石油修井機新型角傳動箱設(shè)計

薛亞剛，楊兵，王仁鵬，司浩，朱陽（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

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設(shè)計研究

石油修井機新型角傳動箱設(shè)計

薛亞剛，楊兵，王仁鵬，司浩，朱陽
（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

針對傳統(tǒng)的石油修井機角傳動箱不可換檔，或換擋需停車人工機械操作等問題。設(shè)計了一種新型角傳動箱，通過控制三套液壓離合器的斷開與嚙合，實現(xiàn)修井機工作過程中不停車換擋，同時實現(xiàn)大鉤提升力和提升速度三種組合，滿足不同工況下的使用要求。解決了換擋困難和檔位較少的問題，達到整車動力匹配易調(diào)整，可控制發(fā)動機處于經(jīng)濟油耗工作區(qū)，從而降低了作業(yè)成本、提高了車輛壽命、降低了工人勞動強度。

石油修井機；角傳動箱；液壓離合器

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.011

CLC NO.: TE935Document Code: BArticle ID: 1671-7988(2016)08-32-03

前言

油氣田進入開發(fā)的中后期后，由于各種各樣的原因，如地層自身能量降低、生產(chǎn)管串損壞、套管變形破裂、產(chǎn)層被水淹砂埋等等，導致油氣井不能進行正常的生產(chǎn)或產(chǎn)量降低較大，需進行修井作業(yè)。石油修井機主要用于修井作業(yè)中的提升和下放抽油桿、油管、鉆桿。

石油修井機通過動力單元驅(qū)動角傳動箱，角傳動箱再驅(qū)動絞車、游動系統(tǒng)和油田井口設(shè)備進行作業(yè)。由此看出角傳動箱是石油修井機的關(guān)鍵部件，它起著將動力從輸人端改變方向后輸出到使用部件的重要作用，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個傳動系統(tǒng)能否正常工作。

1、現(xiàn)有角傳動箱

角傳動箱把發(fā)動機輸入的動力傳遞給絞車主滾筒，同時具有改變傳動角度、變速的功能，現(xiàn)有角傳動箱通常包括定速比傳動結(jié)構(gòu)和雙速比機械傳動結(jié)構(gòu)兩種。

定速比傳動結(jié)構(gòu)為一組錐齒輪將輸人動力減速改變方向后，由鏈輪或齒輪輸出給后部絞車滾筒等部件。因其為定速比傳動，其后部絞車提升力和速度調(diào)整只有靠發(fā)動機油門大小調(diào)整，整車油耗較高，氣、聲、化學污染較大，同時作業(yè)成本較高、車輛壽命低、工人勞動強度大。

雙速比機械傳動結(jié)構(gòu)角傳動箱采用檔位撥叉改變主動滑套位置，通過內(nèi)外齒輪表面的進行硬摩擦嚙合進行換擋，再通過一組錐齒輪將輸入動力改變方向后輸出，現(xiàn)有雙速比機械傳動結(jié)構(gòu)作業(yè)時會出現(xiàn)換擋時，因主動輪與被動輪轉(zhuǎn)速不一致需要先行切斷動力，使主動輪與被動輪同步，然后通過手動或氣動推動空套齒輪進行齒輪切換，空套齒形與被動齒形嚙合角度不理想需要操作人員通過轉(zhuǎn)動輸入軸才能保證齒輪正常嚙合，同時檔位較少，整車動力匹配不易調(diào)整，難以控制發(fā)動機處于經(jīng)濟油耗工作區(qū)，傳動不平穩(wěn)，換擋切換困難齒輪沖擊載荷大，從而增加了作業(yè)成本、降低了設(shè)備的可靠性和工作的連續(xù)性。降低了車輛壽命、增加了工人勞動強度。

2、新型角傳動箱

新型角傳動箱有液壓控制的三套液壓離合器，液壓離合器是利用液壓油操縱接合的離合器，接合元件有嵌入式與摩擦式之分，我們設(shè)計選用的是摩擦式。液壓離合器的特點有：①傳遞轉(zhuǎn)矩大，尺寸小，尺寸相同時比電磁離合器傳遞轉(zhuǎn)矩約大3倍；②自行補償摩擦元件磨損的間隙；③接合平穩(wěn)，無沖擊；④調(diào)節(jié)系統(tǒng)油壓可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)傳遞轉(zhuǎn)矩；⑤結(jié)構(gòu)復雜，加工精度高，需配液壓站。[1]

