Проведено прочностной кінцево-елементний аналіз рухової секції гвинтового забійного двигуна в програмному комплексі ANSYS. Докладно описані всі етапи аналізу. Наведено результати оцінки напружено-деформованого стану ротора і статора, а також картини розподілів контактних тисків між ними, необхідні для оцінки працездатності двигуна. Показано зміну розподілів контактних тисків для двигунів з зношеним статором, що приводить до порушення умови герметичності робочих камер.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Сизранцева Ксенія Володимирівна, Арішин Вадим Олександрович


A strength finite element analysis of a power section in a screw downhole motor has been carried out in ANSYS bundled software. All stages of analysis are described in details. The results of estimating rotor and stator stress-strain state as well as the pattern of contact pressure distribution between them which is required for motor operability estimation are introduced. The change of contact pressure distributions for motors with worn out stator resulting in violation of working chamber tightness condition is shown.


Область наук:
  • Механіка і машинобудування
  • Рік видавництва: 2009
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ

    Наукова стаття на тему 'Аналіз напружено-деформованого стану рухової секції гвинтового забійного двигуна в програмному комплексі ANSYS'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз напружено-деформованого стану рухової секції гвинтового забійного двигуна в програмному комплексі ANSYS»

    ?СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Гальперін Є.І. Вертикальне сейсмічне профілювання. 2-е изд., Доп. і перераб. - М .: Недра, 1982. - 344 с.

    2. Сейсморазведка. Довідник геофізика / Под ред. І.І. Гур-вича, В.П. Номоконова. - М .: Недра, 1981. - 464 с.

    3. Речкин М.С. Алгоритм оцінки швидкісного закону за даними ВСП // Молодь і сучасні інформаційні технології: СБО. праць VII Всеросс. науково-практ. конф. студентів, аспірантів і молодих вчених - Томськ, 25-27 лютого 2009. -

    Ч. 1. - Томськ: Вид-во «СПб Графікс», 2009. - С. 179-180.

    надійшла 29.10.2009

    УДК 622.276.05-192: 519.6

    АНАЛІЗ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ РУХОВОЇ СЕКЦІЇ гвинтові забійні ДВИГУНА В ПРОГРАМНОГО КОМПЛЕКСІ ANSYS

    К.В. Сизранцева, В.А. Арішин

    Тюменський державний нафтогазовий університет, м Тюмень E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Проведено прочностной кінцево-елементний аналіз рухової секції гвинтового забійного двигуна в програмному комплексі ANSYS. Докладно описані всі етапи аналізу. Наведено результати оцінки напружено-деформованого стану ротора і статора, а також картини розподілів контактних тисків між ними, необхідні для оцінки працездатності двигуна. Показано зміну розподілів контактних тисків для двигунів із зношеним статором, що приводить до порушення умови герметичності робочих камер.

    Ключові слова:

    Гвинтовий забійний двигун, комп'ютерний аналіз, метод кінцевих елементів, ANSYS, напружено-деформований стан, контактні тиску.

    Key words:

    Screw downhole motor, computer analysis, finite element method, ANSYS, stress-strain state, contact pressures.

    Буріння свердловин необхідно для вивчення геологічної структури і властивостей гірських порід, а також для видобутку рідких і газоподібних корисних копалин. Процес буріння полягає в поступовому поглибленні ствола свердловини шляхом руйнування гірських порід долотом з одночасним винесенням рідиною або газом вибуренной породи по затрубному простору на поверхню.

    Гвинтові забійні двигуни (ВЗД) відіграють помітну роль в буровій техніці і технології останніх десятиліть. З ускладненням останнім часом бурових робіт і робіт по ремонту свердловин (горизонтальне буріння, розбурювання додаткових стовбурів в пробуреної свердловини) і використанням технологій із застосуванням гнучкої труби, роль гвинтових забійних двигунів через своїх унікальних характеристик постійно зростає [1].

    Унікальність характеристик ВЗД полягає в тому, що при своїй простоті конструкції і відносно невеликих розмірах вони володіють високим крутним моментом на низьких оборотах, а це необхідно для більш якісного та економічно вигідного буріння. До того ж ВЗД мають високий ККД у порівнянні з іншими гідравлічними двигунами.

