RU2150566C1 - Method for optimizing geometry of the profile of single-screw hydraulic machine working elements - Google Patents
Method for optimizing geometry of the profile of single-screw hydraulic machine working elements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2150566C1 RU2150566C1 RU98118024A RU98118024A RU2150566C1 RU 2150566 C1 RU2150566 C1 RU 2150566C1 RU 98118024 A RU98118024 A RU 98118024A RU 98118024 A RU98118024 A RU 98118024A RU 2150566 C1 RU2150566 C1 RU 2150566C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radius
- displacement
- profile
- curvature
- profiles
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к нефтяной технике, в частности к одновинтовым многозаходным насосам и гидродвигателям с циклоидальным зацеплением, и может быть использовано в различных областях горного дела и в общем машиностроении, например, при бурении скважин забойным гидравлическим двигателем. The invention relates to petroleum engineering, in particular to single-screw multi-start pumps and hydraulic motors with cycloidal gearing, and can be used in various fields of mining and in general engineering, for example, when drilling wells using a downhole hydraulic motor.
Известен общепризнанный способ оптимизации рабочих органов многозаходных одновинтовых гидромашин, основанный на выборе рациональных значений коэффициентов формы зуба Ce и внецентроидности Co, обеспечивающих плавность профиля и минимум контактных давлений (Забойные винтовые двигатели для бурения скважин /М.Т.Гусман и др. М., Недра, 1981). Недостаток известного способа состоит в том, что при выборе профиля не учитывается фактическое смещение исходного контура циклоидальной рейки, т.е. оптимизация производится для идеального циклоидального зацепления.A generally recognized method for optimizing the working bodies of multi-start single-screw hydraulic machines is known, based on the selection of rational values of the tooth shape coefficients C e and eccentricity C o providing a smooth profile and a minimum of contact pressures (Downhole screw motors for drilling wells / M.T.Gusman and others M. , Nedra, 1981). The disadvantage of this method is that when choosing a profile does not take into account the actual offset of the initial contour of the cycloidal rail, i.e. Optimization is done for perfect cycloidal engagement.
Известен традиционный профиль рабочих органов забойных винтовых двигателей с постоянными (независимыми) коэффициентами внецентроидности (Co = 1,175) и формы зуба (Ce = 2,175), в котором коэффициент смещения CΔ исходного контура рейки исходя из обеспечения плавности профилей может изменяться в диапазоне CΔ = - 2...2 (Отраслевой стандарт ОСТ 39-164-84 Передача зубчатая ротор-статор винтового забойного двигателя). Недостатком традиционного профиля является независимость принимаемых безразмерных коэффициентов от качественных показателей зацепления, что не всегда позволяет получить оптимальную форму профилей.The traditional profile of the working bodies of downhole screw motors with constant (independent) coefficients of eccentricity (C o = 1,175) and tooth shape (C e = 2,175) is known, in which the displacement coefficient C Δ of the original rail contour, based on the smoothness of the profiles, can vary in the range C Δ = - 2 ... 2 (Industry standard OST 39-164-84 Transmission gear rotor-stator of a downhole screw motor). The disadvantage of the traditional profile is the independence of the adopted dimensionless coefficients from the qualitative indicators of engagement, which does not always allow to obtain the optimal shape of the profiles.
Из известных профилей рабочих органов многозаходных одновинтовых гидромашин наиболее близким к предлагаемому является профиль, в котором с целью снижения контактных напряжений в паре ротор-статор коэффициент формы зуба является переменным параметром и выбирается в зависимости от кинематического отношения и коэффициента формы винтовой поверхности (а.с. СССР N 1778367). Однако в этом изобретении также не учитывается влияние смещения исходного контура рейки на уровень контактных напряжений. Of the known profiles of the working bodies of multi-start single-screw hydraulic machines, the closest to the proposed one is the profile in which, in order to reduce contact stresses in the rotor-stator pair, the tooth shape coefficient is a variable parameter and is selected depending on the kinematic ratio and the shape factor of the helical surface (as USSR N 1778367). However, this invention also does not take into account the effect of the displacement of the original rail circuit on the level of contact stresses.
