RU217542U1 - Героторный механизм рабочих органов объемной гидравлической машины - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к зубчатым циклоидальным механизмам внутреннего зацепления и может быть использована в различных отраслях машиностроения в качестве рабочих органов гидравлических машин (насосов и двигателей), компрессоров, ДВС, а также в планетарных редукторах, в частности в технических системах для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин. Задачи, на решение которых направлена полезная модель, заключаются в повышении качества процесса проектирования рабочих органов с циклоидальным профилем зубьев, а также в обосновании условий модификации циклоидальных торцовых профилей (выбором необходимого сочетания безразмерных коэффициентов зацепления) для достижения максимальной или минимальной площади живого сечения героторного механизма с различным кинематическим отношением. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Заявленное техническое решение относится к зубчатым механизмам внутреннего зацепления и может быть использовано в машиностроении в качестве рабочих органов гидравлических и пневматических машин с прямыми и винтовыми зубьями, а также в ДВС и планетарных редукторах.

Известен зубчатый механизм с внутренним циклоидальным зацеплением, применяемый в качестве рабочего органа многозаходных винтовых забойных двигателей для бурения скважин, с разницей в числах зубьев ротора и статора равной единице, сопряженные торцовые профили которых образуются как огибающие эквидистанты укороченной циклоидальной рейки при ее обкатке по основной окружности (Героторный механизм. А.с. СССР №803572 от 08.10.1979).

В общем случае геометрия героторного механизма с циклоидальным профилем зубьев для любого кинематического отношения и типа зацепления (эпи или гипо) определяется сочетанием трех безразмерных геометрических коэффициентов (внецентроидности, формы зуба и смещения рейки), что усложняет технологию изготовления и выбор оптимальной формы профилей, описываемых сложными математическими выражениями, зависящими от сочетания трех вышеуказанных безразмерных коэффициентов.

На основе исследования и оптимизации данного метода построения циклоидального торцового профиля в практике проектирования и изготовления рабочих органов героторного механизма геометрические параметры торцового профиля стандартизированы до обобщенного вида, при котором для каждого кинематического отношения из трех безразмерных коэффициентов зацепления два коэффициента (внецентроидности и формы зуба) принимаются постоянными, а третий (коэффициент смещения) назначается исходя из заданного контурного диаметра с учетом необходимости сохранения плавности рабочего контура (ОСТ 39-164-84. Передача зубчатая ротор - статор винтового забойного двигателя. Исходный контур. Расчет геометрии).

В случае построения циклоидального торцового профиля по ОСТ 39-164-84 отношение контурного диаметра рабочих органов (по впадинам зубьев статора) к эксцентриситету зацепления является свободным параметром, не регламентированным в процессе проектирования.

Недостатком данного подхода к построению торцового профиля героторного механизма, обеспечивающего стандартизацию проектных решений и унификацию параметров зубонарезного инструмента, является невозможность достижения экстремальных (максимального или минимального) значений площади живого сечения, что в ряде случаев является необходимым условием расчета героторного механизма с целью обеспечения максимально возможной частоты вращения или крутящего момента роторной гидравлической или пневматической машины.

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в установлении взаимосвязи геометрических параметров циклоидального торцового профиля, обеспечивающей достижение максимальной или минимальной площади живого сечения героторного механизма с целью проектирования рабочих органов роторной гидравлической или пневматической машины с максимально возможным значением частоты вращения или крутящего момента.

Поставленная задача достигается за счет того, что при проектировании рабочих органов роторной гидравлической или пневматической машины, выполненных в виде героторного механизма с циклоидальным торцовым профилем статора и ротора, числа зубьев (z ₁ ; z ₂ ) которых различаются на единицу, отношение контурного диаметра (по впадинам зубьев статора) D _к к эксцентриситету е зацепления (D _к /e), зависящее от сочетания безразмерных геометрических коэффициентов (внецентроидности с _о = r/e, формы зуба с _е = r _ц /e и смещения с _Δ = Δx ₁ /e), используемых при образовании торцового профиля по методу обкатки циклоидальной рейки, назначается в диапазоне, обеспечивающем достижение максимальной или минимальной площади живого сечения для заданного кинематического отношения i=z ₂ :z ₁ при сохранении плавности контуров зубьев и отсутствии интерференции сопряженных профилей в случае их образования от общей рейки.

