（机械电子工程专业论文）潜油减速器优化设计及动力学分析.pdf

中义摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 潜油减速器优化设计及动力学分析 机械电子工程 许俊如( 签名) 徐建宁( 签名) 摘要 本文建立了潜油减速器优化设计模型、动力学模型和潜油减速器系统的实体模型。通 过选用行星齿轮来实现低转速、大扭矩、小尺寸的电动潜油螺杆泵的减速器系统，通过 模糊优化算法，以潜油减速器体积最小为目标，对行星齿轮参数进行优化，完成潜油减 速器优化设计模型，并编制了小型优化设计软件。在此基础上，采用集中质量方法，得 到了系统等效的弹簧一质量模型，推导出了系统的无量纲的微分方程组。并讨论了系统 的求解方法，采用模态叠加及速度和位移连续的条件求解系统振动。即建立了潜油减速 器系统的动力学模型。通过p r o e 软件建立了二级潜油减速器的实体模型，然后导入 a n s y s 进行动力学分析，采用模态叠加法得到影响潜油减速器系统动响应的频率和主振 型。最后对潜油减速器关键部件：齿轮轴、行星架进行了有限元分析计算，为潜油减速 器的设计和改进提供依据。 关键词：潜油减速器、行星齿轮、优化、动力学分析、模态 论文类型：应用研究 l j 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a b e ： i n s t r u c t o r ： a no p t i m i z a t i o nd e s i g na n dd y n a m i ca n a l y s i so nt h es u b m e r s i b l eg e a r b o x m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g 剐一烹寰靠羔exu j i a n n i n g ( s i g n a t i i 嘲也l ! 堕! 坐 t h i sp a p e re s t a b l i s h e da l lo p t i m i z a t i o nm o d e lo fo i l s u b m e r g e dg e a rr e d u c e r ，a tt h es a m e t i m ef o u n d e dt h ed y n a m i c sm o d e la n dt h et h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l t h es y s t e ma d o p t s t h ep l a n e t a r yg e a rs y s t e mt o c a r r yo u tt h eo i l s u b m e r g e dg e a rr e d u c e rs y s t e mw i t ht h e c h a r a c t e ro fl o wr o t a t es p e e d ，h i g ht o r s i o n a lm o m e n t ，s m a l ls i z e ，w h i c hi sb a s e do nt h e p e c u l i a r i t yo ft h ep l a n e t a r ys y s t e m a n dt h e nt h r o u g ht h eo b s c u r eo p t i m i z ea r i t h m e t i ct o o p t i m i z et h ep a r a m e t e ro ft h ep l a n e t a r ys y s t e mw i t ht h ea i mt oc a r r yo u tt h el e a s tv o l u m e s e c o n d l ye s t a b l i s h e dt h ed y n a m i c sm o d e lo ft h es y s t e m ， a n da n a l y s i st h ed y n a m i cc h a r a c t e r o ft h es y s t e ma n df o u n dt h ek i n e t i cd i f f e r e n t i a le q u a t i o no ft h es y s t e m ，w h a t sm o r e ，f o u n d t h ew a yt os e t t l et h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o na n dd e t e r m i n et h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h es y s t e m b yu s i n gp r o es o f t w a r e ，t h ew h o l et