320D型抽油機(jī)減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

高星，江叔通，涂明

（南昌齒輪鍛造廠，江西南昌330044）

320D型抽油機(jī)減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

高星，江叔通，涂明

（南昌齒輪鍛造廠，江西南昌330044）

減速器是抽油機(jī)的核心部件，減速器的性能直接影響整個(gè)抽油機(jī)的性能。目前國(guó)內(nèi)抽油機(jī)減速器普遍采用雙圓弧減速器，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，雙圓弧減速器技術(shù)已經(jīng)較完善，但是仍存在著噪聲大、重量重、使用壽命短、傳動(dòng)比小等缺陷。在雙圓弧減速器的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在第一級(jí)傳動(dòng)中，以行星輪傳動(dòng)代替雙圓弧齒輪傳動(dòng)，以提高減速器的傳動(dòng)比；將第二級(jí)的從動(dòng)齒輪由整體式改成分體式結(jié)構(gòu)，以提高齒輪的性能。對(duì)優(yōu)化的部分進(jìn)行了強(qiáng)度分析，符合設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而達(dá)到降低抽油機(jī)減速器重量、噪聲、振動(dòng)，以及提高減速器傳動(dòng)比的目的。

雙圓弧減速器；行星輪傳動(dòng)；傳動(dòng)比；優(yōu)化設(shè)計(jì)

抽油減速器作為采油設(shè)備的重要組成部分，其生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟。為提高采油效率，應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)高承載能力、高齒面硬度、高精度和高可靠性的減速器，成為當(dāng)務(wù)之急。目前國(guó)內(nèi)抽油機(jī)專(zhuān)用減速器大多采用雙圓弧齒形圓柱齒輪，內(nèi)部齒輪結(jié)構(gòu)為人字齒分流式布置，受制于技術(shù)瓶頸，抽油機(jī)專(zhuān)用雙圓弧齒輪減速器存在著噪聲大、轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)等缺陷。行星齒輪傳動(dòng)具有承載能力大、體積小、效率高、重量輕、傳動(dòng)比大、噪聲小、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，若在抽油機(jī)減速器中采用行星輪與雙圓弧人字齒輪復(fù)合傳動(dòng)，既能保證減速器在工況惡劣的條件下使用，又能使減速器具有行星齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)[1]，降低減速器重量、噪聲、振動(dòng)，并提高了減速器的使用壽命和整機(jī)的傳動(dòng)效率。本文對(duì)320D型抽油機(jī)減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

普通320D型減速器為二級(jí)分流式人字齒輪傳動(dòng)，如圖1所示。第一級(jí)、第二級(jí)均采用雙圓弧人字齒輪傳動(dòng)。第一級(jí)包括輸入軸1和中間級(jí)左右旋齒輪2；第二級(jí)包括中間軸3、從動(dòng)齒輪（人字齒）4和輸出軸5.

圖1 普通320D型減速器示意圖

優(yōu)化的新型減速器也為二級(jí)傳動(dòng)，如圖2所示。第一級(jí)為行星輪結(jié)構(gòu)，第二級(jí)為雙圓弧人字齒輪傳動(dòng)。第一級(jí)行星齒輪機(jī)構(gòu)包括輸入軸1、內(nèi)齒圈2、行星架3、安裝在行星架上并與內(nèi)齒圈嚙合的行星齒輪4以及與行星齒輪外嚙合的太陽(yáng)輪5，行星輪傳動(dòng)采用NGW型[1-2]嚙合方式，第二級(jí)為雙圓弧人字齒輪結(jié)構(gòu)，包括中間級(jí)左右旋齒輪6、中間軸7、輸出軸8和從動(dòng)齒輪（人字齒）9.

圖2 新型320D型減速器示意圖

從兩者整個(gè)結(jié)構(gòu)比較可以得知，新型320型減速器較普通的緊湊、簡(jiǎn)單。將中間軸和輸入軸串行，節(jié)省整個(gè)傳動(dòng)的寬度和減少了軸的長(zhǎng)度。主要是在第一級(jí)傳動(dòng)和第二級(jí)傳動(dòng)的從動(dòng)齒輪做了較大優(yōu)化。

