一种新型井下减速器的研制.PDF

第 2 1卷第 5期 2 o o 8年 9月 机 电产品开崖与 新 D e v e lo p me n t ＆ I n n o v a t i o n o f Ma c h i n e r y＆ E l e c t ri c a l P r o d u c t s VO1 ． 21 ． NO． 5 Se p． ， 2 00 8 一 种新型井下减速器 的研制 张 晓东 ，朱 正喜 西南石油大学 机 电工程学 院 ，四川 成都6 1 0 5 0 0 摘要 针 对 石 油 井下 减速 器 受径 向尺 寸 限制 难 以设 计 的现 状 ，比较 了几 种 减速 器设计 方 案 的优 劣 ，设 计 了一 种 与现有 并 下动 力钻 具 配合 使 用 的 NN 型 闭 式 少齿 差外 齿 输 出减 速 器 ，采 用 由油 润滑 的 两级 少齿 差齿 轮 副传 动 ．将 井下 涡轮 的 高转 速 、 小扭 矩 的旋 转 运动 ，变换 成钻 头上 的低 转 速 大 扭 矩 的旋 转运 动 。轮 齿 弯 曲 强度 和接 触 强度 增 强 ，能 满足 井下机 械 重 载运 行 的 需要 。 该减 速 器 具有 结 构 紧凑 、运 行 平稳 、承 载能 力 强 、减震 性 能好 、 密封 性 能 与传 动 效 率好 、使 用 寿命 长 的 优 点 。 关键 词 井 下减速 器 ；少齿 差 ；闭式 ；NN 型 ；机 械 密 封 中图分类号 T H一 3 9 文献标识码 A 文章编号1 0 0 2 6 6 7 3 2 0 0 8 0 5 0 5 5 0 3 0 引言 在石油钻井等石油井下作业工程中，井下减速器是常 用的机械装置。齿轮减速器涡轮钻具能够适应现代钻井工 艺的要求 ，配合 P D C钻头可提高钻井效果 ，缩短钻井周 期 ，降低综合成本 。目前应用最多的石油井下减速器是 N G W 型行星减速器 翻 。这种减速器 的特点是传动零件主 要沿径向布置 ．其结构特点正好与井下设备的 “ 径向尺寸 受到严格限制 、轴 向尺寸不受限制”要求相反 ，在实际应 用中常因齿轮模数过小，导致轮齿抗弯强度不足而很快损 坏。采取开式的减速器常因钻井液中存在大量固体颗粒而 使轮齿及轴承等磨损加快 ，寿命偏低。此外，也有采用定 轴轮系来实现减速传动的，这种传动装置减震性能差、传 动稳定性能偏低 、寿命短、难以加工装配。因此 ，现有的 石油井 下减速器 的设 计方案 尚有改进 的必要 m 。 1 减速器方案分 析 1 ． 1 减 速 器方 案设 计 从机械传 动理论 的角度分析 定轴轮 系、牵 曳传 动 、正 弦滚道 活 齿传 动 、谐 波齿 轮 传动 、2 K H 类。 收稿 日期 2 0 0 8 0 7 1 7 基金项 目中地共 建 “ 石油天 然气装备”教 育部重点 实验 室 资 助 项 目 f 2 0 0 6 S TS 0 4 作者简介 张晓 东 1 9 5 9 - ，男 ，重庆武隆人 ，教授 ，博 导。 主要从事石油钻采设备新技 术、现代设计理论与方法的教 学及 石油钻栗工具 ．特别是 井下动 力钻具和 井下工具 的研发 工作 。 已发表论文 5 O 余篇 ，出版专著 两部及教材 ；朱正喜 1 9 8 4 一 ， 男，硕士研 究生。主要从事石油矿场机械 的研 究工作 。 N G W 型行 星 轮 系 、N 型 少 齿 差 行 星 轮 系 及 N N 型少 齿 差 行星 轮系 均 可实 现轴 向 减速 传动[1 11 。考 虑 到井 下减速 器受到油井套管内径 的限制 ，因此不采用那些不受空间 限制 的常用设计方案。 NG W 型行 星轮 系及相类似 的方案 已用于井下减速 器的设计 ，其参数 和校核公式的研究也比较成熟 。用来 设计是 比较理想的。但是 ．该类型的减速器一般要求 内 径 多在 2 4 0 mm 以上 ，不适 宜 于用 来 设计 小 口径 的减 速 器 ，没有通用性 ，故放弃 了该类方案 。 井下减速器受 内径限制 ，其最佳 的设计方案是在减 速器的径向上最好只出现一对啮合 的齿轮。由此 ，有以 下方 案初 步 可行 。 方案一 定轴轮系 少齿差外齿输 出减速器 输 人 传动 ，传动方案 图如 图 1所示 。 Z _厶 一 一 输 出 定轴轮系减速器主 图1定轴轮系少齿差外齿输出 要用于实现大传动比 传 F i g ． 1 F i ． ． 