基于Workbench的1300HP型泥浆泵人字型齿轮研究

第 9卷 　第 3期 　2009年 2月 167121819 (2009) 320587204　 科 　学 　技 　术 　与 　工 　程Science Technology and Engineering 　Vol19　No13　Feb. 2009Ζ 　2009　Sci1 Tech1Engng1 石油技术 基于 W orkbench的 1300HP型泥浆泵 人字型齿轮研究 张洪生 　杨 　广 3 　田芳勇 (兰州理工大学 机电学院 ,兰州 730050) 摘 　要 　利用 Workbench 11. 0对 Soliderworks构建的人字型齿轮模型进行工作静载荷和疲劳分析 ,得出各个啮合面下的静载 荷应力云图、疲劳应力云图 ,找出人字齿轮静载荷和疲劳危险点并得出齿轮安全工作的最小啮合面积值。为优化和改造人字 齿轮的结构、提高泥浆泵的综合机械性能提供理论依据和方法。 关键词 　泥浆泵 　　人字型齿轮 　　Workbench　　疲劳 　　啮合面积 中图法分类号 　TE926; 　　　　文献标志码 　B 2008年 10月 20日收到 甘肃省自然基金项目 (0710RJZA0560)资助 第一作者简介 :张洪生 ( 1962—) ,男 ,甘肃兰州人 ,副教授 ,硕士研 究生导师 ,研究方向 :石油机械开发。3 通信作者简介 :杨　广 (1983—) ,男 ,江西抚州人 ,硕士研究生 ,研 究方向 :机械设计及理论。E2mail: yangguang@mai12. lut. cn。 　　泥浆泵是在钻井过程中 ,将泥浆加压后携带出 井底岩屑和供给井底动力钻具动力 ,向井底输送和 循环钻井液的泵 ;在石油工业中广泛应用 [ 1 ]。泵类 流体机械的研究中 ,关于节能降耗的研究无疑是重 点 [ 2 ]。人字齿轮又是影响泥浆泵效率和经济指标 重要零件之一 ,也是最容易出故障的零件之一。据 统汁 ,在各种机械故障中 ,齿轮失效就占故障总数 的 60%以上。其中轮齿的折断和疲劳又是齿轮失 效的主要原因 [ 3, 4 ]。因此对人字齿轮研究 ,找出此 人字齿轮静载荷和疲劳危险点 ,为优化和改造人字 齿轮的构、提高泥浆泵的综合机械性能和经济指标 就显为重要。 1　静载荷应力分析 1. 1　模型的导入 将构建后的齿轮模型保存为“Parasolid”文件 , 利用 Workbench的 F ILE菜单下的“open”将该模型 导入到 Workbench中 ,进行有限元分析。Solidworks 下创建的齿轮模型如图 1所示。 图 1　齿轮实体 1. 2　计算工况 平稳工况 :斜齿轮圆柱齿轮的受力分析 : 圆周力 : Ft = 2T1 d1 。 径向力 : Fr = Ft tanαt = F tanαn cosβ ; 轴向力 : Fa = Ft tanβ。 该齿轮传递的扭矩为 T = 6 028. 8 N·m,输入 轴 d = 335 mm, α = 20°, 则圆周力 F = 2T / d = 41 580. 8 N,径向力 F = F tana = 17 476. 04 N。 1. 3　位移约束条件 齿轮底面要跟曲轴面装配 ,因此把齿轮底面进 图 2　斜齿轮受力分析 [5, 6 ] 行 X、Y、Z三个位移约束。以下计算的所有载荷都 使用这种位移条件布置。施加这些位移约束后的 模型如图 3所示。 图 3　模型上的位移条件 1. 4　网格划分 添加材料常数 ,输入材料参数为 : DDENS = 7. 83 × 103 kg/m3 , EX = 2. 07 ×105 MPa, NNUXY = 0. 3。使用系 统模型的尺寸 ,经过分化网格操作后 ,得到图 4 所示的有限元模型。 图 4　模型的网格划分 1. 5　载荷的简化 [ 7] 齿轮啮合理论为线接触但实际齿轮啮合为面积 接触 ,并且没有准确计算方法只能试验出来。斜人字 齿轮的载荷一定要施加面载荷 ,但又不能把工作力加 在整个齿面上使载荷变小。为了使分析出来的危险 点有过余量 ,把工作力除以估计一系列啮合面积的面 载荷加到整个齿面上 ,定义图 1中一对齿面为载荷 面 ,载荷类型为压力。估计齿轮在啮合最少面积为一 个人字齿面积的 5% , 6% , 7% , 8% , 9% , 10% ,则压力大 少为 (116. 8, 49. 09) , (97, 41) , (83. 4, 35) , (73, 30. 7) , (65, 27) , (58. 4, 24. 5)单位为 MP。第一个数值为切向 载荷 ,第二个数值为径向载荷。 1. 6　人字齿轮工况力学分析 在人字齿轮的一齿面施加平稳工况载荷 ,利用 Workbench中的 Simulation模型进行应力分析。并 以最大 M ise应力的值作为强度条件的控制依据 ,计 算安全系数并评价相应的承载能力。 1. 7　分析与计算 经过计算 ,得到如下各个载荷的应力分布云图 如图 5。 