井底非圆齿轮马达的研究及相关技术难题

刘涛，杨甘生，范孔岳

（中国地质大学（北京）国土资源部深部钻探技术重点实验室，北京 100083）

0 引 言

在地质钻探与石油钻探行业中，钻头的驱动方式一般有两种：地表驱动和井底驱动。在井底驱动方式中，钻头以回转方式为主，冲击方式使用得较少。井底驱动的效率高低取决于井底动力装置的选择类型，现在使用最多的井底动力装置是涡轮钻具（马达）与螺杆钻具（马达），但是这两种钻具又都各有缺点，涡轮钻具钻速太高，输出扭矩过小；螺杆钻具橡胶定子不耐高温、寿命短。为了避免以上两种井底动力装置的不足，我们尝试着研究一种可以克服这两种马达缺点的井底动力装置——井底非圆齿轮马达。

非圆齿轮马达具有低转速、高输出扭矩、抗污染能力强、结构简单、尺寸小、噪声低、重量轻、转速范围宽、运转平稳、脉动量小、功率重量比大、容积效率及机械效率高、使用寿命长等优点［1-2］。其低转速、高输出扭矩的特点，可以保证非圆齿轮马达在钻头与输出轴间不安装减速器等装置，这样就可以缩短钻具的长度；其抗污染能力强的特点，使得其很适宜作为工作环境恶劣地点的动力装置。

非圆齿轮马达由于具有上述如此多的优点，并且已经作为井上马达得到大范围推广使用，如果这些优点也能够在井底发挥，那么其就能够解决螺杆钻具的不耐高温和涡轮钻具的扭矩小、转速高的问题，满足在超深钻探、地热钻探中对井下钻探设备的耐高温和大扭矩输出需求，发挥稳定的工作性能，这样井底非圆齿轮马达的应用将会大大提高井底钻探的效率。

1 非圆齿轮马达的历史与发展现状

1971 年，波兰人发表了第一篇有关非圆齿轮液压马达的专利，专利号为151883［3］；1977 年，波兰人B.Sieniawski 将非圆行星齿轮机构应用于液压马达中，称为SOK 型液压马达［4-5］；1986 年，波兰人D.Sieniawski 又提出了SOK 马达的一种改进型马达，称之为HSS 型液压马达，其非圆齿轮的节曲线为圆弧——圆弧型。1993 年哈尔滨工业大学的李建生取得了“非圆行星齿轮式低速大扭矩液压马达”的中国专利,专利号为93221257.3；2009年,安徽合肥航天液压机械有限公司的张孟和等申请了“非圆行星齿轮液压马达”的专利，专利号为200910117059.8，该马达适用于乳化液或者矿物油作为介质；2011 年，沈冰妹、许鸿昊等研制了一种双圆弧节曲线的新型非圆齿轮机构，并用线切割法加工制造出了齿轮机构样品，与波兰海德曼公司进口的SP-50 马达的齿轮机构在相同条件下进行了对比试验。结果显示，在300～800 r/min 范围内，两种齿轮机构的转矩、工作效率基本一致，这表明所设计的齿轮结构是合理的。

非圆齿轮行星液压马达的研究经历了很多阶段，从34、45 的差1 型到35、46、57 的差2 型；从介质为液压油到乳化液、泥浆；从用于井上动力装置到井底动力装置。非圆行星齿轮马达的结构也由于工作介质、工作环境的改变而发生了变化，配流机构、流体通道等也发生了相关改变。

2 井底非圆齿轮马达的研究

2.1 井底非圆齿轮马达的基本结构及其原理

本文主要以3-4 型非圆齿轮马达的结构为例进行介绍。

井底非圆齿轮马达的马达总成部分主要由非圆行星轮系、前后配流盘以及轴承等组成，非圆行星轮系又由内齿轮、行星轮和中心轮三部分组成。由于结构设计所需要的输出扭矩比较大，设计中就采用了类似于涡轮钻具中涡轮节的结构——齿轮节，多节齿轮串联起来，每一个行星齿轮系的钻速n 相同，排量V 相同，输出的转矩T 相加，最终达到输出转矩T 很大、钻速n 较小的效果。井底非圆齿轮马达除了马达总成部分，还包括旁通阀总成与传动轴总成两部分，旁通阀总成、马达总成、传动轴总成三大总成共同构成所设计的井底非圆齿轮马达。

