螺桿鉆具馬達(dá)線型評價(jià)體系研究

陳治++肖蘇宸

摘 要：螺桿鉆具馬達(dá)性能參數(shù)對于螺桿鉆具整體工作效率具有重要意義。比較分析馬達(dá)常用線型技術(shù)特點(diǎn)，確定螺桿鉆具馬達(dá)線型。歸納總結(jié)影響鉆具和馬達(dá)性能的主要技術(shù)參數(shù)，以幅長系數(shù)、等距半徑系數(shù)作為研究因素，提出一套合理的馬達(dá)線型評價(jià)體系。研究成果對于螺桿鉆具馬達(dá)線型參數(shù)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：預(yù)輪廓；螺桿鉆具；馬達(dá)；線型

引言：近幾年，隨著石油資源不斷開采，螺桿鉆具作為一種重要的井下動(dòng)力鉆具，廣泛應(yīng)用于油氣鉆井、地質(zhì)勘探、煤層氣開采等領(lǐng)域[1]。馬達(dá)總成由定、轉(zhuǎn)子兩部分組成，是螺桿鉆具主要部件，其工作可靠性直接影響著螺桿鉆具整體工作壽命，同時(shí)馬達(dá)定轉(zhuǎn)子線型參數(shù)又直接決定著馬達(dá)總成的工作可靠性，因此馬達(dá)線型參數(shù)設(shè)計(jì)研究具有重要意義。筆者以預(yù)輪廓螺桿鉆具馬達(dá)型線作為研究對象，分析比較了五種馬達(dá)線型特點(diǎn)，優(yōu)選預(yù)輪廓螺桿鉆具定轉(zhuǎn)子線型，并探討了線型參數(shù)選取對馬達(dá)和鉆具特性的影響，提出了一套合理的螺桿鉆具馬達(dá)線型評價(jià)體系。

一、線型分析

目前，螺桿鉆具馬達(dá)定轉(zhuǎn)子線型主要以擺線類線型為主，分為外擺線和內(nèi)擺線。根據(jù)幅長系數(shù)K的取值，擺線線型又可分為短幅擺線、普通擺線和長幅擺線。理論研究分析可得，長幅擺線存在打扣現(xiàn)象，無法應(yīng)用于馬達(dá)線型設(shè)計(jì)。

普通內(nèi)擺線是短幅內(nèi)擺線在K=1時(shí)的特例，普通外擺線是短幅外擺線在K=1時(shí)的特例。根據(jù)理論計(jì)算，對于多頭的普通內(nèi)擺線等距線型，無論等距半徑系數(shù)選得何等小，線型都存在打扣現(xiàn)象，但可通過定子橡膠變形加以解決。普通外擺線線型因打扣嚴(yán)重而無法在工程中實(shí)際應(yīng)用[2]。內(nèi)外擺線法線型是普通內(nèi)擺線線型和普通外擺線線型的結(jié)合。根據(jù)五種擺線線型特點(diǎn)，以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，初步確定預(yù)輪廓螺桿鉆具馬達(dá)采用短幅內(nèi)擺線線型，并對線型進(jìn)行分析計(jì)算。

螺桿馬達(dá)的線型采用短幅內(nèi)擺線，以短幅內(nèi)擺線作為定子線型的骨線，骨線的外等距線為定子的輪廓線。轉(zhuǎn)子線型為假設(shè)定子輪廓作特定的行星運(yùn)動(dòng)時(shí)，由定子輪廓曲線生成的內(nèi)共軛曲線。在線性分析計(jì)算中，馬達(dá)定轉(zhuǎn)子共軛曲線需滿足密封條件。在保證定轉(zhuǎn)子接觸良好的前提下，選取合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，力求獲得較大的過流面積和較小的偏心距，提高馬達(dá)和鉆具的工作特性。

