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        自升式鉆井平臺升降裝置變速箱齒輪檢修探索

        2020-04-07 11:09:34包自強顧志超
        海洋石油 2020年1期
        關(guān)鍵詞:測量

        包自強,顧志超

        (中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300452)

        目前,我國在用的自升式鉆井平臺升降裝置多為進(jìn)口設(shè)備,變速箱齒輪是升降裝置的關(guān)鍵零件。由于沒有變速箱齒輪的技術(shù)參數(shù),嚴(yán)重影響了設(shè)備的修理和加工,為了突破這一技術(shù)壁壘,嘗試對某自升式鉆井平臺升降裝置(型號:D60H)變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了探索。

        齒輪的技術(shù)參數(shù)主要包括:模數(shù)m(或徑節(jié)P),壓力角α,齒數(shù)Z,齒頂高系數(shù)ha*,頂隙系數(shù)C*和變位系數(shù)X。這六個基本參數(shù)確定后,其余參數(shù)便迎刃而解。

        齒輪的參數(shù)在國際上分兩大系列:由中國、前蘇聯(lián)、瑞士、德國、捷克、法國和日本等國采用的模數(shù)m系列;由美國和英國等國采用的徑節(jié)P系列。

        確定齒輪的參數(shù)系列,首先應(yīng)明確齒輪屬于模數(shù)m系列還是徑節(jié)P系列,一般根據(jù)齒輪的制造國籍進(jìn)行判別。我們知道NOV屬于跨國公司,其產(chǎn)品有許多屬于美制和英制的零件,按此推理,齒輪可能采用徑節(jié)P系列;但本設(shè)備是由NOV的BLM公司制造,而BLM公司在法國,齒輪應(yīng)采用模數(shù)m系列。究竟屬于徑節(jié)P系列還是模數(shù)m系列?查閱相關(guān)技術(shù)資料,并沒有注明齒輪的參數(shù)和制造標(biāo)準(zhǔn)。為破解這一難題,需對變速箱齒輪進(jìn)行檢測,制定檢測工藝,通過檢測施工獲得第一手檢測數(shù)據(jù);通過對檢測數(shù)據(jù)的分析和計算確定變速箱齒輪的技術(shù)參數(shù)。

        自升式鉆井平臺升降裝置變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)的探索主要包括:檢修施工、齒輪參數(shù)測量、齒輪參數(shù)的分析與計算等過程。

        1 檢修施工

        自升式鉆井平臺升降裝置變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)的檢修施工需將升降裝置變速箱解體。為了保障鉆井平臺的穩(wěn)定性,應(yīng)先將待解體的升降裝置載荷轉(zhuǎn)移至其它升降裝置。

        進(jìn)行檢修施工準(zhǔn)備,主要包括下述內(nèi)容:

        (1)施工設(shè)備和工具準(zhǔn)備;

        (2)齒輪測量的量具準(zhǔn)備:公法線千分尺、外徑千分尺、內(nèi)徑千分尺、內(nèi)徑百分表、游標(biāo)卡尺和齒厚游標(biāo)卡尺等;

        (3)工裝準(zhǔn)備:制作放置變速箱的臺架;

        (4)將變速箱內(nèi)潤滑油放出;

        (5)做好變速箱拆卸前的位置標(biāo)記,以便裝配時正確就位;

        (6)變速箱電機斷電,進(jìn)行能源隔離;

        (7)在吊車的配合下,將變速箱從升降裝置上吊下;

        (8)用吊車將變速箱吊至放置變速箱的臺架上;

        (9)拆卸變速箱,清洗齒輪等零件。

        以上工作完成后,接下來即可進(jìn)行齒輪的參數(shù)測量。

        2 齒輪參數(shù)測量

        2.1 變速箱齒輪傳動

        變速箱齒輪傳動情況:由電動機輸入動力,經(jīng)過第1級、第2級、第3級和第4級的變速傳動,由第4級輸出軸將動力輸出。根據(jù)變速箱齒輪傳動情況,繪制變速箱齒輪傳動圖(圖1)。

