應(yīng)用于油氣勘探的小傳動(dòng)比鉆機(jī)絞車減速箱設(shè)計(jì)

劉勁蒼，范岳柏

(湖南省地勘局探礦機(jī)械研制中心，長沙 410100)

0 引言

當(dāng)前用于鉆機(jī)絞車的驅(qū)動(dòng)方式分為兩種，分別為電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)[1]。由于用于油氣勘探的鉆機(jī)需要在高瓦斯?jié)舛鹊沫h(huán)境下作業(yè)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鉆機(jī)絞車很有可能產(chǎn)生電火花引起安全事故，因此適用于油氣勘探鉆機(jī)的絞車應(yīng)當(dāng)采用液壓為驅(qū)動(dòng)方式[2,3]。鉆機(jī)絞車減速箱的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足小型化的應(yīng)用要求，在滿足小傳動(dòng)比的前提下，本文通過計(jì)算對絞車減速箱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 絞車減速箱的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 減速箱傳動(dòng)比計(jì)算

對絞車的總傳動(dòng)效率進(jìn)行計(jì)算，如式(1)所示：

η=η1·η2·η3

(1)

式中：η為絞車的總傳動(dòng)效率；η1為聯(lián)軸器傳動(dòng)效率，取值0.995；η2為齒輪傳動(dòng)效率，取值0.995；η3為滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率，取值0.980。

則絞車總傳動(dòng)效率η=0.971。

總傳動(dòng)比的計(jì)算如式(2)所示：

(2)

式中：i為減速箱總傳動(dòng)比；M為單側(cè)最大驅(qū)動(dòng)力矩，M=52300 N·m；T為采用的液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)矩，T=15 333 N·m。

將總傳動(dòng)效率η代入式(2)，可以得到適用于油氣勘探的鉆機(jī)減速齒輪的總傳動(dòng)比i=3.516。

通過上述計(jì)算可以看出，減速箱的傳動(dòng)比很小，在進(jìn)行減速箱設(shè)計(jì)時(shí)，采用一級(jí)齒輪減速就可以滿足使用的要求，同時(shí)絞車不能過多占用鉆臺(tái)的面積，因此減速箱體積也必須很小。

1.2 減速箱齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算

1.2.1 初定齒輪參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用斜齒圓柱齒輪作為減速箱的傳動(dòng)齒輪，這是因?yàn)榕c直齒圓柱齒輪相比，在相同條件下斜齒齒輪的尺寸更小。表1所示為選用的斜齒齒輪的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)中采用7級(jí)精度，初定螺旋角β=14°。

表1 斜齒齒輪相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)

1.2.2 齒輪參數(shù)計(jì)算

(1) 根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算

首先從齒輪齒面的接觸強(qiáng)度計(jì)算角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，小齒輪分度圓的直徑計(jì)算d1t公式如式(3)所示：

(3)

式中：Kt為載荷系數(shù)，取值Kt=1.6；ψd為齒寬系數(shù)，取值ψd=1；u為齒數(shù)比，初選值為u=3.2；T為扭矩，T=14 765 N·m；ZH為區(qū)域系數(shù)，ZH=2.43；ZE為材料彈性系數(shù)，ZE=189.8；εa=εa1+εa2=1.6[4]。將各個(gè)數(shù)據(jù)帶入公式(3)可得，d1t=226.43 mm。

齒寬b、模數(shù)mnt、齒高h(yuǎn)的計(jì)算公式如式(4)所示：

(4)

代入數(shù)值計(jì)算后可得，齒寬b=226.43 mm，模數(shù)mnt=9.15 mm，齒高h(yuǎn)=20.59 mm。

載荷系數(shù)K的計(jì)算如式(5)所示：

K=KA·Kv·KHα·KHβ

(5)

式中：KA為使用系數(shù)，取值KA=1；Kv為動(dòng)載系數(shù)，通過計(jì)算圓周速度v=1.24 m/s可得Kv=0.9；KHα為螺旋線載荷系數(shù)，取值KHα=1.2；KHβ為端面載荷的分布系數(shù)，取值KHβ=1.2。代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得，K=1.417。

