F—1600泥漿泵傳動軸斷齒原因及解決對策分析

陳志強　劉社榮　劉顯龍　陳凌飛

摘要：F-1600泥漿泵傳動軸斷齒是一種嚴重的設(shè)備故障，制約石油鉆井生產(chǎn)。訂購傳動軸總成費用較高，周期長，非設(shè)備修理首選。文章通過齒輪失效原理分析及受力分析計算，提出采用鑲齒輪套的方法快速恢復(fù)設(shè)備使用性能，是設(shè)備修理新的思路之一。

關(guān)鍵詞：泥漿泵；傳動軸；斷齒；設(shè)備故障；石油生產(chǎn) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE926 文章編號：1009-2374（2016）34-0091-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.045

1 概述

F-1600泥漿泵的傳動軸結(jié)構(gòu)為整體鍛造加工，傳動齒輪直接在傳動軸表面加工而成。近年來，我公司所使用的該型泥漿泵在使用過程中，多次出現(xiàn)傳動軸齒輪斷齒，斷裂部位均在齒根。斷齒內(nèi)側(cè)在節(jié)線附近有點狀剝落帶，外觀呈雙向貝紋線，屬多源低周、延性疲勞斷口。斷齒發(fā)生時同時損傷與之配合使用的曲軸人字齒圈。

2 齒輪失效原理分析

齒輪傳動的失效主要表現(xiàn)為以下方面：

2.1 折斷

折斷通常表現(xiàn)為：（1）疲勞折斷：工作時輪齒反復(fù)受載，使得齒根處產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴展以至輪齒折斷的失效。疲勞裂紋多起源于齒根受拉的一側(cè)；（2）過載折斷：齒輪受到突然過載或經(jīng)嚴重磨損后齒厚減薄時，輪齒會發(fā)生過載折斷。

2.2 齒面失效

齒面失效最主要的形式是點蝕：齒輪在嚙合過程中，相互接觸的齒面受到周期性變化的接觸應(yīng)力的作用。若齒面接觸應(yīng)力超出材料的接觸疲勞極限時，在載荷的多次重復(fù)作用下，齒面會產(chǎn)生細微的疲勞裂紋；封閉在裂紋中的潤滑油的擠壓作用下使得裂紋擴大，最后導(dǎo)致表層小片狀剝落而形成麻點，從而產(chǎn)生點蝕。節(jié)線靠近齒根的部位最先產(chǎn)生點蝕。點蝕將影響傳動的平穩(wěn)性并產(chǎn)生沖擊、振動。

2.3 輪齒應(yīng)力分析

輪齒受力如圖1所示。在嚙合傳動過程中，齒輪表面承受不同形式的應(yīng)力作用，齒面和近表面金屬在拉伸、壓縮和剪切應(yīng)力作用下，經(jīng)多次重復(fù)應(yīng)力作用，產(chǎn)生微小裂紋形成疲勞源，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增加，裂紋將擴展以致相互連接起來形成小塊金屬脫落，齒面出現(xiàn)點蝕剝落，齒輪齒面產(chǎn)生疲勞損壞。在重復(fù)應(yīng)力的作用下，經(jīng)過高周次接觸應(yīng)力循環(huán)作用，微裂紋擴展及聚合，導(dǎo)致齒輪斷裂。

3 F-1600泥漿泵傳動軸受力分析及計算

3.1 齒輪技術(shù)參數(shù)表

Z1=34；Z2=143；傳動比i=4.206。其他參數(shù)見使用說明書。

3.2 傳動軸外形及幾何參數(shù)

傳動軸外形及幾何參數(shù)如圖2所示：

3.3 傳動軸受力分析

根據(jù)材料力學(xué)原理，傳動軸的簡支梁圖、扭矩圖和彎矩圖分別如圖3、圖4、圖5所示：

3.4 傳動軸齒輪受力分析

傳動軸齒輪受力分析如圖6所示：

3.5 受力計算

3.5.1 根據(jù)F-1600泥漿泵使用說明書，以下數(shù)據(jù)在設(shè)計階段已經(jīng)確定：（1）泥漿泵齒輪傳動的精度等級為8級；小齒輪的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），大齒輪的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）；（2）齒輪螺旋角β=30°，額定功率n1=130沖/分時，P=1275kW。

