活齿采油泵设计

摘 要：对活齿泵的结构原理进行分析，讨论活齿泵的工作原理及流量特性可得出该泵具有流量大、流量脉动小、噪声低等优点。对现有的活齿泵进行改进，使其能够在石油行业中有所作为。从泵的内部结构出发，采用活齿传动，使其泵参数要在满足采油工矿的前提下对其外形尺寸尽可能的小，以便于实现深井采油来提高采油效率。

关键词：泵 活齿传动 采油

中图分类号：TH132.4 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）007-107-02

活齿是与内齿圈或针轮啮合，并能在活齿架的孔中作往复运动和回转运动的构件。活齿传动是种由K-H-V型少齿差行星齿轮传动演化而成的一种新型齿轮传动，具有承载能力大、结构紧凑、传动效率高传动比范围广等优点，引起了广大研究者的注意。传动方案最早在20世纪30年代被提出，在德国、美国、英国等国家进行研究，现在已在机械、冶金、采矿等各工业部门应用，我国在60年代开始研究活齿传动，研究方面我国也取得了一系列可喜的成果，现已有些类型的活齿传动减速器已通过了初步试验并已生产和应用到石油、矿山、冶金等行业。

设计的目的就是要对现有的活齿泵进行改进，使其能够在石油行业中有所做为。现今的活齿泵不管是在外形尺寸，还是泵的特性都不能满足采油泵的要求。目前需要改进的就是其泵参数要在满足采油工矿的前提下对其外形尺寸进可能的小，以便于实现深井采油来提高采油效率。要减小其外行尺寸就必须从泵的内部结构出发，抓住关键问题。而其内部为活齿传动，所以活齿传动就是此次设计的重要内容之一。

1 活齿泵的工作原理

1.2.3.4.5.6.7.8.活齿 H.偏心轮 G.活齿泵 K.中心轮

图1 活齿齿轮泵

如图1所示，当中心轮K不动，输入驱动力后，偏心轮H以等角速度 H顺时针转动，带动诸活齿沿着活齿架的径向导糟移动，同时，活齿因受活齿架、中心轮齿廓高副的约束，在沿着中心轮齿廓运动的过程中，推动活齿架以等角速度 C逆时针转动。与中心轮非工作齿廓啮合的诸活齿，在活齿架反推作用下，顺序地返回到活齿的工作起始位置，完成了它的一个工作循环。运动过程中，形成压油区P，和吸油区T；当偏心轮逆时针转动，则T区与P区倒置。当中心轮不固定，则构成差动式活齿齿轮泵，当中心轮转速 X可调时，则该泵可实现变量。此时需要采用配流轴结构。

2 活齿泵基本尺寸

（1）中心轮齿数：zk取7，则活齿数 zg = 7-1=6

（2）按传动功率P确定rT和b。

b = 58.78，考虑到尺寸的因素，取b = 56mm

rT = 3.92～4.57mm，考虑到摩擦及制造因素，取rT =10mm

（3）按连续传动求a：a=3.5mm

（4）滚柱活齿行星传动的结构设计与几何计算。

1）初定：rk根据给的参数直径，取r K为60mm。

2）其它相关尺寸确定。

由rk= 10，根据《行星传动设计与计算》中，圆柱滚子的标准系列：选取滚子的长度L = 24mm，考虑到实际因数，取L = 45mm当rk， rT和a确定后，其它相关尺寸就可以根据几何关系确定

其中，≥0.8mm为活齿架与中心轮和激波器之间的间隙，故选=1.5mm。

中心轮齿顶圆 ： rKa=rK-a = 56.5mm；中心轮齿根圆： rKf=rK+a = 63.5mm；

激波器外圆： rH =rK-2rT -h = 40mm ；活齿架外圆： rGw=rK-a-= 55mm；

活齿架内圆：rGi=rH + a + = 45mm ；活齿架分度圆：rG = =49mm

（5）基本尺寸的校正。

1）偏心距的校正：根据 a< 得，a

2）rT的校正

滚柱活齿传动结构紧凑，但是活齿架内径和外受到激波器与中心轮齿顶圆的限制。活齿架外圆半径rGW应与中心轮顶圆半径之rKa间有一定间隙，同时还要确保滚子在最外位置时滚子中心在滚槽内。所以，其内径rGi也要和激波器之间有一定间隙，又要确保滚子在最内位置时滚子与导槽侧面接触，即