马达总成是由多级齿轮节串联组成，图1 所示为3-4型井底马达马达总成的结构示意图。

图1 3-4 型井底非圆齿轮马达总成部分结构示意图

3-4 型非圆齿轮马达总成部分主要由行星齿轮系（包括行星轮、非圆三角轮与非圆内齿圈四方轮），配流盘1、主轴、配流盘2、外壳、浮动轴套等部分组成。钻井液从配流盘1 上的进液孔，流入行星轮系与浮动轴套、外壳组成的7 个密闭腔，由于液压切向不平衡力而产生扭矩，推动行星轮产生自转与公转，通过啮合关系，行星轮带动三角轮转动，三角轮与主轴之间是通过键连接的，这样就带动主轴的旋转，从而输出转矩T0，从上一个齿轮节配流盘出液孔流出的钻井液，经过渠道流到下一个配流盘的进液孔处，进入下一个齿轮节中的密闭腔，再使得主轴输出一个扭矩T0，多个扭矩T0叠加，就可以达到输出较大扭矩的效果。非圆三角轮、非圆内齿圈四方轮及行星轮组成的密闭腔的体积随着钻井液的进出发生改变，高压钻井液进入时，密闭腔的体积逐渐增大，低压钻井液流出时，密闭腔的体积变小。钻井液进入与排出密闭腔，通过行星轮的运动来控制，行星轮在运动过程中会依次接通或关闭进液或出液孔，齿轮间密闭腔的进、排钻井液过程不断地循环变化，达到马达连续输出力矩。

由于马达总成的核心部件是行星轮系结构（即1 个齿轮节），多个行星轮系组成多级齿轮节，而行星轮系结构的主要部件又是非圆内齿圈（四方轮）、非圆外齿轮（三角轮）和行星轮，所以对非圆内齿圈（四方轮）、非圆外齿轮（三角轮）和行星轮的结构做如下介绍。图2 为三角轮的CAD 图，图3 为四方轮的CAD 图，图4 为马达行星轮系实物模型图，图5 为配流盘1 的CAD 图与实物模型图。

图2 非圆外齿轮的CAD 图

图3 非圆内齿圈的CAD 图

2.2 井底非圆齿轮马达面临的技术难题及解决办法

图4 非圆齿轮马达行星轮系实物模型图

由于要求井底非圆齿轮马达输出扭矩大、转速小，并且要受到压力、工作介质等井底环境因素的影响，使得井底马达在很多方面需要改进，相关技术难题也伴随而生。虽然马达的设计过程中已经解决了相关难题，如非圆齿轮节曲线的设计［6］、配流盘中配流孔的个数与位置的设计［7］、齿轮根切的问题以及加工过程中带刀的问题［8］。但是还有密封问题、困油问题、多级齿轮节串联问题都还没有解决，以下提出相应的解决方法。

图5 配流盘1 的CAD 图与实物模型图

1）井底非圆齿轮马达的密封性不好直接导致马达的泄漏问题严重，齿轮端面和配流盘间、2 个齿轮的齿面啮合处比较容易产生泄漏，其中对泄漏影响最大的是齿轮端面和配流盘间的轴向间隙，可以采用齿轮端面自动补偿的办法来解决。

如图6，利用特制的通道把马达密闭腔的工作介质引到浮动轴套的外侧，产生液压作用力，使得轴套压向齿轮端面，这个液压力必须大于齿轮端面作用在轴套内侧的作用力，才能保证在各种压力下轴套始终与齿轮端面贴紧，这样就可以达到减小马达通过端面泄漏的目的。