Задачей изобретения является повышение надежности и износостойкости одновинтовой гидромашины при учете всех геометрических параметров зацепления профилей рабочих органов, в том числе и смещения исходного контура. The objective of the invention is to increase the reliability and durability of a single-screw hydraulic machine, taking into account all the geometric parameters of the engagement of the profiles of the working bodies, including the displacement of the original circuit.
Поставленная задача решается тем, что профиль рабочих органов, представляющий собой огибающую семейства контуров циклоидальной рейки, выбирается по максимуму критериев износостойкости Пи, в качестве которых принимаются относительный приведенный радиус кривизны профилей и отношение к безразмерной скорости скольжения профилей .The problem is solved in that the profile of the working bodies, which is the envelope of the family of contours of the cycloidal rail, is selected according to the maximum criteria of wear resistance P and , which are taken as the relative reduced radius of curvature of the profiles and attitude to dimensionless sliding velocity of profiles .
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и сопровождается чертежами, где на фиг. 1 представлена схема образования циклоидального профиля методом обкатки рейки; на фиг. 2-6 - профили рабочих органов с кинематическим отношением i - 5:6 одинакового контурного диаметра и различного коэффициента смещения; на фиг. 7 - зависимости относительного приведенного радиуса кривизны сопряженных профилей (i = 5:6) от коэффициента формы зуба при различных коэффициентах смещения; на фиг. 8-10 - оптимальные профили рабочих органов, обеспечивающие максимум относительного приведенного радиуса кривизны. The invention is further explained in the description and is accompanied by drawings, where in FIG. 1 shows a diagram of the formation of a cycloidal profile by the method of rolling in a rack; in FIG. 2-6 - profiles of the working bodies with a kinematic ratio of i - 5: 6 of the same contour diameter and different displacement coefficients; in FIG. 7 - dependences of the relative reduced radius of curvature of the conjugate profiles (i = 5: 6) on the tooth shape coefficient at various displacement coefficients; in FIG. 8-10 - optimal profiles of the working bodies, providing maximum relative reduced radius of curvature.
Рабочим органом одновинтовой гидромашины является винтовой героторный механизм (ВГМ) - зубчатая косозубая пара внутреннего циклоидального зацепления, состоящая из Z1 - заходного эластичного статора и Z2 - заходного (Z2 = Z1 - 1) металлического ротора, между винтовыми поверхностями которых образуются рабочие камеры.The working body of a single-screw hydraulic machine is a screw gerotor mechanism (VGM) - a helical gear tooth pair of internal cycloidal gearing, consisting of Z 1 - lead elastic stator and Z 2 - lead (Z 2 = Z 1 - 1) metal rotor, between which helical surfaces work cameras.
Рабочие органы профилируются (фиг. 1) от исходного контура циклоидальной рейки 3 (эквидистанты смещенной укороченной циклоиды 1), связанного с инструментальной прямой 4, по которой для образования циклоиды перекатывается окружность 6. Циклоидальнореечный профиль образуется как огибающая семейства контуров рейки при обкатке инструментальной прямой неподвижной направляющей окружности 5. В общем случае для обеспечения заданного контурного диаметра рабочих органов Dк рейка смещается относительно инструментальной прямой на величину Δ x (фиг. 1). Если смещение отсутствует ( Δ x = 0), реечный профиль переходит в идеальный циклоидальный профиль. Графически он может быть получен и классическим способом при качении окружности 6 по направляющей окружности 5.The working bodies are profiled (Fig. 1) from the initial contour of the cycloidal rail 3 (equidistant of the shifted shortened cycloid 1) associated with the instrumental
Форму рабочих органов при заданном контурном диаметре полностью характеризуют восемь безразмерных коэффициентов:
- коэффициент типа зацепления
- кинематическое отношение i = Z2 : Z1
- коэффициент внецентроидности Co = r/e
- коэффициент эквидистанты (формы зуба) Ce = rц/e
- коэффициент смещения исходного контура рейки CΔ = Δx/e
- коэффициент натяга в паре Cδ= δ/e
- коэффициент формы винтовой поверхности Cт = t/dср
- число шагов рабочих органов k
где r - радиус катящейся окружности; rц - радиус эквидистанты; e - эксцентриситет; δ - диаметральный натяг; dср - средний диаметр ротора; t - шаг ротора.The shape of the working bodies with a given contour diameter is fully characterized by eight dimensionless coefficients:
- gearing type coefficient
- kinematic ratio i = Z 2 : Z 1
- coefficient of eccentroidity C o = r / e
- equidistant ratio (tooth shape) C e = r c / e
- the displacement coefficient of the original rail contour C Δ = Δx / e
is the interference coefficient in the pair C δ = δ / e
- the coefficient of the shape of the helical surface C t = t / d cf
- the number of steps of the working bodies k
where r is the radius of the rolling circle; r c is the equidistant radius; e is the eccentricity; δ is the diametric interference; d cf - the average diameter of the rotor; t is the pitch of the rotor.
