1280D双圆弧齿轮减速器设计及有限元分析

2009-11-29郭登明黄朝斌谢光伟

长江大学学报(自科版) 2009年10期

关键词：小齿轮减速器抽油机

郭登明，黄朝斌，谢光伟

(长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023)

麻栋兰

(大连理工大学运载工程与力学学部，辽宁大连 116024)

1280D双圆弧齿轮减速器设计及有限元分析

郭登明，黄朝斌，谢光伟

(长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023)

麻栋兰

(大连理工大学运载工程与力学学部，辽宁大连 116024)

齿轮减速器是抽油机上的关键部件，其重量占抽油机总重量的20%，因此，合理的参数选取和设计对减速器质量和体积的减小至关重要。通过合理的参数选取和结构设计，使减速器的性能有了很大的提高，最后对箱体用Pro/E软件建模，并导入ANSYS进行分析，得到箱体的结构强度、受力状况，为箱体的优化设计提供依据。

减速器；双圆弧齿轮；设计；有限元分析

抽油机是油田采油生产中常用的地面动力设备，工作环境恶劣，工作载荷较大。齿轮减速器是抽油机上的关键部件，其重量占抽油机总重量的20%，因此，合理的参数选取和设计对减速器质量和体积的减小至关重要。现有抽油机的减速器几乎全部采用双圆弧齿轮[1]，为了满足国内抽油机出口生产的需要，笔者按照API标准要求，设计了1280D(146kN/m)型减速器，增加了国内抽油机的出口规格和品种。1280D抽油机用减速器采用二级分流式双圆弧人字齿轮[2]传动。下面对具体设计过程及主要零件的有限元分析过程进行分析。

1 参数的选取

齿轮减速器是采油设备抽油机上的核心部件，其价格占全套设备的一半以上[3,4]。减速器齿轮参数的选择是否合理，直接影响整机的工作质量和成本。减速器的参数包括总传动比、输出轴最高转速、输出扭矩等。为了保证两级齿轮传动都得到良好润滑，须使得两级传动的大齿轮直径相差不大，根据设计经验，取i1=(1.1～1.4)i2。i1为低速级传动比；i2为高速级传动比。i1×i2为减速器的总传动比i，一般取i=28～31。另外，根据API标准规定及减速器的工作状态，确定输出轴的最高转速为12r/min。

2 设计计算及校核计算

1) 齿轮的设计小齿轮选用35CrMo,调质处理，HB1=265～295HBS；大齿轮选用ZG35SiMn，调质处理，HB2=265～295HBS，按接触强度初步确定模数[5]:

(1)

式中，T1为小齿轮的名义扭矩；Z1为小齿轮齿数；KA为使用系数；KV为运载系数；K1为接触迹间载荷分配系数；KH 2为接触强度计算的接触迹内载荷分配系数；ZE为接触强度计算的弹性系数；Zu为双圆弧齿轮的齿数比系数；Zβ为双圆弧齿轮的螺旋角系数；Zα为接触弧长系数；σHP为许用接触应力；KΔε为接触迹系数；με为重合度的整数部分。

初步确定高速级的模数为mn=8，低速级模数为mn=12，然后计算出中心距、齿宽、小齿轮的分度圆直径。

2) 齿轮的强度校核因为齿轮是按接触强度进行设计的，故先对齿根弯曲强度进行校核。根据文献[5]，计算出小齿轮的弯曲强度安全系数SF 1=2.85，而小齿轮的弯曲强度许用安全系数SF min=1.6，故小齿轮弯曲强度安全。同样，计算出大齿轮的弯曲强度安全系数SF 2=2.42，而大齿轮的弯曲强度许用安全系数SF min=1.6，故大齿轮的弯曲强度安全。

按齿面接触强度对大小齿轮进行接触强度校核。根据文献[5]，计算出小齿轮接触强度安全系数SH 1=1.83，而小齿轮的接触强度许用安全系数SH min=1.3，故小齿轮接触强度安全。同样，计算出大齿轮的接触强度安全系数SH 2=2.01，而大齿轮的接触强度许用安全系数SH min=1.3，故大齿轮轮接触强度安全。

3) 轴的强度校核轴的强度包括疲劳强度和静强度，对于双向旋转的轴，根据文献[5]，计算出轴的疲劳强度安全系数S=2.35，而轴的许用疲劳强度安全系数[S]=1.65，故轴的疲劳强度足够。同样，可计算出轴的静强度安全系数SS=2.25，而轴的许用静强度安全系数[SS]=1.5，故轴的静强度足够。