图6 非圆齿轮马达端面间隙自动补偿

2）由于本设计是非圆齿轮马达，涉及到齿轮的传动，那么就必然会出现类似普通齿轮液压马达或者齿轮液压泵的困油现象,本文中称之为“困液”现象。齿轮马达的“困液”现象解释如下：齿轮马达若要正常稳定工作，则齿轮啮合的重叠系数必须大于1，即要求在一对轮齿即将脱开啮合前，后面的一对轮齿就要开始啮合。就在两对轮齿同时啮合的这一小段时间里，留在齿间的液体困在行星齿轮与三角轮（四方轮）和前后配流盘所形成的一个密闭空间里，如图7（a）所示，当齿轮继续旋转时，这个空间的容积逐渐减小，直到两个啮合点A、B 处于节点两侧的对称位置时，如图7（b）所示，这时封闭容积减为最小。一般工作介质的可压缩性很小，当封闭空间的容积减小时，被困的液体受挤压，压力急剧上升，液体从零件接合面的缝隙中强行挤出，使齿轮和轴承受到很大的径向力；当齿轮继续旋转，这个封闭空间容积又会逐渐增大到如图7（c）所示的最大位置，容积增大时会造成局部真空，使液体中溶解的气体分离，产生气穴现象，这些会使得齿轮马达产生较大的噪声。

图7 非圆齿轮马达“困液”现象

“困液”现象对马达会产生很大的损坏，降低其使用寿命，需要采取办法将其消除，消除的方法通常是在齿轮马达的两侧配流盘上铣两条卸荷槽［9］，如图7 中虚线所示，当密封容积减小时，使其与配流盘出油口相通，当密封容积增大时，使其与配流盘进油口相通。

3）非圆齿轮马达设计由于需要输出较大的扭矩T，所以本设计中采用了多级齿轮节相串联的方法来达到目的。每一个齿轮节传一份扭矩T0给轴（各份理论上相等），其总和即为非圆齿轮马达的扭矩。由于所有的齿轮节中齿轮均以相同的转速旋转，因此，功率是累加起来，类似地，工作压力也是累加起来的。基本方式采用与涡轮钻具中的涡轮节连接相同的方式,只是每个齿轮节的中间多了一个配流盘，这样多个齿轮节通过串联，通过扭矩叠加，达到输出大扭矩的目的。

3 结 论

非圆齿轮马达的研究经历了多个阶段，从液压油作为工作介质到乳化液等作为工作介质，再到泥浆等作为工作介质；从井上马达到井底马达。其技术难题也一个一个得到突破：非圆齿轮节曲线的设计步骤得出；齿轮根切的问题以及加工过程中带刀问题的解决；从最开始在非圆齿轮上开孔引入工作介质，到后来采用分流环、集流环等，从采用一个配流盘再到现在采用前后两个配流盘的改进；非圆齿轮马达配流盘上配油孔的个数与位置的设计研究。虽然现在用于井底的非圆齿轮马达并不多见，并且仍然有很多难题没有解决，例如：脉动率、排量与结构参数（齿数、模数）的关系等，但是由于其突出的优点，可以克服现在涡轮钻具、螺杆钻具的相关不足，值得我们为之探索与努力。

［1］ 许益民.非圆齿轮行星传动式液压马达运动学数学模型的建立［J］.南昌大学学报：工科版，1995（3）：1-2.

［2］ 雍小源，张连国.非圆齿轮行星传动式液压马达的研究［J］.机电设备，1991（2）：9-12.

［3］ 吴序堂，潘峰，陈国强.非圆齿轮行星轮系液压马达：中国，200410029618［P］.2005-01-12.

［4］ Sieniawski B，Potulski J，Sieniawski D. Silnik Obiecowokrzywxowy，zwlaszczajako silnik hydrauliczny：PL146450［P］.1989-08-31.

［5］ Sieniawski D.The Second Generation of the Planet Motors［C］//Proc.7thInt.Fluid Power Symp，1986：9-17.

［6］ 李建生，李华敏.变中心距非圆行星齿轮机构节曲线设计［J］.机械传动，1993（2）：l-3.

［7］ 熊镇芹.非圆行星齿轮液压马达的配流设计研究［J］.机械科学与技术，2004，23（5）：509-511.

［8］ 陈宇生，徐海峥，张辉，等.一种非圆齿轮轮系液压马达［J］.工程机械，1999（10）：18-19.

［9］ 左健民.液压与气压传动［M］.北京：机械工业出版社，2007.