【正文】 和 16： 1 減速比的泵的運轉(zhuǎn)速度分別為 550r／ min和 138r／ min。撓性聯(lián)軸器的設(shè)計是用來調(diào)整 PC 泵的偏心振動，用一個六角接頭連接到 PC 泵的轉(zhuǎn)子上。 在我國 90 年代以前采油電動螺桿泵技術(shù)尚屬空白， 1989 年石油大學 (華東 )萬邦烈教授在勝利油田現(xiàn)河采油廠一口井試驗過采油電動螺 桿泵采油技術(shù)，但由黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)論文（設(shè)計） 3 于電機的轉(zhuǎn)速太高 (2850r／ min)，又沒有減速裝置，當時的螺桿泵加工工藝也不成熟，螺桿泵在高轉(zhuǎn)速下失效損壞而告失敗。 課題的研究內(nèi)容及意義 本研究主要涉及采油螺桿泵專用的減速傳動裝置的設(shè)計及三維仿真，該減速裝置可應(yīng)用于井下作業(yè)。 通過對采油減速器優(yōu)化設(shè)計及動力學分析，大大簡化了采油減速器的優(yōu)化設(shè)計過程，提高了效率；提高了采油減速器的動力性能和工作可靠度。 4 第二章 減速器方案的選擇 減速裝置的類型分析 從機械傳動理論的角度來看，單螺桿減速器、一般定軸輪系、諧波齒輪傳動、2KH 類 NGW 型行星輪系、少齒差行星輪系及擺線針輪行星輪系都可以實現(xiàn)軸向減速傳動，但因井下油層套管內(nèi)徑限制，使得可行的減速方案受到了較大局限。這種螺桿減速器具有加工精度要求低、徑向尺寸小等優(yōu)點；但這種減速器的螺桿和襯套磨損嚴重、壽命低，螺桿和襯套的加工需要專用機床，不適宜作井下螺 桿泵驅(qū)動。 諧波齒輪傳動 諧波齒輪傳動由柔輪、剛輪和波發(fā)生器組成 (如圖 2． 1 所示 )，能實現(xiàn)大傳動比傳動，單級傳動傳動比可高達 100 甚至更高；但不適于大動力傳動，扭矩過大會引起傳動畸變，加工工藝難度也非常大。此外，由于采用了內(nèi)嚙合結(jié)構(gòu)，行星輪位于內(nèi)、外齒輪之間，輸入軸與輸出軸又位于同一軸線上，使其結(jié)構(gòu)非常緊湊。 圖 擺線針輪行星傳動 7 減速器方案的選擇 行星齒輪傳動的特點是高速、大功率。還可以實現(xiàn)分流傳動、低應(yīng)力嚙合、工作平衡、高可靠性、同軸傳動，多數(shù)行星機構(gòu)的效率較高。當前應(yīng)用最廣泛的是 NGW 型行星傳動結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，行星齒輪傳動己達到了較高 的水平，圓周速度高達 150~200m/s，傳遞的功率高達73KW，效 率高達 ％ 。 在螺桿泵采油系統(tǒng)中由于采油電機輸出功率大、輸入轉(zhuǎn)速高、輸出轉(zhuǎn)速低，而且螺桿泵置于套管中，套管內(nèi)腔可以容納的徑向尺寸有限，這就要求采用傳動比大、體積小、扭矩大的減速器，而行星齒輪減速器由于輸入軸與輸出軸共線，徑向結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，承載能力大；傳動效率高；傳動比較大；運動平穩(wěn)，抗沖擊和振動的能力較強。 行星齒輪減速器的結(jié)構(gòu)特點 行星齒輪傳動類型很多， NGW 型是其中應(yīng)用員普通、最多的一種 。 NGW 型行星齒輪減速器具有多個行星齒輪 (每級傳動有 3～ 5 個行星齒輪 )、多齒對嚙合、功率分流等特點?？捎糜谝苯稹⒌V山、運輸、建筑、建材、輕化工、能源等行業(yè)。這種減速器具有多分流 (多齒嚙合 )，低應(yīng)力嚙合 (內(nèi)嚙合 )、作用力平衡 (徑向 )、運動多變等特點。