基于剖分式結(jié)構(gòu)的ZP495型轉(zhuǎn)盤大錐齒圈聯(lián)接設(shè)計(jì)及分析

張力，常寶華，魏雷，邢金玲，胡世林

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

基于剖分式結(jié)構(gòu)的ZP495型轉(zhuǎn)盤大錐齒圈聯(lián)接設(shè)計(jì)及分析

張力，常寶華，魏雷，邢金玲，胡世林

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

摘要：鑒于頂驅(qū)的廣泛應(yīng)用和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤的不可替代性，針對(duì)國(guó)內(nèi)制造大型弧齒錐齒圈困難問題，根據(jù)ZP495型石油鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤參數(shù)，對(duì)大型錐齒圈提出一種新的設(shè)計(jì)思路。將大錐齒圈剖分為等90°的4塊，加工后聯(lián)接而成。運(yùn)用Pro/e建立三維模型，在ANSYS中進(jìn)行受力分析，將模擬值與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。結(jié)果表明，剖分式大錐齒圈連接強(qiáng)度滿足要求，變形量小，達(dá)到轉(zhuǎn)盤的使用要求。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)盤；大錐齒；剖分式結(jié)構(gòu)；聯(lián)接

Design and Analysis of Divide Large Straight Bevel Gear For ZP495 Rotary Table

ZHANG Li，CHANG Baohua, WEI Lei, XING Jinling，HU Shilin

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

Abstract:Because the top drive is widely used, the traditional rotary table is irreplaceable and it is difficult to make the large spiral bevel gear at home, this paper designs a new large straight bevel gear, that the large straight bevel gear is divided into 4 blocks of 90° and the they are joined together with bolts. Three-dimensional model is established in Pro/e and analyzed in ANSYS. Simulation result is compared with theory value. Its feasibility is verified. The result shows four-piece large straight bevel gear is characteristic of strong connecting intensity and small deformation which meets the requirement of ZP495 rotary table.

Keywords:rotary table; large straight bevel gear; divided structure; connection

0引言

我國(guó)油氣資源嚴(yán)重不足，為了提高石油的自給率，滿足經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)需求，必須擴(kuò)展勘探領(lǐng)域和深度。石油鉆機(jī)是完成石油鉆井任務(wù)的主要工具，而鉆井作業(yè)是一項(xiàng)投資巨大的風(fēng)險(xiǎn)性工程。頂驅(qū)連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩的能力要大于轉(zhuǎn)盤，并在處理某些事故的能力上要強(qiáng)于轉(zhuǎn)盤。雖然頂驅(qū)在鉆井設(shè)備中有著重要地位，但轉(zhuǎn)盤也有著頂驅(qū)所不具備的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)代鉆井技術(shù)還不能用頂驅(qū)完全替代轉(zhuǎn)盤。頂驅(qū)的廣泛運(yùn)用可以考慮弱化傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤，降低鉆井機(jī)械生產(chǎn)成本，提升鉆井經(jīng)濟(jì)效益。在大型鉆機(jī)中ZP495型轉(zhuǎn)盤是作為超深井(12 000 m)鉆機(jī)的重要旋轉(zhuǎn)核心配件，所需的轉(zhuǎn)盤開口通孔直徑為1 257.3 mm，其作用是在鉆井過程中傳遞足夠的扭矩(最大扭矩64 kN·m)，承載鉆具質(zhì)量(最大靜載荷9 000 kN)[1-4]，轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—上蓋；2—鑄焊底座；3—大錐齒圈；4—轉(zhuǎn)臺(tái)裝置；5—襯心套；6—主軸承；7—磁性油塞；8—主油箱，9—小錐齒輪，10—輸入軸總成圖1　ZP495型轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)示意圖

