RU217542U1 - Gerotor mechanism of the working bodies of a volumetric hydraulic machine - Google Patents
Gerotor mechanism of the working bodies of a volumetric hydraulic machine Download PDFInfo
- Publication number
- RU217542U1 RU217542U1 RU2022127178U RU2022127178U RU217542U1 RU 217542 U1 RU217542 U1 RU 217542U1 RU 2022127178 U RU2022127178 U RU 2022127178U RU 2022127178 U RU2022127178 U RU 2022127178U RU 217542 U1 RU217542 U1 RU 217542U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- teeth
- cycloidal
- gerotor
- profile
- stator
- Prior art date
Links
Images
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.The claimed technical solution relates to gear mechanisms of internal gearing and can be used in mechanical engineering as working bodies of hydraulic and pneumatic machines with straight and helical teeth, as well as in internal combustion engines and planetary gearboxes.
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).A gear mechanism with internal cycloidal gearing is known, used as a working body of multi-thread downhole screw motors for drilling wells, with a difference in the number of teeth of the rotor and stator equal to one, the mating end profiles of which are formed as envelopes of the equidistant shortened cycloidal rail when it is running along the main circle ( Gerotor mechanism, A.S. USSR No. 803572 dated 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. In the general case, the geometry of a gerotor mechanism with a cycloidal tooth profile for any kinematic ratio and type of engagement (epi or hypo) is determined by a combination of three dimensionless geometric coefficients (out-of-centroidity, tooth shape and rack displacement), which complicates the manufacturing technology and the choice of the optimal shape of profiles described by complex mathematical expressions depending on the combination of the above three dimensionless coefficients.
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).Based on the study and optimization of this method for constructing a cycloidal end profile in the practice of designing and manufacturing the working bodies of a gerotor mechanism, the geometric parameters of the end profile are standardized to a generalized form, in which for each kinematic ratio of the three dimensionless engagement coefficients, two coefficients (out-of-centroidity and tooth shape) are taken constant , and the third (displacement factor) is assigned based on the given contour diameter, taking into account the need to maintain the smoothness of the working contour (OST 39-164-84. Transfer gear rotor - stator of a screw downhole motor. Initial contour. Geometry calculation).
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.In the case of constructing a cycloidal end profile according to OST 39-164-84, the ratio of the contour diameter of the working bodies (along the stator tooth cavities) to the engagement eccentricity is a free parameter that is not regulated in the design process.
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.The disadvantage of this approach to the construction of the end profile of the gerotor mechanism, which ensures the standardization of design solutions and the unification of the parameters of the gear-cutting tool, is the impossibility of achieving extreme (maximum or minimum) values of the free section area, which in some cases is a necessary condition for calculating the gerotor mechanism in order to ensure the highest possible frequency rotation or torque of a rotary hydraulic or pneumatic machine.
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.The problem to be solved by the utility model is to establish the relationship of the geometric parameters of the cycloidal end profile, which ensures the achievement of the maximum or minimum area of the living section of the gerotor mechanism in order to design the working bodies of a rotary hydraulic or pneumatic machine with the maximum possible value of rotational speed or torque.
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.The task is achieved due to the fact that when designing the working bodies of a rotary hydraulic or pneumatic machine, made in the form of a gerotor mechanism with a cycloidal end profile of the stator and rotor, the number of teeth ( z 1 ; z 2 ) of which differ by one, the ratio of the contour diameter (according to troughs of the stator teeth) D to the eccentricity e gearing ( D to / e ), depending on the combination of dimensionless geometric coefficients (out-of-centroidity with o \u003d r / e , tooth shape with e \u003d r c / e and displacement with Δ \u003d Δ x 1 / e ) used in the formation of the end profile according to the method of running in a cycloidal rail, is assigned in the range that ensures the achievement of the maximum or minimum area of the free section for a given kinematic ratio i=z 2 :z 1 while maintaining the smoothness of the contours of the teeth and the absence of interference of the mating profiles in the case of their formations from a common rail.
