抽油機(jī)是油田采油生產(chǎn)中常用的地面動力設(shè)備,工作環(huán)境惡劣, 工作載荷較大,。齒輪減速器是抽油機(jī)上的關(guān)鍵部件 , 其重量占抽油機(jī)總重量的 20 % , 因此 , 合理的參數(shù)選取和設(shè)計對減速器質(zhì)量和體積的減小至關(guān)重要。現(xiàn)有抽油機(jī)的減速器幾乎全部采用雙圓弧齒輪, 為了滿足國內(nèi)抽油機(jī)出口生產(chǎn)的需要 , 筆者按照 API 標(biāo)準(zhǔn)要求 , 設(shè)計了1280D (146kN/m) 型減速器 , 增加了國內(nèi)抽油機(jī)的出口規(guī)格和品種,。1280D抽油機(jī)用減速器采用二級分流式雙圓弧人字齒輪傳動,。
    1 參數(shù)的選取
    齒輪減速器是采油設(shè)備抽油機(jī)上的核心部件,其價格占全套設(shè)備的一半以上[3 ,4]。減速器齒輪參數(shù)的選擇是否合理 , 直接影響整機(jī)的工作質(zhì)量和成本,。減速器的參數(shù)包括總傳動比,、輸出軸最高轉(zhuǎn)速、輸出扭矩等,。為了保證兩級齒輪傳動都得到良好潤滑 , 須使得兩級傳動的大齒輪直徑相差不大 , 根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗 ,取 i1 = (111 ～ 114) i2 ,。 i1 為低速級傳動比;i2 為高速級傳動比。 i1 × i2 為減速器的總傳動比 i ,一般取i = 28 ～ 31,。 另外 , 根據(jù) API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及減速器的工作狀態(tài) , 確定輸出軸的最高轉(zhuǎn)速為 12r/ min,。
    2 設(shè)計計算及校核計算
    1) 齒輪的設(shè)計小齒輪選用 35CrMo , 調(diào)質(zhì)處理 , HB1 = 265～295HBS; 大齒輪選用 ZG35SiMn ,調(diào)質(zhì)處理 , HB2 = 265～295HBS , 按接觸強(qiáng)度初步確定模數(shù)
    2) 齒輪的強(qiáng)度校核因為齒輪是按接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計的,故先對齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核。計算出小齒輪的彎曲強(qiáng)度安全系數(shù) S F1 = 2185 ,而小齒輪的彎曲強(qiáng)度許用安全系數(shù) S Fmin = 116 ,故小齒輪彎曲強(qiáng)度安全,。 同樣 ,計算出大齒輪的彎曲強(qiáng)度安全系數(shù) S F2 = 2142 ,而大齒輪的彎曲強(qiáng)度許用安全系數(shù) S Fmin = 116 ,故大齒輪的彎曲強(qiáng)度安全,。
    按齒面接觸強(qiáng)度對大小齒輪進(jìn)行接觸強(qiáng)度校核。 計算出小齒輪接觸強(qiáng)度安全系數(shù)S H1 = 1183 ,而小齒輪的接觸強(qiáng)度許用安全系數(shù) S Hmin = 113 ,故小齒輪接觸強(qiáng)度安全,。 同樣,計算出大齒輪的接觸強(qiáng)度安全系數(shù) S H2 = 2101 ,而大齒輪的接觸強(qiáng)度許用安全系數(shù) S Hmin = 113 ,故大齒輪輪接觸強(qiáng)度安全,。
    3) 軸的強(qiáng)度校核 　軸的強(qiáng)度包括疲勞強(qiáng)度和靜強(qiáng)度 ,對于雙向旋轉(zhuǎn)的軸, 計算出軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) S = 2135 ,而軸的許用疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)[ S ] = 1165 ,故軸的疲勞強(qiáng)度足夠。 同樣 ,可計算出軸的靜強(qiáng)度安全系數(shù) S S = 2125 ,而軸的許用靜強(qiáng)度安全系數(shù)[ S S ] = 115 ,故軸的靜強(qiáng)度足夠,。
    3箱體及箱蓋的有限元分析
