全金屬螺桿減速器設計及運動學分析

陳維 黃新宇

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-4822

摘? 要：針對現有的渦輪鉆具減速器存在的齒輪模數小、輪齒抗彎強度不足、慣性力不易平衡、傳動效率低等問題，設計了一種新型的全金屬螺桿減速器，該減速器主要由曲柄、螺桿副、花瓣式聯軸器和輸出軸等組成。為了使其獲得最佳輸出性能，以螺桿輸出轉速為研究對象，建立了減速器的3D模型，利用Adams軟件對輸出轉速進行運動學仿真，分析螺桿定轉子的配合間隙對減速比的影響。仿真結果顯示減速器的減速比大致約等于螺桿定、轉子的頭數比，但不同間隙值對轉動的平穩性影響較大。根據研究結果篩選出了最佳間隙值，為螺桿減速器的設計提供參考。

關鍵詞：螺桿減速器? 全金屬? 間隙值? 運動學仿真? 平穩性

中圖分類號：TH132.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（c）-0055-05

Design and Kinematic Analysis of All Metal Screw Reducer

CHEN Wei*? HUANG Xinyu

（School of Mechanical Engineering， Yangtze University， Jingzhou， Hubei Province， 434000 China）

Abstract： Aiming at the problems existing in the existing turbodrill reducer， such as small gear modulus， insufficient bending strength of gear teeth， difficult balance of inertia force， low transmission efficiency， a new type of all-metal screw reducer was designed. The reducer is mainly composed of crank， screw pair， petal coupling and output shaft.In order to obtain the best output performance， taking the output speed of screw as the research object， the 3D model of reducer is established， and Adams software is used to carry out kinematic simulation of the output speed， so as to analyze the influence of the fit clearance of screw fixed rotor on the reduction ratio.The simulation results show that the reduction ratio of the reducer is approximately equal to the head ratio of the screw and the rotor， but different clearance values have great influence on the stability of rotation.According to the research results， the best clearance value is selected to provide reference for the design of screw reducer.

Key Words： Screw reducer; All metal; Gap value; Kinematic simulation; Stationarity

目前，石油開發的重點已轉向深部地層，深井、超深井、定向井和水平井鉆井將越來越多，地層硬度越來越大，地層研磨性越來越強，井底溫度越來越高。用轉盤鉆鉆深井和超深井，鉆桿失效嚴重，鉆井事故頻發，機械鉆速低，鉆井成本劇增。用螺桿鉆具鉆深井、超深井和水平井，受井底高溫和高密度泥漿的影響，工作可靠性下降。用渦輪鉆具鉆深井、超深井和水平井，可充分利用渦輪鉆具高轉速低鉆壓的破巖特點，提高硬地層鉆井的機械鉆速，在未來的油氣井鉆井中渦輪鉆具鉆井具有廣闊的應用前景[1]。

但是，渦輪鉆具的大功率是由高轉速形成的，高轉速對鉆頭工作壽命影響極大，牙輪鉆頭不能在高轉速下工作，與PDC鉆頭配合使用則扭矩不夠。另外，在中軟地層、中硬地層鉆井時需要高鉆壓大扭矩，才能提高機械鉆速。帶減速器的渦輪鉆具將渦輪的高轉速變為較低輸出轉速，將渦輪產生的扭矩變為較大輸出扭矩，以滿足低速、大扭矩、高鉆壓鉆井的要求，拓寬了渦輪鉆具的應用范圍，降低了對鉆頭和泥漿循環系統的要求[1-3]。

近100多年來，科學家和設計師們一直在研究渦輪鉆具用井下減速器。由于受井下空間有限、工作環境復雜、鉆柱振動等因素的影響，提高井下減速器的壽命和工作可靠性的難度很大。目前，已獲工業應用的井下減速器是大直徑行星齒輪減速器。齒輪傳動由于徑向尺寸的限制，齒輪所取的模數一般較小，致使輪齒抗彎強度不足而容易損壞;若選用多級行星輪減速器，則會增大渦輪鉆具長度和增加渦輪鉆具重量[1-6]。

近幾年，針對普通螺桿橡膠襯套受不適應井底高溫環境，國內外專家、學者對全金屬螺桿馬達進行了系統的研究，研發了一種全金屬材質的螺桿馬達[6-14]。這種全金屬的螺桿采用全金屬結構，利用金屬定子和金屬轉子之間的相互嚙合進行鉆井工作，由于沒有橡膠部件更能適應井下的高溫環境[13]。