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.At the same time, by varying the numerical values of the specified dimensionless geometric coefficients, various forms of conjugated profiles of gears (rotor and stator) and their modification can be obtained, ensuring the achievement of extreme values of the area of the free section, depending on the design and technological conditions when creating the working bodies.
В дальнейшем заявленная полезная модель поясняется описанием и чертежами.In the future, the claimed utility model is explained by the description and drawings.
На фиг. 1 показана общая схема образования циклоидального торцового профиля методом обкатки исходного контура циклоидальной рейки с учетом возможности смещения рейки относительно производящей прямой. In FIG. 1 shows the general scheme for the formation of a cycloidal end profile by running in the initial contour of a cycloidal bar, taking into account the possibility of shifting the bar relative to the generating line.
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).In FIG. Figure 2 shows the hypocycloidal end profiles of multi-thread gerotor mechanisms with different kinematic ratios (2:3; 5:6; 9:10) in the reference case of their formation (in the absence of displacement of the rack contour when constructing the initial profile and standardized values of the off-centroidity coefficients and tooth shape).
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.In FIG. Figure 3 shows graphs of the dependence of the dimensionless coefficient Dc / e on the number of rotor starts for the reference gerotor mechanism ( co = 1.175; ce = 2.175), as well as the proposed contour for changing the coefficient Dc / e , which ensures the achievement of the maximum area of the free section.
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.In FIG. 4 shows hypocycloidal end profiles with a kinematic ratio of 2:3; 5:6; 9:10 and the necessary combination of dimensionless coefficients, providing the maximum free area while maintaining the smoothness of the tooth contours.
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).In FIG. Figure 5 shows alternative options for hypocycloidal end profiles with a maximum open section area for a mechanism with a kinematic ratio of 3:4 with various combinations of profile coefficients ( с о , с e , с Δ , ), ensuring the constancy of the dimensionless parameter D c / e = 9.2 and open area ( S / D k 2 \u003d 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).In FIG. Figure 6 shows examples of the formation of a hypocycloidal end profile with a minimum open area for a mechanism with a kinematic ratio of 3:4 in the absence of interference of conjugated profiles (Fig.6a, 6b) and in the presence of interference of the rotor and stator profiles in the case of their formation from a common cycloidal rail (Fig. .6c).
На фиг. 7 изображен героторный механизм с кинематическим отношением 2:3, построенный от общей рейки и отличающийся заметной интерференцией сопряженных профилей.In FIG. 7 shows a gerotor mechanism with a kinematic ratio of 2:3, built from a common rack and characterized by noticeable interference of conjugate profiles.
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.In FIG. Figure 8 shows for comparison the end profiles of a gerotor mechanism with a kinematic ratio of 5:6 with a maximum and minimum free section area at various values of the parameter Dc / e .
На фиг. 9 изображена схема размещения винтового забойного двигателя с двумя углами перекоса в корпусе технической системы «Перфобур».In FIG. 9 shows the layout of a screw downhole motor with two skew angles in the casing of the technical system "Perfobur".
На фиг. 10 представлена схема размещения винтового забойного двигателя с двумя углами перекоса в радиальном канале ствола скважины.In FIG. 10 shows a layout of a screw downhole motor with two skew angles in the radial bore of the wellbore.
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. In many branches of mechanical engineering (for example, in the oil and gas industry), volumetric rotary hydraulic and pneumatic machines with internal engagement of working bodies (rotor-stator pair) have found application. The end profiles of the working bodies of such machines are closed periodic curves, the angular pitch of which is inversely proportional to the number of teeth.