h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e li se s t a b l i s h e d ，t h e n l e a dt h es o l i dm o d e lt ot h ea n a l y t i cs o f t w a r e w h i c hi sab i gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e w ec a no b t a i nf r e q u e n c ya n dc o r r e s p o n d i n gd o m i n a n tm o d eo fv i b r a t i o n b ye x a m i n i n gt h e r e s u l t ，w ec a nf i n dw h i c hf a c t o ri n f l u e n c et h es y s t e m sv i b r a t i o ng r e a t l y a d d e dt ot h i s ，i t s t u d i e st h ec o n t a c ts t r e s sb e t w e e nt h et w oj o g g l eg e a r s ，b y c h e c k i n gt h ev o nm i s e ss t r e s sa n d t h ec o n t a c tp r e s s u r e ，w ec a na r r i v ea tac o n c l u s i o nt h a tw h i c h p o s i t i o nw o u l da p p e a rd a n g e r f i r s t l ya n dw h e r ei st h eh a z a r d o u sw e a k n e s s f i n a l l y ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep i v o t a lp a r to ft h es u b m e r s i b l eg e a r b o xr e d u c e rs y s t e m ， i l lt h i se s s a y ，i ta s s a y st h eg e a rs h a f ta n dt h ep l a n e tc a r r i e r f o rt h eg e a rs h a f t ， i ts t u d i e si t s s t a t i ca n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i s ，w i t ht h er e s u l tw ec a ns e ed e a r l yw h i c h p o s i t i o nw o u l d a p p e a rd a n g e re a s i l ya n dw h i c hf a c t o ra f f e c tt h ev i b r a t i o ng r e a t l y f o rt h ep l a n e tc a r r i e r ，i t s t u d yi t sf o r c ea n a l y s i s ， i nt h i sm o d e lt h es h a f to ft h ep l a n e t a r yi si n c l u d e d i nv i e wo fa l l t h e s es t u d y ，t h i se s s a yw o u l da f f o r daf o u n d a t i o na n dc o n s u l tt ot h es u b m e r s i b l eg e a r b o x r e d u c e rs y s t e m sd e s i g na n di m p r o v e m e n t ， k e y w o r d s ：o i l - s u b m e r g e dg e a rr e d u c e r ，p l a n e t a r yg e a r ，o p t i m i z e ，d y n a m i ca n a l y s i s ， m o d e t h e s i s ： a p p l i e dr e s e a r c h i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位沦文足我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢巾所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得两安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：主盘王塾垒r 