        圖1 變速箱齒輪傳動圖

        現(xiàn)以第2級變速傳動系統(tǒng),齒輪編號2.1和編號2.2為例,進(jìn)行齒輪參數(shù)測量、分析和計算說明。

        2.2 齒輪齒形

        變速箱內(nèi)齒輪齒形及齒輪現(xiàn)場嚙合狀態(tài)見圖 2。

        圖2 齒輪齒形

        從圖2我們可以看出,小齒輪(編號2.1)齒頂較尖,大齒輪(編號2.2)齒頂較平,直觀表明齒輪是變位設(shè)計,其變位系數(shù)須經(jīng)測量、分析和計算確定。

        2.3 齒輪參數(shù)測量

        齒輪齒數(shù):小齒輪(編號2.1)齒數(shù)Z1,大齒輪(編號2.2)齒數(shù)Z2。

        測量齒頂圓直徑:小齒輪齒頂圓直徑da1',大齒輪齒頂圓直徑da2'。

        測量齒寬:小齒輪齒寬b1,大齒輪齒寬b2。

        測量齒輪公法線[1]:小齒輪跨越2齒的公法線值W2',跨越3齒的公法線值W3';大齒輪跨越9齒的公法線值W9',跨越10齒的公法線值W10'。

        測量齒輪中心距:小齒輪與大齒輪之間的中心距a'。

        參數(shù)測量數(shù)據(jù)見表1。

        表1 測量數(shù)據(jù)

        3 齒輪參數(shù)分析與計算

        3.1 計算基圓齒距Pb

        根據(jù)公法線測量值計算基圓齒距Pb,小齒輪的基圓齒距表示為Pb1,大齒輪的基圓齒距表示為Pb2:

        式中:Pb1為小齒輪的基圓齒距,mm;Pb2為大齒輪的基圓齒距,mm;小齒輪跨越2齒的公法線值W2',mm;跨越3齒的公法線值W3',mm;大齒輪跨越9齒的公法線值W9',mm;跨越10齒的公法線值W10',mm.

        參數(shù)分析:Pb1=17.700 mm是小齒輪2.1(齒數(shù)Z1=14)的基圓齒距;Pb2=17.710 mm是大齒輪2.2(齒數(shù)Z2= 85)的基圓齒距,兩組數(shù)據(jù)比較接近。

        3.2 確定模數(shù)m或徑節(jié)P、壓力角α

        基圓齒距Pb、模數(shù)m、壓力角α的關(guān)系公式:Pb= πmcosα。

        由基圓齒距Pb1和Pb2值查《機械修理大全》基圓齒距Pb= πmcosα表 1-8-35[2],得出 :

        Pb= 17.713 mm,對應(yīng)模數(shù)m= 6 mm,壓力角α= 20°。

        參數(shù)分析:模數(shù)m= 6 mm是齒輪設(shè)計采用的第一系列參數(shù)。

        3.3 判別傳動類型,確定是否為變位齒輪

        初步測算非變位時的標(biāo)準(zhǔn)中心距:

        式中:a0為標(biāo)準(zhǔn)中心距,mm;m為模數(shù);Z1為小齒輪齒數(shù),個;Z2為大齒輪齒數(shù),個。

        參數(shù)分析:初步測算齒輪副的標(biāo)準(zhǔn)中心距是297.00 mm,這與中心距測量值a'= 300.00 mm不符,因此,判斷被測齒輪為角度變位齒輪傳動。

        3.4 計算變位系數(shù)

        根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中心距a0、中心距測量值a',計算嚙合角α':

        式中:a0為標(biāo)準(zhǔn)中心距,mm;a'為中心距測量值,mm ;α'為嚙合角,°。

        根據(jù)小齒輪齒數(shù)Z1、大齒輪齒數(shù)Z2、壓力角α、嚙合角α'、漸開線函數(shù)invα'及invα,計算變位系數(shù)和X∑:

        式中:為變位系數(shù)和;Z1為小齒輪齒數(shù),個;Z2為大齒輪齒數(shù),個;α為壓力角,°;α'為嚙合角,°;invα'及 invα為漸開線函數(shù)。