該轉(zhuǎn)盤中核心傳動(dòng)部件的作用是利用錐齒輪副實(shí)現(xiàn)減速并提供鉆井所需扭矩，其中ZP495型轉(zhuǎn)盤大錐齒輪副(1 931 mm)的制造對(duì)于國(guó)內(nèi)機(jī)床來說，加工難度大[5]，達(dá)到了現(xiàn)有設(shè)備加工極限：為此，結(jié)合頂驅(qū)的優(yōu)勢(shì)和轉(zhuǎn)盤的不可替代性，文中將傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤中的大錐齒輪設(shè)計(jì)為直齒剖分式錐齒圈，以便于使用現(xiàn)有機(jī)床加工出所需的大型錐齒圈。

1接合面設(shè)計(jì)

剖分式齒輪第一個(gè)需要解決的問題是設(shè)計(jì)合理的接合面，保證能正確接合。圓柱直齒剖分式大齒圈對(duì)口接合面的設(shè)計(jì)，主要有以下三種設(shè)計(jì)形式。

1) 全平面接合。整個(gè)接合面制造為一個(gè)平面，如圖2所示。用螺栓聯(lián)接后完全接合，在理想狀態(tài)下要求接合面完全接觸，但由于制造加工、裝配等原因，實(shí)際接合面不會(huì)達(dá)到理想接合狀態(tài)。用螺栓聯(lián)接后接合面較大，在齒圈運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，螺栓會(huì)因?yàn)榻雍厦娼佑|不緊密以及摩擦產(chǎn)生的溫差而受到附加應(yīng)力。此種結(jié)構(gòu)在特大型齒圈中不常采用。

1—雙頭螺栓；2—矩形定位鍵；3—矩形鍵槽；4—半齒圈圖2　全平面接合

2) 斜平面接合。這種接合面互成一定角度，如圖3所示。螺栓孔和定位鉸制螺栓孔對(duì)角分布便于定位。當(dāng)剖分面轉(zhuǎn)過驅(qū)動(dòng)輪，剖分面一側(cè)的齒剛脫離嚙合，另一側(cè)的齒受力時(shí)，斜平面會(huì)對(duì)聯(lián)接螺栓加載附加應(yīng)力，縮短了螺栓的使用壽命。該接觸面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)加大了加工難度，并且在裝配時(shí)也增加螺栓聯(lián)接的裝配難度。

1—半齒圈；2—螺栓孔；3—定位鉸制螺栓孔圖3　斜平面接合

3) 部分平面接合。接合面的設(shè)計(jì)中有一部分是凹下的。這樣設(shè)計(jì)降低了齒圈加工難度，也減少了接合面的面積，螺栓聯(lián)接后更容易使接合平面完全結(jié)合。在使用中接觸面的單位壓力更大，傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的溫差不會(huì)對(duì)螺栓產(chǎn)生附加應(yīng)力，負(fù)載不至提高，保證聯(lián)接的可靠性，是一種較為合理的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。

參考以上三種接合結(jié)構(gòu)，此次設(shè)計(jì)的錐齒圈采用部分平面接合的形式。剖分面兩側(cè)設(shè)計(jì)為平面，錐齒輪幅螺栓聯(lián)接部分設(shè)計(jì)為階梯型不完全接觸。

2接合面的定位

接合面定位在一般的聯(lián)接中有以下幾種常用的定位方式[6]。

1) 鍵定位

一般的鍵定位是在接合面加工出圓孔或者矩形槽，如圖2所示。此種定位方式加工工藝簡(jiǎn)單，并且易于裝配，缺點(diǎn)是只有徑向定位而沒有軸向定位。

2) 卡箍定位

在接合面兩側(cè)各加工出一個(gè)半圓凸臺(tái)，拼接時(shí)組成一個(gè)圓柱形凸臺(tái)，利用卡箍套在上面卡緊定位。此種定位方式主要缺點(diǎn)是加工難度大，并且裝配時(shí)都需要熱裝，給裝配帶來不便，不易于達(dá)到裝配要求。

3) 鉸制孔螺栓定位

在接合面對(duì)角方向有一對(duì)鉸制孔，安裝的螺栓對(duì)接合面定位準(zhǔn)確并且加工簡(jiǎn)單。在聯(lián)接方式中的缺點(diǎn)是大齒圈需要拆開維護(hù)時(shí)，鉸制孔螺栓要更換一組。

