石油修井机新型角传动箱设计

薛亚刚，杨兵，王仁鹏，司浩，朱阳（陕西汽车控股集团有限公司，陕西 西安 710200）



设计研究

石油修井机新型角传动箱设计

薛亚刚，杨兵，王仁鹏，司浩，朱阳
（陕西汽车控股集团有限公司，陕西 西安 710200）

针对传统的石油修井机角传动箱不可换档，或换挡需停车人工机械操作等问题。设计了一种新型角传动箱，通过控制三套液压离合器的断开与啮合，实现修井机工作过程中不停车换挡，同时实现大钩提升力和提升速度三种组合，满足不同工况下的使用要求。解决了换挡困难和档位较少的问题，达到整车动力匹配易调整，可控制发动机处于经济油耗工作区，从而降低了作业成本、提高了车辆寿命、降低了工人劳动强度。

石油修井机；角传动箱；液压离合器

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.011

CLC NO.: TE935Document Code: BArticle ID: 1671-7988(2016)08-32-03

前言

油气田进入开发的中后期后，由于各种各样的原因，如地层自身能量降低、生产管串损坏、套管变形破裂、产层被水淹砂埋等等，导致油气井不能进行正常的生产或产量降低较大，需进行修井作业。石油修井机主要用于修井作业中的提升和下放抽油杆、油管、钻杆。

石油修井机通过动力单元驱动角传动箱，角传动箱再驱动绞车、游动系统和油田井口设备进行作业。由此看出角传动箱是石油修井机的关键部件，它起着将动力从输人端改变方向后输出到使用部件的重要作用，其性能的优劣直接影响到整个传动系统能否正常工作。

1、现有角传动箱

角传动箱把发动机输入的动力传递给绞车主滚筒，同时具有改变传动角度、变速的功能，现有角传动箱通常包括定速比传动结构和双速比机械传动结构两种。

定速比传动结构为一组锥齿轮将输人动力减速改变方向后，由链轮或齿轮输出给后部绞车滚筒等部件。因其为定速比传动，其后部绞车提升力和速度调整只有靠发动机油门大小调整，整车油耗较高，气、声、化学污染较大，同时作业成本较高、车辆寿命低、工人劳动强度大。

双速比机械传动结构角传动箱采用档位拨叉改变主动滑套位置，通过内外齿轮表面的进行硬摩擦啮合进行换挡，再通过一组锥齿轮将输入动力改变方向后输出，现有双速比机械传动结构作业时会出现换挡时，因主动轮与被动轮转速不一致需要先行切断动力，使主动轮与被动轮同步，然后通过手动或气动推动空套齿轮进行齿轮切换，空套齿形与被动齿形啮合角度不理想需要操作人员通过转动输入轴才能保证齿轮正常啮合，同时档位较少，整车动力匹配不易调整，难以控制发动机处于经济油耗工作区，传动不平稳，换挡切换困难齿轮冲击载荷大，从而增加了作业成本、降低了设备的可靠性和工作的连续性。降低了车辆寿命、增加了工人劳动强度。

2、新型角传动箱

新型角传动箱有液压控制的三套液压离合器，液压离合器是利用液压油操纵接合的离合器，接合元件有嵌入式与摩擦式之分，我们设计选用的是摩擦式。液压离合器的特点有：①传递转矩大，尺寸小，尺寸相同时比电磁离合器传递转矩约大3倍；②自行补偿摩擦元件磨损的间隙；③接合平稳，无冲击；④调节系统油压可在一定范围内调节传递转矩；⑤结构复杂，加工精度高，需配液压站。[1]

当三套液压离合器都不啮合时，齿轮空转，不进行动力传递，当一套液压离合器啮合，其余两套不啮合时，动力传递，三套液压离合器可实现三个档位的切换，并且液压离合器在断开与啮合时，不需要先行切断动力使主动轮和从动轮同步，可实现不停车换挡。

如图3所示，新型角传动箱主要由输入轴、直齿轮a、直齿轮b、液压离合器Ⅰ、直齿轮c、锥齿轮b、输出轴、链轮、锥齿轮a、直齿轮d、液压离合器Ⅱ、直齿轮e、液压离合器Ⅲ、直齿轮 f、中间轴等主要部件构成。采用强制润滑对各部件进行润滑，箱体结构紧凑，体积小，操作方便。提高产品使用功能，减少操作程序，提高作业效率，并提高产品使用寿命。

其中，输入轴与直齿轮a通过花键连接，输入轴与直齿轮b通过花键连接，输入轴与直齿轮c通过轴承连接，液压离合器Ⅰ与直齿轮c通过花键连接；锥齿轮b与输出轴通过花键连接，锥齿轮a、直齿轮d与中间轴通过花键连接；直齿轮e与中间轴通过轴承连接，液压离合器Ⅱ与直齿轮e通过花键连接；直齿轮f与中间轴通过轴承连接，液压离合器Ⅲ与直齿轮f通过花键连接；链轮与输出轴通过花键连接。

如图3所示，当修井机动力通过输入轴输入角传动箱时，输入轴带动直齿轮a、直齿轮b一起转动，出现以下几种工况：

1）当液压离合器Ⅰ、液压离合器Ⅱ与液压离合器Ⅲ都不啮合时，直齿轮a与直齿轮f啮合带动直齿轮f转动，由于直齿轮f与中间轴为轴承连接，故中间轴不进行动力传递；直齿轮b与直齿轮e啮合带动直齿轮e转动，由于直齿轮e与中间轴为轴承连接，故中间轴不进行动力传递。此时角传动箱为分离状态。

