ГЕРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ВИНТОВОЙ ГИДРОМАШИНЫ Российский патент 2003 года по МПК F16H1/32 

Изобретение относится к зубчатым механизмам внутреннего циклоидообразного зацепления, содержащим охватывающий статор и охватываемый ротор, все зубья которых находятся в непрерывном контакте благодаря их разнице, равной единице, высоте зубьев, равной удвоенному межосевому расстоянию механизма (эксцентриситету зацепления), плавности и цикличности профилей зубьев статора и ротора.

Данные механизмы могут быть использованы для бурения нефтяных и газовых скважин при проектировании рабочих органов винтового забойного двигателя.

Известен героторный механизм (ГМ) с внутренним внецентроидным зацеплением, у которого торцовый профиль зубьев, например, статора принят за исходный, очерченный эквидистантой укороченной эпи- или гипоциклоиды, а сопряженный профиль зубьев ротора выполнен как огибающая кривая исходного профиля [1].

Недостатком этого механизма является то, что для образования зубьев ротора и статора (сердечника пресс-формы) требуется различный зуборезный инструмент, например две червячные фрезы, а с изменением числа зубьев механизма при его проектировании и изготовлении количество потребных червячных фрез возрастает. Это отражается на стоимости механизма, так как расходы на эксплуатацию каждого инструмента, отнесенные к стоимости каждого ротора или сердечника пресс-формы, составляют 10-15% в зависимости от эксцентриситета зацепления и длины механизма.

Более близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является героторный механизм, у которого для изготовления зубьев ротора и сердечника, имеющих нормализованный шаг, требуется только одна унифицированная червячная фреза [2]. Она является универсальной, поскольку пригодна для изготовления механизмов с любыми числами зубьев. У этого механизма торцовые профили ротора и статора образуются вспомогательным контуром (производящей поверхностью червячной фрезы), поверхность которого образована по методу огибания исходным контуром рейки (ИКР), представляющим собой эквидистанту укороченной циклоиды.

Недостатком этого механизма является то, что, во-первых, по условиям его профилирования осевой шаг не должен изменяться, а во-вторых, профиль статора и инструмент не предусматривают смещения (x₁=0), а профиль ротора и инструмент имеют небольшое смещение, равное х₂=r-а+δ, где r - радиус катящейся окружности циклоиды, лежащей в основе проектирования ИКР, а - эксцентриситет зацепления механизма, здесь и далее для всех линейных размеров в мм, δ - радиальный натяг в зацеплении его зубьев, равный (0÷0,03)а.

В свою очередь, отсутствие смещения или его малое значение ограничивает выбор контурного и других диаметров механизма, влияющих на улучшение технической характеристики механизма.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение стоимости механизмов за счет того, что изменяемый осевой шаг может регулироваться в рациональных пределах.

Поставленная задача решается за счет того, что в героторном механизме с внутренним циклоидообразным зацеплением, содержащем статор и ротор, винтовые зубья которых выполнены со смещением профиля и находятся в непрерывном контакте с натягом, а поверхности зубьев статора и ротора и их торцовые профили геометрически сопряжены с производящей поверхностью унифицированной червячной фрезы, спроектированной от исходного контура рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды, для механизма с нормализованным осевым шагом, согласно изобретению отношение изменяемого осевого шага Р механизма к нормализованному шагу Рн ограничено интервалом 0,85-2,3, а его изменяемое значение Р и значение осевого шага Т_o червячной фрезы связаны условием совпадения касательных к винтовым линиям поверхностей зубьев статора, ротора и производящей поверхности червячной фрезы на их начальных инструментальных цилиндрах.

Таким образом, все механизмы с заданным эксцентриситетом, но отличающиеся осевым шагом имеют меньшую стоимость изготовления за счет использования одной унифицированной червячной фрезы, спроектированной и изготовленной для механизма с нормализованным осевым шагом Рн. То есть унифицированная фреза становится более универсальной по сравнению с прототипом. Вместе с тем торцовые профили зубьев статора и ротора с изменяемым осевым шагом в предлагаемом механизме отличаются от таковых у механизма с нормализованным шагом. У них толщина зуба ротора и ширина впадины статора уменьшаются и тем больше, чем больше изменяемый осевой шаг Р отличается от нормализованного. Однако непрерывность контакта зубьев статора и ротора сохраняется благодаря тому, что их профили образуются общей фрезой, находятся во внутреннем зацеплении, а изменения размеров толщины зуба ротора и ширины впадины статора происходят в одном направлении, при этом возникают небольшие погрешности зацепления профилей, которые компенсируются деформацией эластичных зубьев статора и натягом, предусматриваемым заранее в зацеплении зубьев большинства механизмов.

Нижний предел отношения 0,85 ограничивается увеличением бокового натяга на боковых сторонах зубьев механизма, а верхний предел 2,30 - увеличением зазора зацепления. Боковой натяг и зазор представляют собой погрешность, допуск которой не должен превышать Δn=±0,03a ("+" означает зазор, "-" - натяг).

