海洋鉆井平臺大功率行星傳動絞車設計*

王濤濤，張友軍

(西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065)

0 引 言

在傳統的陸地鉆井平臺中，由于陸地鉆機設備常按照噸位出售，鉆機絞車往往體現出笨、大、粗的特點。這些在海洋鉆井平臺中完全不適用，由于海洋鉆井平臺受到船體排水量和體積的限制，對鉆機設備的基本要求是：質量輕、體積小。在機械傳動中，行星傳動輪系在相同的傳動比下，結構更加緊湊，質量更輕[1]。因此，將行星傳動輪系應用于海洋鉆井平臺意義非凡。

首先通過查閱中國石油天然氣行業標準得到JC50相關技術參數，根據絞車基本參數對絞車驅動電機選型、滾筒結構參數設計以及絞車整體布局設計；通過行星傳動的傳動比條件、鄰接條件、同心條件和安裝條件，對絞車行星傳動參數進行設計；最后基于Ansys Workbench對絞車行星傳動進行強度校核，并將應力結果和理論公式進行對比，確保有限元結果的正確性。該絞車采用交流變頻電機直接驅動、行星齒輪傳動的形式，達到簡化傳統鉆機絞車傳動系統的目的，實現無極調速，摒棄絞車多擋傳動系統，縮小鉆機絞車體積的目標，有效的解決了海洋鉆井平臺受船體空間和排水量的限制而導致鉆機設備無法安裝應用的問題。

1 絞車技術參數與整體結構設計

根據中國石油天然氣行業標準[2]SY/T5609.1999的相關規定，對應鉆機絞車的基本參數如表1所列。

表1 JC50技術參數

1.1 電機選型

交流變頻電驅動絞車可以實現無極調速，調速范圍廣，可省去絞車內變速的機械傳動，使絞車結構簡化、質量減輕、體積縮小。電動機短時間過載能力強，可提高鉆機提升和處理事故的能力。尤其是帶負載情況下，可平穩啟動、制動和調速，具有軟起動性能。

根據JC50技術參數，絞車額定功率為1 500 HP。

1 500 HP=1 500×0.736 kW=1 104 kW

根據功率選擇電機為山西永濟YJ13G2/G5型號電機，其基本參數如表2所列。

表2 電機參數

1.2 絞車滾筒參數設計

滾筒體直徑和滾筒長度是絞車的主要幾何參數，也決定了絞車的尺寸和纏繩容量。

(1) 滾筒體直徑

滾筒體直徑D0的確定主要考慮鋼絲繩纏繞的彎曲直徑不至于過大。通常根據鋼絲繩的直徑來決定滾筒體的直徑。對于鉆井絞車，有：

D0=(17～30)d

(1)

式中：D0為滾筒體原始直徑，mm；d為鋼絲繩直徑，mm。

式中:系數取22, 鋼絲繩直徑35 mm。

D0=22×35=770 mm

(2) 滾筒體長度

滾筒長度L滾一般根據經驗公式確定：

(2)

式中:系數取1.6，D0=770 mm；L滾=1.6×770=1 232 mm。

1.3 絞車整體結構設計

該機絞車由電機、聯軸器、行星減速器、離合器、液壓盤剎、滾筒、水氣葫蘆等部件組成，其之間連接關系和布局如圖1所示。

圖1 鉆機絞車結構圖

絞車動力由交流變頻電機1提供，電機1和行星減速器3之間通過凸緣聯軸器2連接，行星減速器的輸出軸和滾筒軸11通過氣胎離合器4連接。水氣葫蘆9為通過冷卻水管8和通氣管5為液壓盤剎6和氣胎離合器4提供冷卻液和氣體。由于交流變頻電機可以實現無極調速，因此該鉆機絞車省略了多檔的減速器，可由電機變頻調速實現多檔的功能。通過氣胎離合器的閉合可實現絞車的懸停。行星減速器和傳統的齒輪減速器相比，體積約為傳統齒輪減速器的體積的1/2～1/6[3]。