从该式可以看出， rT>2a

而前面所取的rT = 10>2a=7，故满足条件。

3）按经验估算检验rK

rK = （9.5～11.5）TG1/3

得，rK =62.04～75.10 ，而前面所取的rK =60mm虽然不在这个范围内，但是接近其值，考虑到尺寸要求，所以选取60mm符合实际，故合适。

（6）滑动系数。

活齿与激波器、活齿架和中心轮齿廓之间组成了活齿传动的三个运动副，这三个运动副处会产生滑动和磨损。

活齿与激波器之间组成高副。由于激波器安装转臂轴承后，激波器外圆与活齿间为纯滚动，不仅接触点位置作周期变化，而且各活齿在接触点处速度也作周期性变化。

3活齿传动的效率计算

活齿传动的机械效率可以表示为：

当激波器转一周，即完成一个循环时，活齿相对活齿架的移动距离为2a，其摩擦功为：

每个活齿与激波器之间的摩擦功是：

活齿在中心轮齿廓上的摩擦功是：

当激波器转一周时，输出功为：

根据上式分析得机械效率为：

如果取，，，，，带入上式可简化为：

带入ZG的值得，0.7147，而所选的0.70基本符合实际的结果，故合理。

上述效率计算只是一种估算。制造精度、安装间隙等因素直接影响实际效率，所以实测效率为准。

摆动活齿传动中的活齿为摆动，摩擦小，效率略高些。在滚子活齿传动中，滚子与中心轮齿廓为纯滚动，效率要高些。

4 排量及泵压的计算

4.1 排量

活齿泵的流量包括偏心轮与活齿所形成的偏心轮流量和中心轮与活齿轮所形成的中心轮流量两部分。

式中：R-偏心轮半径；e-偏心距；b-偏心轮宽度；nH-转速；zK-中心轮齿数；zg-活齿数。

此式为牛顿-柯特斯公式，其中的第一个积分的求解十分困难，所以近似的取V=0.0003925b

Q=（14140490035024+0.0003925024）

=57.92（m3/d）

选取流量系数0.9，则Q1=Q=60.51（m3/d）

4.2 泵压

泵的压头可由H泵=H动+h油+h地+H分压计算，由于排量Q确定，可由泵手册查出H动=400m选h地=15m H分压=8m则

H泵 = 435 = 60.091MPa

5 活齿泵主要元件的结构和工作图

活齿泵的主要元件是偏心轮，活齿，活齿架和中心轮，其中中心轮的齿形加工和活齿架的导槽分布精度是其制造难点。

5.1 偏心轮的结构设计

活齿传动的激波器，单波激波器采用偏心轮形状，本设计就是单激波器，所以采用了偏心轮这种结构。输入轴用两个轴承支承于机壳上。为了减少传动损失，省略了偏心套而直接采用偏心轴为偏心轮。

5.2 活齿结构设计

滚子活齿，采用滚子作为活齿，大多采用标准的短圆柱滚子或钢球。由专业化工厂制造，具有精度高、质量好、价格低等优点。

套简活齿一般可自行制造或选用摆线针轮传动的套简系列，材料可选GCrl5等，经淬火精密制成。

套筒活齿适用于活齿从小到大的各种尺寸。当活齿尺寸较大时，摆动活齿与其轴之间可安装滚针轴承，以减少摩擦磨损和防止胶合。

推杆活齿的两端采用标准滚子，活齿体采用Gcrl5等材料经淬火精磨制成，其关键精度是高度h（两滚子中心距）应严格保证，以防止出现活齿间载荷分配严重不均或卡死现象。

5.3 活齿架的结构设计

活齿架为活齿运动加以导向，和中心轮一起规定了其的运动轨迹。它的材料选用40Cr，进行调质处理，导槽部分进行局部表面淬火。要严格保证活齿架的导槽的位置精度。

在本设计中，活齿架不光导向，还起到挡油盘的作用，防止了漏油。其在轴上进行空转。

5.4 中心轮的结构设计

图2 从左到右依次是偏心轮、活齿架、中心论

如图2所示，中心轮的齿形较复杂，存在制造难点，可以按照成形原理或替代齿形精确制造。中心轮材料选用GCr15，进行淬火处理，较大尺寸的中心轮材料也可以采用低碳合金钢进行渗碳淬火处理，最后磨削加工制作。

6 结论

设计针对活齿泵使用范围问题本设计提出了一个新的改进方案，采用对活齿泵元件的尺寸结构进行改进，使活齿泵能够应用于井下采油作业来提高它的采油率的目的。

具体的结构改进是将原来端盖做成一个配流端盖，两边与中心轮和锥形螺纹用螺钉联结起来。锥螺纹用于联结泵和钻杆的。活齿另一端改用活齿架作为挡油圈在轴上空转。

参考文献：

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[2] 胡来.行星传动设计与计算[M].北京：煤炭工业出版社，1997.

[3] 栾振辉.活齿泵的结构形式[J].煤矿机械，2000（6）.