　  由于減速器箱體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 , 所以選用功能強(qiáng)大的 Pro/ E 進(jìn)行建模[6],。考慮到 PRO/ E 強(qiáng)大的建模功能和 ANSYS 的分析功能 , 利用 Pro/ E 與 ANSYS 之間的接口 , 將模型從 PRO/ E 中導(dǎo)入到 ANSYS中進(jìn)行分析,。
    箱體三維模型圖由于箱體是受交變載荷的作用,分析其 4 個關(guān)鍵點 (0°,、105°、150°,、285°) 的受力 , 對于箱蓋采用連接螺栓處全約束 , 箱座采用連接螺栓和地腳螺栓處全約束 , 均施加扭矩載荷,。使用Solid92 單元為 10 結(jié)點二次四面體單元 , 箱體材料為 HT200 , 其彈性模量為 E = 113 × 1011Pa , 泊松比= 0125。選擇 6 級精度對箱體進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分 , 在箱體的每個軸承座處選擇細(xì)化,。
    分析得出最大應(yīng)力在 100MPa 左右 , 小于 HT200 的極限應(yīng)力 170MPa[5],。因考慮到簡化造成的誤差 , 故認(rèn)為箱體設(shè)計合理,。
    4性能分析
　  在減速器設(shè)計過程中 , 齒輪的設(shè)計至關(guān)重要 , 該減速器采用二級分流式雙圓弧人字齒輪傳動 , 與漸開線齒輪等其他齒輪傳遞相比 , 具有如下優(yōu)點:
    ① 雙圓弧人字齒輪減速器由于承載能力高 , 它比其他齒形的減速器體積小 , 重量輕 , 有較小的振動和噪聲 ( ≤ 20dB 左右) 。
    ② 高,、低速級均采用人字齒 , 用于變載荷場合 , 安全系數(shù)大 , 滿足了抽油機(jī)減速器承受重復(fù)交變載荷,、長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)這一要求。
    ③ 雙圓弧齒輪具有良好的跑合性能 , 無根切現(xiàn)象發(fā)生 , 而且雙圓弧齒輪齒面嚙合時 , 呈雙線接觸 , 齒輪接觸線長 , 齒根較厚 , 并且有很大的相對曲率半徑 , 使其彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度較漸開線齒輪提高 40 %～60 %,。
    ④ 雙圓弧齒輪在嚙合過程中 , 接觸點沿嚙合線是軸向移動 , 齒面作相對滾動 , 減少摩擦損耗 , 提高傳動效率 , 運(yùn)行平穩(wěn)。
    1280D 雙圓弧齒輪減速器還有如下優(yōu)點:
    ① 為了適應(yīng)抽油機(jī)載荷變化大的要求 , 減速箱采用分流式結(jié)構(gòu) , 齒輪采用兩級減速, 高速級與低速級均采用人字齒與軸承對稱布置,。這樣載荷沿齒寬分布較均勻 , 無軸向力 , 軸承受載平均分布 , 有利于減速器和軸承的壽命提高,。抽油機(jī)在每個沖程中都產(chǎn)生負(fù)扭矩 , 這種傳動的布置有利于解決軸的竄動及因此造成的漏油現(xiàn)象 , 同時也利于齒輪傳動噪聲的減小。軸承與端蓋之間留有間隙 , 使齒輪易于裝配 , 傳動中能夠自動對中,。此外 , 分流式兩級圓柱齒輪減速器由于外伸軸的位置可以由任意邊伸出 , 故可方便地進(jìn)行機(jī)器的總體配置,。
    ② 重量是衡量產(chǎn)品的一個重要指標(biāo) , 減速器也不例外。該減速器采用二級分流式雙圓弧人字齒輪傳動 , 雙圓弧齒輪減速器中心距小 , 因而具有較小的外形尺寸 , 與老系列抽油機(jī)減速器相比 , 其承載能力提高了 30 % ,整機(jī)重量減輕了 15 % , 整臺減速器的重量僅為 1019t,。
    5結(jié) 語
　  1280D 抽油機(jī)減速器采用對稱分流式雙圓弧人字齒輪傳動 , 體積小,、重量輕、密封好,、噪音低,、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng),、使用壽命長 , 目前已用于大港油田的出口抽油機(jī)配套 , 并出口至加拿大�,，F(xiàn)場應(yīng)用表明 , 1280D 減速器使用安全可靠 , 在同類產(chǎn)品中具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) , 具有廣闊的市場前景。