雙斜齒輪傳動的設(shè)計和安裝方法研究

周恕毅 （四川宏華石油設(shè)備有限公司研發(fā)部，四川 成都610036）

喻秀英 （四川光恒通信技術(shù)有限公司，四川 成都611731）

目前，國內(nèi)外油田使用的鉆井泵幾乎都是三缸鉆井泵，該鉆井泵體積大、笨重，排量低，流體輸出不平穩(wěn)，拆卸和運輸不方便。為此，開發(fā)了一種體積小、重量輕、排量大、壓力高、流體輸出平穩(wěn)的新型五缸鉆井泵，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該五缸鉆井泵將2個小齒輪直接安裝在驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端，將2個大齒輪安裝在曲軸兩端，整個鉆井泵只有一級齒輪減速，結(jié)構(gòu)簡單，效率高［1，2］。

圖1 五缸鉆井泵結(jié)構(gòu)示意圖

1 傳統(tǒng)三缸鉆井泵齒輪傳動的缺點

傳統(tǒng)三缸鉆井泵齒輪傳動采用人字形齒輪傳動，小齒輪安裝在小齒輪軸中間，大齒輪安裝在曲軸中間，曲軸和小齒輪軸兩端分別用兩個軸承安裝在機(jī)架上。傳統(tǒng)三缸鉆井泵齒輪傳動結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，采用這種結(jié)構(gòu)有如下缺點［3］：①齒輪放置于曲軸中心部位，離曲軸兩端軸承遠(yuǎn)，因此減弱了曲軸的強度和剛度。②齒輪離曲軸兩端軸承的距離遠(yuǎn)，工作時軸承的受力條件差，縮短了軸承的壽命；齒輪離軸承遠(yuǎn)也減弱了齒輪的嚙合。而在一般減速箱的設(shè)計中，要求齒輪盡可能靠近軸承，以保證較好的嚙合。③齒輪布置在曲軸中間部位，使得鉆井泵的缸間距無法縮小，這是造成傳統(tǒng)三缸鉆井泵體積大、笨重的主要原因之一。

圖2 傳統(tǒng)三缸鉆井泵齒輪傳動結(jié)構(gòu)示意圖

2 雙斜齒輪傳動的設(shè)計和安裝方法

傳統(tǒng)三缸鉆井泵動力端齒輪傳動結(jié)構(gòu)對曲軸、齒輪和軸承都有不利影響［4］，而新開發(fā)的五缸鉆井泵避免了這些缺點，采用在曲軸兩端安裝2對斜齒輪，2對斜齒輪旋向相反，這2對斜齒輪組合起來相當(dāng)于1對人字形齒輪。五缸鉆井泵齒輪傳動機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 五缸鉆井泵齒輪傳動機(jī)構(gòu)示意圖

2.1 雙斜齒輪傳動的優(yōu)點

五缸鉆井泵曲軸采用六支撐結(jié)構(gòu)，齒輪置于曲軸兩端，工作時靠兩端的2個斜齒輪同時驅(qū)動曲軸［1］，采用該結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點：①曲軸采用六點支撐，相對傳統(tǒng)三缸鉆井泵僅兩點支撐，曲軸的強度和剛度都更好；②齒輪距軸承距離更短，因此軸承壽命更長，齒輪嚙合更好；③曲軸采用兩端齒輪同時驅(qū)動，曲軸和齒輪的受力更好；④曲軸兩端斜齒輪旋向相反，2個斜齒輪產(chǎn)生的軸向力互相抵消［5］；⑤由于齒輪布置在鉆井泵的兩端，故齒輪不再影響鉆井泵的缸間距，這有利于縮小鉆井泵的缸間距，進(jìn)而減小鉆井泵的體積和重量。

雖然采用雙斜齒結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)勢，但是采用該結(jié)構(gòu)必須保證兩端的斜齒輪副同時嚙合，如果齒輪的設(shè)計和裝配達(dá)不到要求，就會造成單側(cè)齒輪受力，這樣不但降低了齒輪的強度和嚙合性能，而且降低了曲軸的強度，軸承壽命也受到很大影響。因此，采用雙斜齒輪傳動方式關(guān)鍵必須保證2對齒輪副同步嚙合。在五缸壓裂泵上目前也采用雙斜齒輪傳動，齒輪和軸之間采用鍵連接，該連接方式為保證2對齒輪副同步嚙合，需要不斷地修磨鍵，以達(dá)到2對齒輪副同步嚙合的要求，采用鍵連接的方法不但使得齒輪副的同步嚙合很難調(diào)整，而且齒輪的安裝和拆卸麻煩，尤其是修磨鍵需要花費大量的時間，因此新開發(fā)的五缸鉆井泵取消了鍵連接，小齒輪和小齒輪軸之間采用錐面過盈連接，大齒輪和曲軸之間采用脹緊連接套連接，這種連接方式不但齒輪安裝拆卸方便，而且2對齒輪副的同步嚙合調(diào)整簡單容易。

2.2 左、右旋小齒輪與小齒輪軸的安裝

左、右旋小齒輪和小齒輪軸采用錐面過盈配合［6］，組裝時將小齒輪加熱到約300℃，然后將左、右旋小齒輪熱裝到小齒輪軸上。要達(dá)到雙斜齒輪同時嚙合，首先得先保證左、右旋小齒輪安裝到小齒輪軸上的位置精度，筆者是通過采用工裝來保證小齒輪的裝配精度。小齒輪和小齒輪軸裝配后的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。小齒輪和小齒輪軸采用工裝裝配示意圖如圖5所示。

