郭登明，黃朝斌，謝光偉

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

麻棟蘭

(大連理工大學運載工程與力學學部，遼寧 大連 116024)

1280D雙圓弧齒輪減速器設(shè)計及有限元分析

郭登明，黃朝斌，謝光偉

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

麻棟蘭

(大連理工大學運載工程與力學學部，遼寧 大連 116024)

齒輪減速器是抽油機上的關(guān)鍵部件，其重量占抽油機總重量的20%，因此，合理的參數(shù)選取和設(shè)計對減速器質(zhì)量和體積的減小至關(guān)重要。通過合理的參數(shù)選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計，使減速器的性能有了很大的提高，最后對箱體用Pro/E軟件建模，并導入ANSYS進行分析，得到箱體的結(jié)構(gòu)強度、受力狀況，為箱體的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

減速器；雙圓弧齒輪；設(shè)計；有限元分析

抽油機是油田采油生產(chǎn)中常用的地面動力設(shè)備，工作環(huán)境惡劣，工作載荷較大。齒輪減速器是抽油機上的關(guān)鍵部件，其重量占抽油機總重量的20%，因此，合理的參數(shù)選取和設(shè)計對減速器質(zhì)量和體積的減小至關(guān)重要。現(xiàn)有抽油機的減速器幾乎全部采用雙圓弧齒輪[1]，為了滿足國內(nèi)抽油機出口生產(chǎn)的需要，筆者按照API標準要求，設(shè)計了1280D(146kN/m)型減速器，增加了國內(nèi)抽油機的出口規(guī)格和品種。1280D抽油機用減速器采用二級分流式雙圓弧人字齒輪[2]傳動。下面對具體設(shè)計過程及主要零件的有限元分析過程進行分析。

1 參數(shù)的選取

齒輪減速器是采油設(shè)備抽油機上的核心部件，其價格占全套設(shè)備的一半以上[3,4]。減速器齒輪參數(shù)的選擇是否合理，直接影響整機的工作質(zhì)量和成本。減速器的參數(shù)包括總傳動比、輸出軸最高轉(zhuǎn)速、輸出扭矩等。為了保證兩級齒輪傳動都得到良好潤滑，須使得兩級傳動的大齒輪直徑相差不大，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，取i1=(1.1～1.4)i2。i1為低速級傳動比；i2為高速級傳動比。i1×i2為減速器的總傳動比i，一般取i=28～31。另外，根據(jù)API標準規(guī)定及減速器的工作狀態(tài)，確定輸出軸的最高轉(zhuǎn)速為12r/min。

2 設(shè)計計算及校核計算

1) 齒輪的設(shè)計 小齒輪選用35CrMo,調(diào)質(zhì)處理，HB1=265～295HBS；大齒輪選用ZG35SiMn，調(diào)質(zhì)處理，HB2=265～295HBS，按接觸強度初步確定模數(shù)[5]:

(1)

式中，T1為小齒輪的名義扭矩；Z1為小齒輪齒數(shù)；KA為使用系數(shù)；KV為運載系數(shù)；K1為接觸跡間載荷分配系數(shù)；KH 2為接觸強度計算的接觸跡內(nèi)載荷分配系數(shù)；ZE為接觸強度計算的彈性系數(shù)；Zu為雙圓弧齒輪的齒數(shù)比系數(shù)；Zβ為雙圓弧齒輪的螺旋角系數(shù)；Zα為接觸弧長系數(shù)；σHP為許用接觸應力；KΔε為接觸跡系數(shù)；με為重合度的整數(shù)部分。

初步確定高速級的模數(shù)為mn=8，低速級模數(shù)為mn=12，然后計算出中心距、齒寬、小齒輪的分度圓直徑。

2) 齒輪的強度校核 因為齒輪是按接觸強度進行設(shè)計的，故先對齒根彎曲強度進行校核。根據(jù)文獻[5]，計算出小齒輪的彎曲強度安全系數(shù)SF 1=2.85，而小齒輪的彎曲強度許用安全系數(shù)SF min=1.6，故小齒輪彎曲強度安全。同樣，計算出大齒輪的彎曲強度安全系數(shù)SF 2=2.42，而大齒輪的彎曲強度許用安全系數(shù)SF min=1.6，故大齒輪的彎曲強度安全。

