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1、第 9卷第 i 期 2 0 0 4年 2月 哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 J oURNAL HARBI N UNI VS CI & TECH Voi 9 N O 1 Fe b ， 2 0 0 4 滚柱活齿减速器的J j n - r 与实验研究 杨伟君， 李瑰 贤 ( 哈尔滨工业大学 机械学院， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 ) 摘要： 为了使井下驱动螺杆 系采油 系统广泛应 用于油田生产， 在对滚柱活齿传动进行理论研 究的基础上， 设计、 制造 了一 台应用于井下驱动螺杆泵采油 系统 的滚柱活齿减速 器样机， 并在 实验 井上对其进行 了现场测试 测试结果表明， 其优良的结构工
2、艺性和传动性能， 使得滚柱活齿减速 器成 为适用于井下采油系统的减速器 关键词： 滚柱活齿传动；加工；实验 中图分类号 ： THl 3 2 4 l 7 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 7 2 6 8 3 ( 2 0 0 4 ) 0 l 一0 0 0 4 -0 3 De v e l o p me n t a n d E x p e r i me n t a l R e s e a r c h o n R o l l e r Os c i ll a t i n g To o t h Ge a r Re du c e r YANG We i -j u n ， LI Gu i x i a n
3、 ( S c h o o l o f Me c h a n i c a l ，Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Ba s e d o n a n a l y s i s o f r o l l e r o s c i l l a t i n g t o o t h g e a r r e d u c e r ，a s a mp l e ma c h i n e ，wh i c h i s a pp l i e d i n
4、 d o wn h o l e o i l e x t r a c t i o n，i s d e s i g n e d a n d pr o d u cedAn d t h e n，i t i s t e s t e d i n t est i n g we l 1 The r es u l t s i ndi c at e t hat i t i s t he onl y c hoi ce i n downhol e oi l e x t r a c t i on s y s t e m Ke y wor ds ：r ol l e r os c i l l a t i ng t oot
5、h g e a r dr i v e ；d e v e l opm e nt ；e xpe r i me nt 井 下驱 动螺杆 泵采 油是 2 0世 纪 9 0年 代 提 出的 一 种全新采油方式， 随着对其研究的不断深入 ， 系统 中的关键技术难点不断被解 决 但应用于系 统中的 减速器 ( 径 向尺 寸最大 为 l 1 4i l l n ， 功 率 4 0 k W) 一 直没有实现， 使得该采油 系统迟迟不能 广泛应用于 油 田生产 滚柱活齿传动是一种 用来传递两 同轴间 回转运动的行 星齿轮传动 因具有传动结构紧凑、 体 积小、 承载能力大、 传动效率高、 基本构件 的工艺性 好等优点
