自升式鉆井平臺升降裝置變速箱齒輪檢修探索

包自強，顧志超

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300452）

目前，我國在用的自升式鉆井平臺升降裝置多為進口設(shè)備，變速箱齒輪是升降裝置的關(guān)鍵零件。由于沒有變速箱齒輪的技術(shù)參數(shù)，嚴(yán)重影響了設(shè)備的修理和加工，為了突破這一技術(shù)壁壘，嘗試對某自升式鉆井平臺升降裝置（型號：D60H）變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)進行了探索。

齒輪的技術(shù)參數(shù)主要包括：模數(shù)m（或徑節(jié)P），壓力角α，齒數(shù)Z，齒頂高系數(shù)ha*，頂隙系數(shù)C*和變位系數(shù)X。這六個基本參數(shù)確定后，其余參數(shù)便迎刃而解。

齒輪的參數(shù)在國際上分兩大系列：由中國、前蘇聯(lián)、瑞士、德國、捷克、法國和日本等國采用的模數(shù)m系列；由美國和英國等國采用的徑節(jié)P系列。

確定齒輪的參數(shù)系列，首先應(yīng)明確齒輪屬于模數(shù)m系列還是徑節(jié)P系列，一般根據(jù)齒輪的制造國籍進行判別。我們知道NOV屬于跨國公司，其產(chǎn)品有許多屬于美制和英制的零件，按此推理，齒輪可能采用徑節(jié)P系列；但本設(shè)備是由NOV的BLM公司制造，而BLM公司在法國，齒輪應(yīng)采用模數(shù)m系列。究竟屬于徑節(jié)P系列還是模數(shù)m系列？查閱相關(guān)技術(shù)資料，并沒有注明齒輪的參數(shù)和制造標(biāo)準(zhǔn)。為破解這一難題，需對變速箱齒輪進行檢測，制定檢測工藝，通過檢測施工獲得第一手檢測數(shù)據(jù)；通過對檢測數(shù)據(jù)的分析和計算確定變速箱齒輪的技術(shù)參數(shù)。

自升式鉆井平臺升降裝置變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)的探索主要包括：檢修施工、齒輪參數(shù)測量、齒輪參數(shù)的分析與計算等過程。

1 檢修施工

自升式鉆井平臺升降裝置變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)的檢修施工需將升降裝置變速箱解體。為了保障鉆井平臺的穩(wěn)定性，應(yīng)先將待解體的升降裝置載荷轉(zhuǎn)移至其它升降裝置。

進行檢修施工準(zhǔn)備，主要包括下述內(nèi)容：

（1）施工設(shè)備和工具準(zhǔn)備；

（2）齒輪測量的量具準(zhǔn)備：公法線千分尺、外徑千分尺、內(nèi)徑千分尺、內(nèi)徑百分表、游標(biāo)卡尺和齒厚游標(biāo)卡尺等；

（3）工裝準(zhǔn)備：制作放置變速箱的臺架；

（4）將變速箱內(nèi)潤滑油放出；

（5）做好變速箱拆卸前的位置標(biāo)記，以便裝配時正確就位；

（6）變速箱電機斷電，進行能源隔離；

（7）在吊車的配合下，將變速箱從升降裝置上吊下；

（8）用吊車將變速箱吊至放置變速箱的臺架上；

（9）拆卸變速箱，清洗齒輪等零件。

以上工作完成后，接下來即可進行齒輪的參數(shù)測量。

2 齒輪參數(shù)測量

2.1 變速箱齒輪傳動

變速箱齒輪傳動情況：由電動機輸入動力，經(jīng)過第1級、第2級、第3級和第4級的變速傳動，由第4級輸出軸將動力輸出。根據(jù)變速箱齒輪傳動情況，繪制變速箱齒輪傳動圖（圖1）。