2 行星傳動輪系設計

在設計行星齒輪傳動時，通常根據所要求的傳動比ip來匹配行星傳動各齒輪的齒數。在匹配齒數過程中除了要滿足傳動比條件外，還應同時滿足與其裝配的相關條件，即同心條件、相鄰條件和安裝條件[4]。此外，還要考慮到其承載能力有關的其他條件。

2.1 行星齒輪配齒計算

(1) 傳動比條件

在設計行星傳動時，滿足所給定的傳動比大小ip是首要條件。對于2Z-X型行星傳動，其各輪齒數與傳動比ip的關系式為：

(3)

(6)監理工作流程。包括施工方案的審批程序；分包單位資格的審查程序、質量控制流程、材料進場審批程序；隱蔽工程驗收程序等，可用流程圖(表)表述。

(2) 鄰接條件

在設計行星傳動時，為了分配功率，同時為了提高承載能力，減少其結構尺寸，使其結構緊湊，常常在太陽輪a和內齒廓b之間均勻、對稱的布置幾個行星齒輪，為了使相鄰兩個行星齒輪不相互碰撞，必須保證齒頂之間在其連心線上有一定的間隙，即保證兩相鄰行星輪的頂圓半徑之和應小于其中心距。即滿足下式：

2rac

(4)

dac<2aac/np

(5)

式中：rac和dac為行星輪的齒頂圓半徑和直徑；np為行星輪個數；aac為太陽輪和行星輪嚙合副的中心距；Lc為兩相鄰行星輪之間的中心距離。

鄰接條件與行星輪的個數np有關，行星輪個數的多少，受到其承載能力的制約。除此之外，行星輪個數還要考慮到結構尺寸、勻載條件和制造條件等因素。一般，在行星傳動中行星輪的個數一般都取3。

(3) 同心條件

在設計行星傳動時，為了使行星輪和兩個中心輪同時正確的嚙合，要求外嚙合齒輪的中心距等于內嚙合齒輪的中心距。也就是說，三個基本構件的旋轉軸線必須重合。這里特別強調，在此討論的同心條件只適用于漸開線圓柱齒輪的行星齒輪傳動。同心條件即應滿足下列式子：

(6)

(4) 安裝條件

在行星傳動中一般為了提高其承載能力，一般采用多個行星輪。為了使齒輪在嚙合時的徑向力相互抵消，常常把幾個行星輪均勻的分布在行星傳動的中心圓上。為了使幾個行星輪能夠順利地裝入，并且保證行星輪和中心輪正確嚙合而沒有錯位現象，這個時候應具備的齒數關系即為裝配條件。其裝配條件應滿足：

(7)

經過以上四個條件的限制后，只要確認了中心太陽輪的齒數，行星輪齒數和內齒廓齒數根據相應的條件可以確定。下面給出重載行星傳動中太陽輪齒數Za的經驗公式：

(8)

帶入數據得：Za=16～21，考慮到太陽輪的強度要求，選擇Za=21，按照行星輪系四個匹配條件可得Zg=89，Zb=198。

2.2 行星架機構設計

行星架是行星減速器很重要的一個構件，一個合理的行星架不僅要求外形尺寸比較小，質量輕，而且還要具有足夠的強度和剛度，能夠保證三個行星輪受到的載荷分布均勻，從而使行星減速器具有較大的承載能力、較好的傳動平穩性和較小的振動和噪音。

當前，比較常見的行星架結構有雙側板整體式、雙側板分開式以及單側板式三種結構[5]。由于采用雙側板分開式的行星架，可以使其裝配比較方便，而且可以簡化行星架制造毛坯的工藝，考慮到裝配方便和制造工藝，設計行星架結構為雙側板分開式，其三維結構模型如圖2所示。

圖2 雙側版分開式行星架

3 行星齒輪有限元分析

為了確保上述設計行星傳動齒輪滿足強度要求，對行星齒輪進行有限元分析。有限元分析流程一般包括：模型簡化-網格劃分-添加載荷和約束條件-模型求解-結果后處理等步驟。

3.1 行星齒輪三維模型

在Soild Works中按照上述所設計齒輪參數，可建立行星齒輪三維模型。通過軟件自帶工具箱中的齒輪可逐一生成太陽輪、行星輪和內齒圈。行星架通過草圖繪制、拉伸、拉伸切除等操作可建立。將所建零件導入裝配體環境，進行裝配。最終，行星齒輪裝配三維模型如圖3所示。