由于行星齒輪傳動具有功率分流和各中心輪構(gòu)成共軸線式的傳動以及合理地應(yīng)用內(nèi)嚙合齒輪副，因此其結(jié)構(gòu)非常緊湊；由于在中心輪的周圍均勻地分布著數(shù)個行星輪來共同分擔載荷，從而使得每個齒輪所承受的負荷較小，并允許這些齒輪采用較小的模數(shù)。一般，行星齒輪傳動的外廓尺寸和質(zhì)量約為普通齒輪傳動的 1/ 1/5(即在承受相同的載荷條件下 )。采油減速器二級部分采用了行星輪均布的結(jié)構(gòu)，可使其共同分擔載荷，同時又使行星輪公轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心慣性力得到平衡，從而減小了主軸承內(nèi)的作用力，并使其轉(zhuǎn)動平穩(wěn)。 (2)傳動效率高。在傳動類型選擇恰當、結(jié)構(gòu)布置合理的情況下，其效率可達 ~。只要適當選擇行星齒輪傳動的類型及配齒方案，便可以用少數(shù)幾個齒輪而獲得很大的傳動比。對于行星輪的支撐結(jié)構(gòu)由于是長期運行的，大功率和重載荷的行星齒輪傳動，此時采用滑動軸承。為 了裝配方便，可采用雙側(cè)板式的轉(zhuǎn)臂。由于采用了數(shù)個結(jié)構(gòu)相同的行星輪，均勻地分布于中心輪的周圍，從而可使行星輪與轉(zhuǎn)臂的慣性力相互平衡。 圖 2KH 行星齒輪傳動機構(gòu)簡化圖 如圖 所示， a 為太陽輪， b 為內(nèi)齒輪， c 為行星輪， x 為轉(zhuǎn)臂， II 軸 III軸可為輸入輸出軸。 10 第三章 傳動裝置的總體設(shè)計 選擇電動機 按工作要求和工作條件選用 Y系列鼠籠三相異步電動機。 國內(nèi)外的研究表明，影響采油螺桿泵采油系統(tǒng)效率的因素很多。若想使采油螺桿泵高效運行作業(yè)，在油井管理水平和井況影響一定的情況下，應(yīng)盡量提高各個傳動部件的工作效率， 所以，在采油減速器的設(shè)計中，應(yīng)充分考慮傳動機構(gòu)的工作效率和結(jié)構(gòu)的選擇，從而提高整個采油系統(tǒng)的總體效率，節(jié)省能源提高經(jīng)濟效益。在設(shè)計當中應(yīng)該充分考慮系統(tǒng)的工況條件，提高系統(tǒng)各個部件的強度和使用壽命，縮短采油螺桿泵系統(tǒng)的泵檢周期，減少維修和保養(yǎng)費用，提高原油開采的經(jīng)濟效益。為了滿足整個系統(tǒng)的使用壽命要求，在采油減速器的類型選擇和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計中，應(yīng)該采用先進的設(shè)計方法和理論，提高減速器的可靠性和使用壽命 [25]。 11 傳動系統(tǒng)的傳動比 總傳動比 =電機滿載轉(zhuǎn)速 /工作機轉(zhuǎn)速 即 8mwni n??(31) 傳動系統(tǒng)各軸 參數(shù)確定 如圖 2KH 行星齒輪傳動機構(gòu)簡化圖所標注：電動機軸為軸Ⅰ , 減速器高速級軸為軸Ⅱ，低速級軸為軸Ⅲ，螺桿泵輸出軸為軸Ⅳ，則 [5] 各軸的轉(zhuǎn)速 970 / m i nmn n n r? ? ?Ⅰ Ⅱ 970 1 2 1 . 2 5 / m i n8nn n ri? ? ? ?ⅡⅢ Ⅳ（ 32） 各軸的輸入功率 14dP P kW??Ⅰ 1 14 0. 99 13 .8 6P P kW?? ? ? ? ?Ⅱ Ⅰ （ 33） 2223 1 3 .8 6 0 .9 9 0 .9 8 1 3 .3P P kW??? ? ? ? ? ? ?