基于少齿差齿轮传动的螺杆泵驱动系统设计

李义

【摘 要】螺杆泵作为一种机械采油设备，具有其它抽油设备所不能替代的优越性。应用实践证明它投资少、能耗低、适合稠油开采，具有很高的经济效益和社会效益。本次毕业设计采用地面驱动螺杆泵采油方式，地面动力带动油管旋转，通过增速器使螺杆泵转子转动，井液经螺杆泵下部吸入，由上端排出，并沿油管柱向上流动。增速机构要求体积小，可有少齿差行星齿轮传动，摆线针轮传动，谐波齿轮传动三种选择，通过对增速方案的对比分析，采用谐波齿轮传动，刚轮主动，波发生器从动，柔轮固定。

【关键词】谐波齿轮传动；螺杆泵；增速；柔轮

0.前言

目前，世界蕴藏有巨大的稠油资源，据有关专家估计比常规原油资源高数倍至十余倍，具有替代常规石油能源的战略地位。稠油资源分布广泛，几乎所有产油国都有发现。据调研资料，世界上稠油资源丰富的国家有加拿大、委内瑞拉、美国、前苏联等，其稠油资源约为4000～6000x108m3（含预测资源量）[1]。中国大部分含油气盆地稠油多于常规油，有共存和有规律过渡分布的规律，稠油资源非常丰富，约占总石油资源的25%～30%以上。国内老油田大多处于开发后期，排量小，油层较深的稠油、含砂、含气的难采油井越来越多，并且常规采油工艺投入大、产出低、短期产出与投入比不经济，制约了各油田后期开采。针对这种情况，可以采用螺杆泵采油技术加以解决。

1.螺杆泵驱动系统设计设计要求

（1）基本参数：谐波齿轮传动的增速比大于等于20；谐波齿轮传动的结构外径小于等于Ф116cm；（2）总体方案分析及设计；（3）谐波齿轮传动结构方案及结构设计。

由于井下空间狭小，需要所设计的装置体积较小。油管转速为6r/min，螺杆泵转子的转速为120r/min，在保证增速比大于等于20的条件下，转速可以调整。油管转速低可以实现较长的寿命。

在功能方面，要改变原来采用的采油方式。原来的采油系统在工作时动力源的动力通过减速箱首先减速到合适的转速然后驱动方卡子，再由旋转的采油杆柱驱动井下采油螺杆泵转动，从而实现将井下原油通过采油杆住与油管的环形空间举升到地面。

2.主要功能实现方法

考虑到增速器结构尺寸较小，传动比大，所以选择用少齿差行星轮系。少齿差行星轮系具有体积小，传动比大，重量轻等优点。由此，有三种增速方案：谐波齿轮传动，少齿差行星齿轮传动，摆线针轮传动。

2.1谐波齿轮传动增速

谐波齿轮传动是一种依靠弹性变形运动来实现传动的新型传动，它突破了机械传动采用刚性构件机构的模式，使用了一个柔性构件机构来实现机械传动。构成谐波齿轮传动的3个主要部件有：波发生器，柔轮，刚轮。谐波齿轮传动对运动的传递是在波发生器作用下，迫使柔轮产生变形，并与刚轮相匀作用而达到传动目的。 在未装配前，柔轮的原始剖面呈圆形，柔轮和刚轮的周节相同，但两者的齿数不相等。柔轮的齿数Z1，比刚轮的齿数Z2略少，而波发生器的最大直径比柔轮的内径略大。一般情况下为了有确定的输出，都会有一个固定件，一个主动和一个从动。具体哪个固定，哪个主动，哪个从动，需要根据需要实现的功能要求来决定。当波发生器装入柔轮后，受到一对方向通过椭圆的曲率中心和它的旋转中心的力的作用。当输出轴上承受载荷后，柔轮产生变形，这是柔轮对波发生器的作用力方向仍通过椭圆的曲率中心，但不通过发生器的旋转中心，这就形成了使波发生器旋转的旋转矩。当输出轴上载荷继续增加时，柔轮作用在波发生器上的作用力和这时作用力之间的力臂也随之增加。则作用在发生器上的旋转矩也随之增加。当此旋转矩超过发生器的阻矩时，就产生了增速现象。