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).For most design schemes of rotary hydraulic and pneumatic machines, the rotor performs a planetary motion, and the end profiles of their working bodies, called the "gerotor mechanism", are cycloidal and are formed from the equidistant hypo- and epicycloid or, in the general case, as envelopes of the
Форма и кривизна профиля циклоидального колеса при заданном контурном диаметре D к полностью определяется тремя безразмерными геометрическими коэффициентами:The shape and curvature of the profile of a cycloidal wheel for a given contour diameter Dk is completely determined by three dimensionless geometric coefficients:
коэффициентом внецентроидности с 0 = r/e;off-centroidity coefficient with 0 = r/e ;
коэффициентом формы зуба c e = r ц /e;coefficient of the shape of the tooth c e \u003d r c / e ;
коэффициентом смещения рейки с Δ = Δx 1 /e, rack shift factorWith Δ = ∆x 1 /e,
где r - радиус производящей окружности; е - эксцентриситет; r ц - радиус эквидистанты; Δx 1 - смещение исходного контура рейки (фиг. 1).Wherer - radius of generating circle;e- eccentricity;r c - equidistant radius; Δx 1 - displacement of the original rail contour (Fig. 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).With a different combination of dimensionless coefficients, it is possible to obtain end profiles of a gerotor mechanism with a given kinematic ratio, which will have different geometric parameters, including the free section area (as the difference between the areas of the stator and rotor profiles).
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.Reference hypocycloidal profiles with different kinematic ratios (2:3; 5:6; 9:10), constructed by the running method in the absence of displacement of the initial contour of the rack, the shape of the teeth of which corresponds to OST 39-164-84, are shown in Fig. 2. Points O 1 and O 2 , displaced by the distance of eccentricity e , belong to the centers of the sections, respectively, of the stator and rotor. As can be seen, with an increase in the number of teeth, the area of the active section of the working bodies, which is the sum of the individual working chambers, decreases, but at the same time, the multiplicity of the action of the gerotor mechanism in the process of its operation increases.
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).The open area is one of the factors that determine the working volume of a hydraulic or pneumatic machine and has a direct impact on their main technical indicators (speed, torque, pressure drop).
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.Under certain conditions, when designing the working bodies of the machine, it is necessary to assign such a shape of cycloidal profiles that ensures the achievement of the maximum or minimum value of the area of the free section of the gerotor mechanism in order to ensure the maximum possible speed or torque of the hydraulic machine.
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.To build an end profile with an extreme value of the free section area, it is necessary to establish the necessary relationships between the geometric dimensions of the gears. However, to date, the theory of cycloidal gearing has not provided generalized data on the choice of optimal combinations of geometric profile parameters, in particular, between the contour diameter (along the stator tooth cavities) and the gearing eccentricity D k / e for a given kinematic ratio of the gerotor mechanism.
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.In the case of constructing end profiles according to OST 39-164-84, when two dimensionless coefficients are taken constant, and the third coefficient ( with Δ ) is determined based on the given values of the contour diameter and engagement eccentricity, it is not possible to achieve an extreme area of the open section due to non-optimal the choice of coefficients of non-centroidity and the shape of the tooth in relation to the area of the free section of the gerotor mechanism, which is due to the fact that here the ratio D to / e is a free parameter that is not strictly regulated in the design process.
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.The standardized approach to designing a cycloidal end profile limits the possibility of choosing the optimal geometric parameters and improving the characteristics of a hydraulic or pneumatic machine, since its implementation does not take into account the necessary combination between the diametrical size and the eccentricity (center-to-center distance) of the gerotor mechanism.
В общем случае зависимость отношения D к /e от числа заходов ротора для героторного механизма с циклоидальным профилем зубьев можно представить в следующем видеIn the general case, the dependence of the ratio D to / e on the number of rotor starts for a gerotor mechanism with a cycloidal tooth profile can be represented as follows
где z 2 - число зубьев ротора (внутреннего колеса), z 2 = z 1 - 1. Wherez 2 - the number of teeth of the rotor (inner wheel),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:If, for a given contour diameter D k, it is required to ensure a constant eccentricity e and tooth height ( h = 2 e ), then the following relationship should be established between the dimensionless profile coefficients:
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.The calculation results show that at D k /e = const , the areas of individual chambers of the gerotor mechanism remain almost constant, despite the different configuration of the end profiles of the rotor and stator when the geometric coefficients change in accordance with expression (2). This conclusion can be applied in the construction of a cycloidal end profile with an extreme value of the open section area S for a given diameter and kinematic ratio of the working bodies.