Первые шесть коэффициентов определяют профиль рабочих органов в торцовом сечении. Параметр Cт характеризует пространственную геометрию гидромашины.The first six coefficients determine the profile of the working bodies in the end section. The parameter C t characterizes the spatial geometry of the hydraulic machine.
Оптимизация пространственной геометрии производится в зависимости от режима работы ВГМ. Пространственная геометрия ВГМ-двигателей подчиняется требованиям надежности их пуска (Cт = 5,5...12,0). В насосном режиме опасность самоторможения отсутствует, в связи с чем форма винтовых поверхностей выбирается по энергетическим соображениям исходя из достижения минимума длины контактных линий (Cт = 1,5...3,5).The spatial geometry is optimized depending on the mode of operation of the VGM. The spatial geometry of the VGM engines is subject to the reliability requirements for their start-up (C t = 5.5 ... 12.0). In pump mode, there is no danger of self-braking, and therefore the shape of the screw surfaces is selected for energy reasons based on the achievement of a minimum length of contact lines (C t = 1.5 ... 3.5).
Знак коэффициента определяет тип циклоидального зацепления. В гидромашинах получило распространение гипоциклоидальное зацепление ( = -1).Coefficient sign determines the type of cycloidal engagement. In hydraulic machines, hypocycloidal engagement ( = -1).
Коэффициент натяга и число шагов рабочих органов выбираются в зависимости от требуемых эксплуатационных параметров (крутящий момент двигателя, давление насоса) с целью обеспечения заданных характеристик гидромашины. The interference coefficient and the number of steps of the working bodies are selected depending on the required operational parameters (engine torque, pump pressure) in order to ensure the specified characteristics of the hydraulic machine.
Поскольку наработка до отказа ВГМ определяется главным образом фрикционным износом пары ротор-статор, в качестве критерия оптимальности плоской геометрии ВГМ принимается минимум скорости изнашивания рабочих органов. Since the MTBF to failure is mainly determined by the frictional wear of the rotor-stator pair, the minimum wear rate of the working bodies is taken as a criterion for the optimality of the flat geometry of the VGM.
В сопряжениях с переменными условиями касания, подобных ВГМ, скорость изнашивания W зависит от контактного напряжения K и скорости скольжения Uск
W = CKm Uск n, (1)
где C - коэффициент износостойкости материалов и условий работы пары; m, n - показатели влияния.In conjugations with variable contact conditions, like VGM, the wear rate W depends on the contact voltage K and the sliding speed U c
W = CK m U ck n , (1)
where C is the coefficient of wear resistance of materials and working conditions of the pair; m, n - indicators of influence.