При этом за счет варьирования численными значениями указанных безразмерных геометрических коэффициентов могут быть получены различные формы сопряженных профилей зубчатых колес (ротора и статора) и их модификация, обеспечивающая достижение экстремальных значений площади живого сечения, в зависимости от конструктивных и технологических условий при создании рабочих органов.

В дальнейшем заявленная полезная модель поясняется описанием и чертежами.

На фиг. 1 показана общая схема образования циклоидального торцового профиля методом обкатки исходного контура циклоидальной рейки с учетом возможности смещения рейки относительно производящей прямой.

На фиг. 2 представлены гипоциклоидальные торцовые профили многозаходных героторных механизмов с различным кинематическим отношением (2:3; 5:6; 9:10) в эталонном случае их образования (при отсутствии смещения контура рейки при построении исходного профиля и стандартизированных значениях коэффициентов внецентроидности и формы зуба).

На фиг. 3 показаны графики зависимости безразмерного коэффициента D _к /e от числа заходов ротора для эталонного героторного механизма (с _о = 1,175; с _е = 2,175), а также предложенный контур изменения коэффициента D _к /e, обеспечивающий достижение максимальной площади живого сечения.

На фиг. 4 изображены гипоциклоидальные торцовые профили с кинематическим отношением 2:3; 5:6; 9:10 и необходимым сочетанием безразмерных коэффициентов, обеспечивающим максимальную площадь живого сечения при сохранении плавности контуров зубьев.

На фиг. 5 представлены альтернативные варианты гипоциклоидальных торцовых профилей с максимальной площадью живого сечения для механизма с кинематическим отношением 3:4 при различных сочетаниях коэффициентов профиля (с _о , с _е , с _{Δ ,} ), обеспечивающих постоянство безразмерного параметра D _к /e = 9,2 и площади живого сечения (S/D _k ² = 0,2).

На фиг. 6 представлены примеры образования гипоциклоидального торцового профиля с минимальной площадью живого сечения для механизма с кинематическим отношением 3:4 при отсутствии интерференции сопряженных профилей (фиг.6а, 6б) и при наличии интерференции профилей ротора и статора в случае их образования от общей циклоидальной рейки (фиг.6в).

На фиг. 7 изображен героторный механизм с кинематическим отношением 2:3, построенный от общей рейки и отличающийся заметной интерференцией сопряженных профилей.

На фиг. 8 для сравнения показаны торцовые профили героторного механизма с кинематическим отношением 5:6 с максимальной и минимальной площадью живого сечения при различных значениях параметра D _к /e.

На фиг. 9 изображена схема размещения винтового забойного двигателя с двумя углами перекоса в корпусе технической системы «Перфобур».

На фиг. 10 представлена схема размещения винтового забойного двигателя с двумя углами перекоса в радиальном канале ствола скважины.

Во многих отраслях машиностроения (например, в нефтегазовой промышленности) нашли применение объемные роторные гидравлические и пневматические машины с внутренним зацеплением рабочих органов (пара ротор-статор). Торцовые профили рабочих органов таких машин представляют собой замкнутые периодические кривые, угловой шаг которых обратно пропорционален числу зубьев.

Для большинства конструктивных схем роторных гидравлических и пневматических машин ротор совершает планетарное движение, а торцовые профили их рабочих органов, получившие название «героторный механизм», являются циклоидальными и образуются от эквидистанты гипо- и эпициклоиды или в общем случае как огибающие эквидистанты 3 укороченной циклоидальной рейки 2 (в общем случае смещенной относительно номинального положения 2, полученного при качении производящей окружности единичного радиуса 6 по производящей прямой 4) при ее обкатке по основной окружности 5 (фиг. 1).

Форма и кривизна профиля циклоидального колеса при заданном контурном диаметре D _к полностью определяется тремя безразмерными геометрическими коэффициентами:

коэффициентом внецентроидности с ₀ = r/e;

коэффициентом формы зуба c _e = r _ц /e;

коэффициентом смещения рейки с _Δ = Δx ₁ /e,

где r - радиус производящей окружности; е - эксцентриситет; r _ц - радиус эквидистанты; Δx ₁ - смещение исходного контура рейки (фиг. 1).

При различном сочетании безразмерных коэффициентов можно получить торцовые профили героторного механизма с заданным кинематическим отношением, которые будут иметь различные геометрические параметры, в том числе площадь живого сечения (как разность площадей профилей статора и ротора).

