类圆弧线型螺杆马达的设计与研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.045

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (5): 640-649 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.045

产品创新设计

类圆弧线型螺杆马达的设计与研究

况雨春¹(

),钟辉¹(

),钟良春²

^1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500
^2.中石化石油机械股份有限公司，湖北荆州 434000

Design and research of screw motor with quasi circular-arc contour-pattern

Yuchun KUANG¹(

),Hui ZHONG¹(

),Liangchun ZHONG²

^1.School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
^2.Sinopec Oilfield Equipment Corporation, Jingzhou 434000, China

全文: PDF(3279 KB) HTML

摘要：

螺杆马达是螺杆钻具的动力总成，其截面线型直接影响自身的各项工作性能。良好的工作性能是螺杆马达的设计目标。为获得工作性能良好的螺杆马达，首先，根据螺杆马达的工作原理和结构特点，提出了其效率、密封腔可靠性和稳定性的评价准则。然后，通过建立螺杆马达流固耦合三维有限元模型，基于显式非线性瞬态动力学方法分析了短幅内摆线螺杆马达密封腔接触带的接触力在不同负载工况下的变化情况。最后，基于螺杆马达效率的评价准则，针对影响短幅内摆线螺杆马达效率的关键因素，设计了一种类圆弧线型螺杆马达，并通过数值模拟和实验证明了该螺杆马达具有较好的工作性能。结果表明：在相同的负载工况下，相较于短幅内摆线螺杆马达，类圆弧线型螺杆马达密封腔的稳定性和可靠性更好，且在较高负载工况下具有更好的工作性能。研究结果为后续高性能螺杆马达的线型设计奠定了基础。

关键词： 螺杆马达; 类圆弧; 密封腔; 流固耦合; 可靠性; 稳定性

Abstract:

The screw motor is the power assembly of the screw drilling tool, and its cross-sectional shape directly affects its working performance. Good working performance is the design goal of screw motors. In order to obtain a screw motor with good working performance, the evaluation criteria of efficiency, sealing cavity reliability and stability were proposed according to the working principle and structural characteristics of the screw motor. Then, a three-dimensional finite element model of fluid-structure coupling of the screw motor was established, and the contact force change of the sealing cavity contact strip of the short-amplitude endocycloid screw motor under different load conditions was analyzed based on the explicit nonlinear transient dynamics method. Finally, based on the evaluation criteria for the efficiency of screw motors, a new screw motor with quasi circular-arc contour-pattern was designed to address the key factors affecting the efficiency of short-amplitude endocycloid screw motors, and the good working performance of this screw motor was proved by numerical simulation and experiment. The results showed that under the same load conditions, the sealing cavity of the screw motor with quasi circular-arc contour-pattern was more stable and reliable than that of the short-amplitude endocycloid screw motor, and it had better working performance under higher load conditions. The research results lay a foundation for the contour-pattern design of high-performance screw motors in the future.

Key words: screw motor quasi circular-arc sealing cavity fluid-structure coupling reliability stability

收稿日期: 2022-05-06 出版日期: 2023-11-03

CLC:

TH 131.7

基金资助: 国家自然科学基金联合基金资助项目(U19A2097)

通讯作者: 况雨春 E-mail: swpikyc@126.com;1113694147@qq.com

作者简介: 钟辉（1992—），男，四川达州人，硕士生，从事井下工具研究，E-mail: 1113694147@qq.com，https://orcid.org/0000-0001-9809-0873

	服务
	把本文推荐给朋友
	加入引用管理器
	E-mail Alert
	RSS
	作者相关文章
	况雨春
	钟辉
	钟良春

引用本文:

况雨春,钟辉,钟良春. 类圆弧线型螺杆马达的设计与研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(5): 640-649.

Yuchun KUANG,Hui ZHONG,Liangchun ZHONG. Design and research of screw motor with quasi circular-arc contour-pattern[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(5): 640-649.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.045 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I5/640

