F—1600泥漿泵傳動軸斷齒原因及解決對策分析

陳志強　劉社榮　劉顯龍　陳凌飛

摘要：F-1600泥漿泵傳動軸斷齒是一種嚴重的設備故障，制約石油鉆井生產。訂購傳動軸總成費用較高，周期長，非設備修理首選。文章通過齒輪失效原理分析及受力分析計算，提出采用鑲齒輪套的方法快速恢復設備使用性能，是設備修理新的思路之一。

關鍵詞：泥漿泵；傳動軸；斷齒；設備故障；石油生產 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE926 文章編號：1009-2374（2016）34-0091-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.045

1 概述

F-1600泥漿泵的傳動軸結構為整體鍛造加工，傳動齒輪直接在傳動軸表面加工而成。近年來，我公司所使用的該型泥漿泵在使用過程中，多次出現傳動軸齒輪斷齒，斷裂部位均在齒根。斷齒內側在節線附近有點狀剝落帶，外觀呈雙向貝紋線，屬多源低周、延性疲勞斷口。斷齒發生時同時損傷與之配合使用的曲軸人字齒圈。

2 齒輪失效原理分析

齒輪傳動的失效主要表現為以下方面：

2.1 折斷

折斷通常表現為：（1）疲勞折斷：工作時輪齒反復受載，使得齒根處產生疲勞裂紋，并逐步擴展以至輪齒折斷的失效。疲勞裂紋多起源于齒根受拉的一側；（2）過載折斷：齒輪受到突然過載或經嚴重磨損后齒厚減薄時，輪齒會發生過載折斷。

2.2 齒面失效

齒面失效最主要的形式是點蝕：齒輪在嚙合過程中，相互接觸的齒面受到周期性變化的接觸應力的作用。若齒面接觸應力超出材料的接觸疲勞極限時，在載荷的多次重復作用下，齒面會產生細微的疲勞裂紋；封閉在裂紋中的潤滑油的擠壓作用下使得裂紋擴大，最后導致表層小片狀剝落而形成麻點，從而產生點蝕。節線靠近齒根的部位最先產生點蝕。點蝕將影響傳動的平穩性并產生沖擊、振動。

2.3 輪齒應力分析

輪齒受力如圖1所示。在嚙合傳動過程中，齒輪表面承受不同形式的應力作用，齒面和近表面金屬在拉伸、壓縮和剪切應力作用下，經多次重復應力作用，產生微小裂紋形成疲勞源，隨著應力循環次數增加，裂紋將擴展以致相互連接起來形成小塊金屬脫落，齒面出現點蝕剝落，齒輪齒面產生疲勞損壞。在重復應力的作用下，經過高周次接觸應力循環作用，微裂紋擴展及聚合，導致齒輪斷裂。

3 F-1600泥漿泵傳動軸受力分析及計算

3.1 齒輪技術參數表

Z1=34；Z2=143；傳動比i=4.206。其他參數見使用說明書。

3.2 傳動軸外形及幾何參數

傳動軸外形及幾何參數如圖2所示：

3.3 傳動軸受力分析

根據材料力學原理，傳動軸的簡支梁圖、扭矩圖和彎矩圖分別如圖3、圖4、圖5所示：

3.4 傳動軸齒輪受力分析

傳動軸齒輪受力分析如圖6所示：

3.5 受力計算

3.5.1 根據F-1600泥漿泵使用說明書，以下數據在設計階段已經確定：（1）泥漿泵齒輪傳動的精度等級為8級；小齒輪的材料為40Cr（調質），大齒輪的材料為45鋼（調質）；（2）齒輪螺旋角β=30°，額定功率n1=130沖/分時，P=1275kW。

3.5.2 計算小齒輪所傳遞的扭矩：

3.5.3 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度εHlim2=580MPa。

3.5.4 應力循環次數按無限次設計。查得接觸壽命系數KHN1=0.88，KHN2=0.87。

3.5.5 計算接觸疲勞許用應力，取失效概率為1%，安全系數S=1，則：

3.5.6 查得小齒輪的疲勞強度極限MPa，大齒輪的彎曲疲勞強度極限MPa。彎曲疲勞壽命系數KFN1=0.80，KFN2=0.81。

3.5.7 彎曲強度的校核式如下：

3.5.8 查得齒形系數YFa1=2.30，YFa2=2.16；齒形校正系數YSa1=1.71，Ysa2=1.82，計算大小齒輪的并加以比較。

數據顯示，小齒輪的齒形系數與齒形校正系數乘積與齒輪彎曲強度校核數據的比值小于大齒輪的比值，說明小齒輪在泥漿泵的動力端受力較大，在載荷多次重復沖擊下容易受到損傷。

4 解決對策

根據齒輪失效的現象及以上計算分析，在高速、重載工況下，傳動軸扭轉振動，沖擊載荷、動載荷系數都變大，進而使齒面接觸應力增大，引起疲勞損傷。提出以下解決對策：

當F-1600泥漿泵傳動軸的齒輪受到損傷后，可采取對受損軸探傷鑒定，將原軸齒輪剝離后安裝一對齒輪套形成人字齒的方法進行修復。齒輪套相對于整軸加工簡單，具有能夠保證加工精度、周期較短、更換快捷的修理優勢，所以采用該方案符合修理標準，更加滿足生產需要。

4.1 小輪軸車削加工后以及配套加工的齒輪套的外形尺寸

小輪軸車削加工后以及配套加工的齒輪套的外形尺寸如圖7：

4.2 平鍵的剪切強度和齒輪軸套的過盈配合的扭矩

計算平鍵的剪切強度和齒輪軸套的過盈配合的扭矩，算式中的數據見以上計算結果和圖表數據。

4.2.1 根據工程力學，對平鍵的剪切強度進行計算：

式中：Q為剪切力；T為傳動軸所受扭矩；d為齒套安裝處外徑尺寸；b為平鍵寬度；l為平鍵長度。

4.2.2 根據國標《極限與配合過盈配合的計算和選用》（GB/T 5371-2004）中關于過盈配合的扭矩計算公式：

式中：df為齒套安裝處外徑尺寸；?為計算系數；lf為齒套總寬度。

通過計算可知：平鍵的剪切強度和小齒輪套的過盈配合扭矩均能滿足F-1600泥漿泵的使用工況。

4.3 加工和裝配的技術要求

對傳動軸進行超聲波探傷，確保在受損過程中其內部和其他部位沒有裂紋；原齒輪部位車削后保持同軸度、圓度和光潔度，具體數據要求達到原廠家加工精度；安裝齒圈套的位置開平鍵鍵槽，原則上為保證安裝的質量，和輸入端鍵槽處于同一條水平線；齒圈套表面滲碳熱處理，避免各種表面滲碳熱處理缺陷的產生；要求熱裝，在烘箱內加熱至180℃，保溫2小時進行裝配。

5 結語

齒輪軸輪齒的問題是機械設備傳動裝置中普遍存在的現象。本文通過對齒輪失效原理的分析以及F-1600泥漿泵傳動軸斷齒原因的分析和計算，提出將原軸齒輪剝離后安裝一對齒輪套形成人字齒的方法進行修復的解決辦法，可以更快、更好地滿足鉆井現場的生產需求，是大型設備修理的有效方法之一。

參考文獻

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（責任編輯：蔣建華）