螺桿泵橡膠定子注模過程數值仿真分析

摘 要：使用注射法生產的螺桿泵定子質量與效率比傳統使用壓注法所生產的有了很大的提高，但是無法定量的從理論上分析生產過程中各物理參數及測量橡膠流動過程的各種內部參數。因此本文通過使用有限元軟件對螺桿泵橡膠定子注模過程進行模擬，著重研究注模過程中不同流速與填充時間、注射壓力、鎖模力、最大剪切速率之間的關系并確定最佳工藝參數范圍、提高定子質量。結果表明：對于此模型填充速率在20-30時既可以保證生產效率也保證了產品質量，同時也對設備的要求達到最低。

關鍵詞：螺桿泵橡膠定子；注射法；流動速率；有限元法

引言

螺桿泵采油技術現如今已經得到廣泛應用。螺桿泵主要是由金屬轉子和橡膠定子組成，其中橡膠定子襯套是螺桿泵系統的關鍵部件之一，其使用壽命直接影響到螺桿泵整體的使用壽命。潛油螺桿泵的工作條件十分惡劣，如井下溫度高、壓力高、連續工作時間長并且有磨蝕性介質、受周期性擠壓力等，為了適應井下嚴酷的工作條件螺桿泵定子所采用的橡膠材料為丁腈膠（NBR）[1]。丁腈橡膠是由丁二烯和丙烯腈經乳液聚合法制得，采用低溫乳液聚合法生產，其耐油性極好，耐磨性較高，耐熱性較好，粘接力強，因此丁腈橡膠成為了制造螺桿泵定子襯套的首選材料。

螺桿泵橡膠定子的制造方法一般分為壓注法和注射法[2]。目前國內生產螺桿泵定子的企業一般采用壓注法來生產，該方法的特點是對設備的要求低，一般為萬能四柱液壓機、加熱設備及配套夾具即可以實現注射過程[3]；而注射法的特點是，膠料是邊塑化邊向模腔中注射，膠料塑化效果好，不必像使用壓注法那樣需要把膠料在熱煉機中先熱煉到一定程度再注入，可以對膠料塑化的溫度高于壓注法的溫度，簡化了生產工藝，并且由于注入壓力大使制品致密度高從而提高了產品質量[4]。由于生產設備與檢測方法的限制，目前對生產過程中的各物理參數準確定量的控制十分困難，同時對所注的定子橡膠內部參數進行詳細測量更加困難甚至無法進行。因此本文通過使用軟件仿真的方法來定量的分析注模過程中的各物理參數，其中包括：填充時間、模具溫度、橡膠熔體溫度、注入壓力、鎖模力及最大剪切速率等，通過綜合分析模擬結果，使生產效率得到保障的同時進一步提高產品質量。

1 有限元模型構建

根據GLB200系列常規單頭螺桿泵尺寸進行建模，為了節省計算機模擬時間適當簡化模型，所以通過模擬對比選擇定子外徑108mm，偏心距6mm，導程200mm的模型。其中圖1為橡膠定子的幾何建模圖形。在模具中部開4個澆口，其中1、2、3、4為4個澆口位置[5]。優點是澆口對稱分布可以減小在注模過程中膠料對模芯的徑向壓力，保證產品精度。

網格劃分：選擇4面體線性單元劃分網格。材料選擇：所選材料為通用丁腈橡膠。邊界條件設定：軟件材料庫推薦熔體溫度為70-100℃，模具溫度為80-200℃[6]。模具溫度高可以保證膠料具有較好的流動性，但是溫度過高會使膠料提前老化、固化會導致注射壓力升高，嚴重時甚至會發生短射；反之如果溫度過低，則會使膠料的流動性降低、硫化時間增長、生產效率降低、能耗增大，同時考慮到丁腈橡膠的硫化溫度一般為140℃左右[7]，因此在本模型中選擇模具溫度120℃，熔體溫度為85℃。