圖1 變速箱齒輪傳動圖

現(xiàn)以第2級變速傳動系統(tǒng)，齒輪編號2.1和編號2.2為例，進行齒輪參數(shù)測量、分析和計算說明。

2.2 齒輪齒形

變速箱內(nèi)齒輪齒形及齒輪現(xiàn)場嚙合狀態(tài)見圖 2。

圖2 齒輪齒形

從圖2我們可以看出，小齒輪（編號2.1）齒頂較尖，大齒輪（編號2.2）齒頂較平，直觀表明齒輪是變位設(shè)計，其變位系數(shù)須經(jīng)測量、分析和計算確定。

2.3 齒輪參數(shù)測量

齒輪齒數(shù)：小齒輪（編號2.1）齒數(shù)Z1，大齒輪（編號2.2）齒數(shù)Z2。

測量齒頂圓直徑：小齒輪齒頂圓直徑da1'，大齒輪齒頂圓直徑da2'。

測量齒寬：小齒輪齒寬b1，大齒輪齒寬b2。

測量齒輪公法線[1]：小齒輪跨越2齒的公法線值W2'，跨越3齒的公法線值W3'；大齒輪跨越9齒的公法線值W9'，跨越10齒的公法線值W10'。

測量齒輪中心距：小齒輪與大齒輪之間的中心距a'。

參數(shù)測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 測量數(shù)據(jù)

3 齒輪參數(shù)分析與計算

3.1 計算基圓齒距Pb

根據(jù)公法線測量值計算基圓齒距Pb，小齒輪的基圓齒距表示為Pb1，大齒輪的基圓齒距表示為Pb2：

式中：Pb1為小齒輪的基圓齒距，mm；Pb2為大齒輪的基圓齒距，mm；小齒輪跨越2齒的公法線值W2'，mm；跨越3齒的公法線值W3'，mm；大齒輪跨越9齒的公法線值W9'，mm；跨越10齒的公法線值W10'，mm.

參數(shù)分析：Pb1=17.700 mm是小齒輪2.1（齒數(shù)Z1=14）的基圓齒距；Pb2=17.710 mm是大齒輪2.2（齒數(shù)Z2= 85）的基圓齒距，兩組數(shù)據(jù)比較接近。

3.2 確定模數(shù)m或徑節(jié)P、壓力角α

基圓齒距Pb、模數(shù)m、壓力角α的關(guān)系公式：Pb= πmcosα。

由基圓齒距Pb1和Pb2值查《機械修理大全》基圓齒距Pb= πmcosα表 1-8-35[2]，得出 ：

Pb= 17.713 mm，對應(yīng)模數(shù)m= 6 mm，壓力角α= 20°。

參數(shù)分析：模數(shù)m= 6 mm是齒輪設(shè)計采用的第一系列參數(shù)。

3.3 判別傳動類型，確定是否為變位齒輪

初步測算非變位時的標(biāo)準(zhǔn)中心距：

式中：a0為標(biāo)準(zhǔn)中心距，mm；m為模數(shù)；Z1為小齒輪齒數(shù)，個；Z2為大齒輪齒數(shù)，個。

參數(shù)分析：初步測算齒輪副的標(biāo)準(zhǔn)中心距是297.00 mm，這與中心距測量值a'= 300.00 mm不符，因此，判斷被測齒輪為角度變位齒輪傳動。

3.4 計算變位系數(shù)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中心距a0、中心距測量值a'，計算嚙合角α'：

式中：a0為標(biāo)準(zhǔn)中心距，mm；a'為中心距測量值，mm ；α'為嚙合角，°。

根據(jù)小齒輪齒數(shù)Z1、大齒輪齒數(shù)Z2、壓力角α、嚙合角α'、漸開線函數(shù)invα'及invα，計算變位系數(shù)和X∑：

式中：為變位系數(shù)和；Z1為小齒輪齒數(shù)，個；Z2為大齒輪齒數(shù)，個；α為壓力角，°；α'為嚙合角，°；invα'及 invα為漸開線函數(shù)。

