井下全金屬非圓齒輪動力鉆具設(shè)計與可行性研究

張 偉，王 瑜，張 凱，劉寶林，路家興

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室，北京 100083；3.中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100120)

0 引言

近年來，隨著鉆探行業(yè)的發(fā)展，深井和超深井的應(yīng)用越來越多。在深井和超深井的鉆探過程中，隨著鉆進(jìn)深度和巖石強度的增加，能量利用率更高的井下動力鉆具的優(yōu)勢就得以體現(xiàn)。而隨著溫度的增加，傳統(tǒng)動力鉆具所含的橡膠等不耐高溫件嚴(yán)重影響了井下動力鉆具的性能(沙俊杰等，2019)和使用壽命(表1)，因此選擇一種耐高溫的全金屬動力鉆具就顯得尤為重要。目前較為成熟的全金屬井下動力鉆具是渦輪鉆具和全金屬螺桿鉆具。但是渦輪鉆具的轉(zhuǎn)速過高，輸出扭矩較小等缺點限制了其應(yīng)用；全金屬螺桿鉆具具有定子加工難度大和成本高，且非同心結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生橫向振動等缺點。而全金屬非圓齒輪馬達(dá)具有轉(zhuǎn)速適應(yīng)性強、抗污染、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、耐高溫等優(yōu)點(雍小源和張連國，1991；許益民，1995)。并且其作為一種容積式馬達(dá)，采用多齒輪的嚙合形成多個密封腔，通過流體靜壓力驅(qū)動同心回轉(zhuǎn)，輸出的扭矩與壓差成正比、與轉(zhuǎn)速成反比，具有硬機械特性。齒輪結(jié)構(gòu)對鉆井液中的固相顆粒不敏感，同心運動橫向振動小，且齒輪結(jié)構(gòu)加工技術(shù)成熟，成本較低，在鉆井工具上具有一定的應(yīng)用可行性。目前國內(nèi)僅有中國地質(zhì)大學(xué)(北京)對非圓齒輪動力鉆具進(jìn)行了探索性研究，并取得了初步進(jìn)展。主要研究工作包括非圓齒輪節(jié)曲線(李瑞鑫，2011)、配流孔、動力節(jié)和支承節(jié)的設(shè)計等(尹浩，2014；王少杰，2017)。

表1 石油鉆井工具的耐溫能力和發(fā)展?jié)摿able 1 Temperature tolerance and development potential of oil drilling tools

本文在總結(jié)前人對非圓行星齒輪液壓馬達(dá)研究工作的基礎(chǔ)上，對典型非圓齒輪馬達(dá)的工作原理和近些年的發(fā)展趨勢和應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行了介紹；分析了非圓齒輪動力鉆具的可行性，開展了非圓行星齒輪馬達(dá)井下動力鉆具樣機研制，驗證了該馬達(dá)應(yīng)用于井下動力鉆具的可行性與非圓齒輪馬達(dá)井下動力鉆具原理的可靠性，為該型動力鉆具的研發(fā)提供參考依據(jù)。

1 非圓齒輪液壓馬達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 工作原理分析

最早的非圓行星齒輪液壓馬達(dá)-SOK型液壓馬達(dá)(Sieniawski，1986；Sieniawski et al.，1989)是由波蘭人B.Sieniawski發(fā)明的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作原理為：當(dāng)進(jìn)油口通入高壓液壓油后，高壓液壓油經(jīng)由配流盤進(jìn)入由太陽輪、行星輪、內(nèi)齒輪和配流盤構(gòu)成的工作腔中。在高壓油的作用下，行星輪和太陽輪朝容積變大的方向運動，當(dāng)運動到容積最大處時，進(jìn)油口被遮擋、排油口被打開，此時進(jìn)行排油工作。由于進(jìn)、排油口的不斷轉(zhuǎn)變，太陽輪帶動輸出軸不斷旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)持續(xù)運轉(zhuǎn)。