动 ， 缺点是不能减振 ， 不 e x t e t e e t l l 0 u t p u t 0 f l e s s 能承受突变载荷 ，因而t e e th r e d u c e 噪音太大， 寿命较短。并且 ， 该类齿轮装配困难， 同轴度不 易保证 。 ⋯ ．． 方 案 二 同步 少 齿差 内齿 输 出减 速器H 一 ≥ 传动 ，传 动 方案 图如 图 2所示 。同步 减速 器可 实现 小传 动 比传 动 ， 目前 也有 研 制成 - Z 1 堡 一 一 图 2 同 步少 齿差 内齿 输 出减速 器 Fi g ． 2 S y n c h r o n o u s i n t e r n a l t e e t h out pu t of l e s s t e e t h r e du c e r 55 维普资讯 产品与市场 图3 N N型少齿差外齿输出减速器 简 单 、紧凑 ，可 n g 3 N N t y l 。 e x t e r n a l t o o t h 。 “ t p u 0 f 实 现 很 大 范 围 内 1l e s s t e e t h r e duc er 一 ⋯ 、⋯’。。 詈 毒 ㈩ { 一结构。 1 5 6 端 面 问 保 持 必 要 的 润 滑 油 膜 ． 取 得 了 良好 的 密 封 性 能 和 寿命 。 2 ． 2 结构 示意 图 为 了提 高 轮 齿 的抗弯曲强度，使传 动性 能得 以改善 ，采 用 了正变位 以及 短齿 2 3 ．静止 环 静环 2 4 ． 静止 环辅 助 式内啮合齿轮，两对 密封圈 2 5 - 旋转环 动环2 6 ． 弹簧 内啮合齿轮中心距相 2 7 ． 旋转环辅助密封圈。 同 。一 些减速 器运行 图 4机械密封 4结构示意图 时的发 热源 ，如齿 轮 F i g 4 T h e s t r u c t u r e o f me c h a n i c a l s e a l 4 啮合处 ，沿轴线分散布置 ，有利于热量的散发。 在图 5中，涡轮轴经花键把动力传给输入偏心轴． 输 入偏心轴带动行星齿轮在中间套筒内做行星运动 。 行星齿 轮 的外齿 与 内齿轮外 啮合 形成 第一 级减 速 ， 行星 齿轮 的 内 齿和外齿轮内啮合形成第二级减速，动力传给了输出轴。 此时．该井下少齿差外齿输出减速器将涡轮的高速低扭 矩转动转化为了输出轴上的较低速度高扭矩的转动。 3 减速器 主要参数和计算 1 ． 输 出齿 轮 轴2 ． 轴 弹 性 挡 圈3 ． 孔 弹 性 挡 圈4 ． 机 械 密封5 ． 单 列 圆 锥 滚 子 轴 承6挡 圈7 ． 行 星齿 轮8 ． 内齿 轮 套 筒9加 油 塞1 0 ． 挡 板 1 1 ． 轴 弹性挡 圈 1 2 ． 顶 端套筒1 3 ． 机械 密封 1 4 ． 单列 向心推力球轴 承1 5 ． 紧定螺钉1 6 ． 挡 圈 1 7滚柱 轴承1 8 ． 输入偏 心轴1 9 ． 单 向推 力球 轴承2 0 ． 单列 向心推力球轴承2 1 ． 底端套 筒 2 2 ． 机械 密封 。 图 5 NN型 闭式 少齿 差 井下 减速 器结 构 示意 图 Fi g． 5 The s t r uc t ur e of NN s t y l e e x t e r nal t o ot h out p ut of l e s s t e e t h r e d u c e r 1 设计 参 数 。减 速 器外 径 1 7 5 m m；输 入转 速 6 0 0 ～ 8 0 0 r ／ mi n ；工作转 速 1 2 0 ～ 2 0 0 r ／ mi n ；额定 扭矩 2 6 0 0 3 0 0 0 Nm 。 2 主 要参 数 计算 。为便 于安 装 及 中心距 的调 整 ， 通过齿数优化 ，取 Z Z 4 3 3 ，Z 2 z 3 3 7 ，则由式 1 知 1 _ 8 9 卜 选取输入转速n H 7 0 0 ． 2 r ／ mi n 。少齿差传动， 需进行 重合度 、 齿廓重迭干涉系数的检验 ， 为此要进行迭代 ， 至 满 足 迭代 条 件 G s ∈『 G s ] 0 ． 0 3 ～ 0 ． 0 5结 束 ， 迭代所 得 的数值 即为减速器参数。计算方法参照文献[ 1 2 ] ， 计算所得的减 维普资讯 产 品 与 市场 速 器基 本参 数见 表 1 。 表 1 减速器参数 T a b． 