    При всіх своїх перевагах гвинтові забійні двигуни мають один суттєвий недолік - швидким зносом робочих органів і, відповідно, недостатньо великим ресурсом роботи.

    Конструкція двигуна передбачає кілька основних частин: рухова секція, шпиндельная секція, переливної клапан, гнучкий вал, перевідники.

    Рухова секція складається з ротора і статора, поперечні перерізи яких зображені на рис. 1. Сталевий статор має всередині прівулкані-зірованним гумову обкладку з гвинтовими зубами, на сталевому роторі нарізані зовнішні зуби, причому число зубів ротора на одиницю менше числа зубів статора. Спеціальний профіль зубів ротора і статора забезпечує безперервний контакт між собою, утворюючи на довжині кроку статора поодинокі робочі камери [2].

    Ротор, здійснюючи планетарний рух, повертається за годинниковою стрілкою, в той час як геометрична вісь ротора переміщається щодо осі статора проти годинникової стрілки. За рахунок різниці в числах зубів ротора і статора переносний рух редукується в абсолютне з передавальним числом, що дорівнює кількості зубів ротора, що забезпечує знижену частоту обертання і високий крутний момент на виході.

    /

    Мал. 1. Поперечний розріз двигуна: 1) корпус статора; 2) обойма статора; 3) ротор; 4) камери низького тиску; 5) камери високого тиску

    Згідно з основними принципами роботи ВЗД необхідною умовою для його функціонування є безперервність контактних ліній, що забезпечує герметичність камер високого і низького тиску. Ця умова досягається за рахунок початкового діаметральної натягу в парі ротор-статор і в процесі експлуатації двигуна в результаті зносу робочих органів перестає виконуватися. Основним критерієм розрахунку робочих органів ВЗД є зносостійкість, оцінювана по контактним напруженням між поверхнями ротора і статора [3].

    Оскільки використовувана для розрахунку контактних напружень формула Герца дає лише чисельне значення напруг в центрі площадки контакту і не дозволяє отримати загальну тривимірну картину розподілу контактних тисків в робочих органах, необхідну для аналізу герметичності шлюзів, для вирішення даного завдання доцільно скористатися чисельною методом. Найбільш широкими можливостями для вирішення просторових контактних задач має ме-

    тод кінцевих елементів, реалізований в програмному комплексі ANSYS [4].

    Звичайно-елементний аналіз рухової секції ВЗД включає п'ять етапів [5].

    На першому етапі виконується побудова геометричної моделі, в даному випадку, в пакеті тривимірного моделювання Компас-3D. Вихідний профіль робочих органів (ротора і статора) утворюється при перекочування без ковзання окружності радіуса г по напрямних колах відповідного радіуса, причому, точка, яка утворює вихідний контур, знаходиться всередині котиться кола на відстані ексцентриситету е від її центру [6]. Далі за допомогою видавлювання отриманих профілів уздовж гвинтової лінії генеруються об'ємні моделі деталей. Причому для подальшого упорядкованого розбиття деталей на кінцеві елементи кожна деталь розділена допоміжними поверхнями на обсяги, обмежені шістьма поверхнями і включають тільки один зуб [7]. Для прикладу на рис. 2 представлені геометричні моделі робочих органів ВЗД. З метою скорочення обсягу необхідної оперативної пам'яті для вирішення завдання ротор виконаний порожнистим.

    На другому етапі проводиться розбиття імпортованої з пакету Компас-3D в кінцево-елементний пакет ANSYS геометричній моделі. Для опису ротора використовуються елементи типу SO-LID95, статора - елементи типу SOLID186, що підтримують властивості гіпереластікі, властиві матеріалу статора - гумі. Для матеріалу елементів ротора вказані властивості стали. Мал. 3 ілюструє кінцево-елементні моделі ротора і статора.

