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应用于油气勘探的小传动比钻机绞车减速箱设计

2018-12-22刘劲苍范岳柏

地质装备 2018年6期
关键词:齿根传动比绞车

刘劲苍,范岳柏

(湖南省地勘局探矿机械研制中心,长沙 410100)

0 引言

当前用于钻机绞车的驱动方式分为两种,分别为电机驱动和液压马达驱动[1]。由于用于油气勘探的钻机需要在高瓦斯浓度的环境下作业,采用电机驱动的钻机绞车很有可能产生电火花引起安全事故,因此适用于油气勘探钻机的绞车应当采用液压为驱动方式[2,3]。钻机绞车减速箱的设计应当满足小型化的应用要求,在满足小传动比的前提下,本文通过计算对绞车减速箱进行了优化设计。

1 绞车减速箱的设计计算

1.1 减速箱传动比计算

对绞车的总传动效率进行计算,如式(1)所示:

η=η1·η2·η3

(1)

式中:η为绞车的总传动效率;η1为联轴器传动效率,取值0.995;η2为齿轮传动效率,取值0.995;η3为滚动轴承的传动效率,取值0.980。

则绞车总传动效率η=0.971。

总传动比的计算如式(2)所示:

(2)

式中:i为减速箱总传动比;M为单侧最大驱动力矩,M=52300 N·m;T为采用的液压驱动马达的额定转矩,T=15 333 N·m。

将总传动效率η代入式(2),可以得到适用于油气勘探的钻机减速齿轮的总传动比i=3.516。

通过上述计算可以看出,减速箱的传动比很小,在进行减速箱设计时,采用一级齿轮减速就可以满足使用的要求,同时绞车不能过多占用钻台的面积,因此减速箱体积也必须很小。

1.2 减速箱齿轮设计计算

1.2.1 初定齿轮参数

根据设计要求,选用斜齿圆柱齿轮作为减速箱的传动齿轮,这是因为与直齿圆柱齿轮相比,在相同条件下斜齿齿轮的尺寸更小。表1所示为选用的斜齿齿轮的相关参数,设计中采用7级精度,初定螺旋角β=14°。

表1 斜齿齿轮相关参数数据参数

1.2.2 齿轮参数计算

(1) 根据齿面接触强度计算

首先从齿轮齿面的接触强度计算角度进行设计,小齿轮分度圆的直径计算d1t公式如式(3)所示:

(3)

式中:Kt为载荷系数,取值Kt=1.6;ψd为齿宽系数,取值ψd=1;u为齿数比,初选值为u=3.2;T为扭矩,T=14 765 N·m;ZH为区域系数,ZH=2.43;ZE为材料弹性系数,ZE=189.8;εa=εa1+εa2=1.6[4]。将各个数据带入公式(3)可得,d1t=226.43 mm。

齿宽b、模数mnt、齿高h的计算公式如式(4)所示:

(4)

代入数值计算后可得,齿宽b=226.43 mm,模数mnt=9.15 mm,齿高h=20.59 mm。

载荷系数K的计算如式(5)所示:

K=KA·Kv·KHα·KHβ

(5)

式中:KA为使用系数,取值KA=1;Kv为动载系数,通过计算圆周速度v=1.24 m/s可得Kv=0.9;KHα为螺旋线载荷系数,取值KHα=1.2;KHβ为端面载荷的分布系数,取值KHβ=1.2。代入相关数据可得,K=1.417。

对分度圆直径d1进行校正,如式(6)所示:

(6)

计算校正后分度圆直径为d1=220.17 mm,将d1代入式(4)可得模数为mn=8.9 mm。

(2)根据齿根弯曲强度计算

从齿根的弯曲强度角度进行设计,齿轮模数mn计算公式如式(7)所示:

(7)

式中:K为载荷系数,取值K=1.404;εα为纵向重合度系数,计算公式如式(8)所示:

εα=0.318ψdz1tanβ

(8)

代入数值后εα=1.903,根据εα得到Yβ=0.88。当量齿数的计算公式如式(9)所示:

(9)

代入数值后可得zv1=26.27,zv2=93.05。

大齿轮的齿形系数YFα=2.61,应力校正系数YSα=1.596;小齿轮的齿形系数YFα=2.19,应力校正系数YSα=1.783;分别对大小齿轮的(YFα·YSα)/[σF]进行计算,计算后小齿轮的(YFαYSα)/[σF]较大。

将各个参数代入式(7)可得mn≥6.46 mm,取整后mn=7 mm。模数对齿轮的弯曲疲劳强度影响较大,根据上述计算模数mn=7 mm,分度圆直径d1=220.17 mm时,对齿数z1和z2、齿轮螺旋角β进行计算,如式(10)所示:

(10)

计算后可得z1=31、z2=112、β=14.08°。

(3)齿轮强度校核

首先对齿面的接触强度进行校核,齿轮分度圆上的切向力Ft=131 995.4 N,接触应力σH和允许范围内接触应力[σH]的计算公式如式(11)所示:

(11)

表2 接触强度校核各参数取值

表2为齿面的接触强度校核所需参数的取值,式11中参数取值如表2所示,代入数值后接触应力σH=1055.34 MPa,大小齿轮的允许范围内接触应力[σH1]=1067 MPa、[σH2]=1101 MPa,[σH1]和[σH2]的最小值大于σH,因此接触疲劳强度校核合格。

对齿根的弯曲强度进行校核,齿根弯曲强度σF和允许范围内弯曲强度[σF]的计算公式如式(12)所示:

(12)

表3 弯曲强度校核各参数取值

表3为齿根弯曲强度校核时所需参数的取值,式(12)中的各参数取值如表3所示。代入数值后大小齿轮的齿根弯曲强度σF1=409.8 MPa、σF2=384.14 MPa,许用齿根弯曲强度[σF1]=437 MPa、[σF2]=426.8 MPa,[σF1]和[σF2]的最小值大于σF1和σF2的最大值,因此齿根弯曲强度校核合格。

1.2.3 计算结果

通过计算得出,小传动比钻机绞车减速箱所采用的斜齿轮各个参数为小齿轮齿数31,大齿轮齿数112,螺旋角14.08°,模数7。

2 结论

综上所述,在油气勘探中采用小传动比的钻机绞车,其减速箱设计采用斜齿圆柱齿轮作为减速箱的传动齿轮,作者通过计算确定了齿轮的各个参数,为探矿设备的设计提供了参考。

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