（机械工程专业论文）潜油螺杆泵采油系统关键部件运动学分析及仿真设计.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 潜油螺杆泵采油技术与其它人工举升技术相比具有一系列不可比拟的优点。该技术 适易于稠油井、高含砂量井、高烃链油井的石油开采作业；潜油螺杆泵是一种新型的无 杆采油设备，所以杆管偏磨所导致的断杆和管漏故障可以避免，抽油杆形变所产生的能 耗可以消除。并且，该采油设备伟9 造成本低，占地面积小，易于运输，安装方便，不易 产生气锁现象，在原油开采中具有较好的前景，对我国采油技术的发展有着重要的意 义。 减速器、联轴体和螺杆泵是潜油螺杆泵采油系统的关键部件。在本文中，介绍了潜 油螺杆泵采油系统的组成机构及工作原理：分析了其技术特征及国内外发展状况： e s p c p 系统工作在极限环境下，大量机械设计有别于常规，因此具体分析了螺杆泵、联 轴体、减速器三个关键部件的运动学特征；分析综合减速器、联轴体和螺杆泵在设计过 程中所涉及到的物理模型和数学模型。由于这三个部件的设计极为复杂和繁琐，涉及到 大量数值计算和数据处理工作，而且对计算精度要求很高，所以本文使用v b 6 0 语言进 行了a u t o c a d 二次开发，实现这三个部件的数字化设计。最后，用u g l 0 软件进行潜 油螺杆泵采油系统的关键部件实体建模，进行装配可视化，并进行运动仿真分析。 通过本文的研究工作，进一步澄清了潜油螺杆泵采油系统的关键部件运动学问题； 解决单纯依靠人工设计时存在设计周期长、设计工作量大、计算精度低等问题，适应市 场竞争的需求；进行减速器、联轴体和螺杆泵的运动学分析及仿真设计，实现装配过程 可视化，在设计过程中，将可能出现设计错误和工艺错误消除，提高设计的准确性。 关键词：石油开采；潜油螺杆泵采油系统；部件；运动学；仿真设计 沈阳工业大学硕士学位论文 k i n e t i c s a n a l y s i sa n d s i m u l a t i o n d e s i g n o ft h ek e y c o m p o n e n t s o f e l e c t r i c a l - s u b m e r s i b l e - m o t o r - d r i v e n p r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p i n g s y s t e m a b s t r a c t t h eo i le x p l o i t a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ee l e c t r i c a ls u b m e r s i b l em o t o rd r i v e np r o g r e s s i n g c a v i t yp u m ph a sm u c hm o r ea d v a n t a g e st h a no t h e ra r t i f i c i a l l i rm e t h o d s t h et e c h n o l o g y e s p e c i a l l ya d a p t st ot h eo i le x p l o i t a t i o nt a s k ，w h i c h i si nd e n s eo i lw e l l h i g h l yc o n t a i n e ds a n d o i lw e l l ，h i 班h y d 眦a r b o nc h a i no i lw e l l ，a n ds oo n b e c a u s et h ee l e c t r i c a ls u b m e r s i b l em o t o r d r i v e np r o g r e s s i n gc a v i t yp u m pi st h el a t e s te q u i p m e n to fn o nr o do i le x p l o i t a t i o n ，t h ef a i l u r e p r o d u c e db yt h ep i p el e a k i n ga n dt h es n a p p e dr o dw h i c hr e s u l t sf r o mt h ed e f e c t i o nm i l l i n g b e t w e e nt h er o da n dt h ep i p ec a nb ea v o i d e d ，t h el o s so f t h e e n e r g yp r o d u c e db y t h er o dd o e s n t e x i s t i na d d i t i o n t h ed e v i c eo ft h eo i le x p l o i t a t i o nn e e d sl o w e rc o s ta n ds m a l l e ra r e ao ft h e g r o u n d t h a no t h e r s ，i se a s yt