井底非圓齒輪馬達的研究及相關(guān)技術(shù)難題

劉濤，楊甘生，范孔岳

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）國土資源部深部鉆探技術(shù)重點實驗室，北京 100083）

0 引 言

在地質(zhì)鉆探與石油鉆探行業(yè)中，鉆頭的驅(qū)動方式一般有兩種：地表驅(qū)動和井底驅(qū)動。在井底驅(qū)動方式中，鉆頭以回轉(zhuǎn)方式為主，沖擊方式使用得較少。井底驅(qū)動的效率高低取決于井底動力裝置的選擇類型，現(xiàn)在使用最多的井底動力裝置是渦輪鉆具（馬達）與螺桿鉆具（馬達），但是這兩種鉆具又都各有缺點，渦輪鉆具鉆速太高，輸出扭矩過?。宦輻U鉆具橡膠定子不耐高溫、壽命短。為了避免以上兩種井底動力裝置的不足，我們嘗試著研究一種可以克服這兩種馬達缺點的井底動力裝置——井底非圓齒輪馬達。

非圓齒輪馬達具有低轉(zhuǎn)速、高輸出扭矩、抗污染能力強、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、噪聲低、重量輕、轉(zhuǎn)速范圍寬、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、脈動量小、功率重量比大、容積效率及機械效率高、使用壽命長等優(yōu)點［1-2］。其低轉(zhuǎn)速、高輸出扭矩的特點，可以保證非圓齒輪馬達在鉆頭與輸出軸間不安裝減速器等裝置，這樣就可以縮短鉆具的長度；其抗污染能力強的特點，使得其很適宜作為工作環(huán)境惡劣地點的動力裝置。

非圓齒輪馬達由于具有上述如此多的優(yōu)點，并且已經(jīng)作為井上馬達得到大范圍推廣使用，如果這些優(yōu)點也能夠在井底發(fā)揮，那么其就能夠解決螺桿鉆具的不耐高溫和渦輪鉆具的扭矩小、轉(zhuǎn)速高的問題，滿足在超深鉆探、地?zé)徙@探中對井下鉆探設(shè)備的耐高溫和大扭矩輸出需求，發(fā)揮穩(wěn)定的工作性能，這樣井底非圓齒輪馬達的應(yīng)用將會大大提高井底鉆探的效率。

1 非圓齒輪馬達的歷史與發(fā)展現(xiàn)狀

1971 年，波蘭人發(fā)表了第一篇有關(guān)非圓齒輪液壓馬達的專利，專利號為151883［3］；1977 年，波蘭人B.Sieniawski 將非圓行星齒輪機構(gòu)應(yīng)用于液壓馬達中，稱為SOK 型液壓馬達［4-5］；1986 年，波蘭人D.Sieniawski 又提出了SOK 馬達的一種改進型馬達，稱之為HSS 型液壓馬達，其非圓齒輪的節(jié)曲線為圓弧——圓弧型。1993 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李建生取得了“非圓行星齒輪式低速大扭矩液壓馬達”的中國專利,專利號為93221257.3；2009年,安徽合肥航天液壓機械有限公司的張孟和等申請了“非圓行星齒輪液壓馬達”的專利，專利號為200910117059.8，該馬達適用于乳化液或者礦物油作為介質(zhì)；2011 年，沈冰妹、許鴻昊等研制了一種雙圓弧節(jié)曲線的新型非圓齒輪機構(gòu)，并用線切割法加工制造出了齒輪機構(gòu)樣品，與波蘭海德曼公司進口的SP-50 馬達的齒輪機構(gòu)在相同條件下進行了對比試驗。結(jié)果顯示，在300～800 r/min 范圍內(nèi)，兩種齒輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩、工作效率基本一致，這表明所設(shè)計的齒輪結(jié)構(gòu)是合理的。

非圓齒輪行星液壓馬達的研究經(jīng)歷了很多階段，從34、45 的差1 型到35、46、57 的差2 型；從介質(zhì)為液壓油到乳化液、泥漿；從用于井上動力裝置到井底動力裝置。非圓行星齒輪馬達的結(jié)構(gòu)也由于工作介質(zhì)、工作環(huán)境的改變而發(fā)生了變化，配流機構(gòu)、流體通道等也發(fā)生了相關(guān)改變。