При проектировочных расчетах принимается гипотеза равнозначного влияния силового и скоростного факторов (m = n = 1), в этом случае W определяется произведением K и Uск
W = CKUск(2)
Если доминирующее влияние на скорость изнашивания оказывают контактные напряжения (n = 0)
W = CK (3)
Контактные напряжения в общем случае зависят от действующих гидравлических и инерционных сил, геометрических параметров и упругих свойств материалов рабочих органов. С достаточной точностью контактное напряжение определяется по формуле Герца
,
где N - удельная нормальная нагрузка; E - приведенный модуль упругости материалов рабочих органов; ρ* - приведенный радиус кривизны сопряженных поверхностей рабочих органов.In design calculations, the hypothesis of the equivalent influence of power and speed factors (m = n = 1) is accepted, in which case W is determined by the product of K and U ck
W = CKU SC (2)
If the contact stress exerts a dominant influence on the wear rate (n = 0)
W = CK (3)
Contact stresses in the general case depend on the acting hydraulic and inertial forces, geometric parameters and elastic properties of the materials of the working bodies. With sufficient accuracy, the contact voltage is determined by the Hertz formula
,
where N is the specific normal load; E is the reduced modulus of elasticity of the materials of the working bodies; ρ * is the reduced radius of curvature of the mating surfaces of the working bodies.
Анализ выражения (4) показывает, что в "герцевой" постановке контактное напряжение не зависит от контурного диаметра и выражается функциональной зависимостью
Для машин с фиксированными значениями геометрических параметров Cδ, Ст, k при прочих равных условиях (PE = const)
где - относительный приведенный радиус кривизны сопряженных профилей (отношение приведенного радиуса кривизны профилей ρ к эксцентриситету): ;
зависит от фазы зацепления и является критерием уровня контактных напряжений рабочих органов гидромашины с заданным кинематическим отношением.An analysis of expression (4) shows that in the “hertz" formulation, the contact voltage does not depend on the contour diameter and is expressed by the functional dependence
For machines with fixed values of geometric parameters C δ , С t , k, all other things being equal (PE = const)
Where - the relative reduced radius of curvature of the conjugate profiles (the ratio of the reduced radius of curvature of the profiles ρ to the eccentricity): ;
depends on the phase of engagement and is a criterion for the level of contact stresses of the working bodies of a hydraulic machine with a given kinematic ratio.
Скорость скольжения в паре ротор-статор зависит от угловой скорости ω и расстояния l от точки касания до полюса зацепления
vск= ωl (7)
l как и ρ является переменной величиной и зависит от фазы зацепления.The slip velocity in the rotor-stator pair depends on the angular velocity ω and the distance l from the point of contact to the pole of engagement
v ck = ωl (7)
l like ρ is a variable and depends on the phase of engagement.
Для гидромашин с постоянным контурным диаметром и угловой скоростью (Dk) = const; ω = const)
где - относительное расстояние от точки касания до полюса зацепления
выражает безразмерную скорость скольжения и является критерием уровня скольжения рабочих органов.For hydraulic machines with constant contour diameter and angular velocity (D k ) = const; ω = const)
Where - relative distance from the point of contact to the pole of engagement
expresses dimensionless sliding speed and is a criterion for the level of sliding of the working bodies.
Поскольку и контактное напряжение и скорость скольжения достигают максимального значения на контакте выступа зуба ротора, скорость изнашивания рабочих органов определяется условиями контакта выступа зуба ротора. Since both the contact stress and the sliding speed reach the maximum value at the contact of the protrusion of the rotor tooth, the wear rate of the working bodies is determined by the contact conditions of the protrusion of the rotor tooth.
В качестве критерия износостойкости Пи, обеспечивающего минимум скорости изнашивания, можно принять
- для случая, соответствующего (2);
- для случая, когда закон изнашивания описывается выражением (3).As a criterion of wear resistance P and , providing a minimum wear rate, you can take
- for the case corresponding to (2);
- for the case when the law of wear is described by expression (3).
Максимальная относительная скорость скольжения
Относительный приведенный радиус кривизны
где - относительный радиус кривизны скелета профиля статора.Maximum relative sliding speed
Relative reduced radius of curvature
Where - the relative radius of curvature of the skeleton of the stator profile.