从该系列图可看出 :轮齿产生的最大等效应力 位于齿根处 ,这与该齿轮在实际工作过程当中的情 况相吻合。 1. 8　承载能力评价 人字斜齿轮使用的材料是经过调质的 42CrMo 锻钢 ,断裂极限σb ≥687 MPa,屈服σs ≥490 MPa。 在平稳载荷作用下 ,啮合面积不同时齿面所受 的压力大小也不一样但最危险位置都出现在齿根 处。由此得出静压平稳工况下的安全系数为 ; n1 = 490 /758. 81 = 0. 646、n2 = 490 /504. 01 = 0. 97、n3 = 490 /433. 43 = 1. 13、n4 = 490 /379. 39 = 1. 29、n5 = 490 /337. 84 = 1. 45、n6 = 490 /303. 55 = 1. 6。因此要 想在平稳载荷作用下齿轮安全 ,齿轮在啮合过程中 的啮合的面积至少是一个人字斜齿面积的 7%。 2　疲劳强度分析 2. 1　工作 24 000 h应力 齿轮破坏多是疲劳损坏 ,将齿轮连续工作寿命 885 科 　学 　技 　术 　与 　工 　程 9卷 定为 24 000 h,齿轮每分钟循环次数为 120,得出 24 000 h后齿轮如下各个载荷的应力分布云图如图 6。 分析该组图可得出齿轮在工作寿命内不疲劳损坏 的条件 :齿轮啮合面积至少是一个人字齿面的 9%。 3　结语 利用 Soliderworks构建的齿轮模型 ,在 Work2 bench下对 1300HP钻井泵的人字型齿轮在一定载荷作用下的应力状态进行了有限元研究和探索。分析结果表明 :(1)应力集中主要发生在齿根处 ,与实际情况相符。(2)齿轮在传动啮合时啮合面积至少要达到一个整齿面积的 9%才能使齿轮安全工作。 图 5　应力分布图 9853期 张洪生 ,等 :基于 Workbench的 1300HP型泥浆泵人字型齿轮研究 　 图 6　度劳载荷的应力云图 参 　考 　文 　献 1　华东石油学院矿机教研室. 石油钻采机械. 北京 :石油工业出版 社 , 1980 2　黄义刚 ,朱荣生 ,陈　松. 泵振动的原因及其消除措施. 排灌机 械 , 2007; 11: 56—57 3　戴　进. 基于齿轮加工原理的精确建模及 ANSYS有限元分析. 机械工人 , 2007; 12: 36—37 4　D rilling Contactor, 2004; 8 5　濮良贵 ,纪名刚. 机械设计. 第 6版. 北京 :高等教育出版社 , 2000 6　孙　桓 ,陈作模. 机械原理. 北京 :高等教育出版社 , 1998 7　曹西京 ,程伟超. 基于 soliderworks的齿轮精确建模与应力分析. 机械传动 , 2007; 31: 66 Resesrch on Herr ingbone Gear of 1300 HP M ud Pum p Ba sed on W orkbench ZHANG Hong2sheng, YANG Guang, TIAN Fang2yong ( Electr2mechanics Engineering College, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, P. R. China) [ Abstract] 　 In order to find the critical point of static load and fatigue on herringbone gear, Workbench 11. 0 is used to analyze the herringbone gear of 1300HP mud pump. Based on the model which is drew by Solidworks, the stress p icture of static load and fatigue can be got by workbench. After analyzed these stress p icture, the critical point of static and fatigue can be found on herringbone gear, and the least area of engagement also can be got. The2 oretical base and app roach can be p rovided by these results to op tim ize the structure of the gear and imp rove me2 chanical character. [ Key words] 　mud pump　　herringbone gear　　Workbench　　fatigue　　area of engagement 095 科 　学 　技 　术 　与 　工 　程 9卷