4) 轴的刚度校核轴的扭转刚度可由下式计算[5]：

(2)

式中，Ф为轴的刚度，rad；Ti为轴的各个段面扭矩；li为轴的各个段面长度，m；di为轴的各个段面直径，mm；l为轴的长度，m。

用式(2)可对轴的扭转刚度进行计算，计算出轴的扭转角[Ф]=0.195rad，而轴的许用扭转角[Ф]=0.25rad，故轴的扭转刚度足够。

轴的弯曲刚度(包括弯曲角度和挠度2个方面)可用下式计算[5]:

(3)

(4)

式中，θA为轴的弯曲角度，rad；θA 1为轴在水平面上的弯曲角度，rad；θA 2为轴在垂直平面上的弯曲角度，rad；ymax为轴的挠度，mm；ymax 1为轴在水平面上的挠度，mm；ymax 2为轴在垂直面上的挠度，mm。

由此计算得出：θA=0.0025rad，而许用弯曲度[θ]=0.005rad(调心滚子轴承处)；同样可计算出ymax=0.011mm，而许用轴的挠度[y] =0.12～0.36mm，故轴的弯曲刚度足够。

3 箱体及箱盖的有限元分析

由于减速器箱体的结构复杂，所以选用功能强大的Pro/E进行建模[6]。考虑到PRO/E强大的建模功能和ANSYS的分析功能，利用Pro/E与ANSYS之间的接口，将模型从PRO/E中导入到ANSYS中进行分析。由于箱体是对称结构，故只需取模型的一半进行分析，如图1所示。

图1 箱体三维模型图

由于箱体是受交变载荷的作用，为简化起见，只分析其4个关键点(0°、105°、150°、285°)的受力，对于箱盖采用连接螺栓处全约束，箱座采用连接螺栓和地脚螺栓处全约束，均施加扭矩载荷。使用Solid92单元为10结点二次四面体单元，箱体材料为HT200，其弹性模量为E=1.3×1011Pa，泊松比=0.25。选择6级精度对箱体进行自由网格划分，在箱体的每个轴承座处选择细化。图2为箱体应力最大时的应力云图。

分析得出最大应力在100MPa左右，小于HT200的极限应力170MPa[5]。因考虑到简化造成的误差，故认为箱体设计合理。

图2 箱体Von-Mises应力云图

4 性能分析

在减速器设计过程中，齿轮的设计至关重要，该减速器采用二级分流式双圆弧人字齿轮传动，与渐开线齿轮等其他齿轮传递相比，具有如下优点：①双圆弧人字齿轮减速器由于承载能力高，它比其他齿形的减速器体积小，重量轻，有较小的振动和噪声(≤20dB左右)。②高、低速级均采用人字齿，用于变载荷场合，安全系数大，满足了抽油机减速器承受重复交变载荷、长期连续运转这一要求。③双圆弧齿轮具有良好的跑合性能，无根切现象发生，而且双圆弧齿轮齿面啮合时，呈双线接触，齿轮接触线长，齿根较厚，并且有很大的相对曲率半径，使其弯曲强度和接触强度较渐开线齿轮提高40%～60%。④双圆弧齿轮在啮合过程中，接触点沿啮合线是轴向移动，齿面作相对滚动，减少摩擦损耗，提高传动效率，运行平稳。此外，1280D双圆弧齿轮减速器还有如下优点：①为了适应抽油机载荷变化大的要求，减速箱采用分流式结构，齿轮采用两级减速，高速级与低速级均采用人字齿与轴承对称布置。这样载荷沿齿宽分布较均匀，无轴向力，轴承受载平均分布，有利于减速器和轴承的寿命提高。抽油机在每个冲程中都产生负扭矩，这种传动的布置有利于解决轴的窜动及因此造成的漏油现象，同时也利于齿轮传动噪声的减小。轴承与端盖之间留有间隙，使齿轮易于装配，传动中能够自动对中。此外，分流式两级圆柱齿轮减速器由于外伸轴的位置可以由任意边伸出，故可方便地进行机器的总体配置。②重量是衡量产品的一个重要指标，减速器也不例外。该减速器采用二级分流式双圆弧人字齿轮传动，双圆弧齿轮减速器中心距小，因而具有较小的外形尺寸，与老系列抽油机减速器相比，其承载能力提高了30%，整机重量减轻了15%，整台减速器的重量仅为10.9t。