2.2少齿差行星齿轮传动增速

少齿差行星齿轮传动按传动型式可分为NN型和N型。以N型为例。这种型式的传动，通常均是采用输出机构把行星轮的回转运动传给低速轴。N型传动，其转臂有单偏心和双偏心两种。双偏心的转臂，两个偏心相差180度，装在其上的两个行星轮也相差180度，这样由偏心而产生的离心力相互抵消（但这两个离心力大小相等方向相反，且不在同一直线上，所以不平衡力偶仍然存在）。单偏心的转臂只有一个方向的偏心，其中装一个行星轮，必须在偏心的相反方向加上平衡重才能使离心力得到平衡。

N型常用的输出机构有五种类型，即销孔式、浮动盘式、滑块式、零齿差式和双曲柄式。以零齿差输出机构为例。主要特点是用标准刀具在普通机床上就可加工，不需要专门的工艺装备。零齿差输出机构可内齿轮输出，也可外齿轮输出。两对齿轮中只有一对是少齿差，起增速作用，另一对则是作为平行轴间联轴器的零齿差内啮合。转臂是单偏心，必须装设平衡重。

这种传动增速的特点是传动比大，体积较小，重量轻，运转平稳，齿形容易加工，装拆方便。合理地设计、制造及润滑，可使其传动效率达0.85-0.91。实践证明，少齿差传动最适合于大传动比、小功率的场合，在我国已经被用到很多机械或者齿轮装置上。但少齿差要考虑变位问题。由于内啮合和内齿轮加工中，相啮合双方的位置关系、几何关系与外啮合不同，在设计内啮合变位齿轮传动时，齿数的搭配和变位系数的选择要受到各种干涉条件的限制。为避免干涉要进行验算，设计时要考虑齿轮根切问题。提高了加工难度，且刚度不够高。

2.3摆线针轮行星传动增速

摆线针轮主要由4部分组成：

（1）行星架H由输入轴1和双偏心套2组成，偏心套上的两个偏心方向互成180°。（2）行星轮C齿形通常为短幅外摆线的内侧等距曲线。按运动要求，一个行星轮就可传动，但为使输入轴达到静平衡和提高承载能力，对于一齿差针摆传动，常采用两个完全相同的奇数齿的行星轮，装在双偏心套上，两轮位置正好相差180°。行星轮和偏心套之间装有用以减少摩擦的滚子轴承（称为转臂轴承）。（3）太阳轮 又称针轮，针齿壳上装有一组针齿销，通常针齿销上还装有针齿套，称为针齿。（4）输出机构这种常采用销轴式输出机构。

3.结论

本次设计针对螺杆泵采油系统做了改进，由于原来用抽油杆的采油方式转速高、磨损快、寿命低，改为直接用油管驱动螺杆泵采油。螺杆泵采油系统按驱动方式可划分为地面驱动和井下驱动两大类，本次设计采用了地面驱动方式。油管转速较低，螺杆泵转速较高，所以要设计一个增速器。

由于所设计的结构尺寸小，且传动比大，故可选择的螺杆泵增速有三种方式，谐波齿轮增速，摆线针轮增速，少齿差行星齿轮增速。这三种增速方式各有优缺点，也都广泛应用。通过对三种传动采油方案的对比分析，选择基于谐波齿轮传动的螺杆泵驱传动系统。

【参考文献】

[1]万仁薄.采油技术手册（修订版）第四分册[M].北京：石油工业出版社，2003.

[2]孙俊峰.螺杆泵采油技术在锦州油田的改进及优化[D].哈尔滨：东北石油大学硕士论文，2009.

[3]周卫东.渐开线谐波齿轮传动齿廓参数优化及动态仿真[D].大连：大连理工大学硕士论文，2008.

[4]阳培，张立勇，工长路等.谐波齿轮传动技术发展概述.机械传动，2005，29（3）：69-72.

[5]饶振纲.谐波齿轮减速器的研究.传动技术，1995，（2）：9-10.