對分度圓直徑d1進(jìn)行校正，如式(6)所示：

(6)

計(jì)算校正后分度圓直徑為d1=220.17 mm，將d1代入式(4)可得模數(shù)為mn=8.9 mm。

(2)根據(jù)齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算

從齒根的彎曲強(qiáng)度角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，齒輪模數(shù)mn計(jì)算公式如式(7)所示：

(7)

式中：K為載荷系數(shù)，取值K=1.404；εα為縱向重合度系數(shù)，計(jì)算公式如式(8)所示：

εα=0.318ψdz1tanβ

(8)

代入數(shù)值后εα=1.903，根據(jù)εα得到Y(jié)β=0.88。當(dāng)量齒數(shù)的計(jì)算公式如式(9)所示：

(9)

代入數(shù)值后可得zv1=26.27，zv2=93.05。

大齒輪的齒形系數(shù)YFα=2.61，應(yīng)力校正系數(shù)YSα=1.596；小齒輪的齒形系數(shù)YFα=2.19，應(yīng)力校正系數(shù)YSα=1.783；分別對大小齒輪的(YFα·YSα)/[σF]進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后小齒輪的(YFαYSα)/[σF]較大。

將各個(gè)參數(shù)代入式(7)可得mn≥6.46 mm，取整后mn=7 mm。模數(shù)對齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度影響較大，根據(jù)上述計(jì)算模數(shù)mn=7 mm，分度圓直徑d1=220.17 mm時(shí)，對齒數(shù)z1和z2、齒輪螺旋角β進(jìn)行計(jì)算，如式(10)所示：

(10)

計(jì)算后可得z1=31、z2=112、β=14.08°。

(3)齒輪強(qiáng)度校核

首先對齒面的接觸強(qiáng)度進(jìn)行校核，齒輪分度圓上的切向力Ft=131 995.4 N，接觸應(yīng)力σH和允許范圍內(nèi)接觸應(yīng)力[σH]的計(jì)算公式如式(11)所示：

(11)

表2 接觸強(qiáng)度校核各參數(shù)取值

表2為齒面的接觸強(qiáng)度校核所需參數(shù)的取值，式11中參數(shù)取值如表2所示，代入數(shù)值后接觸應(yīng)力σH=1055.34 MPa，大小齒輪的允許范圍內(nèi)接觸應(yīng)力[σH1]=1067 MPa、[σH2]=1101 MPa，[σH1]和[σH2]的最小值大于σH，因此接觸疲勞強(qiáng)度校核合格。

對齒根的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核，齒根彎曲強(qiáng)度σF和允許范圍內(nèi)彎曲強(qiáng)度[σF]的計(jì)算公式如式(12)所示：

(12)

表3 彎曲強(qiáng)度校核各參數(shù)取值

表3為齒根彎曲強(qiáng)度校核時(shí)所需參數(shù)的取值，式(12)中的各參數(shù)取值如表3所示。代入數(shù)值后大小齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度σF1=409.8 MPa、σF2=384.14 MPa，許用齒根彎曲強(qiáng)度[σF1]=437 MPa、[σF2]=426.8 MPa，[σF1]和[σF2]的最小值大于σF1和σF2的最大值，因此齒根彎曲強(qiáng)度校核合格。

1.2.3 計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算得出，小傳動(dòng)比鉆機(jī)絞車減速箱所采用的斜齒輪各個(gè)參數(shù)為小齒輪齒數(shù)31，大齒輪齒數(shù)112，螺旋角14.08°，模數(shù)7。

2 結(jié)論

綜上所述，在油氣勘探中采用小傳動(dòng)比的鉆機(jī)絞車，其減速箱設(shè)計(jì)采用斜齒圓柱齒輪作為減速箱的傳動(dòng)齒輪，作者通過計(jì)算確定了齒輪的各個(gè)參數(shù)，為探礦設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了參考。