許福東，胡成峰，董立，馮定

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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?180鉆具用螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及力學(xué)分析驗(yàn)證

許福東，胡成峰，董立，馮定

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

從?180鉆具用螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)移植集成演變創(chuàng)新的角度出發(fā)，進(jìn)行了傳統(tǒng)構(gòu)思方案設(shè)計(jì)研究。確定該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，開展以其體積最小為目標(biāo)函數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選研究，并以該結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行輸入軸、輸出軸和活齒等關(guān)鍵零件的3D造型設(shè)計(jì)；利用Solid Works軟件，完成了該機(jī)構(gòu)概念圖裝配，在該機(jī)構(gòu)概念圖上進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用移植集成演變創(chuàng)新研究切合實(shí)際，能有效地將其由磨粒磨損變?yōu)辄c(diǎn)蝕，延長其壽命；以該機(jī)構(gòu)體積最小為目標(biāo)函數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選具實(shí)用價(jià)值，為機(jī)構(gòu)繼續(xù)創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)；以該機(jī)構(gòu)概念圖為模型的靜力分析，確定該機(jī)構(gòu)的合理螺旋導(dǎo)程數(shù)為1，驗(yàn)證了優(yōu)選的結(jié)果；對(duì)該機(jī)構(gòu)概念圖模型的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)其激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離固有頻率，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)趨于合理；發(fā)現(xiàn)的部分薄弱點(diǎn)為該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了較詳實(shí)的力學(xué)依據(jù)。

螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選；ANSYS靜力分析；模態(tài)分析

螺旋鋼球活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于傳遞兩同軸間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是一種空間行星式機(jī)械傳動(dòng)裝置。國內(nèi)東南大學(xué)崔建偉等[1]對(duì)其傳動(dòng)特點(diǎn)和傳動(dòng)比的計(jì)算方法進(jìn)行了推導(dǎo)，并對(duì)其抽齒規(guī)律進(jìn)行了研究。中國礦業(yè)大學(xué)王洪欣、燕山大學(xué)曲志剛和日本小杉勛等[2～4]對(duì)該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸上的導(dǎo)槽數(shù)，承載鋼球數(shù)進(jìn)行了理論分析，并對(duì)其軸承的支反力進(jìn)行了理論計(jì)算公式推導(dǎo)，同時(shí)進(jìn)行了關(guān)鍵零件力學(xué)分析研究。德國、美國和前蘇聯(lián)學(xué)者對(duì)螺旋鋼球活齒傳動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)，受力和傳動(dòng)比計(jì)算進(jìn)行了深入的理論研究，相繼出現(xiàn)了一些螺旋鋼球活齒方面專利，并成功運(yùn)用于汽車的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。如今螺旋鋼球活齒已成為一個(gè)相當(dāng)活躍的新領(lǐng)域[1，4～5]。

現(xiàn)有的螺旋鋼球活動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在著潤滑差、磨粒磨損嚴(yán)重、多級(jí)螺旋鋼球串聯(lián)、使承載不均嚴(yán)重、鋼球循環(huán)槽入口處有沖擊和結(jié)構(gòu)較特殊等不足，不適合直接作為井下工具使用。針對(duì)以上不足，筆者提出了相應(yīng)改進(jìn)措施：①進(jìn)行?180鉆具用螺旋鋼球活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)移植集成演變創(chuàng)新研究；②結(jié)合?180調(diào)節(jié)型渦輪鉆具工作結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行螺旋鋼球活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選設(shè)計(jì)；③在結(jié)構(gòu)簡圖基礎(chǔ)上，抽象出螺旋鋼球活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)概念圖，使用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析，以便從力學(xué)角度更好改進(jìn)其結(jié)構(gòu)性能，并使螺旋鋼球活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能適合在井下特殊工況下使用的需要。

1　?180鉆具用螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)移植集成演變創(chuàng)新研究

螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本體具有滾珠絲杠副的傳動(dòng)沖擊小、定位精度高、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)誤差小和使用維護(hù)方便的特點(diǎn)，在一些特殊工況(如石油鉆井)條件下，是齒輪減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較理想的替代機(jī)構(gòu)[6]。滾珠絲杠是一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(直線運(yùn)動(dòng))的變換機(jī)構(gòu)，滾珠絲杠副主要是由絲杠、螺母、滾珠和回珠管組成。在絲杠和螺母上有滾珠回珠滾道，該滾道將螺旋滾道的首尾兩端連接成封閉的循環(huán)滾道，絲杠和螺母滾道內(nèi)裝滿滾珠。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在滾道內(nèi)自轉(zhuǎn)，同時(shí)又在封閉滾道內(nèi)循環(huán)，使絲杠和螺母相對(duì)產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)絲杠固定時(shí)，螺母即可產(chǎn)生相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)相關(guān)構(gòu)件作直線運(yùn)動(dòng)。研究該機(jī)構(gòu)中間環(huán)節(jié)的滾珠運(yùn)動(dòng)，可以產(chǎn)生新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新構(gòu)思[7]。

圖1　鋼球在兩平板中的運(yùn)動(dòng)

圖2　正弦滾珠活齒傳動(dòng)原理圖

圖3　輸出軸示意圖

正弦活齒傳動(dòng)是一種嚙合傳動(dòng)，其活齒在某一點(diǎn)處的嚙合如圖 2所示。正弦曲線構(gòu)成的2條鋼球活齒滾道，在任一點(diǎn)處即正弦滾珠活齒傳動(dòng)的原理點(diǎn)處，切線與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的夾角是β1和βi。顯然，正是由于β1和βi這2個(gè)角的不同才構(gòu)成正弦活齒傳動(dòng)的嚙合特性。將這2條切線看作2條螺旋線的切線(見圖2)，其表示滾珠絲杠中的螺母和絲杠選用了不同的螺旋參數(shù)，螺旋槽內(nèi)的鋼球只能處于兩螺旋槽相交的位置。在絲杠、螺母之間安裝一個(gè)和正弦活齒機(jī)構(gòu)相同的輸出軸(見圖3)，輸出軸沿軸向開槽，槽的寬度與鋼球相配合。2個(gè)螺旋槽內(nèi)嚙合的鋼球帶動(dòng)該輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)就構(gòu)成了螺旋鋼球活齒傳動(dòng)。

螺旋鋼球活齒傳動(dòng)是結(jié)合了滾珠絲杠和正弦活齒傳動(dòng)的特點(diǎn)從而產(chǎn)生的一種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)利用導(dǎo)架作為輸出機(jī)構(gòu)，并使?jié)L珠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所傳遞的扭矩作為輸出參數(shù)，能使該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同軸輸出。移植壓力平衡充油補(bǔ)償密封系統(tǒng)機(jī)構(gòu)到該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，集成上述所有機(jī)構(gòu)構(gòu)成了鉆具用螺旋鋼球活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[7]。壓力平衡與充油補(bǔ)償系統(tǒng)機(jī)構(gòu)改變了該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損狀態(tài)，使原來的磨粒磨損變?yōu)辄c(diǎn)蝕失效狀態(tài)。

圖4中有輸入軸、輸出軸、殼體、滾珠活齒和軸承等零件。當(dāng)滾珠活齒運(yùn)動(dòng)到擋珠器時(shí)就進(jìn)入了循環(huán)滾道，從循環(huán)滾道另一端出來再次進(jìn)入螺旋槽里完成一次循環(huán)。鉆具用螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一種新型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其具有高傳動(dòng)效率、小體積、長壽命、高扭矩輸出的特點(diǎn)，并能很好地滿足?180調(diào)節(jié)型渦輪鉆具用減速器要求的工作條件[6]。

圖4　?180鉆具用螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(減速器)結(jié)構(gòu)簡圖

2　?180鉆具用螺旋鋼球活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選設(shè)計(jì)

?180鉆具用螺旋鋼球活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)的設(shè)計(jì)用傳統(tǒng)的試湊法進(jìn)行[8]。試湊結(jié)果為輸入軸徑為60mm，活齒直徑為10mm，活齒個(gè)數(shù)為8，螺旋線數(shù)為1。筆者利用Matlab軟件的最優(yōu)化方法對(duì)該活齒傳動(dòng)進(jìn)行初步探討。首先，選擇4個(gè)設(shè)計(jì)變量D1(輸入軸的直徑，mm)、dg(活齒直徑，mm)、K(活齒個(gè)數(shù)，常數(shù))；S(機(jī)架、輸入軸的螺旋線數(shù)，常數(shù))。其次確定目標(biāo)函數(shù)為總體積最小[9]。軸類選用材料為35CrMo，殼類選用材料為42CrMo，表面淬火，硬度45HRC。約束條件為：