當三套液壓離合器都不嚙合時，齒輪空轉(zhuǎn)，不進行動力傳遞，當一套液壓離合器嚙合，其余兩套不嚙合時，動力傳遞，三套液壓離合器可實現(xiàn)三個檔位的切換，并且液壓離合器在斷開與嚙合時，不需要先行切斷動力使主動輪和從動輪同步，可實現(xiàn)不停車換擋。

如圖3所示，新型角傳動箱主要由輸入軸、直齒輪a、直齒輪b、液壓離合器Ⅰ、直齒輪c、錐齒輪b、輸出軸、鏈輪、錐齒輪a、直齒輪d、液壓離合器Ⅱ、直齒輪e、液壓離合器Ⅲ、直齒輪 f、中間軸等主要部件構(gòu)成。采用強制潤滑對各部件進行潤滑，箱體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，操作方便。提高產(chǎn)品使用功能，減少操作程序，提高作業(yè)效率，并提高產(chǎn)品使用壽命。

其中，輸入軸與直齒輪a通過花鍵連接，輸入軸與直齒輪b通過花鍵連接，輸入軸與直齒輪c通過軸承連接，液壓離合器Ⅰ與直齒輪c通過花鍵連接；錐齒輪b與輸出軸通過花鍵連接，錐齒輪a、直齒輪d與中間軸通過花鍵連接；直齒輪e與中間軸通過軸承連接，液壓離合器Ⅱ與直齒輪e通過花鍵連接；直齒輪f與中間軸通過軸承連接，液壓離合器Ⅲ與直齒輪f通過花鍵連接；鏈輪與輸出軸通過花鍵連接。

如圖3所示，當修井機動力通過輸入軸輸入角傳動箱時，輸入軸帶動直齒輪a、直齒輪b一起轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)以下幾種工況：

1）當液壓離合器Ⅰ、液壓離合器Ⅱ與液壓離合器Ⅲ都不嚙合時，直齒輪a與直齒輪f嚙合帶動直齒輪f轉(zhuǎn)動，由于直齒輪f與中間軸為軸承連接，故中間軸不進行動力傳遞；直齒輪b與直齒輪e嚙合帶動直齒輪e轉(zhuǎn)動，由于直齒輪e與中間軸為軸承連接，故中間軸不進行動力傳遞。此時角傳動箱為分離狀態(tài)。

2）當液壓離合器Ⅰ嚙合，液壓離合器Ⅱ與液壓離合器Ⅲ都不嚙合時，修井機底盤動力通過輸入軸輸入角傳動箱時，液壓離合器Ⅰ嚙合，由于液壓離合器Ⅰ與直齒輪c通過花鍵連接，從而直齒輪c轉(zhuǎn)動，帶動直齒輪d轉(zhuǎn)動，直齒輪d、錐齒輪a與中間軸均為花鍵連接，從而直齒輪d、錐齒輪a轉(zhuǎn)動，錐齒輪a與錐齒輪b處于嚙合狀態(tài)，錐齒輪b與輸出軸通過花鍵連接，將輸入動力通過輸出軸傳遞給鏈輪進行輸出，此時角傳動箱為I檔狀態(tài)。

3）當液壓離合器Ⅱ嚙合，液壓離合器Ⅰ與液壓離合器Ⅲ都不嚙合時，修井機電機動力通過輸入軸輸入角傳動箱時，液壓離合器Ⅱ嚙合，由于液壓離合器Ⅱ與直齒輪e通過花鍵連接，從而直齒輪e轉(zhuǎn)動，帶動直齒輪d轉(zhuǎn)動，直齒輪d、錐齒輪a與中間軸均為花鍵連接，從而直齒輪d、錐齒輪a轉(zhuǎn)動，錐齒輪a與錐齒輪b處于嚙合狀態(tài)，錐齒輪b與輸出軸通過花鍵連接，將輸入動力通過輸出軸傳遞給鏈輪進行輸出，此時角傳動箱為Ⅱ檔狀態(tài)。

