героторный механизм
Классы МПК: | E21B4/02 гидравлические или пневматические приводы для вращательного бурения |
Автор(ы): | Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Коротаев Ю.А., Лузгин С.А., Суслов В.Ф., Цепков А.В. |
Патентообладатель(и): | ОАО Научно-производственное объединение "Буровая техника" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-01-26 публикация патента:
10.02.2001 |
Изобретение относится к зубчатым героторным механизмам и может быть использовано в бурении нефтяных и газовых скважин в качестве рабочих органов гидродвигателей, насосов, компрессоров и редукторов. Задача изобретения - повышение износостойкости и долговечности героторных механизмов за счет уменьшения контактных напряжений в паре ротор - статор. Героторный механизм содержит пару ротор - статор внутреннего гипоциклоидального зацепления. Новым в устройстве является то, что знаки кривизны замкнутых сопряженных профилей ротора и статора одинаковы и не изменяются по всему контуру, при этом при числе зубьев ротора, равным двум, и коэффициенте внецентроидности Сo = r/е, близком к единице ( Сo 1,5), смещение исходного контура рейки выполняют положительным (C= x/e = 0,8-1,4), а коэффициент формы зуба Сe = rц/е выбирают в диапазоне Сe = 3-6, где е - эксцентриситет зацепления, м, r - радиус катящейся окружности, м; rц - радиус эквидистанты, м; x - смещение исходного контура рейки, м. 8 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
Формула изобретения
Героторный механизм, содержащий пару ротор-статор внутреннего гипоциклоидального зацепления, отличающийся тем, что знаки кривизны замкнутых сопряженных профилей ротора и статора одинаковы и не изменяются по всему контуру, при этом при числе зубьев ротора, равным двум, и коэффициенте внецентроидности Cо = r/e, близком к единице (Cо 1,5), смещение исходного контура рейки выполняют положительным C = x/e = 0,8-1,4, а коэффициент формы зуба Cе = rц/е выбирают в диапазоне Cе = 3 - 6, где е - эксцентриситет зацепления, м; r - радиус катящейся окружности, м; rц - радиус эквидистанты, м.; x смещение исходного контура рейки, м.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к зубчатым героторным механизмам (ГМ) и может быть использовано в области бурения нефтяных и газовых скважин в качестве рабочих органов (РО) гидродвигателей, насосов, компрессоров и редукторов. Известен внецентроидный многозаходный героторный механизм, используемый в рабочих органах винтовых забойных двигателей, с традиционным профилем при (Z22), постоянными коэффициентами внецентроидности (Co = 1,175) и формой зуба (Ce = 2,175), в котором коэффициент смещения C исходного контура рейки, исходя из обеспечения плавности профилей, может изменяться в диапазоне C = 2...2 (Отраслевой стандарт ОСТ 39-164-84. Передача зубчатая ротор-статор винтового забойного двигателя). Известен героторный механизм с классическим профилем с однозаходным ротором (Z2 = 1) гипоциклоидального центроидного зацепления (Co = 1), образованным без смещения исходного контура рейки (C = 0). Героторный механизм используется в РО одновинтового насоса (Винтовые насосы. М., Недра, 1983, с. 17-30). Недостатком героторных механизмов с традиционным и классическим профилем является независимость принимаемых безразмерных коэффициентов (C0,Ce,C) от качественных показателей зацепления, что не всегда позволяет получить оптимальную форму ГМ. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является многозаходная одновинтовая гидромашина, обеспечивающая плавность профилей и минимум контактных напряжений в паре ротор-статор (Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. М., Недра, 1981, с. 86-94). Однако при проектировании этих профилей не учитывается влияние смещения исходного контура рейки на кривизну и уровень контактных напряжений, что не позволяет получить оптимальный профиль ГМ для обеспечения минимального износа. Задачей изобретения является повышение износостойкости и долговечности героторных механизмов за счет уменьшения контактных напряжений в паре ротор-статор. Поставленная задача решается за счет того, что в героторном механизме, содержащем пару ротор-статор внутреннего гипоциклоидального зацепления, знаки кривизны замкнутых сопряженных профилей ротора и статора одинаковы и не изменяются по всему контуру, при этом при числе зубьев ротора, равным двум, и коэффициенте внецентроидности Co = r/e, близком к единице (Co 1,5), смещение исходного контура рейки выполняют положительным (C = x/e = 0,8-1,4), а коэффициент формы зуба Ce = rц/e выбирают в диапазоне Ce = 3-6, где e - эксцентриситет зацепления, м; r - радиус катящейся окружности, м; rц - радиус эквидистанты, м; x - смещение исходного контура рейки, м. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены героторные механизмы с кинематическим отношением 2:3 и 5:6 с традиционным профилем; на фиг. 2 - схема образования гипоциклоидального профиля методом обкатки рейки; на фиг. 3, 4 - графики изменения радиуса кривизны профиля трехзубого статора соответственно с традиционными и оптимальными геометрическими параметрами; на фиг 5 - профили ГМ кинематического отношения 1:2 и 2:3 с однозначной (положительной) кривизной РО; на фиг. 6 - соотношение максимального и минимального диаметров традиционного гипоциклоидального профиля статора. ГМ представляет собой зубчатую пару внутреннего циклоидального зацепления, состоящую из Z1 - зубового статора 1 и Z2 - зубового (Z1 = Z2 + 1) ротора 2, между профилями которых образуются рабочие камеры. ГМ профилируются (фиг. 2) от исходного контура циклоидальной рейки 3 (эквидистанты смещенной укороченной циклоиды 1), связанного и инструментальной прямой 3, по которой для образования циклоиды перекатывается окружность 6. Циклоидально-реечный профиль образуется как огибающая семейства контуров рейки при обкатке инструментальной прямой неподвижной направляющей окружности 5. В общем случае для обеспечения заданного контурного диаметра РО Dк рейка смещается относительно инструментальной прямой на величину x (фиг. 2). Если смещение отсутствует (x = 0), реечный профиль переходит в идеальный циклоидальный профиль. Графически он может быть получен и классическим способом при качении окружности 6 по направляющей окружности 5. Форму РО при заданном контурном диаметре полностью характеризуют пять безразмерных коэффициентов:- коэффициент типа зацепления