圖1 網格劃分及澆口位置

2 流速對充模過程工藝參數的影響

注模過程中的主要工藝參數為填充時間、模具溫度、注射速率、注射壓力、鎖模力，其中膠料熔體溫度與模具溫度如上述已經確定，所以主要通過改變注射速率得到在不同流速下的填充時間、注射壓力、鎖模力、剪切速率的變化規律。由于橡膠是熱固性材料，在計算時所選取的模型為反應粘度模型，并通過有限元軟件設置不同的流速進行計算得到的結果如表1所示。

從計算所得數據點中選取流速為30為例，為說明計算結果截取填充時間云圖、注壓壓力曲線、鎖模力曲線，并根據表1數據點擬合流量-填充時間曲線、流速-注射壓力曲線、流速-剪切速率曲線、流速-鎖模力曲線。

圖2 體積流量為30 時的填充時間云圖 圖3流量-填充時間

圖2為流速在30時的填充時間云圖，可以看出時間分布均勻并未出現未填滿的情況。圖3為根據表1擬合的質量流量與填充時間曲線，隨著填充流量的增加填充時間縮短，可以有效的提高生產效率。分析圖3可以看出，當在填充流量從小到大的過程中，隨著流量的增大填充時間快速減少，減少速率較大，這是由于隨著膠體的剪切速率增大帶來粘性降低，流動性增強，隨著流量的進一步增加，大約增加到30g/s時填充結束時間的下降速率迅速減小，這是由于流量增大并未帶來剪切速率的進一步增加，膠體的粘性趨于定值，流動性不再有進一步的改善。

圖4為填充流速在30下的注射壓力曲線，從曲線可以看出注射壓力隨著填充時間的變化情況，在開始階段曲線為緩慢上升，但隨后出現了壓力突增情況，這是由于膠料已充滿型腔所導致，最后進入保壓階段，壓力恒定。

從圖5可以看出隨著流速的增大注射壓力迅速下降，到達拐點后壓力趨于穩定。從材料屬性可以看出粘度與剪切速率成指數遞減規律，隨著流速的增大其剪切速率也隨之增大，但到達一定程度后由于兩者成指數關系，剪切速率對粘度的影響就顯的并不明顯，致使粘度變化很小，所以壓力趨于恒定。如果注射壓力小可能導致型腔充不滿，產品密度達不到要求，如果注射壓力過大可能產生飛邊甚至模具鋼管被充裂，因此選擇合適的注射壓力十分必要。對于本次模擬所采用的模型，注澆口處的最佳注壓壓力約為2.5MPa。其中注射壓力的大小不但與所使用的材料有關并且與模具型腔形狀、溫度也有一定關系。

圖6在流速為30時的鎖模力隨時間變化曲線。如圖7所示，曲線隨著流速的增大先迅速下降，到達拐點后趨于平穩，對于本模型鎖模力約為2.1t。鎖模力的大小是選擇無縫鋼管能承受的最大壓力的指標之一，如果超過其能承受的最大壓力，會使鋼管在填充過程中爆裂，這種情況在實際生產中曾經發生過，如果在試驗生產前通過模擬預測，不但可以減少材料浪費，并且還可以縮短生產試驗周期。

3 結束語

本文通過使用有限元軟件對螺桿泵橡膠定子注模過程模擬研究，分析了使用注射法在不同的填充速率下注模過程中填充時間、注入壓力、鎖模力與之的關系，從分析可以看出，當流速在20-30，注入壓力為2.5MPa，鎖模力為2.1t為此模型的最佳流速范圍、注入壓力和鎖模力，在此最佳參數下既可以保證生產效率同時也可以使產品質量得到一定提高。

參考文獻

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[2]穆學杰，焦冬梅，呂柏源.油田螺桿泵定子襯套生產方法的分析[J].油田螺桿泵定子襯套生產方法的分析，2004，30（9）：37-41.

[3]周毅.單螺桿泵橡膠定子的研制[J].橡膠工業，2003，50（5）：312-313.

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[5]王鵬駒，張杰.塑料模具設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2008.

[6]鄧鑫，王進，楊軍，等.基于MOLDFLOW軟件的反應注塑成型尼龍6的流動分析[J].塑料科技，2009，37（12）.

[7]呂曉仁，王世杰，孫浩.干摩擦和原油潤滑下丁腈橡膠、氟橡膠磨損行為研究[J].潤滑與密封，2011，36（8）.