按齒面接觸強度對大小齒輪進行接觸強度校核。根據(jù)文獻[5]，計算出小齒輪接觸強度安全系數(shù)SH 1=1.83，而小齒輪的接觸強度許用安全系數(shù)SH min=1.3，故小齒輪接觸強度安全。同樣，計算出大齒輪的接觸強度安全系數(shù)SH 2=2.01，而大齒輪的接觸強度許用安全系數(shù)SH min=1.3，故大齒輪輪接觸強度安全。

3) 軸的強度校核 軸的強度包括疲勞強度和靜強度，對于雙向旋轉(zhuǎn)的軸，根據(jù)文獻[5]， 計算出軸的疲勞強度安全系數(shù)S=2.35，而軸的許用疲勞強度安全系數(shù)[S]=1.65，故軸的疲勞強度足夠。同樣，可計算出軸的靜強度安全系數(shù)SS=2.25，而軸的許用靜強度安全系數(shù)[SS]=1.5，故軸的靜強度足夠。

4) 軸的剛度校核 軸的扭轉(zhuǎn)剛度可由下式計算[5]：

(2)

式中，Ф為軸的剛度，rad；Ti為軸的各個段面扭矩；li為軸的各個段面長度，m；di為軸的各個段面直徑，mm；l為軸的長度，m。

用式(2)可對軸的扭轉(zhuǎn)剛度進行計算，計算出軸的扭轉(zhuǎn)角[Ф]=0.195rad，而軸的許用扭轉(zhuǎn)角[Ф]=0.25rad，故軸的扭轉(zhuǎn)剛度足夠。

軸的彎曲剛度(包括彎曲角度和撓度2個方面)可用下式計算[5]:

(3)

(4)

式中，θA為軸的彎曲角度，rad；θA 1為軸在水平面上的彎曲角度，rad；θA 2為軸在垂直平面上的彎曲角度，rad；ymax為軸的撓度，mm；ymax 1為軸在水平面上的撓度，mm；ymax 2為軸在垂直面上的撓度，mm。

由此計算得出：θA=0.0025rad，而許用彎曲度[θ]=0.005rad(調(diào)心滾子軸承處)；同樣可計算出ymax=0.011mm，而許用軸的撓度[y] =0.12～0.36mm，故軸的彎曲剛度足夠。

3 箱體及箱蓋的有限元分析

由于減速器箱體的結(jié)構(gòu)復雜，所以選用功能強大的Pro/E進行建模[6]?？紤]到PRO/E強大的建模功能和ANSYS的分析功能，利用Pro/E與ANSYS之間的接口，將模型從PRO/E中導入到ANSYS中進行分析。由于箱體是對稱結(jié)構(gòu)，故只需取模型的一半進行分析，如圖1所示。

圖1 箱體三維模型圖

由于箱體是受交變載荷的作用，為簡化起見，只分析其4個關(guān)鍵點(0°、105°、150°、285°)的受力，對于箱蓋采用連接螺栓處全約束，箱座采用連接螺栓和地腳螺栓處全約束，均施加扭矩載荷。使用Solid92單元為10結(jié)點二次四面體單元，箱體材料為HT200，其彈性模量為E=1.3×1011Pa，泊松比=0.25。選擇6級精度對箱體進行自由網(wǎng)格劃分，在箱體的每個軸承座處選擇細化。圖2為箱體應力最大時的應力云圖。