- кинематическое отношение i = Z2:Z1;
- коэффициент внецентроидности Co = re;
- коэффициент формы зуба Ce = rц/e;
- коэффициент смещения исходного контура рейки C = x/e;
где r - радиус катящейся окружности, м; rц - радиус эквидистанты, м; e - эксцентриситет, м. Знак коэффициента типа зацепления определяет тип циклоидального зацепления. В гидромашинах получило распространение гипоциклоидальное зацепление
Традиционные (Co = 1,175, Ce = 2,175) профили гипоциклоидальных ГМ с различным кинематическим отношением представлены на фиг. 2. Поскольку наработка до отказа ГМ определяется главным образом фрикционным износом пары ротор-статор, в качестве критерия оптимальности формы ГМ принимается минимум скорости изнашивания РО. В сопряжениях с переменными условиями касания подобных ГМ скорость изнашивания в общем случае зависит от контактного напряжения и скорости скольжения. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что в ГМ доминирующее влияние на скорость изнашивания оказывают контактные напряжения в паре ротор-статор, на минимизации которых основано большинство методов оптимизации РО. Контактные напряжения зависят от действующих гидравлических и инерционных сил, геометрических параметров и упругих свойств материалов РО. С достаточной точностью контактные напряжения К определяются по формуле Герца
где N - удельная нормальная нагрузка, Н/м; E - приведенный модуль упругости материалов рабочих органов, Па; - приведенный радиус кривизны сопряженных профилей РО, м.
где: 1,2 - радиусы кривизны профилей статора и ротора с учетом их знаков, м. В теории зубчатых зацеплений минимизация контактных напряжений осуществляется выбором формы РО, обеспечивающей максимум. При этом считается, что в общем случае многозаходного ГМ кривизна профиля статора имеет знакопеременный характер (фиг. 3) и профиль статора разбивается на участки с положительной и отрицательной кривизной. В этом случае согласно (2) приведенный радиус кривизны профилей достигает минимального значения на контакте выступа зуба ротора (2 = rц > 0) с участком профиля статора, обладающим отрицательной кривизной (1 < 0):
Оптимизация формы ГМ, исходя из наличия выпукло-вогнутого контакта профилей, лежит в основе выбора коэффициента формы зуба РО одновинтовых гидромашин. Вместе с тем исследования кривизны профилей ГМ показывают, что представленный на фиг. 3 знакопеременный график изменения кривизны профиля статора не является общим. При профилировании ГМ от циклоидальной рейки путем соответствующего сочетания безразмерных параметров C0,Ce,C можно реализовать профиль с положительной кривизной (1 > 0) на всех участках замкнутого контура (фиг. 4). Тогда во всех фазах зацепления будет иметь место выпукло-вогнутый контакт профилей с максимальным приведенным радиусом кривизны
Практически профиль статора с положительной кривизной (ГМ с одинаковыми знаками кривизны РО) можно реализовать в механизмах с кинематическим отношением 1:2 и 2:3. В качестве примера на фиг. 5 приведены поперечные сечения таких механизмов с коэффициентом внецентроидности Co = 1,175. В этом случае для обеспечения однозначной кривизны профилей необходимо соблюдать оптимальную взаимосвязь между коэффициентами Ce и C. Наибольший интерес представляет профилирование многозаходных ГМ с кинематическим отношением 2:3, обладающих повышенной (по сравнению с ГМ с однозаходным ротором) нагрузочной способностью (давлением насоса или крутящим моментом гидродвигателя). В механизме с i = 2:3 при коэффициенте внецентроидности, близким к единице (Co 1,5), оптимальный профиль с однозначной кривизной РО и отсутствием подрезов и самопересечений обеспечивается при положительном смещении исходного контура рейки (C = 0,8-1,4) и повышенных значениях коэффициента формы зуба (Ce=3-6). Геометрическое толкование оптимальной (в отношении кривизны) взаимосвязи между коэффициентами зацепления состоит в том, что для обеспечения постоянства знака кривизны трехзубого профиля необходимо соблюдать определенное соотношение между его максимальным и минимальным диаметрами (фиг. 6).
Для получения профиля с однозначной кривизной необходимо стремиться к уменьшению величины , в пределе (Ce ) профиль переходит в окружность (Dmin= Dmax). Для гипоциклоидального зацепления
Таким образом
Для традиционного идеального профиля (см.фиг. 2a) = 1,567, для оптимального профиля, представленного на фиг. 5b, = 1,272.
Преимуществом заявляемого героторного механизма является повышение износостойкости РО за счет снижения контактных напряжений при сохранении высоких показателей характеристик машины, что позволит значительно увеличить срок службы героторных механизмов.
Класс E21B4/02 гидравлические или пневматические приводы для вращательного бурения