基于剖分式结构的ZP495型转盘大锥齿圈联接设计及分析

2016-01-29张力常宝华魏雷邢金玲胡世林

机械制造与自动化 2015年4期

张力，常宝华，魏雷，邢金玲，胡世林

(兰州理工大学机电学院，甘肃兰州 730050)

张力，常宝华，魏雷，邢金玲，胡世林

(兰州理工大学机电学院，甘肃兰州 730050)

摘要：鉴于顶驱的广泛应用和传统转盘的不可替代性，针对国内制造大型弧齿锥齿圈困难问题，根据ZP495型石油钻机转盘参数，对大型锥齿圈提出一种新的设计思路。将大锥齿圈剖分为等90°的4块，加工后联接而成。运用Pro/e建立三维模型，在ANSYS中进行受力分析，将模拟值与理论计算值进行比较，验证设计结果。结果表明，剖分式大锥齿圈连接强度满足要求，变形量小，达到转盘的使用要求。

关键词：转盘；大锥齿；剖分式结构；联接

Design and Analysis of Divide Large Straight Bevel Gear For ZP495 Rotary Table

ZHANG Li，CHANG Baohua, WEI Lei, XING Jinling，HU Shilin

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

Abstract:Because the top drive is widely used, the traditional rotary table is irreplaceable and it is difficult to make the large spiral bevel gear at home, this paper designs a new large straight bevel gear, that the large straight bevel gear is divided into 4 blocks of 90° and the they are joined together with bolts. Three-dimensional model is established in Pro/e and analyzed in ANSYS. Simulation result is compared with theory value. Its feasibility is verified. The result shows four-piece large straight bevel gear is characteristic of strong connecting intensity and small deformation which meets the requirement of ZP495 rotary table.

Keywords:rotary table; large straight bevel gear; divided structure; connection

0引言

我国油气资源严重不足，为了提高石油的自给率，满足经济增长需求，必须扩展勘探领域和深度。石油钻机是完成石油钻井任务的主要工具，而钻井作业是一项投资巨大的风险性工程。顶驱连续工作转矩的能力要大于转盘，并在处理某些事故的能力上要强于转盘。虽然顶驱在钻井设备中有着重要地位，但转盘也有着顶驱所不具备的优势。现代钻井技术还不能用顶驱完全替代转盘。顶驱的广泛运用可以考虑弱化传统转盘，降低钻井机械生产成本，提升钻井经济效益。在大型钻机中ZP495型转盘是作为超深井(12 000 m)钻机的重要旋转核心配件，所需的转盘开口通孔直径为1 257.3 mm，其作用是在钻井过程中传递足够的扭矩(最大扭矩64 kN·m)，承载钻具质量(最大静载荷9 000 kN)[1-4]，转盘结构如图1所示。

1—上盖；2—铸焊底座；3—大锥齿圈；4—转台装置；5—衬心套；6—主轴承；7—磁性油塞；8—主油箱，9—小锥齿轮，10—输入轴总成图1　ZP495型转盘结构示意图

该转盘中核心传动部件的作用是利用锥齿轮副实现减速并提供钻井所需扭矩，其中ZP495型转盘大锥齿轮副(1 931 mm)的制造对于国内机床来说，加工难度大[5]，达到了现有设备加工极限：为此，结合顶驱的优势和转盘的不可替代性，文中将传统转盘中的大锥齿轮设计为直齿剖分式锥齿圈，以便于使用现有机床加工出所需的大型锥齿圈。

1接合面设计

剖分式齿轮第一个需要解决的问题是设计合理的接合面，保证能正确接合。圆柱直齿剖分式大齿圈对口接合面的设计，主要有以下三种设计形式。

1) 全平面接合。整个接合面制造为一个平面，如图2所示。用螺栓联接后完全接合，在理想状态下要求接合面完全接触，但由于制造加工、装配等原因，实际接合面不会达到理想接合状态。用螺栓联接后接合面较大，在齿圈运转过程中，螺栓会因为接合面接触不紧密以及摩擦产生的温差而受到附加应力。此种结构在特大型齿圈中不常采用。

1—双头螺栓；2—矩形定位键；3—矩形键槽；4—半齿圈图2　全平面接合

2) 斜平面接合。这种接合面互成一定角度，如图3所示。螺栓孔和定位铰制螺栓孔对角分布便于定位。当剖分面转过驱动轮，剖分面一侧的齿刚脱离啮合，另一侧的齿受力时，斜平面会对联接螺栓加载附加应力，缩短了螺栓的使用寿命。该接触面设计结构加大了加工难度，并且在装配时也增加螺栓联接的装配难度。

1—半齿圈；2—螺栓孔；3—定位铰制螺栓孔图3　斜平面接合

3) 部分平面接合。接合面的设计中有一部分是凹下的。这样设计降低了齿圈加工难度，也减少了接合面的面积，螺栓联接后更容易使接合平面完全结合。在使用中接触面的单位压力更大，传动时产生的温差不会对螺栓产生附加应力，负载不至提高，保证联接的可靠性，是一种较为合理的联接结构。

参考以上三种接合结构，此次设计的锥齿圈采用部分平面接合的形式。剖分面两侧设计为平面，锥齿轮幅螺栓联接部分设计为阶梯型不完全接触。

2接合面的定位

接合面定位在一般的联接中有以下几种常用的定位方式[6]。

1) 键定位

一般的键定位是在接合面加工出圆孔或者矩形槽，如图2所示。此种定位方式加工工艺简单，并且易于装配，缺点是只有径向定位而没有轴向定位。

2) 卡箍定位

在接合面两侧各加工出一个半圆凸台，拼接时组成一个圆柱形凸台，利用卡箍套在上面卡紧定位。此种定位方式主要缺点是加工难度大，并且装配时都需要热装，给装配带来不便，不易于达到装配要求。

3) 铰制孔螺栓定位

在接合面对角方向有一对铰制孔，安装的螺栓对接合面定位准确并且加工简单。在联接方式中的缺点是大齿圈需要拆开维护时，铰制孔螺栓要更换一组。

参照一般形式的定位方式，该形式的转盘用大型锥齿圈采用铰制孔螺栓定位，制造和安装方便。在接合面处采用一个铰制孔螺栓，一个普通螺栓交替安装，如图4所示。

1—铰制孔螺栓；2—普通螺栓；3—连接块；4—普通螺栓；5—1/4锥齿圈；6—垫片图4　接合面定位联接设计

3ZP495型转盘大锥齿圈的参数确定

基于ZP495型转盘结构设计锥齿圈参数。石油钻机转盘的传动比在3.333左右，最高转速300r/min。为了便于设计剖分式大齿圈，确定小齿轮齿数z1=31，大齿圈齿数z2=100，传动比u=3.226。大齿圈齿数选择为4的倍数便于使剖分面位于齿谷中央，尽可能减少对齿圈的影响，也保证被剖开齿圈的对称性。具体几何模型参数如表1所示。