2 井底非圓齒輪馬達的研究

2.1 井底非圓齒輪馬達的基本結(jié)構(gòu)及其原理

本文主要以3-4 型非圓齒輪馬達的結(jié)構(gòu)為例進行介紹。

井底非圓齒輪馬達的馬達總成部分主要由非圓行星輪系、前后配流盤以及軸承等組成，非圓行星輪系又由內(nèi)齒輪、行星輪和中心輪三部分組成。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的輸出扭矩比較大，設(shè)計中就采用了類似于渦輪鉆具中渦輪節(jié)的結(jié)構(gòu)——齒輪節(jié)，多節(jié)齒輪串聯(lián)起來，每一個行星齒輪系的鉆速n 相同，排量V 相同，輸出的轉(zhuǎn)矩T 相加，最終達到輸出轉(zhuǎn)矩T 很大、鉆速n 較小的效果。井底非圓齒輪馬達除了馬達總成部分，還包括旁通閥總成與傳動軸總成兩部分，旁通閥總成、馬達總成、傳動軸總成三大總成共同構(gòu)成所設(shè)計的井底非圓齒輪馬達。

馬達總成是由多級齒輪節(jié)串聯(lián)組成，圖1 所示為3-4型井底馬達馬達總成的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 3-4 型井底非圓齒輪馬達總成部分結(jié)構(gòu)示意圖

3-4 型非圓齒輪馬達總成部分主要由行星齒輪系（包括行星輪、非圓三角輪與非圓內(nèi)齒圈四方輪），配流盤1、主軸、配流盤2、外殼、浮動軸套等部分組成。鉆井液從配流盤1 上的進液孔，流入行星輪系與浮動軸套、外殼組成的7 個密閉腔，由于液壓切向不平衡力而產(chǎn)生扭矩，推動行星輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，通過嚙合關(guān)系，行星輪帶動三角輪轉(zhuǎn)動，三角輪與主軸之間是通過鍵連接的，這樣就帶動主軸的旋轉(zhuǎn)，從而輸出轉(zhuǎn)矩T0，從上一個齒輪節(jié)配流盤出液孔流出的鉆井液，經(jīng)過渠道流到下一個配流盤的進液孔處，進入下一個齒輪節(jié)中的密閉腔，再使得主軸輸出一個扭矩T0，多個扭矩T0疊加，就可以達到輸出較大扭矩的效果。非圓三角輪、非圓內(nèi)齒圈四方輪及行星輪組成的密閉腔的體積隨著鉆井液的進出發(fā)生改變，高壓鉆井液進入時，密閉腔的體積逐漸增大，低壓鉆井液流出時，密閉腔的體積變小。鉆井液進入與排出密閉腔，通過行星輪的運動來控制，行星輪在運動過程中會依次接通或關(guān)閉進液或出液孔，齒輪間密閉腔的進、排鉆井液過程不斷地循環(huán)變化，達到馬達連續(xù)輸出力矩。

由于馬達總成的核心部件是行星輪系結(jié)構(gòu)（即1 個齒輪節(jié)），多個行星輪系組成多級齒輪節(jié)，而行星輪系結(jié)構(gòu)的主要部件又是非圓內(nèi)齒圈（四方輪）、非圓外齒輪（三角輪）和行星輪，所以對非圓內(nèi)齒圈（四方輪）、非圓外齒輪（三角輪）和行星輪的結(jié)構(gòu)做如下介紹。圖2 為三角輪的CAD 圖，圖3 為四方輪的CAD 圖，圖4 為馬達行星輪系實物模型圖，圖5 為配流盤1 的CAD 圖與實物模型圖。

圖2 非圓外齒輪的CAD 圖

圖3 非圓內(nèi)齒圈的CAD 圖

2.2 井底非圓齒輪馬達面臨的技術(shù)難題及解決辦法

圖4 非圓齒輪馬達行星輪系實物模型圖

由于要求井底非圓齒輪馬達輸出扭矩大、轉(zhuǎn)速小，并且要受到壓力、工作介質(zhì)等井底環(huán)境因素的影響，使得井底馬達在很多方面需要改進，相關(guān)技術(shù)難題也伴隨而生。雖然馬達的設(shè)計過程中已經(jīng)解決了相關(guān)難題，如非圓齒輪節(jié)曲線的設(shè)計［6］、配流盤中配流孔的個數(shù)與位置的設(shè)計［7］、齒輪根切的問題以及加工過程中帶刀的問題［8］。但是還有密封問題、困油問題、多級齒輪節(jié)串聯(lián)問題都還沒有解決，以下提出相應(yīng)的解決方法。