Эталонные гипоциклоидальные профили с различным кинематическим отношением (2:3; 5:6; 9:10), построенные методом обкатки при отсутствии смещения исходного контура рейки, форма зубьев которой соответствует ОСТ 39-164-84, изображены на фиг. 2. Точки О ₁ и О ₂, смещенные на расстояние эксцентриситета е, принадлежат центрам сечений соответственно статора и ротора. Как видно, с увеличением числа зубьев площадь живого сечения рабочих органов, представляющая сумму отдельных рабочих камер, снижается, но при этом возрастает кратность действия героторного механизма в процессе его работы.

Площадь живого сечения является одним из факторов, определяющих рабочий объем гидравлической или пневматической машины и оказывает непосредственное влияние на их основные технические показатели (частоту вращения, крутящий момент, перепад давления).

В определенных условиях при проектировании рабочих органов машины необходимо назначить такую форму циклоидальных профилей, которая обеспечивает достижение максимального или минимального значения площади живого сечения героторного механизма с целью обеспечения максимально возможной частоты вращения или крутящего момента гидромашины.

Для построения торцового профиля с экстремальным значением площади живого сечения требуется установить необходимые соотношения между геометрическими размерами зубчатых колес. Однако до настоящего времени в теории циклоидального зацепления не приведены обобщенные данные по выбору оптимальных сочетаний геометрических параметров профиля, в частности между контурным диаметром (по впадинам зубьев статора) и эксцентриситетом зацепления D _к /e для данного кинематического отношения героторного механизма.

В случае построения торцовых профилей по ОСТ 39-164-84, когда два безразмерных коэффициента принимаются постоянными, а третий коэффициент (с _Δ ) определяется исходя из заданных значений контурного диаметра и эксцентриситета зацепления, достижение экстремальной площади живого сечения не представляется возможным из-за неоптимального выбора коэффициентов внецентроидности и формы зуба в отношении площади живого сечения героторного механизма, что обусловлено тем, что здесь отношение D _к /e является свободным параметром, строго не регламентированным в процессе проектирования.

Стандартизированный подход к проектированию циклоидального торцового профиля ограничивает возможности выбора оптимальных геометрических параметров и совершенствования характеристики гидравлической или пневматической машины, поскольку при его реализации не учитывается необходимое сочетание между диаметральным размером и эксцентриситетом (межосевым расстоянием) героторного механизма.

В общем случае зависимость отношения D _к /e от числа заходов ротора для героторного механизма с циклоидальным профилем зубьев можно представить в следующем виде

, (1)

где z ₂ - число зубьев ротора (внутреннего колеса), z ₂ = z ₁ - 1.

Если при заданном контурном диаметре D _k требуется обеспечить постоянный эксцентриситет e и высоту зубьев (h = 2e), то между безразмерными коэффициентами профиля должна установиться следующая взаимосвязь:

(2)

Результаты расчетов показывают, что при D _k /e = const площади отдельных камер героторного механизма сохраняют практически постоянную величину, несмотря на различную конфигурацию торцовых профилей ротора и статора при изменении геометрических коэффициентов в соответствии с выражением (2). Этот вывод можно применить при построении циклоидального торцового профиля, обладающего экстремальным значением площади живого сечения S при заданном диаметральном размере и кинематическом отношении рабочих органов.

При таком подходе при проектировании рабочих органов роторной гидравлической или пневматической машины, выполненных в виде героторного механизма с циклоидальным торцовым профилем статора и ротора, числа зубьев которых различаются на единицу, отношение контурного диаметра к эксцентриситету зацепления (D _к /e), зависящее от сочетания безразмерных геометрических коэффициентов (внецентроидности с _о , формы зуба с _е и смещения с _Δ ), используемых при образовании торцового профиля по методу обкатки циклоидальной рейки, назначается исходя из достижения максимальной или минимальной площади живого сечения для заданного кинематического отношения i=z ₂ :z ₁ при сохранении плавности контуров зубьев и отсутствии интерференции сопряженных профилей ротора и статора.

Для каждого кинематического отношения (заходности) героторного механизма существует диапазон изменения безразмерного параметра D _к /e обеспечивающий достижение экстремальной площади живого сечения при соблюдении условий отсутствия разрыва кривизны и интерференции (пересечения) профилей.

Численные значения данных диапазонов, соответствующие максимальной площади живого сечения для многозаходных рабочих органов, представлены на фиг. 3 в виде заштрихованного контура.

