四工位油田螺杆泵橡胶定子注射硫化机组的设计研究与三维动态模拟
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摘要
油田螺杆泵目前在油田生产中得到广泛应用，其核心部件橡胶定子目前的传统生产设备及方法已不能满足“高质、高效、低耗、低成本”的要求。针对其存在的缺点与不足，全新设计了四工位油田螺杆泵橡胶定子注射硫化机组。用一步法注射成型技术取代了传统的两步法和压注法，大大提高了制品的质量和生产效率。
本文主要工作成果如下：
1、首次设计了橡胶定子注射设备的四工位移动系统。橡胶定子由于传统的单机单工位生产使注射装置闲置时间太长，不能有效地利用注射机的效能。开发的四工位移动装置，简单实用，使单台设备对多个模具进行注射，最大限度地发挥注射装置的效能，大大地提高生产效率，降低生产成本。
2、设计了螺旋啮合喂料增压装置，获得了必要的高注射压力和高生产能力；设计了螺旋移动压合装置，压合系统作用力与注射机螺杆在同一轴线，大大增强了对中性能，消除了偏心力矩；提高了设备的工作可靠性，延长了整机寿命。
3、设计了全新的塑化—注射同步进行的一步法电动注射装置，与传统采用液压注射方法或液压压注方法相比较，具有结构简单紧凑、节省能源、维护保养方便、造价低廉等优点，易于实现文明生产和改善工作环境。
4、设计中运用了先进的数字—传感技术，以实施对机头压力、压合力和轴向力的监控，实现胶料的信息定量和压合装置的数字操作，使设备运行安全可靠，易于实现自动化和保证制品质量的稳定性。
5、用CAD技术对注射硫化机组进行了三维设计，并由此作为CAE的物理模型，进一步应用CAE技术对螺杆、定板、压合螺旋副螺母进行了三维有限元(FEA)分析，对其结构强度和刚度进行了精确地分析；并对有肋板与无肋板加强的定板进行了有限元分析的对比，进而对零部件进行优化设计。
6、设计了一体式的硫化—模具系统，突破了传统的注射模具与硫化装置分体的布置方案与结构。
7、利用三维模拟软件3dsmax对注射装置进行三维动态模拟仿真，运用三维爆炸效果来表明各零部件的连接关系，以便验证设计符合安装、拆卸、尺寸配合和操作等要求，证明本设计达到了设计的目的。
四工位油田螺杆泵橡胶定子注射硫化机组采用了一步法注射成型技术，解决了大容量制品的注射问题，由于注射压力高，因此制品致密性好能，大大提高制品的寿命。本机组不但能用在橡胶定子上，而且本机组的工作原理在橡胶制品的生产方面亦具有很广泛的应用前景，将会带来明显的社会效益和经济效益。
Oil field screw pump is widely used in the oil field now. And the equipmentand method of its key part—rubber stator can not meet the demand of high quality,high effiency, low consume and low cost. For the disadvantage and shortage, thefour-location oil field screw pump rubber stator injection-vulcanization unit is newlydesigned. The effiency and production quality are greatly improved, with thetraditional two steps method and force-feeding method replaced by the one stepinjection technology.
1. The four-location moving device of rubber stator injection-vulcanization isfirst designed. The traditional unit has only one location, so it can not make the mostuse of its ability for the long leave-unused period. The developed four-locationmoving device is easy and of good utilities; it can let one injection machine injectseveral molds, so it can increase the production efficiency and reduce the productioncost greatly.
2. The helical meshed feeding supercharging device is designed, and thenecessary higher production and high injection pressure are obtained. The helicalmoving compression device is designed, this device directly act in the direction ofthe axis of the screw. So this increase the centre aligning capability, eliminate theeccentric moment, increase the operational reliability of the equipment, and lengthenthe operating life of the whole machine.
3. The electric injection device is newly designed. Plastication and injection isdone with one step. Compared to traditional hydraulic injection method andhydraulic force-feeding method, the new design is simple and compact in structure;it can save energy, maintained easily and made cheaply; it can produce incivilization for it improves the working environment.