圖1 SOK型液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of SOK hydraulic motor1-太陽輪；2-行星輪；3-內(nèi)齒輪；4-輸出軸；5-端蓋；6-配流盤1-sun gear;2-planetary gear;3-internal gear;4-output shaft;5-end cap;6-port plate

1.2 典型結(jié)構(gòu)介紹

這些年對非圓行星齒輪液壓馬達(dá)的研究主要包括：在結(jié)構(gòu)上，從3-4和4-5差1型馬達(dá)到3-5和4-6差2型馬達(dá)的改變；工作介質(zhì)從液壓油到乳化液再到泥漿等等，馬達(dá)的性能也隨之改變。

B.Sieniawski將SOK型液壓馬達(dá)研制出來之后，又對其進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，最終得出如圖2b所示的HSS型馬達(dá)。HSS與SOK型液壓馬達(dá)最大的不同點是SOK型液壓馬達(dá)的內(nèi)外齒輪節(jié)曲線為高階橢圓，HSS型液壓馬達(dá)內(nèi)外齒輪的節(jié)曲線為雙圓弧節(jié)曲線(唐德威,2000；廖璇，2007；沈冰妹和許鴻昊，2011)。自90年代初期我國也開始對該類型液壓馬達(dá)進(jìn)行研究，并成功制造出3-4型液壓馬達(dá)的樣機(王貴海等，1993)。通過對馬達(dá)的研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外齒圈周期數(shù)不為4和3的非圓齒輪也可以構(gòu)成液壓馬達(dá)。此后不斷出現(xiàn)各種類型非圓行星齒輪液壓馬達(dá)：比如李建生和李華敏(1993)提出的變中心距非圓行星齒輪機構(gòu)，設(shè)計了如圖3a所示的3-5型非圓齒輪液壓馬達(dá)；2009年，安徽合肥航天液壓機械有限公司申請了如圖3b所示的以乳化液或者礦物油作為介質(zhì)的“非圓行星齒輪液壓馬達(dá)”專利(張孟和等，2010)。這些馬達(dá)隨著非圓內(nèi)外齒輪周期數(shù)和周期數(shù)差值的增加，其單位體積排量隨之增加，相同體積馬達(dá)的扭矩也隨之增大，而馬達(dá)的脈動率隨之減少(李建生和李華敏，1994)。

圖2 差1型馬達(dá)Fig.2 Differential type 1 motor

圖3 差2型馬達(dá)Fig.3 Differential type 2 motor

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域分析

非圓行星齒輪液壓馬達(dá)具有轉(zhuǎn)速低、扭矩大和抗污染性能好等優(yōu)點，所以其應(yīng)用領(lǐng)域較廣泛。波蘭海德曼液壓動力設(shè)備廠設(shè)計與制造的HSP、SP系列非圓行星齒輪液壓馬達(dá)成功應(yīng)用于煤礦井下作業(yè)(李磊等，2007)；在石油煉制行業(yè)的延遲焦化除焦過程中的水力除焦輔助設(shè)備應(yīng)用了非圓行星齒輪液壓馬達(dá)(劉志平等，2014)；ELM系列以乳化液為介質(zhì)的低速大扭矩非圓行星齒輪液壓馬達(dá)也已經(jīng)在采礦、建筑等行業(yè)得到了實際應(yīng)用(王軍寧和張麗華，2010)；研究人員將非圓行星齒輪液壓馬達(dá)與錨桿鉆機相結(jié)合，制造出了可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單和體積小的手持式錨桿鉆機(李磊，2008;何晶，2012)；中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院設(shè)計了一種以非圓齒輪馬達(dá)為動力頭的ZRS20-50/370型手持式乳化液鉆機，并已成功應(yīng)用于煤礦的鉆探(陽廷軍，2013)。