Данный контур не пересекается с графиком D _к /e (линия 1) для героторного механизма с эталонным циклоидальным профилем зубьев (фиг. 2), что подтверждает неоптимальность такого варианта при создании машины с максимальным рабочим объемом.

Проектирование торцового профиля с оптимальным значением безразмерного параметра D _к /e является вариативным и может быть осуществлено за счет выбора необходимого сочетания между геометрическими коэффициентами (с _о , с _е , с _Δ ) в соответствии с выражением (2). При этом варьирование лишь одним коэффициентом смещения (с _о ; с _е - const) ограничивает возможности проектирования и при заданном диаметральном габарите (D _к = const) не позволяет изменять площадь живого сечения S более чем на 25%.

В результате при проектировании рабочих органов роторной гидравлической или пневматической машины с целью достижения максимальной площади живого сечения безразмерные геометрические коэффициенты циклоидального торцового профиля назначаются в диапазонах:

D _к /е = 6…24,

с _о = 1,05…1,2,

с _е = 0…1,75,

с _Δ = - 2,5…0,5,

причем меньшие значения коэффициента D _к /e относятся к героторным механизмам с малыми числами зубьев.

В качестве примера предложенной методики построения циклоидального профиля на фиг. 5 представлены три возможных варианта исполнения рабочих органов героторного механизма с кинематическим отношением 3:4 с максимальной площадью живого сечения (S/D _к ² = 0,20) и различным сочетанием безразмерных коэффициентов профиля при постоянном отношении D _к /e = 9,2, соответствующем предложенному контуру, изображенному на фиг. 3.

Выбор окончательного варианта героторного механизма с максимальной площадью живого сечения производится на основе сравнения геометрических (в частности, приведенная кривизна контура, высота зубьев), кинематических (скорость скольжения, инерционная сила) и технологических параметров с учетом типа проектируемой машины и заданных условий эксплуатации.

При проектировании рабочих органов с минимальной площадью живого сечения при идеальном способе построения профилей (когда сопряженный профиль строится как огибающая исходного профиля при их обкатке по начальным окружностям) можно получить героторный механизм с любой необходимой площадью живого сечения (фиг. 6a, 6б) теоретически достигающей нулевого значения (в этом случае D _k /e →∞, а профили ротора и статора стремятся к окружности).

Однако, если исходный и сопряженный профили строятся от общего контура циклоидальной рейки, изображенной на фиг. 1 (что часто применяется на практике с целью сокращения затрат на проектирование и изготовление зубонарезного инструмента), то получение торцового профиля с минимальной площадью живого сечения ограничивается условием отсутствия интерференции сопряженных профилей ротора и статора (фиг. 6в). В этом случае при проектировании профиля целесообразно назначать коэффициент внецентроидности с _о близким к единице, а сочетание коэффициентов с _е и с _Δ должно приниматься из условия минимального пересечения профилей.

Пример героторного механизма с явно выраженной интерференцией сопряженных профилей вследствие высокого значения коэффициента внецентроидности представлен на фиг. 7, применение такого варианта возможно при использовании статора с эластичной обкладкой.

В общем случае при проектировании героторных механизмов с минимальной площадью живого сечения можно принять

D _к /е > 15…30,

причем меньшие значения коэффициента D _к /e относятся к героторным механизмам с малыми числами зубьев.

Кроме того, при окончательном выборе варианта героторного механизма с минимальной площадью живого сечения необходимо учитывать величину гидравлического радиуса, определяющего коэффициент сопротивления и гидравлические потери в рабочей паре, особенно при работе на вязких жидкостях и газожидкостных смесях.

Для обобщения возможной реализации полезной модели на фиг.8 изображены варианты торцовых профилей механизма с кинематическим отношением 5:6, обеспечивающие максимальную и минимальную площадь живого сечения (изменение площади составляет 50%) за счет варьирования безразмерными геометрическими коэффициентами.

Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение качества процесса проектирования рабочих органов роторных гидравлических и пневматических машин с циклоидальным профилем зубьев, а также обоснование условий модификации циклоидальных торцовых профилей для достижения максимальной или минимальной площади живого сечения героторного механизма с различным кинематическим отношением, что создает предпосылки дальнейшего повышения эффективности применения объемных роторных машин в различных отраслях машиностроения.

