一種新型角傳動齒輪箱的改進方案

□王樹甲　□王德海南京寧嘉機電有限公司　南京　211153

一種新型角傳動齒輪箱的改進方案

□王樹甲□王德海
南京寧嘉機電有限公司南京211153

通過對兩種齒輪箱的結構對比，著重闡述了一種新型角傳動齒輪箱的傳動結構、軸承布置、箱體結構以及成本優(yōu)勢。該新型齒輪箱不僅可以提高軸承的承載能力和使用壽命，同時可以簡化裝配，節(jié)省成本。

為了緩解國內(nèi)巨大的石油供需矛盾，我國不斷加大對石油在勘探、開采、提煉等環(huán)節(jié)的投入。同時，我國不少油田已進入老化期，不僅石油產(chǎn)量下降，而且勘探、開采難度加大。以上這些情況，除了對石油勘探、開采設備的需求量急劇增加外，對設備質(zhì)量也提出了更高的要求。大功率、超深井勘探的開采裝備將成為未來石油裝備發(fā)展的必然趨勢。

石油鉆井用轉盤傳動裝置，在鉆井時為旋轉鉆具提供足夠的動力，在起下鉆和套管時承受套管和鉆具的質(zhì)量，它采用橫向布置方式，主要由三相異步變頻電機、鼓形齒聯(lián)軸器、角傳動齒輪箱、萬向聯(lián)軸器、轉盤等零部件組成。其中，角傳動齒輪箱作為石油鉆井用轉盤傳動裝置的核心傳動部件，是將變頻電機輸出的動力進行減速增扭和轉換傳動方向，以滿足轉盤的動力需求。

在全球經(jīng)濟增速放緩、機械制造行業(yè)遭受寒冬的背景下，各主機廠家爭相通過壓縮成本，產(chǎn)品更新?lián)Q代，以提高產(chǎn)品的市場競爭力來贏得生存空間。新型角傳動結構齒輪箱是我公司在原有傳統(tǒng)傳動結構齒輪箱的基礎上，采用先進的設計理念，優(yōu)化和更新原有加工工藝而專門開發(fā)的高精度重載硬齒面圓錐齒輪箱。圖1和圖2分別是新型和傳統(tǒng)兩種齒輪箱的傳動結構對比。

1　輸入軸軸承配置

對于錐齒輪副的輸入軸系軸承布置形式，通常采用懸臂式支撐。固定端為兩個面對面配對圓錐滾子軸承組合，如同一個雙列滾子軸承工作，主要承受錐齒輪的軸向載荷；浮動端為一個短圓柱滾子軸承或者調(diào)心滾子軸承，承受徑向負荷和補償軸系熱膨脹變形，以防止軸承卡死。對細長軸的整體式箱體而言，浮動端采用球面滾子軸承，不僅具有安裝優(yōu)勢，而且能自動調(diào)心。

由圖1可見，傳統(tǒng)傳動結構的輸入軸系固定端采用兩個圓錐滾子軸承面對面組合，承受軸向和徑向載荷，其內(nèi)圈通過圓螺母和輸入軸上的定位端面，實現(xiàn)軸向定位，外圈通過修磨調(diào)整墊圈的長度，控制其軸向游隙；浮動端采用一個短圓柱滾子軸承NU2326M，承受徑向載荷，其內(nèi)圈通過輸入軸上的定位端面及定距環(huán)實現(xiàn)軸向定位，外圈通過軸承座3的止口定距環(huán)16和擋油圈軸向定位，可通過內(nèi)外圈相對自由滑動補償軸系熱膨脹變形。

由圖2可見，新型傳動結構的輸入軸系固定端也采用兩個圓錐滾子軸承面對面組合，承受軸向和徑向載荷，但軸承內(nèi)圈通過圓螺母和輸入軸上的定位端面，實現(xiàn)軸向定位，外圈通過修磨調(diào)整墊圈的長度和軸承座的定位止口，控制其軸向游隙；浮動端則采用一個調(diào)心滾子軸承（22330），承受徑向載荷，其內(nèi)圈通過輸入軸及錐齒輪的定位端面實現(xiàn)軸向定位，外圈浮動，可通過外圈在箱體定位孔內(nèi)的自由滑動來補償軸系熱膨脹變形。

通過兩種傳動結構的對比可以看出，傳統(tǒng)傳動結構的浮動端采用短圓柱滾子軸承（見圖1）。新型傳動結構的浮動端采用調(diào)心滾子軸承（見圖2），該調(diào)心滾子軸承外圈不需要軸向定位，可在箱體定位孔內(nèi)自由滑動補償軸系熱膨脹變形，具有零部件少、簡化裝配、誤差累積小等安裝優(yōu)勢。同時能夠自動調(diào)心，提高圓錐齒輪副的嚙合精度，顯著提高其承載力。

圖1　傳統(tǒng)傳動結構示意圖

2　箱體

齒輪箱箱體的作用是支承并包容各種傳動零件，如齒輪、軸、軸承等，使它們能夠不受外界環(huán)境的影響，保持正常的運動關系和運動精度。箱體還要有安全保護和密封作用，可以儲存潤滑劑，實現(xiàn)各種運動零件的潤滑。因此在箱體設計前，首先要考慮箱體內(nèi)零件的布置及與箱體外部零件的關系，確定箱體的形狀和尺寸，還要考慮箱體能否滿足強度和剛度要求。對受力很大的箱體零件，滿足強度是一個重要問題；但對于大多數(shù)箱體，評定性能的主要指標是剛度，因為箱體的剛度不僅影響傳動零件的正常工作，而且還影響各部件的裝配精度。

