小型螺桿泵地面驅動裝置設計

趙新征 葛春香 封以剛 陳玉棟 林 明

(樁西采油廠，山東 東營 257237)

1 小驅動頭的設計計算

1.1 齒輪參數計算

齒數比:μ=z2/z1 =37/8 =4.625 初選me=4.5

大端分度圓直徑:de1 =z1me =8 ×4.5 =36;de2 =z2me =37 ×4.5 =166.5

齒數:z1 =8 z2 =37

大端端面模數:me=4.5

分錐角:δ1 =arctgz1/z2 =arctg8/37 =12o12′1″;δ2 =77o47′59″(與δ1 互為余角)

外錐距:Re=de1/2sinδ1 =85.17371954

齒寬系數:φR=1/4 -1/3 取φR=1/3

齒寬:b=φR Re=1/3 ×85.17372 =28.39，取b=29

中點模數:mm=me(1 -0.5φR)=4.5 ×(1 -0.5 ×1/3)=3.75

中點法向模數:mnm=mmcosβm=3.75 ×cos35° =3.072

切向變位系數xt:xt1 =0.12;xt2 = -0.12

徑向變位系數x:x1 =0.39(1 -1/μ2)=0.39 ×(1 -1/4.6252)=0.372;x2 = -x1 = -0.372

齒寬中點的螺旋角βm，等頂系收縮齒的標準螺旋角βm=35°兩輪的螺旋角相等，旋向相反。

齒形角:αn=20°

齒頂高hα:hα=(hα*＋x)me 這里hα*=0.85;hα1 =(0.85 ＋0.372)×4.5 =5.499;hα2 =(0.85 -0.372)×4.5 =2.151

齒根高hf:hf=(ha* ＋c* -x)me;hf1 =(0.85 ＋0.188 -0.372)×4.5 =2.997;hf2 =(0.85 ＋0.188 ＋0.372)×4.5 =6.345

頂隙c:c=c* me=0.188 ×4.5 =0.846

齒根角θf:θf1 =arctghf1/Re=2.01523° =2°54″;θf2 =arctghf2/Re=4.26037° =4°15′37″

齒頂角θa 等隙收縮角:θa1 =θf2 =4°15′37″;θa2 =θf1 =2°54″

頂錐角δa:對等頂隙收縮齒δa1 =δ1 ＋θf2 =12°12′1″＋4°15′37″=16°27′38″;δa2 =δ2 ＋θf1 =77°47′59″ ＋2°54″ =79°48′53″

根錐角δf:δf1 =δ1 -θf1 =12°12′1″-2°54″=10°11′7″;δf2=δ2 -θf2 =77°47′59″-4°15′37″=73°32′22″

齒頂圓直徑dae:dae1 = de1 ＋2ha1cosδ1 = 36 ＋2 × 5.499cos12.20046873o=46.75;dae2 =de2 ＋2ha2cosδ2 =166.5 ＋2 ×2.151cos77.7995° =167.409

錐頂到輪冠距離Ak:Ak1 =de2/2 -ha1sinδ1 =166.5/2 -5.499sin12.20046873° =82.08788;Ak2 = de1/2 - ha2sinδ2 =36/2 -2.151sin77.7995° =15.8976

當量齒數Zv:Zv1 =z1/(cosδ1cos3βm)=8/(cos12.2°cos335°)= 14. 891;Zv2 = z2/(cosδ2cos3βm)= 37/(cos77. 7995°cos335°)=318.523

端面重合度εa:當αn=20°時

令X=(ha* ＋x)/cosβm

X1 =(0.85 ＋0.372)/cos35° =1.4917865

X2 =(0.85 -0.372)/cos35° =0.58353

由 X1、X2 查 得 εa1 = 1. 3 εa2 = 0. 58

k=0.709

εa=k(εa1 ＋εa2)=0.709 ×(1.3 ＋0.58)=1.33292

軸向重合度

εβ=btgβm/(πmn)=29tg35°/【π ×4.5 × (1 -0. 5 ×1/3)】=1.72363

總重合度

1.2 齒輪強度校核

已知:T1 =500N·m βm=35°;μ=4.625

齒面硬度HRC58 -62;齒寬系數φk=1/3

小齒輪軸懸臂支撐，大齒輪軸雙跨支撐。

1.2.1 齒面接觸強度驗標

計算接觸應力

1)節點區域系數zH，按下式計算

當σ=0 時，取ka=1.01076

2)彈性系數zE，查得，鋼對鋼，zE=189.3

3)重合度系數，由表14 -3 -30

zε= =1.146

4)螺旋角系數，zβ==0.90507

5)有效寬度，beH=beF=0.85b=0.85 ×29 =24.65

6)錐齒輪系數，zk=0.85

7)使用系數，kA=1.5

8)齒寬中點分錐上得圓周力

齒寬中點分錐上得圓周速度

Vtm=πdm1n1/60000 =1.42242

N=9.34 ×10-3<0.85，處于亞臨界區

k=0.15557

kv=9.34 ×10-3×0.155 ＋1 =1.0014477

10)齒向載荷分布系數kHβ=1.5kHβbe=1.65

11)齒間載荷分配系數kHα

得kHα=1.2(7 級精度)

12)潤滑劑系數zL90#齒輪油，50℃時平均粘度(運動粘度)

γ50=45mm2/s 對σHlim=1500 N/mm2>1200 的淬硬鋼zL≈0.95

13)速度系數zv，當vtm>2.58m/s，σHlim>1200 N/mm2時，zv≈0.97

14)粗糙度系數zR，當Rz100≈3.6um，σHlim>1200 N/mm2時，zR≈0.98

15)溫度系數zT取1

16)尺寸系數zx取1

17)最小安全系數SHmin，當失效概率為1%時，SHmin=1

18)極限應力值σHlim，20CrMnTi，齒面硬度HRC58 - 62時，按MQ 取值σHlim=1500 N/mm2

用上述數據代入

許用接觸應力

由于ISO 公式未考慮非零變位的影響，而實際上設計者采用了“節點區至少有兩對齒嚙合”，固需進行修正，即變位類型影響系數zb=0.85 修正。

修正后σ′H=zbσH≈1209.51 N/mm2

即sH=σHp/σH=1.1203 故安全

1.2.2 v 帶選擇

Pd=kAP=7.5 ×1.6 =12

選擇B 型普通v 帶

初選2 槽:B=(Z-1)e ＋2f≥41.6

取B=42

bd=14 φ=34°

2 結論

本設計是在現有的驅動頭基礎上，經過改良計算后而形成的一整套的理論，本次設計和原有的驅動頭裝置相比，體積更小，適應性更強。其最大的不同之處是此GBF5X 驅動頭箱體采用的是9 5/8″的大套管以及φ250、φ120 的圓鋼經過加工后焊接而成，此設計對焊接要求較高，不允許出現滲漏。

本設計縮減了驅動頭的成本，也增加了原有的驅動頭的型號，使驅動頭的應用范圍更寬。

［1］楊樹人;劉姝祺;范家偉;張瑩;譚放;;螺桿泵宏觀控制圖研究［J］;科學技術與工程;2010 年25 期

［2］范海濤，呂玉興，張運奎，王群草;GBF 型螺桿泵地面驅動裝置的研制及應用［J］;石油機械;2004 年04期