1)鋼球活齒與輸入軸螺旋滾道的接觸強(qiáng)度≤許用接觸應(yīng)力；

2)鋼球活齒與輸入軸螺旋滾道的接觸強(qiáng)度≤許用接觸應(yīng)力；

3)鋼珠活齒與輸出軸的接觸強(qiáng)度≤許用接觸應(yīng)力；

6)根據(jù)有關(guān)資料規(guī)定及工程經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)變量的上下界： 50≤D1≤60，8≤dg≤15，3≤K≤10，3≤S≤5。

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中取傳動(dòng)比為7，輸入功率7kW，輸入轉(zhuǎn)速1400r/min，輸出功率6.3kW，輸出轉(zhuǎn)速150～200r/min。材料同上，接觸疲勞強(qiáng)度極限由工程手冊(cè)決定。由于機(jī)構(gòu)在輕載下工作總功率很小，初步優(yōu)化退化為一種結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選。利用Matlab軟件編程，上機(jī)運(yùn)行得優(yōu)選結(jié)果：輸入軸的直徑為50mm；活齒直徑為8mm；活齒個(gè)數(shù)為9；機(jī)架、輸入軸的螺旋線數(shù)為3。

根據(jù)?180鉆具用螺旋鋼球活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)選結(jié)果，對(duì)其關(guān)鍵零件輸入軸、輸出軸和活齒等零件進(jìn)行Solidworks軟件3D造型設(shè)計(jì)。并在Solidworks虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配。同時(shí)作“干涉檢查”，得到該機(jī)構(gòu)概念性裝配圖[10]，即?180鉆具用螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)概念圖(見圖5)。

圖5　?180鉆具用螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)概念圖

3　?180鉆具用螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)概念圖靜力學(xué)分析

在該螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)概念圖進(jìn)行靜力學(xué)分析前，進(jìn)行以下處理工作：

1)用Solidworks建立螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的3D模型，保存x-t格式文件，并用ANSYS Workbench打開模型[11，12]；設(shè)置材料屬性；在該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)概念圖中，全部軸類零件的材質(zhì)選取的合金鋼為35CrMo。其屈服強(qiáng)度為835MPa，拉伸強(qiáng)度為980MPa。殼體類合金鋼為42CrMo。其屈服強(qiáng)度為930MPa，拉伸強(qiáng)度為1080MPa。其彈性模量為2.06×1011N/m2，泊松比υ=0.3，密度ρ=7850kg/m3。

2)建立接觸區(qū)域。滾珠活齒、輸入軸、導(dǎo)架(輸出軸)和殼體之間的接觸設(shè)定為Bonded。

3)施加載荷和約束。依據(jù)該減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在井下工作的要求，輸出最大扭矩取T2=1000N·m，傳動(dòng)比i取7～10，傳動(dòng)效率η=90%，依據(jù)公式T2=T1×i×η可得，輸入軸的扭矩大約為130N·m。因而施加給主動(dòng)軸(輸入軸)的扭矩取為150N·m左右，直接施加在輸入軸圓柱表面。該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的殼體固定在鉆具里，因而只需施加一個(gè)固定約束即可，且該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體的直徑為137mm，機(jī)構(gòu)(減速器)最大外徑為156mm，調(diào)節(jié)型渦輪鉆具外徑為180mm。為方便，將?180鉆具用螺旋鋼球活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)概念圖簡稱為減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

經(jīng)過ANSYS軟件靜力學(xué)分析[12]可得機(jī)構(gòu)模型的等效應(yīng)力圖(見圖6)。 對(duì)輸入軸進(jìn)行分析，最大應(yīng)力出現(xiàn)在活齒槽與滾珠接觸處以及軸臺(tái)階處(見圖6(a))；對(duì)輸出軸進(jìn)行分析，最大應(yīng)力出現(xiàn)在輸出軸和導(dǎo)架槽與滾珠接觸處(見圖6(b))；滾珠活齒在減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在前面兩排滾珠上(見圖6(c))，其他活齒受力很小，為鋼球個(gè)數(shù)確定提供了依據(jù)；殼體在減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在活齒槽與滾珠接觸處(見圖6(d))，而且其最大應(yīng)力值為71.6MPa。

