浅谈弧齿锥齿轮在钻机设计中的应用.pdf

2 0 2 3年6月地质装备浅谈弧齿锥齿轮在钻机设计中的应用朱立强1,2,孔令沪1,2,程林1,2,任立坤1,2,王洪炜1,2,王浩1,2(1.河北省地质矿产勘查开发局国土资源勘查中心,石家庄 0 5 0 0 8 1;2.河北石探机械制造有限责任公司,石家庄 0 5 0 0 8 1)摘 要:随着弧齿锥齿轮的加工技术逐渐成熟,弧齿锥齿轮在钻井行业应用得也越来越广泛。针对原来钻机中变速、分动箱体及转盘等部件因为采用直齿锥齿轮而产生的噪音大、承载能力低,传动不平稳等现象,现在越来越多的生产厂家逐步用弧齿锥齿轮来替代,对提高钻机的效率使用寿命,改善工作环境等具有重要的意义。本文结合实际加工和工地施工情况,通过理论设计对变速箱锥齿轮进行了优化。关键词:弧齿锥齿轮;设计参数;优化中图分类号:P 6 3 4.3;T H 1 3 2.4 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9 2 8 2 X(2 0 2 3)0 3 0 0 0 9 0 3D i s c u s s i o n o n t h e A p p l i c a t i o n o f S p i r a l B e v e l G e a r s i n D r i l l i n g M a c h i n e D e s i g nZ HU L i q i a n g1 2 K O N G L i n g h u1 2 C H E N G L i n1 2 R E N L i k u n1 2 WA N G H o n g w e i1 2 WA N G H a o1 21 L a n d R e s o u r c e s E x p l o r a t i o n C e n t e r H e b e i B u r e a u o f G e o l o g y&M i n e r a l E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p m e n t S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 8 1 C h i n a2 H e b e i S h i t a n M a c h i n e r y M a n u f a c t u r i n g C o L t d S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 8 1 C h i n aA b s t r a c t A s t h e p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y o f s p i r a l b e v e l g e a r s g r a d u a l l y m a t u r e s s p i r a l b e v e l g e a r i n d r i l l i n g i n d u s t r y i s m o r e a n d m o r e w i d e l y u s e d I n r e s p o n s e t o t h e p h e n o m e n o n o f h i g h n o i s e l o w l o a d-b e a r i n g c a p a c i t y a n d u n e v e n t r a n s m i s s i o n c a u s e d b y t h e u s e o f s t r a i g h t b e v e l g e a r s i n t h e v a r i a b l e s p e e d t r a n s f e r b o x a n d r o t a r y t a b l e c o m p o n e n t s o f t h e o r i g i n a l d r i l l i n g r i g m o r e a n d m o r e m a n u f a c t u r e r s a r e g r a d u a l l y r e p l a c i n g t h e m w i t h s p i r a l b e v e l g e a r s w h i c h i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e f o r i n c r e a s i n g t h e e f f i c i e n c y a n d l i f e s p a n o f d r i l l i n g r i g a s w e l l a s i m p r o v i n g t h e w o r k i n g e n v i r o n m e n t T h i s a r t i c l e o p t i m i z e s t h e g e a r b o x b e v e l g e a r t h r o u g h t h e o r e t i c a l d e s i g n b a s e d o n a c t u a l p r o c e s s i n g a n d c o n s t r u c t i o n s i t e c o n d i t i o n s K e y w o r d s s p i r a l b e v e l g e a r d e s i g n p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n 收稿日期:2 0 2 2 0 4 1 2 作者简介:朱立强(1 9 8 3-),男,机械设计制造及其自动化专业,工程师,从事钻井设备、地质钻具研发工作,E-m a i l:8 4 9 4 1 7 5 5 8 q q.c o m。