二、評價(jià)體系

在馬達(dá)線型設(shè)計(jì)中，合理選取線型結(jié)構(gòu)參數(shù)才是關(guān)鍵。馬達(dá)線型參數(shù)取值的合理性直接決定著馬達(dá)工作可靠性和效率。當(dāng)定子型線大徑和轉(zhuǎn)子頭數(shù)確定后，馬達(dá)定轉(zhuǎn)子型線和馬達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)取決于幅長系數(shù)和等距半徑系數(shù)。綜合預(yù)輪廓螺桿鉆具馬達(dá)性能參數(shù)，以幅長系數(shù)、等距半徑系數(shù)作為研究因素，采用正交方法擬定馬達(dá)線型參數(shù)。同時(shí)尋求線型幾何量的計(jì)算方法和公式，分析線型幾何參數(shù)對鉆具和馬達(dá)性能的影響，提出一套合理的螺桿鉆具馬達(dá)線型評價(jià)體系，為馬達(dá)線型參數(shù)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

（一）馬達(dá)過流面積。 AG=As-Ar 。式中As為定子型腔橫截面積；Ar為轉(zhuǎn)子輪廓橫截面積；為馬達(dá)過流面積。過流面積大，有利于獲得低速大扭矩特性，這是馬達(dá)型線設(shè)計(jì)的重要因素。

（二）馬達(dá)每轉(zhuǎn)排量。q= AGNTs。式中N為轉(zhuǎn)子頭數(shù)；Ts為定子導(dǎo)程。

（三）馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。n=uv。式中Q為螺桿馬達(dá)工作排量，L/s；n為馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min；uv為容積效率，取0.9～1。螺桿鉆具轉(zhuǎn)速與排量Q和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與鉆井工況無關(guān)。隨著循環(huán)排量Q的變化，轉(zhuǎn)速n呈線性變化，因此可通過調(diào)節(jié)排量Q改變轉(zhuǎn)速。

（四）馬達(dá)輸出扭矩。T=9549η。式中△p為馬達(dá)有效壓差，η為馬達(dá)效率。工作扭矩與壓降△p和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此增大馬達(dá)每轉(zhuǎn)排量，可獲得適合于鉆井作業(yè)的低速大扭矩特性。

（五）馬達(dá)總壓降。△p=式中T為螺桿馬達(dá)扭矩；q為螺桿鉆具每轉(zhuǎn)排量；ηm為螺桿鉆具機(jī)械效率。 螺桿鉆具具有硬轉(zhuǎn)速特性和良好的過載能力，不因負(fù)載T增大而降低轉(zhuǎn)速，△p增大可導(dǎo)致工作扭矩T變大。

（六）馬達(dá)轉(zhuǎn)子與定子間的最大滑動(dòng)速度。Vmax=式中Dr1為轉(zhuǎn)子輪廓大徑；e為偏心距。定轉(zhuǎn)子間的最大滑動(dòng)速度越小，可降低馬達(dá)磨損，提高馬達(dá)工作壽命。

（七）馬達(dá)轉(zhuǎn)子離心力。Fa=ArLrpN2（）2e式中Lr為轉(zhuǎn)子長度，取為定子型腔長度，Lr=Ls=TsKs，K為定子級數(shù)；p為轉(zhuǎn)子材料密度。當(dāng)偏心距小時(shí)，有利于降低轉(zhuǎn)子離心力，從而減小馬達(dá)橫向振動(dòng)，同時(shí)也能降低撓性萬向軸的橫向載荷。

結(jié)論：馬達(dá)定轉(zhuǎn)子線型參數(shù)直接決定著馬達(dá)總成的工作可靠性，影響著螺桿鉆具工作效率。綜合分析線型結(jié)構(gòu)參數(shù)對鉆具和馬達(dá)性能的影響，以幅長系數(shù)、等距半徑系數(shù)作為研究因素，提出了一套合理的螺桿鉆具馬達(dá)線型評價(jià)體系。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸天明.預(yù)輪廓螺桿鉆具研制及應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2012，41（9）：69～72.

[2] 蘇義腦.螺桿鉆具研究及應(yīng)用[M].石油工業(yè)出版社，2001.