图1 螺杆马达转子中心节点及其位移—时间历程曲线

图2 螺杆马达密封腔及其受力示意

图3 短幅内摆线螺杆马达截面参数示意

表1 短幅内摆线螺杆马达设计参数

图4 短幅内摆线螺杆马达三维有限元模型

图5 不同负载扭矩下短幅内摆线螺杆马达的接触力及其差值

表2 短幅内摆线螺杆马达工作性能仿真结果

图6 螺杆马达类圆弧线型示意

图7 7/8头螺杆马达类圆弧线型

图8 不同负载扭矩下类圆弧线型螺杆马达的接触力及其差值

表3 类圆弧线型螺杆马达工作性能仿真结果

图9 不同螺杆马达的密封长度对比

图10 螺杆马达工作性能测试实验原理1—供液箱；2—供液泵；3—旁路调节阀；4—流量计；5—入口压力表；6—被测螺杆马达；7—出口压力表。

图11 螺杆马达工作性能测试实验台架

表4 类圆弧线型螺杆马达工作性能实验结果

1	韩传军，张杰，刘洋.常规螺杆钻具定子衬套的热力耦合分析［J］.中南大学学报（自然科学版），2013，44（6）：2311-2317. HAN C J， ZHANG J， LIU Y. Thermal-structure coupling analysis for general stator lining of PDM［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2013， 44（6）： 2311-2317.
2	刘合，郝忠献，王连刚，等.人工举升技术现状与发展趋势［J］.石油学报，2015，36（11）：1441-1448. doi：10.7623/syxb201511014 LIU H， HAO Z X， WANG L G， et al. Current technical status and development trend of artificial lift［J］. Acta Petrolei Sinica， 2015， 36（11）： 1441-1448. doi: 10.7623/syxb201511014
3	孟凡林.新型型线单螺杆钻具的设计研究［D］.青岛：中国石油大学（华东），2016：1-6. MENG F L. Research and design of single screw drilling tool based on new molded lines［D］. Qingdao： China University of Petroleum （East China）， 2016： 1-6.
4	苏义脑，谢竹庄.螺杆钻具马达线型分析基础及研究方法［J］.石油机械，1985，13（6）：10-20，9. SU Y N， XIE Z Z. Basic research on the contour-pattern of downhole drilling screw motors［J］. China Petroleum Machinery， 1985， 13（6）： 10-20， 9.
5	谢竹庄.单螺杆马达的普遍线型［J］.石油学报，1997，18（2）：98-103. doi：10.7623/syxb199702017 XIE Z Z. A general contour pattern of single screw hydraulic motors ［J］. Acta Petrolei Sinica， 1997， 18（2）： 98-103. doi: 10.7623/syxb199702017
6	CHOI T H， KIM M S， LEE G S， et al. Design of rotor for internal gear pump using cycloid and circular-arc curves［J］. Journal of Mechanical Design， 2012， 134（1）： 011005.
7	张强，张帆，饶岩岩，等.螺杆马达线型仿真计算及实现［J］.机械研究与应用，2017，30（1）：49-51，55. doi：10.16576/j.cnki.10074414.2017.01.015 ZHANG Q， ZHANG F， RAO Y Y， et al. Simulation calculation and realization for the profile line of positive displacement motor［J］. Mechanical Research & Application， 2017， 30（1）： 49-51， 55. doi: 10.16576/j.cnki.10074414.2017.01.015
8	李增亮，姜明云，禹超，等.准等壁厚螺杆钻具马达断面型线设计［J］.石油矿场机械，2014，43（5）：45-48. doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2014.05.013 LI Z L， JIANG M Y， YU C， et al. Section line designing of screw drill motor with quasi thickness rubber bush［J］. Oil Field Equipment， 2014， 43（5）： 45-48. doi: 10.3969/j.issn.1001-3482.2014.05.013
9	万邦烈，曹玉德.短幅外摆线等距线型单螺杆式水力机械的评价指标及其参数的优选［J］.石油机械，1989，17（3）：1-11，5-6. doi：10.1007/BF02943119 WAN B L， CAO Y D. On assessment index and optimum parameters selection of curtate endocycloid isometric conjugate contour-pattern of hydraulic machinery［J］. China Petroleum Machinery， 1989， 17（3）： 1-11， 5-6. doi: 10.1007/BF02943119
10	赵娜.螺杆钻具马达线型优化设计方法的研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，2016：2-16. ZHAO N. Screw drill motor linear optimization design method research［D］. Shenyang： Shenyang University of Technology， 2016： 2-16.
11	路玥.螺杆马达转子的线型分析［D］.西安：西安石油大学，2010：2-9. LU Y. Profile analysis of screw motor’s rotor［D］. Xi’an： Xi’an Shiyou University， 2010： 2-9.
12	童华，陈国银，祝效华.谐壁厚螺杆钻具橡胶衬套线型设计与仿真分析［J］.系统仿真学报，2018，30（2）：647-653. TONG H， CHEN G Y， ZHU X H. Linear design and simulation analysis for harmonic-distance rubber bushing of PDM［J］. Journal of System Simulation， 2018， 30（2）： 647-653.
13	祝效华，迟博.螺杆钻具定转子热力耦合行为［J］.石油学报，2016，37（8）：1047-1052. doi：10.7623/syxb201608011 ZHU X H， CHI B. Thermal-mechanical coupling behavior for screw drill stator and rotor［J］. Acta Petrolei Sinica， 2016， 37（8）： 1047-1052. doi: 10.7623/syxb201608011
14	向刚，卢秀德，宋丹.连续油管钻磨工艺螺杆马达特性分析及现场应用［J］.钻采工艺，2014，37（1）：75-77，15. doi：10.3969/J.ISSN.1006-768X.2014.01.22 XIANG G， LU X D， SONG D. Characteristics analysis and field application of screw motor used in coiled tubing milling technology［J］. Drilling & Production Technology， 2014， 37（1）： 75-77， 15. doi: 10.3969/J.ISSN.1006-768X.2014.01.22
15	苏义脑.螺杆钻具研究及应用［M］.北京：石油工业出版社，2001：2-47. SU Y N. Research and application of screw drilling tools［M］. Beijing： Petroleum Industry Press， 2001： 2-47.
16	张聪.螺杆马达啮合仿真模型与应用研究［D］.成都：西南石油大学，2016：1-23. ZHANG C. Research on meshing simulation model and application of screw motor［D］. Chengdu： Southwest Petroleum University， 2016： 1-23.
17	王勇帅.不可压缩流体流动及其耦合问题的时空有限元算法［D］.上海：华东师范大学，2021：1-7. WANG Y S. Timespace finite element methods for the incompressible fluid flows and their coupling problems ［D］. Shanghai： East China Normal University， 2021： 1-7.
18	柳欢欢.基于流固耦合的螺杆马达动态仿真［D］.武汉：华中科技大学，2017：11-29. LIU H H. Dynamic simulation of positive displacement motor based on fluid-structure interaction［D］. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2017： 11-29.
19	单永平.螺杆马达流固耦合动态仿真及正交数值试验研究［D］.武汉：华中科技大学，2019：34-45. SHAN Y P. Fluid-structure coupling simulation and orthogonal numerical experiment of positive displacement motor［D］. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2019： 34-45.
20	郑道宽.螺杆马达的流固耦合仿真［D］.武汉：华中科技大学，2015：23-31. ZHENG D K. Fluid-solid coupling simulation of positive displacement motor［D］. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2015： 23-31.
21	黄晓霞.螺杆马达（PDM）流-固耦合动态仿真［D］.武汉：华中科技大学，2013：12-32. HUANG X X. Fluid-structure coupling dynamic simulation of positive displacement motor （PDM）［D］. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2013： 12-32.
22	王竹溪，郭敦仁.特殊函数概论［M］.北京：北京大学出版社，2000：520-559. WANG Z X， GUO D R. Introduction to special functions［M］. Beijing： Peking University Press， 2000： 520-559.
23	刘式适，刘式达.特殊函数［M］.北京：气象出版社，1988：656-745. doi：10.1002/qj.49711448413 LIU S S， LIU S D. Special functions［M］. Beijing： China Meteorological Press， 1988： 656-745. doi: 10.1002/qj.49711448413