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.With this approach, when designing the working bodies of a rotary hydraulic or pneumatic machine, made in the form of a gerotor mechanism with a cycloidal end profile of the stator and rotor, the number of teeth of which differ by one, the ratio of the contour diameter to the engagement eccentricity ( D k / e ), depending on the combination of dimensionless geometric coefficients (out-of-centroidity with o , tooth shape with e and displacement with Δ ) used in the formation of the end profile according to the method of running in a cycloidal rail, is assigned based on the achievement of the maximum or minimum area of the free section for a given kinematic ratio i=z 2 :z 1 at maintaining the smoothness of the contours of the teeth and the absence of interference of the mating profiles of the rotor and stator.
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.For each kinematic ratio (drive) of the gerotor mechanism, there is a range of change in the dimensionless parameter D k / e , which ensures the achievement of an extreme area of the open section, subject to the conditions for the absence of a break in curvature and interference (intersection) of the profiles.
Численные значения данных диапазонов, соответствующие максимальной площади живого сечения для многозаходных рабочих органов, представлены на фиг. 3 в виде заштрихованного контура.Numerical values of these ranges corresponding to the maximum open area for multi-pass working bodies are presented in Fig. 3 as a hatched outline.
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.This contour does not intersect with the graph D to /e (line 1) for a gerotor mechanism with a reference cycloidal tooth profile (Fig. 2), which confirms that this option is not optimal when creating a machine with a maximum working volume.
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%.Designing an end profile with the optimal value of the dimensionless parameterD To /e is variable and can be implemented by choosing the necessary combination between geometric coefficients (With O , With e , With Δ ) according to expression (2). In this case, variation by only one bias coefficient (With O ; With e - const) limits the design possibilities even for a given diametral dimension (D To = const) does not allow changing the area of the living sectionS more than 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:As a result, when designing the working bodies of a rotary hydraulic or pneumatic machine in order to achieve the maximum free area, the dimensionless geometric coefficients of the cycloidal end profile are assigned in the ranges:
D к /е = 6…24, D to / e \
с о = 1,05…1,2, with o \u003d 1.05 ... 1.2,
с е = 0…1,75, with e = 0…1.75,
с Δ = - 2,5…0,5, with Δ = - 2.5…0.5,
причем меньшие значения коэффициента D к /e относятся к героторным механизмам с малыми числами зубьев.moreover, smaller values of the coefficient D to / e refer to gerotor mechanisms with a small number of teeth.
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.As an example of the proposed technique for constructing a cycloidal profile in FIG. 5 shows three possible versions of the working bodies of the gerotor mechanism with a kinematic ratio of 3: 4 with a maximum free area ( S / D to 2 = 0.20) and a different combination of dimensionless profile coefficients at a constant ratio of D to / e = 9.2, corresponding to the proposed contour shown in Fig. 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.The choice of the final version of the gerotor mechanism with the maximum open area is made on the basis of a comparison of geometric (in particular, the reduced contour curvature, tooth height), kinematic (sliding speed, inertial force) and technological parameters, taking into account the type of machine being designed and the specified operating conditions.
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).When designing working bodies with a minimum free cross-sectional area with an ideal method for constructing profiles (when the conjugate profile is built as an envelope of the original profile when they are run in along the initial circles), it is possible to obtain a gerotor mechanism with any required free cross-sectional area (Fig. 6a, 6b) theoretically reaching zero values (in this case D k /e →∞ , and the rotor and stator profiles tend to a circle).
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.However, if the original and conjugated profiles are built from a common contour of the cycloidal rail shown in Fig. 1 (which is often used in practice in order to reduce the cost of designing and manufacturing a gear-cutting tool), then obtaining an end profile with a minimum open area is limited by the condition of the absence of interference of the mating profiles of the rotor and stator (Fig. 6c). In this case, when designing a profile, it is advisable to assign an off-centroidity coefficient c o close to unity, and the combination of coefficients c e and c Δ should be taken from the condition of the minimum intersection of the profiles.
