發(fā)布時(shí)間：2020-08-28 03:25

【摘要】：采油螺桿泵是一種重要的油田舉升設(shè)備,它具有很多其它采油設(shè)備不能替代的優(yōu)點(diǎn)。螺桿泵定子受交變載荷、工作溫度和井下介質(zhì)等因素影響而發(fā)生疲勞失效,是導(dǎo)致螺桿泵失效的重要原因。本文針對(duì)不同工況條件下螺桿泵定子的疲勞失效進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)和模擬試驗(yàn)研究,為采油螺桿泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、耐疲勞定子橡膠的研制和提高螺桿泵的使用壽命提供理論依據(jù)。對(duì)不同溫度水浸和油浸條件下定子橡膠試件進(jìn)行單軸拉伸和平面剪切試驗(yàn)。采用Yeoh模型和修正Arruda-Boyce模型對(duì)單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估,確定采用表征能力強(qiáng)的修正Arruda-Boyce模型作為定子橡膠本構(gòu)模型,并確定模型的參數(shù)。依據(jù)定子橡膠試件的溫脹和溶脹試驗(yàn),應(yīng)用溫度當(dāng)量法確定不同工況下溶脹的當(dāng)量溫度。在不同溫度、不同介質(zhì)和不同過(guò)盈量條件下,建立了采油螺桿泵有限元模型,計(jì)算分析得到定子接觸應(yīng)力、剪應(yīng)力和等效應(yīng)力分布規(guī)律,確定了各工況最易發(fā)生疲勞的危險(xiǎn)位置。采用德墨西亞等加速試驗(yàn)方法,對(duì)不同溫度水浸和油浸介質(zhì)下定子橡膠試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn),確定了定子橡膠疲勞裂紋擴(kuò)展特性參數(shù)和潛在臨界損傷等效的裂紋尺寸,分析兩項(xiàng)參數(shù)隨溫度和介質(zhì)變化的規(guī)律,并確定隨溫度變化的表達(dá)式;同時(shí)擬合得到定子橡膠伸長(zhǎng)比-疲勞壽命曲線,建立了定子橡膠基于應(yīng)變損傷參量的疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測(cè)模型,并確定了不同工況下模型參數(shù)。結(jié)合螺桿泵力學(xué)有限元分析結(jié)果,建立了螺桿泵定子以過(guò)盈量、溫度和介質(zhì)為變量的統(tǒng)一疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)模型;應(yīng)用連續(xù)損傷力學(xué)理論,基于定子橡膠以應(yīng)變?yōu)槠趽p傷參量的疲勞裂紋萌生壽命模型,建立了螺桿泵定子以等效應(yīng)變范圍為損傷參量的疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)不同工況螺桿泵定子的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命和疲勞裂紋萌生壽命,分析確定了螺桿泵定子疲勞壽命主要取決于疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。根據(jù)螺桿泵的工作特性,研制了模擬螺桿泵定子加速疲勞試驗(yàn)裝置。以靜剛度損失率為疲勞失效判斷準(zhǔn)則,以過(guò)盈量、溫度和介質(zhì)為變量,進(jìn)行加速疲勞試驗(yàn)。利用疲勞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正。用修正的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型,預(yù)測(cè)實(shí)際條件下螺桿泵定子的疲勞壽命,預(yù)測(cè)壽命與實(shí)際壽命的比值為1.23和0.93,模型預(yù)測(cè)精度較高。驗(yàn)證了修正的預(yù)測(cè)疲勞壽命模型的可靠性。
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TE933.3
【圖文】：

（a）水浸工況 （b）油浸工況（a）In water immersed condition （b）In oil immersed condition圖 2.1 定子橡膠不同溫度單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2.1 Uniaxial tensile stress-strain curves of stator rubber at different temperatures（2）定子橡膠的平面剪切試驗(yàn)平面剪切試驗(yàn)前先將試件分別浸泡在 20℃、30℃、50℃、70℃和 90℃的 0 號(hào)柴油和水介質(zhì)中 72小時(shí)，剪切面積為2A （2 雙剪） （3厚度） 290（周長(zhǎng)） 1740mm。利用島津公司生產(chǎn)的電子拉力試驗(yàn)機(jī)、恒溫箱等設(shè)備進(jìn)行不同溫度的平面剪切試驗(yàn)，取每組 3個(gè)試件的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，獲得了不同溫度水浸和油浸橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖 2.2所示。

（a）水浸工況 （b）油浸工況（a）In water immersed condition （b）In oil immersed condition圖 2.1 定子橡膠不同溫度單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2.1 Uniaxial tensile stress-strain curves of stator rubber at different temperatures（2）定子橡膠的平面剪切試驗(yàn)平面剪切試驗(yàn)前先將試件分別浸泡在 20℃、30℃、50℃、70℃和 90℃的 0 號(hào)柴油和水介質(zhì)中 72小時(shí)，剪切面積為2A （2 雙剪） （3厚度） 290（周長(zhǎng)） 1740mm。利用島津公司生產(chǎn)的電子拉力試驗(yàn)機(jī)、恒溫箱等設(shè)備進(jìn)行不同溫度的平面剪切試驗(yàn)，取每組 3個(gè)試件的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，獲得了不同溫度水浸和油浸橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖 2.2所示。

東北石油大學(xué)博士研究生學(xué)位論文2.1.3 定子橡膠表征評(píng)估考慮螺桿泵定子所處的溫度和介質(zhì)情況，對(duì)上述兩種本構(gòu)模型表征能力進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。將圖 2.1 中定子橡膠不同溫度單向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)代入式（2-17）和式（2-23）進(jìn)行擬合，得到不同溫度水浸和油浸工況下的應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線如圖2.3~2.7 所示。采用線性最小二乘法擬合 Yeoh 模型，采用非線性最小二乘法擬合修正Arruda -Boyce模型，確定不同溫度水浸工況和油浸工況的模型參數(shù)，如表 2-1 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2807028