齒輪傳動為正角度變位傳動。

根據(jù)中心距測量值a'、標(biāo)準(zhǔn)中心距a0、模數(shù)m，計算中心距變動系數(shù)y：

式中：y為中心距變動系數(shù)；a'為中心距測量值，mm；a0為標(biāo)準(zhǔn)中心距，mm；m為模數(shù)。

計算齒高變動系數(shù)Δy

式中：Δy為齒高變動系數(shù)；X∑為變位系數(shù)和；y為中心距變動系數(shù)。

計算變位系數(shù)X1：

式中：X1為變位系數(shù)；da1'為小齒輪齒頂圓直徑測量值，mm；da2'大齒輪齒頂圓直徑測量值，mm；m為模數(shù)，Z1為小齒輪齒數(shù)，個；Z2為大齒輪齒數(shù)，個；為變位系數(shù)和。

根據(jù)變位系數(shù)和X∑、變位系數(shù)X1，計算變位系數(shù)X2：

式中：X2為變位系數(shù)；X∑為變位系數(shù)和；X1為變位系數(shù)。

參數(shù)分析：變位系數(shù)和X∑= 0.518 422 7＞ 0，稱為正角度變位齒輪傳動。

嚙合角α' = 21.519°＞α = 20°，設(shè)計時選擇嚙合角α'大于分度圓壓力角（20°），可以提高齒輪的抗彎曲疲勞強度。

3.5 校驗計算參數(shù)

查《機械設(shè)計手冊》表16.2-2[3]：壓力角α = 20°， 齒頂高系數(shù) ha*= 1。

3.5.1 校驗齒輪中心距

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中心距a0、壓力角α、嚙合角α'，計算中心距a：

式中：a為中心距，mm；a0為標(biāo)準(zhǔn)中心距，mm；α為壓力角，°；α'為嚙合角，°。

計算中心距a = 300 mm與中心距測量值a'=300 mm完全相等。

3.5.2 校驗齒頂圓直徑

校核小齒輪齒頂圓直徑da1：

式中：da1為小齒輪齒頂圓直徑，mm；m為模數(shù)；Z1為小齒輪齒數(shù)，個；ha*為齒頂高系數(shù)；X1為變位系數(shù)；Δy為齒高變動系數(shù)。

小齒輪齒頂圓計算直徑da1= 102.22 mm，與齒頂圓直徑測量值da1' = 102.70 mm相比，僅差0.48 mm。

校核大齒輪齒頂圓直徑da2：

式中：da2為大齒輪齒頂圓直徑，mm；m為模數(shù)；Z2為大齒輪齒數(shù)，個；ha*為齒頂高系數(shù)；X2為變位系數(shù)；Δy為齒高變動系數(shù)。

大齒輪齒頂圓計算直徑da2= 521.57 mm，與齒頂圓直徑測量值da2' = 522.05 mm相比，僅差0.48 mm。

3.5.3 校驗齒輪公法線值

根據(jù)模數(shù)m、壓力角α、公法線跨齒數(shù)k， 查《機械設(shè)計手冊》表16.2-20[3]，小齒輪Z1= 14時k = 2，漸開線函數(shù)invα，變位系數(shù)X1，校核小齒輪的公法線值W2：

式中：W2為小齒輪的公法線值，mm；m為模數(shù)；α為壓力角，°；k為公法線跨齒數(shù)； Z1為小齒輪齒數(shù)，個； invα為漸開線函數(shù)；X1為變位系數(shù)。

小齒輪的公法線計算值W2= 29.950 mm，與法線測量值W2' = 30.000 mm相比，僅差0.050 mm。

根據(jù)模數(shù)m、壓力角α、公法線跨齒數(shù)k， 查《機械設(shè)計手冊》表16.2-20[3]，大齒輪Z2= 85時k = 10，漸開線函數(shù)invα，變位系數(shù)X2，校核大齒輪的公法線值W10：

