基于少齒差齒輪傳動(dòng)的螺桿泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李義

【摘 要】螺桿泵作為一種機(jī)械采油設(shè)備，具有其它抽油設(shè)備所不能替代的優(yōu)越性。應(yīng)用實(shí)踐證明它投資少、能耗低、適合稠油開采，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油方式，地面動(dòng)力帶動(dòng)油管旋轉(zhuǎn)，通過增速器使螺桿泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，井液經(jīng)螺桿泵下部吸入，由上端排出，并沿油管柱向上流動(dòng)。增速機(jī)構(gòu)要求體積小，可有少齒差行星齒輪傳動(dòng)，擺線針輪傳動(dòng)，諧波齒輪傳動(dòng)三種選擇，通過對(duì)增速方案的對(duì)比分析，采用諧波齒輪傳動(dòng)，剛輪主動(dòng)，波發(fā)生器從動(dòng)，柔輪固定。

【關(guān)鍵詞】諧波齒輪傳動(dòng)；螺桿泵；增速；柔輪

0.前言

目前，世界蘊(yùn)藏有巨大的稠油資源，據(jù)有關(guān)專家估計(jì)比常規(guī)原油資源高數(shù)倍至十余倍，具有替代常規(guī)石油能源的戰(zhàn)略地位。稠油資源分布廣泛，幾乎所有產(chǎn)油國(guó)都有發(fā)現(xiàn)。據(jù)調(diào)研資料，世界上稠油資源豐富的國(guó)家有加拿大、委內(nèi)瑞拉、美國(guó)、前蘇聯(lián)等，其稠油資源約為4000～6000x108m3（含預(yù)測(cè)資源量）[1]。中國(guó)大部分含油氣盆地稠油多于常規(guī)油，有共存和有規(guī)律過渡分布的規(guī)律，稠油資源非常豐富，約占總石油資源的25%～30%以上。國(guó)內(nèi)老油田大多處于開發(fā)后期，排量小，油層較深的稠油、含砂、含氣的難采油井越來越多，并且常規(guī)采油工藝投入大、產(chǎn)出低、短期產(chǎn)出與投入比不經(jīng)濟(jì)，制約了各油田后期開采。針對(duì)這種情況，可以采用螺桿泵采油技術(shù)加以解決。

1.螺桿泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求

（1）基本參數(shù)：諧波齒輪傳動(dòng)的增速比大于等于20；諧波齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)外徑小于等于Ф116cm；（2）總體方案分析及設(shè)計(jì)；（3）諧波齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

由于井下空間狹小，需要所設(shè)計(jì)的裝置體積較小。油管轉(zhuǎn)速為6r/min，螺桿泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為120r/min，在保證增速比大于等于20的條件下，轉(zhuǎn)速可以調(diào)整。油管轉(zhuǎn)速低可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的壽命。

在功能方面，要改變?cè)瓉聿捎玫牟捎头绞健Ｔ瓉淼牟捎拖到y(tǒng)在工作時(shí)動(dòng)力源的動(dòng)力通過減速箱首先減速到合適的轉(zhuǎn)速然后驅(qū)動(dòng)方卡子，再由旋轉(zhuǎn)的采油桿柱驅(qū)動(dòng)井下采油螺桿泵轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)將井下原油通過采油桿住與油管的環(huán)形空間舉升到地面。

2.主要功能實(shí)現(xiàn)方法

考慮到增速器結(jié)構(gòu)尺寸較小，傳動(dòng)比大，所以選擇用少齒差行星輪系。少齒差行星輪系具有體積小，傳動(dòng)比大，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。由此，有三種增速方案：諧波齒輪傳動(dòng)，少齒差行星齒輪傳動(dòng)，擺線針輪傳動(dòng)。

2.1諧波齒輪傳動(dòng)增速

諧波齒輪傳動(dòng)是一種依靠彈性變形運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的新型傳動(dòng)，它突破了機(jī)械傳動(dòng)采用剛性構(gòu)件機(jī)構(gòu)的模式，使用了一個(gè)柔性構(gòu)件機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)。構(gòu)成諧波齒輪傳動(dòng)的3個(gè)主要部件有：波發(fā)生器，柔輪，剛輪。諧波齒輪傳動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的傳遞是在波發(fā)生器作用下，迫使柔輪產(chǎn)生變形，并與剛輪相勻作用而達(dá)到傳動(dòng)目的。 在未裝配前，柔輪的原始剖面呈圓形，柔輪和剛輪的周節(jié)相同，但兩者的齒數(shù)不相等。柔輪的齒數(shù)Z1，比剛輪的齒數(shù)Z2略少，而波發(fā)生器的最大直徑比柔輪的內(nèi)徑略大。一般情況下為了有確定的輸出，都會(huì)有一個(gè)固定件，一個(gè)主動(dòng)和一個(gè)從動(dòng)。具體哪個(gè)固定，哪個(gè)主動(dòng)，哪個(gè)從動(dòng)，需要根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能要求來決定。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪后，受到一對(duì)方向通過橢圓的曲率中心和它的旋轉(zhuǎn)中心的力的作用。當(dāng)輸出軸上承受載荷后，柔輪產(chǎn)生變形，這是柔輪對(duì)波發(fā)生器的作用力方向仍通過橢圓的曲率中心，但不通過發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)中心，這就形成了使波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩。當(dāng)輸出軸上載荷繼續(xù)增加時(shí)，柔輪作用在波發(fā)生器上的作用力和這時(shí)作用力之間的力臂也隨之增加。則作用在發(fā)生器上的旋轉(zhuǎn)矩也隨之增加。當(dāng)此旋轉(zhuǎn)矩超過發(fā)生器的阻矩時(shí)，就產(chǎn)生了增速現(xiàn)象。