Например, для технической системы «Перфобур», предназначенной для проведения работ, обеспечивающих возможность эксплуатации продуктивных пластов малой мощности в нефтяных и газовых скважинах посредством бурения из основного ствола скважины каналов сверхмалого диаметра 60…70 мм и длиной до 14 метров по прогнозируемой траектории при вторичном вскрытии через предварительно фрезерованное «окно» в обсадной колонне, требуются специальные малогабаритные циклоидальные винтовые забойные двигатели (ВЗД) с наружным диаметром корпуса не более 43…49 мм. Такие двигатели посредством клина-отклонителя, входящего в состав технической системы «Перфобур», способны обеспечить вхождение в пласт под углом 5…7 град. относительно оси основного ствола при темпе набора угла кривизны в процессе бурения до 10 град./м (Бурильная компоновка с малогабаритным гидравлическим забойным двигателем. Патент на полезную модель №195139 от 25.12.2017).

На фиг. 9 и 10 представлены схемы размещения малогабаритного ВЗД с двумя углами перекоса соответственно в корпусе технической системы «Перфобур» и в радиальном канале ствола скважины с радиусом кривизны 7…9 м.

Одна из проблем при разработке гидравлического двигателя для такой технической системы, а также неэффективность использования серийных малогабаритных ВЗД определяются необходимостью обеспечения требуемого высокого уровня крутящего момента двигателя, зависящего от возможности достижения максимальных значений площади живого сечения и рабочего объема в ограниченном диаметральном и осевом габаритах, что может быть реализовано на основе предложенных в заявке технических решений по выбору формы циклоидального торцового профиля рабочих органов.

Разработанный гидравлический двигатель диаметром 49 мм, рабочие органы которого были выполнены в точном соответствии с предложенной в заявке на полезную модель формой циклоидального торцового профиля за счет варьирования безразмерными геометрическими коэффициентами (D _к /е = 6…24; с _о = 1,05…1,2; с _е = 0…1,75; с _Δ = - 2,5…0,5), испытан на производственной площадке ООО «Перфобур» (г. Уфа) на специализированном испытательном стенде, позволяющем имитировать условия работы технической системы в скважине с регистрацией необходимых параметров для подбора оптимальных режимов работы оборудования посредством установленных на стенде КИП и специального программного обеспечения, позволяющего на основе полученных данных строить в реальном времени графики характеристик всех элементов системы.

В процессе испытаний на различных режимах двигатель развивал крутящий момент при максимальной мощности до 200 Н⋅м, что соответствует основным техническим требованиям для реализации рассматриваемой технологии бурения и характеризует промышленную полезность предлагаемой полезной модели.

Claims (14)

1. Героторный механизм рабочих органов объемной гидравлической машины с циклоидальным торцовым профилем статора и ротора, числа зубьев которых различаются на единицу, отличающийся тем, что отношение контурного диаметра по впадинам зубьев статора D _к к эксцентриситету е зацепления D _к /e, зависящее от сочетания безразмерных геометрических коэффициентов внецентроидности с _о = r/e, формы зубьев с _е = r _ц /e и смещения с _Δ = Δx ₁ /e, используемых при образовании торцового профиля по методу обкатки циклоидальной рейки, назначается исходя из достижения максимальной или минимальной площади живого сечения для заданного кинематического отношения i=z ₂ :z ₁ при сохранении плавности контуров зубьев и отсутствии интерференции сопряжённых профилей,

где r – радиус производящей окружности;

r _ц – радиус эквидистанты;

Δx ₁ – смещение исходного контура рейки относительно производящей прямой;

z ₁ , z ₂ – числа зубьев статора и ротора.

2. Героторный механизм по п.1, отличающийся тем, что в нем достигается максимальная площадь живого сечения, а безразмерные геометрические коэффициенты профиля назначаются в диапазонах

D _к /е = 6…24,

с _о = 1,05…1,2,

с _е = 0…1,75,

с _Δ = – 2,5…0,5,

причём меньшие значения коэффициента D _к /e относятся к героторным механизмам с малыми числами зубьев.

3. Героторный механизм по п.1, отличающийся тем, что в нем достигается минимальная площадь живого сечения, а безразмерные геометрические коэффициенты профиля назначаются в диапазонах, обеспечивающих условие

D _к /е > 15…30,

причём меньшие значения коэффициента D _к /e относятся к героторным механизмам с малыми числами зубьев.

Images