关于双圆弧齿轮减速器的分析

抽油机是油田采油生产中常用的地面动力设备,工作环境恶劣, 工作载荷较大 。齿轮减速器是抽油机上的关键部件 , 其重量占抽油机总重量的 20 % , 因此 , 合理的参数选取和设计对减速器质量和体积的减小至关重要 。现有抽油机的减速器几乎全部采用双圆弧齿轮, 为了满足国内抽油机出口生产的需要 , 笔者按照 API 标准要求 , 设计了1280D (146kN/m) 型减速器 , 增加了国内抽油机的出口规格和品种 。1280D抽油机用减速器采用二级分流式双圆弧人字齿轮传动 。
    1 参数的选取
    齿轮减速器是采油设备抽油机上的核心部件,其价格占全套设备的一半以上[3 ,4] 。减速器齿轮参数的选择是否合理 , 直接影响整机的工作质量和成本 。减速器的参数包括总传动比 、输出轴最高转速 、输出扭矩等 。为了保证两级齿轮传动都得到良好润滑 , 须使得两级传动的大齿轮直径相差不大 , 根据设计经验 ,取 i1 = (111 ～ 114) i2  。 i1 为低速级传动比;i2 为高速级传动比 。 i1 × i2 为减速器的总传动比 i ,一般取i = 28 ～ 31 。 另外 , 根据 API 标准规定及减速器的工作状态 , 确定输出轴的最高转速为 12r/ min 。
    2 设计计算及校核计算
    1) 齿轮的设计小齿轮选用 35CrMo , 调质处理 , HB1 = 265～295HBS; 大齿轮选用 ZG35SiMn ,调质处理 , HB2 = 265～295HBS , 按接触强度初步确定模数
    2) 齿轮的强度校核因为齿轮是按接触强度进行设计的,故先对齿根弯曲强度进行校核 。计算出小齿轮的弯曲强度安全系数 S F1 = 2185 ,而小齿轮的弯曲强度许用安全系数 S Fmin = 116 ,故小齿轮弯曲强度安全 。 同样 ,计算出大齿轮的弯曲强度安全系数 S F2 = 2142 ,而大齿轮的弯曲强度许用安全系数 S Fmin = 116 ,故大齿轮的弯曲强度安全 。
    按齿面接触强度对大小齿轮进行接触强度校核 。 计算出小齿轮接触强度安全系数S H1 = 1183 ,而小齿轮的接触强度许用安全系数 S Hmin = 113 ,故小齿轮接触强度安全 。 同样,计算出大齿轮的接触强度安全系数 S H2 = 2101 ,而大齿轮的接触强度许用安全系数 S Hmin = 113 ,故大齿轮轮接触强度安全 。
    3) 轴的强度校核 　轴的强度包括疲劳强度和静强度 ,对于双向旋转的轴, 计算出轴的疲劳强度安全系数 S = 2135 ,而轴的许用疲劳强度安全系数[ S ] = 1165 ,故轴的疲劳强度足够 。 同样 ,可计算出轴的静强度安全系数 S S = 2125 ,而轴的许用静强度安全系数[ S S ] = 115 ,故轴的静强度足够 。
    3箱体及箱盖的有限元分析
　  由于减速器箱体的结构复杂 , 所以选用功能强大的 Pro/ E 进行建模[6] 。考虑到 PRO/ E 强大的建模功能和 ANSYS 的分析功能 , 利用 Pro/ E 与 ANSYS 之间的接口 , 将模型从 PRO/ E 中导入到 ANSYS中进行分析 。
    箱体三维模型图由于箱体是受交变载荷的作用,分析其 4 个关键点 (0° 、105° 、150° 、285°) 的受力 , 对于箱盖采用连接螺栓处全约束 , 箱座采用连接螺栓和地脚螺栓处全约束 , 均施加扭矩载荷 。使用Solid92 单元为 10 结点二次四面体单元 , 箱体材料为 HT200 , 其弹性模量为 E = 113 × 1011Pa , 泊松比= 0125 。选择 6 级精度对箱体进行自由网格划分 , 在箱体的每个轴承座处选择细化 。
    分析得出最大应力在 100MPa 左右 , 小于 HT200 的极限应力 170MPa[5] 。因考虑到简化造成的误差 , 故认为箱体设计合理。
    4性能分析
　  在减速器设计过程中 , 齿轮的设计至关重要 , 该减速器采用二级分流式双圆弧人字齿轮传动 , 与渐开线齿轮等其他齿轮传递相比 , 具有如下优点:
    ① 双圆弧人字齿轮减速器由于承载能力高 , 它比其他齿形的减速器体积小 , 重量轻 , 有较小的振动和噪声 ( ≤ 20dB 左右)  。
    ② 高 、低速级均采用人字齿 , 用于变载荷场合 , 安全系数大 , 满足了抽油机减速器承受重复交变载荷 、长期连续运转这一要求 。
    ③ 双圆弧齿轮具有良好的跑合性能 , 无根切现象发生 , 而且双圆弧齿轮齿面啮合时 , 呈双线接触 , 齿轮接触线长 , 齿根较厚 , 并且有很大的相对曲率半径 , 使其弯曲强度和接触强度较渐开线齿轮提高 40 %～60 % 。
    ④ 双圆弧齿轮在啮合过程中 , 接触点沿啮合线是轴向移动 , 齿面作相对滚动 , 减少摩擦损耗 , 提高传动效率 , 运行平稳 。
    1280D 双圆弧齿轮减速器还有如下优点:
    ① 为了适应抽油机载荷变化大的要求 , 减速箱采用分流式结构 , 齿轮采用两级减速, 高速级与低速级均采用人字齿与轴承对称布置 。这样载荷沿齿宽分布较均匀 , 无轴向力 , 轴承受载平均分布 , 有利于减速器和轴承的寿命提高 。抽油机在每个冲程中都产生负扭矩 , 这种传动的布置有利于解决轴的窜动及因此造成的漏油现象 , 同时也利于齿轮传动噪声的减小 。轴承与端盖之间留有间隙 , 使齿轮易于装配 , 传动中能够自动对中 。此外 , 分流式两级圆柱齿轮减速器由于外伸轴的位置可以由任意边伸出 , 故可方便地进行机器的总体配置 。
    ② 重量是衡量产品的一个重要指标 , 减速器也不例外 。该减速器采用二级分流式双圆弧人字齿轮传动 , 双圆弧齿轮减速器中心距小 , 因而具有较小的外形尺寸 , 与老系列抽油机减速器相比 , 其承载能力提高了 30 % ,整机重量减轻了 15 % , 整台减速器的重量仅为 1019t 。
    5结 语
　  1280D 抽油机减速器采用对称分流式双圆弧人字齿轮传动 , 体积小 、重量轻 、密封好 、噪音低 、运转平稳 、承载能力强 、使用寿命长 , 目前已用于大港油田的出口抽油机配套 , 并出口至加拿大 。现场应用表明 , 1280D 减速器使用安全可靠 , 在同类产品中具有较高的技术经济指标 , 具有广阔的市场前景 。