4）當液壓離合器Ⅲ嚙合，液壓離合器Ⅰ與液壓離合器Ⅱ都不嚙合時，修井機電機動力通過輸入軸輸入角傳動箱時，液壓離合器Ⅲ嚙合，由于液壓離合器Ⅲ與直齒輪f通過花鍵連接，從而直齒輪f轉(zhuǎn)動，帶動直齒輪d轉(zhuǎn)動，直齒輪d、錐齒輪a與中間軸均為花鍵連接，從而直齒輪d、錐齒輪a轉(zhuǎn)動，錐齒輪a與錐齒輪b處于嚙合狀態(tài)，錐齒輪b與輸出軸通過花鍵連接，將輸入動力通過輸出軸傳遞給鏈輪進行輸出，此時角傳動箱為Ⅲ檔狀態(tài)。

3、角傳動箱方案設(shè)計

3.1方案的確定

新型角傳動箱由三對圓柱齒輪進行傳動，末端含有一套90°轉(zhuǎn)換機構(gòu)，為一對錐齒，實現(xiàn)扭矩90°轉(zhuǎn)換；總共實現(xiàn)三個檔位轉(zhuǎn)換，均為齒輪傳動，且在傳動箱內(nèi)部。根據(jù)傳動鏈的要求，得到角傳動箱的設(shè)計簡圖如圖3所示。其中用到三套液壓離合器，液壓離合器結(jié)構(gòu)上有柱塞式與活塞式之分，根據(jù)角傳動箱整體要求，本次選用活塞式多盤液壓離合器，推力大，動作靈敏。

3.2傳動比的確定

計算總傳動比及分配各級的傳動比為：

I檔傳動比：i1=5.46；

Ⅱ檔傳動比：i2=2.42；

Ⅲ檔傳動比：i3=1.53；

3.3運動參數(shù)及力參數(shù)計算

選用輸人功率為：p1=160KW，

聯(lián)軸器的效率：η=0.99，

因此輸入軸的功率為：p=p1×0.99=158.4 KW；

最高輸入轉(zhuǎn)速：nmax=1500rpm，

最大輸入扭矩：Tmax=1323N.m；

表2　不同檔位輸入與輸出參數(shù)

3.4新型角傳動箱三維模型設(shè)計

根據(jù)確定的方案和傳動比要求，利用CATIA軟件建立新型角傳動箱三維模型，便于分析結(jié)構(gòu)尺寸和干涉。先確定輸入軸與中間軸的中心距，再分別確定幾組齒輪的齒數(shù)，然后建立幾組齒輪的三維模型，最后建立角傳動箱的箱體尺寸及相關(guān)附件，完成新型角傳動箱三維設(shè)計。

4、結(jié)論

新型角傳動箱涉及修井機上裝設(shè)計、制造和使用領(lǐng)域，從現(xiàn)有修井機角傳動箱結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進行思考和創(chuàng)新，在修井機工作過程中，可根據(jù)實際工況需要，直接通過液壓遠程控制三套液壓離合器的斷開與嚙合，調(diào)整速比和輸出扭矩，不需要切斷動力，實現(xiàn)修井機工作過程中不停車換擋，滿足大鉤提升力和提升速度的三種組合需求，提供不同工況下的使用要求，減少操作程序，提升產(chǎn)品品質(zhì)和修井機作業(yè)效率。

[1]成大先，機械設(shè)計手冊[M]，北京：化學工業(yè)出版社2008年1月第五版第2卷第3篇軸及連接第3卷第14篇齒輪傳動.

New Type Angle Gearbox Design of a Petroleum Workover Rig

Xue Yagang,Yang Bin,Wang Renpeng,Si Hao,Zhu Yang
(Shaanxi automobile group co.,LTD,shaanxi Xi 'an 710200)

The traditional petroleum workover rig angle gearbox can not shift,or shift needs to stop artificial mechanical operations and other issues.Designed by controlling three hydraulic clutches and engages disconnect achieve workover work process does not stop shift,while achieving workover work process hook lifting force and lifting speed three combinations,to meet different working requirements under conditions to solve the problem and gear shifting fewer problems and achieve easy to adjust to match the vehicle power,fuel economy can be in control of the engine work area,thereby reducing operating costs and improve the life of the vehicle,reducing workers' labor intensity.

petroleum workover rig; angle gearbox; hydraulic clutch

TE935

B

1671-7988（2016）08-32-03

薛亞剛，男，助理工程師，就職于陜西汽車控股集團有限公司技術(shù)中心，現(xiàn)從特種汽車設(shè)計開發(fā)工作。