石油钻机JC-30B6绞车直角齿轮强度分析与改造

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摘要： 型号为JC-30B6的绞车在现场使用中圆弧锥齿轮易失效。首先对该型号绞车的直角箱齿轮进行强度校核，得出是原有设计缺陷导致齿轮频繁失效的结论。最后根据现场实际情况，本着经济、实用、方便的原则，提出新的绞车改造设计方案，解决JC-30B6绞车的故障频发问题。

Abstract: The draw-works becomes frequent failure and its model is JC-30B6. The reason is the failure of the arc gear of draw-works transmission box. At first, the paper calculates the strength of the arc gear of draw-works transmission box, and then, makes the conclusion that the frequent failure of the gear is the original design flaw. At last, according to the actual situation of worksites, in the economic, practical, convenient principle, the paper proposes a new project to work out the problems of the draw-works.

关键词： 钻井设备；绞车；强度计算；改造设计

Key words: drilling engineering equipment；draw-works；strength calculation；modification design

中图分类号：TE2文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）22-0043-02

0引言

①问题的提出。石油天然气开采则需要钻井，钻井装备中绞车是关键设备。ZJ30L钻机配套的型号为jc-30b6的绞车在现场使用中，故障频发。经过两年统计分析，发现该绞车故障点集中在绞车直角箱圆弧锥齿轮、直角箱转盘输入轴和直角箱转盘驱动轴三个位置，其中齿轮故障最多。比如，某钻井队自2009年3月生产启动后，已经连续损坏4套转盘传动箱圆弧锥齿轮，因上述故障累计造成机修时间为157小时。②解决问题的方向。基于上述情况，有必要对原设计进行强度计算分析，提出该型设备的改造设计方案，并对设计方案进行论证，解决问题。

1JC-30B6绞车直角箱圆弧锥齿轮强度校核

1.1 齿轮主要参数因该齿轮为格里森圆弧锥齿轮，法向压力角为20度，正交。齿高类型为等顶隙收缩齿，主动齿轮23齿数为23；从动齿轮齿数为22，大端面模数为15（注：圆弧锥齿轮主要有格里森，奥利康和克林根贝尔三类，该齿轮为格里森齿轮）。

1.2 基本参数的确定因格里森圆弧锥齿轮加工难度很大，需要专用数控铣切齿机床才能加工，材料为20CrMnTi，热处理方式为调质，表面渗碳1.3-2mm。现场对损坏的齿轮测量为硬度检测，检测结果为洛氏硬度值为55-60。

1.3 齿轮接触疲劳强度计算

1.3.1 采用接触疲劳强度计算方法的原因：第一，大部分齿轮失效采用该方法进行强度计算；第二，现场齿轮失效的主要形式为接触疲劳。

1.3.3 原齿轮接触疲劳强度计算结果该齿轮接触疲劳强度极限为?滓H=1812.5（N/mm2或MPa）。

1.3.4 许可最小接触疲劳强度计算公式

1.3.5 该齿轮接触疲劳安全系数计算按?滓H=?滓HP来计算最小安全系数SHmin，经过计算，SHmin=0.773。

1.3.6 基本结论就该齿轮工作环境而言，其最小接触疲劳强度安全系数为SHmin=1.1；但是，经过计算，该齿轮接触疲劳强度安全系数SHmin=0.773。

该齿轮设计安全系数较最小允许安全系数小的比例为：（1.1-0.773/1.1）*100%=29.7%。

即：实际安全系数小于工作条件允许最小安全系数的29.7%。

结论：由于原加工的齿轮整体强度偏小，比最低长期工作要求的接触疲劳强度极限低29.7%，是该齿轮频繁发生损坏的根本原因，即：ZJ-30B6绞车直角箱齿轮频繁损坏失效的根本原因是设计缺陷，设计接触或弯曲疲劳强度极限偏低，最低允许安全系数偏小，偏小比例为29.7%。

2ZJ-30B6绞车改造设计技术方案

2.1 JC-30B6绞车传动方案更改为了减少齿轮的受力，需要对传动方式进行改变，主要改动地方有：其一，取消直角箱和转盘惯刹；其二：转盘旋转90度，由原来的万向轴联结改为链轮联结；其三，重新加工一个链轮和一根轴，增加一副轴承，增加一副链条。下面对有关参数及型号进行计算确定。

2.2 改进方案有关参数的计算

①原转盘档数及转速如下（绞车输入轴速度为320r/min）：Ⅰ：44；Ⅱ：82；Ⅲ：124；R：57（单位：r/min）；②则根据上述传动比的变化，整改后转盘转速如下：Ⅰ：42；Ⅱ：78；Ⅲ；119；R：55（单位：r/min）

可见，改变传动方式后转盘转速变化不大，不影响使用。

2.2.2 相关参数的确定①转盘链条型号及长度：规格为32S-2（2’’），GB3638-83，即：使用2英剂刺酰转盘在钻台面上固定后，长度需要现场测量后确定。②链轮齿数。转盘输入轴齿轮齿数为21，转盘和绞车联结过渡的链轮齿数也选为21，推盘式离合器LT500×250T不变。③需要重新加工一根轴，即转盘链条输入轴，轴长需要现场测量确定，长度初定为1000mm；材料为35CrMo钢，调质热处理，直径为120mm，刚好和原来链轮相配合，经过弯曲强度计算，强度满足要求（计算过程略）。④需要给转盘输入轴在绞车底座端面焊接一个轴承支撑筋板，选择厚度为20mm，材料为Q235钢材焊接，同时增加一副轴承，轴承为单列向心短圆柱滚子轴承GB283-86 2326，?准130×?准280×58（和对称位置轴承型号相同）。

此外，由于转盘旋转了90度，故转盘固定时需要到现场重新测量后用原有顶丝固定。

3小结

3.1 通过齿轮接触疲劳强度计算，在考虑最大受力（即最大输入功率和最大扭矩时），原公司设计加工的齿轮不满足现场使用要求，设计的齿轮最大接触疲劳强度低于最小强度系数的29.7%，这是JC-30B6绞车直角箱齿轮频繁损坏的主要原因，考虑到实际受力变化因素，反应到齿轮上则其寿命长短会有所不同。

3.2 重新设计齿轮，提高强度则会增大尺寸，原有绞车由于各部件、配件的互相干涉，则整改难度很大，费用很高。

3.3 通过改变传动方式的办法，现场切实可行，经济实用。

参考文献：

[1]机械设计手册，机械工业出版社，主编徐灏，1991年9月第一版.

[2]钻井设备维护保养手册，主编杨庆理，2008年3月第一版.