ob et r a n s p o r t e da n da s s e m b l e ，a n dh a s n tt h ep h e n o m e n o no ft h e a i rl o c k i tw i l lb ew i d e l yu s e di 1 1t h eo i le x p l o i t a t i o n i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt ot h ed e v e l o p m e n to f t h eo i le x p l o i t a t i o nt e c h n o l o g yo f o u r c o u n t r y t h ek e yc o m p o n e n t so ft h ee l e c t r i c a ls u b m e r s i b l em o t o rd r i v e n p r o g r e s s i n gc a v i t y p u m p i n gs y s t e m s p c p s ) a l e t h eg e a rr e d t l c e r ，t h ec o u p l i n g ，a n dt h e p r o g r e s s i n gc a r i t yp u m p i nt h i sp a p e r , t h ec o n s t i t u t i o na n dt h ew o r k p r i n c i p l eo f t h ee s p c p sa r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e t e c h n i c a lc h a r a c t e r sa n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa r ea n a l y z e d d u et ot h ev e r yb a dw o r k c o n d i t i o no ft h ee s p c p s ，m o s tt r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sc a n t a d a p tt o i t t h ek i n e t i c s c h a r a c t e r so ft h et h r e ek e yp a r t sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ep h y s i c a lm o d e la n dm a t h e m a t i c s m o d e lo ft h ek e yc o m p o n e n t sa r ea n a l y z e da n di n t e g r a t e d t h ed e s i g no ft h eg e a rr e d u c e r ，t h e c o u p l i n g ，a n d t h ep r o g r e s s i n gc a v i t yp u m pa r ev e r yc o m p l i c a t e da n dt r i v i a l ，w h i c hc o m ed o w n t ol o t so f n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dd a t ad i s p o s a lp r o b l e m s a tt h es a m et i m e ，t h ed e m a n do f t h e c a l c u l a t i o n p r e c i s i o ni sv e r yh i 曲i no r d e r t os o l v et h ep r o b l e m s ，t h es e c o n d a r y e x p l o i t a t i o no f t h ea u t o c a di sc a r r i e do u tb yu s i n gt h ep r o g r a ms o r w a r ev b 6 0t or e a l i z et h et h r e ek e y c o m p o n e n t sd i g i t a ld e s i g n s ，a tl a s t , t h et h r e ed i m e n s i o ns t r u c t t l r e so f t h ep i v o t a lp a r t so ft h e 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 e s p c p sa r ec r e a t e db yu s i n gt h es o f t - w a r eu g l 0 ，a n dt h e nam o t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i