第一級(jí)傳動(dòng)利用行星齒輪的優(yōu)點(diǎn)，使得整個(gè)減速器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，且提高減速器的傳動(dòng)比，適于大扭矩傳動(dòng)。在第二級(jí)齒輪傳動(dòng)中，普通320D型減速器的從動(dòng)齒輪為整體合金鑄鋼結(jié)構(gòu)，如圖3所示。而新型320D型減速器的從動(dòng)齒輪的結(jié)構(gòu)是由兩片旋向相反的斜齒輪通過(guò)螺栓2連接而成，如圖4所示。單片斜齒輪采用焊接結(jié)構(gòu)，齒圈1和輪轂3的材料為合金鑄鋼，筋板4材料為45#鋼，三者焊接后再進(jìn)行加工，可滿足性能要求。

圖3 普通320D型從動(dòng)齒輪（整體鑄鋼結(jié)構(gòu)）

圖4 新型320D型從動(dòng)齒輪（焊接結(jié)構(gòu)）

2參數(shù)及性能對(duì)比分析

現(xiàn)將普通320D型雙圓弧齒輪減速器與新型的部分參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，具體如表1所列。

表1 性能參數(shù)對(duì)比表

新型320D型減速器第一級(jí)傳動(dòng)中的齒輪材料采用20CrMnMo，熱處理方式為滲碳淬火[3]，其齒面硬度比普通320D型減速器有著明顯提高，并增加了磨齒工序，使得齒輪表面耐磨性、齒輪表面光潔度、齒輪強(qiáng)度得到大幅提高。

從表1中可以看出新型320D減速器在傳動(dòng)比、中心距、重量、噪聲方面比普通320D型減速器有著明顯的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)圖3、圖4可知，普通320D型減速器的從動(dòng)齒輪為整體合金鑄鋼結(jié)構(gòu)，無(wú)法采用磨齒工藝，而新型320D型減速器的從動(dòng)齒輪是兩片斜齒輪通過(guò)螺栓連接，從而可以對(duì)單片齒輪采用磨齒工藝，大大提高了從動(dòng)齒輪的加工精度，降低了減速器在運(yùn)行的中所產(chǎn)生的噪聲。

3強(qiáng)度分析

本文選取減速器的高速級(jí)進(jìn)行強(qiáng)度分析。該減速器主要技術(shù)參數(shù)如下：

高速級(jí)傳動(dòng)比i1=5.7；額定輸入轉(zhuǎn)速ni=1 000 rpm；額定壽命t=35 000 h；太陽(yáng)輪齒數(shù)Za1=20；內(nèi)齒圈齒數(shù)Zb1=94；行星輪齒數(shù)Zc1=37；行星輪個(gè)數(shù)np=3；模數(shù)m01=6mm.

3.1 行星輪與太陽(yáng)輪嚙合接觸強(qiáng)度分析[3-4]

實(shí)際計(jì)算接觸應(yīng)力σHac1=σH0ac1[Ka1*Kv1*KHβ1* KHα1]0.5=3.19×108Pa，其中，節(jié)點(diǎn)處計(jì)算接觸應(yīng)力的基本值σH0ac1=1.713×108Pa，使用系數(shù)Ka1=1.8，動(dòng)載系數(shù)Kv1=1.5，齒向載荷分布系數(shù)KHβ1=1.168，齒間載荷分布系數(shù)KHα1=1.1.

許用接觸應(yīng)力σHpac1=（σHlim1*ZNT1*Zx1*ZL1*ZV1*ZW1*ZR1）/SHlim1=1.084×109Pa，其中，太陽(yáng)輪的接觸疲勞極限σHlim1=1 500 MPa，最小安全系數(shù)SHlim1=1.27，壽命系數(shù)ZNT1=0.937，尺寸系數(shù)Zx1=1.012，潤(rùn)滑系數(shù)ZL1=1.03，速度系數(shù)ZV1=1.01，工作硬化系數(shù)ZW1=1，粗糙度系數(shù)ZR1=0.93.

σHac1=3.19×108Pa＜σHpac1=1.084×109Pa，滿足強(qiáng)度條件。

3.2 行星輪與內(nèi)齒圈嚙合接觸強(qiáng)度分析

實(shí)際計(jì)算接觸應(yīng)力σHbc1=σH0bc1[Ka1*Kv1'*KHβ1* KHα1]0.5=2.59×108Pa，其中，節(jié)點(diǎn)處計(jì)算接觸應(yīng)力的基本值σH0bc1=1.685×108Pa，動(dòng)載系數(shù)Kv1' =1.02.

許用接觸應(yīng)力σHpbc1=（σHlim2*ZNT1*Zx1*ZL1'* ZV1'*ZW1*ZR1）/SHlim1=9.47×108Pa，其中，行星輪的接觸疲勞極限σHlim2=1 500 MPa，潤(rùn)滑劑系數(shù)ZL1' =1.07，速度系數(shù)ZV1' =0.85.

