潛油螺桿泵采油系統單級與并聯行星減速器的有限元分析

曹樂　張幼軍

摘要：潛油螺桿泵系統行星齒輪減速器作為采油系統的重要組成部件，其壽命直接影響著生產效率。該減速器是在井下工作，工況條件惡劣，載荷變化較大，很容易造成齒輪的損壞，導致減速器無法正常工作，而且更換一次減速器的成本非常昂貴，故現在很多關于行星齒輪減速器的研究都集中在如何提高其工作壽命上。而并聯行星齒輪減速器，它的行星輪不同于常規行星減速器的單個行星輪，是由兩組行星輪并聯排列。這樣就改善了每個齒輪的受力情況，提高了工作的可靠性。不僅如此，這種設計還可以減小齒輪模數，在相同的尺寸限制條件下，可以增加齒數，采用標準齒輪，降低了生產成本 。本文通過單級與并聯行星減速器的主要零件的有限元分析對比驗證了此結論。

關鍵詞：并聯減速器；有限元；單級減速器

1.設計要求及傳動圖

本設計要求設計減速器傳動比 =4，功率 =20KW，輸入轉速 =1425rpm，中等沖擊，使用壽命1年，且要求減速器應用于7in下井套管，外廓直徑尺寸小于 140mm。由于受尺寸條件限制，單級潛 油行星減速器往往采用小齒數齒輪，其最小齒數小于18，這樣在齒輪嚙合時就會產生根切，降低齒輪的壽命。為了降低根切所帶來的影響，在設計時應采用變位修正。其傳動簡圖如圖1所示。

當采用并聯行星輪，兩組行星輪同時承受載荷，改善了每個齒輪的受力情況，增加齒輪的壽命。另外在保證尺寸限制的條件下，可以適當減小模數，增加齒輪齒數，使齒數大于最小根切齒數18，避免產生根切現象，而且降低了齒輪的制造難度。其傳動簡圖如圖2所示，其中太陽輪a為輸入，與行星輪c的行星架為輸出，內齒圈b固定不動。

2.單級與并聯行星減速器的有限元計算結果的分析

在相同工況條件下通過有限元計算結果可得到兩種減速器的應力分布與變形情況。如圖3和圖4分別為單級行星減速器與并聯行星減速器的行星輪應力分布云圖。

由以上云圖可以看出，單級行星輪減速器行星輪最大應力為56.2MPa，而并聯行星減速器行星輪最大應力51.2MPa，可見，單級的行星齒輪減速器的行星輪所承受的應力更大一些。

通過對單級與并聯行星齒輪減速器在相同工作情況的有限元分析可以得出單級行星齒輪減速器與并聯行星齒輪減速器相比較，單級行星齒輪減速器受載工況均比并聯行星齒輪減速器要差一些，并聯行星齒輪減速器無論從強度和剛度角度看均好于單級行星齒輪減速器。

參考文獻：

[1]Gaymard B， Chanton E， Puyo P. Progress Cavity pump in European oil production [J].World Pumps. 1989.

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