圖5 配流盤1 的CAD 圖與實物模型圖

1）井底非圓齒輪馬達的密封性不好直接導(dǎo)致馬達的泄漏問題嚴重，齒輪端面和配流盤間、2 個齒輪的齒面嚙合處比較容易產(chǎn)生泄漏，其中對泄漏影響最大的是齒輪端面和配流盤間的軸向間隙，可以采用齒輪端面自動補償?shù)霓k法來解決。

如圖6，利用特制的通道把馬達密閉腔的工作介質(zhì)引到浮動軸套的外側(cè)，產(chǎn)生液壓作用力，使得軸套壓向齒輪端面，這個液壓力必須大于齒輪端面作用在軸套內(nèi)側(cè)的作用力，才能保證在各種壓力下軸套始終與齒輪端面貼緊，這樣就可以達到減小馬達通過端面泄漏的目的。

圖6 非圓齒輪馬達端面間隙自動補償

2）由于本設(shè)計是非圓齒輪馬達，涉及到齒輪的傳動，那么就必然會出現(xiàn)類似普通齒輪液壓馬達或者齒輪液壓泵的困油現(xiàn)象,本文中稱之為“困液”現(xiàn)象。齒輪馬達的“困液”現(xiàn)象解釋如下：齒輪馬達若要正常穩(wěn)定工作，則齒輪嚙合的重疊系數(shù)必須大于1，即要求在一對輪齒即將脫開嚙合前，后面的一對輪齒就要開始嚙合。就在兩對輪齒同時嚙合的這一小段時間里，留在齒間的液體困在行星齒輪與三角輪（四方輪）和前后配流盤所形成的一個密閉空間里，如圖7（a）所示，當齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，這個空間的容積逐漸減小，直到兩個嚙合點A、B 處于節(jié)點兩側(cè)的對稱位置時，如圖7（b）所示，這時封閉容積減為最小。一般工作介質(zhì)的可壓縮性很小，當封閉空間的容積減小時，被困的液體受擠壓，壓力急劇上升，液體從零件接合面的縫隙中強行擠出，使齒輪和軸承受到很大的徑向力；當齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這個封閉空間容積又會逐漸增大到如圖7（c）所示的最大位置，容積增大時會造成局部真空，使液體中溶解的氣體分離，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，這些會使得齒輪馬達產(chǎn)生較大的噪聲。

圖7 非圓齒輪馬達“困液”現(xiàn)象

“困液”現(xiàn)象對馬達會產(chǎn)生很大的損壞，降低其使用壽命，需要采取辦法將其消除，消除的方法通常是在齒輪馬達的兩側(cè)配流盤上銑兩條卸荷槽［9］，如圖7 中虛線所示，當密封容積減小時，使其與配流盤出油口相通，當密封容積增大時，使其與配流盤進油口相通。

3）非圓齒輪馬達設(shè)計由于需要輸出較大的扭矩T，所以本設(shè)計中采用了多級齒輪節(jié)相串聯(lián)的方法來達到目的。每一個齒輪節(jié)傳一份扭矩T0給軸（各份理論上相等），其總和即為非圓齒輪馬達的扭矩。由于所有的齒輪節(jié)中齒輪均以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此，功率是累加起來，類似地，工作壓力也是累加起來的。基本方式采用與渦輪鉆具中的渦輪節(jié)連接相同的方式,只是每個齒輪節(jié)的中間多了一個配流盤，這樣多個齒輪節(jié)通過串聯(lián)，通過扭矩疊加，達到輸出大扭矩的目的。

3 結(jié) 論

非圓齒輪馬達的研究經(jīng)歷了多個階段，從液壓油作為工作介質(zhì)到乳化液等作為工作介質(zhì)，再到泥漿等作為工作介質(zhì)；從井上馬達到井底馬達。其技術(shù)難題也一個一個得到突破：非圓齒輪節(jié)曲線的設(shè)計步驟得出；齒輪根切的問題以及加工過程中帶刀問題的解決；從最開始在非圓齒輪上開孔引入工作介質(zhì)，到后來采用分流環(huán)、集流環(huán)等，從采用一個配流盤再到現(xiàn)在采用前后兩個配流盤的改進；非圓齒輪馬達配流盤上配油孔的個數(shù)與位置的設(shè)計研究。雖然現(xiàn)在用于井底的非圓齒輪馬達并不多見，并且仍然有很多難題沒有解決，例如：脈動率、排量與結(jié)構(gòu)參數(shù)（齒數(shù)、模數(shù)）的關(guān)系等，但是由于其突出的優(yōu)點，可以克服現(xiàn)在渦輪鉆具、螺桿鉆具的相關(guān)不足，值得我們?yōu)橹剿髋c努力。

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