si s c a r r i e do u t t h r o u g ht h er e s e a r c h ，t h ek i n e t i c sn o b l e m so ft h ek e yc o m p o n e n t sa r e c l a r i f i e dm o r e c l e a r l y t h ep r o n e m s f i r es o l v e d ，w h i c he x i s tw h e nt h ed e s i g ni sp e r f o r m e dm a n u a l l y ，s u c ha s t h el o n gp e r i o do f d e s i g n ，t h eh e a v yw o r k l o a d , a n ds oo n , w h i c hs a t i s f i e st h en e e do f t h em a r k e t c o m p e t i t i o n b yc a r r y i n gt h r o u g ht h ek e yp a r t sk i n e t i c sa n a l y s i sa n dt h em o t i o ns i m u l a t i o n d e s i g n ，t h ep r o g r e s so f t h ev i s i b l ea s s e m b l yi s r e a l i z e d 。d u r i n gt h ec o u r s eo f t h ed e s i g nt h e p o s s i b l ef a u l t so f t h ed e s i g na n dt h et e c h n i q u e sc a nb ea v o i d e d , a n dt h ed e s i g na c c u r a c yc a n a l s ob ei m p r o v e d k e y w o r d s ：o i l e x p l o i t a t i o nm a c h i n e r y ；p r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p ；k i n e m a t i ca n a l y s i s ； s i m u l a t i o i ld e s i g n 一3 - 沈阳工业大学硕士学位论文 1 概述 1 1 潜油螺杆泵采油系统的组成结构及工作原理 1 1 1 系统组成结构 潜油螺杆泵采油系统( e l e c t r i c a l s u b m e r s i b l e - m o t o r - d r i v e np r o 掣e s s i n gc a v i t yp u m p i n g s y s t e m e s p c p s ) 是一种井下电机拖动的无杆采油设备 1 】。如图1 1 所示，该系统和电 潜离心泵一样，由三部分组成：井下部分，地面部分和联接电缆、油管。其中，地面部 分由变频器、变压器及辅助设备组成：井下部分自下而上由潜油电机、减速器、保护 器、联轴体和螺杆泵五大部分组成，这是设计的主要内容。 图1 1 潜油螺杆泵采油系统 1 一潜油电机：2 一减速器；3 一保护器：4 一联轴体；5 一螺杆泵；6 一油管；7 一导向轮；8 一特 殊电缆：9 - 变压器：l o 控制柜 1 1 2 工作原理 系统利用动力电缆将电力传送至潜油电机，通过减速器减速和联轴体将运动形式转 换后，带动螺杆泵转子在低速下做往复直线运动，井液经过螺杆泵增压后，通过油管被 沈阳： 业大学硕士学位论文 举升到地面。潜油螺杆泵由转子和定子( 橡胶材料) 组成，转子和定子啮合形成一个个 连续的密封腔室。当转子在定子内转动时，由于密封腔室的不断形成、推移和消失，使 油液通过一个个密封腔室，从吸入端被推进至排出端，直至送达地面，从而起到泵送作 用1 2 , 3 。 l - 2 潜油螺杆泵采油系统的特点 潜油螺杆泵采油系统，是一种新型采油设备，近几年来在国内外众多油田上得到了 广泛应用，为油田的原油开采发挥了重要作用。潜油螺杆泵采油技术所具有的优点决定 了它具有广泛的应用前景，属于国家倡导的节能环保采油设备。潜油螺杆泵与目前国内 外各油田广泛使用的柱塞式抽油机、地面驱动螺杆泵、电潜离心泵比较起来具有如下特 征： 一方面，e s p c p 系统与地面驱动螺杆泵采油系统同属于一个家族，和柱塞式抽油 机、电潜离心泵相比具有如下特点： ( 1 ) 适宜于高粘度、高含砂量以及聚合物成份比例较大的原油开采作业。 ( 2 ) 不发生气锁并有破乳作用。 ( 3 ) 抽吸连续平稳，不对油层产生压力激动作用。泵的排量稳定，油液流动无扰 动，便于计量。 另一方面，e s p c p 系统属于无杆采油设备，与地面驱动螺杼泵采油系统和柱塞式抽 油机相比还有如下特点 7 - 9 。 ( 1 ) 不存在抽油杆的扭曲变形和伸缩变形过程中的能量损耗，不存在抽油杆与油液 搅动问题，所以同比采油量能耗最低。 ( 2 ) 不存在管杆偏磨问题，消除了采油机组中断杆和管漏这种常见故障及其连带损 耗，延长了泵检周期。 ( 3 ) 更适宜于斜井、定向井及水平井开采作业。 ( 4 ) 机组井上部分体积小、重量轻的特点使其更适宣于海上平台和沼泽地区采油作 业。 ( 5 ) 井下机组的发热起到原油加热作用。 ( 6 ) 日常维护管理简单。 2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 7 ) 用回声仪测动液面不停抽，可以通过变频调速方便地调整螺杆泵转子转速而实 现调产。 ( 8 ) 一次性投资比柱塞式抽油机低，文献【4 】中记载，装设一台抽油机( 含安装费) 一次性总投资要￥3 1 0 5 万元，而组装一套e s p c p 机组一次性总投资仅￥2 3 5 万元，若投 入批量生产并且占投资额较大比例的井下电缆日后价格下降，还能节省一笔费用。 ( 9 ) 耗材量低。目前国产的1 2 种定型抽油机，总重量3 t 台1 8 t 台不等，平均粗 估质量为1 2 t 台，全国以5 万台计算，钢材总投入为6 0 万吨，这不计抽油杼。以1 ” 抽油杆为例，其单位质量为4 0 9 1 k g m ，下泵深度在1 5 0 0 m 时的抽油杆总重量每套达 6 1 4 t ，而每套e s p c p 机组总重量不过2 4 t ，而且波动幅度不大。 1 3 潜油螺杆泵采油技术的发展状况 1 3 1 国外潜油螺杆泵采油技术的发展状况 螺杆泵的全称是p r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p ，即p c 泵。在国外，对螺杆泵的研究由来 己久。螺杆泵是2 0 世纪3 0 年代由法国科学家r e n em o i n e a u 发明的，并且获得有关螺 杆泵的第一个专n t m j 。此后，它被广泛地应用于化工、食品、纺织、造纸及污水处理等 领域。从5 0 年代中期，前苏联开始研制采油用井下单螺杆泵，于1 9 7 3 年成批投入生产 地面驱动螺杆泵采油系统，在高粘度稠油( 5 0 0 0 m p ar s ) 、大油气比油( 7 0 0 m 3 t ) 和含 砂油( 2 5 v v ) 开采作业中体现出了较好的性能和效益幢】。在姆哈诺夫斯克油田使 用时，在油气比高达4 0 0 的条件下，无故障工作长达4 7 7 天，泵效可达7 0 【j 。螺杆泵 作为开采高粘度、高含水的采油设备，巳广泛得到应用。但是在采油过程中，很多地面 驱动的螺杆泵抽油杆和油管容易被固体颗粒磨损。为克服这一不利因素，国外有些公司 如苏联、美国、法国、加拿大近年来正在研制电动潜油螺杆泵，潜油电机和电缆都与常 规电潜泵机组中的一样，不同的是用螺杆泵代替了离心泵，并增加了机械传动环节。目 前，国外研制和应用单螺杼泵采油技本的国家只要有前苏联、美国、法国和加拿大等， 最大下井深度已达2 4 3 8 m ，最大排量已达7 9 5 m 3 d ，泵的平均净举升高为9 0 0 , 1 5 5 0 m ， 排量为8 0 , , - 1 6 0 m 3 d ，在这种情况下系统的平均效率为6 3 左右，定子的平均寿命为 l 之年，地面驱动部分的寿命为5 年以上，推荐泵的转速在5 0 0 r r a i n 以下【l “6 l 。 沈阳工业大学硕士学位论文 美国森垂公司于1 9 9 2 年开始研制电动潜油螺杆泵采油系统 ，1 8 i 。该公司与一家齿 轮设计公司合作研制了9 ：1 的齿轮减速箱，在电机和保护器上采用挠性轴。他们成功地 进行了寿命达9 个月的生产试验，应用在含砂、高c o z 、中等h 2 s 、比重为1 4 。a p i 、气 液比达t 0 0 0 的环境中1 9 2 0 1 。目前己形成系列产品，可以根据不同井况，选择不同技术 参数的部件。 美国雷达公司和加拿大k u d u 公司于1 9 9 4 年合作开发电动潜油螺杆泵采油系统。 该装置包括一台潜油电机、保护器、挠性传动部件和螺杆泵电机是4 0 h p ，雷达5 4 0 系 列，四级电机，同步转速为正8 0 0 r r a i n ，对应的二级电机和同步转速是3 6 0 0r r a i n 。挠 性传动使电机由1 7 0 0r l m i n 输入转速降低到1 0 6 r m i n ( 减速比为1 6 ：1 ) 或4 2 5r r n i n ， 从而把电机的同心转速调整到适于常规螺杆泵偏心摆动的转速口2 1 。 原苏联1 9 7 3 年在地面驱动螺杆泵采油系统投入批量运行的同时又研制了排量大、 扬程高，适宜于深井举升的单螺杆泵采油系统，目前已发展为单头、双头和三头螺杆3 种类型产品。排量范围1 6 2 0 0 m 3 d ，实际最大排量2 5 0 m 3 d ，举升高度已达1 4 0 0 m ， 最高泵效7 0 。一般泵检周期为1 年，实际最高达1 6 个月b l 。 1 3 2 国内潜油螺杆泵采油技术的发展状况 我国对螺杆泵研制起步较晚，因此，应用于采油工艺仍处于初始阶段。近几年来随 着国外技术的引进，许多油田和厂家正致力于这方面的研究并开始现场应用和试验。 辽河油田矿机所研制出的l b j s m l 型地面驱动单螺杆泵已投入现场应用，泵挂 深度为2 0 0 1 0 0 0m ，适应流体粘度为5 0 0 0p a s 。 北京勘探科学院机械所在吸收国外先进技术的基础上，根据我国油田实际情况，也 研制出地面驱动单螺杆泵，并先后进行了现场试验。 