Героторный механизм

 

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 С_o = r/е, близком к единице ( С_o ≅ 1,5), смещение исходного контура рейки выполняют положительным (C_Δ= Δx/e = 0,8-1,4), а коэффициент формы зуба С_e = r_ц/е выбирают в диапазоне С_e = 3-6, где е - эксцентриситет зацепления, м, r - радиус катящейся окружности, м; r_ц - радиус эквидистанты, м; Δx - смещение исходного контура рейки, м. 8 ил.

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 (Z₂≥2), постоянными коэффициентами внецентроидности (C_o = 1,175) и формой зуба (C_e = 2,175), в котором коэффициент смещения CΔ исходного контура рейки, исходя из обеспечения плавности профилей, может изменяться в диапазоне C_Δ = 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 (C_o = 1), образованным без смещения исходного контура рейки (C_Δ = 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,C_e,C_Δ) 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 C_o = r/e, близком к единице (C_o≅ 1,5), смещение исходного контура рейки выполняют положительным (C_Δ = Δx/e = 0,8-1,4), а коэффициент формы зуба C_e = r_ц/e выбирают в диапазоне C_e = 3-6, где e - эксцентриситет зацепления, м; r - радиус катящейся окружности, м; r_ц - радиус эквидистанты, м; Δx - 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 D_к рейка смещается относительно инструментальной прямой на величину _Δx (фиг. 2). Если смещение отсутствует _{(Δx = 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 C_o = r_e; - коэффициент формы зуба C_e = r_ц/e; - коэффициент смещения исходного контура рейки C_Δ = _Δx/e; где r - радиус катящейся окружности, м; r_ц - радиус эквидистанты, м; e - эксцентриситет, м.

Знак коэффициента типа зацепления определяет тип циклоидального зацепления. В гидромашинах получило распространение гипоциклоидальное зацепление Традиционные (C_o = 1,175, C_e = 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; ρ - приведенный радиус кривизны сопряженных профилей РО, м.

где: ρ₁,ρ₂ - 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 (ρ₂ = r_ц > 0) с участком профиля статора, обладающим отрицательной кривизной (ρ₁ < 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,C_e,C_Δ можно реализовать профиль с положительной кривизной (ρ₁ > 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 C_o = 1,175. В этом случае для обеспечения однозначной кривизны профилей необходимо соблюдать оптимальную взаимосвязь между коэффициентами C_e и C_Δ.

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 (C_o ≅ 1,5), оптимальный профиль с однозначной кривизной РО и отсутствием подрезов и самопересечений обеспечивается при положительном смещении исходного контура рейки (C_Δ = 0,8-1,4) и повышенных значениях коэффициента формы зуба (C_e=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 μ, в пределе (C_e →∞) профиль переходит в окружность (D_min= D_max).

Для гипоциклоидального зацепления

Таким образом

Для традиционного идеального профиля (см.фиг. 2a) μ = 1,567, для оптимального профиля, представленного на фиг. 5b, μ = 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.

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 C_о = r/e, близком к единице (C_о ≅ 1,5), смещение исходного контура рейки выполняют положительным C_Δ = Δx/e = 0,8-1,4, а коэффициент формы зуба C_е = r_ц/е выбирают в диапазоне C_е = 3 - 6, где е - эксцентриситет зацепления, м; r - радиус катящейся окружности, м; r_ц - радиус эквидистанты, м.; Δx смещение исходного контура рейки, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6