1.4 非圓齒輪鉆具可行性分析

通過對國內(nèi)外非圓行星齒輪馬達(dá)的調(diào)研可知，非圓行星齒輪液壓馬達(dá)的工作介質(zhì)為液壓油或乳化液，其中以乳化液作為介質(zhì)的馬達(dá)應(yīng)用廣泛。以HPM-s系列乳化液馬達(dá)為例，其過濾精度為63 μm。而一般石油鉆井所用固控系統(tǒng)的精度為4 μm，所以鉆探所用的鉆井液完全符合非圓行星齒輪馬達(dá)對工作介質(zhì)的要求。

馬達(dá)的輸出扭矩和馬達(dá)的排量以及工作壓差成正相關(guān)。通過查閱市面上的乳化液馬達(dá)資料可知，HPM-100s乳化液馬達(dá)與井下動力鉆具的參數(shù)如表2所示。由馬達(dá)排量與齒寬的關(guān)系：V=ΔS×B，流量與排量的關(guān)系：Q=Vn(式中：V為排量(L)；ΔS是面積差(mm2)；B為齒寬(mm)；Q為流量(L/min或L/s)；n是轉(zhuǎn)速(r/min或r/s))可知，可以通過并聯(lián)井下馬達(dá)來增大動力鉆具的總排量進(jìn)而調(diào)節(jié)馬達(dá)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。

表2 HPM-100s馬達(dá)與井下動力馬達(dá)參數(shù)對比Table 2 Comparison of parameters between HPM-100s motor and downhole power motor

非圓行星齒輪馬達(dá)為同心結(jié)構(gòu)，徑向受力平衡，可以應(yīng)用在高壓場合。但齒輪馬達(dá)的泄漏大，齒輪嚙合時的“困油”現(xiàn)象使接觸面加速發(fā)生“點蝕”問題，可通過增加特殊通道將兩對齒輪嚙合處，留在齒間的這部分高壓油導(dǎo)出馬達(dá)(劉濤等，2014)，并加強局部細(xì)節(jié)設(shè)計進(jìn)行緩解和優(yōu)化；嚙合齒處接觸應(yīng)力和受力條件惡劣，可適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化齒輪模數(shù)和結(jié)構(gòu)以增加強度；輸出扭矩受到齒輪可加工長度的制約(Emura and Sakai，1981；李宇鵬等，1997；胡赤兵等，2011；劉有余等,2013,2014；張國政等，2014；孫曉飛，2015)，可通過馬達(dá)并聯(lián)來增大馬達(dá)的輸出扭矩。綜合分析，將非圓行星齒輪馬達(dá)應(yīng)用于井下鉆進(jìn)具有一定的可行性。

2 動力鉆具原理驗證與改進(jìn)

2.1 動力鉆具原理驗證

將非圓行星齒輪液壓馬達(dá)與井下動力鉆具相結(jié)合，本課題組設(shè)計了Φ73 mm非圓行星齒輪井下動力鉆具，如圖4所示。高壓的鉆井液從上方的鉆桿內(nèi)流經(jīng)左壓板3中的通道a，充滿前壓板3和配流盤4之間的環(huán)狀間隙b，再通過環(huán)狀間隙b流經(jīng)配流盤4流到非圓行星齒輪機構(gòu)中帶動太陽輪5、行星輪6、軸1和軸10旋轉(zhuǎn)，最后從配流盤8的配流孔、配流體9的通道、右半軸10的孔中流出。

圖4 井下動力鉆具原理樣機Fig.4 Principle prototype of downhole power drilling toola-通道；b-環(huán)狀間隙；1-左半軸；2-外殼體；3-左壓板；4-配流盤；5-太陽輪；6-行星齒輪；7-內(nèi)齒輪；8-配流盤；9-配流體；10-右半軸a-channel;b-annular space;1-left half axis;2-shell body;3-left pressing plate;4-port plate;5-sun gear;6-planetary gear;7-internal gear;8-port plate;9-fluid distributor;10-right half axis

