СООСНЫЙ РЕДУКТОР
COAXIAL REDUCTION GEAR

Изобретение относится к приводным редуцирующим механизмам, в частности к установкам скважинных винтовых насосов для подъема высоковязких пластовых жидкостей из скважин в нефтедобывающей промышленности, а также в приводах различных отраслей промышленности, выполненных по сосной схеме.
Известна планетарная прецессионная передача, содержащая корпус, входной вал, установленный под углом к его оси кривошип, размещенный на последнем сателлит и центральное колесо, отличающаяся тем, что передача снабжена, по крайней мере, одним дополнительным кривошипом, смещенным относительно основного на угол 2π/n, где n - число кривошипов, дополнительными сателлитами, число которых равно числу дополнительных кривошипов, и каждый из сателлитов имеет по паре окружных окон с установленными в них вдоль оси прецессии штырями, а зубья центрального колеса выполнены в виде роликов, оси которых параллельны оси передачи (пат. №2029169, F16H 1/32).
Недостатком данной передачи является сложность ее изготовления в ограниченных радиальных размерах, недостаточная долговечность, обусловленная неизбежной неравномерностью распределения нагрузки между сателлитами, и повышенные динамические нагрузки на зубья, возникающие в момент пуска двигателя, вследствие имеющихся зазоров в зацеплении зубьев сателлитов.
Известна прецессионная передача, содержащая корпус с отверстием, размещенные в нем соосно входной с косым кривошипом и выходной валы, ведущее зубчатое колесо, установленное на косом кривошипе посредством подшипника и заторможенное на корпусе передачи от вращения, и ведомое колесо, связанное с выходным валом, отличающаяся тем, что с целью повышения нагрузочной способности зубчатые колеса выполнены цилиндрическими, одно с внутренними зубьями, другое с наружными зубьями, а ведомое колесо связано с выходным валом универсальным шарниром (пат. №2099614, F16H 1/32).
Недостатком данной передачи является наличие боковых зазоров в зацеплении, приводящих в момент пуска двигателя к дополнительным динамическим нагрузкам в зацеплении зубьев, а также невозможности ее использования в установке скважинных винтовых насосов вследствие значительных осевых усилий, возникающих при работе винтового насоса, не воспринимаемых цилиндрической передачей, а воспринимаемых только радиальными подшипниками. Наличие универсального шарнира значительно усложняет конструкцию.
Известна прецессионная зубчатая передача (патент № 2025617, F16H 1/32), предназначенная для использования в различных редукторах, содержащая два зацепляющихся конических колеса соответственно с внутренними и наружными зубьями, отличающаяся тем, что зубья обоих колес выполнены с циклоидальным профилем, угол которого на начальной окружности равен половине угла прецессии. Недостатком данной передачи является высокая сложность изготовления конического колеса с внутренними зубьями (имеющееся зуборезное оборудование для нарезания таких колес не предназначено), особенно когда колеса для обеспечения необходимой контактной прочности должны иметь высокую твердость и требуют применения финишной операции. Наличие боковых зазоров в зацеплении колес при пусковых моментах двигателя приводит к дополнительным динамическим нагрузкам в зацеплении зубьев и преждевременному выходу их из строя.
Наиболее близким к предлагаемому решению является редуцирующий модуль (пат. RU 2334125 C1, F04C 2/107, F04B 47/02, опубл. 20.09.08, бюл. №26), состоящий (фиг.1) из корпуса 1, приводного эксцентрикового вала 2, плоскоконической передачи, выходного вала 3, причем колесо плоскоконической передачи является двухвенцовым 4, шестерня 5, соосная эксцентриковому валу, соединена с корпусом и сопряжена с венцом двухвенцового колеса со стороны приводного эксцентрикового вала, а зубчатая муфта 6, обеспечивающая соосность приводного эксцентрикового вала и выходного вала 3, соединена с выходным валом и сопряжена с венцом двухвенцового колеса со стороны выходного вала, причем двухвенцовое колесо 4 жестко зафиксировано относительно эксцентрикового вала 2 (фиг.1, поз.1-6).
Данный редуцирующий модуль позволяет осуществлять редуцирование частоты вращения вала насоса в широких пределах (при передаточном отношении от 6 до 100), однако выполнение зубчатых венцов двухвенцового колеса 4 на произвольном расстоянии вдоль его оси приводит к дополнительной нагрузке зацепления зубьев зубчатой муфты, что ограничивает ресурс работы соосного редуктора в целом. Данное обстоятельство является следствием того, что при произвольном расстоянии между зубчатыми венцами колеса 4 редуктор, по существу, становится двухрядным планетарным с пространственным зацеплением зубьев в двух разнесенных зонах зацепления.
Задача изобретения - обеспечение условий работы зубчатой муфты соосного редуктора, при которых планетарное движение ее звеньев исключается, что обеспечивает снижение неравномерности распределения нагрузки в зонах зацепления ее зубьев и тем самым повышает работоспособность соосного редуктора, содержащего плоскоконическую передачу, и уменьшает опасность разрушения зубьев колес передачи в момент пуска двигателя.
Технический результат - повышение работоспособности и ресурса плоскоконической передачи и зубчатой муфты соосного редуктора.
