采油专用2KH型减速传动装置设计及三维仿真设计说明书

I摘要行星减速器是采油螺杆泵采油系统中的重要组成部分，行星齿轮传动是根据行星轮系的工作原理来实现机械减速的。数字化设计技术是一种先进的设计技术，对这一技术的应用研究将有非常重要的意义。本研究主要是针对采油螺杆泵设计的减速器系统，在螺杆泵采油系统中由于采油电机输出功率大、输入转速高、输出转速低，要求采用传动比大，减速器体积小，而且扭矩大的减速器，而行星齿轮减速器由于输入轴与输出轴共线，径向结构紧凑，体积小，承载能力大；传动效率高；传动比较大；运动平稳，抗冲击和振动的能力较强，这样行星齿轮减速器能很好的满足上述要求。本文采油行星减速器采用 2K-H 类 NGW 型行星齿轮减速装置，可以降低井下动力输出轴的转速，以满足低速、大扭矩的要求。由于采用了内啮合结构，行星轮位于内、外齿轮之间，输入轴与输出轴又位于同一轴线上，使其结构非常紧凑。本文完成了减速器的设计及关键零部件校核以及 SolidWorks 三维仿真。关键词：行星减速器；2K-H；齿轮；solidworksIIAbstractPlanetary gear reducer is an important part of the screw pump oil production system, the planetary gear transmission is according to the working principle of the planetary gear train to achieve decelerating machinery. Digital design technology is an advanced design technology, the application of this technology research will have a very important significance.This study is mainly aimed at the design of screw pump for oil extraction speed reducer system, in the screw pump oil production system due to the oil motor output power and input speed is high, the output speed low, adopts the transmission ratio, deceleration device has the advantages of small volume, and the torque of reducer, planet gear reducer due to the input shaft and the output shaft are collinear, the radial structure is compact, small size, large carrying capacity; high transmission efficiency; transmission; smooth movement and resistance to impact and vibration ability. In this way, the planetary gear reducer can well meet the above requirements.In this paper, the production of planetary gear reducer with NGW 2K-H type planetary gear reducer, can reduce the power output shaft speed, in order to meet the low speed, high torque requirements. In addition, the planet wheel is arranged between the inner and outer gears, the input shaft and the output shaft are arranged on the same axis, and the structure is very compact.In this paper, the design of the reducer and the key parts checking and SolidWorks 3D simulation are completed.Keywords:planetary reducer; 2K-H; gear; SolidWorksIII目 录摘要 .IAbstract .II第一章 引言 .