齒輪鉆具原理樣機設(shè)計完成后，進(jìn)行了加工制造，并在室內(nèi)通入清水進(jìn)行了原理性試驗。首先設(shè)置泵的輸出流量為250 L/min時，通入清水到鉆具原理樣機中，鉆具原理樣機順利回轉(zhuǎn)；隨后拆掉原理樣機中的橡膠密封部件，通入同流量的清水進(jìn)行實驗，觀測到馬達(dá)原理樣機順利回轉(zhuǎn)，但回轉(zhuǎn)速度低于有橡膠密封部件的情況，說明金屬配合下有一定的泄漏，這將使鉆具原理樣機的容積效率有一定的降低，但兩次的試驗說明，全金屬非圓齒輪鉆具方案具有可行性，但具體的性能指標(biāo)需要進(jìn)一步測試。

2.2 動力鉆具的改進(jìn)

圖5 多級井下動力鉆具示意圖Fig.5 Schematic diagram of multi-stage downhole power drilling toolsa-進(jìn)液口；b-高壓通道；c-定子上的出液口；d-配流體上的出液口；e-低壓通道；1-前半軸；2-前配流體；3-前配流盤；4-殼體；5-定子；6-太陽輪；7-配流體；8-后半軸；9-后配流體a-liquid inlet;b-high pressure channel;c-liquid outlet on the stator;d-liquid outlet on the distribution fluid;e-low pressure channel;1-front half axis;2-front fluid distributor;3-front port plate;4-shell body;5-stator;6-sun gear;7-fluid distributor;8-rear half axis;9-rear fluid distributor

3 泄漏分析

3.1 泄漏量理論分析

對全金屬非圓齒輪動力鉆具來說，其泄漏主要為行星齒輪和配流盤之間的端面泄漏(曹永軍,2015；劉光輝，2017)，如圖6中左圖所示。由配流盤和行星齒輪形成的縫隙處不但受到壓差作用，同時受到行星齒輪面的滑動作用。由于間隙h遠(yuǎn)小于行星齒輪的半徑r，因此可以將其看作平行平面縫隙流，其受力如圖6中右圖所示。

圖6 動力鉆具泄漏分析圖Fig.6 Power drilling tool leakage analysis diagram

沿流體流動方向(x軸正方向)可列出如下平衡方程：

式中：P為壓強(MPa)；b為行星齒輪的直徑(將行星齒輪截面看做邊長為b的正方形，b=2r)(mm)。

對其化簡并計算可得流速為：

對其積分可得流量為：

式中：ΔP為高低壓腔的壓差，Pa；h為縫隙的高度，m；μ為動力粘度，Pa·s；U為行星齒輪的轉(zhuǎn)速，m/s；r為行星齒輪的半徑，m；當(dāng)行星齒輪轉(zhuǎn)動方向和泄漏方向一致時為+，反之則為-。

為了減小行星齒輪和配流盤之間的縫隙寬度，本文設(shè)計了一個如圖7所示的由前配流盤4和前配流體3組成的浮動機構(gòu)。利用前配流體3上的進(jìn)液口將高壓流體引到前配流盤4與前配流體3之間的容腔a內(nèi)，產(chǎn)生液壓力，使配流盤壓向齒輪端面。這個力大于齒輪端面以及齒輪間液壓力作用在前配流盤內(nèi)側(cè)的力，因此能保證在各種壓力下，配流盤始終自動貼緊齒輪端面，減小馬達(dá)內(nèi)通過端面的泄漏。

圖7 浮動機構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of floating mechanism1-前半軸；2-殼體；3-前配流體；4-前配流盤；5-非圓齒輪系1-front half axis;2-shell body;3-front fluid distributor;4-front port plate;5-non-circular gear train