Указанный технический результат достигается тем, что для наиболее нагруженного зацепления соосного редуктора - зубчатой муфты, представляющей собой плоскоконическую передачу с передаточным отношением, равным единице, составленной (фиг.1) из колес 6 и 4, соответствующим выбором величины разнесения зубчатых венцов колеса 4 обеспечивается условие ее работы не как планетарной, а как рядной передачи, в которой дополнительные динамические нагрузки, вызываемые планетарным движением звеньев, отсутствуют, а модуль и число зубьев колес 6 и 4 зубчатой муфты принимают равными, большими или меньшими, чем модуль и число зубьев колеса плоскоконической передачи, составленной из колес 5 и 4.
На фиг.2 изображена расчетная схема предлагаемого соосного редуктора с прецессирующей плоскоконической передачей: шестерня 1 с конической начальной поверхностью; колесо 2, имеющее два разнесенных на величину В зубчатых венца 2 и 3, начальные поверхности которых представляют собой плоскость; подвижная шестерня 4 с конической начальной поверхностью; водило 5, имеющее эксцентричный участок вала, расположенный под углом ∑ к общей оси соосного редуктора O-O.
Во время работы соосного редуктора шестерня 1 неподвижна, колесо 2 совершает сложное движение - вращение вокруг своей оси и вместе с водилом 5 вокруг оси O-O. Вершины начального конуса шестерни 1 и начального конуса зубчатого венца 2 (угол конуса 90°) не совпадают. Для исключения планетарного движения звеньев в наиболее нагруженной (тихоходной) плоскоконической передаче (зубчатой муфте), составленной из колес с зубчатыми венцами 3 и 4, необходимо, чтобы вершина начального конуса зубчатого венца 4, вершина начального конуса зубчатого венца 3 (угол конуса 90°) не только совпадали, но и находились в точке пересечения оси эксцентричного участка вала и оси соосного редуктора O-O. Выполнение этого условия соответствует только одному значению величины В, рассчитываемому по зависимости:
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>β</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>Σ</mi></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>sin</mi><mi>Σ</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
n
1
2
где m- нормальный модуль плоскоконической передачи; β - угол наклона линии зуба; z - число зубьев шестерни 1; z - число зубьев колеса 2 (зубчатого венца 2); ∑ - угол прецессии.
3
4
n
3
4
2
3
4
2
Зубчатая муфта, - плоскоконическая передача соосного редуктора, составленная из колес с зубчатыми венцами 3 и 4, в соответствии с прототипом, выполняется с числом зубьев z=z и имеет передаточное отношение, равное единице. Эта передача в редукторе является тихоходной и поэтому наиболее нагруженной. Для повышения ее нагрузочной способности и ресурса работы нормальный модуль этой передачи предлагается принимать равным, большим или меньшим, нежели модуль m для прецессирующей плоскоконической передачи с зубчатыми венцами 1 и 2, a z=z принимать равным, большим или меньшим, чем z (фиг.3). Равенство модулей и z=z=z обеспечивает минимальные радиальные габариты соосного редуктора.
Соосный редуктор устанавливается между электродвигателем и приводным валом, например ротором винтового насоса для добычи тяжелых нефтей.
1
1
2
3
4
2
При включении электродвигателя вращение передается на приводной эксцентриковый вал соосного редуктора, вращающегося с частотой n. Колесо с зубчатыми венцами 2 и 3 совершает сложное движение - вращение вокруг своей оси и вместе с приводным эксцентриковым валом 5 вокруг оси O-O, вызывая вращение плоскоконической передачи с зубчатыми венцами 3 и 4 (зубчатой муфты). При этом образуются две пары противоположно расположенных под углом 180° зон зацепления z-z и z-z плоскоконических зубчатых венцов. Вращение от зубчатой муфты, колесо которой с зубчатым венцом 4 выполнено заодно с выходным валом, вращающимся с частотой n, передается на ротор винтового насоса.
1
2
Общее передаточное число соосного редуктора реализуется парой зубчатых венцов z и z и определяется следующей формулой:
<mrow><mi>u</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
1
2
где z - число зубьев шестерни 1; z - число зубьев зубчатого венца 2 двухвенцового колеса.
1
2
3
4
n
Диапазон возможных передаточных чисел редуцирующего модуля находится в широких пределах. Например, при значениях чисел зубьев: z=19; z=20; z=20; z=20, и применении в насосной установке электродвигателя с частотой вращения 2950 об/мин, частота вращения ротора винтового насоса составит 147,5 об/мин. Такие частоты вращения ротора позволяют использовать винтовой насос для подъема высоковязких пластовых жидкостей с высокой концентрацией песка и процентом свободного газа. При модуле m=3 мм радиальные размеры соосного редуктора соответствуют радиальным размерам насоса для добычи нефти (наружный диаметр 92 мм), при этом величина В для Σ=3° имеет значение В=27,587 мм, что вполне достаточно для конструктивного исполнения двухвенцового колеса.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволит снизить частоты вращения ротора погружного винтового насоса для подъема высоковязких пластовых жидкостей из скважин при обеспечении высокой нагрузочной способности приводной части установки, а также значительно снизить требуемую мощность электродвигателя без уменьшения крутящего момента, передаваемого на ротор винтового насоса. Следовательно, оно обеспечивает технический эффект и может быть осуществлено с помощью известных в технике средств, т.е. обладает промышленной применимостью. Дополнительно предлагаемый соосный редуктор может использоваться в приводах, для которых при высоких передаточных числах необходимо обеспечить высокую нагрузочную способность и долговечность, например в приводах запорной арматуры, лебедках буровых установок, приводах транспортной техники (колесных и/или бортовых редукторах тракторов, экскаваторов, роботах для пожаротушения и др.).