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.An example of a gerotor mechanism with a pronounced interference of conjugated profiles due to a high value of the off-centroidity coefficient is shown in Fig. 7, the use of this option is possible when using a stator with an elastic lining.
В общем случае при проектировании героторных механизмов с минимальной площадью живого сечения можно принятьIn the general case, when designing gerotor mechanisms with a minimum free cross-sectional area, one can take
D к /е > 15…30, D to / e > 15 ... 30,
причем меньшие значения коэффициента D к /e относятся к героторным механизмам с малыми числами зубьев.moreover, smaller values of the coefficient D to / e refer to gerotor mechanisms with a small number of teeth.
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.In addition, in the final choice of a gerotor mechanism with a minimum open area, it is necessary to take into account the value of the hydraulic radius, which determines the drag coefficient and hydraulic losses in the working pair, especially when operating on viscous liquids and gas-liquid mixtures.
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.To summarize the possible implementation of the utility model, figure 8 shows variants of the end profiles of the mechanism with a kinematic ratio of 5:6, providing the maximum and minimum area of the open section (the area change is 50%) by varying the dimensionless geometric coefficients.
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.The technical result of the claimed utility model is to improve the quality of the process of designing the working bodies of rotary hydraulic and pneumatic machines with a cycloidal tooth profile, as well as to justify the conditions for modifying the cycloidal end profiles to achieve the maximum or minimum free cross-sectional area of the gerotor mechanism with different kinematic ratio, which creates the preconditions for a further increase the effectiveness of the use of volumetric rotary machines in various branches of mechanical engineering.
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).For example, for the technical system "Perfobur", designed to carry out work that provides the possibility of exploiting low-power productive formations in oil and gas wells by drilling channels of ultra-small diameter 60 ... 70 mm and up to 14 meters long from the main wellbore along a predicted trajectory during secondary opening through a pre-milled "window" in the casing, special small-sized cycloidal downhole motors (SDM) with an outer casing diameter of not more than 43 ... 49 mm are required. Such engines, by means of a wedge-deflector, which is part of the Perfobur technical system, are able to ensure entry into the reservoir at an angle of 5 ... 7 degrees. relative to the axis of the main bore at a rate of curvature angle increase during drilling up to 10 degrees/m (Drilling assembly with a small-sized hydraulic downhole motor. Utility model patent No. 195139 dated 12/25/2017).
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.In FIG. Figures 9 and 10 show the layouts of a small-sized PDM with two skew angles, respectively, in the casing of the technical system "Perfobur" and in the radial bore of the wellbore with a radius of curvature of 7...9 m.
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.One of the problems in the development of a hydraulic motor for such a technical system, as well as the inefficiency of using serial small-sized PDMs, is determined by the need to provide the required high level of engine torque, which depends on the possibility of achieving the maximum values of the open area and working volume in a limited diametrical and axial dimensions, which can be implemented on the basis of the technical solutions proposed in the application for choosing the shape of the cycloidal end profile of the working bodies.
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.The developed hydraulic motor with a diameter of 49 mm, the working bodies of which were made in strict accordance with the shape of the cycloidal end profile proposed in the application for a utility model by varying the dimensionless geometric coefficients ( D k / e = 6 ... 24; c о = 1.05 ... 1 ,2; с e = 0…1.75; с Δ = - 2.5…0.5), tested at the production site of Perfobur LLC (Ufa) on a specialized test bench that allows simulating the operating conditions of a technical system in well with registration of the necessary parameters for selecting the optimal operating modes of the equipment using instrumentation installed on the stand and special software that allows, based on the data obtained, to build real-time graphs of the characteristics of all elements of the system.
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.During testing in various modes, the engine developed torque at a maximum power of up to 200 N⋅m, which meets the basic technical requirements for the implementation of the drilling technology under consideration and characterizes the industrial utility of the proposed utility model.
