全金屬螺桿減速器設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

陳維 黃新宇

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-4822

摘? 要：針對(duì)現(xiàn)有的渦輪鉆具減速器存在的齒輪模數(shù)小、輪齒抗彎強(qiáng)度不足、慣性力不易平衡、傳動(dòng)效率低等問題，設(shè)計(jì)了一種新型的全金屬螺桿減速器，該減速器主要由曲柄、螺桿副、花瓣式聯(lián)軸器和輸出軸等組成。為了使其獲得最佳輸出性能，以螺桿輸出轉(zhuǎn)速為研究對(duì)象，建立了減速器的3D模型，利用Adams軟件對(duì)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，分析螺桿定轉(zhuǎn)子的配合間隙對(duì)減速比的影響。仿真結(jié)果顯示減速器的減速比大致約等于螺桿定、轉(zhuǎn)子的頭數(shù)比，但不同間隙值對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性影響較大。根據(jù)研究結(jié)果篩選出了最佳間隙值，為螺桿減速器的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：螺桿減速器? 全金屬? 間隙值? 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真? 平穩(wěn)性

中圖分類號(hào)：TH132.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）01（c）-0055-05

Design and Kinematic Analysis of All Metal Screw Reducer

CHEN Wei*? HUANG Xinyu

（School of Mechanical Engineering， Yangtze University， Jingzhou， Hubei Province， 434000 China）

Abstract： Aiming at the problems existing in the existing turbodrill reducer， such as small gear modulus， insufficient bending strength of gear teeth， difficult balance of inertia force， low transmission efficiency， a new type of all-metal screw reducer was designed. The reducer is mainly composed of crank， screw pair， petal coupling and output shaft.In order to obtain the best output performance， taking the output speed of screw as the research object， the 3D model of reducer is established， and Adams software is used to carry out kinematic simulation of the output speed， so as to analyze the influence of the fit clearance of screw fixed rotor on the reduction ratio.The simulation results show that the reduction ratio of the reducer is approximately equal to the head ratio of the screw and the rotor， but different clearance values have great influence on the stability of rotation.According to the research results， the best clearance value is selected to provide reference for the design of screw reducer.

Key Words： Screw reducer; All metal; Gap value; Kinematic simulation; Stationarity

目前，石油開發(fā)的重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向深部地層，深井、超深井、定向井和水平井鉆井將越來越多，地層硬度越來越大，地層研磨性越來越強(qiáng)，井底溫度越來越高。用轉(zhuǎn)盤鉆鉆深井和超深井，鉆桿失效嚴(yán)重，鉆井事故頻發(fā)，機(jī)械鉆速低，鉆井成本劇增。用螺桿鉆具鉆深井、超深井和水平井，受井底高溫和高密度泥漿的影響，工作可靠性下降。用渦輪鉆具鉆深井、超深井和水平井，可充分利用渦輪鉆具高轉(zhuǎn)速低鉆壓的破巖特點(diǎn)，提高硬地層鉆井的機(jī)械鉆速，在未來的油氣井鉆井中渦輪鉆具鉆井具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

但是，渦輪鉆具的大功率是由高轉(zhuǎn)速形成的，高轉(zhuǎn)速對(duì)鉆頭工作壽命影響極大，牙輪鉆頭不能在高轉(zhuǎn)速下工作，與PDC鉆頭配合使用則扭矩不夠。另外，在中軟地層、中硬地層鉆井時(shí)需要高鉆壓大扭矩，才能提高機(jī)械鉆速。帶減速器的渦輪鉆具將渦輪的高轉(zhuǎn)速變?yōu)檩^低輸出轉(zhuǎn)速，將渦輪產(chǎn)生的扭矩變?yōu)檩^大輸出扭矩，以滿足低速、大扭矩、高鉆壓鉆井的要求，拓寬了渦輪鉆具的應(yīng)用范圍，降低了對(duì)鉆頭和泥漿循環(huán)系統(tǒng)的要求[1-3]。

近100多年來，科學(xué)家和設(shè)計(jì)師們一直在研究渦輪鉆具用井下減速器。由于受井下空間有限、工作環(huán)境復(fù)雜、鉆柱振動(dòng)等因素的影響，提高井下減速器的壽命和工作可靠性的難度很大。目前，已獲工業(yè)應(yīng)用的井下減速器是大直徑行星齒輪減速器。齒輪傳動(dòng)由于徑向尺寸的限制，齒輪所取的模數(shù)一般較小，致使輪齒抗彎強(qiáng)度不足而容易損壞;若選用多級(jí)行星輪減速器，則會(huì)增大渦輪鉆具長(zhǎng)度和增加渦輪鉆具重量[1-6]。

近幾年，針對(duì)普通螺桿橡膠襯套受不適應(yīng)井底高溫環(huán)境，國內(nèi)外專家、學(xué)者對(duì)全金屬螺桿馬達(dá)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研發(fā)了一種全金屬材質(zhì)的螺桿馬達(dá)[6-14]。這種全金屬的螺桿采用全金屬結(jié)構(gòu)，利用金屬定子和金屬轉(zhuǎn)子之間的相互嚙合進(jìn)行鉆井工作，由于沒有橡膠部件更能適應(yīng)井下的高溫環(huán)境[13]。

本文設(shè)計(jì)的減速器利用單螺桿傳動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)減速[15]，單螺桿采用全金屬結(jié)構(gòu)且不受徑向尺寸的限制。