齒輪箱內(nèi)各軸系的零部件都不可避免存在加工誤差和裝配誤差。在裝配時，錐齒輪副側隙和吃色需要通過軸系的軸向移動來保證裝配精度。如圖1所示，傳統(tǒng)傳動結構的箱體由軸承座3、軸承座11、箱體、軸承座13組合而成，軸承座3、軸承座11、軸承座13以箱體上的高精度支撐孔定位，通過螺栓緊固。錐齒輪副的側隙及吃色通過修磨軸承座3與箱體間的調(diào)整墊圈6和軸承座13與箱體12間的調(diào)整墊圈14來保證，該箱體存在結構復雜、裝配困難、腔體內(nèi)有許多精度較高的軸承支承孔、加工工藝性差、材料利用率低、剛度低等缺點。

針對以上缺點，改進了箱體結構（見圖2）。為保證裝有大錐齒輪的輸出軸系和裝有小錐齒輪的輸入軸系能順利進入箱體，新型傳動結構的箱體僅由軸承座2、軸承座12、箱體組成，其余軸承座都焊接為整體。輸出軸系通過箱體上的定位孔插入，輸入軸系通過另一定位孔插入箱體，該箱體具有結構簡單、裝配簡化、減少腔體內(nèi)精度較高的軸承支承孔、材料利用率高、剛度高等優(yōu)點，錐齒輪副的側隙及吃色通過修磨軸承座2與箱體間的調(diào)整墊圈3和軸承座12與箱體間的調(diào)整墊圈13來保證。

底座方面。圖3的箱體底座由軸承座3和箱體12兩部分組成，不僅加工難度大，工藝復雜而且與基礎接觸面積小，整體剛性差。而圖4的箱體底座是一塊整板，且通過筋板加固，整機剛性得到顯著提高，也增加了箱體內(nèi)部空間。這不僅增大了箱體儲油量，而且便于潤滑油路布置，避免長回油孔的加工，降低了加工難度。

圖2　新型傳動結構示意圖

圖3　傳統(tǒng)傳動結構外形安裝圖

圖4　新型傳動結構外形安裝圖

3　密封結構

從圖1可見，輸入輸出軸的密封均采用甩油環(huán)加單油封密封防塵的結構，此結構雖然具有密封性可靠、使用壽命長等優(yōu)點，但缺點如下：①其進油量一定要控制；②甩油環(huán)的擋油板不能過長，否則會導致攪油；③回油一定要通暢；④甩油環(huán)內(nèi)徑與軸配合，外徑與油封唇口配合，不僅需要足夠的硬度，也對尺寸精度和同軸度提出了較高的要求。為保證圖1中的甩油環(huán)和軸套的精度和硬度，采用氮化處理工藝和無進給精磨工藝。根據(jù)實際加工過程分析，甩油環(huán)的加工與裝配精度要求高，精加工及磨削工藝繁多，加上外圓磨床加工精度限制，甩油環(huán)加工周期過長，嚴重制約了整機的交貨周期。同時由于甩油環(huán)尺寸限制，無法使用型材，必須使用鍛件經(jīng)機加工后才能達到圖紙要求，材料利用率很低。針對以上缺點，我們將箱體密封結構改為雙油封密封（見圖2），軸徑與油封唇口配合處采用表面淬火后無進給精磨到尺寸的工藝，既保證表面硬度與粗糙度要求，又減少加工工序，提高材料利用率，大大提高了裝配效率。

4　總結

對比圖1和圖2，齒輪箱的軸承在滿足強度要求的前提下，對型號與尺寸以及定位方式進行優(yōu)化，采購成本縮減了25%，箱體與小件通過改進結構優(yōu)化工藝，成本縮減了13%，傳動件的成本與先前基本持平。綜合以上計算，齒輪箱整機總成本可降低10%，從而顯著提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

綜上所述，新型傳動齒輪箱是我公司在原有傳統(tǒng)型產(chǎn)品設計經(jīng)驗的基礎上，應用齒輪強度分析、動態(tài)模擬分析等國外先進計算分析軟件，優(yōu)化和更新原有加工工藝而專門開發(fā)的高精度重載硬齒面圓錐齒輪箱。該產(chǎn)品不僅需求量大，市場前景廣闊，而且我公司通過產(chǎn)品優(yōu)化大幅度節(jié)約成本，提高了產(chǎn)品的市場競爭力，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］機械設計手冊編委會.機械設計手冊（新版）第3卷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［2］濮良貴，紀名剛.機械設計（第7版）［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［3］成大先.機械設計手冊（第四版）第二卷［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004.

Through structural comparison ofthe twogearboxes，it focuses on a newtype ofgear boxwith angle drive and presents a representation on its drive structure，bearingarrangement，boxstructure and cost advantages.The newmodel gear box can not only improve the bearing capacity and service life，but also achieve simplyassemblyand cost savings.

軸承定位；裝配；節(jié)約成本

Bearing Positioning；Assembly；Cost Saving

TH132.41

B

1672-0555（2015）03-034-04

2015年4月

王樹甲（1985-），男，工程師，主要從事齒輪箱研發(fā)設計工作