期：2 回，g - f f 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、 复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与 该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：；年催杠 导师签名： 日期：研，筝j j 日期：宝盟：丝 第一章绪论 1 1 本文研究的目的、意义 1 1 1 研究目的 第一章绪论 电动潜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，采用潜油电机在井下直接驱动螺杆泵，是一 种新型的采油装备。 本研究主要是针对电动潜油螺杆泵设计的减速器系统，在螺杆泵采油系统中由于潜 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。 因此，本设计是采用行星齿轮机构来实现潜油减速器系统，根据电动潜油螺杆泵的 工况特点和具体参数，合理选用行星齿轮传动类型，根据齿轮啮合原理和行星齿轮传动 设计理论，进行行星齿轮减速器的结构设计，通过软件进行参数优化和计算；以齿轮系 统动力学为理论基础，对行星齿轮减速器动力学建模，利用软件对系统动力学特性进行 分析及研究，对参数进行验证及调整，从而设计出合理的潜油减速器系统。 1 1 2 研究意义 电动潜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。 通过对潜油减速器优化设计及动力学分析，大大简化了潜油减速器的优化设计过程， 提高了效率；提高了潜油减速器的动力性能和工作可靠度。所以，本潜油减速器的研究 将极大的促进电动潜油螺杆泵的发展，而电动潜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，是一项有较好发展自u 途的高新技术 产品。 【 i i 安i i 油人学硕十学位论文 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 电动潜油螺杆泵的研究现状 电动潜油螺杆泵采油系统除保持了螺杆泵采油的固有优势之外，该系统还能克服地 面机械驱动和井下液压驱动螺杆泵采油系统的缺点。目前，美国、原苏联、法国、加拿 大、罗马尼亚等国家均已采用了电动潜油螺杆泵采油系统，其中以原苏联数量最多。早 在2 0 世纪5 0 年代，原苏联研制了井下电驱动螺杆泵采油系统( 三螺杆式泵) ，1 9 7 3 年， 又研制了井下电驱动单螺杆泵采油系统，目前有单螺杆、双螺杆和三螺杆等3 种形式， 其电动潜油单螺杆泵采油系统为上下2 个左右旋转子并联。法国p c m p u m p s 公司生产的 电动潜油单螺杆泵( m o i n e a u 泵) 采油系统则采用了4 个相同的单螺杆泵串联或上下2 组左 右旋单螺杆泵并联结构。美国生产电动潜油单螺杆泵的厂家主要有 s c h l u m b e r g e r r e d a p u m p 公司和b a k e r h u g h e s c e n t r i l i f t 公司，基本上代表了目i j 世界上机 械采油设备的最高水平。 目前生产厂家主要有美国的c e n t r i l i f t ( b a k e rh u g h e s 公司的分部、a m o c o ，r e d a 等 几个大公司，它们以其雄厚的经济、技术实力，很快就研制成功并进入批量生产阶段， 在技术及产品上均处于世界领先地位。在加拿大主要由c o r o d 公司生产，该公司的电动 潜油螺杆泵采用变频调速，可改变电动机的转速，随时调节石油产量。美国r e d a 公司 已经有了较成熟的配套工艺技术和成熟的选井选泵软件，较好地指导了潜油电动螺朴泵 在现场的应用，现该技术己经成功地应用到定向井及水平井中，弥补了有杆螺杆泵的缺 陷，在稠油开采领域发挥了独特的优势。美国c e n t r i l i f l 公司是美国另一家著名的潜油电 泵成套产品制造商，该公司成立于1 9 5 7 年，现除潜油离心泵外，该公司也j f 发了潜油电 动螺杆泵机组，己在现场批量应用，跟美国r e d a 公司的应用水平相近。 1 2 2 潜油减速器的研究现状 二十世纪九十年代美国、加拿大等国家丌始研制带井下减速器的电动潜油螺杆泵。 c e n t i i l i f t 公司在1 9 9 2 年木就开始研究设计，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，成功丌发出9 ：1 的齿轮减速装置和挠性轴组件。1 9 9 5 年俄克拉荷马州的r e d a 公司也与加拿大阿尔伯塔的齿轮制造商共同丌发了一种电动潜 油螺卡t 泵，由潜油电机、保护器、柔性驱动装置和螺杆泵等部分组成，其粟性驱动装置 可将转速h ，降到1 0 6r m i n ( 1 6 ：1 齿轮减速) 或4 2 5r m i n ( 4 ：l 齿轮减速) “3 。 