        齒輪傳動為正角度變位傳動。

        根據(jù)中心距測量值a'、標(biāo)準(zhǔn)中心距a0、模數(shù)m,計算中心距變動系數(shù)y:

        式中:y為中心距變動系數(shù);a'為中心距測量值,mm;a0為標(biāo)準(zhǔn)中心距,mm;m為模數(shù)。

        計算齒高變動系數(shù)Δy

        式中:Δy為齒高變動系數(shù);X∑為變位系數(shù)和;y為中心距變動系數(shù)。

        計算變位系數(shù)X1:

        式中:X1為變位系數(shù);da1'為小齒輪齒頂圓直徑測量值,mm;da2'大齒輪齒頂圓直徑測量值,mm;m為模數(shù),Z1為小齒輪齒數(shù),個;Z2為大齒輪齒數(shù),個;為變位系數(shù)和。

        根據(jù)變位系數(shù)和X∑、變位系數(shù)X1,計算變位系數(shù)X2:

        式中:X2為變位系數(shù);X∑為變位系數(shù)和;X1為變位系數(shù)。

        參數(shù)分析:變位系數(shù)和X∑= 0.518 422 7> 0,稱為正角度變位齒輪傳動。

        嚙合角α' = 21.519°>α = 20°,設(shè)計時選擇嚙合角α'大于分度圓壓力角(20°),可以提高齒輪的抗彎曲疲勞強度。

        3.5 校驗計算參數(shù)

        查《機械設(shè)計手冊》表16.2-2[3]:壓力角α = 20°, 齒頂高系數(shù) ha*= 1。

        3.5.1 校驗齒輪中心距

        根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中心距a0、壓力角α、嚙合角α',計算中心距a:

        式中:a為中心距,mm;a0為標(biāo)準(zhǔn)中心距,mm;α為壓力角,°;α'為嚙合角,°。

        計算中心距a = 300 mm與中心距測量值a'=300 mm完全相等。

        3.5.2 校驗齒頂圓直徑

        校核小齒輪齒頂圓直徑da1:

        式中:da1為小齒輪齒頂圓直徑,mm;m為模數(shù);Z1為小齒輪齒數(shù),個;ha*為齒頂高系數(shù);X1為變位系數(shù);Δy為齒高變動系數(shù)。

        小齒輪齒頂圓計算直徑da1= 102.22 mm,與齒頂圓直徑測量值da1' = 102.70 mm相比,僅差0.48 mm。

        校核大齒輪齒頂圓直徑da2:

        式中:da2為大齒輪齒頂圓直徑,mm;m為模數(shù);Z2為大齒輪齒數(shù),個;ha*為齒頂高系數(shù);X2為變位系數(shù);Δy為齒高變動系數(shù)。

        大齒輪齒頂圓計算直徑da2= 521.57 mm,與齒頂圓直徑測量值da2' = 522.05 mm相比,僅差0.48 mm。

        3.5.3 校驗齒輪公法線值

        根據(jù)模數(shù)m、壓力角α、公法線跨齒數(shù)k, 查《機械設(shè)計手冊》表16.2-20[3],小齒輪Z1= 14時k = 2,漸開線函數(shù)invα,變位系數(shù)X1,校核小齒輪的公法線值W2:

        式中:W2為小齒輪的公法線值,mm;m為模數(shù);α為壓力角,°;k為公法線跨齒數(shù); Z1為小齒輪齒數(shù),個; invα為漸開線函數(shù);X1為變位系數(shù)。

        小齒輪的公法線計算值W2= 29.950 mm,與法線測量值W2' = 30.000 mm相比,僅差0.050 mm。

        根據(jù)模數(shù)m、壓力角α、公法線跨齒數(shù)k, 查《機械設(shè)計手冊》表16.2-20[3],大齒輪Z2= 85時k = 10,漸開線函數(shù)invα,變位系數(shù)X2,校核大齒輪的公法線值W10:

        式中:W10為小齒輪的公法線值,mm;m為模數(shù);α為壓力角,°;k為公法線跨齒數(shù);Z2為小齒輪齒數(shù),個; invα為漸開線函數(shù);X2為變位系數(shù)。

        大齒輪的公法線計算值W10= 175.340 mm與公法線測量值W10' = 175.310 mm相比,僅差0.030 mm。

        3.5.4 校驗齒輪嚙合角

        根據(jù)壓力角α、小齒輪齒數(shù)Z1、大齒輪齒數(shù)Z2、變位系數(shù)和X∑、漸開線函數(shù)invα,校核嚙合角:α'。

        式中:α'為嚙合角,°;α為壓力角,°;Z1為小齒輪齒數(shù),個;Z2為大齒輪齒數(shù),個;X∑為變位系數(shù)和;invα為漸開線函數(shù)。

        查《機械設(shè)計手冊》表16.2-9[3]得:α'=21.519°

        參數(shù)分析:通過以上齒輪參數(shù)校驗表明,齒輪參數(shù)計算值與測量值吻合,驗證了齒輪參數(shù)的正確性。

        4 確定齒輪技術(shù)參數(shù)

        我們對變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了上述的探索,測量變速箱齒輪技術(shù)參數(shù),通過對檢測數(shù)據(jù)的分析和計算,破解了齒輪參數(shù),確定了齒輪采用模數(shù)m系列,而非徑節(jié)P系列。

        小齒輪2.1和大齒輪2.2構(gòu)成的齒輪副為直齒外嚙合平行軸漸開線圓柱齒輪,齒輪參數(shù)為:模數(shù)m = 6 mm,壓力角α = 20°,齒頂高系數(shù) ha*= 1,頂隙系數(shù)C*= 0.25,齒數(shù)Z1= 14,齒數(shù)Z2= 85,變位系數(shù)X1= 0.536 294 68,X2= -0.017 871 98。

        5 升降裝置變速箱檢修裝復(fù)和實踐驗證

        待齒輪的參數(shù)測量工作完成后,即可進(jìn)行升降裝置變速箱齒輪的檢查和修理工作,按修理工程要求和相關(guān)規(guī)范進(jìn)行修理施工,對于變速箱齒輪,根據(jù)《GB/T 3481—1997 齒輪輪齒磨損和損傷的術(shù)語》[4]及《JB/T 5664—2007 重載齒輪 失效判據(jù)》[5],判斷齒輪是否失效。對于失效齒輪,按照確定的齒輪技術(shù)參數(shù)繪制圖紙,加工齒輪,更換失效的齒輪。檢修軸、軸承,更換備件和損壞件,檢查并更換密封件等。以上工作完成后,裝復(fù)該升降裝置變速箱,回裝工序與上述的拆卸工序相反,加潤滑油。進(jìn)行空載試車,負(fù)荷試車,完成該項目驗收交接。后來在該自升式鉆井平臺實際鉆井作業(yè)過程中對升降裝置變速箱齒輪進(jìn)行了數(shù)次(一個月、三個月、半年、一年)檢查,齒輪磨損正常,升降裝置變速箱運轉(zhuǎn)正常。

        6 結(jié)論

        完成了自升式鉆井平臺升降裝置(型號:D60H)變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)的探索,經(jīng)分析與計算,確定了齒輪技術(shù)參數(shù),突破了進(jìn)口設(shè)備的技術(shù)壁壘,為齒輪測量、分析和計算開創(chuàng)了一個良好的范例。為設(shè)備的使用、修理和制造提供了技術(shù)依據(jù),為齒輪的自主加工開辟了途徑,按此探索的技術(shù)路線,我們完成了進(jìn)口齒輪的檢測、修理和加工,設(shè)備運行正常。驗證了自升式鉆井平臺升降裝置(型號:D60H)變速箱齒輪技術(shù)參數(shù)的正確性。這樣的探索推進(jìn)了進(jìn)口設(shè)備國產(chǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化。文中的技術(shù)參數(shù)、分析和計算方法具有一定的推廣和借鑒價值。

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