[1]	李江昊,肖文生,于文太,王鸿雁,刘顺庆,孙友福. 超深水打桩锤系统的可靠性分析与分配研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 485-494.
[2]	杨展,李其朋,唐威,秦可成,陈岁繁,王铠迪,刘阳,邹俊. 小型陆空变形两栖机器人的设计与分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 325-333.
[3]	郭鸿杰,梁淑雅,陈文华,钟立强,陈哲文,颜佳辉. 线簧丝倾角对线簧孔式电连接器贮存寿命的影响研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 390-398.
[4]	张正峰,宋小雨,袁晓磊,陈文娟,张伟东. Al/CFRP混合薄壁结构耐撞性能可靠性优化设计[J]. 工程设计学报, 2022, 29(6): 720-730.
[5]	陈振, 李涛, 薛晓伟, 周阳, 敬爽, 陈言. 基于模糊综合评价法的可控震源振动器平板疲劳可靠性分析与优化[J]. 工程设计学报, 2021, 28(4): 415-425.
[6]	钟良春, 况雨春, 舒峰, 张聪. 考虑压力与温度影响的螺杆马达过盈量设计方法[J]. 工程设计学报, 2021, 28(3): 321-328.
[7]	张云, 张瑞宾, 莫德赟, 刘晓刚. 电磁式发动机水冷系统流固耦合传热研究[J]. 工程设计学报, 2021, 28(3): 344-349.
[8]	曾光, 边强, 赵春江, 殷玉枫, 冯毅杰. 变参数下角接触球轴承保持架的稳定性与振动特性分析[J]. 工程设计学报, 2020, 27(6): 735-743.
[9]	王玉璞, 程文明, 杜润, 王书标, 杨行舟, 翟守才. 大型门式起重机风荷载响应仿真分析[J]. 工程设计学报, 2020, 27(2): 239-246.
[10]	黄泽好, 张振华, 黄旭, 雷伟. 鼓式制动器制动不稳定时变特性分析[J]. 工程设计学报, 2019, 26(6): 714-721.
[11]	王艾伦, 刘乐, 刘庆亚. 基于Kriging代理模型的拉杆组合转子强度可靠性研究[J]. 工程设计学报, 2019, 26(4): 433-440.
[12]	杨少沛, 李蒙, 王得胜. 基于15F2K60S2的农用无人机电源监控仪表设计[J]. 工程设计学报, 2019, 26(3): 330-337.
[13]	钟强, 骆正山. 油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应[J]. 工程设计学报, 2019, 26(1): 95-101.
[14]	崔国华, 崔康康, 吴海淼, 张艳伟, 刘健. 预应力钢筒混凝土管端口打磨机器人的压紧力可靠性分析[J]. 工程设计学报, 2018, 25(6): 647-654.
[15]	唐林, 许志沛, 贺田龙, 敖维川. 基于BP神经网络的转动架稳定性灵敏度分析[J]. 工程设计学报, 2018, 25(5): 576-582.

Viewed

Full text

Abstract

Cited

Shared

Discussed