螺桿泵虛擬樣機的構建與運動學研究可視化

唐文洋

（長江大學計算機科學學院 湖北 荊州 434023）

0 序言

螺桿泵以其運動部件少、吸入性好、排量調節簡便、投資少、易于管理等優點，在油氣比較大、較粘稠的含砂油田中有著廣泛的應用，是油田生產中重要的舉升設備。伴隨CAD技術的發展，計算機輔助螺桿泵設計成為螺桿泵研發的重要手段。但是，由于螺桿泵主要工作部件轉子和定子的表面形狀復雜，各點的速度、加速度呈規律性復雜變化，因此其工作原理難以理解，為設計工作帶來一定的困難。基于以上考慮，構建螺桿泵虛擬樣機對于螺桿泵研發平臺的建立具有極大的必要性。

1 研究的基本要求與技術路線

以螺桿泵轉子和定子為研究對象，根據單頭螺桿泵轉子和定子骨線及輪廓線的形成機理，基于Solidworks對螺桿泵轉子和定子進行參數化實體建模，構建虛擬樣機，然后利用其運動仿真插件COSMOSMotion進行運動仿真分析，主要進行以下表現：①轉子和定子配合方式；②轉子在定子中的運動方式；③轉子和定子之間立體型腔的形成機理；④轉子在定子中運動時各點的軌跡、位移、速度、加速度以及它們的變化規律；⑤轉子與定子的干涉檢查。[1-3]

2 運動模擬工具簡介[1-4]

運動模擬是機構真實運動的完整再現，本研究采用COSMOSMotion完成螺桿泵的運動模擬。COSMOSMotion是基于ADAMS解決方案引擎創建的內嵌于SolidWoks的工作環境中的運動仿真插件，使用SolidWorks數據存儲庫，與Solid-Woks是無縫接合。通過COSMOSMotion可以在SolidWorks的CAD系統構建的虛擬樣機上查看其工作情況，從而檢測設計的結果，進而修改設計，得到進一步優化的結果。可以將運動模擬連同工程數據的XY圖示分布可視化顯示，得到可視化的數據結果，并對各點的運動軌跡、速度、位移和加速度曲線加以分析，進而發現并揭示出可能的系統誤差、零件破壞和安全問題，可以大幅度降低制造物理樣機的成本，并縮短產品開發時間。

3 虛擬樣機模型的構建

在進行螺桿泵運動仿真之前，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子和定子，其中轉子為單螺旋面，螺桿泵定子內表面是雙線螺旋面。利用基于特征的參數化三維建模軟件SoidWorks來建立螺桿泵的轉子和定子的實體模型，并在模型的基礎上對螺桿泵進行裝配，然后進行運動仿真。

3.1 轉子

設定半徑R=21mm，偏心距e=7.5mm，螺旋線為左旋。

圖1 轉子的三維模型

3.2 定子

定子內表面是雙螺旋面，襯套內螺旋線的螺距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為左旋。

圖2 定子的三維模型

3.3 轉子與定子的裝配

在螺桿泵定子軸線中心處建立兩條正交的基準線，因為轉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為e處也建立兩條正交的基準線，配合時將定子與轉子的兩條正交的基準線設定為相互重合。螺桿泵裝配后效果如圖所示。

圖3 轉子與定子裝配模型

4 虛擬樣機的運動模擬[1-5]

4.1 轉子與定子配合的干涉檢查

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

圖4 轉子與定子嚙合情況

4.2 運動學模擬

因篇幅所限，僅就轉子橫截面中心點加速度模擬進行簡要分析。

圖5為螺桿泵轉子截面中心點的加速度曲線。由于截面中心點無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，截面中心點的加速度是周期T=0.5s的正（余）弦曲線。當螺桿泵轉子與定子兩半圓弧相接觸時，截面中心點加速度的值為最大；當螺桿泵轉子運動到定子兩直線段中心處時，截面中心點加速度為零最小。輸出運動曲線符合螺桿泵理論分析結果，因此，運動仿真的結果是準確的。

圖5 螺桿泵轉子截面中心點的加速度曲線

5 結論

通過輸出動畫可以充分表現轉子在定子中的行星運動方式，進而說明了轉子和定子之間立體型腔的形成機理；轉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子在定子中運動時特定點的軌跡、位移、速度、加速度以及變化規律。因此，模擬結果可以作為設計時的檢驗鑒定標準。

［1］張玉坤.單頭螺桿泵運動學仿真及結構參數優化[D].大慶:大慶石油學院,2007.

［2］王亮.單螺桿泵的運動學仿真、有限元模擬及結構優化[D].青島:青島科技大學,2008.

［3］邢天宜.單螺桿泵襯套截面形狀的改進[J].流體機械,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.