本文設計的減速器利用單螺桿傳動原理實現減速[15]，單螺桿采用全金屬結構且不受徑向尺寸的限制。

1? 結構及工作原理

圖1為全金屬螺桿減速器結構示意圖，它主要由螺桿副、滑動軸承副、萬向聯軸節、曲柄、高低速軸等組成。螺桿轉子6偏心地安裝在定子5中，螺桿轉子為鋼制多線外螺旋面，螺桿定子為鋼制多線內螺旋面，兩者構成多線螺桿副，其偏心距與曲柄4的半徑相同。螺桿的一端安裝軸承17，軸承中裝軸，軸連接曲柄4，曲柄再連接高速軸2;螺桿的另一端裝萬向聯軸節8，并與低速軸12相連。

當螺桿的轉子軸以一轉速為 的旋轉運動繞其軸心滾動，它的軸心同時又圍繞定子軸心沿一個半徑為“ ”的圓柱、以轉速為在的相反方向轉動。

令螺桿副的頭數比為

為金屬定子的頭數，為金屬轉子的頭數，且 。

根據螺桿的運動特性可推導出：×，即螺桿轉子公轉轉速是其自轉轉速的倍。

當動力由高速軸輸入時，動力通過滑動軸承副及曲柄將動力傳遞到螺桿副，螺桿轉子在曲柄的帶動下沿著定子內表面作相反方向的轉動，最終傳遞給萬向聯軸器，達到減速目的。當將動力由低速軸輸入時，當螺桿在萬向聯軸器的帶動下沿定子內表面運動時，螺桿軸線將繞定子軸線作相反方向的轉動，并通過滑動軸承副及曲柄將這一運動傳給高速軸，達到增速的目的。可以看出，高低速軸的轉動方向是相反的。

2? 金屬螺桿定、轉子的配合

傳統的螺桿的定子為橡膠材質，且螺桿作為馬達使用時為了保證螺桿馬達工作有效性、可靠性，螺桿的定、轉子表面必須考慮接觸密封，因此作為動力鉆具使用時，橡膠定子和螺桿轉子采用的是過盈配合。

但是，當螺桿作為減速器即傳動裝置時，則可不用考慮定、轉子的表面接觸密封。同時本文所設計的減速器定、轉子均為金屬材質，如果采用過盈配合，必然導致劇烈的磨損，磨損會破壞定、轉子表面的線型，使定、轉子的嚙合失效，喪失工作性能。而且伴隨著鉆井深度的增加，井底的溫度也將隨之不斷升高，定、轉子必將受熱膨脹，如果仍然采用過盈配合，必將加劇兩者之間的磨損，甚至會導致完全卡死。

綜上所述，金屬螺桿必須采用間隙配合，但是間隙過大時，螺桿定子-轉子嚙合副會出現打滑現象，嚴重影響螺桿減速器的傳動平穩性。

3? 螺桿減速器的運動學分析

使用三維建模軟件SolidWorks建立了該減速器的模型（假設螺桿頭數比為5：6），參考機械設計手冊常用優先配合特性及選用舉例，選取定、轉子的配合公差分別為H6/f5，H7/f6，H8/f8，H8/e8，H8/d8，H9/e9，即間隙值分別為0.073mm，0.093mm，0.144mm ，0.179mm，0.228mm，0.246mm，利用Adams對螺桿減速器的輸出轉速進行仿真分析。

建立如圖2所示的仿真模型，材料均選用42CrMo，其密度為7850kg/m3，彈性模量為212GPa。設置驅動轉速為1000r/min，并設置相對應的固定副、旋轉副，添加約束力，得到仿真結果如圖3～圖8所示。

根據Adams不同間隙值的輸出轉速曲線，對計算結果進行數理分析，并利用方差反映傳動平穩性，得到結果如表1所示。

根據表1可知，間隙值在一定范圍內時，間隙值對輸出轉速影響不大，但是隨著間隙值的增大，輸出轉速的方差呈現先減小后增大的趨勢。由于方差越小，傳動越平穩，因此認為螺桿頭數比為5：6，輸入轉速為1000r/min時，定、轉子的間隙值為0.228mm即采用配合公差為H8/d8時最佳。

4? 結論

（1）設計了一種新型的全金屬螺桿減速器。該減速器采用全金屬結構，不含橡膠部件，能夠適應井下高溫、高壓環境，且由于采用螺桿傳動，不受徑向尺寸的限制。

（2）分析不同間隙值對螺桿減速器的輸出轉速的影響，得知螺桿頭數比為5：6，輸入轉速為1000r/min時，定、轉子的間隙值為0.228mm，即采用配合公差為H8/d8時輸出特性最佳。

參考文獻

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