【摘要】：橡膠材料因其優(yōu)異的耐油和耐磨性能廣泛應(yīng)用于石油開采中。由橡膠定子和金屬轉(zhuǎn)子組成的螺桿泵更是在稠油含砂井的開采中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過對螺桿泵定子的失效分析,發(fā)現(xiàn)其損傷的主要原因為疲勞磨損。當(dāng)疲勞裂紋在表面萌生后,裂紋的擴展速率和擴展方向?qū)⒅苯記Q定著橡膠定子的使用壽命。現(xiàn)階段人們對這方面的研究主要集中在拉壓或剪切作用下的試驗研究和理論分析中,很少有人對磨損過程中的裂紋擴展機理進行研究。為此,本文首先利用ANSYS有限元軟件對不同裂紋角度的橡膠試樣進行拉伸作用下的裂紋擴展研究,并對預(yù)制不同裂紋角度的橡膠試樣進行拉伸試驗,驗證有限元分析結(jié)果的正確性。其次利用往復(fù)式磨損試驗機對不同裂紋角度的丁腈橡膠試樣進行磨損試驗,觀察磨損過程中裂紋的擴展路徑;利用ANSYS有限元軟件建立磨損模型,計算預(yù)制不同角度裂紋丁腈橡膠試樣在磨損條件下裂紋尖端的應(yīng)力數(shù)值大小,并與磨損試驗結(jié)果進行對比。最后對螺桿泵定子橡膠進行有限元分析,提取危險單元的等效應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)值,結(jié)合斷裂力學(xué)理論公式計算危險單元的壽命,預(yù)測螺桿泵的使用壽命。結(jié)果表明:不同預(yù)制裂紋角度的橡膠試樣拉伸斷裂過程中裂紋的擴展路徑都發(fā)生了一定角度的偏轉(zhuǎn),最終裂紋的擴展方向始終是沿著垂直于載荷的方向擴展。隨著預(yù)制裂紋角度的增大,橡膠試樣裂紋尖端在拉伸作用下應(yīng)力值都逐漸增大,即大角度裂紋最易發(fā)生裂紋擴展。磨損過程中,小角度裂紋由于受到剪切力的作用,更容易發(fā)生裂紋的翻折和卷曲。裂紋擴展路徑都是首先沿著初始預(yù)制裂紋角度的方向擴展,隨后裂紋擴展路徑發(fā)生改變沿著水平方向進入快速擴展階段,最后偏轉(zhuǎn)一定的角度后成舌狀物卷曲斷裂。最后對螺桿泵定子橡膠進行有限元分析,發(fā)現(xiàn)危險單元主要分布在螺桿泵定子齒凹與轉(zhuǎn)子的接觸表面,最大等效應(yīng)力遠小于橡膠的拉伸強度,定子橡膠的預(yù)測壽命小于實際壽命。本論文的研究不僅推動了橡膠磨損裂紋擴展機理的發(fā)展,也對提高實際工況下橡膠的使用性能和疲勞壽命研究具有實際意義。
【學(xué)位授予單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TE933.3;TQ336.5

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本文編號：2513043