定子

定子内表面是双螺旋面，衬套内螺旋线的螺距T等于螺杆螺距的2倍，即T=2t，同时截面轮廓是由半径为R（等于转子截面半径）的两个半圆与两条直线段组成，直线段的长度等于4e，螺旋线的旋向同样设为左旋。

图2 定子的三维模型

3.3 转子与定子的装配

在螺杆泵定子轴线中心处建立两条正交的基准线，因为转子的轴线相对于定子的中心轴线有一值为e的偏移，所以在距离定子轴线中心点为e处也建立两条正交的基准线，配合时将定子与转子的两条正交的基准线设定为相互重合。螺杆泵装配后效果如图所示。

图3 转子与定子装配模型

4 虚拟样机的运动模拟[1-5]

4.1 转子与定子配合的干涉检查

为验证所建立的参数化模型的正确性，利用Solid-Works中的干涉检查功能对所建立的装配体中转子和定子的螺旋面进行是否干涉的检查。检查结果显示，所建立的装配体中无干涉现象，证明所建立的螺杆泵实体模型是正确的。

图4 转子与定子啮合情况

4.2 运动学模拟

因篇幅所限，仅就转子横截面中心点加速度模拟进行简要分析。

图5为螺杆泵转子截面中心点的加速度曲线。由于截面中心点无X方向位移，其速度分量为零，其加速度分量也为零，速度曲线为零直线。在Y轴方向上，截面中心点的加速度是周期T=0.5s的正（余）弦曲线。当螺杆泵转子与定子两半圆弧相接触时，截面中心点加速度的值为最大；当螺杆泵转子运动到定子两直线段中心处时，截面中心点加速度为零最小。输出运动曲线符合螺杆泵理论分析结果，因此，运动仿真的结果是准确的。

图5 螺杆泵转子截面中心点的加速度曲线

5 结论

通过输出动画可以充分表现转子在定子中的行星运动方式，进而说明了转子和定子之间立体型腔的形成机理；转子与定子充分接触且无干涉，证明建模的精确性；输出曲线可以精确描述转子在定子中运动时特定点的轨迹、位移、速度、加速度以及变化规律。因此，模拟结果可以作为设计时的检验鉴定标准。

［1］张玉坤.单头螺杆泵运动学仿真及结构参数优化[D].大庆:大庆石油学院,2007.

［2］王亮.单螺杆泵的运动学仿真、有限元模拟及结构优化[D].青岛:青岛科技大学,2008.

［3］邢天宜.单螺杆泵衬套截面形状的改进[J].流体机械,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.