1 Re d u c e r ’ s b a s ic p a r a me t e r s 外齿轮 内齿轮 齿形 角 c x 2 0 。 ，中心距 a 6 ． 3 5 9 9 8 ，啮合角 共 同参数 2 7 ． 5 6 3 。 ，模数 m 3 ，齿顶高系数 h - 0 - 8 齿 数 Z l 3 3 Z 2 3 7 t 变位系数 X I 0 ． 1 6 2 x 2 0 ． 3 0 4 8 5 分度圆直径 d 9 9 d 2 1 1 1 基圆直径 d b 1 9 3 ． 0 2 9 5 7 d b 2 1 0 4 ．3 0 5 8 8 齿 顶圆直径 d l 1 0 4 ． 7 7 2 d a l 0 7 ． 8 9 7 9 4 齿 根圆直径 d n 9 3 ． 3 7 2 d 1 1 9 ．4 2 9 l 齿顶高 h 1 2 ． 8 8 6 h 1 ． 5 5 4 0 3 全齿 高 h ， 5 ． 7 h ， 5 ． 7 6 5 5 8 齿 宽 b 】 7 9 ． 2 b 2 8 8 ． 8 齿顶 圆压力 角 d 1 2 7 ．3 8 6 4 8 a 1 4 ． 8 - 1 3 6 5 重合度 3 a 1 ．4 9 5 7 9 1 齿廓 重迭 干涉系数 G O ． 0 3 4 9 6 ∈ [ ] 0 ．0 3 - 0 ． 0 5 4 主要零部件 的校核 1 齿 轮 校 核 。选 择 小 齿 轮 和 大 齿 轮 材 料 为 2 0 C r 2 N i 4 渗 碳 后 淬 火 ，渗 碳 层 厚 度 为 0 ． 8 ～ 1 ． 2 mm，齿 芯部硬度为 3 5 0 H B S ， 齿面硬度 为 6 2 HR C，传动 比为 i _ 3 ． 9 9 8 ，输 出转 距 为 T 2 9 0 0 N m，输入 转 速 n 7 0 0 ． 2 r ／ mi n ，输出转速 n l 8 0 r ／ r n i n 。采用齿根弯 曲疲劳校核 与 齿面接触疲劳校核。经计算 ，每个齿轮的齿面接触强度 与齿根弯曲强度远远小 于许用应力值 ，满足井下高压重 载 的条件 ，说 明该 减 速器 的设 计 是成 功 的 。 2 轴 校 核 。分别 对输 人 、输 出轴 的 危 险截 面进 行 疲 劳 强度 校 核 ，计 算 的 安 全 系 数 S 值 均 在 6以上 ，大 于所要求 的 1 ． 5 ，说明轴 的设计是满足条件 的 ，此设计 可行 5 结论 1 采用少齿差外齿输出，结构紧凑 ，轮齿弯曲强度 和接触强度增加，总体传动效率高；采用机械密封，可使 井下少齿差外齿输出减速器运行平稳 ，延长使用寿命。 2 发 热 源 沿 轴 向 分 散 布 置 ，有 利 于 热 量 的散 发 ， 提高井下少齿差外齿输出减速器 的可靠性。 3 内齿轮与套筒加工成一体 ，输出轴与外齿轮加 工成一体 ，较好 的解决了井下减速器受径向尺寸限制难 以设计的难题 。可使增大行星齿轮的直径及齿高 ，从而 提高齿轮传动的承载能力与使用寿命 。 4 可以根据砚场需要将多级减速器串联使用 ，得 到多种传动比，适应范围更加广泛。 5 该方法为井下减速器的设计提供新的思路。 参考文献 [ 1 ] 许 福东， 张 晓东 ， 华北庄， 等． 1 8 0涡 轮钻 具用 同步减速器研制阴． 石 油机械， 2 0 0 4 增 刊 ． [ 2 ] 王伟 ． 国内外减 速涡轮钻具的发展现状[ J 1 ．科技 资讯， 2 0 0 6 ， 2 ． [ 3 ] 许 彦铃 ， 姜义忠． 带 渐开线少 齿差行星 齿轮减速器 的水平 井用调 节型涡轮钻具 的原理分析『 J 1 ． 石油矿场机械， 1 9 9 5 ， 6 ． [ 4 ] 刘 志洲 ， 胡泽 明． 带 行星减速 器的涡轮钻 具的结构特 点[ J ] ． 石油矿 场机械， 1 9 9 6 ． 4 ． [ 5 】 刘敏． 井下 动力钻 具的研究与应用『 J 】 ． 全国矿 山建设 学术 会议论文 选集 下册 ，2 0 0 4 ． [ 6 ] 许福 东， 张晓东． 带 同步减速器涡轮钻具 工作力学与性 能仿真[ M] ． 武汉 中国地址大学 出版社 ． 2 0 0 4 ． [ 7 】 杨照 山 ， 陈明． 渐开线 行星齿轮传 动的研 究现状及发展方 向[ J J ． 中 国纺织 大学学报， 1 9 9 8 ， 5 ． [ 8 ] 刘志洲． 国内外井下动力钻具 减速器 的现状[ J ] ． 石油机械， 1 9 9 6 ， 6 ． f 9 】 吴春 兰， 王世杰 ， 刘玉春． 