В общем случае реечноциклоидального зацепления
Предложенный способ оптимизации геометрических параметров профиля рабочих органов одновинтовой гидромашины заключается в том, что при заданном кинематическом отношении i находится оптимальное сочетание между коэффициентами Co, CΔ , Ce, обеспечивающее максимум одного из критериев износостойкости. Исследование функций (9) и (10) показывает, что они имеют экстремальный характер (фиг. 7), т.е. при заданном кинематическом отношении ВГМ каждому коэффициенту внецентроидности Co и смещения CΔ соответствует определенная форма зуба, при которой скорость изнашивания рабочих органов становится минимальной.In the general case of rack and pinion gearing
The proposed method for optimizing the geometric parameters of the profile of the working parts of a single-rotor hydraulic machine is that for a given kinematic ratio i there is an optimal combination between the coefficients C o , C Δ , C e , providing a maximum of one of the criteria for wear resistance. The study of functions (9) and (10) shows that they are of an extreme nature (Fig. 7), i.e. for a given kinematic relation of the HMG, each coefficient of eccentroticity C o and displacement C Δ corresponds to a certain tooth shape, at which the wear rate of the working organs becomes minimal.
При прочих равных условиях относительный приведенный радиус кривизны увеличивается с ростом коэффициента смещения (фиг. 7), поэтому при проектировании ВГМ предпочтение следует отдавать зацеплению с положительным смещением. Other things being equal, the relative reduced radius of curvature increases with an increase in the displacement coefficient (Fig. 7), therefore, when designing a VGM, preference should be given to engagement with a positive displacement.
При увеличении коэффициента смещения оптимальное значение коэффициента формы зуба Ce возрастает (фиг. 7).With an increase in the displacement coefficient, the optimal value of the tooth shape coefficient C e increases (Fig. 7).
Для используемых на практике профилей многозаходных ВГМ с гипоциклоидальным зацеплением и коэффициентом внецентроидности, близким к единице (Co = 1,175), оптимальная область изменения коэффициента формы зуба в зависимости от смещения (отрицательного или положительного) находится в пределах
Ce = 2,0...3,5 при CΔ < 0
Ce = 3,0...5,0 при CΔ > 0,
где верхние границы интервалов соответствуют ВГМ с небольшим числом зубьев (Z2 < 5).For the used in practice profiles of multi-start HMV with hypocycloidal engagement and an eccentricity coefficient close to unity (C o = 1.175), the optimal range of variation of the tooth shape coefficient depending on the displacement (negative or positive) is within
C e = 2.0 ... 3.5 at C Δ <0
C e = 3.0 ... 5.0 for C Δ > 0,
where the upper boundaries of the intervals correspond to the VGM with a small number of teeth (Z 2 <5).
Использование оптимальной формы профилей ВГМ практически не отражается на характеристиках гидромашины, поскольку влияние Ce на рабочий объем при изменении Ce от стандартного значения (Ce = 2,175) до граничных значений предложенного интервала и сохранении коэффициента формы винтовой поверхности Cт не превышает 10%.Using the optimal shape profiles VGM practically does not affect the characteristics of the hydraulic machine, since C e influence on the displacement volume when C e the change from the standard value (C e = 2,175) to the boundary of the proposed range of values and maintaining the shape of the screw surface coefficient C m does not exceed 10%.
В качестве примера на фиг. 8-10 представлены оптимальные профили ВГМ с кинематическим отношением l = 5:6 для трех различных смещений исходного контура рейки, соответствующих коэффициентам смещения CΔ = -1, CΔ = 0, CΔ = 1, рассчитанные для стандартного значения коэффициента внецентроидности (Co = 1,175) по критерию .As an example in FIG. Figures 8–10 show the optimal SHM profiles with a kinematic ratio of l = 5: 6 for three different displacements of the initial rail contour corresponding to displacement coefficients C Δ = -1, C Δ = 0, C Δ = 1, calculated for the standard value of the coefficient of eccentricity (C o = 1,175) by criterion .