    Для опису контактної задачі створюються контактні пари. Оскільки кожен зуб ротора знаходиться в контакті тільки з одним зубом статора, крім двох зубів, що знаходяться в «мертвій точці» (в западинах статора), в складальної конструкції ротор-статор є 10 контактних пар. Статор посаджений з натягом, тому в властивості контактних пар вка-

    зиваєтся початкове проникнення (initial penetration). Для надійного виключення взаємного проникнення контактуючих поверхонь створюються симетричні контактні пари [8].

    Третій етап аналізу - завдання граничних умов. На зовнішніх поверхнях статора, які відповідно до конструкції двигуна прівулканізова-ни до металевого корпусу, вказана жорстка закладення. Також заборонені всі переміщення на внутрішніх поверхнях ротора через прийнятих в розрахунковій схемі спрощень, оскільки модуль пружності стали на кілька порядків перевершує модуль пружності гуми, а значить викликані діаметральним натягом деформації будуть незначними. На торцевих поверхнях ротора і статора задаються умови симетрії.

    На четвертому етапі виконання аналізу відбувається запуск решателя. Для вирішення даного завдання використовується прямий вирішувач (SPARSE SOLVER), який використовується ANSYS за замовчуванням [8]. Оскільки розрахункова схема була максимально конкретизована і оптимально сформульована стосовно методу скінченних елементів, при пошуку рішення нелінійної контактної задачі не треба було змінювати налаштування розв'язувача.

    П'ятий етап передбачає аналіз отриманих результатів і оцінку критеріїв працездатності робочих органів ВЗД.

    Як видно з рис. 4, лінії контакту не перериваються, що підтверджує герметичність шлюзів і відсутність перетоків. Максимальна контактний тиск припадає на місце контакту западини

    Мал. 5. Розподіл сумарних переміщень в статорі ВЗД

    а б

    Мал. 6. Розподіл контактних тисків між ротором і зношеним статором. Діаметральний натяг: а) 0,45; б) 0,15 мм

    статора з зубом ротора і становить 0,786 МПа. Максимальні переміщення становлять 0,31 мм, що приблизно відповідає половині закладеного діаметральної початкового натягу в 0,6 мм (рис. 5).

    Викладений метод оцінки напружено-деформованого стану найбільш відповідальних деталей гвинтових забійних двигунів - ротора і статора, а також аналіз контактів їх поверхонь дозволяє розглядати різні моделі як нових, так і зношених в процесі експлуатації двигунів з метою перевірки їх працездатності та подальшого прогнозу ресурсу. Так, на рис. 6 наведені картини розподілу контактних тисків в зношеної парі ротор-статор, коли величина діаметральної натягу в результаті зносу статора зменшилася до 0,45 мм (рис. 6, а) і 0,15 мм (рис. 6, б).

    На малюнках добре видно, що контактні лінії терплять розрив, що призводить до порушення герметичності робочих камер, і як наслідок, до втрати працездатності двигуна.

    Що виконуються з метою продовження термінів служби способи модернізації та оптимізації роторів також можуть бути змодельовані з використанням запропонованого підходу.

    висновки

    1. У програмному комплексі А№У8 проведено прочностной кінцево-елементний аналіз рухової секції гвинтового забійного двигуна.

    2. Наведено результати оцінки напружено-деформованого стану ротора і статора, отримані розподілу контактних тисків між ними, необхідні для оцінки працездатності двигуна.

    3. Показано зміну розподілів контактних тисків для двигунів із зношеним статором, що приводить до порушення умови герметичності робочих камер.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Балденков Д.Ф., Балденков Ф.Д., Гноєвий А.Н. Одногвинтові Гідравлічні машини: В 2 т. - М .: ТОВ «ІРЦ Газпром», 2005. - Т. 1. Одногвинтові насоси. - 488 с.

    2. Двигун гвинтовий забійний Д1-195. Технічний опис та інструкція з експлуатації. - Бердичів: Друкарня заводу «Прогрес», 1985. - 30 с.

    3. Балденков Д.Ф., Балденков Ф.Д., Гноєвий А.Н. Одногвинтові Гідравлічні машини: В 2 т. - М .: ТОВ «ІРЦ Газпром»,

    2007. - Т. 2. Гвинтові забійні двигуни. - 470 с.