天津市工业泵总厂1 9 9 0 年推出了一项新专利，单螺杆全浸式采油装置。该装置的 潜油电机与保护器之间增设了一个锥形齿轮行星减速器，或为双级行星齿轮减速器。保 证器与螺杆泵相互连接。该装置可用于陆地、海上，也可用于斜井和水平井采油。 1 4 电动潜油螺杆泵采油工艺的发展前景 据美国权威人士预言，电动潜油螺杆泵将在中浅井、深井和低产油田普遍采用代 替常规的抽油机，成为主要的机械采油设备阻洲。 一d 一 沈阳工业大学硕士学位论文 高粘油占我国地质总储量的l 6 以上，目前除了热采外，还未有更理想的机械采 油设备。近年来，一些油田相继使用螺杆泵开采高粘度原油，取得了较好的经济效果。 部分低产油田和少数过去认为无开采价值的油田应用电动潜油螺杆泵开发，也见到了明 显的效果。目前，电动潜油螺杆泵在我国1 8 个油田均有一定限度的试用和局部推广。 随着制造质量的提高，配套技术的完善和使用经验的不断丰富，螺杆泵的应用范围 将会进一步扩展。肯定会象美国权威人士所预言的那样，螺杆泵在中浅井、深层油田、 低产油田和边远油田和稠油油田中全部取代抽油机一杆式泵系统，而成为该类油井的首 选采油设备。 1 5 潜油螺杆泵采油系统应用中存在的问题 经过前期的生产试运行，我们体会到e s p c p 系统在我国应用中所遇到的问题分为 如下三大类： 第一，e s p c p 系统工作在极限环境下，大量机械设计有别于常规，一些运动学问 题需要进一步澄清，为几何建模和优化设计等环节提供理论依据。 第二，装配过程需要可视化，在设计前期中，需将可能出现设计错误和工艺错误消 除，提高设计的准确性。 第三，减速器、联轴体和螺杆泵是潜油螺杆泵采油系统的关键部分，各个部件的选 型设计极为复杂和繁琐，涉及到大量数值计算和数据处理工作，而且对计算精度要求很 高，如果单纯依靠人工设计，存在设计周期长、设计工作量大、计算精度低等问题，难 以适应市场竞争的需要。 本论文的研究旨在以计算机为基础，分析综会减速器、联轴体和螺杆泵的设计过程 中所涉及到的全部物理模型和数学模型，实现数字化设计，解决单纯依靠人工设计时存 在设计周期长、设计工作量大、计算精度低等问题；进行减速器、联轴体和螺杆泵的运 动学分析及仿真设计，实现装配过程可视化，在设计前期中，将可能出现设计错误和工 艺错误消除，提高设计的准确性。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 潜油螺杆泵采油系统关键部件的运动学分析 2 1 螺杆泵运动学分析 2 1 1 单螺杆泵的作用原理 单螺杆泵是由定子和转子组成的，如图2 1 所示。单螺杆泵的单螺杆如同螺旋输送 机的螺旋桨，如图2 2 所示，它的棱线转动时起着推挤油液前移的作用。为了使单螺杆 能有效地推挤油液前移，给出一定的排量和压头，必须设计具体内螺旋面的专用衬套， 它和单螺枰配合，即在轴向把油流分割开来，又在径向把油流一分为二。所以，在每个 螺杆衬套副中，螺杆是单线螺旋面，衬套内表面是双线螺旋面，两者旋向相同，同时 右旋或是左旋。 转f 郝件 定j ：部t ： 图2 1 单螵杆泵结构图图2 2 单螺杆泵作用原理图 螺杆的任意截面都是半径为r 的圆，如图2 3 所示。整个螺杆的形状可以看由很多 半径为r ，厚度趋近于零的圆盘组成，不过这些圆盘的中心0 以偏心距e 绕着螺杆自身 的轴线一边旋转，一边按一定的螺距t 向前移动。 图2 3 泵的螺杆 6 沈阳工业大学硕士学位论文 衬套的断截面轮廓是由两个半径为r ( 等于螺杆端面的半径) 的半圆和两个长为 4 。的直线段组成的长圆形，如图2 4 所示。衬套的双线内螺旋面就是由上述断截面绕衬 套的轴线旋转的同时，按一定的导程t = 2 t 向前移动所形成的。 i 、k 、k k 、k 、，、 图2 4 泵的树套 当螺杆在衬套中的位置不同时，他们的接触点是不同的。螺杆断面位子衬套长圆形 断面的两端时，螺杆和衬套的接触为半圆弧线，而在其它位置时，螺杆和衬套仅位于 a t 、b 两点接触，如图2 5 所示。由于螺杆和衬套是连续啮合的，这些接触点构成了空间 密封线，在衬套的一个导程r 内形成一个密封腔室。 ， 嫩 q - - 0 4q = 6 0 。q = 1 2 0 4q 由 = 1 8 0 4 图2 5 螺杆衬套副的密封线和密封腔室 7 一 一一 沈阳工业大学硕士学位论文 这样一来，沿着单螺杆泵的全长，在衬套内螺旋面和单螺杆表面间形成一个个密封 腔室。当单螺杆转动时，螺杆衬套副中靠近吸入断的第一个腔室的容积增加，在它和 吸入端的压力作用下，油液便进入第一个腔室。随着单螺杆的转动，这个腔室开始封 闭。由于密封腔室的不断形成、推移和消失，室油液通过一个个密封腔室，从吸入端挤 到排出端，压力不断升高，流量非常均匀。 2 1 2 单螺杆的自转和公转分析 为了分析单螺杆在衬套中的运动，我们以螺杆本身的轴线0 ，为圆心，以螺杆任一 断面圆心0 l 和q 的距离e 作半径，作一个圆，叫做螺杆的动中心圆。螺杆的动中心圆 实际上是所有螺杆断面中心d 在平面上的投影：再以衬套的中, 0 0 为圆心，以2 p 作为 半径，作一个圆，叫做衬套的定中心圆，如图2 6 所示。螺杼在衬套中的运动可以看作 螺杆的动中心圆( 滚动) 在衬套的定中心圆( 导圆) 内作纯滚动。 