基于交流變頻電動頂驅系統下齒輪箱體的結構優化分析

杜萍

摘 要：本文主要對齒輪箱體結構優化相關內容進行分析，著重探究交流變頻電動頂驅系統下齒輪箱體結構優化。齒輪箱體結構優化，有利于保證齒輪箱體結構剛度的安全設計，保證齒輪箱體的最優結構，從而保證最佳的設計方案。通過對齒輪箱體結構優化相關內容分析，以期為相關工作人員提供有效參考和借鑒。

關鍵詞：交流電頻;電動頂驅系統;下齒輪箱體;結構優化

中圖分類號：TE951 文獻標識碼：A

現階段，隨著技術發展，頂驅技術應用的范圍也在不斷拓展。在交流變頻電動頂驅系統中，齒輪箱是重要部件，其能夠對所有鉆具的法向荷載以及重力有效承受，同時借助銷軸，連接提環。因此，對齒輪箱體結構優化有重要的作用和價值，能夠促進其相關工藝水平優化，促進相應的生產工作。

1 建立下齒輪箱參數化模型

（1）借助相關參數化語言，建立下齒輪箱體全參數化幾何模型，借助模型參數分析得到幾何設計模型不同方面的數據。對網格參數進行相應的調整以及設定，形成結構化有限元網模型。（2）網格模型建立后，選擇材料。選擇材料時，需要計算下齒輪箱體強度，同時要注意考慮材料不同方面的數值，進行相應的對比。（3）對邊界、荷載條件有效明確。結合交流變頻電動頂驅系統中實際的約束情況以及實際受力情況，借助相關語言定義，對下齒輪箱體施加的約束和荷載有效明確。同時，還要對沖擊情況以及重載情況有效考慮，并以相關標準為基礎，明確相應的有限元計算模型[1-2]。

以某結構設計為例，該設計中主要的備選材料包括42CrMo、35CrMo、20CrMo，其中42CrMo的彈性模量為212Gpa，泊松比為0.280，屈服極限為930Mpa;35CrMo的彈性模量為213Gpa，泊松比為0.286，屈服極限為835Mpa;20CrMo的彈性模量為210Gpa，泊松比為0.278，屈服極限為685Mpa。對比可知，三種材料有較為接近的泊松比以及彈性模量。在選擇材料時，對材料的彈性模量值設為212Gpa，0.280為泊松比，隨后明確應力值，比較屈服極限，為選擇材料提供有效的參考和借鑒。APDL全參數化建立的幾何模型如圖1所示。

2 校核下齒輪箱剛度和強度

為了對下齒輪箱的剛度以及強度特性明確，可以將下齒輪箱結構示意圖放置于平面和柱面內，平面為水平接觸面，主要承載主軸，柱面為周向接觸面，主要對法蘭周面以及承周面承載。在極限荷載條件下，其變形程度與齒輪箱軸系的可靠性、安全性之間有著密切的關系，因此，需要保證強度的基礎上，對極限荷載下的變形程度有效分析，從而明確結構剛度。借助相關的設計要求以及標準，對沖擊工況荷載的影響進行充分考慮，并借助相應的計算明確箱體銷軸最大應力參數[3]。APDL全參數化建立的網格模型如圖2所示。

3 優化下齒輪箱體結構分析

在對下齒輪箱體剛度設計的過程中，底部壁厚以及側壁壁厚對下齒輪箱體剛度造成較大的影響。在具體設計的過程中，箱體的抗彎能力與側壁壁厚之間有密切的關系，箱體法向抗彎能力與底部壁厚之間有密切的關系。因此，在進行計算過程中，需要將底部壁厚以及側壁壁厚考慮為設計變量。相關人員對下齒輪箱體側壁壁厚以及底部壁厚相關內容進行研究，得出的結論包括：下齒輪箱的底部壁厚以及側壁壁厚越大，會降低銷軸處的最大應力，使得底部壁厚以及側壁壁厚有相當的銷軸最大應力;較大的底部壁厚以及側壁壁厚，會降低變形撓度;較大的底部壁厚以及側壁壁厚會使得柱面有較小的收縮變形等[4]。底部壁厚與側壁壁厚對下齒輪箱結構的影響見表1。

借助不同方面結構的分析，能夠對狀態變量、優化變量之間的關系有效明確，從而對下齒輪箱體結構有效優化。在實際對下齒輪箱體設計的過程中，提環銷軸處應力最大應為628Mpa，選擇合適的材料，從而保證結構的強度，對設計的安全性、可靠性有效增強。借助垂直載荷作用，會出現明顯的法向變形，承載法蘭接觸面以及箱體是最突出的變形位置，結合不同剛度參數來看，能夠對下齒輪箱結構剛度的可靠性、安全性有效保證。在對底部壁厚以及側壁壁厚分析的過程中，需要首先明確底部壁厚以及側壁壁厚對下齒輪箱造成影響，因此，需要對不同變量之間的關系有效優化[5]。在對結構參數化設計過程中，得到幾何參數的剛度、強度結果比較容易，能夠對后續設計工作的效率有效改善。在未來發展過程中，相關研究人員應加強對交流變頻電動頂驅系統下齒輪箱體結構優化的研究，從而促進相關技術的發展和優化，保證相應生產工作的效率和質量。

4 結語

綜上所述，在交流變頻電動頂驅系統中，下齒輪箱體在其中發揮著十分重要的作用，因此，對下齒輪箱體結構優化，能夠促進相應的生產工作的效率、質量提升。在實際對下齒輪箱體結構設計優化的過程中，研究人員要注意明確不同變量之間的關系以及對下齒輪箱體的影響，從而優化結構設計工作。

參考文獻

[1] 李春生.交流變頻電動頂驅系統下齒輪箱體的結構優化[J].石油機械，2017，45（8）：26-30.

[2] 侯新月，張晨駿，湯玲迪，等.基于響應曲面分析的卷盤式噴灌機行星齒輪減速箱殼體結構優化[J].節水灌溉，2019（11）：91-95.

[3] 李漢榮，習玉光.國外500t頂驅裝置技術性能分析[J].國外油田工程，2004（1）：37-39.

[4] 梁應紅，王中杰，張亞強，等.Tesco液壓頂部驅動裝置的優點及現場應用[J].石油礦場機械，2005（4）：81-83.

[5] 張洪生，鄧桐，曹立宏.9000m頂部驅動鉆井裝置結構選型研究[J].機械設計，2015（3）：100-104.