1、1井下电动潜油螺杆泵用行星减速器设计摘 要：电动潜油螺杆泵对油井适应性强，适用于稠油井、含砂井、高含气井，然而电动潜油螺杆泵转速较低，电泵转速高，需要设计减速装置以实现降速增扭的目的。根据现使用电动潜油螺杆泵的系列参数，设计行星齿轮减速器。在选定减速方案后，设计减速器各个零部件。在满足强度的前提下，确定零件尺寸绘制出减速器三维图。最后使用 ANSYS软件对减速器主要零件进行有限元分析，验证设计合理性。 关键词：电动潜油泵 减速器 三维绘制 有限元分析 一、引言 电动潜油螺杆泵是一种新型机械采油系统，其创新点在于结合了螺杆泵和电潜泵的优点，不需使用抽油杆，消除了因杆管磨损或脱螺纹、断杆等带来的损
2、失；提高泵下深和排量；节能效果明显，系统效率比较高 1，2。然而螺杆泵最佳旋转速速一般在 100500r/min 左右，需要降低输入转速 3，但由于受井下空间的限制，不能使用类似地面驱动的减速箱。所以设计适合电动潜油螺杆泵用的减速器，将系统中的螺杆泵转速降低至需要的工作转速，并使输出扭矩提高到螺杆泵需要的工作扭矩，对斜井、稠油、含砂、含气油井的开采具有十分重要的意义4。 二、行星减速器方案设计 1.行星减速器的选型及其原理 一般的轴向减速传动有单螺杆减速器、定轴轮系、少差齿行星轮系2和 2K-H 类 NGW 型行星轮系。由于井下作业对减速器的尺寸要求较为苛刻，潜油泵功率较高，输入转速一般在 3
3、000r/min 左右5，6，设计受井下径向尺寸限制，减速器最大径向尺寸应小于油管直径，同时下泵深度1500m 左右井下高温、高压。综合考虑以上情况选 2K-H 类 NGW 型行星齿轮减速器。使用每排 3 个行星轮 3 排共 9 个与太阳轮相啮合，在分担载荷的同时减小径向尺寸，能满足设计强度的要求。其原理如图 1 所示 图 1 行星减速器原理图 行星轮系传动比为： （2-1） 2.行星减速器的基本参数设计7 表 1 减速器设计初始条件 在潜油泵工作时，由伯努利方程： （2-2） （2-3） 电潜泵的有效功率： （2-4） （2-5） （2-6） 按照需用剪切应力估算输出轴直径大小，受扭矩 T
4、的实心圆轴，其剪切应力 （2-7） 考虑安全系数以及其他零部件的大小，初定 。 3校核计算可知： 所以设计的齿轮尺寸是符合要求的。 根据设计结果，使用 SolidWorks 软件绘制出各个零件的三维图，最后完成行星减速器的装配图，如图 2 所示。 图 2 行星减速器总装配图 三、行星减速器的有限元分析 为了保证设计的减速器可以用于实际生产中，即承受的最大压力小于材料的许用应力值。使用 ANSYS 有限元分析软件，对设计的减速器主要零件进行校核。 1.太阳轮轴校核 太阳轮主要受输入扭矩的作用，使用 soildworks 建好的模型8，在激活的情况下直接导入 ANASYSWORKBENCH12.1
5、。使用 mesh 对零件进行网格划分，网格划分完成后共计 13187 个节点，6869 个单元。根据太阳轮轴在行星减速器中的安装位置和受力情况，设定约束和载荷，施加载力矩 36.288N.m。 图 3 太阳轮轴等应力图 由上图可以看出最大应力为 246Mpa，发生在最小截面处。最大应力小于材料的需用应力，设计的太阳轮轴强度满足要求。 2.模态分析 行星减速器在工作中难免为产生振动，对太阳轮轴进行模态分析能够避开基本频率防止共振。从而延长减速器的使用寿命。同时，模态分析也是其他动力学分析的基础。在建立好模型后导入 ANSYS Workbench，4采用 madol 模块，网格划分与约束的添加与静
6、力分析相同。选择模态扩展数为 6 阶。 图 4 太阳轮轴前六阶模态图 由分析结果可以看出太阳轮轴的基础频率前六阶分别为0.008Hz，3496 Hz，3500 Hz，6160 Hz，9422 Hz，9435 Hz。输入轴额定转速为 2830 转每分钟，即 47Hz。太阳轮轴额定转速远离其固有频率，故设计合理。 3.太阳轮与行星齿轮啮合校核9 使用零件图建立太阳轮轴与行星齿轮的小装配体，将建好的装配体导入 ANASYSWORKBENCH12.1。根据装配关系定义约束，三个行星轮周向固定，太阳轮轴与轴承配合处设圆柱约束。按照输入扭矩大小对太阳轮轴前端圆柱面添加扭矩载荷 12.098N.m。设置求解
7、器，平均应力。 图 5 太阳轮轴与行星齿轮平均应力图 由以上图片可以看出最大平均应力值为 422.8Mpa，发生在太阳齿轮与行星齿轮接触面之间，最大接触应力小于材料的许用应力值。齿轮设计符合要求。 四、结论 在改进完善电动潜油螺杆系统工作扭矩的基础上，优选了电动潜油螺杆泵系统井下关键部件减速传动装置设计，完成了减速传动装置主要结构与部件的有限元强度计算，设计出外设计出外径 138mm、最大允许输出扭矩 342Nm 的减速传动装置。提高螺杆泵适应不同的和复杂多变的开采环境的能力、节约能源和提高采油效率等都有重要的意义。 5参考文献 1 张建民.井下采油单螺杆泵的现状及发展J.石油机械，2000，
8、28（8）：5658 2 江宇蓉，国内外潜油减速器的研究现状J，石油矿场机械，2009， ，11（6）：101-104 3 陈家庆，周梅，王辉，浅谈电动潜油单螺杆采油系统的研究开发J.石油矿场机械，2002，31（2）：14. 4 魏秦文，张茂，郭咏梅，潜油电机驱动采油技术的发展J，石油矿场机械，2007，36（7）：1-7 6 王世杰，吕彬彬，李勤.潜油螺杆泵采油系统设计与应用技术分析J.沈阳工业大学学报，2005，27（2）：121125. 7 龚景安，许立忠. 机械设计. 北京：机械工业出版社， 1998：32-34 8 和庆娣，王军. Solidworks2007 案例精解. 北京：中国电力出版社， 2008：125-154 9 龚曙光. ANSYS 在应力分析设计中的应用. 化工装备技术， 2002（1）： 31-35 作者简介：姓名：苏震（1985）山东泰安人 在读研究生 从事机械设计研究。
