張力，常寶華，魏雷，邢金玲，胡世林

(蘭州理工大學 機電學院，甘肅 蘭州 730050)

基于剖分式結構的ZP495型轉盤大錐齒圈聯(lián)接設計及分析

張力，常寶華，魏雷，邢金玲，胡世林

(蘭州理工大學 機電學院，甘肅 蘭州 730050)

摘要：鑒于頂驅的廣泛應用和傳統(tǒng)轉盤的不可替代性，針對國內制造大型弧齒錐齒圈困難問題，根據(jù)ZP495型石油鉆機轉盤參數(shù)，對大型錐齒圈提出一種新的設計思路。將大錐齒圈剖分為等90°的4塊，加工后聯(lián)接而成。運用Pro/e建立三維模型，在ANSYS中進行受力分析，將模擬值與理論計算值進行比較，驗證設計結果。結果表明，剖分式大錐齒圈連接強度滿足要求，變形量小，達到轉盤的使用要求。

關鍵詞：轉盤；大錐齒；剖分式結構；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

我國油氣資源嚴重不足，為了提高石油的自給率，滿足經濟增長需求，必須擴展勘探領域和深度。石油鉆機是完成石油鉆井任務的主要工具，而鉆井作業(yè)是一項投資巨大的風險性工程。頂驅連續(xù)工作轉矩的能力要大于轉盤，并在處理某些事故的能力上要強于轉盤。雖然頂驅在鉆井設備中有著重要地位，但轉盤也有著頂驅所不具備的優(yōu)勢?，F(xiàn)代鉆井技術還不能用頂驅完全替代轉盤。頂驅的廣泛運用可以考慮弱化傳統(tǒng)轉盤，降低鉆井機械生產成本，提升鉆井經濟效益。在大型鉆機中ZP495型轉盤是作為超深井(12 000 m)鉆機的重要旋轉核心配件，所需的轉盤開口通孔直徑為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)，承載鉆具質量(最大靜載荷9 000 kN)[1-4]，轉盤結構如圖1所示。

1—上蓋；2—鑄焊底座；3—大錐齒圈；4—轉臺裝置；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型轉盤結構示意圖

該轉盤中核心傳動部件的作用是利用錐齒輪副實現(xiàn)減速并提供鉆井所需扭矩，其中ZP495型轉盤大錐齒輪副(1 931 mm)的制造對于國內機床來說，加工難度大[5]，達到了現(xiàn)有設備加工極限：為此，結合頂驅的優(yōu)勢和轉盤的不可替代性，文中將傳統(tǒng)轉盤中的大錐齒輪設計為直齒剖分式錐齒圈，以便于使用現(xiàn)有機床加工出所需的大型錐齒圈。

1接合面設計

剖分式齒輪第一個需要解決的問題是設計合理的接合面，保證能正確接合。圓柱直齒剖分式大齒圈對口接合面的設計，主要有以下三種設計形式。

1) 全平面接合。整個接合面制造為一個平面，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，實際接合面不會達到理想接合狀態(tài)。用螺栓聯(lián)接后接合面較大，在齒圈運轉過程中，螺栓會因為接合面接觸不緊密以及摩擦產生的溫差而受到附加應力。此種結構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角分布便于定位。當剖分面轉過驅動輪，剖分面一側的齒剛脫離嚙合，另一側的齒受力時，斜平面會對聯(lián)接螺栓加載附加應力，縮短了螺栓的使用壽命。該接觸面設計結構加大了加工難度，并且在裝配時也增加螺栓聯(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。接合面的設計中有一部分是凹下的。這樣設計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合。在使用中接觸面的單位壓力更大，傳動時產生的溫差不會對螺栓產生附加應力，負載不至提高，保證聯(lián)接的可靠性，是一種較為合理的聯(lián)接結構。

參考以上三種接合結構，此次設計的錐齒圈采用部分平面接合的形式。剖分面兩側設計為平面，錐齒輪幅螺栓聯(lián)接部分設計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單，并且易于裝配，缺點是只有徑向定位而沒有軸向定位。

2) 卡箍定位

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

3) 鉸制孔螺栓定位

在接合面對角方向有一對鉸制孔，安裝的螺栓對接合面定位準確并且加工簡單。在聯(lián)接方式中的缺點是大齒圈需要拆開維護時，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鉸制孔螺栓，一個普通螺栓交替安裝，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)接設計

3ZP495型轉盤大錐齒圈的參數(shù)確定

基于ZP495型轉盤結構設計錐齒圈參數(shù)。石油鉆機轉盤的傳動比在3.333左右，最高轉速300r/min。為了便于設計剖分式大齒圈，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，盡可能減少對齒圈的影響，也保證被剖開齒圈的對稱性。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，因此針對該轉盤所需的大直徑、薄輪輻錐齒輪的特點，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]。

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

4螺栓聯(lián)接布局設計

在設計好的直齒錐齒輪中,保證該轉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計參數(shù)，采用部分平面接合，鉸制孔螺栓定位，針對ZP495型轉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：

要求接合面不能產生滑移的條件，計算螺栓所需預緊力為：

選擇聯(lián)接螺栓材料為Q235、性能等級5.8級的螺栓。根據(jù)以上結果計算后，參考螺栓擰緊時的扳手空間，確定每個螺栓間距為80mm，選擇M16的螺栓。

此設計采用部分平面聯(lián)接方式。聯(lián)接面設計成階梯型，對摩擦面噴丸等工藝進行處理[10]。階梯型設計有兩個目的，1) 螺栓孔的定位作用。一方面每側的螺栓孔在錐齒圈加工時都可作為加工定位孔；另一方面裝配時為錐齒圈聯(lián)接提供定位。2) 聯(lián)接處的階梯型接合面相當于止口定位，在轉盤正反轉動時都能為螺栓減載。

為提高螺栓聯(lián)接的可靠性，裝配時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收縮，產生更大的拉緊力保證接合面接觸均勻，螺栓不易松動。

5建模及仿真

按照前面設計結果，在PRO/e中建立大錐齒輪實體模型。圖6為1/4錐齒圈和螺栓聯(lián)接后錐齒圈實體模型。

圖6　1/4錐齒圈和全齒圈實體模型

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

圖7　網(wǎng)格化分示意圖

根據(jù)ZP495轉盤實際情況，在大錐齒輪內圈采用固定約束，小齒輪內圈加載于兩齒輪定義接觸部分方向相對應的轉動扭矩64kN·m。分析完成后，得到相應的應力云圖8和應變云圖9。

圖8　應力云圖

圖9　應變云圖

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

總變形云圖(圖10)顯示所設計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，滿足轉盤使用要求。

圖10　總變形云圖

6結論

1) 在石油鉆機中弱化轉盤趨勢的前提下，設計剖分式直齒錐齒圈。利用Pro/e建立模型并導入ANSYS中進行受力分析，應力應變云圖符合齒輪受力規(guī)律，驗證仿真的可靠性。對接合面的變形分析，說明此次設計滿足設計要求。

2) 剖分式大錐齒圈能減小對國外大型齒輪進口依賴，有效降低了ZP495型轉盤所需錐齒輪的生產成本。

3) 借鑒直齒圓柱剖分式齒輪設計結構，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。

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收稿日期：2014-01-03

中圖分類號：TE922；TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0030-03

作者簡介：張力(1966-)，女，甘肅蘭州人，教授級高級工程師，主要從事石油鉆采機設備和農業(yè)節(jié)水灌溉設備研究。