6、， 所以一 出现就引起了人们极大的兴趣 目 前 ， 对它的理论研究还不 够完善 【 11 本文在 对其进行 深入理论研究的基础上 4 1 ， 拟设计、 加工出一 台样 机 ， 并 在 实验井 上进行 测 试 收稿 日期： 2 0 0 3 一o 8 2 9 作者 简介：杨伟 君 ( 1 9 7 1 一) ， 男 ， 哈尔 滨工 业大学 博士 研究 生 1 滚柱活齿减速器样机 的加工 根据井下驱动螺杆 泵采 油系统 的实 际工作条 件 ， 经过对减速器在静力学、 运动学、 动力学和可靠 性等方面的全面分析和仿真研究后， 设计 出一台工 作井深 l 0 0 0 1 1 1 、 功率4 0 k W、
7、传动比为9 、 外径为l 1 4i l l n 的减 速器样 机 加工时， 由于中心轮齿形的形位精确度和表面 粗糙 度 要 求很高 ， 且齿 面沿 轴线长 度 较 长 ( 1 4 3 mm ) ， 所以需要在数控慢走丝线切割机床上加工 ， 而且机 床的装夹高度要大于整个中心轮的轴线长度( 2 3 4 mm) ， 并在加工前换丝 滚柱活齿应在热处理后通过无心磨 维普资讯 http:/ 第 1 期 杨伟君等： 滚柱活齿减速器的加工与实验研究 5 床来保证表面粗糙度。 为解决加工输人轴两个偏心 的工作表面时车床无法装夹的问题， 设计 出专用的 夹具 ， 加工前通过实测保证工作表面的 中心线与夹 盘旋
8、转轴线同轴， 从而保证j j n - v 质量 活齿架经过热 处理和铣削后需要对活齿槽内表面抛光以保证活齿 在活齿槽 中顺利地往复运动 加工后的活齿架见图 1 旋转密封采用外圈橡胶、 内部全包并带副唇的T C 型密封， 安装时将开 口对准外侧高压端 静密封采用 。型密封圈， 二者的材料均选用丁氰橡胶， 其工作温 度 在 一4 0 1 2 0 之 间 ， 抗 油 性 、 耐 磨 性 、 机 械 性 具佳 图 1 铣削加工后的活齿架 2 减速器样机 的试验研 究 为验证减速器样机的性能指标是否满足设计要 求， 应对其进行试验研究 对井下驱动螺杆泵采油系 统而 言 ， 减 速器 的振 动不但 会 产
9、生 噪声 ， 恶化 传动 件 ( 活齿、 轴承等) 的工作条件， 而且会破坏螺杆泵定子 与转子之间的工作配合， 降低螺杆泵使用寿命， 从而 影响整个采油系统工作寿命 所 以对滚柱 活齿减速 器进行 振 动测试 ， 对于 了解 减速 器 的振动 特性 ， 改 善 其振动水平， 延长螺杆泵的使用寿命 ， 从而改善整个 采油系统的动力学性能 2 1 试验系统的组成 试验系统结构见框图 2 电机采用 S 1 a n d MAC H I N E RY C o ，L r I ) 上 海分公 司 生产 的型 号 为 S D2 2 5 Y 4 2 0 0 M 一3 0 5 9 5 B 3电机， 额定 功 率为
10、 3 0 k W； 螺 杆泵采用大庆腾高采油技术有限公司的GL B 1 2 0 -1 2 ( 左 ) 型螺杆泵， 它的排量为 1 2 0 mL 转， 级数为 1 2 2 2振动测试方案 滚柱活齿减速器是 由输入偏 心轴、 活齿、 活齿 架、 中心轮和滚动轴承等构件组成的用 以改变转速 的一种机械传动装置， 工作过程 中由于轴微小的弯 曲变 形 、 零件 的制造 与安 装 误 差、 啮 合 刚 度、 啮合 力 和惯性力的变化， 都将引起振动 活齿的啮合冲击、 惯性冲击等一部分通过活齿架和输 出轴传到支承 轴 承和轴承座， 然后作用到壳体上， 另一部分直接作用 在中心轮而导致壳体的振动 同时， 由
11、于减速器采用 径向间隙较小且轴承与箱体间的相对运动也较小 的 滚动轴承作支承， 所以选 用壳体振动测试方法进行 测试 壳体振动测试可 以获得较宽的动态范围和频 率范 围 测点布置方案是关系到测量结果的一件重要工 作， 应选择信号传递路线最短、 最能反应减速器振动 的部位作为测点 本实验中测点对称布置在减速器 外壳与活齿 中点在同一水 平线的两个点 l 、 2上 ( 如 图 3 ) ， 用以采集第一排活齿引起壳体振动的信号 同样， 测点 3 、 4采集第二排活齿引起壳体振动 的信 号 测点 5 、 6 布置在输 出轴的支承轴承所对应 的壳 体位置上， 用以测量输出轴轴承座的径向振动 各测 点 的