0 引言弧齿锥齿轮采用收缩齿,齿轮产形冠轮上的齿线是圆弧,因此弧齿锥齿轮传动平稳、噪声低,承载能力高于直齿锥齿轮,具有便于控制和调整齿面接触区、对安装误差和变形不太敏感等特点。适用于圆周速度v 5 m/s的相交轴齿轮传动或转速n1 0 0 0 r/m i n,以及重载的传动1。现在水井及各类钻机中越来越多地采用弧齿锥齿轮来代替直齿锥齿轮2。钻机中通常用于变速箱、分动箱或转盘等部位,轴夹角=9 0,有特殊要求时,允许9 0,一般常用螺旋角=3 5 3。弧齿锥齿轮传动具有重合系数大、传动平稳、承载能力高、使用寿命长及能实现大传动比等优点,广泛应用于航空、航天和汽车机械传动系统中的空间传动4,而且国内的矿山、冶金、水泥、石油及船舶工业也逐渐采用了精度越来越高的弧齿锥齿轮。我国从2 0世纪6 0年代中期开始对弧齿锥齿轮进行了相关研究,随着国内制造业发展水平的提升,数控铣齿机逐渐普及,高速和重载条件下的弧齿锥齿轮副的设计、生产、制造成本也越来越低。齿轮副在相对运动、润滑、传动效率、承载能力、振动噪声、节能高效等方面也满足了地质钻探领域的有关要求。地质钻探机械开始对弧齿锥齿轮的应用呈上升趋势,尤其是在钻机的变速箱、分动箱、卷扬机、转盘9朱立强等:浅谈弧齿锥齿轮在钻机设计中的应用第2 4卷 第3期等系统部件7。本文以目前市场中常见的6 0 0 m水井钻机变速箱为例,浅谈弧齿锥齿轮在钻机中的设计。1 弧齿锥齿轮主要参数初算按传动要求,轴夹角=9 0,螺旋角=3 5,齿数比初值u0=1.3,小轮转矩T1按4 0 0 0 Nm计算,小轮大端分度圆直径初值d1 0=1 9 0 mm,小齿轮左旋,大齿轮右旋,设计图见图1。图1 弧齿锥齿轮设计图F i g.1 D e s i g n d r a w i n g o f s p i r a l b e v e l g e a r小轮齿轮齿数初选z1=2 7;大轮齿数z2=u0z1=3 5.1,圆整后大轮齿数z2=3 5;大端端面模数mt=d1 0/z1=7 mm;根据所选格里森齿形制,齿顶高系数h*a=0.8 5,顶隙系数c*=0.1 8 8,法向压力角n=2 0;工作齿高h=2h*amt=1 1.9 mm;切向变位系数xn=0。2 弧齿锥齿轮几何参数计算弧齿锥齿轮是基于直齿锥齿轮演变而来,啮合面积大于直齿锥齿轮,考虑到强度因素,选择相同材料及热处理方法和加工精度,以及相同的端面模数和齿数等相关几何参数。结合地质钻探领域的使用工况,需要速度较高的中等载荷齿轮或中等速度的重载齿轮,特选用精度等级较高的7级精度。弧齿锥齿轮几何参数计算如下,实际加工图见图2。小轮大端分度圆直径de 1=mtz1=1 8 9 mm;大图2 实际加工的弧齿锥齿轮F i g.2 A c t u a l m a c h i n e d s p i r a l b e v e l g e a r s轮大端分度圆直径de 2=mtz2=2 4 5 mm。小轮分锥角1计算公式1为1=a r c t a ns i n(z2/z1+c o s)(1)计算可得1=3 7.6 4 7 6=3 7 3 8 5 1;大轮分锥角2=9 0 -1=5 2 2 1 9。大端锥距R=de 1/(2 s i n1)=1 5 4.7 1 4 mm,齿宽b=0.3R=4 6.4 1 4 mm,大端齿距p=mt=2 1.9 9 1 1 mm。齿顶高ha=(h*a+xn)mt=5.9 5 mm,齿顶间隙c=c*mt=1.3 1 6 mm,齿根高hf=(h*a+c*)mt=7.2 6 6 mm,全齿高h=ha+hf=1 3.2 1 6 mm。齿根角f计算公式1为f=a r c t a n(hf/R)(2)计算可得f=2 4 1 2 0。小轮顶锥角a 1=1+f=4 0 2 0 1 1,大轮顶锥角a 2=2+f=5 5 2 2 9。小轮根锥角f 1=1-f=3 4 5 7 3 1,大轮顶锥角f 2=2-f=4 9 3 9 4 9。小 轮 齿 顶 圆 直 径da 1=de 1+2hac o s1=1 9 8.4 2 2 2 mm,大 轮 齿 顶 圆 直 径da 2=de 2+2hac o s2=2 5 2.2 6 8 6 mm。小、大轮冠顶距Aa 1、Aa 2计算公式1分别为Aa 1=de 2/2-has i n1(3)Aa 2=de 1/2-has i n2(4)计算可得Aa 1=1 1 8.8 6 5 7 m m,Aa 2=8 9.7 8 8 9 m m。分度圆弧齿厚s计算公式1为s=mt(/2+2xnt a nn+xn)(5)计算可得s=1 0.9 9 6 mm。3 实际应用情况按上述参数加工的弧齿轮用于S P-6 0 0钻机变速箱,替换原来的直齿锥齿轮。在磨合试验过程中,012 0 2 3年6月地质装备发现传动平稳,噪声明显降低。