    4. Ліцензійна угода між ANSYS Inc і ТюмГНГУ від 1.02.2008 на програмний продукт ANSYS Academic Teaching Introductory (25 tasks), версія 11 SP1, номер користувача 340011.

    5. Сизранцева К.В. Комп'ютерний аналіз навантаженості і де-формативного елементів нафтогазового обладнання. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. - 124 с.

    6. Сизранцева К.В., Арішин В.А. Розрахунок напружено-деформованого стану статора гвинтового забійного двигуна // Нові інформаційні технології в нафтогазовій галузі та освіті: Матер. III Міжнар. конф. - Тюмень,

    2008. - С. 95-96.

    7. Сизранцева К.В., Арішин В.А., Дикун П.А., Сапригіна А.В. Методика оцінки працездатності гвинтового забійного двигуна в програмному комплексі А№УБ // Сучасні технології для паливно-енергетичного комплексу Західного Сибіру: Зб. научн.тр. - Тюмень, 2009. - С. 317-321.

    8. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. А№УБ для інженера: Довідковий посібник. - М .: Машинобудування-1, 2004. - 512 с.

    Надійшла 30.06.2009 р.

    УДК 519.688: 53.083.98

    АЛГОРИТМ СИНХРОНІЗАЦІЇ хронологічному РЯДОВ

    Ю.В. Волков, В.А. Тартаковський

    Інститут моніторингу кліматичних і екологічних систем СО РАН, Томськ E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    На прикладі датування ізотопних хронологий льодовикових кернів по відомим деревно-кільцевих ізотопним хронологиям розглянуто алгоритм відновлення тимчасових периодичностей сигналів.

    Ключові слова:

    Биоиндикация, дендрохронология, річні кільця, сезонне зростання, математична модель, аналіз сигналів, датування.

    Key words:

    Bioindication, dendrochronology, tree rings, seasonal growth, mathematical model, signal analysis, dating.

    Вступ

    В силу відсутності прямих вимірювань традиційних характеристик клімату до певного моменту часу і для певної території актуальна можливість відновлення даної інформації з природних об'єктів, які є індикаторами кліматичних змін. Тривалі ряди біоіндікаціонних даних створюють об'єктивні основи для ретроспективного аналізу і прогнозу таких змін.

    Важливим завданням при відновленні хронологий параметрів клімату є встановлення часових меж і періодичність. Біоіндіка-ційних ряди не завжди мають чіткі межі між окремими роками, присутній також тимчасове зміщення інформації, обумовлене різними природними процесами і особливостями індикатора. Для прив'язки відповідного відрізка хронології до часовій шкалі вдаються до датування різними природничими методами.

    У даній статті перекручену в результаті фізичних особливостей і природних процесів, по-

    отриману з кернів льоду, ізотопну ?? 8О-хронол-енергію синхронізують з тривалої изотопной деревно-кільцевої 5 "О-хронологією, яка прив'язана до часовій шкалі з точністю до року. Особливість даного методу в тому, що він дає можливість безперервного датування рядів даних на всьому часовому інтервалі еталонного ряду.

    Ізотопи кисню фіксуються в деревині річних кілець, в шарах льодовиків, а відношення їх концентрацій залежить від температури повітря. В результаті, унікальну інформацію про характеристики клімату, в тому числі і про хімічний склад атмосфери, мінеральних і органічних опадах і ін. За минулі століття, яка міститься в льодових кернах, стає можливим точно зіставляти в часі і прогнозувати.

    Постановка задачі

    Ізотопні дані використовуються у вигляді 518О = 103 (ЛР-ЛШ№) / ЛМ№% о, що відбиває співвідношення ізотопів в пробі деревини, R ^^ O / ^ O ^, по відношенню до стандарту SMOW (Standard Mean Ocean rsmow = (180 / 160) smow.


    Ключові слова: гвинтовий забійний двигун / комп'ютерний аналіз / метод кінцевих елементів / напружено-деформований стан / контактні тиску / ansys / screw downhole motor / computer analysis / finite element method / stress-strain state / contact pressures

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити