活齒采油泵設(shè)計(jì)

田朋

摘 要：對(duì)活齒泵的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，討論活齒泵的工作原理及流量特性可得出該泵具有流量大、流量脈動(dòng)小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)現(xiàn)有的活齒泵進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠在石油行業(yè)中有所作為。從泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用活齒傳動(dòng)，使其泵參數(shù)要在滿足采油工礦的前提下對(duì)其外形尺寸盡可能的小，以便于實(shí)現(xiàn)深井采油來提高采油效率。

關(guān)鍵詞：泵 活齒傳動(dòng) 采油

中圖分類號(hào)：TH132.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）007-107-02

活齒是與內(nèi)齒圈或針輪嚙合，并能在活齒架的孔中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件?；铨X傳動(dòng)是種由K-H-V型少齒差行星齒輪傳動(dòng)演化而成的一種新型齒輪傳動(dòng)，具有承載能力大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高傳動(dòng)比范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，引起了廣大研究者的注意。傳動(dòng)方案最早在20世紀(jì)30年代被提出，在德國、美國、英國等國家進(jìn)行研究，現(xiàn)在已在機(jī)械、冶金、采礦等各工業(yè)部門應(yīng)用，我國在60年代開始研究活齒傳動(dòng)，研究方面我國也取得了一系列可喜的成果，現(xiàn)已有些類型的活齒傳動(dòng)減速器已通過了初步試驗(yàn)并已生產(chǎn)和應(yīng)用到石油、礦山、冶金等行業(yè)。

設(shè)計(jì)的目的就是要對(duì)現(xiàn)有的活齒泵進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠在石油行業(yè)中有所做為。現(xiàn)今的活齒泵不管是在外形尺寸，還是泵的特性都不能滿足采油泵的要求。目前需要改進(jìn)的就是其泵參數(shù)要在滿足采油工礦的前提下對(duì)其外形尺寸進(jìn)可能的小，以便于實(shí)現(xiàn)深井采油來提高采油效率。要減小其外行尺寸就必須從泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，抓住關(guān)鍵問題。而其內(nèi)部為活齒傳動(dòng)，所以活齒傳動(dòng)就是此次設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。

1 活齒泵的工作原理

1.2.3.4.5.6.7.8.活齒 H.偏心輪 G.活齒泵 K.中心輪

圖1 活齒齒輪泵

如圖1所示，當(dāng)中心輪K不動(dòng)，輸入驅(qū)動(dòng)力后，偏心輪H以等角速度 H順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)諸活齒沿著活齒架的徑向?qū)г阋苿?dòng)，同時(shí)，活齒因受活齒架、中心輪齒廓高副的約束，在沿著中心輪齒廓運(yùn)動(dòng)的過程中，推動(dòng)活齒架以等角速度 C逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。與中心輪非工作齒廓嚙合的諸活齒，在活齒架反推作用下，順序地返回到活齒的工作起始位置，完成了它的一個(gè)工作循環(huán)。運(yùn)動(dòng)過程中，形成壓油區(qū)P，和吸油區(qū)T；當(dāng)偏心輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則T區(qū)與P區(qū)倒置。當(dāng)中心輪不固定，則構(gòu)成差動(dòng)式活齒齒輪泵，當(dāng)中心輪轉(zhuǎn)速 X可調(diào)時(shí)，則該泵可實(shí)現(xiàn)變量。此時(shí)需要采用配流軸結(jié)構(gòu)。

2 活齒泵基本尺寸

（1）中心輪齒數(shù)：zk取7，則活齒數(shù) zg = 7-1=6

（2）按傳動(dòng)功率P確定rT和b。

b = 58.78，考慮到尺寸的因素，取b = 56mm

rT = 3.92～4.57mm，考慮到摩擦及制造因素，取rT =10mm

（3）按連續(xù)傳動(dòng)求a：a=3.5mm

（4）滾柱活齒行星傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與幾何計(jì)算。

1）初定：rk根據(jù)給的參數(shù)直徑，取r K為60mm。

2）其它相關(guān)尺寸確定。

由rk= 10，根據(jù)《行星傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算》中，圓柱滾子的標(biāo)準(zhǔn)系列：選取滾子的長度L = 24mm，考慮到實(shí)際因數(shù)，取L = 45mm當(dāng)rk， rT和a確定后，其它相關(guān)尺寸就可以根據(jù)幾何關(guān)系確定

其中，△≥0.8mm為活齒架與中心輪和激波器之間的間隙，故選△=1.5mm。

中心輪齒頂圓 ： rKa=rK-a = 56.5mm；中心輪齒根圓： rKf=rK+a = 63.5mm；

激波器外圓： rH =rK-2rT -h = 40mm ；活齒架外圓： rGw=rK-a-△= 55mm；

活齒架內(nèi)圓：rGi=rH + a + △ = 45mm ；活齒架分度圓：rG = =49mm

（5）基本尺寸的校正。

1）偏心距的校正：根據(jù) a< 得，a<6.77mm，而前面所選取的a=3.5mm<6.77mm，故滿足設(shè)計(jì)要求。

2）rT的校正

滾柱活齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，但是活齒架內(nèi)徑和外受到激波器與中心輪齒頂圓的限制?；铨X架外圓半徑rGW應(yīng)與中心輪頂圓半徑之rKa間有一定間隙，同時(shí)還要確保滾子在最外位置時(shí)滾子中心在滾槽內(nèi)。所以，其內(nèi)徑rGi也要和激波器之間有一定間隙，又要確保滾子在最內(nèi)位置時(shí)滾子與導(dǎo)槽側(cè)面接觸，即

從該式可以看出， rT>2a

而前面所取的rT = 10>2a=7，故滿足條件。

3）按經(jīng)驗(yàn)估算檢驗(yàn)rK

rK = （9.5～11.5）TG1/3

得，rK =62.04～75.10 ，而前面所取的rK =60mm雖然不在這個(gè)范圍內(nèi)，但是接近其值，考慮到尺寸要求，所以選取60mm符合實(shí)際，故合適。

（6）滑動(dòng)系數(shù)。

活齒與激波器、活齒架和中心輪齒廓之間組成了活齒傳動(dòng)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)副，這三個(gè)運(yùn)動(dòng)副處會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)和磨損。

活齒與激波器之間組成高副。由于激波器安裝轉(zhuǎn)臂軸承后，激波器外圓與活齒間為純滾動(dòng)，不僅接觸點(diǎn)位置作周期變化，而且各活齒在接觸點(diǎn)處速度也作周期性變化。

3活齒傳動(dòng)的效率計(jì)算

活齒傳動(dòng)的機(jī)械效率可以表示為：

當(dāng)激波器轉(zhuǎn)一周，即完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，活齒相對(duì)活齒架的移動(dòng)距離為2a，其摩擦功為：

每個(gè)活齒與激波器之間的摩擦功是：

活齒在中心輪齒廓上的摩擦功是：

當(dāng)激波器轉(zhuǎn)一周時(shí)，輸出功為：

根據(jù)上式分析得機(jī)械效率為：

如果取，，，，，帶入上式可簡化為：

帶入ZG的值得，0.7147，而所選的0.70基本符合實(shí)際的結(jié)果，故合理。

上述效率計(jì)算只是一種估算。制造精度、安裝間隙等因素直接影響實(shí)際效率，所以實(shí)測效率為準(zhǔn)。

擺動(dòng)活齒傳動(dòng)中的活齒為擺動(dòng)，摩擦小，效率略高些。在滾子活齒傳動(dòng)中，滾子與中心輪齒廓為純滾動(dòng)，效率要高些。

4 排量及泵壓的計(jì)算

4.1 排量

活齒泵的流量包括偏心輪與活齒所形成的偏心輪流量和中心輪與活齒輪所形成的中心輪流量兩部分。

式中：R-偏心輪半徑；e-偏心距；b-偏心輪寬度；nH-轉(zhuǎn)速；zK-中心輪齒數(shù)；zg-活齒數(shù)。

此式為牛頓-柯特斯公式，其中的第一個(gè)積分的求解十分困難，所以近似的取V=0.0003925b

Q=（14？.14？.049？.0035？.024+0.0003925？.024）

=57.92（m3/d）

選取流量系數(shù)0.9，則Q1=Q=60.51（m3/d）

4.2 泵壓

泵的壓頭可由H泵=H動(dòng)+h油+h地+H分壓計(jì)算，由于排量Q確定，可由泵手冊(cè)查出H動(dòng)=400m選h地=15m H分壓=8m則

H泵 = 435 ？ = 60.091MPa

5 活齒泵主要元件的結(jié)構(gòu)和工作圖

活齒泵的主要元件是偏心輪，活齒，活齒架和中心輪，其中中心輪的齒形加工和活齒架的導(dǎo)槽分布精度是其制造難點(diǎn)。

5.1 偏心輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

活齒傳動(dòng)的激波器，單波激波器采用偏心輪形狀，本設(shè)計(jì)就是單激波器，所以采用了偏心輪這種結(jié)構(gòu)。輸入軸用兩個(gè)軸承支承于機(jī)殼上。為了減少傳動(dòng)損失，省略了偏心套而直接采用偏心軸為偏心輪。

5.2 活齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾子活齒，采用滾子作為活齒，大多采用標(biāo)準(zhǔn)的短圓柱滾子或鋼球。由專業(yè)化工廠制造，具有精度高、質(zhì)量好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

套簡活齒一般可自行制造或選用擺線針輪傳動(dòng)的套簡系列，材料可選GCrl5等，經(jīng)淬火精密制成。

套筒活齒適用于活齒從小到大的各種尺寸。當(dāng)活齒尺寸較大時(shí)，擺動(dòng)活齒與其軸之間可安裝滾針軸承，以減少摩擦磨損和防止膠合。

推桿活齒的兩端采用標(biāo)準(zhǔn)滾子，活齒體采用Gcrl5等材料經(jīng)淬火精磨制成，其關(guān)鍵精度是高度h（兩滾子中心距）應(yīng)嚴(yán)格保證，以防止出現(xiàn)活齒間載荷分配嚴(yán)重不均或卡死現(xiàn)象。

5.3 活齒架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

活齒架為活齒運(yùn)動(dòng)加以導(dǎo)向，和中心輪一起規(guī)定了其的運(yùn)動(dòng)軌跡。它的材料選用40Cr，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，導(dǎo)槽部分進(jìn)行局部表面淬火。要嚴(yán)格保證活齒架的導(dǎo)槽的位置精度。

在本設(shè)計(jì)中，活齒架不光導(dǎo)向，還起到擋油盤的作用，防止了漏油。其在軸上進(jìn)行空轉(zhuǎn)。

5.4 中心輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 從左到右依次是偏心輪、活齒架、中心論

如圖2所示，中心輪的齒形較復(fù)雜，存在制造難點(diǎn)，可以按照成形原理或替代齒形精確制造。中心輪材料選用GCr15，進(jìn)行淬火處理，較大尺寸的中心輪材料也可以采用低碳合金鋼進(jìn)行滲碳淬火處理，最后磨削加工制作。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)針對(duì)活齒泵使用范圍問題本設(shè)計(jì)提出了一個(gè)新的改進(jìn)方案，采用對(duì)活齒泵元件的尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使活齒泵能夠應(yīng)用于井下采油作業(yè)來提高它的采油率的目的。

具體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)是將原來端蓋做成一個(gè)配流端蓋，兩邊與中心輪和錐形螺紋用螺釘聯(lián)結(jié)起來。錐螺紋用于聯(lián)結(jié)泵和鉆桿的。活齒另一端改用活齒架作為擋油圈在軸上空轉(zhuǎn)。

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