F—1600泥浆泵传动轴断齿原因及解决对策分析

陈志强　刘社荣　刘显龙　陈凌飞

摘要：F-1600泥浆泵传动轴断齿是一种严重的设备故障，制约石油钻井生产。订购传动轴总成费用较高，周期长，非设备修理首选。文章通过齿轮失效原理分析及受力分析计算，提出采用镶齿轮套的方法快速恢复设备使用性能，是设备修理新的思路之一。

关键词：泥浆泵；传动轴；断齿；设备故障；石油生产 文献标识码：A

中图分类号：TE926 文章编号：1009-2374（2016）34-0091-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.045

1 概述

F-1600泥浆泵的传动轴结构为整体锻造加工，传动齿轮直接在传动轴表面加工而成。近年来，我公司所使用的该型泥浆泵在使用过程中，多次出现传动轴齿轮断齿，断裂部位均在齿根。断齿内侧在节线附近有点状剥落带，外观呈双向贝纹线，属多源低周、延性疲劳断口。断齿发生时同时损伤与之配合使用的曲轴人字齿圈。

2 齿轮失效原理分析

齿轮传动的失效主要表现为以下方面：

2.1 折断

折断通常表现为：（1）疲劳折断：工作时轮齿反复受载，使得齿根处产生疲劳裂纹，并逐步扩展以至轮齿折断的失效。疲劳裂纹多起源于齿根受拉的一侧；（2）过载折断：齿轮受到突然过载或经严重磨损后齿厚减薄时，轮齿会发生过载折断。

2.2 齿面失效

齿面失效最主要的形式是点蚀：齿轮在啮合过程中，相互接触的齿面受到周期性变化的接触应力的作用。若齿面接触应力超出材料的接触疲劳极限时，在载荷的多次重复作用下，齿面会产生细微的疲劳裂纹；封闭在裂纹中的润滑油的挤压作用下使得裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而形成麻点，从而产生点蚀。节线靠近齿根的部位最先产生点蚀。点蚀将影响传动的平稳性并产生冲击、振动。

2.3 轮齿应力分析

轮齿受力如图1所示。在啮合传动过程中，齿轮表面承受不同形式的应力作用，齿面和近表面金属在拉伸、压缩和剪切应力作用下，经多次重复应力作用，产生微小裂纹形成疲劳源，随着应力循环次数增加，裂纹将扩展以致相互连接起来形成小块金属脱落，齿面出现点蚀剥落，齿轮齿面产生疲劳损坏。在重复应力的作用下，经过高周次接触应力循环作用，微裂纹扩展及聚合，导致齿轮断裂。

3 F-1600泥浆泵传动轴受力分析及计算

3.1 齿轮技术参数表

Z1=34；Z2=143；传动比i=4.206。其他参数见使用说明书。

3.2 传动轴外形及几何参数

传动轴外形及几何参数如图2所示：

3.3 传动轴受力分析

根据材料力学原理，传动轴的简支梁图、扭矩图和弯矩图分别如图3、图4、图5所示：

3.4 传动轴齿轮受力分析

传动轴齿轮受力分析如图6所示：

3.5 受力计算

3.5.1 根据F-1600泥浆泵使用说明书，以下数据在设计阶段已经确定：（1）泥浆泵齿轮传动的精度等级为8级；小齿轮的材料为40Cr（调质），大齿轮的材料为45钢（调质）；（2）齿轮螺旋角β=30°，额定功率n1=130冲/分时，P=1275kW。

3.5.2 计算小齿轮所传递的扭矩：

3.5.3 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度εHlim2=580MPa。

3.5.4 应力循环次数按无限次设计。查得接触寿命系数KHN1=0.88，KHN2=0.87。

3.5.5 计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1%，安全系数S=1，则：

3.5.6 查得小齿轮的疲劳强度极限MPa，大齿轮的弯曲疲劳强度极限MPa。弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.80，KFN2=0.81。

3.5.7 弯曲强度的校核式如下：

3.5.8 查得齿形系数YFa1=2.30，YFa2=2.16；齿形校正系数YSa1=1.71，Ysa2=1.82，计算大小齿轮的并加以比较。

数据显示，小齿轮的齿形系数与齿形校正系数乘积与齿轮弯曲强度校核数据的比值小于大齿轮的比值，说明小齿轮在泥浆泵的动力端受力较大，在载荷多次重复冲击下容易受到损伤。

4 解决对策

根据齿轮失效的现象及以上计算分析，在高速、重载工况下，传动轴扭转振动，冲击载荷、动载荷系数都变大，进而使齿面接触应力增大，引起疲劳损伤。提出以下解决对策：

当F-1600泥浆泵传动轴的齿轮受到损伤后，可采取对受损轴探伤鉴定，将原轴齿轮剥离后安装一对齿轮套形成人字齿的方法进行修复。齿轮套相对于整轴加工简单，具有能够保证加工精度、周期较短、更换快捷的修理优势，所以采用该方案符合修理标准，更加满足生产需要。

4.1 小轮轴车削加工后以及配套加工的齿轮套的外形尺寸

小轮轴车削加工后以及配套加工的齿轮套的外形尺寸如图7：

4.2 平键的剪切强度和齿轮轴套的过盈配合的扭矩

计算平键的剪切强度和齿轮轴套的过盈配合的扭矩，算式中的数据见以上计算结果和图表数据。

4.2.1 根据工程力学，对平键的剪切强度进行计算：

式中：Q为剪切力；T为传动轴所受扭矩；d为齿套安装处外径尺寸；b为平键宽度；l为平键长度。

4.2.2 根据国标《极限与配合过盈配合的计算和选用》（GB/T 5371-2004）中关于过盈配合的扭矩计算公式：

式中：df为齿套安装处外径尺寸；?为计算系数；lf为齿套总宽度。

通过计算可知：平键的剪切强度和小齿轮套的过盈配合扭矩均能满足F-1600泥浆泵的使用工况。

4.3 加工和装配的技术要求

对传动轴进行超声波探伤，确保在受损过程中其内部和其他部位没有裂纹；原齿轮部位车削后保持同轴度、圆度和光洁度，具体数据要求达到原厂家加工精度；安装齿圈套的位置开平键键槽，原则上为保证安装的质量，和输入端键槽处于同一条水平线；齿圈套表面渗碳热处理，避免各种表面渗碳热处理缺陷的产生；要求热装，在烘箱内加热至180℃，保温2小时进行装配。

5 结语

齿轮轴轮齿的问题是机械设备传动装置中普遍存在的现象。本文通过对齿轮失效原理的分析以及F-1600泥浆泵传动轴断齿原因的分析和计算，提出将原轴齿轮剥离后安装一对齿轮套形成人字齿的方法进行修复的解决办法，可以更快、更好地满足钻井现场的生产需求，是大型设备修理的有效方法之一。

参考文献

[1] 周开勤.机械零件手册（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2] 机械工程手册（第4、5、6卷）[M].北京：机械工业出版社，1992.

[3] 宝鸡石油机械有限公司.F1300/F1600钻井泵使用说明书[S].2003.

[4] 郭绍波.F-1600往复式泥浆泵机体有限元分析[D].兰州理工大学，2011.

[5] 孙宝贤.高压注射泥浆泵可靠性分析与参数优化[D].重庆交通大学，2012.

（责任编辑：蒋建华）