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轴承知识
潜油电泵机组轴伸及轴向窜量设计分析
杜丹阳 李令喜 高生
(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津 300452)
  摘 要:本文就现有潜油电泵机组中各部分轴伸及轴向窜量的设计现状进行了描述,归纳了常规选型设计方法及注意事项,并提出了全压缩泵的轴伸设计优化方法,避免了实际生产装配过程中潜油泵反复装配调节轴伸及轴向窜量的问题,提高了产品装配效率。
  关键词:潜油电泵机组;轴伸;轴向窜量
  0 引言
  潜油电泵机组的连接是依靠上下连接头的法兰连接,而电机的转矩和轴向力都是是依靠潜油电机(以下简称电机)、潜油电机保护器(以下简称保护器)、油气分离器(以下简称分离器)及潜油泵(以下简称泵)之间的花键套将进行轴向传递的,因此,机组的轴向连接尺寸配合性即轴伸和轴向窜量变得非常重要,既要满足法兰连接的密封性能要求,也要满足电机扭矩和轴向力的正常传递,否则会造成叶导轮磨损、轴端花键断裂等严重生产事故。
  目前国内外厂家在潜油电泵产品轴伸及轴向窜量设计方面各成体系,都是依据各自产品特点及多年生产运行经验而制定的,但总体设计的目标基本一致,即电机与保护器轴端采用“间隙”配合方式,避免轴向力传递至电机;泵与泵,泵与分离器及保护器之间采用“过盈”配合方式,从而保证轴向力逐级传递给保护器。
  1 轴伸的设计分析
  轴伸是指轴端面与机组法兰端面的距离,分为上轴伸和下轴伸两种。对于泵和分离器规定下轴伸为当上端轴头与上接头法兰面平齐时,下端轴头端面与下接头法兰盘平面的距离;对于保护器,由于结构设计需要,上下轴头都采用内缩进法兰内方式,所以分为上轴伸和下轴伸。
  在设计过程中,以整套电泵机组从上到下由泵、分离器、保护器、电机构成为例,泵的下轴伸尺寸以配合花键套后充分与分离器的上轴端面紧密接触为宜,其目的是保证轴向力能通过花键套有效的传递给分离器和保护器,即所谓的“过盈”配合。如果泵和分离器及花键套之间存在间隙,泵举升时产生的轴向力不能通过泵轴向下传递,此时会造成叶轮导壳间的磨损;同时,轴端花键与花键套有效啮合长度不足,会造成花键的应力损坏。
  分离器的下轴伸设计与泵的下轴伸设计原理一致。保护器的上轴伸与分离器的下轴伸设计相互关联,仍采用“过盈”配合方式;下轴伸则与电机的上轴伸设计相关,以保护器的下轴端面和电机的上轴端面通过花键套连接后仍有一定间隙为宜,目的是为了避免保护器的轴向力传递给电机,影响电机的正常运行。
  2 轴向窜量的设计分析
  轴向窜量分为上窜量和下窜量,即轴向上和向下的位移距离。在满足轴伸设计要求下,轴向窜量设计以轴之间不相互干涉为原则,主要需要保证三点:第一,上一节机组的下窜量要大于下一节机组的下窜量,否则会出现上一节轴与下一节轴不接触问题;第二,各节机组的上窜量应满足实际装配后轴的位移需要,否则会出现轴之间的干涉;第三,无论轴在向上或者向下哪个方向移动时,轴套和轴瓦应始终保持相对配合位置,否则会出现轴在轴瓦位置的快速磨损及震动等问题。
  3 轴伸及窜量设计计算案例分析
  以某系列机组为例,其各部分连接后轴伸如图1,轴间隙及轴间干涉分析,(见图1)。
  3.1轴间隙分析
  3.1.1电机与保护器轴间隙分析
  由图1所示,电机与保护器轴最小间隙为:K-l-J-H-i,当K-l-J-H-i>0时,电机与保护器轴间存在间隙,满足设计要求。
  3.1.2保护器与分离器、分离器与泵、泵与泵轴间隙分析
  分离器轴向下窜动Z=F+g-E-C+d,当Z小于分离器轴向下窜量时,保护器与分离器轴间不产生间隙;
  第1节泵轴向下窜动Y=Z-B+A+a,第2节泵轴向下窜动X=Y-B+A+a=X,第3节泵轴向下窜动W=X-B+A+a,第4节泵轴向下窜动V=W-B+A+a,当Y、X、W、V均小于泵轴向下窜量时,分离器轴与第1节泵轴间、第一节至第四节泵轴间不产生间隙;
  3.2轴间干涉分析
  分离器轴与保护器轴干涉分析:分离器轴向上窜动U=F-g-E-C-d,当U小于分离器轴向上窜量时,两者轴间不干涉;
  第1节泵轴向上窜动Q=U+B-A+a,第2节泵轴向上窜动P=Q+B-A+a,第3节泵轴向上窜动O=P+B-A+a,第4节泵轴向上窜动N=O+B-A+a,当Q、P、O、N均小于泵轴向上轴窜量时,分离器轴与第1节泵轴、第一节至第四节泵轴间不发生干涉。
  4 全压缩泵轴伸设计优化
  在全压缩泵装配时,由于各零部件装配后的累积公差范围较大,造成下轴伸装配长度公差范围较大,不易保证,另外,不同厂家不同型号叶轮也造成了实际装配过程中轴伸的不确定性,为此需要根据不同型号叶导轮制造有不同位置定位槽的泵轴。为此,本文提出在叶轮末端增加轴伸调节隔套,其优点是:通过实配轴伸调节隔套长度,可较容易调整下轴伸尺寸,并且公差范围小,避免了反复装配造成头座和壳体研扣问题;同时轴上定位槽尺寸可统一,这样同一根轴可以通用于不同泵型。增加调节轴伸隔离套装配示意图如下:
  5 结语
  本文从上述分析中得出以下结论:
  (1)潜油电泵机组轴伸设计需要合理考虑过盈与间隙配合;
  (2)轴向窜量设计需要考虑轴间干涉及间隙问题;
  (3)通过增加调节轴伸隔离套可统一全压缩泵泵轴定位槽,实现不同叶轮使用同种泵轴;
  (4)通过灵活改变调节轴伸隔离套长度,可有效解决多级叶轮造成的较大累计误差对装配中轴伸难以控制的问题,避免反复装配造成研扣问题。
  潜油电泵机组的轴伸和轴向窜量设计最终的目标是要使机组可以正常运行,避免各部分连接的轴之间不合理的干涉及间隙造成机组故障,合理的设计还需要考虑到不同品牌产品的相互配合使用及现场连泵时的操作便捷。
  参考文献:
  [1]GB/T16750-2008潜油电泵机组[S].中国标准出版社,2009(03).
  [2]梅思杰,潜油电泵技术[S].石油工业出版社,2004(07).
  [3]张琪.采油工程原理与设计[M].东营:石油大学出版社,2000.
来源:《山东工业技术》2015年12期
发布时间:2019-06-25