Claims (14)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US17/871,399 | 2022-07-22 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU217542U1 true RU217542U1 (en) | 2023-04-04 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2202694C1 (en) * | 2002-06-13 | 2003-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью фирма "Радиус-Сервис" | Screw hydraulic machine helical gear rotation mechanism |
| CN100412320C (en) * | 2003-03-25 | 2008-08-20 | 法默机械服务有限公司 | Gerotor mechanism for a screw hydraulic machine |
| RU2524238C2 (en) * | 2012-08-17 | 2014-07-27 | Открытое акционерное общество "Пермнефтемашремонт" | Borehole helical motor |
| RU2587513C1 (en) * | 2015-05-26 | 2016-06-20 | Михаил Валерьевич Шардаков | Screw hydraulic machine with inclined profile of stator teeth |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2202694C1 (en) * | 2002-06-13 | 2003-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью фирма "Радиус-Сервис" | Screw hydraulic machine helical gear rotation mechanism |
| CN100412320C (en) * | 2003-03-25 | 2008-08-20 | 法默机械服务有限公司 | Gerotor mechanism for a screw hydraulic machine |
| RU2524238C2 (en) * | 2012-08-17 | 2014-07-27 | Открытое акционерное общество "Пермнефтемашремонт" | Borehole helical motor |
| RU2587513C1 (en) * | 2015-05-26 | 2016-06-20 | Михаил Валерьевич Шардаков | Screw hydraulic machine with inclined profile of stator teeth |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Stosic et al. | Geometry of screw compressor rotors and their tools | |
| US8425212B2 (en) | Positive displacement flowmeter and helical gear | |
| US9869126B2 (en) | Variable diameter stator and rotor for progressing cavity motor | |
| Panchenko et al. | The Influence of the form error after rotor manufacturing on the output characteristics of an orbital hydraulic motor | |
| US9273687B2 (en) | Method for producing the tooth shape of the inner and outer ring of an annular gear machine and toothed ring produced by means of said method | |
| US8282371B2 (en) | Screw pump | |
| IT201600076227A1 (en) | Bi-helical gear wheel with variable helix angle and non-encapsulating tooth profile for gear hydraulic equipment | |
| KR20080020923A (en) | Tooth profile of internal gear | |
| KR101101610B1 (en) | Method for designing the gerotor pump | |
| CN101714173B (en) | Automatic plan system for gerotor oil pump with tooth form shape | |
| RU217542U1 (en) | Gerotor mechanism of the working bodies of a volumetric hydraulic machine | |
| JP6211591B2 (en) | Screw expander, screw machine design method, screw machine manufacturing method, screw machine and generator | |
| KR101382540B1 (en) | Method for designing gerotor oil pump rotors refered to sdichoid | |
| KR19980081230A (en) | Oil pump rotor | |
| US11898560B1 (en) | Working members of a rotary hydraulic or pneumatic machine | |
| Yagafarova et al. | Performance analysis of surface reducing gear of rod driven screw pump with involute gearing and Novikov gearing | |
| CN104712555A (en) | Inner engaging cycloidal pump cycloidal gear design method | |
| RU2309237C1 (en) | Gerotor mechanism for hydraulic screw-rotor machine | |
| RU2250340C2 (en) | Gear mechanism | |
| RU132474U1 (en) | MULTI-STEP GEROTOR MECHANISM OF A SCREW HYDRAULIC MACHINE | |
| JP2024507410A (en) | Screw assembly for a three-shaft screw pump and a three-shaft screw pump including the assembly | |
| RU184504U1 (en) | GEAR WHEEL WITH HARMONIOUS TEETH PROFILE | |
| RU2194880C2 (en) | Multistart gyrator mechanism of screw hydraulic machine | |
| Stryczek et al. | Gears or rotors-three approaches to design of working units of hydraulic machines | |
| RU2202694C1 (en) | Screw hydraulic machine helical gear rotation mechanism |