2.2少齒差行星齒輪傳動(dòng)增速

少齒差行星齒輪傳動(dòng)按傳動(dòng)型式可分為NN型和N型。以N型為例。這種型式的傳動(dòng)，通常均是采用輸出機(jī)構(gòu)把行星輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳給低速軸。N型傳動(dòng)，其轉(zhuǎn)臂有單偏心和雙偏心兩種。雙偏心的轉(zhuǎn)臂，兩個(gè)偏心相差180度，裝在其上的兩個(gè)行星輪也相差180度，這樣由偏心而產(chǎn)生的離心力相互抵消（但這兩個(gè)離心力大小相等方向相反，且不在同一直線上，所以不平衡力偶仍然存在）。單偏心的轉(zhuǎn)臂只有一個(gè)方向的偏心，其中裝一個(gè)行星輪，必須在偏心的相反方向加上平衡重才能使離心力得到平衡。

N型常用的輸出機(jī)構(gòu)有五種類型，即銷孔式、浮動(dòng)盤式、滑塊式、零齒差式和雙曲柄式。以零齒差輸出機(jī)構(gòu)為例。主要特點(diǎn)是用標(biāo)準(zhǔn)刀具在普通機(jī)床上就可加工，不需要專門的工藝裝備。零齒差輸出機(jī)構(gòu)可內(nèi)齒輪輸出，也可外齒輪輸出。兩對(duì)齒輪中只有一對(duì)是少齒差，起增速作用，另一對(duì)則是作為平行軸間聯(lián)軸器的零齒差內(nèi)嚙合。轉(zhuǎn)臂是單偏心，必須裝設(shè)平衡重。

這種傳動(dòng)增速的特點(diǎn)是傳動(dòng)比大，體積較小，重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，齒形容易加工，裝拆方便。合理地設(shè)計(jì)、制造及潤(rùn)滑，可使其傳動(dòng)效率達(dá)0.85-0.91。實(shí)踐證明，少齒差傳動(dòng)最適合于大傳動(dòng)比、小功率的場(chǎng)合，在我國(guó)已經(jīng)被用到很多機(jī)械或者齒輪裝置上。但少齒差要考慮變位問題。由于內(nèi)嚙合和內(nèi)齒輪加工中，相嚙合雙方的位置關(guān)系、幾何關(guān)系與外嚙合不同，在設(shè)計(jì)內(nèi)嚙合變位齒輪傳動(dòng)時(shí)，齒數(shù)的搭配和變位系數(shù)的選擇要受到各種干涉條件的限制。為避免干涉要進(jìn)行驗(yàn)算，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮齒輪根切問題。提高了加工難度，且剛度不夠高。

2.3擺線針輪行星傳動(dòng)增速

擺線針輪主要由4部分組成：

（1）行星架H由輸入軸1和雙偏心套2組成，偏心套上的兩個(gè)偏心方向互成180°。（2）行星輪C齒形通常為短幅外擺線的內(nèi)側(cè)等距曲線。按運(yùn)動(dòng)要求，一個(gè)行星輪就可傳動(dòng)，但為使輸入軸達(dá)到靜平衡和提高承載能力，對(duì)于一齒差針擺傳動(dòng)，常采用兩個(gè)完全相同的奇數(shù)齒的行星輪，裝在雙偏心套上，兩輪位置正好相差180°。行星輪和偏心套之間裝有用以減少摩擦的滾子軸承（稱為轉(zhuǎn)臂軸承）。（3）太陽輪 又稱針輪，針齒殼上裝有一組針齒銷，通常針齒銷上還裝有針齒套，稱為針齒。（4）輸出機(jī)構(gòu)這種常采用銷軸式輸出機(jī)構(gòu)。

3.結(jié)論

本次設(shè)計(jì)針對(duì)螺桿泵采油系統(tǒng)做了改進(jìn)，由于原來用抽油桿的采油方式轉(zhuǎn)速高、磨損快、壽命低，改為直接用油管驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油。螺桿泵采油系統(tǒng)按驅(qū)動(dòng)方式可劃分為地面驅(qū)動(dòng)和井下驅(qū)動(dòng)兩大類，本次設(shè)計(jì)采用了地面驅(qū)動(dòng)方式。油管轉(zhuǎn)速較低，螺桿泵轉(zhuǎn)速較高，所以要設(shè)計(jì)一個(gè)增速器。

由于所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸小，且傳動(dòng)比大，故可選擇的螺桿泵增速有三種方式，諧波齒輪增速，擺線針輪增速，少齒差行星齒輪增速。這三種增速方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，也都廣泛應(yīng)用。通過對(duì)三種傳動(dòng)采油方案的對(duì)比分析，選擇基于諧波齒輪傳動(dòng)的螺桿泵驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]萬仁薄.采油技術(shù)手冊(cè)（修訂版）第四分冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003.

[2]孫俊峰.螺桿泵采油技術(shù)在錦州油田的改進(jìn)及優(yōu)化[D].哈爾濱：東北石油大學(xué)碩士論文，2009.

[3]周衛(wèi)東.漸開線諧波齒輪傳動(dòng)齒廓參數(shù)優(yōu)化及動(dòng)態(tài)仿真[D].大連：大連理工大學(xué)碩士論文，2008.

[4]陽培，張立勇，工長(zhǎng)路等.諧波齒輪傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展概述.機(jī)械傳動(dòng)，2005，29（3）：69-72.

[5]饒振綱.諧波齒輪減速器的研究.傳動(dòng)技術(shù)，1995，（2）：9-10.