4. The advanced digital sensing technology is used. It can check the headpressure, compression force and axial force. Then the information quantifying ofrubber and digital operation of compression device are realized, making theequipment work safely; and automation and stability of the production quality canbe realized easily.
5. The three-dimensional model of the injection-vulcanization unit is done withCAD, and are used as the physical model to CAE. The three-dimensional FEAanalyses of screw, stationary board and nut of compression screw pair are done withCAE technology. The FEA analysis of stationary board with rib is contrasted to thatwithout rib.
6. The integral vulcanization and die system is designed, changing the traditionalconfiguration and structure, for the traditional one's mould is separated to thevulcanization equipment.
7. The injection device is dynamically simulated with three-dimensionalsoftware 3dmax. The link relations between parts are indicated withthree-dimensional explosion effect. This can prove that the design accords tooperational demand, installation and disassembly dimension.
The one step injection technology is used in the four-location oil field screwpump rubber stator injection-vulcanization unit. It solves the injection problem ofthe large volume product. The compactability is good because of the high injectionpressure. So the operating life of the rubber stator is greatly lengthened. The unit canbe used in rubber production of the stator, but also its working principle can beapplied in the production of rubber product; it has wide future of application and itwill produce obvious social and economic benefit.
本文主要工作成果如下：
1、首次设计了橡胶定子注射设备的四工位移动系统。橡胶定子由于传统的单机单工位生产使注射装置闲置时间太长，不能有效地利用注射机的效能。开发的四工位移动装置，简单实用，使单台设备对多个模具进行注射，最大限度地发挥注射装置的效能，大大地提高生产效率，降低生产成本。
2、设计了螺旋啮合喂料增压装置，获得了必要的高注射压力和高生产能力；设计了螺旋移动压合装置，压合系统作用力与注射机螺杆在同一轴线，大大增强了对中性能，消除了偏心力矩；提高了设备的工作可靠性，延长了整机寿命。
3、设计了全新的塑化—注射同步进行的一步法电动注射装置，与传统采用液压注射方法或液压压注方法相比较，具有结构简单紧凑、节省能源、维护保养方便、造价低廉等优点，易于实现文明生产和改善工作环境。
4、设计中运用了先进的数字—传感技术，以实施对机头压力、压合力和轴向力的监控，实现胶料的信息定量和压合装置的数字操作，使设备运行安全可靠，易于实现自动化和保证制品质量的稳定性。
5、用CAD技术对注射硫化机组进行了三维设计，并由此作为CAE的物理模型，进一步应用CAE技术对螺杆、定板、压合螺旋副螺母进行了三维有限元(FEA)分析，对其结构强度和刚度进行了精确地分析；并对有肋板与无肋板加强的定板进行了有限元分析的对比，进而对零部件进行优化设计。
6、设计了一体式的硫化—模具系统，突破了传统的注射模具与硫化装置分体的布置方案与结构。
7、利用三维模拟软件3dsmax对注射装置进行三维动态模拟仿真，运用三维爆炸效果来表明各零部件的连接关系，以便验证设计符合安装、拆卸、尺寸配合和操作等要求，证明本设计达到了设计的目的。
四工位油田螺杆泵橡胶定子注射硫化机组采用了一步法注射成型技术，解决了大容量制品的注射问题，由于注射压力高，因此制品致密性好能，大大提高制品的寿命。本机组不但能用在橡胶定子上，而且本机组的工作原理在橡胶制品的生产方面亦具有很广泛的应用前景，将会带来明显的社会效益和经济效益。
Oil field screw pump is widely used in the oil field now. And the equipmentand method of its key part—rubber stator can not meet the demand of high quality,high effiency, low consume and low cost. For the disadvantage and shortage, thefour-location oil field screw pump rubber stator injection-vulcanization unit is newlydesigned. The effiency and production quality are greatly improved, with thetraditional two steps method and force-feeding method replaced by the one stepinjection technology.