Превышение зазора более 0,03а приводит к утечкам жидкости и снижению гидравлического коэффициента полезного действия, а превышение натяга более |0,03a| приводит к увеличению трения между зубьями механизма, снижению механического коэффициента полезного действия, повышенному нагреву и размягчению эластичных зубьев статора.

Например, на фиг.1а, б показаны зацепления ротора и статора с эксцентриситетом а= 3,5 мм и их погрешности в виде натягов, а на фиг.1в - в виде зазоров при различных осевых шагах механизма и соответственно контурных диаметрах статора и радиальном натяге, равном нулю, и передаточном отношении 6/5.

На фиг. 2а, б, в при тех же условиях показаны зацепления (с различными осевыми шагами) и их погрешности у механизма при других числах зубьев и его передаточном отношении 10/9. Погрешности имеют такие же значения, как и на фиг.1.

На фиг.3 уменьшение соотношения Р/Рн хотя бы до 0,5 (при a=3,5 мм) приводит к существенному увеличению натяга до 0,73 мм.

На фиг.4 увеличение осевого шага, например, до Р=3,75Рн также приводит к недопустимо большой погрешности зацепления в виде зазора, равного 0,11, то есть погрешности зацепления выходят за указанные пределы допуска.

На фиг.5а, б, в показаны зацепления героторного механизма с большей величиной эксцентриситета а=4,9. Величина погрешности увеличивается по сравнению с погрешностями на фиг.1 и 2 пропорционально эксцентриситету. Таким образом, с изменением числа зубьев погрешности практически не изменяются, а с увеличением эксцентриситета - увеличиваются.

В производственных условиях погрешность зацепления Δn ограничивается соотношением
Δn=(0,02-0,03)а,
где Δn - погрешность; а - эксцентриситет.

На основании вышеизложенного установлены следующие границы
предельных значений Р=(0,85...2,3)Рн,
где Р - изменяемый шаг, Рн - нормализованный шаг.

На фиг.6 приведена схема, устанавливающая связь между торцовыми профилями производящего червяка унифицированной червячной фрезы и профилями вспомогательных реек и профилем статора.

На фиг.6а показано зацепление в торцовом сечении статора исходного контура 1 рейки (ИКР), очерченной эквидистантой укороченной циклоиды, и номинального профиля 2 статора, имеющего нормализованный осевой шаг. Статор имеет радиус начального цилиндра r_w1=rz₁, касающегося начальной прямой 3 в полюсе зацепления П, где r - радиус катящейся окружности циклоиды, z₁ - число зубьев статора.

На фиг.6б показано зацепление торцового профиля 4 производящего червяка унифицированной червячной фрезы, имеющего радиус начального цилиндра r_ow, равный наружному радиусу фрезы r_ао, со вспомогательной рейкой 5, имеющей шаг t= 2πr_w1 в торцовом сечении червяка и являющейся проекцией профиля 1 ИКР (фиг.6а), имеющей шаг t_р=2πr. При этом профили рейки 5 (фиг.6б) и 1 (ИКР) на фиг. 6а, а также производящего червяка 4 (фиг.6б) определены для формообразования профиля 2 статора (фиг.6а), имеющего осевой шаг Рн, равный нормализованному осевому шагу ГМ.

На фиг.6в показано зацепление профиля 6 вспомогательной рейки, являющейся проекцией профиля рейки 7 с шагом t₁=2πR₁ (фиг.6б), с профилем 8 статора (фиг. 6в), имеющего произвольное значение контурного диаметра D_k и новый радиус начального цилиндра r₁, касающегося новой начальной прямой 9 в полюсе зацепления П₁. Одновременно начальная прямая 9 касается нового начального цилиндра R₁ (фиг.6б) производящего червяка имеющейся унифицированной фрезы.

По второму условию необходимо совпадение касательных к винтовым линиям поверхностей статора, ротора и производящего червяка унифицированной фрезы на их начальных инструментальных цилиндрах. Второе условие вытекает из передаточного отношения пространственных зацеплений статора, ротора и производящего червяка фрезы:

где индексы 1,2 относятся здесь и далее к параметрам зацепления производящего червяка фрезы со статором и ротором соответственно;
r_1,2 - радиусы начального инструментального цилиндра статора и ротора;
R_1,2 - радиусы начального инструментального цилиндра фрезы;
β_1,2- углы наклона винтовых линий на цилиндрах с радиусами r_1,2;
ω_1,2- углы подъема винтовых линий на цилиндрах с радиусами R_1,2;
z_1,2 - числа зубьев;
к_зах - число заходов фрезы, принимается равным единице.