參照一般形式的定位方式，該形式的轉(zhuǎn)盤用大型錐齒圈采用鉸制孔螺栓定位，制造和安裝方便。在接合面處采用一個(gè)鉸制孔螺栓，一個(gè)普通螺栓交替安裝，如圖4所示。

1—鉸制孔螺栓；2—普通螺栓；3—連接塊；4—普通螺栓；5—1/4錐齒圈；6—墊片圖4　接合面定位聯(lián)接設(shè)計(jì)

3ZP495型轉(zhuǎn)盤大錐齒圈的參數(shù)確定

基于ZP495型轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錐齒圈參數(shù)。石油鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤的傳動(dòng)比在3.333左右，最高轉(zhuǎn)速300r/min。為了便于設(shè)計(jì)剖分式大齒圈，確定小齒輪齒數(shù)z1=31，大齒圈齒數(shù)z2=100，傳動(dòng)比u=3.226。大齒圈齒數(shù)選擇為4的倍數(shù)便于使剖分面位于齒谷中央，盡可能減少對(duì)齒圈的影響，也保證被剖開齒圈的對(duì)稱性。具體幾何模型參數(shù)如表1所示。

表1　幾何模型基本參數(shù)

在以往的錐齒輪銑齒加工中，傳統(tǒng)的工裝支撐工件的主軸端面直徑小，只有被加工工件的1/4，因此針對(duì)該轉(zhuǎn)盤所需的大直徑、薄輪輻錐齒輪的特點(diǎn)，將該錐齒剖分為等角度的4部分，分別加工后由螺栓聯(lián)接[7]。

此次設(shè)計(jì)剖分式大型齒圈的材料選擇42CrMo[8]，錐齒輪副采用硬齒面設(shè)計(jì)。

4螺栓聯(lián)接布局設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)好的直齒錐齒輪中,保證該轉(zhuǎn)盤所要求的開口尺寸后，留下的供螺栓聯(lián)接尺寸為46mm。綜合上面剖分式大錐齒的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用部分平面接合，鉸制孔螺栓定位，針對(duì)ZP495型轉(zhuǎn)盤剖分式錐齒圈所得到的最終剖分式大齒圈如圖4所示。

按照錐齒輪受力圖如圖5所示，計(jì)算并確定螺栓直徑和聯(lián)接尺寸[9]。

圖5　錐齒輪受力圖

聯(lián)接螺栓主要承受64kN·m的扭矩。螺栓最大受力為：

要求接合面不能產(chǎn)生滑移的條件，計(jì)算螺栓所需預(yù)緊力為：

選擇聯(lián)接螺栓材料為Q235、性能等級(jí)5.8級(jí)的螺栓。根據(jù)以上結(jié)果計(jì)算后，參考螺栓擰緊時(shí)的扳手空間，確定每個(gè)螺栓間距為80mm，選擇M16的螺栓。

此設(shè)計(jì)采用部分平面聯(lián)接方式。聯(lián)接面設(shè)計(jì)成階梯型，對(duì)摩擦面噴丸等工藝進(jìn)行處理[10]。階梯型設(shè)計(jì)有兩個(gè)目的，1) 螺栓孔的定位作用。一方面每側(cè)的螺栓孔在錐齒圈加工時(shí)都可作為加工定位孔；另一方面裝配時(shí)為錐齒圈聯(lián)接提供定位。2) 聯(lián)接處的階梯型接合面相當(dāng)于止口定位，在轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)都能為螺栓減載。

為提高螺栓聯(lián)接的可靠性，裝配時(shí)廣泛采用加熱螺栓的聯(lián)接方法。這樣裝配的螺栓在冷卻至常溫時(shí)收縮，產(chǎn)生更大的拉緊力保證接合面接觸均勻，螺栓不易松動(dòng)。