1. The four-location moving device of rubber stator injection-vulcanization isfirst designed. The traditional unit has only one location, so it can not make the mostuse of its ability for the long leave-unused period. The developed four-locationmoving device is easy and of good utilities; it can let one injection machine injectseveral molds, so it can increase the production efficiency and reduce the productioncost greatly.
2. The helical meshed feeding supercharging device is designed, and thenecessary higher production and high injection pressure are obtained. The helicalmoving compression device is designed, this device directly act in the direction ofthe axis of the screw. So this increase the centre aligning capability, eliminate theeccentric moment, increase the operational reliability of the equipment, and lengthenthe operating life of the whole machine.
3. The electric injection device is newly designed. Plastication and injection isdone with one step. Compared to traditional hydraulic injection method andhydraulic force-feeding method, the new design is simple and compact in structure;it can save energy, maintained easily and made cheaply; it can produce incivilization for it improves the working environment.
4. The advanced digital sensing technology is used. It can check the headpressure, compression force and axial force. Then the information quantifying ofrubber and digital operation of compression device are realized, making theequipment work safely; and automation and stability of the production quality canbe realized easily.
5. The three-dimensional model of the injection-vulcanization unit is done withCAD, and are used as the physical model to CAE. The three-dimensional FEAanalyses of screw, stationary board and nut of compression screw pair are done withCAE technology. The FEA analysis of stationary board with rib is contrasted to thatwithout rib.
6. The integral vulcanization and die system is designed, changing the traditionalconfiguration and structure, for the traditional one's mould is separated to thevulcanization equipment.
7. The injection device is dynamically simulated with three-dimensionalsoftware 3dmax. The link relations between parts are indicated withthree-dimensional explosion effect. This can prove that the design accords tooperational demand, installation and disassembly dimension.