3.2 泄漏量有限元分析驗證

對前配流盤進(jìn)行建模，并對配流盤兩端面進(jìn)行區(qū)域分割，如圖8所示。其中將配流盤底部端面劃分為高壓區(qū)域，低壓區(qū)域，與行星齒輪接觸區(qū)域，與內(nèi)齒圈接觸區(qū)域和與太陽輪接觸區(qū)域。并采用Hex Dominant法對配流盤進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分精度為0.5 mm，最終形成953135個網(wǎng)格。

圖8 前配流盤區(qū)域劃分Fig.8 Front distribution plate area division

選材料為45#鋼，首先不考慮浮動結(jié)構(gòu)對前配流盤的影響。對該模型施加如下載荷和約束：(1)對高壓區(qū)域施加大小為5 MPa的法向載荷；(2)對低壓區(qū)域施加大小為1 MPa的法向載荷；(3)對非圓行星齒輪區(qū)域施加3 MPa的法向載荷；(4)對前配流盤頂面施加約束。通過ANSYS軟件進(jìn)行分析可得配流盤的形變圖。

接下來將浮動機構(gòu)對前配流盤的影響也考慮進(jìn)去，對該模型施加如下載荷和約束：(1)對高壓區(qū)域施加大小為5 MPa的法向載荷；(2)對低壓區(qū)域施加大小為1 MPa的法向載荷；(3)對非圓行星齒輪區(qū)域施加3 MPa的法向載荷；(4)對與內(nèi)齒圈接觸的區(qū)域和與太陽輪接觸的區(qū)域施加約束；(5)對前配流盤的頂面上的區(qū)域施加和高壓區(qū)域一樣的法向載荷(該區(qū)域和高壓腔相通，液體壓強一樣)。同樣通過ANSYS軟件進(jìn)行分析可得配流盤的形變圖。

通過對比前配流盤的形變圖可以看出，當(dāng)不存在浮動機構(gòu)時，位于行星齒輪接觸區(qū)域處影響動力鉆具泄漏量的變形在-0.13 μm左右(取上凸為正，凹陷為負(fù))，該處變形會增大動力鉆具的泄漏量。當(dāng)存在浮動機構(gòu)時，可以看出非圓行星齒輪區(qū)域處的形變量在+0.11～0.18 μm，能有效減小配流盤與非圓行星齒輪之間的縫隙，進(jìn)而減少動力鉆具的泄漏量，提高鉆具的容積效率。

4 結(jié)論與展望

(1)普通液壓馬達(dá)與井下動力鉆具的區(qū)別之一在于工作介質(zhì)不同，國內(nèi)外已經(jīng)成功研制出以與鉆井液性能類似的乳化液驅(qū)動的非圓齒輪馬達(dá)并應(yīng)用于煤礦巷道。同時，全金屬結(jié)構(gòu)的非圓齒輪動力鉆具原理樣機通過了基本動作測試，證明該型井下動力鉆具的研制具有可行性。

(2)全金屬非圓齒輪動力鉆具的齒輪部件受當(dāng)前機械加工能力、接觸齒強度和配合精度所限，無法加工出用于鉆井作業(yè)中滿足大扭矩驅(qū)動的大長度非圓齒輪，因此本文采用多級動力部件并聯(lián)的結(jié)構(gòu)來解決扭矩較小的問題。將這一結(jié)構(gòu)用于磨銑處理事故，側(cè)壁取心鉆具，動力鉆具驅(qū)動的繩索取心鉆具，以及其他鉆具中的驅(qū)動機構(gòu)中具有良好的發(fā)展前景。

(3)通過對全金屬非圓齒輪動力鉆具端面泄漏進(jìn)行的理論分析，得出了影響端面泄漏的關(guān)鍵因素，進(jìn)而提出了一種能優(yōu)化端面動、靜部件配合且能減少端面泄漏的浮動機構(gòu)，并通過ANSYS仿真軟件對其可行性進(jìn)行了驗證。