分析得出最大應力在100MPa左右，小于HT200的極限應力170MPa[5]。因考慮到簡化造成的誤差，故認為箱體設(shè)計合理。

圖2 箱體Von-Mises應力云圖

4 性能分析

在減速器設(shè)計過程中，齒輪的設(shè)計至關(guān)重要，該減速器采用二級分流式雙圓弧人字齒輪傳動，與漸開線齒輪等其他齒輪傳遞相比，具有如下優(yōu)點：①雙圓弧人字齒輪減速器由于承載能力高，它比其他齒形的減速器體積小，重量輕，有較小的振動和噪聲(≤20dB左右)。②高、低速級均采用人字齒，用于變載荷場合，安全系數(shù)大，滿足了抽油機減速器承受重復交變載荷、長期連續(xù)運轉(zhuǎn)這一要求。③雙圓弧齒輪具有良好的跑合性能，無根切現(xiàn)象發(fā)生，而且雙圓弧齒輪齒面嚙合時，呈雙線接觸，齒輪接觸線長，齒根較厚，并且有很大的相對曲率半徑，使其彎曲強度和接觸強度較漸開線齒輪提高40%～60%。④雙圓弧齒輪在嚙合過程中，接觸點沿嚙合線是軸向移動，齒面作相對滾動，減少摩擦損耗，提高傳動效率，運行平穩(wěn)。此外，1280D雙圓弧齒輪減速器還有如下優(yōu)點：①為了適應抽油機載荷變化大的要求，減速箱采用分流式結(jié)構(gòu)，齒輪采用兩級減速，高速級與低速級均采用人字齒與軸承對稱布置。這樣載荷沿齒寬分布較均勻，無軸向力，軸承受載平均分布，有利于減速器和軸承的壽命提高。抽油機在每個沖程中都產(chǎn)生負扭矩，這種傳動的布置有利于解決軸的竄動及因此造成的漏油現(xiàn)象，同時也利于齒輪傳動噪聲的減小。軸承與端蓋之間留有間隙，使齒輪易于裝配，傳動中能夠自動對中。此外，分流式兩級圓柱齒輪減速器由于外伸軸的位置可以由任意邊伸出，故可方便地進行機器的總體配置。②重量是衡量產(chǎn)品的一個重要指標，減速器也不例外。該減速器采用二級分流式雙圓弧人字齒輪傳動，雙圓弧齒輪減速器中心距小，因而具有較小的外形尺寸，與老系列抽油機減速器相比，其承載能力提高了30%，整機重量減輕了15%，整臺減速器的重量僅為10.9t。

5 結(jié) 語

1280D抽油機減速器采用對稱分流式雙圓弧人字齒輪傳動，體積小、重量輕、密封好、噪音低、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、承載能力強、使用壽命長，目前已用于大港油田的出口抽油機配套，并出口至加拿大?，F(xiàn)場應用表明，1280D減速器使用安全可靠，在同類產(chǎn)品中具有較高的技術(shù)經(jīng)濟指標，具有廣闊的市場前景。

[1]白樹泰.常規(guī)型游梁式抽油機雙圓弧齒輪減速器的設(shè)計和制造[J].石油礦場機械，1983，12(5)：25～31.

[2] 劉清友，孟坤六.抽油機雙圓弧齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計[J].西南石油學院學報，1993，15(3)：104～109.

[3] 白樹泰.雙圓弧齒輪在出口抽油機上的應用[J].石油礦場機械，1982，(4)：26～29.

[4] 陳發(fā)祥，韓 燁.抽油機雙圓弧齒輪減速器的制造質(zhì)量控制[J].石油機械，2003，31(8)：25～26.

[5] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[6] 趙麗娟，劉宏梅.ANSYS在礦用減速器箱體應力分析中的應用[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2007，27(1)：34～35.

[編輯] 李啟棟

2009-07-28

湖北省教育廳重點科研計劃項目(2003X055)。

郭登明 (1963-)，男，1985年大學畢業(yè)，碩士，教授，現(xiàn)主要從事石油機械方面的教學與研究工作。

TH132.4

A

1673-1409(2009)04-N080-03