- 1 -1.1 课题的研究背景 .- 1 -1.2 采油专用减速器的研究现状 .- 2 -1.3 课题的研究内容及意义 .- 3 -第二章 减速器方案的选择 .- 4 -2.1 减速装置的类型分析 .- 4 -2.1.1 谐波齿轮传动 .- 4 -2.1.2 2K-H 行星齿轮 .- 4 -2.1.3 少齿行星轮 .- 5 -2.2 减速器方案的选择 .- 6 -2.3 行星齿轮减速器的结构特点 .- 7 -第三章 传动装置的总体设计 .- 10 -3.1 选择电动机 .- 10 -3.2 传动系统的传动比 .- 10 -3.3 传动系统各轴参数确定 .- 10 -第四章 减速器传动零件的设计 .- 12 -4.1 齿轮的设计计算与校核 .- 12 -4.1.1 确定各齿轮的齿数 .- 12 -IV4.1.2 初算中心距和模数 .- 12 -4.1.3 齿轮几何尺寸计算 .- 14 -4.1.4 齿轮强度校核 .- 15 -4.2 其他零件的设计与校核 .- 20 -4.2.1 行星轴设计 .- 20 -4.2.2 输入轴的设计 .- 22 -4.2.3 输出轴的设计 .- 28 -第五章 基于 SolidWorks 的零部件详细设计 .- 32 -5.1 SolidWorks 软件简介 .- 32 -5.1.1 零件设计模块 .- 33 -5.1.2 装配模块 .- 34 -5.1.3 Solidworks 建模一般过程 .- 34 -5.1.4 Solidworks 装配的基本方法 .- 35 -5.2 零部件三维建模 .- 35 -5.3 三维装配体生成 .- 36 -5.4 三维装配仿真 .- 37 -第六章 结 论 .- 39 -参考文献 .- 40 -致 谢 .- 42 -附录 .47黑龙江八一农垦大学毕业论文（设计）- 1 -第一章 引言1.1 课题的研究背景电动采油螺杆泵是一种新型的机械采油系统。该系统既发挥了地面驱动螺杆泵能用于杆式泵和电潜泵无法抽采的稠油井、含砂井和低产油井及中后期水驱油井的独特优点，同时又吸取了电潜泵不使用抽油杆的长处，采用采油电机在井下直接驱动螺杆泵，是一种新型的采油装备。螺杆泵是 20 世纪 20 年代中期由法国科学家莫依诺发明的。1930 年 5 月，莫依诺在美国获得相关专利，随后多家企业开始研制生产螺杆泵，螺杆也开始应用于多个领域。20 世纪中期，Kois&Myers 公司率先在石油工业中将螺杆泵作为一种新型的人工举升设备推向市场。90 年代初期，螺杆泵采油得到广泛应用。螺杆泵作为人工举升设备，早期是以地面驱动为主，即通过地面驱动装置使抽油杆带动螺杆泵的转子旋转，井液被举升后，沿着与定子连接的油管被输送至地面。后来随着电机技术、机械加工技术等的发展，诞生了一种新的石油人工举升技术动力源放入油井中，通过电缆供电，带动螺杆泵转子旋转，实现石油的举升，人们称之为采油螺杆泵采油技术。相比于地驱螺杆泵，采油螺杆泵在能源及原材料的节约上更加出色，不仅不再有因管杆偏磨导致的断杆或管漏等故障问题，而且可以适应斜井及水平井采油。采油螺杆泵采油系统包括地面和地下两部分。地下部分由下至上通常应包括：采油电机及其保护器、减速器及其保护器、联轴器(挠性轴)、螺杆泵、油管等；地面部分包括：井口、接线盒、变压器、控制屏(变频器)等；地面部分与地下部分通过采油电缆实现电力传输。采油螺杆泵作为石油人工举升设备，虽然有众多优点，但是由于螺杆泵只能工作在较低转速，通常为 180-500rmin，而采油电机通常为两极电机，50Hz 时的同步转速达至 3000rmin，不能直接驱动采油螺杆泵，必须增加减速装置。由于采油螺杆泵工作于井下套管当中，减速器的尺寸受到限制，大传动比与大扭矩传动成为设计当中的矛与盾，使得减速器的设计难度增大 1。当前，国内外采油螺杆泵生产厂家多采用设计精度高、有较大传动比的行星齿轮减速黑龙江八一农垦大学毕业论文（设计）- 2 -器，这种减速器造价较高，且磨损依然存在，不仅大幅增加了采油螺杆泵系统的成本，而且其磨损是造成采油螺杆泵运行周期短的重要原因。