jl y ， v 0 ，v e 2 v 0 2 倭 n 一) 爿、_ x 夕一 图2 6 单螺杼的茸转和公转 当动中心圆作逆时针转动时( 自转) ，其圆，6 0 ：绕定中心圆圆心d 作顺时针方向 的圆周运动( 公转) 。所以，自转和公转的方向相反。 8 沈阳工业大学硕士学位论文 以q 为原点，取动坐标x d 2 r ，它的方向保持不变，即q x 永远平行于o ，而 原点d 2 绕衬套中一5 , 0 作圆周运动。螺杆的自转是指蠓杆相对动坐标d 2 y 。的相对运 动，它的自转角速度国是和传动轴角速度相同，即 = 2 r m( 2 1 ) 式中玎一传动轴的转速，r m i n 。 设动中心圆和定中心圆的滚动接触点d l 上的绝对速度为o o 。( 动中心圆上) ，它应 等于相对速度 ，和牵连速度的矢量和，郎 o o i = 0 ，+ 0 0 2 ( 2 2 ) 由图2 6 可见，相对速度0 ，和牵连速度u 。的方向相反，并且 l o r l = 珊e ( 2 3 ) i 2 l = ( 0 0 2 口 ( 2 4 ) 从绝对值的关系来看，因为螺杆动中心圆沿衬套定中心圆作纯滚动，其接触点的速 度o o 。= 0 ，所以 0 = e + 0 ) 0 2 p ( 2 5 ) 国= 一2 ( 2 6 ) 即螺杆自转的角速度国和公转的角速度彩。：大小相等，方向相反。 2 1 3 单一杼在衬套中的运动特点 螺杆在衬套中运动时，由于联轴体输出轴限制了螺杆的轴向位移，因此螺杆在衬套 内的运动只能是一个平面运动，或者可看作在螺杆衬套副的任一断面上螺杆断面中心 o 。工作时只沿该断面的衬套长轴作往复运动。 在图2 7 a 中给出z = o 平面上的衬套断面( z 轴由纸面指向外) 。将螺杆装进衬套 后，螺秆本身轴线0 ，z 离衬套中心线o z 的距离为e ，该断面上螺杆断面的圆心为于 d 1 。在图2 7 b 中给出同一个螺杆衬套副的任意断面z 。显然，在该断面中衬套的长 圆形形状不变。只是长轴o m 比z = 0 断面转了一个角度a ，它和= 的大小有关，即 z ：上d( 2 7 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 式中r 一衬套的导程，单位为m 研。 小 j y ， 、 怒飘 弋乡 t 、 m 圈2 7 舸：在村套内的运动 a ) = = 0 断面b ) 任意z 断面 同时，因为是螺杆的同一位置( 螺杆没有转动) ，所以螺杆本身轴线d ，z 和动中心 圆不变，但是在断面z 中，螺杆的断面圆心就不在d l ，而是沿动中心圆从0 l 转过一个 角度a ，它和z 的大小有关，即 = ：上口( 2 8 ) 2 n - 式中，一衬套的导程，且满足，= 以，m m 。 将式( 2 7 ) 代入式( 2 8 ) 中，经整理后得 = 2 a( 2 9 ) 这就是说，从z = 0 断面到z = ：断面，螺杆得转角a 等于衬套转角a 得两倍。在图 2 7 ( b ) 中，过0 2 点作z y 0 2 n = 口和动中心圜交于0 ：点，d 点就是在2 = z 断面中螺 杆的断面圆心，且必定位于村套长轴上，同时是动中心圆和衬套长轴的交点。 由图2 7 ( b ) 可见，d l 为动中心圆的瞬时速度中心，也就螺杆的瞬时速度中心。 假设动中心圆作逆时针方向的自转，螺杆在z = z 断面中螺杆的断面圆心d f 的速度战，方 向应该垂直于d i 叫，又因为么o l o l 0 为半圆的圆周角，即zo id i 0 = 9 0 。，所以d ：的方 向必然沿村套的长轴方向，这是村套的长隧形断面所允许的。当螺轩工作时，螺杆动中 - 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 心圆上d 点的轨迹应该是通过0 ：点的衬套定中心圆的直径，就是陔断面衬套的长轴方 向。所以，螺杆在衬套中的运动特点，可以总结为两点： 1 在螺杆衬套副的任意断面上，螺杆断面中心位于衬套断面的长轴上： 2 随着螺杆的转动，该断面上的螺杆断面中心沿衬套断面的长轴方向作直线往复运 动。 2 2 渐开线零齿差内啮合齿轮副的运动特征分析 2 2 1 联轴体的功能和结构特点 渐开线零齿差内啮合齿轮传动主要用作联轴体，传递平行轴之间的运动和动力，其 内外齿轮的齿数相等，模数相等，且传动比为l 【2 5 翘 。联轴体是潜油螺杆泵采油系统的 关键部件之一，港油螺杆泵采油系统中减速器的输出轴与螺杆泵转子之间的运动传递特 点要求联轴体在正常传递扭矩的同时，还要承受轴向力，并实现输入轴的定轴转动向输 出轴的行星偏转运动的转换。针对螺杆泵转子和定子之间相对运动要求，该联轴体采用 渐开线零齿差内啮合齿轮副与球面副组合创新设计3 3 ，3 4 i ，首次实现了三种功能的集成， 满足了运动和动力的综合传递要求，其结构如图2 8 所示。 除此之外，该推力偏- t 2 , 连轴装置还具有如下特点： ( 1 ) 在高温高压环境下，对连轴体中的平面推力轴承及其以下个部件、减速器、 潜油电机实现一次性润滑并达到防砂期为一年的密封效果； ( 2 ) 发明了新型动态机械密封技术，对联轴体核心部件实现了有效的动态密刻： 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 研究了高温状态下推力偏心齿轮连轴体内部润滑材料添加剂和润滑剂的补充 技术； ( 4 ) 进油孔采用流线型设计，有效地阻止了泥砂在联轴体内的沉积和渗透； ( 5 ) 在允许的几何尺寸范围内，研制出了耐高温特种推力轴承来承担8 1 2 吨的 轴向力，并保证其连续稳定运转一年以上。 