После подстановки известных параметров и преобразования отношения (1) последнее принимает вид

из которого можно найти r_1,2,
где Т_о - осевой шаг унифицированной червячной фрезы;
L₁=0,5(d_аo+D_к-4а) - межосевое расстояние фрезы и статора;
L₂=L₁-2а+δ - межосевое расстояние фрезы и ротора;
D_к - контурный диаметр, равный диаметру впадин статора (фиг. 1а);
d_ао - наружный диаметр фрезы (r_ао - радиус фрезы);
а - эксцентриситет зацепления механизма;
δ - радиальный натяг в зацеплении его зубьев.

Рассчитав по зависимости (2) значения радиусов r_1,2 для статора и ротора, определим остальные параметры передаточного отношения (1):
R_1,2=L_1,2-r_1,2


Указанное второе условие реализуется установкой угла скрещивания между осью фрезы и осями статора (сердечника) и ротора:

где знак плюс принимается при разноименных направлениях винтовых линий фрезы и статора или фрезы и ротора, минус - при одноименных. Диаметр выступов ротора d_a2 и контурный диаметр статора D_к связаны соотношением
d_a2=D_к-2a+δ.

Величина смещения x₁ профиля статора учитывается при задании конструктором контурного диаметра D_к статора.

Смещение профиля статора равно

а смещение профиля ротора будет равным
x₂=x₁+r-aδ,
где d_a1 - номинальный диаметр окружности впадин статора при смещении x₁= 0:
d_a1=2[r(z₁-1)+a+r_ц]=2(rz₂+a+r_ц),
где r, r_ц - параметры исходного контура рейки, принятые при профилировании унифицированной червячной фрезы.

Профили статора и ротора определяются с использованием профилей поверхности вспомогательной рейки в торцовом сечении производящего червяка с перерасчетом их в торцовое сечение механизма.

Вначале определяется профиль вспомогательной рейки 7 в торцовом сечении производящего червяка (фиг.6б), имеющего новый радиус R_1,2 начальной инструментальной окружности:

где x_ч, у_ч и r_ч, δ_ч- координаты торцового профиля производящего червяка выбранной унифицированной фрезы, которые считаются известными;
ξ_ч- торцовый угол профиля этого червяка - тоже известен;
ϕ - угол поворота производящего червяка (на фиг.6 не показан).

Профиль вспомогательной рейки 6 в торцовом сечении механизма находится перерасчетом координат: х_рч, у_рч (фиг.6б) в х_рд, у_рд (фиг.6в):

где угол профиля вспомогательной рейки в торцовом сечении механизма.

Наконец, определяется торцовый профиль 8 статора и ротора в торцовом сечении (фиг.6в), имеющих новый радиус r_1,2 начальной окружности:

где ψ - угол поворота статора (сердечника) и ротора (на фиг.6 не показан).

Профили механизма, показанные на фиг.1-5, рассчитаны по уравнениям системы (3),(4),(5).

Преимуществом заявляемого героторного механизма является экономичность его изготовления при широком изменении контурного диаметра осевого шага механизма за счет повышения универсальности зубообрабатывающего инструмента с обеспечением достаточной точности зацепления и высоких показателей работы механизма.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 93032. М.кл. 7 F 16 Н 1/32.

2. Авторское свидетельство СССР N 803572. М.кл. 7 F 16 Н 1/32.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для бурения нефтяных и газовых скважин при проектировании рабочих органов винтового забойного двигателя. Винтовые зубья статора и ротора в героторном механизме с внутренним циклоидообразным зацеплением выполнены со смещением профиля и находятся в непрерывном контакте с натягом. Поверхности зубьев статора и ротора и их торцовые профили геометрически сопряжены с производящей поверхностью червячной фрезы, спроектированной от исходного контура рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды, для механизма с нормализованным осевым шагом. Отношение изменяемого осевого шага Р механизма к нормализованному шагу Рн ограничено интервалом 0,85-2,3. Изменяемое значение шага Р и значение осевого шага T_o червячной фрезы связаны условием совпадения касательных к винтовым линиям поверхностей зубьев статора, ротора и производящей поверхности червячной фрезы на их начальных инструментальных цилиндрах. Технический результат: снижение стоимости механизмов за счет того, что изменяемый осевой шаг может регулироваться в рациональных пределах. 6 ил.

Героторный механизм винтовой гидромашины, содержащий статор и ротор, винтовые зубья которых выполнены со смещением профиля и находятся в непрерывном контакте с натягом, а поверхности зубьев статора и ротора и их торцовые профили геометрически сопряжены с производящей поверхностью червячной фрезы, спроектированной от исходного контура рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды, для механизма с нормализованным осевым шагом, отличающийся тем, что значение осевого шага изменено, причем отношение измененного значения осевого шага Р механизма по отношению к нормализованному шагу Рн механизма ограничено интервалом 0,85-2,3 и измененное значение осевого шага механизма и значение осевого шага червячной фрезы связаны условием совпадения касательных к винтовым линиям поверхностей зубьев статора, ротора и производящей поверхности червячной фрезы на их начальных инструментальных цилиндрах.