圖6　機(jī)構(gòu)模型的等效應(yīng)力圖

依據(jù)以上結(jié)果分析可知，該減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力主要集中在活齒與輸入軸和輸出軸的活齒槽接觸處，以及在活齒與導(dǎo)架接觸處。鋼球活齒排數(shù)至少為2。其接觸應(yīng)力小于該材料的許用應(yīng)力。這樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)才基本適合井下調(diào)節(jié)型渦輪鉆具的使用要求。

4　?180鉆具用螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)概念圖模態(tài)分析

為了建立模態(tài)分析模型，對(duì)該螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行適當(dāng)簡化并作處理：

1)將該螺旋活齒減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3D模型導(dǎo)入ANSYS后，得到的ANSYS模型。與上述設(shè)置相同，進(jìn)行前處理工作，另設(shè)置輸入軸的轉(zhuǎn)速[13，14]。

2)進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。要考慮整個(gè)模型的動(dòng)態(tài)分析就必須對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。具體利用三維實(shí)體單元來劃網(wǎng)格。由于殼體與輸入軸上的螺旋滾道比較復(fù)雜，因而選擇SOLID185單元來進(jìn)行其網(wǎng)格的劃分[12～14]。該單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，在空間坐標(biāo)系中共有24個(gè)自由度。該網(wǎng)格單元具有應(yīng)力鋼化、蠕變、超彈性、大變形和大應(yīng)變能力等特點(diǎn)，能很好的適用于該螺旋活齒槽這種不規(guī)則形狀的三維模型網(wǎng)格的劃分[12](見圖7)。

3)在ANSYS中確立活齒、輸入軸和導(dǎo)架之間的接觸單元，使其裝配關(guān)系得到確立。利用SOLID185進(jìn)行單元的劃分，選用TARGE作為目標(biāo)單元，相應(yīng)的接觸單元應(yīng)選CONTA174。

4)在求解器中建立活齒傳動(dòng)的模態(tài)分析選項(xiàng)，選擇MODAL作為分析類型。依據(jù)該螺旋活齒傳動(dòng)的特征，選用BLOCK LANCZOS法作為該分析的模態(tài)提取方法。該模態(tài)疊加求解效率高，迭代時(shí)收斂較快。設(shè)定模態(tài)擴(kuò)展數(shù)為6，模態(tài)頻率設(shè)定為0～25000Hz。

5)對(duì)建立好模態(tài)分析選項(xiàng)的機(jī)構(gòu)施加載荷。該機(jī)構(gòu)殼體外面對(duì)稱的60°圓柱面以及殼體前端被固定在鉆具中，其軸線與水平面可以看作為垂直，其內(nèi)壁被軸承固定，故可對(duì)殼體的自由度進(jìn)行全約束，只允許其具有軸向的自由度。輸入軸作為扭矩的輸入端，受軸承的約束作用，具有繞中心旋轉(zhuǎn)的自由度，導(dǎo)架作為輸出軸的組成部分同樣只有兩端軸承給其約束力，約束完殼體、輸入軸和導(dǎo)架后，就不需要對(duì)滾珠活齒添加任何約束。該種工況下模型的加載如圖8。

圖7　螺旋活齒減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格圖

圖8　螺旋活齒減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體施加兩邊對(duì)稱60°約束和前端約束

表1　螺旋活齒減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1～6階固有頻率

經(jīng)ANSYS的模態(tài)分析計(jì)算后，得出螺旋活齒減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和各主要構(gòu)件對(duì)應(yīng)的固有頻率與振型圖[14]。表1列出了該種工況下的1～6階固有頻率，圖9～圖12為該工況下該螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)前4階固有振型圖。

在該螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載變化不大以及振型分析計(jì)算誤差比較小的情況下，其激勵(lì)頻率就是嚙合剛度的變化頻率，表達(dá)式為：

f=n/60

(1)

式中,n為輸入軸轉(zhuǎn)速，r/min；f為嚙合剛度的變化頻率，Hz。

圖9　減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)第一階整體振型圖

圖10　減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)第二階整體振型圖

圖11　減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)第三階整體振型圖

圖12　減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)第四階整體振型圖

當(dāng)該螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入額定轉(zhuǎn)速為1500r/min左右時(shí)，其一階系統(tǒng)的基頻為5810Hz，與該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的激勵(lì)頻率25Hz差距很大，此時(shí)該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)小，也無太大噪音。

