螺桿泵是石油工業(yè)中重要的人工舉升設(shè)備，目前油田使用的單螺桿泵采用金屬轉(zhuǎn)子和橡膠定子作為螺旋副，單螺桿泵的工作壽命主要取決于定子襯套材料的性能。國(guó)內(nèi)目前主要采用丁腈橡膠作為螺桿泵定子襯套的材料，由于難以適應(yīng)各種油井環(huán)境，影響了泵的工作范圍和壽命(一般為3~6個(gè)月)，限制了其在海洋和陸上深井原油中的應(yīng)用。地面油氣多相混輸雙螺桿泵轉(zhuǎn)子和定子均選用金屬材料加工，通過嚴(yán)格控制兩個(gè)異向旋轉(zhuǎn)螺桿之間的間隙，使之在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中看起來似乎處于嚙合狀態(tài)但實(shí)際上并不相互接觸。如果能將地面油氣多相混輸雙螺桿泵工作原理應(yīng)用于井下采油[1]，就可以大幅延長(zhǎng)螺桿泵工作壽命(一般為24個(gè)月以上)并提高其工作轉(zhuǎn)速(3000r/min)，從而實(shí)現(xiàn)增加檢泵周期和提高單井原油排量的目標(biāo)。在這一新型螺桿泵項(xiàng)目中，起到控制螺桿嚙合間隙以螺桿不接觸及功率分流作用的同步齒輪就成了核心部件。井下作業(yè)的高速、重載、高溫以及井筒空間限制等因素都會(huì)嚴(yán)重影響齒輪的壽命，這給同步齒輪的性能提出了很高的要求。雙圓弧圓柱齒輪具有多點(diǎn)接觸、接觸強(qiáng)度比相同材料和尺寸的漸開線齒輪高1.5~2倍、彎曲強(qiáng)度也有明顯提高、相互嚙合齒輪可用同一把刀具加工等優(yōu)點(diǎn)，符合新型螺桿泵同步齒輪性能要求。
齒輪有限元分析模型
單齒對(duì)靜態(tài)接觸模型從理論上來說，雙圓弧齒輪的輪齒是一個(gè)空間螺旋體，形狀非常復(fù)雜，所以本文依靠ANSYS的APDL語言建立了優(yōu)化后的雙圓弧齒輪單對(duì)輪齒的三維有限元齒對(duì)接觸模型。
分別給齒2的兩個(gè)側(cè)面和內(nèi)圈節(jié)點(diǎn)組件施加全約束，齒1的側(cè)面和內(nèi)圈施加徑向和軸向約束使其保留旋轉(zhuǎn)自由度。齒1的內(nèi)圈節(jié)點(diǎn)施加圓周切向力，使其力矩和等于輪齒1分得的總力矩，F(xiàn)處箭頭表示力的方向。根據(jù)面對(duì)面接觸對(duì)的定義原則，因?yàn)榘济娴那拾霃奖韧姑娴拇?，所以齒1和齒2的凹面建立目標(biāo)面TARGE1和TARGE2，凸面建立接觸面CONTA1和CONTA2.接觸單元使用CONTA174，目標(biāo)單元使用TARGE170.
多齒動(dòng)態(tài)接觸模型受Litvin教授對(duì)圓弧齒輪應(yīng)力分析新方法的啟發(fā)，本文提出一種柔性體動(dòng)態(tài)接觸模型：包括4個(gè)輪齒和完整的輪緣，輪緣用一系列一邊位于軸線上的支撐葉片來聯(lián)接。約束軸線上的節(jié)點(diǎn)的3個(gè)方向的平動(dòng)自由度，齒輪繞齒輪軸的旋轉(zhuǎn)。
齒輪動(dòng)態(tài)性能分析應(yīng)用ANSYS對(duì)雙圓弧齒輪軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析。網(wǎng)格：網(wǎng)格設(shè)計(jì)是考慮用正規(guī)六面體單元?jiǎng)澐郑?jì)算，單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)少。邊界條件：兩齒輪左右的圓錐滾子軸承和滾針軸承，處理為徑向約束，圓錐滾子軸承同時(shí)起軸向約束的作用。
載荷：(1)齒輪上的載荷處理為線載荷，由于本齒輪的接觸點(diǎn)在半邊齒輪上同時(shí)有4個(gè)接觸點(diǎn)，其接觸寬度較寬，且接觸點(diǎn)高速軸向移動(dòng)，所以可近似處理成分布在齒寬的線載荷。(2)兩端的花鍵，一端處理為約束，另一端施加等效切向力扭矩。