r e d a 公叫现有行j 一齿轮减速器的减速比为4 ：1 和1 6 ：l ( c e n t r i l i f t 公司有3 ：1 和 9 ：1 ) ，用j 二5 5 ”、7 ”、8 6 2 5 ”及史人套管。推荐最人输入速度为2 2 0 0 r m i n ，频；簪7 7 h z 。 齿轮减速器乍r 额定j r 推力2 6 7 0 0 0 n 的卜1 l 推轴承承受p c 泵产7 卜的推力和额j t j ：推力为 6 6 7 5 0 n 的卜j 卜推轴承，它允许p c 泵反转f f i | 防止转f 从定子巾脱出。这一特点在泵被砂 第一章绪论 堵时可用来清砂。使用4 ：1 和1 6 ：1 减速比的泵的运转速度分别为5 5 0 r m i n 和1 3 8 r r a i n 。 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p c 泵的偏心振动，用一个六角接头连接到p c 泵的转子上。 使其和齿轮减速器轴同心旋转。 在我国9 0 年代以自i 潜油电动螺杆泵技术尚属空白，1 9 8 9 年石油大学( 华东) 万邦烈教 授在胜利油田现河采油厂口井试验过潜油电动螺杆泵采油技术，但由于电机的转速太 高( 2 8 5 0 r r a i n ) ，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8 0 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潜油电机直接驱动的电动潜油螺杆泵专利 ( c n 2 1 2 0 2 0 3 u ) ；9 0 年代中期，辽河油田、华托油田、沈阳新阳机器制造公司也都申请了 各自的有关专利；虽然国内潜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，电动潜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。 1 2 3 行星齿轮减速器优化设计的研究概况 从上世纪8 0 年代末，西方工业发达国家开始研究把行星齿轮传动应用到曳引机上。 德国的z f 集团p a s s a u 公司，a l p h a 传动公司等，经过数年的试验，于9 0 年代初推出了 电梯用行星齿轮减速箱，这种减速箱己由原来的直斜齿混合改进为全部斜齿轮传动。目 前在德国和西欧其他国家有数家电梯和电梯配件公司，采用这种行星齿轮减速箱并配置 上不同的驱动电机和制动器，从而成为引入注目的新式行星传动曳引机。德国的l m c 集 团w t t u r 电梯配件公司、3 - m a p 电梯及部件公司等，也都推出了行星传动式曳引机。 根掘所查阅的国内外有关行星齿轮减速器的文献，对其的优化研究可以归纳分为如 下七个方面：体积、传动效率、机构、重量、可靠性、稳健性和多目标优化设计。 1 ) 体积优化设计 江渡、成经平、m ep a s h k e v i c ha n dvg e r a s h c h e n k o 等对不同结构的行星齿轮减速器 都进行了单一目标体积的优化设计研究，以体积最小为目标，建立其优化设计的数学模 型，并分别采用了离散复合形法、降维穷举法、模糊优化、随机网络搜索法、离散惩罚 函数法等优化方法对数学模型进行了求解，得出了比较理想的效果”“。 但是这些文献都是对直齿轮进行的优化设计，且都只是考虑计算方便、列式简单， 均以各个齿轮的分度圆体积作为计算依据，这样，对于行星齿轮传动中的齿项高系数、 变位系数、啮合角，这些设计参数就不能反映在目标函数中，而这些值在齿廓不重叠干 涉、过渡曲线干涉等约束条件中有所反映，在优化数学模型的求解中，这些参数常根据 传统设计的经验来设定，有时导致不能满足约束条件。 2 ) 传动效率优化设计 西安_ j 油人学硕十学位论文 李爱军、沈慧芬、刘殿辉对曲柄式渐月：线行星齿轮传动比做最优化分配，以该传动 中少齿差内齿轮副的啮合效率最高为目标，对内齿轮副的几何参数进行优化设计，并建 立优化设计模型“1 。 3 ) 机构优化设计 郎书缘、邵芝梅和方绍恩分别讨论了行星齿轮减速器、加速器在采煤机和磁控织机 上的应用，并在满足运动强度等诸约束条件下优化其结构，使其最紧凑，并建立了以内 齿轮为主体积最小的数学模型，进一步转化成内齿轮的分度圆直径最小。得到了抗弯强 度较高的结果。但由于目标函数过于简单，许多对结构有较大影响的参数没有涉及m 。 p n g r o m y k o ，a a s t a t s e n k o 探讨了以消耗能量最小为目的，优化行星齿轮减速器 的结构，并获得了一定程度满意的结果。但这种方式对提高其效率不太明显。 4 ) 重量优化设计 张锡清、梁晓光等对行星齿轮减速器的质量即重量的优化进行了分析与探讨，在满 足传动比、输出轴转速和传动功率的基础上，利用优化方法来减轻传动装置的质量、减 小体积、节省材料和提高效率。由于减速器的重量证比于其体积，太阳轮与全部行星轮 的体积之和能影响和决定齿圈或整个机构的体积，因此选择了太阳轮和行星轮体积之和 最小，建立了体积最小的优化数学模型。对于内齿轮啮合的各项参数没有予以考虑，影 响结构的因素没有完全涉及”) 9 】。 