式中：W10為小齒輪的公法線值，mm；m為模數(shù)；α為壓力角，°；k為公法線跨齒數(shù)；Z2為小齒輪齒數(shù)，個； invα為漸開線函數(shù)；X2為變位系數(shù)。

大齒輪的公法線計算值W10= 175.340 mm與公法線測量值W10' = 175.310 mm相比，僅差0.030 mm。

3.5.4 校驗齒輪嚙合角

根據(jù)壓力角α、小齒輪齒數(shù)Z1、大齒輪齒數(shù)Z2、變位系數(shù)和X∑、漸開線函數(shù)invα，校核嚙合角：α'。

式中：α'為嚙合角，°；α為壓力角，°；Z1為小齒輪齒數(shù)，個；Z2為大齒輪齒數(shù)，個；X∑為變位系數(shù)和；invα為漸開線函數(shù)。

查《機械設(shè)計手冊》表16.2-9[3]得：α'=21.519°

參數(shù)分析：通過以上齒輪參數(shù)校驗表明，齒輪參數(shù)計算值與測量值吻合，驗證了齒輪參數(shù)的正確性。

4 確定齒輪技術(shù)參數(shù)

我們對變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)進行了上述的探索，測量變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)，通過對檢測數(shù)據(jù)的分析和計算，破解了齒輪參數(shù)，確定了齒輪采用模數(shù)m系列，而非徑節(jié)P系列。

小齒輪2.1和大齒輪2.2構(gòu)成的齒輪副為直齒外嚙合平行軸漸開線圓柱齒輪，齒輪參數(shù)為：模數(shù)m = 6 mm，壓力角α = 20°，齒頂高系數(shù) ha*= 1，頂隙系數(shù)C*= 0.25，齒數(shù)Z1= 14，齒數(shù)Z2= 85，變位系數(shù)X1= 0.536 294 68，X2= -0.017 871 98。

5 升降裝置變速箱檢修裝復(fù)和實踐驗證

待齒輪的參數(shù)測量工作完成后，即可進行升降裝置變速箱齒輪的檢查和修理工作，按修理工程要求和相關(guān)規(guī)范進行修理施工，對于變速箱齒輪，根據(jù)《GB/T 3481—1997 齒輪輪齒磨損和損傷的術(shù)語》[4]及《JB/T 5664—2007 重載齒輪 失效判據(jù)》[5]，判斷齒輪是否失效。對于失效齒輪，按照確定的齒輪技術(shù)參數(shù)繪制圖紙，加工齒輪，更換失效的齒輪。檢修軸、軸承，更換備件和損壞件，檢查并更換密封件等。以上工作完成后，裝復(fù)該升降裝置變速箱，回裝工序與上述的拆卸工序相反，加潤滑油。進行空載試車，負(fù)荷試車，完成該項目驗收交接。后來在該自升式鉆井平臺實際鉆井作業(yè)過程中對升降裝置變速箱齒輪進行了數(shù)次（一個月、三個月、半年、一年）檢查，齒輪磨損正常，升降裝置變速箱運轉(zhuǎn)正常。

6 結(jié)論

完成了自升式鉆井平臺升降裝置（型號：D60H）變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)的探索，經(jīng)分析與計算，確定了齒輪技術(shù)參數(shù)，突破了進口設(shè)備的技術(shù)壁壘，為齒輪測量、分析和計算開創(chuàng)了一個良好的范例。為設(shè)備的使用、修理和制造提供了技術(shù)依據(jù)，為齒輪的自主加工開辟了途徑，按此探索的技術(shù)路線，我們完成了進口齒輪的檢測、修理和加工，設(shè)備運行正常。驗證了自升式鉆井平臺升降裝置（型號：D60H）變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)的正確性。這樣的探索推進了進口設(shè)備國產(chǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化。文中的技術(shù)參數(shù)、分析和計算方法具有一定的推廣和借鑒價值。