在涞源水井项目施工中,钻深4 0 0 m,终孔直径3 1 1 mm;在青海某水井施工项目中,钻深4 5 0 m,终孔直径2 7 3 mm。用户普遍反映变速箱工作正常,噪声低,钻进效率提高约3 0%。在经过1 0 0 0 0 h耐磨性应用实验后6,弧齿锥齿轮比直齿锥齿轮的磨损程度有明显减低,达到了延长锥齿轮使用寿命的目的,应用效果见图3。图3 使用1 0 0 0 0 h后的弧齿锥齿轮F i g.3 S p i r a l b e v e l g e a r a f t e r 1 0 0 0 0 h o u r s o f u s e承受重载的钻机变速箱和转盘锥齿轮副一直是钻机的易损零件,严重影响着钻机的正常运行,采用重合系数大的弧齿锥齿轮副传动后,传动更加平稳、冲击载荷承受能力显著提高、使用寿命增长,现在弧齿锥齿轮已经在深孔及中深孔的钻机变速箱和部分转盘上得到了广泛的应用。4 结语随着地勘行业的发展和转型,施工单位对钻机效率和钻井设备稳定性的要求也越来越高7。采用弧齿锥齿轮传动的钻机提高了钻井设备的稳定性,满足了施工单位对设备的要求,对钻探设备的提升也具有重要意义。参考文献(R e f e r e n c e s):1 徐灏.机械设计手册M.北京:机械工业出版社,2 0 0 0.X U H a o.H a n d b o o k o f m e c h a n i c a l d e s i g nM.B e i j i n g:C h e m i c a l I n d u s t r y P r e s s,2 0 0 0.2 李晓晖,程林,等.便捷式S P T-1 5 0 0拖车钻机的研制与应用J.探矿工程(岩土钻掘工程),2 0 1 5,4 2(6):3 5 3 8.L I X i a o h u i,C H E N G L i n,L I Y a n l i,e t a l.D e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f c o n v e n i e n t S P T-1 5 0 0 t r a i l e r m o u n t e d r i gJ.D r i l l i n g E n g i n e e r i n g,2 0 1 5(6):3 5 3 8.3 王慧岭,程林,朱立强.新型S P T-6 0 0拖车钻机的研制J.探矿工程(岩土钻掘工程),2 0 1 1,3 8(6):2 62 8,3 2.WA N G H u i l i n g,C H E N G L i n,Z HU L i q i a n g.D e v e l o p m e n t o f S P T-6 0 0 t r a i l e r-m o u n t e d r i g J.D r i l l i n g E n g i n e e r i n g,2 0 1 1,3 8(6):2 6 2 8,3 2.4 董红涛.弧齿锥齿轮技术研究的现状和发展趋势J.机械传动,2 0 1 2,3 6(1 0):1 1 5 1 1 8.D O N G H o n g t a o.R e s e a r c h s t a t u s a n d d e v e l o p m e n t t r e n d o f s p i r a l b e v e l g e a r t e c h n o l o g yJ.J o u r n a l o f M e c h a n i c a l T r a n s m i s s i o n,2 0 1 2,3 6(1 0):1 1 5 1 1 8.5 宋伟,宋秋锋,吕龙,等.新型S P T-1 5 0 0拖车钻机的研制及应用J.探矿工程(岩土钻掘工程),2 0 1 4,4 1(1 1):4 1 4 5.S O N G W e i,S O N G Q u f e n g,L V L o n g,e t a l D e v e l o p m e n t o f S P I-1 5 0 0 t r a i l e r-r i g a n d t h e a p p l i c a t i o n J.D r i l l i n g E n g i n e e r i n g,2 0 1 4(1 1):4 1 4 5.6 D Z/T 0 0 4 79 3.水文水井钻机技术条件S.D Z/T 0 0 4 79 3.T e c h n i c a l c o n d i t i o n s o f h y d r o l o g i c a l w a t e r w e l l d r i l l i n g r i g sS.7 孔令沪,满国祥,等.新型并置式双卷扬车载钻机的研制 J.探矿工程(岩土钻掘工程),2 0 1 7,4 4(6):1 8 2 2.K O N G L i n g h u,MA N G u o x i a n g,W A N G S h i z h a o,e t a l.D e v e l o p m e n t o f a n e w c o l l o c a t e d d o u b l e-h o i s t e r t r u c k m o u n t e d d r i l l i n g r i g J.D r i l l i n g E n g i n e e r i n g;2 0 1 7,4 4(6):1 8 2 2.11