5 ) 可靠性优化设计 王剑彬、江家伍、龚小平等包含机构的可靠性约束条件建立行星齿轮减速器的优化 设计模型，均以体积最小为优化目标。综合考虑机构可靠性的指标，真实反映机构的运 行工况，体现了良好的经济技术效益。他们分别探讨了齿面接触疲劳强度的可靠度，齿 根弯曲强度的可靠度，齿面接触疲劳强度模糊可靠度和齿根弯曲强度模糊可靠度“”。 赵勇、吉鸿涛、查建中对行星齿轮减速器的设计应用优化理论分析计算，并引入可 靠性设计方法提高分析计算的科学性和可靠度，建立了以系统的可靠度为目标的优化数 学模型。将优化技术与可靠性设计理论相结合，不仅可以使产品结构尺寸更加紧凑，而 且其可靠度得到了保证“。 d v g r o k h o v s k i i 探讨了在行星齿轮减速器的设计、计算和测试各过程中应用可靠性 优化，最终得出了可靠度较高的机构设计模型，并通过了测试验证。 6 ) 稳健性优化设计 王剑彬、林i 至l 湘利用稳健优化设计方法建立了行星齿轮传动的稳健优化设计数学模 型，包括设计变量，目标函数和约束条件的确定，其叶i 约束条件包括强度、u r 靠度等性 能和几何约束。 e l l i t v i n ，d v e c c h i a t o ，ad e m e n e g o 利片j 稳健件优化设汁设汁理论，探讨研究了 行星齿轮减速器的传动误差问题，通过稳健性设计，使传动误麓降到了最低。k a h r a m a n ， a ，a n dv i j a j a k a r 则探讨了行星齿轮减速器在、卜静念动作状念时的稳健性。y u a 4 第一章绪论 d c r z h a v c t s 则研究了水轮机用行星齿轮减速器的稳健性优化设计。 7 ) 多目标优化设计 刘晓星研究了以体积最小和承载能力最大为优化目标的行星齿轮减速器的多目标优 化设计。利用模糊理论进行了求解。结果表明其优化解更符合实际情况并获得了满意的 综合效果u “。 c h e n ，j - l ，a n dt s e n g 和i s h i d a ，t ，a n dh i k a d a ，t 则对其与生产和装配有关的各 因素进行了多目标的优化设计，并取得了较好的效果。 1 2 4 行星轮系动力学研究现状 在2 0 世纪4 0 、5 0 年代一些学者已经开始对行星轮系在静态条件下的载荷分配均匀 性进行了研究。随着齿轮动力学的蓬勃发展，国内外学者对行星轮系的动力学问题从理 论和实验两方面都进行了相关研究。 在国外，对于这个问题的研究包括：c u n l i f f e 等( 1 9 7 4 ) ，b o t m a n ( 1 9 7 6 ) ，f r a t e r ( 1 9 8 3 ) 等，v e l e x 和f l a m a n d ( 1 9 9 6 ) 研究了行星轮系统的模态和自由振动；s e a g e r ( 1 9 7 5 ) 研究 了传递误差激励的抵消；h i d a k a ( 1 9 7 9 ，1 9 8 0 ) 对齿圈跳动对轮齿载荷的影响进行了动力 学分析；k a s u b a 和a u g u s t ( 1 9 8 4 ) 研究了齿轮啮合刚度的变动；m a 和b o t m a n ( 1 9 8 4 ) 研 究了行星轮间的均载；a u g u s t 和k a s u b a ( 1 9 8 6 ) 研究了扭转振动和动态载荷： k a h r a m a n ( 1 9 9 4 ) 建立了非线性平面时变模型，紧接着建立了三维模型，对行星轮的分布 位置对系统的动态响应的影响作了研究；k a h r a m a n 和b l a n k e n s h i p ( 1 9 9 4 ) 利用斜齿轮的 三维模型研究了行星轮啮合相位对均载的影响：k a h r a m a n ( 1 9 9 4 ) 将他的模型缩减为纯扭 转模型来预估系统的固有频率和振动模态；a g a s h e ( 1 9 9 8 ) 和p a r k e r ( 2 0 0 0 ) 等用有限元 模型研究了行星轮的分御位置对系统的动态响应的影响“9 “”“”。 对真正的行星齿轮传动的振动试验，因空问位置较小。不容易接近内部轮齿，而少 有研究。c h i a n g 和b a d g l e y ( 1 9 7 3 ) 通过测量内齿圈获得b o e i n g v e r t o l c h 一4 7 和b e l i u h 1 d 直升机的行星减速器的振动频谱：t o d a 和b o t m a n ( 1 9 7 9 ) 发现轮齿间隙误差引起的振动可 通过改进某些参数来降低；b o t m a n ( 1 9 8 0 ) 发表了p t 6 航空器上的行星齿轮减速器的检测 结果，他的实验结果揭示了行星轮系统特有的振动，如载荷的分配、齿轮误差的激励、 动态的不稳定性等；h i d a k a 和他的同事用实验方法研究了某直升机行星减速器的动力学 特性，如载荷分配、太阳轮内齿圈一行星轮啮合相位的影响等；v e l e x 等f1 9 9 4 ) 将该直 升机行星减速器的频率响应与他们的有限元模型结果进行了比较。r a k h i t ( 1 9 9 7 ) 测量了 涡轮发电机的低阶固有频率并改进了行星传动的设计，以降低振动。