联轴体在传动过程中有两点必须予以重视：第一，假设齿轮材料是刚性的，这样同 时参与啮合并受力的轮齿通常不会多于两个齿；第二，两个齿轮的齿面之间存在明显的 相对滑移运动，另外还因为整个联轴装置要随潜油螺杆泵采油系统一道在高温，高压， 高含沙量的恶劣环境下连续稳定运转。所以要分析零齿差内啮合齿轮传动的特点。 2 2 2 零齿差内啮合齿轮副疃合特性分析 零齿差内啮合齿轮传动是一种少齿差行星齿轮传动0 5 q ”，属于z x f 类( 根据基本 构件的组合不同划分，代号z 表示中心轮，x 表示转臂，f 表示输出机构) 、正号机构 组、n 型( 根据啮合方式不同划分，代号n 表示内啮合齿轮) ，如图2 9 所示。 由图2 9 可知，输出机构f 和外齿轮l 属于同一构件，故有下式： 譬2 ：筏；垒 ( 2 1 0 ) 2 1 式中筇：一表示转臂x 固定时，构件f 主动、构件2 从动的传动比； 琶一转化机构中齿轮1 、2 之间传动比； 1 2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 z ：一内齿轮2 的齿数； z ，一外齿轮l 的齿数。 当转臂x 固定，且z = z ：时，上述机构为零齿差行星齿轮传动机构。由于两齿轮 的齿数、压力角和模数均相等，两齿轮的分度圆直径和基圆直径也相等，即 d - - 3 ，= d = 搬 ( 2 1 1 ) d m = 巩2 = b z c o s ( ( 碧) ( 2 1 2 ) 式中m 一齿轮模数，朋聊； 口一齿轮压力角，o ； d d 。：一外齿轮的基圆直径，内齿轮的基圆直径，聊”； z 一内齿轮或外齿轮齿数。 所以，一对齿轮的啮合线最b 2 与基圆相切，并和中心线o l0 2 相平行，如图2 1 0 所 示，因此节圆为无穷大，啮合角口= 9 0 。，当内齿轮固定时，行星轮仅作平动，其上任 意点的轨迹是直径为2 a 的圆。 丑 一般的齿轮联轴体，内、外齿轮的齿数相等，也属于零齿差齿轮副，但其中心距 口“0 ，所以在齿轮联轴体中，只要有一些齿侧隙存在就可以了。而在零齿差输出机构 中，中心距d 比零大很多，所以要求有较大的齿侧隙存在，否则就不能安装和运转；由 于要求侧隙较大，因此同时采用径向和切向两种变位方法，使内齿轮的齿槽增宽、外齿 - 1 3 - 沈阳工业大学硕士学位论文 轮的齿厚变薄，以获得较大的齿侧隙。为此需要分析零齿差内齿轮副中内、外齿轮经变 位后，所能达到的最大中心距。与变位系数间的关系。中心距a 与变位系数间的关系 式，即零齿差内啮合齿轮副啮合方程式表示如下： 1 口= 用【( 工2 一工1 ) s i n a + 三( x f i + x 1 2 ) c o s a ( 2 ，1 3 ) z 式中岛，z ，一内、外齿轮径向变位系数； 。f 2 ，一一内、外齿轮切向变位系数，规定使内、外齿轮分度圆上的齿厚变薄是 为正值，反之为负值。 2 2 - 3 啮合点沿内外齿轮齿廓变化过程分析 为了满足中心距a 的要求，需合理的选择内外齿轮不同的径向变位系数和切向变位 系数 3 8 _ 3 9 1 。 对于有齿差内啮合齿轮传动，啮合点在齿廓上的变化取决于哪个齿轮是主动轮，哪 个齿轮是从动轮，并始终遵循这样的规律：主动轮的齿根与从动轮齿顶先进入接触，其 接触点为啮合的起始点。主动轮的齿顶与从动轮齿根接触点为啮合的终止点。两齿轮的 转动方向仅影响啮合线的方向，而不影响这条规律本身。对于零齿差内啮合齿轮传动， 啮合点相对于齿廓而言的变化规律则不同，它受制于如下四项因素： ( 1 ) 联轴体( 即内外齿轮) 总体转动方向： ( 2 ) 内外齿轮哪一个为主动轮，哪一个为从动轮： ( 3 ) 内外齿轮哪一个轴心线相对固定( 以下简称“定轮”) ，另一轴心线则绕定轮轴 一t b 线做相对行星运动( 以下简称“动轮”) ： ( 4 ) 动轮轴心线绕定轮轴心线的旋转方向。 为了理顺这种制约关系，我们在分析过程中确定了这样一条思路： ( 1 ) 联轴体整体逆时针方向转动时，参与啮合的齿廓为主动轮的左侧，从动轮的右 侧：顺时针方向转动时，参与啮合的齿廓为主动轮的右侧，从动轮的左侧。这里关于 “左”与“右”的定义是以径向“外视”的左右侧为准： ( 2 ) 外齿轮的齿顶与内齿轮的齿根部位、外齿轮的齿根部位与内齿轮的齿顶对应接 触： 一1 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 接触点始终处于啮合线上，啮合线在定轮基圆上做纯滚动，滚动方向与动轮轴 心线绕定轮轴心线的转动方向一致： ( 4 ) 抓住啮合线与定轮参与啮合齿廓的交点( 即接触点) 的变化趋势。 根据这一条思路，针对上面提到的四项制约因素，得出的接触点沿齿廓变化隶属关 系将有1 6 种情况，见表2 1 。图2 1 l a 、b 是在联轴体整体逆时针旋转，外齿轮为主动 轮，内齿轮轴心线相对固定，外齿轮轴心线绕内齿轮轴心线逆时针运动情况下，分别表 达了啮合处于起始位置和中止位置的状态。在这种情况下，对内齿轮来讲，接触点从齿 根移向齿顶，而对于外齿轮，接触点则从齿顶移向齿根。 