The one step injection technology is used in the four-location oil field screwpump rubber stator injection-vulcanization unit. It solves the injection problem ofthe large volume product. The compactability is good because of the high injectionpressure. So the operating life of the rubber stator is greatly lengthened. The unit canbe used in rubber production of the stator, but also its working principle can beapplied in the production of rubber product; it has wide future of application and itwill produce obvious social and economic benefit.
引文
[1] 吕柏源，橡胶注射成型机械发展现状及新产品开发，中国橡胶，2001，17(11)：20～21
[2] 吕柏源，王忠芸，刘厚义．橡胶注射成型机发展概况，橡胶技术与装备．1996，22(6)：1～7
[3] 吕柏源，祝刚等，橡胶注射成型设备的技术进步及发展动向，中国橡胶，2002 18(1)：25～26
[4] 加藤宽，注射成型技术的最新动向，橡胶参考资料，1996，26(1)：2～11
[5] 吕柏源，橡胶螺杆旋转注射成型技术及成型机的研究，橡胶工业，2001，48(1)：38～42
[6] Haffield JV. An integrated multi-element array transducer for ultrasonic imaging Sensors and Actuators A, 1994, 41/42 167～173
[7] 李明谦，黄继庆，螺杆钻具的应用现状及未来发展建议，石油机械，2006，34(5)：73～84
[8] 赵小京，卢祥国，螺杆泵采油的过去、现在和将来，国外油田工程，1996，(5)：32～33
[9] 周毅，单螺杆泵橡胶定子的研制，橡胶工业，2003，50(5)：312～313
[10] 李永东，张男等，Moyon理论在油田抽油螺杆泵设计中的应用，哈尔滨工程大学学报，2000，21(4)：85～89
[11] 马利明，何宝丰，抽油单螺杆泵定子用橡胶耐热油性能的研究，特种橡胶制品，1994，15(5)：13～15
[12] 万得鑫，螺杆泵采油的现场实践，石油矿场机械，1997，26(5)：29～31
[13] 曹振发，孙喜寿，李宗乾，采油机械的新发展，国外油田工程，1995(3)：38～41
[14] 师国臣，孙沿安，魏纪德等，大庆油田螺杆泵采油实践及认识，石油机械，1998，26(5)47～54
[15] 张连山，螺杆泵采油系统技术发展现状与动向研究，石油机械，1994，22(1)：46～50
[16] 赵英，螺杆泵采油系统的优化设计，新疆石油学院学报，2003，15(3)：62～65
[17] 赵恒枫，螺杆泵的应用与节能，水泵技术，1995(4)：47～48
[18] 栾超，提高螺杆泵运行可靠性的途径，中国设备工程，2002(2)：34
[19] 李晶，张连社，田庆国，浅谈螺杆泵采油井的优化设计
[20] 韩遵安，徐树利等，螺杆泵优化设计及矿场应用，石油钻探技术，2003，31(2)：42～44
[21] 金无健，单螺杆泵使用中的几个问题及解决方法，水泵技术，2002，(4)：29～31
[22] 中国科学院数学研究所数理统计组编，回归分析方法，科学出版社，1975
[23] 徐萃薇，编著，计算方法引论，高等教育出版社，1985
[24] Damell W H, Mol E A J.SPE, 1959,12:20
[25] A. Cox, R. Fenner. Polymer.1975, (20): 56
[26] B. Martin. Non-Liner Mech., 1969, (2): 285
[27] R. C. Donovan. Polym. Eng. Sci., 1971, (11): 247
[28] R. S. Rowell & D, F, fmlayson, screw viscosity pumps, 1922
[29] 陈树勋，李威龙．45，，双模轮胎硫化机横梁结构优化设计，广西大学学报(自然科学版)，2002，27(2)：99～103
[30] 李雨，戴福来．注射成型机，现代橡塑．2004，16(9)：22
[31] T. Sastrohartono, Y.Jaluria, and M. V. Karwe. Numerical Simulation of Fluid and Heat Transfer in Twin—screw Extruders for Non—Newtonian Materials [J]. Polym Eng Sci, 1995, 35 (15): 1213.
[32] D. Goffart, D. J. Van Der Wal, E. M. Klomp, H. W. Hoogstraten, L. P. B. M. Janssen, L.Breysse, and Y. Trolez. Three—Dimension at Flow Modeling of a Self—Wiping Corotating Twin—Screw Extruder. Part Ⅰ: The Transporting Section [J]. Polym Eng Sci, 1996, 36 (7): 901.
[33] 柳和生吕柏源，啮合型异向旋转双螺杆熔体输送特性研究，青岛化工学院学报，17(3)：220～224
[34] AttallaG, Podio-Guidugli P. On modeling the solids conveying zone of a plasticating extruder. Polym Eng Sci, 1980, 20(11): 709
[35] Tzu-Hsiung Sun. Pressure buildup in the feed zone of a single screw extruder_The effect ofdensity compressibility. Adv Poly Tech, 1988, 8(1): 11
