基于交流变频电动顶驱系统下齿轮箱体的结构优化分析

杜萍

摘 要：本文主要对齿轮箱体结构优化相关内容进行分析，着重探究交流变频电动顶驱系统下齿轮箱体结构优化。齿轮箱体结构优化，有利于保证齿轮箱体结构刚度的安全设计，保证齿轮箱体的最优结构，从而保证最佳的设计方案。通过对齿轮箱体结构优化相关内容分析，以期为相关工作人员提供有效参考和借鉴。

关键词：交流电频;电动顶驱系统;下齿轮箱体;结构优化

中图分类号：TE951 文献标识码：A

现阶段，随着技术发展，顶驱技术应用的范围也在不断拓展。在交流变频电动顶驱系统中，齿轮箱是重要部件，其能够对所有钻具的法向荷载以及重力有效承受，同时借助销轴，连接提环。因此，对齿轮箱体结构优化有重要的作用和价值，能够促进其相关工艺水平优化，促进相应的生产工作。

1 建立下齿轮箱参数化模型

（1）借助相关参数化语言，建立下齿轮箱体全参数化几何模型，借助模型参数分析得到几何设计模型不同方面的数据。对网格参数进行相应的调整以及设定，形成结构化有限元网模型。（2）网格模型建立后，选择材料。选择材料时，需要计算下齿轮箱体强度，同时要注意考虑材料不同方面的数值，进行相应的对比。（3）对边界、荷载条件有效明确。结合交流变频电动顶驱系统中实际的约束情况以及实际受力情况，借助相关语言定义，对下齿轮箱体施加的约束和荷载有效明确。同时，还要对冲击情况以及重载情况有效考虑，并以相关标准为基础，明确相应的有限元计算模型[1-2]。

以某结构设计为例，该设计中主要的备选材料包括42CrMo、35CrMo、20CrMo，其中42CrMo的弹性模量为212Gpa，泊松比为0.280，屈服极限为930Mpa;35CrMo的弹性模量为213Gpa，泊松比为0.286，屈服极限为835Mpa;20CrMo的弹性模量为210Gpa，泊松比为0.278，屈服极限为685Mpa。对比可知，三种材料有较为接近的泊松比以及弹性模量。在选择材料时，对材料的弹性模量值设为212Gpa，0.280为泊松比，随后明确应力值，比较屈服极限，为选择材料提供有效的参考和借鉴。APDL全参数化建立的几何模型如图1所示。

2 校核下齿轮箱刚度和强度

为了对下齿轮箱的刚度以及强度特性明确，可以将下齿轮箱结构示意图放置于平面和柱面内，平面为水平接触面，主要承载主轴，柱面为周向接触面，主要对法兰周面以及承周面承载。在极限荷载条件下，其变形程度与齿轮箱轴系的可靠性、安全性之间有着密切的关系，因此，需要保证强度的基础上，对极限荷载下的变形程度有效分析，从而明确结构刚度。借助相关的设计要求以及标准，对冲击工况荷载的影响进行充分考虑，并借助相应的计算明确箱体销轴最大应力参数[3]。APDL全参数化建立的网格模型如图2所示。

3 优化下齿轮箱体结构分析

在对下齿轮箱体刚度设计的过程中，底部壁厚以及侧壁壁厚对下齿轮箱体刚度造成较大的影响。在具体设计的过程中，箱体的抗弯能力与侧壁壁厚之间有密切的关系，箱体法向抗弯能力与底部壁厚之间有密切的关系。因此，在进行计算过程中，需要将底部壁厚以及侧壁壁厚考虑为设计变量。相关人员对下齿轮箱体侧壁壁厚以及底部壁厚相关内容进行研究，得出的结论包括：下齿轮箱的底部壁厚以及侧壁壁厚越大，会降低销轴处的最大应力，使得底部壁厚以及侧壁壁厚有相当的销轴最大应力;较大的底部壁厚以及侧壁壁厚，会降低变形挠度;较大的底部壁厚以及侧壁壁厚会使得柱面有较小的收缩变形等[4]。底部壁厚与侧壁壁厚对下齿轮箱结构的影响见表1。

借助不同方面结构的分析，能够对状态变量、优化变量之间的关系有效明确，从而对下齿轮箱体结构有效优化。在实际对下齿轮箱体设计的过程中，提环销轴处应力最大应为628Mpa，选择合适的材料，从而保证结构的强度，对设计的安全性、可靠性有效增强。借助垂直载荷作用，会出现明显的法向变形，承载法兰接触面以及箱体是最突出的变形位置，結合不同刚度参数来看，能够对下齿轮箱结构刚度的可靠性、安全性有效保证。在对底部壁厚以及侧壁壁厚分析的过程中，需要首先明确底部壁厚以及侧壁壁厚对下齿轮箱造成影响，因此，需要对不同变量之间的关系有效优化[5]。在对结构参数化设计过程中，得到几何参数的刚度、强度结果比较容易，能够对后续设计工作的效率有效改善。在未来发展过程中，相关研究人员应加强对交流变频电动顶驱系统下齿轮箱体结构优化的研究，从而促进相关技术的发展和优化，保证相应生产工作的效率和质量。

4 结语

综上所述，在交流变频电动顶驱系统中，下齿轮箱体在其中发挥着十分重要的作用，因此，对下齿轮箱体结构优化，能够促进相应的生产工作的效率、质量提升。在实际对下齿轮箱体结构设计优化的过程中，研究人员要注意明确不同变量之间的关系以及对下齿轮箱体的影响，从而优化结构设计工作。

参考文献

[1] 李春生.交流变频电动顶驱系统下齿轮箱体的结构优化[J].石油机械，2017，45（8）：26-30.

[2] 侯新月，张晨骏，汤玲迪，等.基于响应曲面分析的卷盘式喷灌机行星齿轮减速箱壳体结构优化[J].节水灌溉，2019（11）：91-95.

[3] 李汉荣，习玉光.国外500t顶驱装置技术性能分析[J].国外油田工程，2004（1）：37-39.

[4] 梁应红，王中杰，张亚强，等.Tesco液压顶部驱动装置的优点及现场应用[J].石油矿场机械，2005（4）：81-83.

[5] 张洪生，邓桐，曹立宏.9000m顶部驱动钻井装置结构选型研究[J].机械设计，2015（3）：100-104.