5建模及仿真

按照前面設(shè)計(jì)結(jié)果，在PRO/e中建立大錐齒輪實(shí)體模型。圖6為1/4錐齒圈和螺栓聯(lián)接后錐齒圈實(shí)體模型。

圖6　1/4錐齒圈和全齒圈實(shí)體模型

裝配完成后，為了減少計(jì)算量，大齒圈只保留含有聯(lián)接部分和與小錐齒輪嚙合的10個(gè)齒，導(dǎo)入ANSYS中經(jīng)行網(wǎng)格劃分，最后生成單元數(shù)量為683622個(gè)，如圖7所示。

圖7　網(wǎng)格化分示意圖

根據(jù)ZP495轉(zhuǎn)盤實(shí)際情況，在大錐齒輪內(nèi)圈采用固定約束，小齒輪內(nèi)圈加載于兩齒輪定義接觸部分方向相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩64kN·m。分析完成后，得到相應(yīng)的應(yīng)力云圖8和應(yīng)變?cè)茍D9。

圖8　應(yīng)力云圖

圖9　應(yīng)變?cè)茍D

從圖8和圖9可知，應(yīng)力應(yīng)變遵循齒輪受力分步規(guī)律，最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒根部，且齒輪本體變形很小。連接面處并未對(duì)齒輪造成大的影響，齒輪背面的連接塊起到保證聯(lián)接可靠的作用。其中最大彎曲應(yīng)力處于齒根部為345.85MPa，小于理論計(jì)算值366.1MPa，說明齒輪模擬值與理論計(jì)算值基本吻合。

總變形云圖(圖10)顯示所設(shè)計(jì)的接合面相互之間變形很小為0.0469mm，并沿著齒輪的軸向往下變形減小，符合齒輪受力規(guī)律，滿足轉(zhuǎn)盤使用要求。

圖10　總變形云圖

6結(jié)論

1) 在石油鉆機(jī)中弱化轉(zhuǎn)盤趨勢(shì)的前提下，設(shè)計(jì)剖分式直齒錐齒圈。利用Pro/e建立模型并導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行受力分析，應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D符合齒輪受力規(guī)律，驗(yàn)證仿真的可靠性。對(duì)接合面的變形分析，說明此次設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 剖分式大錐齒圈能減小對(duì)國(guó)外大型齒輪進(jìn)口依賴，有效降低了ZP495型轉(zhuǎn)盤所需錐齒輪的生產(chǎn)成本。

3) 借鑒直齒圓柱剖分式齒輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可為在現(xiàn)有直接加工錐齒輪圈能力不足的情況，提供一種新的思路。

參考文獻(xiàn):

[1] 陳如恒. 破除舊觀念創(chuàng)造新鉆機(jī)(四)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2008,37(6):1-5.

[2] 孫明光,彭軍生. 國(guó)內(nèi)外石油鉆井裝備的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 石油鉆探技術(shù),2008,36(6):86-91.

[3] 丁青山,董平，等. 電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及分析[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械,2012,41(2):84-89.

[4] 裴學(xué)良. 國(guó)內(nèi)外石油鉆機(jī)新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2008,(8):111.

[5] 楊紅剛,周亞芳,盧韻皎，等. ZP495型轉(zhuǎn)盤的研制與應(yīng)用[J]. 石油機(jī)械,2009,37(6):45-47.

[6] 江旭昌. 管磨機(jī)[M]. 北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1992.

[7] 朱玉勝. 大直徑、薄輪輻螺旋錐齒輪銑齒工裝的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J]. 機(jī)械制造,2008,46(3):46-47.

[8] 祁倩,王永，等. 42CrMo調(diào)質(zhì)及表面淬火漸開線齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)[J]. 機(jī)械傳動(dòng),2010,34(9):69-71.

[9] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì) .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第2卷)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[10] 鞏金紅.高強(qiáng)度螺栓連接及其摩擦面處理[J]. 河北煤炭,2006,(3):45-46.

收稿日期：2014-01-03

中圖分類號(hào)：TE922；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0030-03

作者簡(jiǎn)介：張力(1966-)，女，甘肅蘭州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事石油鉆采機(jī)設(shè)備和農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉設(shè)備研究。