小型螺杆泵地面驱动装置设计

赵新征 葛春香 封以刚 陈玉栋 林 明

(桩西采油厂，山东 东营 257237)

1 小驱动头的设计计算

1.1 齿轮参数计算

齿数比:μ=z2/z1 =37/8 =4.625 初选me=4.5

大端分度圆直径:de1 =z1me =8 ×4.5 =36;de2 =z2me =37 ×4.5 =166.5

齿数:z1 =8 z2 =37

大端端面模数:me=4.5

分锥角:δ1 =arctgz1/z2 =arctg8/37 =12o12′1″;δ2 =77o47′59″(与δ1 互为余角)

外锥距:Re=de1/2sinδ1 =85.17371954

齿宽系数:φR=1/4 -1/3 取φR=1/3

齿宽:b=φR Re=1/3 ×85.17372 =28.39，取b=29

中点模数:mm=me(1 -0.5φR)=4.5 ×(1 -0.5 ×1/3)=3.75

中点法向模数:mnm=mmcosβm=3.75 ×cos35° =3.072

切向变位系数xt:xt1 =0.12;xt2 = -0.12

径向变位系数x:x1 =0.39(1 -1/μ2)=0.39 ×(1 -1/4.6252)=0.372;x2 = -x1 = -0.372

齿宽中点的螺旋角βm，等顶系收缩齿的标准螺旋角βm=35°两轮的螺旋角相等，旋向相反。

齿形角:αn=20°

齿顶高hα:hα=(hα*＋x)me 这里hα*=0.85;hα1 =(0.85 ＋0.372)×4.5 =5.499;hα2 =(0.85 -0.372)×4.5 =2.151

齿根高hf:hf=(ha* ＋c* -x)me;hf1 =(0.85 ＋0.188 -0.372)×4.5 =2.997;hf2 =(0.85 ＋0.188 ＋0.372)×4.5 =6.345

顶隙c:c=c* me=0.188 ×4.5 =0.846

齿根角θf:θf1 =arctghf1/Re=2.01523° =2°54″;θf2 =arctghf2/Re=4.26037° =4°15′37″

齿顶角θa 等隙收缩角:θa1 =θf2 =4°15′37″;θa2 =θf1 =2°54″

顶锥角δa:对等顶隙收缩齿δa1 =δ1 ＋θf2 =12°12′1″＋4°15′37″=16°27′38″;δa2 =δ2 ＋θf1 =77°47′59″ ＋2°54″ =79°48′53″

根锥角δf:δf1 =δ1 -θf1 =12°12′1″-2°54″=10°11′7″;δf2=δ2 -θf2 =77°47′59″-4°15′37″=73°32′22″

齿顶圆直径dae:dae1 = de1 ＋2ha1cosδ1 = 36 ＋2 × 5.499cos12.20046873o=46.75;dae2 =de2 ＋2ha2cosδ2 =166.5 ＋2 ×2.151cos77.7995° =167.409

锥顶到轮冠距离Ak:Ak1 =de2/2 -ha1sinδ1 =166.5/2 -5.499sin12.20046873° =82.08788;Ak2 = de1/2 - ha2sinδ2 =36/2 -2.151sin77.7995° =15.8976

当量齿数Zv:Zv1 =z1/(cosδ1cos3βm)=8/(cos12.2°cos335°)= 14. 891;Zv2 = z2/(cosδ2cos3βm)= 37/(cos77. 7995°cos335°)=318.523

端面重合度εa:当αn=20°时

令X=(ha* ＋x)/cosβm

X1 =(0.85 ＋0.372)/cos35° =1.4917865

X2 =(0.85 -0.372)/cos35° =0.58353

由 X1、X2 查 得 εa1 = 1. 3 εa2 = 0. 58

k=0.709

εa=k(εa1 ＋εa2)=0.709 ×(1.3 ＋0.58)=1.33292

轴向重合度

εβ=btgβm/(πmn)=29tg35°/【π ×4.5 × (1 -0. 5 ×1/3)】=1.72363

总重合度

1.2 齿轮强度校核

已知:T1 =500N·m βm=35°;μ=4.625

齿面硬度HRC58 -62;齿宽系数φk=1/3

小齿轮轴悬臂支撑，大齿轮轴双跨支撑。

1.2.1 齿面接触强度验标

计算接触应力

1)节点区域系数zH，按下式计算

当σ=0 时，取ka=1.01076

2)弹性系数zE，查得，钢对钢，zE=189.3

3)重合度系数，由表14 -3 -30

zε= =1.146

4)螺旋角系数，zβ==0.90507

5)有效宽度，beH=beF=0.85b=0.85 ×29 =24.65

6)锥齿轮系数，zk=0.85

7)使用系数，kA=1.5

8)齿宽中点分锥上得圆周力

齿宽中点分锥上得圆周速度

Vtm=πdm1n1/60000 =1.42242

N=9.34 ×10-3<0.85，处于亚临界区

k=0.15557

kv=9.34 ×10-3×0.155 ＋1 =1.0014477

10)齿向载荷分布系数kHβ=1.5kHβbe=1.65

11)齿间载荷分配系数kHα

得kHα=1.2(7 级精度)

12)润滑剂系数zL90#齿轮油，50℃时平均粘度(运动粘度)

γ50=45mm2/s 对σHlim=1500 N/mm2>1200 的淬硬钢zL≈0.95

13)速度系数zv，当vtm>2.58m/s，σHlim>1200 N/mm2时，zv≈0.97

14)粗糙度系数zR，当Rz100≈3.6um，σHlim>1200 N/mm2时，zR≈0.98

15)温度系数zT取1

16)尺寸系数zx取1

17)最小安全系数SHmin，当失效概率为1%时，SHmin=1

18)极限应力值σHlim，20CrMnTi，齿面硬度HRC58 - 62时，按MQ 取值σHlim=1500 N/mm2

用上述数据代入

许用接触应力

由于ISO 公式未考虑非零变位的影响，而实际上设计者采用了“节点区至少有两对齿啮合”，固需进行修正，即变位类型影响系数zb=0.85 修正。

修正后σ′H=zbσH≈1209.51 N/mm2

即sH=σHp/σH=1.1203 故安全

1.2.2 v 带选择

Pd=kAP=7.5 ×1.6 =12

选择B 型普通v 带

初选2 槽:B=(Z-1)e ＋2f≥41.6

取B=42

bd=14 φ=34°

2 结论

本设计是在现有的驱动头基础上，经过改良计算后而形成的一整套的理论，本次设计和原有的驱动头装置相比，体积更小，适应性更强。其最大的不同之处是此GBF5X 驱动头箱体采用的是9 5/8″的大套管以及φ250、φ120 的圆钢经过加工后焊接而成，此设计对焊接要求较高，不允许出现渗漏。

本设计缩减了驱动头的成本，也增加了原有的驱动头的型号，使驱动头的应用范围更宽。

［1］杨树人;刘姝祺;范家伟;张莹;谭放;;螺杆泵宏观控制图研究［J］;科学技术与工程;2010 年25 期

［2］范海涛，吕玉兴，张运奎，王群草;GBF 型螺杆泵地面驱动装置的研制及应用［J］;石油机械;2004 年04期