由以上工況下的振型圖可知：①在該減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處于一階振型狀態(tài)時(shí),輸入軸主要以沿著Z方向的軸向振動(dòng)為主，無彎曲振動(dòng)現(xiàn)象，且在輸入軸末端軸向振動(dòng)最大。輸出軸主要以沿著Z軸方向的軸向振動(dòng)為主，輸出軸與導(dǎo)架中間處軸向振動(dòng)最大，無彎曲振動(dòng)。此時(shí)殼體無振動(dòng)現(xiàn)象。②在該減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處于二階振型狀態(tài)時(shí),輸入軸存在著沿Z軸方向的軸向振動(dòng)，同時(shí)也存在著彎曲振動(dòng)，在輸入軸末端振動(dòng)最大。此時(shí)，輸出軸存在著沿Z軸的軸向振動(dòng)，同時(shí)也存在著彎曲振動(dòng)。彎曲振動(dòng)在輸出端與導(dǎo)架中間處達(dá)到最大。殼體此時(shí)產(chǎn)生微小振動(dòng)現(xiàn)象。③在該減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處于三階振型狀態(tài)時(shí),輸入軸存在著軸向振動(dòng)，無彎曲振動(dòng)，且振動(dòng)在輸入端與活齒槽前段兩者的中間處最大。輸出軸存在著軸向振動(dòng)，但發(fā)生輕微的彎曲振動(dòng)，且軸向振動(dòng)在導(dǎo)架末端最大。殼體此時(shí)無振動(dòng)現(xiàn)象。④在該減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處于四階振型狀態(tài)時(shí),輸入軸存在著軸向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，在輸入軸前端與輸入端兩者中間處彎曲振動(dòng)最大；輸出軸也存在著軸向振動(dòng)與彎曲振動(dòng)，彎曲振動(dòng)最大處存在于導(dǎo)架末端。軸向振動(dòng)在導(dǎo)架末端達(dá)到最大；殼體有輕微振動(dòng)現(xiàn)象。

5　結(jié)論

1)經(jīng)由?180鉆具用少齒差兩級(jí)齒輪閉式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓力平衡補(bǔ)償密封系統(tǒng)的移植，圓柱正弦活齒傳動(dòng)和滾珠螺母絲杠傳動(dòng)集成演變成為該螺旋鋼球活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。消除了正弦活齒的切頂現(xiàn)象。傳動(dòng)更平穩(wěn)，各部分磨損趨于一致，閉式潤滑使該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由原來磨粒磨損狀態(tài)變?yōu)辄c(diǎn)蝕狀態(tài)。故該機(jī)構(gòu)工作壽命更長。

2)利用Matlab軟件，以該機(jī)構(gòu)總體積最小為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)選計(jì)算所得結(jié)果與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法得出結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比分析可知，優(yōu)選后的結(jié)構(gòu)參數(shù)能使該機(jī)構(gòu)體積更小，結(jié)構(gòu)參數(shù)更趨合理，并為深入研究該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)打基礎(chǔ)。

3)以優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出的減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處于井下工況時(shí)，靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，其各零部件之間承受的為接觸應(yīng)力。接觸應(yīng)力都在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，構(gòu)件處于安全工況。依據(jù)滾珠在機(jī)構(gòu)中最大應(yīng)力的分布規(guī)律，可以確定機(jī)構(gòu)的合理導(dǎo)程參數(shù)為1，驗(yàn)證前面優(yōu)選結(jié)果。依據(jù)靜力學(xué)分析，還可以對(duì)該減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)改造，避免其機(jī)構(gòu)接觸構(gòu)件的接觸應(yīng)力過大。

4)對(duì)螺旋鋼球活齒減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，求出了工況下前6階固有頻率。該機(jī)構(gòu)的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離固有頻率，證實(shí)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

5)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)了其他薄弱環(huán)節(jié)，為該螺旋活齒減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更好應(yīng)用于井下調(diào)節(jié)型渦輪鉆具而進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供較現(xiàn)實(shí)的理論依據(jù)。

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[編輯]辛長靜

2016-04-12

許福東(1964-)，男，博士,教授，現(xiàn)主要從事石油機(jī)械工程和工程力學(xué)方面的教學(xué)與研究工作；E-mail：2396956227@qq.com。

TH132.1

A

1673-1409(2016)22-0068-07

[引著格式]許福東，胡成峰，董立，等.?180鉆具用螺旋活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及力學(xué)分析驗(yàn)證[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(22)：68～74.