МНОГОЗАХОДНЫЙ ГЕРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ВИНТОВОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к буровой технике, в частности к героторным механизмам винтовых гидромашин, например, винтовых забойных двигателей, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин, а также винтовых насосов для перекачки газожидкостных смесей широкого спектра вязкости.
Известен героторный механизм винтового забойного двигателя (см. патент СССР 1595105, М. кл F04C 2/16, опубл. 20.12.1999 г.) содержащий элементы в виде статора с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например, из резины, и ротора с наружными винтовыми зубьями. Зубья статора и ротора имеют разницу их чисел равную единице. Ось статора смещена относительно оси ротора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зубьев. Торцовые профили зубьев статора и ротора выполнены в виде огибающих общего исходного контура рейки, очерченного по эквидистанте укороченной циклоиды, со смещением общего исходного контура при образовании профилей зубьев статора и ротора. Диаметральный натяг обеспечивается за счет разницы смещений исходного контура при образовании профилей зубьев статора и ротора.
Недостатком известного героторного механизма является то, что профили статора и ротора, построенные от общего исходного контура рейки, имеют погрешности взаимоогибания, в результате чего во внеполюсных зонах контакта зубьев статора и ротора возникают зазоры, которые приводят к утечкам промывочной жидкости, что снижает долговечность героторного механизма.
Указанный недостаток частично устранен в известном многозаходном героторном механизме винтовой гидравлической машины (см. патент РФ №2194880 МПК F04C 2/16, Опубл. 20.12.2002), принятом за прототип, содержащем элементы в виде статора с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротора с наружными винтовыми зубьями, при чем число зубьев статора больше числа зубьев ротора на единицу. Ось статора смещена относительно оси ротора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зубьев. Торцовый профиль зубьев статора выполнен как огибающая общего исходного контура рейки, очерченного эквидистантой укороченной циклоиды, со смещением, а торцовый профиль зубьев ротора выполнен в виде эквидистанты огибающей первого элемента при обкатывании без скольжения их центроид, а величина эквидистантности составляет половину величины диаметрального натяга в зацеплении. Такое выполнение героторного механизма позволяет исключить погрешности взаимоогибания статора и ротора, создать равномерный натяг между всеми зубьями статора и ротора во всех фазах зацепления.
Недостатком известного многозаходного героторного механизма винтовой гидравлической машины являются не высокие показатели энергетических характеристик и низкая долговечность многозаходного героторного механизма. Это объясняется тем, что под действием больших крутящих моментов, возникающих при работе гидравлической машины, зубья статора изгибаются, вследствие чего возникают зазоры между боковыми сторонами зубьев статора и ротора и утечки промывочной жидкости. Снижение этих утечек за счет дополнительного увеличения диаметрального натяга нецелесообразно, так как это приводит к увеличению сил трения в зоне контакта вершин зубьев статора с вершинами зубьев ротора, разогреву зубьев статора и снижению долговечности героторного механизма.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение долговечности и улучшение энергетических характеристик гидравлической машины, за счет создания в зацеплении дополнительного бокового натяга.
Технический результат достигается за счет того, что в многозаходном героторном механизме винтовой гидравлической машины, содержащем элементы в виде статора с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротора с наружными винтовыми зубьями, при чем число зубьев статора больше числа зубьев ротора на единицу, ось статора смещена относительно оси ротора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зубьев, а торцовый профиль зубьев статора выполнен как огибающая исходного контура рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды со смещением, согласно полезной модели торцовый профиль зубьев ротора выполнен с дополнительным боковым натягом в виде кривой, описанной выражениями:
2
ос
R
ос
si
ос
x=x+δ·sinν+λ·sinν
2
ос
R
ос
si
ос
y=y+δ·cosν+λ·cosν
si
b
2
ос
2
λ=δ·sin(z·δ)
2
2
где x, y - координаты профиля зубьев ротора;
ос
ос
x, y - координаты огибающей профиля статора;
ос
ν - угол развернутости профиля огибающей статора;
R
δ - радиальный натяг в зацеплении статора с ротором;
b
δ - дополнительный боковой натяг в зацеплении, получаемый за счет увеличения толщины зубьев по среднему диаметру.
В предлагаемой полезной модели, в отличие от прототипа, торцовый профиль ротора выполнен с дополнительным боковым натягом за счет увеличения толщины зубьев по среднему диаметру. В случае отсутствия дополнительного бокового натяга возникают зазоры между боковыми сторонами зубьев статора и ротора и утечки промывочной жидкости.
В предложенном нами героторном механизме за счет дополнительного бокового натяга уменьшаются зазоры между боковыми сторонами зубьев статора и ротора, снижаются утечки промывочной жидкости и повышаются энергетические характеристики гидравлической машины и долговечность героторного механизма.
На фиг.1 показан общий вид многозаходного героторного механизма винтовой гидравлической машины в продольном разрезе;
на фиг.2 приведено поперечное сечение героторного механизма в плоскости А-А;
на фиг.3 показан в увеличенном виде торцовый профиль зубьев статора и профиль исходного контура рейки;
на фиг.4 показаны в увеличенном виде торцовые профили статора, огибающей статора, эквидистанты огибающей статора и зубьев ротора;
на фиг.5 показана схема построения профиля зубьев ротора.