Claims (2)
где l - эксцентриситет зацепления, м;
Dк - контурный диаметр, м;
r - радиус катящейся окружности, м;
rц - радиус эквидистанты, м;
Δx - смещение исходного контура рейки, м;
l - расстояние от точки касания до полюса зацепления, м;
ρ - приведенный радиус кривизны профилей.1. A method for optimizing the geometric parameters of the profile of the working parts of a single-rotor hydraulic machine, including selecting a tooth shape in a rotor-stator pair, characterized in that the tooth shape coefficient C e = r c / e is chosen depending on the eccentricity coefficients C e = r / e and displacement the initial contour of the rail C Δ = Δx / l according to the maximum criterion of wear resistance P and representing the ratio of the square root relative to the reduced radius of curvature and relative sliding speed of the rotor and stator profiles
where l is the eccentricity of the mesh, m;
D to - contour diameter, m;
r is the radius of the rolling circle, m;
r c is the radius of the equidistant, m;
Δx is the displacement of the initial contour of the rail, m;
l is the distance from the point of contact to the pole of engagement, m;
ρ is the reduced radius of curvature of the profiles.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98118024A RU2150566C1 (en) | 1998-09-24 | 1998-09-24 | Method for optimizing geometry of the profile of single-screw hydraulic machine working elements |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98118024A RU2150566C1 (en) | 1998-09-24 | 1998-09-24 | Method for optimizing geometry of the profile of single-screw hydraulic machine working elements |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2150566C1 true RU2150566C1 (en) | 2000-06-10 |
RU98118024A RU98118024A (en) | 2000-06-20 |
Family
ID=20210913
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU98118024A RU2150566C1 (en) | 1998-09-24 | 1998-09-24 | Method for optimizing geometry of the profile of single-screw hydraulic machine working elements |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2150566C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004020826A2 (en) * | 2002-08-30 | 2004-03-11 | Otkrytoe Aktsionernoe Obschestvo Nauchno-Proizvodst Vennoe Obiedinenie 'burovaya Tekhnika' | Gerotor mechanism |
-
1998
- 1998-09-24 RU RU98118024A patent/RU2150566C1/en active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004020826A2 (en) * | 2002-08-30 | 2004-03-11 | Otkrytoe Aktsionernoe Obschestvo Nauchno-Proizvodst Vennoe Obiedinenie 'burovaya Tekhnika' | Gerotor mechanism |
WO2004020826A3 (en) * | 2002-08-30 | 2004-06-24 | Otkrytoe Aktsionernoe Obschest | Gerotor mechanism |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8020464B2 (en) | Gear pairs for power transmission in speed increaser or reducer and methods of forming the same | |
EP3272999B1 (en) | Bi-helical toothed wheel with variable helix angle and non-encapsulating tooth profile for hydraulic gear apparatuses | |
DE112013007474T5 (en) | Rotor bearing for eccentric screw borehole boring engine | |
RU2228444C1 (en) | Screw hydraulic machine gerotor mechanism | |
EP0993538A1 (en) | Downhole mud motor | |
RU2150566C1 (en) | Method for optimizing geometry of the profile of single-screw hydraulic machine working elements | |
CN1544814A (en) | Medium-high pressure gear pump having asymmetric double-circular-arc gear shape | |
JPS58170917A (en) | Method of determining root radius of crown type spline | |
Yagafarova et al. | Performance analysis of surface reducing gear of rod driven screw pump with involute gearing and Novikov gearing | |
RU2309237C1 (en) | Gerotor mechanism for hydraulic screw-rotor machine | |
RU2162926C1 (en) | Gerotor mechanism | |
RU2250340C2 (en) | Gear mechanism | |
RU2194880C2 (en) | Multistart gyrator mechanism of screw hydraulic machine | |
US4567953A (en) | Bottom-hole multistart screw motor | |
RU217542U1 (en) | Gerotor mechanism of the working bodies of a volumetric hydraulic machine | |
US6093004A (en) | Pump/motor apparatus using 2-lobe stator | |
RU192348U1 (en) | ELLIPSCYCLOIDAL GEAR CLIP | |
US11898560B1 (en) | Working members of a rotary hydraulic or pneumatic machine | |
RU184504U1 (en) | GEAR WHEEL WITH HARMONIOUS TEETH PROFILE | |
RU2166603C1 (en) | Gerotor mechanism of screw face hydraulic machine | |
RU2524238C2 (en) | Borehole helical motor | |
RU2183543C1 (en) | Method of manufacturing rotor of screw-downhole motor | |
CN113236716B (en) | Speed reducer for oil well based on hypocycloid meshing principle | |
RU2534657C1 (en) | Working member of screw-type rotor machine | |
SU1751408A1 (en) | Positive-displacement rotary machine |