圖3所示行星齒輪，其裝配約束為：太陽輪、行星架、內齒圈同心約束，三個行星輪同時和太陽輪和內齒圈嚙合，行星輪的支撐軸承安裝在行星架上。

3.2 網格劃分

為了簡化模型，不考慮行星架對有限元計算結果的影響，在將上述模型導入Workbench中可將行星架壓縮。導入模型后，首先對模型材料進行定義。靜力學分析通常只需要設置彈性模量E和泊松比μ。齒輪材料為35CrMo，彈性模量設置為207 GPa，泊松比設置為0.25。模型網格采用六面體網格，整體網格大小為5 mm，齒輪嚙合處網格大小為1 mm，統計整體網格質量為0.9。圖4所示為行星齒輪的有限元模型。

圖4 行星齒輪有限元模型

3.3 分析設置

裝配體分析時，由于多個構件相互接觸，需要進行接觸設置。該模型中所有接觸為摩擦接觸Frictional，設置摩擦系數為0.1。對內齒圈進行固定約束Fix support，太陽輪和行星輪施加圓柱約束Cylindrical support。其中太陽輪僅具有旋轉自由度，因此，其圓柱約束的切向設置為Free，軸向和徑向設置為Fixed；行星輪不僅自轉，而且繞著太陽輪公轉，其圓柱約束軸向設置為Fixed，切向和徑向設置為Free。在太陽輪處施加轉矩載荷Moment，轉矩大小為電機所輸入的額定轉矩11 460 N·m。如圖5所示。

3.4 分析結果與后處理

通過Workbench軟件計算求解后，行星齒輪在上述載荷和邊界條件下所得位移云圖和應力云圖如圖6、7所示。

圖6 位移云圖

分析上圖可得：在行星傳動輪系靜力條件下，最大位移出現在太陽輪和行星輪嚙合處，最大位移為0.19 mm，最大應力出現在太陽輪齒根處，最大應力為865.74 MPa。最大位移和最大應力出現的位置與理論分析結果相似，為驗證最大應力值的正確性，將Ansys Workbench計算結果與按照赫茲接觸應力公式計算結果比較。赫茲應力公式[6]如式(9)所示：

(9)

式中：ρ1和ρ2分別為嚙合齒輪的曲率半徑；ρ∑為綜合曲率半徑；L為接觸線長度，mm；μ1和μ2為泊松比；ZE為彈性影響系數。其中“+”用于外嚙合，“-”用于內嚙合。

通過赫茲應力公式計算所得接觸應力σH=824 MPa，由于有限元計算結果偏剛，即應力結果比材料力學計算結果偏大，位移結果偏小。有限元結果與理論計算結果偏差為5%。齒輪材料為35CrMo，其材料許用接觸應力為[σH]=986 MPa，有限元計算應力小于材料許用應力，因此，齒輪強度足夠。

4 結 論

通過對海洋鉆機絞車需求的分析，設計一種由交流變頻電機驅動行星傳動鉆機絞車。使得絞車機械變速系統大大簡化，減小了鉆機絞車整體體積。通過對電機的選型，滾筒參數的設計計算，絞車整體結構布局設計，行星齒輪配齒設計以及行星齒輪有限元分析得到如下結論。

(1) 交流變頻電機驅動鉆機絞車，絞車機械傳統系統擺脫了傳統的多檔齒輪傳動，由電機的無極調速實現多檔功能。

(2) 行星傳動結構緊湊、體積小、質量輕的優點使得絞車整體機構更加緊湊，體積減小50%～83%，特別適用于海洋鉆井井平臺。

(3) 行星齒輪在嚙合時，最大變形出現在太陽輪和行星輪嚙合處，最大應力出現在太陽輪齒根處，設計行星齒輪時應特別注意兩處位置。