2）当液压离合器Ⅰ啮合，液压离合器Ⅱ与液压离合器Ⅲ都不啮合时，修井机底盘动力通过输入轴输入角传动箱时，液压离合器Ⅰ啮合，由于液压离合器Ⅰ与直齿轮c通过花键连接，从而直齿轮c转动，带动直齿轮d转动，直齿轮d、锥齿轮a与中间轴均为花键连接，从而直齿轮d、锥齿轮a转动，锥齿轮a与锥齿轮b处于啮合状态，锥齿轮b与输出轴通过花键连接，将输入动力通过输出轴传递给链轮进行输出，此时角传动箱为I档状态。

3）当液压离合器Ⅱ啮合，液压离合器Ⅰ与液压离合器Ⅲ都不啮合时，修井机电机动力通过输入轴输入角传动箱时，液压离合器Ⅱ啮合，由于液压离合器Ⅱ与直齿轮e通过花键连接，从而直齿轮e转动，带动直齿轮d转动，直齿轮d、锥齿轮a与中间轴均为花键连接，从而直齿轮d、锥齿轮a转动，锥齿轮a与锥齿轮b处于啮合状态，锥齿轮b与输出轴通过花键连接，将输入动力通过输出轴传递给链轮进行输出，此时角传动箱为Ⅱ档状态。

4）当液压离合器Ⅲ啮合，液压离合器Ⅰ与液压离合器Ⅱ都不啮合时，修井机电机动力通过输入轴输入角传动箱时，液压离合器Ⅲ啮合，由于液压离合器Ⅲ与直齿轮f通过花键连接，从而直齿轮f转动，带动直齿轮d转动，直齿轮d、锥齿轮a与中间轴均为花键连接，从而直齿轮d、锥齿轮a转动，锥齿轮a与锥齿轮b处于啮合状态，锥齿轮b与输出轴通过花键连接，将输入动力通过输出轴传递给链轮进行输出，此时角传动箱为Ⅲ档状态。

3、角传动箱方案设计

3.1方案的确定

新型角传动箱由三对圆柱齿轮进行传动，末端含有一套90°转换机构，为一对锥齿，实现扭矩90°转换；总共实现三个档位转换，均为齿轮传动，且在传动箱内部。根据传动链的要求，得到角传动箱的设计简图如图3所示。其中用到三套液压离合器，液压离合器结构上有柱塞式与活塞式之分，根据角传动箱整体要求，本次选用活塞式多盘液压离合器，推力大，动作灵敏。

3.2传动比的确定

计算总传动比及分配各级的传动比为：

I档传动比：i1=5.46；

Ⅱ档传动比：i2=2.42；

Ⅲ档传动比：i3=1.53；

3.3运动参数及力参数计算

选用输人功率为：p1=160KW，

联轴器的效率：η=0.99，

因此输入轴的功率为：p=p1×0.99=158.4 KW；

最高输入转速：nmax=1500rpm，

最大输入扭矩：Tmax=1323N.m；

表2　不同档位输入与输出参数

3.4新型角传动箱三维模型设计

根据确定的方案和传动比要求，利用CATIA软件建立新型角传动箱三维模型，便于分析结构尺寸和干涉。先确定输入轴与中间轴的中心距，再分别确定几组齿轮的齿数，然后建立几组齿轮的三维模型，最后建立角传动箱的箱体尺寸及相关附件，完成新型角传动箱三维设计。

4、结论

新型角传动箱涉及修井机上装设计、制造和使用领域，从现有修井机角传动箱结构设计方面进行思考和创新，在修井机工作过程中，可根据实际工况需要，直接通过液压远程控制三套液压离合器的断开与啮合，调整速比和输出扭矩，不需要切断动力，实现修井机工作过程中不停车换挡，满足大钩提升力和提升速度的三种组合需求，提供不同工况下的使用要求，减少操作程序，提升产品品质和修井机作业效率。

[1]成大先，机械设计手册[M]，北京：化学工业出版社2008年1月第五版第2卷第3篇轴及连接第3卷第14篇齿轮传动.

New Type Angle Gearbox Design of a Petroleum Workover Rig

Xue Yagang,Yang Bin,Wang Renpeng,Si Hao,Zhu Yang
(Shaanxi automobile group co.,LTD,shaanxi Xi 'an 710200)

The traditional petroleum workover rig angle gearbox can not shift,or shift needs to stop artificial mechanical operations and other issues.Designed by controlling three hydraulic clutches and engages disconnect achieve workover work process does not stop shift,while achieving workover work process hook lifting force and lifting speed three combinations,to meet different working requirements under conditions to solve the problem and gear shifting fewer problems and achieve easy to adjust to match the vehicle power,fuel economy can be in control of the engine work area,thereby reducing operating costs and improve the life of the vehicle,reducing workers' labor intensity.

petroleum workover rig; angle gearbox; hydraulic clutch

TE935

B

1671-7988（2016）08-32-03

薛亚刚，男，助理工程师，就职于陕西汽车控股集团有限公司技术中心，现从特种汽车设计开发工作。