k a h r a m a n ( 1 9 9 9 ) 发 表了一个广义模型束预测准静态下的载荷的分配，并用实验进行了验证。 在国内，对行星齿轮传动的研究相对较少，主要有方宗德的用定常的线性方法研究 误差激励；李润方研究了行星齿轮传动的动力学特性；胡海岩用谐波平衡法研究了线性 西安石油人学硕十学位论文 刚度下的| b j 隙非线性振动冲击问题。 1 3 本文的研究内容 本文主要对潜油减速器优化设计和动力学分析做了详细的研究。文中的主要研究内 容包括以下几部分： 1 ) 通过比较各种轴向减速器，得出潜油减速器的传动方式，采用行星齿轮传动来实现， 此处采用2 k - h 类n g w 型行星齿轮减速装置即2 z - x ( a ) 型。 2 ) 采用模糊优化算法，建立了潜油减速器优化设计模型，将常规设计的结果带入，求得 优化设计结果，并用v b 编制了本系统的优化设计软件。 3 ) 建立了潜油减速器系统的动力学模型。采用集中质量方法，得到了系统等效的弹簧一 质量模型，推导出了系统的无量纲化的微分方程组。并讨论了系统的求解方法，采用模 态叠加及速度和位移连续的条件求解系统振动，并推导出啮合力的计算公式。 4 ) 对潜油减速器系统进行了动力学分析：模态分析和接触分析。分析了影响系统振动的 频率和主振型( 模态) ，为潜油减速器的设计提供依据。 5 ) 分析了潜油减速器系统的关键零件，采用有限元软件a n s y s 对齿轮轴进行了受力分析 和模态分析；并对行星架进行了有限元分析，为潜油减速器零件设计提供依据。 1 4 本文的创新点 1 ) 大功率、低转速、大扭矩径向约束的小体积潜油减速器的研究 2 )利用模态分析潜油减速器的动力学特性。 1 5 小结 本章介绍了本文研究的目的和意义，并介绍了潜油减速器在国内外的发展和研究状 况，并介绍了行星齿轮减速器优化设计和行星轮系动力学的研究状况，简要介绍了本文 的研究内容和本文的创新点。 6 第二章潜油减速器盼优化设计 第二章潜油减速器的优化设计 潜油螺杆泵采油技术在原油开采中得到了日益广泛的应用，该采油机组主要由电机、 减速器、联轴体、螺杆泵、保护器6 大部件组成，其中潜油减速器是传递转矩并起调速 作用的重要传动部件之一。由于主要工作于井下，井下高温、高压的恶劣工况以及拆装、 检修困难等原因；另外由于减速器最大外径受到油井最大内径的限制，与常规减速器相 比，减小潜油减速器的整体外尺寸是一个重要设计目标，同时为了提高潜油螺杆泵的排 液量，要求潜油减速器的输出转矩和承载能力相应增大，这些因素使潜油减速器的设计 成为关键技术问题。本文此时油井套管内径为7 ”，行星齿轮传动可以很好实现潜油减速 器。另外，随着潜油螺杆泵采油系统其他组成部件技术的完善和实际工程的需要，潜油 行星减速器还需实现以下两个突破： 1 ) 减速器直径的细化 目前，国内多数潜油螺杆泵系统是在井下作业，潜油行星减速器为了满足油井直径的 限制，与常规的行星传动减速器相比，减小圆筒形减速器的整体外尺寸是一个重要的设 计目标； 2 ) 日排液量的加大 潜油螺杆泵系统单位时白j 排液量与螺杆泵转子直径、偏心量和定子的导程成j 下比例关 系，随着这些参数的增大，排油量和载荷也将加大，要求潜油减速器的输出转矩和承载 能力相应增大，所以为了提高原油开采的经济效益，应尽量提高潜油行星减速器的输出 转矩。 2 1 潜油减速器传动方式 2 1 1 轴向减速装置的比较 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、2 k h 类n g w 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锖0 ，实际上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，因此这种减速器也不适宜作井下螺杆泵驱动。 谐波齿轮传动由柔轮、刚轮和波发生器组成( 如图2 - 一1 所示) ，能实现大传动比传动， 7 西安i i 油人学硕十学位论文 单级传动传动比可高达1 0 0 甚至更高；但不适1 ：大动力传动，扭矩过大会引起传动畸变 加工工艺难度也非常大。 图卜1 谐波齿轮传动基本结构 采用2 k - h 类n g w 型行星齿轮减速装置( 如图2 - _ 2 所示) ，可以降低并下动力输出 轴的转速，以满足低速、大扭矩的要求；由于采用了三个行星轮均布的结构，可使其共 同分担载荷，同时又使行星轮公转产生的离心惯性力得到平衡，从而减小了主轴承内的 作用力，并使其转动平稳。此外，由于采用了内啮合结构，行星轮位于内、外齿轮之问， 输入轴与输出轴又位于同轴线上，使其结构非常紧凑。 c a ) m ， 图2 22 k - h 类n g w 型行星齿轮减速装置 少齿差行星轮系( 如图2 _ 3 所示) 传动比范围大，结构紧凑，体积及重量小，但效率 比n g w 型低，且内啮合变位后径向力较大，使轴承径向载荷加大，同时啮合的次数少， 受力情况差，适用于小功率或短期工作的情况。 