应用于油气勘探的小传动比钻机绞车减速箱设计

刘劲苍，范岳柏

(湖南省地勘局探矿机械研制中心，长沙 410100)

0 引言

当前用于钻机绞车的驱动方式分为两种，分别为电机驱动和液压马达驱动[1]。由于用于油气勘探的钻机需要在高瓦斯浓度的环境下作业，采用电机驱动的钻机绞车很有可能产生电火花引起安全事故，因此适用于油气勘探钻机的绞车应当采用液压为驱动方式[2,3]。钻机绞车减速箱的设计应当满足小型化的应用要求，在满足小传动比的前提下，本文通过计算对绞车减速箱进行了优化设计。

1 绞车减速箱的设计计算

1.1 减速箱传动比计算

对绞车的总传动效率进行计算，如式(1)所示：

η=η1·η2·η3

(1)

式中：η为绞车的总传动效率；η1为联轴器传动效率，取值0.995；η2为齿轮传动效率，取值0.995；η3为滚动轴承的传动效率，取值0.980。

则绞车总传动效率η=0.971。

总传动比的计算如式(2)所示：

(2)

式中：i为减速箱总传动比；M为单侧最大驱动力矩，M=52300 N·m；T为采用的液压驱动马达的额定转矩，T=15 333 N·m。

将总传动效率η代入式(2)，可以得到适用于油气勘探的钻机减速齿轮的总传动比i=3.516。

通过上述计算可以看出，减速箱的传动比很小，在进行减速箱设计时，采用一级齿轮减速就可以满足使用的要求，同时绞车不能过多占用钻台的面积，因此减速箱体积也必须很小。

1.2 减速箱齿轮设计计算

1.2.1 初定齿轮参数

根据设计要求，选用斜齿圆柱齿轮作为减速箱的传动齿轮，这是因为与直齿圆柱齿轮相比，在相同条件下斜齿齿轮的尺寸更小。表1所示为选用的斜齿齿轮的相关参数，设计中采用7级精度，初定螺旋角β=14°。

表1 斜齿齿轮相关参数数据参数

1.2.2 齿轮参数计算

(1) 根据齿面接触强度计算

首先从齿轮齿面的接触强度计算角度进行设计，小齿轮分度圆的直径计算d1t公式如式(3)所示：

(3)

式中：Kt为载荷系数，取值Kt=1.6；ψd为齿宽系数，取值ψd=1；u为齿数比，初选值为u=3.2；T为扭矩，T=14 765 N·m；ZH为区域系数，ZH=2.43；ZE为材料弹性系数，ZE=189.8；εa=εa1+εa2=1.6[4]。将各个数据带入公式(3)可得，d1t=226.43 mm。

齿宽b、模数mnt、齿高h的计算公式如式(4)所示：

(4)

代入数值计算后可得，齿宽b=226.43 mm，模数mnt=9.15 mm，齿高h=20.59 mm。

载荷系数K的计算如式(5)所示：

K=KA·Kv·KHα·KHβ

(5)

式中：KA为使用系数，取值KA=1；Kv为动载系数，通过计算圆周速度v=1.24 m/s可得Kv=0.9；KHα为螺旋线载荷系数，取值KHα=1.2；KHβ为端面载荷的分布系数，取值KHβ=1.2。代入相关数据可得，K=1.417。

对分度圆直径d1进行校正，如式(6)所示：

(6)

计算校正后分度圆直径为d1=220.17 mm，将d1代入式(4)可得模数为mn=8.9 mm。

(2)根据齿根弯曲强度计算

从齿根的弯曲强度角度进行设计，齿轮模数mn计算公式如式(7)所示：

(7)

式中：K为载荷系数，取值K=1.404；εα为纵向重合度系数，计算公式如式(8)所示：

εα=0.318ψdz1tanβ

(8)

代入数值后εα=1.903，根据εα得到Yβ=0.88。当量齿数的计算公式如式(9)所示：

(9)

代入数值后可得zv1=26.27，zv2=93.05。

大齿轮的齿形系数YFα=2.61，应力校正系数YSα=1.596；小齿轮的齿形系数YFα=2.19，应力校正系数YSα=1.783；分别对大小齿轮的(YFα·YSα)/[σF]进行计算，计算后小齿轮的(YFαYSα)/[σF]较大。

将各个参数代入式(7)可得mn≥6.46 mm，取整后mn=7 mm。模数对齿轮的弯曲疲劳强度影响较大，根据上述计算模数mn=7 mm，分度圆直径d1=220.17 mm时，对齿数z1和z2、齿轮螺旋角β进行计算，如式(10)所示：

(10)

计算后可得z1=31、z2=112、β=14.08°。

(3)齿轮强度校核

首先对齿面的接触强度进行校核，齿轮分度圆上的切向力Ft=131 995.4 N，接触应力σH和允许范围内接触应力[σH]的计算公式如式(11)所示：

(11)

表2 接触强度校核各参数取值

表2为齿面的接触强度校核所需参数的取值，式11中参数取值如表2所示，代入数值后接触应力σH=1055.34 MPa，大小齿轮的允许范围内接触应力[σH1]=1067 MPa、[σH2]=1101 MPa，[σH1]和[σH2]的最小值大于σH，因此接触疲劳强度校核合格。

对齿根的弯曲强度进行校核，齿根弯曲强度σF和允许范围内弯曲强度[σF]的计算公式如式(12)所示：

(12)

表3 弯曲强度校核各参数取值

表3为齿根弯曲强度校核时所需参数的取值，式(12)中的各参数取值如表3所示。代入数值后大小齿轮的齿根弯曲强度σF1=409.8 MPa、σF2=384.14 MPa，许用齿根弯曲强度[σF1]=437 MPa、[σF2]=426.8 MPa，[σF1]和[σF2]的最小值大于σF1和σF2的最大值，因此齿根弯曲强度校核合格。

1.2.3 计算结果

通过计算得出，小传动比钻机绞车减速箱所采用的斜齿轮各个参数为小齿轮齿数31，大齿轮齿数112，螺旋角14.08°，模数7。

2 结论

综上所述，在油气勘探中采用小传动比的钻机绞车，其减速箱设计采用斜齿圆柱齿轮作为减速箱的传动齿轮，作者通过计算确定了齿轮的各个参数，为探矿设备的设计提供了参考。