12、位置示 意 图见 图 3 三相异 步电动机 专用联轴器 1 【 一 减速器样机 I 一 专用联轴器 2 加速度传感 器 =二二 A D转换板 井下螺杆泵 l l 计算机处理系统 图 2振动测试系统框图 暑 暑 - n 图3 传感器的位置图 2 3 试验过程及振动测试数据处理 将装配完好的滚柱活齿减速器样机及测试仪器 按试验系统的连接顺序在试验台上逐一 连接， 并予 以定位 按照机 械传 动 手册 中 关于 减 速 器 振 动 测 试 的要求， 首先进行减速器跑合实验， 然后进行逐步加 载实验 振动信号的采集和处理软件 的性能直接关 系到 测试结 果 的准 确性 ， 本 实 验采 用 的是 I
13、O t e c h开 发 的软 件 D a q V i e w7 2 ， 它 与 I O t e c h测 试 系 统 具 有 很 维普资讯 http:/ 6 哈尔滨理工火 学学报 第 8 卷 好 的兼容 性 由于试 验井 测 试 加 载 条 件 所 限 ( 无 变频 调 速 装 置 及试 验用 反转 螺杆 泵 定 子， 转 子 间 隙 过大 ) ， 对样 机 只能 在输 人转 速 ， l =1 4 7 0 r mi n 、 输 出扭 矩丁 = 5 0 N m， 1 9 5 N m， 3 3 0 N i n工 况 下 进 行 振 动 测 试 设每秒钟采样点为 5 0 0个， 每个样本采集时间为
14、 4 S 表 l 是 在 不 同载 荷 情 况 下 ， 在 6个 测 振 点 所 测 到的最大加速度值 a ， f =l ，2 ，6为测点 表 1 测振 点最 大加 速度 值 由表 l可看 出， 在转速恒定时， 随着负载 的增 加， 各个测点的振动基本呈减小趋势， 这符合一般减 速器的振动规 律 另外， 各测点的最大加 速度值 较 低 ， 表 明整个 减 速器 的振 动 水 平 较 低 5 1， 也 证 明 了惯 性力和惯性力矩基本达到了平衡， 与设计相符合 采用 I Ot e c h的 P o s t V i e w处理 程 序得到 的 一组输 人转速 ， l =l 4 7 0 r m i
15、n 、 输出扭矩 丁 =5 0 N m 时的 各测点振动加速度 图谱如图 4 其 中横坐标为信号 采集的时间， 为便 于观 察， 只显 示 01 5 8 7 S 纵坐 标 为测点加速度的值 图 4中可以看出， 各 曲线总体 上 随时 间表 现 出一定 的周 期 性 ， 这 与滚 柱 活齿 传 动 的结构 及工 作原 理相 吻 合 ， 局部 的微 小 变 化 是 由于 活齿 在活齿槽 内存在 很 小 的间隙 而使得 活齿 的运 动 存在 微小 的不 确定性 造 成 的 t ， S 图 4 测点振动加速度图谱 在 试验 井上 对减 速 器样 机 进 行 了 振 动 测 试 测 试结果表 明， 电动
16、潜 油螺 杆泵采油系统用滚柱活齿 减 速器的振动水平较低， 其振动指标 完全达到了设计 要 求 参考文献： 【 l 】 曲继方 活齿传动理论IMI 北京 ： 机械工业 出版社 ， 1 9 9 3 【 2 】 李瑰贤 ， 杨伟君 ， 顾 晓华 滚柱活齿传动受力分析的研究 机械设计 ， 2 O 0 2 ，1 9 ( 1 ) ： 1 8 2 0 【 3 】 李瑰贤 ， 杨伟君 滚柱活齿传动的故障树分析 机械科 学与技术 ， 2 0 0 2 ， 2 l ( 回： 9 0 4 9 0 5 【 4 】 LI Gu i -x i a n ，YA NG We i -j u n ，LI Xi a o ，LI u
17、 F u-l i ，GU Xi a oh u a T o r s i o n a l V i b r a t i o n o f Ro l l e r Os c i l l a t i n g To o t h Ge a r Dr i v e J 1 J o u r n a l o f Do n g Hu a Un i v e rsi t y ( En g E d ) ， 2 0 0 2 ，l 9 ( 2 ) ：6 9 7 3 辛绍杰 新型三环减速器及其实验研究【 I ) 】 哈尔滨工业大 学 2 0 0 2 1 0 2 1 0 5 ( 审稿： 王满元教授， 宫海教授； 编辑： 高长福 ) 维普资讯 http:/