保證左、右旋小齒輪和小齒輪軸的相對裝配位置精度操作方法如下：

1）分別在左、右旋小齒輪外端面的1個齒寬中心打印標(biāo)記 “0”，然后在該齒寬中心與齒輪中心的連線上加工2個銷孔a和2個螺紋孔b；在小齒輪軸兩端端面上分別加工1個銷孔c［6］，小齒輪軸兩端面的銷孔c相對小齒輪軸中心的位置一致。如圖4所示。

2）左、右旋小齒輪和小齒輪軸熱裝前，先將定位板用螺栓固定在左、右旋小齒輪上，并在定位板上安裝圓柱銷和棱形銷，然后將裝有定位板的小齒輪加熱到約300℃；將裝有定位板的小齒輪整體熱裝到小齒輪軸上，定位板上安裝的棱形銷裝入小齒輪軸端面的銷孔c中［6］。如圖5所示。

由于銷孔a和銷孔c的定位作用，安裝到小齒輪軸兩端的左、右旋小齒輪相對小齒輪軸的位置一致。

圖4 小齒輪和小齒輪軸裝配后結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 五缸鉆井泵結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 左、右旋大齒輪總成的安裝

左、右旋大齒輪總成分別安裝在曲軸兩端的軸頸上，左、右旋大齒輪總成和曲軸之間通過脹緊連接套和螺栓連接，如圖3所示［7］。為保證大、小齒輪同步嚙合，左、右旋大齒輪總成在加工過程中，分別在左、右旋大齒輪總成相鄰的兩個齒外端面打印標(biāo)記 “0”，打印標(biāo)記 “0”的兩個齒面之間的齒槽中心、齒輪總成中心和齒輪總成的螺栓安裝孔a的孔心位于同一直線上［7］。大齒輪總成的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

左、右旋大齒輪總成安裝方法如下［7］：

1）將左、右旋大齒輪總成裝入曲軸兩端，安裝時小齒輪上打印標(biāo)記 “0”的齒面必須位于大齒輪上打印標(biāo)記 “0”的齒面之間，并用螺栓將左、右旋大齒輪總成輕輕擰在曲軸上；按標(biāo)記 “0”裝配大、小齒輪才能確保裝在曲軸上的2個大齒輪總成的螺栓安裝孔a和曲軸上相應(yīng)的螺紋孔同時對齊。

2）分別旋轉(zhuǎn)左、右旋大齒輪總成，使得大、小齒輪的嚙合面貼緊，并在大、小齒輪的非嚙合面用塞尺或墊片塞緊。

圖6 大齒輪總成結(jié)構(gòu)示意圖

3）將左、右旋大齒輪總成和曲軸間的螺栓擰緊。

4）將脹緊連接套安裝到左、右旋大齒輪總成和曲軸之間。

5）取下大、小齒輪非嚙合面的塞尺。

由于安裝脹緊連接套后，可能造成塞尺或墊片難以取下，此時可以通過適當(dāng)旋轉(zhuǎn)齒輪而將塞尺取下。

完成齒輪副的安裝后，通過現(xiàn)場測試，大齒輪旋轉(zhuǎn)一周的過程中，在大齒圈圓周上均勻選取10個點測試兩端齒輪同步嚙合情況，實際檢測結(jié)果為兩端齒輪嚙合面不同步性差值在0．05mm內(nèi)。

3 結(jié)論

在鉆井泵上采用雙斜齒輪傳動方式，極大地改善了曲軸和軸承的受力狀況，提高了曲軸和軸承的壽命。提出了雙斜齒輪傳動的設(shè)計方法和安裝方法，能有效地解決兩對齒輪副的同步性嚙合問題。雙斜齒輪傳動設(shè)計和安裝方法已經(jīng)成功地運用到宏華公司新開發(fā)的五缸鉆井泵，該五缸鉆井泵已經(jīng)成功完成3口井的鉆井工作。雙斜齒輪傳動的設(shè)計和安裝方法，可為同類齒輪設(shè)計和安裝提供參考。

［1］李德清，翁衛(wèi)東，李蓉，等 ．一種新型五缸鉆井泵的設(shè)計 ［J］．石油鉆探技術(shù)，2006，34（5）：60～62．

［2］胡俊成，黃新杰，周東亮，等 ．新型五缸鉆井泵研制 ［J］．石油礦場機(jī)械，2010，39（10）：71～74．

［3］沈?qū)W海 ．鉆井往復(fù)泵原理與設(shè)計 ［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990．

［4］鐘功祥，段會竹，梁政，等 ．一種新型泥漿泵動力端的設(shè)計及運動仿真 ［J］．石油礦場機(jī)械，2008，37（1）：9～12．

［5］張會霞，周驥平 ．雙斜齒輪泵工作原理及其特性分析 ［J］．煤礦機(jī)械，2008，29（9）：71～73．

［6］黃順俊 ．一種齒輪軸兩端斜齒輪的對中裝置及其制造、裝配方法 ［P］．CN102606634A，2012-07-25．

［7］周恕毅，黃順俊，張芳芳，等 ．鉆井用五缸泵及其五缸泵的斜齒輪安裝方法 ［P］．CN103541880A，2014-01-29．