1
2
1
2
w
Многозаходный героторный механизм винтовой гидравлической машины (фиг.1) содержит два элемента: первый элемент - это статор 1 с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например резины, и металлический ротор 3 с наружными винтовыми зубьями. Число z зубьев статора 1 выполнено на единицу больше числа z зубьев ротора 3, а ось О статора 1 смещена относительно оси О ротора 3 на величину эксцентриситета a, равную половине высоты h зубьев (фиг.2).
1
pt
Торцовый профиль 2 зубьев статора 1, выполнен как огибающая исходного контура рейки 5, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды, со смещением Δx. Укороченная циклоида 6 образуется точкой М круга 7, катящегося без скольжения по оси Y (фиг.3).
pt
pt
pt
Координаты x, y и угол профиля α текущей точки А исходного контура рейки 5 рассчитываются по уравнениям:
rt
rt
ц
rt
x=-r+a·cosψ+r·sinα,
rt
rt
rt
ц
rt
y=r·ψ-a·sinψ+r·cosα,
,
где a - радиус производящей окружности, равный эксцентриситету (межосевому расстоянию) героторного механизма;
r - радиус катящейся окружности;
ц
r - радиус эквидистанты укороченной циклоиды;
rt
ψ - текущий угловой параметр рейки.
1
1
1
1
1
1
Координаты x, y, r и углы ξ, ν, δ торцового профиля 2 зубьев статора 1, образованного от исходного контура рейки 5 описываются уравнениями:
1
rt
w1
1
1
rt
w1
1
1
x=(x+r+Δx)·cosφ-(y-rφ)·sinφ;
1
rt
w1
1
1
rt
w1
1
1
y=(x+r+Δx)·sinφ-(y-rφ)·cosφ;
;
1
1
1
1
rt
1
1
1
1
; δ=arctg(y/x); ν=α-φ; ξ=ν+δ
w1
w1
1
где r радиус делительной окружности статора 1, r=rz;
1
w1
Δx - смещение исходного контура рейки 5 от делительной окружности статора r;
1
φ - угол поворота системы координат, связанной со статором 1, по отношению к положению показанному на фиг.3;
1
δ - полярный угол текущий точки торцового профиля 2 зубьев статора 1;
1
ξ - угол между направлением касательной к торцовому профилю 2 и полярным радиусом вектором (на рисунке не показан),
1
1
1
ν - угол между направлением касательной к торцовому профилю 2 и осью ординат OX (на рисунке не показан),
ос
ос
ос
ос
ос
ос
Второй элемент - это ротор 3. Торцовый профиль 4 зубьев ротора 3 выполнен в виде циклоидообразной кривой, образованной от огибающей торцового профиля 2 зубьев статора 1. Координаты x, y r и углы δ, ξ, ν профиля 8 зубьев огибающей статора (фиг.4) рассчитываются по формулам
ос
1
о2
о1
1
о2
о1
w
о2
x=x·cos(φ-φ)-y·sin(φ-φ)-a·cosφ;
ос
1
о2
о1
1
о2
о1
w
о2
y=x·sin(φ-φ)-y·cos(φ-φ)-a·sinφ;
ос
ос
ос
; δ=arctg(y/x);
ос
1
ос
о2
о1
ос
ос
ос
ξ=ν-δ-(φ-φ); ν=ξ-δ;
;
.
о1
о2
где φ, φ - углы поворота систем координат, связанных соответственно со статором 1 и ротором 3.
2
2
2
2
2
2
Координаты x, y, r и углы ξ, ν, δ в текущей точке С торцового профиля 4 зубьев ротора 3 (фиг.5) рассчитываются по формулам:
2
ос
R
ос
si
ос
x=x+δ·sinν+λ·sinν;
2
ос
R
ос
si
ос
y=y+δ·cosν+λ·cosν;
2
2
2
2
о
2
2
2
δ=arctg(y/x); ; ν=ν; ξ=ν+δ
si
где λ - расстояние от эквидистанты 9 огибающей 8 статора 1 до текущей точки С торцового профиля 4 ротора 3,рассчитывается по формуле:
si
b
2
ос
2
λ=δ·sin(z·δ);
R
δ - радиальный натяг в зацеплении статора с ротором;
b
δ - дополнительный боковой натяг в зацеплении, получаемый за счет увеличения толщины зубьев ротора 3.
В верхней части статора 1 героторного механизма выполнена резьба 10 для присоединения к колонне бурильных труб (не показана), в нижней части статор 1 снабжен резьбой 11 для присоединения к корпусу опорного узла, а в нижней части ротора 3 выполнена резьба 12 для соединения с валом опорного узла (корпус и вал опорного узла не показаны).
2
2
1
1
w
2
2
Многозаходный винтовой героторный механизм гидравлической машины работает следующим образом. Винтовые зубья статора 1 и ротора 3 образуют замкнутые винтовые камеры. Промывочная жидкость подаваемая с поверхности по колонне бурильных труб, поступает в героторный механизм и ротор 3 под действием неуравновешанных гидравлических сил совершает планетарное движение относительно статора 1, при этом происходит качение без проскальзывания рабочих центроид 13 и 14 статора 1 и ротора 3. Ось OO ротора 3 вращается вокруг оси ОО статора 1 по окружности радиуса a, а сам ротор 3 поворачивается относительно своей оси OO в противоположном направлении. В описываемом героторном механизме обеспечивается дополнительный натяг по боковым сторонам зубьев ротора и в результате чего уменьшаются утечки промывочной жидкости, повышаются показатели энергетических характеристик гидравлической машины и долговечность героторного механизма.