表2 1 接触点沿齿廓变化隶属关系 搬劁因素转动方向主动轮行星运转方向固定轴线轮 序号、 1顺时针外齿轮顺时针内齿轮 2逆时针外齿轮顺时针内齿轮 3顺时针内齿轮顺时针内齿轮 4 逆时针内齿轮顺时针内齿轮 5顺时针外齿轮逆时针内齿轮 6逆时针外齿轮逆时针内齿轮 7 顺时针内齿轮逆时针内齿轮 8逆时针内齿轮逆时针内齿轮 9顺时针外齿轮顺时针外齿轮 1 0逆时针外齿轮顺时针外齿轮 1 1 顺时针内齿轮顺时针外齿轮 1 2 逆时针内齿轮顺时针外齿轮 1 3 顺时针外齿轮逆时针外齿轮 1 4逆时针外齿轮 逆时针外齿轮 1 5顺时针 内齿轮逆时针外齿轮 1 6 逆时针内齿轮逆时针外齿轮 沈阳工业大学硕士学位论文 一 蒸 厂。 。吒 io m - - f 黔n 。 尽醐 乡 心 循：蒸 l f厂护n bf 必乡 太： 图2 1 l 齿廓啮合位置情况 a ) 齿廓啮合初始位置b ) 齿廓啮合终止位置 2 2 4 齿廓实际工作段的确定 前面就齿廓的啮合过程建立了1 6 种隶属关系，这里不能也没必要将确定齿廓实际 工作段的方法一一说明，因为下面提到的方法普遍适宜于这1 6 种情形。现在就前面提 到的情形进行讨论，即内齿轮轴心线不动，外齿轮中心0 ：绕内齿轮中心0 以角速度吐 逆时针转动。 设内外两个齿轮的模数m 、齿数z 、压力角口、径向变位系数x 、量和切向变位 系数x ”x t 2 均已知，据此可以计算出基圆半径和内外齿轮齿顶圆半径、t 0 2 ，内 外齿轮齿顶圆压力角口口。：。在此基础上，我们来确定啮合起始点k 和终止点k ：的 坐标值。 ( 1 ) 起始点世。的坐标值 。 如图2 1 l a 所示，外齿轮左侧齿顶与内齿轮右侧齿根部位接触，接触点k ，过足 点作两基圆的外公切线，切点分别为。、n ：，再连接中心线0 1 。2 ，坐标系的选择如该 图所示。 根据图2 1 l a 中的几何关系可推出： 2 k i = r j g a 。2 ( 2 1 4 ) l k ! = r j g a 。! + e ( 2 1 5 ) 一1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 口，1 ：t g 一1 ( r h t g a a 2 + e ) ( 2 1 6 ) 一o t k l = i t ：+ ( r g g a 。2 + p ) 2 1 2 ( 2 1 7 ) 所以 ，l e = 0 1 k l ( 2 1 8 ) 岛e r h t g a “+ et g 一1 掣堡堑竺) ( 2 1 9 ) b r 2 e = 2 ( 2 2 0 ) 岛k = 培口。2 一2 ( 2 2 1 ) 式中a ，。一内齿轮齿根世，点处的压力角，。； r l k l , r 2 女l k 。点在图2 11 a 位置对应坐标系统中的向径，m m ； 品，0 2 。i 一对应的内外轮齿齿廓k 。点处渐开线展角，瑚d 。 这样，足在对应图2 1 l a 中以0 l ，0 2 为原点的极坐标系统中的坐标值即可确定为 “。o j 。，) 和k ，0 2 。，) 。 从图2 1 l a 中的几何关系，我们可以直接确定出x ，点在x 。0 。y ，和x 2 0 7 y 2 中的直角坐 标值： ( x l r l ，y l 1 ) 【屹，喀c k 2 + e 】 ( 2 2 2 ) ( z 2 y 2 k i ) k ，r h t g a 。2 】 ( 2 2 3 ) ( 2 ) 终止点k ，的坐标值 现在假设内齿轮轴心0 1 固定，外齿轮轴心0 2 绕0 1 转动到该对齿廓啮合的终止处， 此时内齿轮齿顶与外齿轮齿根接触点为丘如图2 1 l b 所示。首先确定啮合处于起始位置 和终止位置时，内外齿轮两基圆对应的两条外公切线的夹角： p ：盟一n i k 2 丝堕立! 丝堕( 黻) ( 2 2 4 ) 这样由图2 1 l b 中的几何关系我们可以得出： 一1 7 一 沈阳工业大学硕士学位论文 q k 2 = r ol b r 2 = t g a 口i 一口m r 2 f 2 = 【( ，t g a 。l p ) 2 + 疗】“2 岛2一rdgcta,-e t g 一1 ( r b t g c c 1 - e ) r b ， 式中口。一内齿轮齿顶k ：点处的压力角，。； ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) r l k 2 , 2 一k 2 点在图2 1 l b 位置对应坐标系统中的向径，i i l n l ； 只。0 2 。：一对应的内外轮齿齿廓k ：点处渐开线展角，r a d 。 这样，如在对应图2 1 1 b 以0 l 、0 2 为圆点的级坐标系统的坐标值即可确定为 ( - k 2 ，b r 2 ) 和( 心f 2 ，晚r 2 ) 。 从图2 1 l b 中的几何关系，我们可以直接确定出x ：点在x ，o y , 中的直角坐标值如 下： ( x l r 2 ，y l r 2 ) 营【屹1c o s ( 口州+ 卢) ，ls i n ( a 洲+ 声) 】 ( 2 2 9 ) 在图2 1 l b 中0 ：点在五d 1 】j ；中的直角坐标值为：( - e s i n 卢，e c o s f l ) ，经过坐标变 幻，我们可以得出如点在x ：0 2 e 中的直角坐标值如下： ( x 2 k 2 ，y 2 膏2 ) 铮【l