3.5.2 計算小齒輪所傳遞的扭矩：

3.5.3 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度εHlim2=580MPa。

3.5.4 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)按無限次設(shè)計。查得接觸壽命系數(shù)KHN1=0.88，KHN2=0.87。

3.5.5 計算接觸疲勞許用應(yīng)力，取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，則：

3.5.6 查得小齒輪的疲勞強度極限MPa，大齒輪的彎曲疲勞強度極限MPa。彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.80，KFN2=0.81。

3.5.7 彎曲強度的校核式如下：

3.5.8 查得齒形系數(shù)YFa1=2.30，YFa2=2.16；齒形校正系數(shù)YSa1=1.71，Ysa2=1.82，計算大小齒輪的并加以比較。

數(shù)據(jù)顯示，小齒輪的齒形系數(shù)與齒形校正系數(shù)乘積與齒輪彎曲強度校核數(shù)據(jù)的比值小于大齒輪的比值，說明小齒輪在泥漿泵的動力端受力較大，在載荷多次重復(fù)沖擊下容易受到損傷。

4 解決對策

根據(jù)齒輪失效的現(xiàn)象及以上計算分析，在高速、重載工況下，傳動軸扭轉(zhuǎn)振動，沖擊載荷、動載荷系數(shù)都變大，進而使齒面接觸應(yīng)力增大，引起疲勞損傷。提出以下解決對策：

當F-1600泥漿泵傳動軸的齒輪受到損傷后，可采取對受損軸探傷鑒定，將原軸齒輪剝離后安裝一對齒輪套形成人字齒的方法進行修復(fù)。齒輪套相對于整軸加工簡單，具有能夠保證加工精度、周期較短、更換快捷的修理優(yōu)勢，所以采用該方案符合修理標準，更加滿足生產(chǎn)需要。

4.1 小輪軸車削加工后以及配套加工的齒輪套的外形尺寸

小輪軸車削加工后以及配套加工的齒輪套的外形尺寸如圖7：

4.2 平鍵的剪切強度和齒輪軸套的過盈配合的扭矩

計算平鍵的剪切強度和齒輪軸套的過盈配合的扭矩，算式中的數(shù)據(jù)見以上計算結(jié)果和圖表數(shù)據(jù)。

4.2.1 根據(jù)工程力學(xué)，對平鍵的剪切強度進行計算：

式中：Q為剪切力；T為傳動軸所受扭矩；d為齒套安裝處外徑尺寸；b為平鍵寬度；l為平鍵長度。

4.2.2 根據(jù)國標《極限與配合過盈配合的計算和選用》（GB/T 5371-2004）中關(guān)于過盈配合的扭矩計算公式：

式中：df為齒套安裝處外徑尺寸；?為計算系數(shù)；lf為齒套總寬度。

通過計算可知：平鍵的剪切強度和小齒輪套的過盈配合扭矩均能滿足F-1600泥漿泵的使用工況。

4.3 加工和裝配的技術(shù)要求

對傳動軸進行超聲波探傷，確保在受損過程中其內(nèi)部和其他部位沒有裂紋；原齒輪部位車削后保持同軸度、圓度和光潔度，具體數(shù)據(jù)要求達到原廠家加工精度；安裝齒圈套的位置開平鍵鍵槽，原則上為保證安裝的質(zhì)量，和輸入端鍵槽處于同一條水平線；齒圈套表面滲碳熱處理，避免各種表面滲碳熱處理缺陷的產(chǎn)生；要求熱裝，在烘箱內(nèi)加熱至180℃，保溫2小時進行裝配。

5 結(jié)語

齒輪軸輪齒的問題是機械設(shè)備傳動裝置中普遍存在的現(xiàn)象。本文通過對齒輪失效原理的分析以及F-1600泥漿泵傳動軸斷齒原因的分析和計算，提出將原軸齒輪剝離后安裝一對齒輪套形成人字齒的方法進行修復(fù)的解決辦法，可以更快、更好地滿足鉆井現(xiàn)場的生產(chǎn)需求，是大型設(shè)備修理的有效方法之一。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）