σHbc1=2.59×108Pa＜σHpbc1=9.47×108Pa，滿足強(qiáng)度條件。

3.3 彎曲疲勞強(qiáng)度分析

行星輪實(shí)際計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力σFc1=σF0c1*Ka1*Kv1*KHβ1*KFa1=1.178×108Pa，其中，行星輪齒根應(yīng)力的基本值σF0c1=3.398×107Pa，齒間載荷分配系數(shù)KFa1=1.1.

行星輪許用齒根彎曲應(yīng)力σFpc1=（σFlim2*YST1* YNT1*YδrelTc1*YRrelT1*Yx1）/SFmin1=6.458×108Pa，其中，行星輪的接觸疲勞極限σFlim2=500 MPa，試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)YST1=2，壽命系數(shù)YNT1=1.03，行星輪相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)YδrelTc1=0.96，相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)YRrelT1=1.045，尺寸系數(shù)Yx1=1，彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)SFmin1=1.6.

σFc1＜σFpc1，滿足強(qiáng)度要求。

太陽(yáng)輪實(shí)際計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力：σFa1=σF0a1*Ka1*Kv1*KHβ1*KFa1=5.72×107Pa，其中，齒根彎曲應(yīng)力基本值σF0a1=1.65×107Pa.

太陽(yáng)輪許用齒根彎曲應(yīng)力σFpa1=（σFlim1*YST1* YNT1*YδrelTa1*YRrelT1*Yx1）/SFmin1=6.458×108Pa，其中，行星輪的彎曲疲勞極限σFlim1=500 MPa.

σFa1＜σFpa1滿足強(qiáng)度要求。

內(nèi)齒圈實(shí)際計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力σFb1=σF0b1*Ka1*Kv1*KHβ1*KFa1=1.178×108Pa，其中，內(nèi)齒圈齒根彎曲應(yīng)力的基本值σF0b1=3.398×107Pa.

內(nèi)齒圈許用齒根彎曲應(yīng)力：σFpb1=（σFlim3*YST1* YNT1*YδrelTa1*YRrelT1*Yx1）/SFmin1=4.262×108Pa，其中，內(nèi)齒圈的彎曲疲勞極限σFlim3=330 MPa.

σFb1＜σFpb1滿足強(qiáng)度要求。

綜上對(duì)比，額定使用壽命5年的范圍內(nèi)，太陽(yáng)輪、行星輪以及內(nèi)齒圈的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均滿足要求，高速級(jí)行星輪的設(shè)計(jì)也在安全范圍之內(nèi)。

4結(jié)束語(yǔ)

新型320D減速器將行星齒輪結(jié)構(gòu)應(yīng)用于抽油機(jī)用齒輪減速器，提高了齒輪表面耐磨性、加工精度和強(qiáng)度，并且提高減速器的使用壽命和整機(jī)的傳動(dòng)效率，降低了減速器的噪聲。在同等參數(shù)下，中心距由同機(jī)型的950 mm減小到約為650 mm，重量由9.8 t左右減小到約為3.5 t；設(shè)計(jì)壽命由原來(lái)的3年提高到5年，制作成本有所下降，有良好的性?xún)r(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

[1]饒振剛.行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]李運(yùn)秋，賀永富，張展.2K-H懸浮均載行星齒輪減速器[J].礦山機(jī)械，1997（10）：108-109，112.

[3]李華敏，李玫賢.齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

The Optim ization Design of the 320 Pumping UnitReducer

GAO Xing，JIANG Shu-tong，TU Ming
（Nanchang Gear Forging Factory，Nanchang Jiangxi 330044，China）

Reducer is the core component of pumping unit，the performance of the reducer directly affects the performance of the whole pumping unit.At present，the pumping unit reducers are commonly used by double arc reducer，after long-term development，the technology of the double arc reducer has been relatively perfect，but there are many defects，such as noisy，heavy weight，short life，small transmission ratio and so on.In the first stage transmission，planetary transmission instead of double circular arc gear drive，and improves the reducer transmission ratio，the second stage of the driven gear from the whole change to split type to improve the performance of the gear，the intensity of the optimized part is analyzed，meets the design requirements，so as to achieve the purpose of reducing the reducersweight，noise，vibration，and improves the gear ratio of the reducers.

double arc reducer；planetary transmission；transmission ratio；optimization design

TH132.46

A

1672-545X（2016）12-0041-03

2016-09-06

高星（1986-），男，江西撫州人，助理工程師，學(xué)士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械加工工作。