Ⅲ Ⅱ 41 1 3 .3 0 .9 9 0 .9 9 1 3P P kW??? ? ? ? ? ? ?Ⅳ Ⅲ 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 149 5 5 0 9 5 5 0 1 3 7 . 8970PT N mn? ? ? ? ? ?ⅠⅠⅠ（ 34） 1 3 . 8 69 5 5 0 9 5 5 0 1 3 6 . 4 6970PT N mn? ? ? ? ? ?ⅡⅡⅡ 1 3 . 39 5 5 0 9 5 5 0 1 0 4 9 . 7 1 1 0 5 0121PT N m N mn? ? ? ? ? ? ? ?ⅢⅢⅢ 139 5 5 0 9 5 5 0 1 0 2 6 . 0 3 1 0 2 6121PT N m N mn? ? ? ? ? ? ? ?ⅣⅣⅣ 12 第四章 減速器傳動零件的設(shè)計 行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)特點： 行星輪軸承安裝在行星輪內(nèi)，行星軸固定在行星架的行星輪軸孔中；輸出軸和行星架通過鍵聯(lián)接其支承軸承在減速器殼體內(nèi)，太陽輪通過聯(lián)軸器與高速軸聯(lián)接，以實現(xiàn)傳動。 齒輪的設(shè)計計算與校核 確定各齒輪的齒數(shù) 據(jù) 2KH 型行星傳動的傳動比 pi 值和按其配齒計算可求得內(nèi)齒輪 b 和行星輪 c 的齒數(shù) bz 和 cz 。 由于外嚙合采用角度變位的傳動，行星輪 c 的齒數(shù) cz 應(yīng)按如下公式計算，即6 5 1 0= 2 7 .522bac zzz ???(44) 再 考慮到安裝條件為 382abzz C? ??（整數(shù)） (45) 13 故行星輪各齒數(shù)為 Za=10， Zb=70， Zc=28 初算中心距和模數(shù) （ 1）齒輪材料、熱處理工藝及制造工藝的選定 太陽輪材料為 40Cr， 調(diào)質(zhì)處理，強度極限 σ s=700MPa，屈服極限 σ b=500MPa，齒面硬度為 280HBS。 行星輪 材料為 40Cr，調(diào)質(zhì)處理，強度極限 σ s=700MPa，屈服極限 σ b=500MPa，齒面硬度為 240HBS。最終加工為磨齒，精度為 6 級。齒形終加工為插齒，精度 7 級。 14 111149550 9550 9 44. 123 1000appT PT N m N mn n n??? ? ? ? ? ? ? ??(48) 其中 ?— 高速級行星齒輪傳動效率，取 ? = pn — 行星輪的數(shù)量 d? — 齒寬系數(shù) limH? =1450Mpa 代 入下式得： 1 A HP H3 2Hl im1 25ad dT K K K ud K mmu?? ? ?? ? ?(49) 模數(shù) 25 2 .510aadm z? ? ?， 取模數(shù) m= 則0 11( ) 2 . 5 ( 1 0 2 8 ) 4 7 . 522aca m z z m m m m? ? ? ? ? ? ?（ 410） 取 中心距 0 mm? 由于裝置狀況是小齒輪作懸臂布置 故 ? ? 取 ? ? 計算齒輪 齒寬 0. 6 2. 5 10 15db d m m?? ? ? ? ? ? 考慮不可避免的安裝誤差，為了保證設(shè)計齒寬 b 和節(jié)省材料，一般將小齒輪略為加寬（ 5~10） mm； 一般會 取 小齒輪齒寬等于 1 20b mm? ， 大齒輪齒寬 2 15b mm? 這里由于內(nèi)齒輪、太陽輪內(nèi)外嚙合公用行星輪。 齒輪 幾何尺寸計算 15 圖 行星輪結(jié)構(gòu)各齒輪副 對于單級的 2KH 型的行星齒輪傳動按公式進行幾何尺寸的計算，各齒輪副的計算結(jié)果如下： 頂隙系數(shù)：內(nèi)齒輪 、行星輪 — ??c ；模數(shù) m= 齒輪裝配需滿足 4 個條件：傳動比條件 /鄰接條件 /同心條件 /安裝條件 齒輪強度校核 （ 1）行星輪結(jié)構(gòu)受力分析 首先進行行星齒輪傳動的受力分析，行星齒輪傳動的主要受力構(gòu)件有中心輪、行星輪、轉(zhuǎn)臂、內(nèi)齒輪和行星齒輪軸及軸承等。即在輸入轉(zhuǎn)矩的作用下各構(gòu)件處于平衡狀態(tài)。 對于直齒圓柱齒輪傳動， 切向力 112 0 0 0 2 0 0 0 4 5 . 4 921414 2 . 5t TFNd ?? ? ?（ 412） 徑向力 176。該減速器要求連續(xù)工作 10 年，每年按 330 天計算，每天按 20小時計算，即 10 33 0 20 66 00 0hLh? ? ? ?。故本節(jié)僅列出相嚙合的小齒輪 (中心輪 )的強度計算過程，大齒輪 (行星輪 )的計算方法相同，故略。 4） 齒間載荷分布系數(shù) HK? 、 FK? 因 1 . 2 5 2 1 4 1 1 3 4 / 1 5 0 /20AtKF N m m N m mb ?? ? ?，精度 6 級，硬齒面直齒輪，查 《行星齒輪 傳動設(shè)計》 表 69，得 2211 0 .7 5 61 .1 5HK Z??? ? ?， 11 40 .2 5FK Y??? ? ? 由該書公式 663 得重合度 系數(shù) 4 40 1 . 1 533aZ? ?? ?? ? ? 39。1212zz(t a n t a n ) (t a n t a n ) = 022a t t t ta a a a? ??? ? ? ?39。 20 確定 許用彎曲應(yīng)力 FP? 的 各種系數(shù) 1） 壽命系數(shù) NTY 因 101 .0 0 8 1 0aN ?? 次，查《 行星齒輪 傳動設(shè)計》 圖 631， 得 ? 2） 尺寸系數(shù) XY 查《 行星齒輪 傳動設(shè)計》 表 617， 得 ? 3） 相對齒根圓角敏感系數(shù) relTY? 近似取 ? ? 4）齒根表面狀況系數(shù) RrelTY 查 《 行星齒輪 傳動設(shè)計》 表 618， 得 0 . 1 0 . 11 .6 7 4 0 .5 2 9( 1 ) 1 .6 7 4 0 .5 2 9 ( 3 7 .8 1 ) 0 .9 1R r el T zYR? ? ? ? ? ? ? ?（齒根 6 6 6. 3 37 .8zaR R m?? ? ? ?） 計算 許用彎曲應(yīng)力 FP? lim 50 0 0. 85 1. 0 0. 91 1. 0 38 6. 75FP F N T r el T Rr el T XY Y Y Y MP a??? ? ? ? ? ? ? ? 彎曲強度安全系數(shù) FS m i n3 8 6 . 7 5 2 . 4 5158FPFFFSS??? ? ? ? 查 《 行星齒輪 傳動設(shè)計》 表 611，知 可靠性高 ， 符合設(shè)計要求。 其他零件 的設(shè)計與校核 行星軸設(shè)計 [711] 相對運動中，每個行星輪軸承受載荷 Ft=2Fac=22141=2=4282N，當行星輪相對于行星架對稱布置時，載荷 tF 則作用在軸跨距的中間。當行星輪軸在轉(zhuǎn)臂中的配合選為 H7/h6 21 時，就可以把它看成是具有跨距為 0l 的雙支點梁。 圖 行星輪軸的載荷簡圖 危險截面（在跨度中間）內(nèi)的彎矩《材料力學》 200 4 2 8