图2 3 少齿差行星轮系 第一二章潜油减速器的优化设计 图2 4 摆线针轮行星传动 摆线针轮行星传动( 如图2 - _ 4 所示) 具有传动比大、传动效率高、承载能力高、传动 平稳、寿命长及齿廓无干涉等优点，但径向尺寸大，需用专用的机床和刀具加工，工艺 复杂、制造精度要求高。 行星齿轮传动的特点是高速、大功率。如对机构作新的应用，也可以实现低速、大 扭矩。还可以实现分流传动、低应力啮合、工作平衡、高可靠性、同轴传动，多数行星 机构的效率较高。所以在同等工作条件下，与定轴轮系传动相比，行星齿轮传动具有体 积小、重量轻、效率高、传递扭矩大、工作可靠、传动比大等优点，所以得到广泛应用。 当前应用最广泛的是n g w 型行星传动结构。在同样的功能条件下，与一般减速器相比， 外廓尺寸和质量减少1 6 一l 纪。现在，行星齿轮传动己达到了较高的水平，圆周速度高 达1 5 0 - 2 0 0m s ，传递的功率高达7 3 5 5k w ，效率高达9 8 。当前应用最广泛的是n g w 型行星传动结构“。 综上比较，采用2 k ，h 类n g w 型行星齿轮减速装置目前最为可行。 2 1 2 潜油减速器的结构特点 本潜油行星减速器采用2 k - h 类n g w 型行星齿轮减速装置即2 z x ( a ) 型，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。潜油减速器二级部分采用了 五个行星轮均布的结构，可使其共同分担载荷，同时又使行星轮公转产生的离心惯性力 得到平衡，从而减小了主轴承内的作用力，并使其转动平稳。此外，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。 潜油行星齿轮减速器中心轮采用齿轮轴的整体结构，内齿轮是采用环形齿圈的，通 过螺纹销钉与箱体连成一体。对于行星轮的支撑结构由于是长期运行的，大功率和重载 荷的行星齿轮传动，此时采用滑动轴承。转臂的结构应考虑到其承载能力，运转的平稳 性和良好的加工工艺性等，选用双侧板整体式转臂的刚性较好。为了装配方便，可采用 双侧板式的转臂。 9 曲安_ i 油人中硕十学位论文 2 2 减速器优化设计的种类概述 减速器优化设计可以在不同的优化目标下进行，通常可分为二类：第一类，从结构 形式上追求最小的体积( 重量) ；第二类，从使用性能方面追求最大的承载能力；即减小 体积或增大其承载能力。在一定体积下，减速器的承载能力是有限的；在承载能力一定 时、减速器体积( 重量) 的减小是有限的，体积与承载能力是一对矛盾，但两类目标所体 现的本质是一样的。 对于潜油减速器此处以体积最小为优化目标，其中目标函数和设计变量是确定的条 件，约束条件中的许用应力值为模糊量，通过模糊约束的处理，优化模型的转化，最后 采用穷举法寻优完成设计过程。 总之，优化设计运用于齿轮减速器设计中，提高了设计的质量和效率，降低了减速 器的制造成本，弥补了传统设计的某些不足，但优化设计仍有其局限性，可在优化设计 中引入可靠性技术、模糊技术，形成可靠性优化设计和模糊可靠性优化设计等现代设计 法，极大地发挥减速器传递功率的潜力，使工程技术由“硬”向“软”发展。 2 3 潜油减速器优化设计的步骤： 潜油行星齿轮减速器的优化设计，作为优化方法在工程设计问题中的一种实际应用， 其步骤如图2 5 ： 图2 5 滞油减速器优化设汁步骤圈 1 0 第一二章潜油减速器的优化设计 2 4 潜油减速器优化设计模型的建立 2 4 1 优化算法 模糊优化设计包括建立数学模型和应用计算机优化程序求解这样两个方面的内容。 如何从实际问题中抽象出正确的数学模型，是工程模糊优化设计的关键步骤之一，也是 工程设计人员进行模糊优化设计的首要任务“”协1 。 与常规设计一样，目标函数、约束条件和设计变量是模糊优化设计数学模型的三要 素： 1 ) 目标函数 目标函数是衡量设计方案优劣的某一个指标或某几个指标。寻找优化设计方案的目 的，就是追求重量最轻，造价、维修费用最小，或可靠性最高或其他性能指标最优。由 于方案的“优”与“劣”本身就是一个模糊概念，没有明确的界限和标准，特别是多目 标优化问题，往往只能得至q 满意解。因此，一般地说，目标函数是模糊的，记为“x ) 。 2 ) 约束条件 设计中并非所有方案都是可行的，可行方案必须满足设计规范和标准中所规定的条 件和其他条件。这些条件，大致上可分为三类：( 1 ) 几何方面的约束，如尺寸约束、形 状约束等；( 2 ) 性能方面的约束，如应力约束、位移约束、频率约束、稳定性约束，如 果承受交变应力，还要考虑疲劳强度约束等；( 3 ) 人文环境方面的约束，如政治形势约 束、经济政策约束、管理水平和环境因素约束等。这些约束条件，特别是性能约束和人 文因素约束中，包含了大量的模糊因素。我们通常讲的模糊优化设计，大多数是具有模 糊约束的优化设计。模糊约束条件可表述为： g ，傅) 曼g ，j ；1 , 2 ，3 ，- ，( 2 1 ) 式中，g ，( x ) 代表应力、位移、尺寸、频率等物理量，g ；是g ，( x ) 所允许的范围。式( 2 - - 1 ) 表示模糊量g ，( x ) 在模糊的意义下落入模糊允许区间g ，这种约束称为“广义模 糊约束”。