随着高速螺杆泵技术的发展及现代电机设计技术的进步，使得采油螺杆泵与采油电机之间通过简单的减速装置甚至是不使用减速装置成为可能。本研究主要是针对电动采油螺杆泵设计的减速器系统，在螺杆泵采油系统中由于采油电机输出功率大、输入转速高、输出转速低，而且由于螺杆泵置于套管中，而套管内腔可以容纳的径向尺寸有限，这就要求采用传动比大，减速器体积小，而且扭矩大的减速器，而行星齿轮减速器由于输入轴与输出轴共线，径向结构紧凑，体积小，承载能力大；传动效率高；传动比较大；运动平稳，抗冲击和振动的能力较强，这样行星齿轮减速器能很好的满足上述要求。 1.2 采油专用减速器的研究现状二十世纪九十年代美国、加拿大等国家开始研制带井下减速器的电动采油螺杆泵。Centiilift 公司在 1992 年末就开始研究设计，但在减速器方面始终进展不大，后来它们与一家具有齿轮设计专长的公司合作，成功开发出 9：1 的齿轮减速装置和挠性轴组件。1995 年俄克拉荷马州的 Reda 公司也与加拿大阿尔伯塔的齿轮制造商共同开发了一种电动采油螺杆泵，由采油电机、保护器、柔性驱动装置和螺杆泵等部分组成，其驱动装置可将转速 H，降到 106 rmin(16 ：1 齿轮减速) 或 425 rmin(4：l 齿轮减速)。Reda 公司现有行星齿轮减速器的减速比为 4：1 和 16：l(Centrilift 公司有 3：1 和 9：1)，用于“55”、“7”、“8625”套管。推荐输入速度为 2200rmin。齿轮减速器额定推力 267000N 的推轴承承受 PC 泵产生的推力和额定推力为 66750N 的推轴承，它允许 PC 泵反转防止转子从定子中脱出。这一特点在泵被砂堵时可用来清砂。使用 4：1 和 16：1 减速比的泵的运转速度分别为550r min 和 138rmin。齿轮减速器在挠性联轴器上有两个像滤砂网一样的密封，有助于防止井液进入减速器。挠性联轴器的设计是用来调整 PC 泵的偏心振动，用一个六角接头连接到 PC 泵的转子上。使其和齿轮减速器轴同心旋转。在我国 90 年代以前采油电动螺杆泵技术尚属空白，1989 年石油大学(华东)黑龙江八一农垦大学毕业论文（设计）- 3 -万邦烈教授在胜利油田现河采油厂一口井试验过采油电动螺杆泵采油技术，但由于电机的转速太高(2850rmin)，又没有减速装置，当时的螺杆泵加工工艺也不成熟，螺杆泵在高转速下失效损坏而告失败。在国内，石油大学等科研单位在 80 年代就一直跟踪国外特别是前苏联的技术发展，并先后申请了采用低速采油电机直接驱动的电动采油螺杆泵专利(CN2120203U)；90 年代中期，辽河油田、华东油田、沈阳新阳机器制造公司也都申请了各自的有关专利；虽然国内采油螺杆泵减速器已有不少成功产品出现并在井下取得成功，但总体来说，电动采油螺杆泵减速器在国内处于刚刚起步的试验阶段，技术还不是很成熟，尚未达到推广使用 26-31。1.3 课题的研究内容及意义本研究主要涉及采油螺杆泵专用的减速传动装置的设计及三维仿真，该减速装置可应用于井下作业。电动采油螺杆泵作为一种新型的无杆采油泵，与其他采油设备相比具有适应井液范围广、没有杆柱磨损、易于管理、高效节能等优点，尤其适用于常规抽油设备如杆式泵、电潜泵等难于运行的稠油井、含砂井、含气井、斜井、水平井的采油作业中，在油田具有较高的实用价值和现实意义。通过对采油减速器优化设计及动力学分析，大大简化了采油减速器的优化设计过程，提高了效率；提高了采油减速器的动力性能和工作可靠度。所以，本采油减速器的研究将极大的促进电动采油螺杆泵的发展，而电动采油螺杆泵系统的发展及研制成功，将为油田增产提供一种新型的机械采油设备，而由此带来的促使原油增产、降低原油生产中的能源消耗、减少修井工作量等效益更是无法估量，是一项有较好发展前途的高新技术产品。- 4 -第二章 减速器方案的选择2.1 减速装置的类型分析从机械传动理论的角度来看，单螺杆减速器、一般定轴轮系、谐波齿轮传动、2K-H 类 NGW 型行星轮系、少齿差行星轮系及摆线针轮行星轮系都可以实现轴向减速传动，但因井下油层套管内径限制，使得可行的减速方案受到了较大局限。单螺杆式减速器是通过螺杆线数和衬套线数的齿数差来进行减速。这种螺杆减速器具有加工精度要求低、径向尺寸小等优点；但这种减速器的螺杆和衬套磨损严重、寿命低，螺杆和衬套的加工需要专用机床，不适宜作井下螺杆泵驱动。一般定轴轮系单级传动比等于大小齿轮直径比，传动比大则齿轮径向尺寸大，而减速系统径向尺寸又受套管内径的限制，因此