井下专用 行星减速器 中心齿 轮有限元分 析l J 1． 沈 阳工业大学学报， 2 0 0 4 ， 4 ． [ 1 0 1 顾 乡， 张海 春， 曾励， 等． 少齿差行星减速器 的结 构参 数优化[ J ] ． 机 电 产 品开发 与创新， 2 0 0 4 ，6 ． [ 1 1 】S e a l e R， B e a t o n T， S t r a n g G， e t a 1 ． G e a r e d T u r b o d r i l l i n g Ap p l i c a t i o n s a n d C a s e H i s t o ri e s i n t h e N o r t h S e a [ C ] ． S P E 9 0 4 9 5 ． [ 1 2 3郭芝俊 ， 左宝 山 ， 张贵芳 ， 等． 机械设计便览[ M】 ． 天津 天津科学技 术 出版社 ． 1 9 8 8 ． The De ve l op m e nt o f a Ne w St y l e Do wn ho l e Re duc e r ZHANG Xi a o Do n g，ZHU Zh e n g - Xi S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ric i t y E n g i n e e r i n g ， S o u t h we s t P e t r o l e u m Un i v e r s i ty，Ch e n g d u S i c h u a n 6 1 0 5 0 0 ，Ch i n a Abs t r a c t Con s i d e rin g t he a c t u a l i t y o f ha r d t O d e s i g n t he d o wn ho l e r e d u c e r b e c a u s e o f t he r e s t ric t i on o f d i a me t e r ，d e s i g ne d a ne w t y pe r e du c e r l e s s t e e t h d i ffe r e n c e p l a n e t a r y t r a n s mi s s i o n NN s tyl e c l os e d r e d u c e r ，be i n g u s e d wi t h dr i v e d ril l i ng t o ol 。 a f t e r ha v i ng c o mpa r e d s e v e r al d e s i g n a t i o ns ． I t ma y c o n ve t h e t u r b i ne S hi g h r ot a t e s pe e d a n d h t de t o r q ue t O t he b i t S l o w r o t a t e s p e e d a n d g r e a t t or q u e．The b e n d i n g s t r e n g t h a n d c o n t a c t s e n g t h o f t h e fi n e i s s t r o n g e n o u 曲 t o me e t t h e n e e d s o f d o wn h o l e me c h a n i c a l h e a w b u r d e n ． T h i s r e d u c e r e a r n s t h e v i r t ue of c r a mp e d c o ns t r uc t i o n， c a l m f u nc t i o n，h e a v y b ur d e n ，gre a t s hoc k a bs or pt i on a nd s e al c a p a c i ty， l o ng wo r k i ng fif e ． Ke y wo r ds d o wn ho l e r e d uc e r ；l e s s t e e t h diffe r e n c e；c l o s e d；NN s tyl e；me c h a ni c a l s e al；d e s i g n 5 7 维普资讯