当g ，俾) 为非模糊量时，式( 2 一1 ) 可写成： g j ( x ) g ，；1 , 2 ，3 ，- ， ( 2 - 2 ) 煲称这为“普通模糊约束”。 3 ) 设计变量 建立优化设计模型的个难点是，哪些参数应该设定为设计变量，哪些参数取为常 量。虽然从理论上说，各种参数都可以按设计变量处理，但实际上这样做是不合理的， 甚至是不可能的。过去把设计变量视为确定性的或随机性的，但严格说来，设计变量大 多具有不同程度的模糊性，因此从理论上说，均应视为模糊变量。 当目标函数、约束条件和设计变量都具有模糊性时，模糊优化设计的数学模型可表 述为： i i i i 安4 i 油人学硕十学位论文 求x = ( x l ，嚣2 ，勤) t m j n _ f ( 趵 s t g ，( x ) 曼g ， ，= 1 , 2 3 ， 根据模糊目标函数与模糊约束函数的关系，模糊优化数学模型可分为对称和非对称 两种。 在对称模型中，目标和约束的地位和作用是同等的、对称的，并且可以互换位冕。 在非对称模型中，目标和约束所起的作用是不同等的、非对称的，即要在满足约束的前 提下，寻求最优的目标，满足约束是首要的。 2 4 2 模糊优化模型的建立 在以体积为最小的行星齿轮减速器的优化设计问题中，其模糊性主要体现在齿轮失 效准则上即其应力约束具有模糊性，而其它约束和目标函数均可看作确定性的。这样， 不仅使问题得到简化，同时也符合行星减速器的实际情况“。 1 1 目标函数与设计变量 如图2 6 所示为单排行星减速器的机构简图： 图2 6 行星减速器工作原理示意图 优化目标为在保证传动比i 和承载能力的条件下，使减速器体积最小，而体积取决 于各齿轮齿数z 1 、z 2 、z 3 ，行星轮个数c ，模数m 和齿宽b 等6 个参量，由于各齿数 要满足配齿条件，因此町取太阳轮l 和c 个行星轮的体积之和作为目标函数f ( x ) 。”，根 据行星轮2 z - x ( a ) 型传动的配德比例关系式为： z 1 ：z 2 ：z 3 ；z l ：0 5 ( f 一2 ) z l ：( f 一1 ) z i f ( x ) = ( 玎4 ) ( d 1 2 + c d 2 2 弘；0 1 9 6 3 5 m2 2 1 2 6 【4 + c o 一2 ) 2 】 ( 2 4 ) 式中： z l 、z 2 、z 厂分别为太阳轮、行星轮、内齿圈的荫数； 卜传动比； c - 一行毽轮个数； 第二章潜油减速器的优化设计 卜太阳轮、行星轮、内齿圈的齿宽； i l r 太阳轮、行星轮、内齿圈的模数： d 1 、d 厂太阳轮、行星轮的直径。 影响目标函数的独立参量m ，z l ，b ，c 都可作为设计变量，但一般情况下，行星轮 的个数可以根据机构的类型事先确定，因此可得设计变量为： 工= ( z 。，b ，肌) 7 。o 。工2 ，x 3 ) 7 ( 2 5 ) 而目标函数则为：f o ) ，o 1 9 6 3 5 x ；x 2 工；【4 + c o 一2 ) 2 】( 2 - - 6 ) 2 ) 约束条件 从行星减速器的情况考虑，约束条件可分为3 类： ( 1 ) 配齿约束： 满足传动比条件： 幽 ) - z ，一( f 一舰一0 ( 2 7 ) 满足装配条件： g ：o ) 一z ，+ 石，- c t 一0c r 为正整数) ( 2 8 ) 满足同轴条件： 9 3 ) z + 2 2 2 一z 3 = 0( 2 7 叫 满足邻接条件： 9 4 0 0 一陋l o 一2 ) ( 1 一s i n q r c ) ) 2 】+ 2 - - x ls i n ( ：r c ) s 0( 2 - 1 0 ) ( 2 ) 应力约束 该轮系中有外啮合齿轮和内啮合齿轮，由于外啮合齿轮的接触强度高于内啮合齿轮， 因此齿面接触疲劳强度只考虑外啮合副，齿根弯曲疲劳强度取轮1 计算，由此可得： 9 5 ( 石) ；z z z ( 2 五x ，2 x 2 x 3 2 x i q 一2 ) ) 一【( ，1 hs 0 ( 2 一1 1 ) 9 6 ( x ) ；( 2 正工。工2 x 3 ) k 。k 。- o 】fs 0 ( 2 7 一1 2 ) 式中：z h 、z r 分别为区域系数和弹性影响系数； l ( - 为载荷系数； t l 一为轮1 所受力矩； i _ 一为轮系传动比： y f a 、y s a 一分别为齿形系数和应力校正系数； 【o 】h 、【o1 广分别为按齿面接触疲劳强度和按齿根弯曲疲劳强度计算的许用应 力，二者均为模糊变量。 ( 3 ) 其它界限约束 小齿轮不发生根切： 9 7 ) = 1 7 一毛s 0 模数限制( 2 m 5 ) ： 9 8 ) = 2 一j 3 0 9 9 ( 工) 一x 3 5 s 0 齿宽限制 3 5 0 h b s 3 5 0 h b s 对称布置 0 8 1 40 4 o 9 不对称布置 0 6 1 2 0 8 0 6 息臂布置 o 3 0 4o 2 0 5 齿宽系数为0 2 - 0 5 ，但是行星系统的系数为一o 5 x ( f + 1 ) x 伊。，由此得齿宽为 b = x d 。= 4 1 - 5 1 5 ，此时钆= o 4 加，5 ( 由于本系统闭式传动，支撑刚性好，故取大值) 行星轮齿数约束： z 2 =