[36] 柳和生，异向旋转双螺杆啮合，几何学研究．塑料开发．1991，18(3)
[37] 柳和生，全永听．异向旋转双螺杆熔体轴进流场求解．机械科学与技术，1993；(1)
[38] Rauwendal C J. Analysis and experimental evaluation of twin screw extruders. Polym Eng Sci, 21(16): 1092
[39] 巫静安 李木松主编，橡胶加工机械，北京：化学工业出版社，2006
[40] 吕柏源 唐跃等主编，挤出成型与制品应用，北京：化学工业出版社，2002
[41] 唐国俊，李健镔主编，橡胶机械设计(上册)，化学工业出版社
[42] 杨顺根，白仲元主编，橡胶工业手册(第九分册)，化学工业出版社，1992
[43] 刘鸿文主编，材料力学(下册)，高等教育出版社
[44] 王勋成，邵敏，有限单元法基本原理与数值方法，清华大学出版社，1988
[45] 李军亮，全电动力式一步法螺杆旋转橡胶注射成型装置的设计研究，青岛科技大学硕士论文，2004
[46] 雷晓燕．有限元法[M]北京：中国铁道出版社，2000．10
[47] 龙驭球，有限单元法概论，高等教育出版社，1991
[48] 郝文化，ANSYS 7．0，清华大学出版社2004
[49] 陈晓霞主编，ANSYS 7．0机械工业出版社2004
[50] 刘涛，杨凤鹏，精通ANSYS，清华大学出版社
[51] 东方人华主编．ANSYS7．0入门与提高．清华大学出版社，北京，2004
[52] 龚曙光主编．ANSYS基础应用及范例解析，机械工业出版社，北京，2003
[53] 小飒工作室编，最新经典ANSYS及Workbench教程，电子工业出版社
[54] 熊运星，基于UG和Ansys-Workbench下的协同仿真技术及实现，浙江工商职业技术学院学报，2006，5(3)：60～61
[55] 危卫华 吕柏源，电动轮胎定型硫化机侧板的有限元分析，橡塑技术与装备，2005，31：1～3
[56] ANSYS Workbench10.0 Help
[57]张丽叶，挤出成型，化学工业出版社，2002．7：101～103
[58] 杨顺根，白仲元主编，橡胶工业手册(第九分册)，化学工业出版社，1992
[59] 上海南洋电机厂，电机样本
[60] 天津华盛昌齿轮有限公司，减速器样本
[61] 塔德莫尔Z，戈戈斯C G著，耿孝正等译。聚合物加工原理[M]．北京：化学工业出版社，1990
[62] Rauwendaal. C R. Polymer Extrusion[M]. Hanser Publishers, 1990
[63] 刘彦昌 吕柏源 宗殿瑞，冷喂料挤出机螺旋啮合辊喂料方法的研究，青岛化工学院学报，2000，21(4)：364～366
[64] 奚永生，橡胶成型模具设计手册，中国轻工业出版社，2000
[65] 王旭，黄伟民译，最新塑料模具手册，上海科学技术文献出版社
[66] 瞿金平，黄汉雄，吴舜英主编，塑料工业手册，化学工业出版社
[67] A.P.Armit.Curve and surface design using Multipatch and Multiobject design systems, Computer Aided Design, 1993,25(4)
[68] 刘冰，齿轮齿条转向器的建模及分析，上海工程技术大学学报，2006，20(1)：31-34
[69] 高秀华，机械三维动态设计仿真技术，化学工业出版社，2003
[70] 何煜琛主编，Pro／ENGINEER野火中文版建模基础技术，清华大学出版社
[71] [美]solidworks著，SolidWorks，清华大学出版社
[72] W. F. Resh. Computer Aided Engineering in Engine Design, International Journal of Vehicle Design, 2000,23(1/2): 30-37
[73] J. M. Zheng. Virtual Reality, IEEE. Potentials, 1998
[74] 郭启全，三维造型与动画制作3DS MAX R4教程，机械工业出版社，北京，2002
[75] 袁志平，MAYA3DS MAX环境设置与实例，机械工业出版社，北京，2002
[76] Cat Woods．3ds max 4从入门到精通，中国电力出版社，北京，2002
[77] 吴起等编著．3dsmax5动画技术与艺术，中国电力出版社，北京，2003
[78] 杨勇等编著．3DS MAX5基础教程，中国水力水电出版社，北京，2003
[79] 于鹏，陈欣．3ds max5入门与提高，清华大学出版社，2003
[80] 阎庆华，林大钧．Solidworks结合AutoCAD与3DMAX实现机械产品设计，工程图学学报，2004，3：150～154
[2] 吕柏源，王忠芸，刘厚义．橡胶注射成型机发展概况，橡胶技术与装备．1996，22(6)：1～7
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[64] 奚永生，橡胶成型模具设计手册，中国轻工业出版社，2000
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[67] A.P.Armit.Curve and surface design using Multipatch and Multiobject design systems, Computer Aided Design, 1993,25(4)
[68] 刘冰，齿轮齿条转向器的建模及分析，上海工程技术大学学报，2006，20(1)：31-34
[69] 高秀华，机械三维动态设计仿真技术，化学工业出版社，2003
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