1? 結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為全金屬螺桿減速器結(jié)構(gòu)示意圖，它主要由螺桿副、滑動(dòng)軸承副、萬向聯(lián)軸節(jié)、曲柄、高低速軸等組成。螺桿轉(zhuǎn)子6偏心地安裝在定子5中，螺桿轉(zhuǎn)子為鋼制多線外螺旋面，螺桿定子為鋼制多線內(nèi)螺旋面，兩者構(gòu)成多線螺桿副，其偏心距與曲柄4的半徑相同。螺桿的一端安裝軸承17，軸承中裝軸，軸連接曲柄4，曲柄再連接高速軸2;螺桿的另一端裝萬向聯(lián)軸節(jié)8，并與低速軸12相連。

當(dāng)螺桿的轉(zhuǎn)子軸以一轉(zhuǎn)速為 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)繞其軸心滾動(dòng)，它的軸心同時(shí)又圍繞定子軸心沿一個(gè)半徑為“ ”的圓柱、以轉(zhuǎn)速為在的相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

令螺桿副的頭數(shù)比為

為金屬定子的頭數(shù)，為金屬轉(zhuǎn)子的頭數(shù)，且 。

根據(jù)螺桿的運(yùn)動(dòng)特性可推導(dǎo)出：×，即螺桿轉(zhuǎn)子公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是其自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的倍。

當(dāng)動(dòng)力由高速軸輸入時(shí)，動(dòng)力通過滑動(dòng)軸承副及曲柄將動(dòng)力傳遞到螺桿副，螺桿轉(zhuǎn)子在曲柄的帶動(dòng)下沿著定子內(nèi)表面作相反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終傳遞給萬向聯(lián)軸器，達(dá)到減速目的。當(dāng)將動(dòng)力由低速軸輸入時(shí)，當(dāng)螺桿在萬向聯(lián)軸器的帶動(dòng)下沿定子內(nèi)表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺桿軸線將繞定子軸線作相反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過滑動(dòng)軸承副及曲柄將這一運(yùn)動(dòng)傳給高速軸，達(dá)到增速的目的?？梢钥闯?，高低速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是相反的。

2? 金屬螺桿定、轉(zhuǎn)子的配合

傳統(tǒng)的螺桿的定子為橡膠材質(zhì)，且螺桿作為馬達(dá)使用時(shí)為了保證螺桿馬達(dá)工作有效性、可靠性，螺桿的定、轉(zhuǎn)子表面必須考慮接觸密封，因此作為動(dòng)力鉆具使用時(shí)，橡膠定子和螺桿轉(zhuǎn)子采用的是過盈配合。

但是，當(dāng)螺桿作為減速器即傳動(dòng)裝置時(shí)，則可不用考慮定、轉(zhuǎn)子的表面接觸密封。同時(shí)本文所設(shè)計(jì)的減速器定、轉(zhuǎn)子均為金屬材質(zhì)，如果采用過盈配合，必然導(dǎo)致劇烈的磨損，磨損會(huì)破壞定、轉(zhuǎn)子表面的線型，使定、轉(zhuǎn)子的嚙合失效，喪失工作性能。而且伴隨著鉆井深度的增加，井底的溫度也將隨之不斷升高，定、轉(zhuǎn)子必將受熱膨脹，如果仍然采用過盈配合，必將加劇兩者之間的磨損，甚至?xí)?dǎo)致完全卡死。

綜上所述，金屬螺桿必須采用間隙配合，但是間隙過大時(shí)，螺桿定子-轉(zhuǎn)子嚙合副會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，嚴(yán)重影響螺桿減速器的傳動(dòng)平穩(wěn)性。

3? 螺桿減速器的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

使用三維建模軟件SolidWorks建立了該減速器的模型（假設(shè)螺桿頭數(shù)比為5：6），參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)常用優(yōu)先配合特性及選用舉例，選取定、轉(zhuǎn)子的配合公差分別為H6/f5，H7/f6，H8/f8，H8/e8，H8/d8，H9/e9，即間隙值分別為0.073mm，0.093mm，0.144mm ，0.179mm，0.228mm，0.246mm，利用Adams對(duì)螺桿減速器的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真分析。

建立如圖2所示的仿真模型，材料均選用42CrMo，其密度為7850kg/m3，彈性模量為212GPa。設(shè)置驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為1000r/min，并設(shè)置相對(duì)應(yīng)的固定副、旋轉(zhuǎn)副，添加約束力，得到仿真結(jié)果如圖3～圖8所示。

根據(jù)Adams不同間隙值的輸出轉(zhuǎn)速曲線，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)理分析，并利用方差反映傳動(dòng)平穩(wěn)性，得到結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1可知，間隙值在一定范圍內(nèi)時(shí)，間隙值對(duì)輸出轉(zhuǎn)速影響不大，但是隨著間隙值的增大，輸出轉(zhuǎn)速的方差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。由于方差越小，傳動(dòng)越平穩(wěn)，因此認(rèn)為螺桿頭數(shù)比為5：6，輸入轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，定、轉(zhuǎn)子的間隙值為0.228mm即采用配合公差為H8/d8時(shí)最佳。

4? 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種新型的全金屬螺桿減速器。該減速器采用全金屬結(jié)構(gòu)，不含橡膠部件，能夠適應(yīng)井下高溫、高壓環(huán)境，且由于采用螺桿傳動(dòng)，不受徑向尺寸的限制。

（2）分析不同間隙值對(duì)螺桿減速器的輸出轉(zhuǎn)速的影響，得知螺桿頭數(shù)比為5：6，輸入轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，定、轉(zhuǎn)子的間隙值為0.228mm，即采用配合公差為H8/d8時(shí)輸出特性最佳。

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