潜油螺杆泵采油系统单级与并联行星减速器的有限元分析

曹乐　张幼军

摘要：潜油螺杆泵系统行星齿轮减速器作为采油系统的重要组成部件，其寿命直接影响着生产效率。该减速器是在井下工作，工况条件恶劣，载荷变化较大，很容易造成齿轮的损坏，导致减速器无法正常工作，而且更换一次减速器的成本非常昂贵，故现在很多关于行星齿轮减速器的研究都集中在如何提高其工作寿命上。而并联行星齿轮减速器，它的行星轮不同于常规行星减速器的单个行星轮，是由两组行星轮并联排列。这样就改善了每个齿轮的受力情况，提高了工作的可靠性。不仅如此，这種设计还可以减小齿轮模数，在相同的尺寸限制条件下，可以增加齿数，采用标准齿轮，降低了生产成本 。本文通过单级与并联行星减速器的主要零件的有限元分析对比验证了此结论。

关键词：并联减速器；有限元；单级减速器

1.设计要求及传动图

本设计要求设计减速器传动比 =4，功率 =20KW，输入转速 =1425rpm，中等冲击，使用寿命1年，且要求减速器应用于7in下井套管，外廓直径尺寸小于 140mm。由于受尺寸条件限制，单级潜 油行星减速器往往采用小齿数齿轮，其最小齿数小于18，这样在齿轮啮合时就会产生根切，降低齿轮的寿命。为了降低根切所带来的影响，在设计时应采用变位修正。其传动简图如图1所示。

当采用并联行星轮，两组行星轮同时承受载荷，改善了每个齿轮的受力情况，增加齿轮的寿命。另外在保证尺寸限制的条件下，可以适当减小模数，增加齿轮齿数，使齿数大于最小根切齿数18，避免产生根切现象，而且降低了齿轮的制造难度。其传动简图如图2所示，其中太阳轮a为输入，与行星轮c的行星架为输出，内齿圈b固定不动。

2.单级与并联行星减速器的有限元计算结果的分析

在相同工况条件下通过有限元计算结果可得到两种减速器的应力分布与变形情况。如图3和图4分别为单级行星减速器与并联行星减速器的行星轮应力分布云图。

由以上云图可以看出，单级行星轮减速器行星轮最大应力为56.2MPa，而并联行星减速器行星轮最大应力51.2MPa，可见，单级的行星齿轮减速器的行星轮所承受的应力更大一些。

通过对单级与并联行星齿轮减速器在相同工作情况的有限元分析可以得出单级行星齿轮减速器与并联行星齿轮减速器相比较，单级行星齿轮减速器受载工况均比并联行星齿轮减速器要差一些，并联行星齿轮减速器无论从强度和刚度角度看均好于单级行星齿轮减速器。

参考文献：

[1]Gaymard B， Chanton E， Puyo P. Progress Cavity pump in European oil production [J].World Pumps. 1989.

[2]张展.齿轮减速器现状及发展趋势[J].水利电力机械，2001，23（1）：58-59.