鼓形齒式聯軸器安裝允許誤差分析

牟少敏， 張勇， 魯其青， 張廷威， 張沛

（1.長城鉆探工程有限公司，北京 100101；2.南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南 南陽 473006）

1 鉆機的總體情況

大型石油鉆機（修井機）多采用電驅動，電動機通過聯軸器將動力輸入減速箱（也可能帶有換擋功能），減速箱通過聯軸器將動力輸入絞車。以某型號ZJ70DB鉆機為例，2臺800 kW電動機通過GⅡCL12#鼓形齒式聯軸器（以下簡稱聯軸器）將動力輸入各自的兩擋減速箱（以下簡稱減速箱），減速箱再通過GⅡCL15#聯軸器將動力輸入絞車。

電動機的參數如圖1所示。電動機工作過程中，不需要超載即可提起最大負荷，并且電動機最高轉速只需用到2000 r/min（Vm=2000 r/min）。減速箱低擋速比il=5.42，高擋速比ih=10.42。

圖1 電動機特性曲線圖

2 聯軸器結構簡介

電動鉆機上常用的聯軸器是按照JB/T 8854.2-2001《G ⅡCL型、GⅡCLZ型鼓形齒式聯軸器》設計生產的。實際上，它是兩對內嚙合的齒輪，外齒圈依靠內孔與要聯接的兩軸固定，兩內齒套端部由螺栓聯接、實現動力傳遞，如圖2所示。外齒的截面呈現圓形（鼓形），可以在與內齒嚙合時，允許內、外齒套（圈）的中心線產生偏移，從而實現角向和徑向補償，如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，在角向補償的情況下，聯軸器轉動時，內、外齒套（圈）之間發生軸線方向的滑移，影響傳遞轉矩的能力；在徑向補償的情況下，聯軸器轉動時，外齒套會發生擺動，影響速度的提高。

圖2 鼓形齒式聯軸器結構示意圖

圖3 角向補償示意圖

圖4 徑向補償示意圖

3 安裝允差分析

不同資料對于聯軸器的安裝誤差有不同的規定，且相差很大。為了討論方便，以前文所述的ZJ70DB鉆機為例進行分析。常見的資料有如下幾種。

1）絞車說明書[1]。在常見的絞車使用說明書中規定，聯軸器的徑向跳動量為0.35 mm，端面跳動量為0.20 mm。

在實際操作中，測量A端面（如圖5及圖6）端面跳動量時，無法將百分表垂直于A端面安裝，因為A端面上，齒根距B端面尺寸很小，并且根部有圓弧。只能將表傾斜安裝，測出端面跳動值后再修正。由于百分表的角度不能精確測量，增大了測量誤差。另外，根據標準規定，在制造時，A端面的跳動量是不控制的[2]（因為A端面的跳動量完全不影響聯軸器的使用）。假如按照未注公差的中等等級去計算跳動量，結果應該為0.2 mm[3]。從而可以看出，測量A端面的跳動量去衡量兩根軸的傾斜角已失去意義。換個角度講，端面跳動量規定值過低，竟然與制造誤差的大小一致。

圖5 絞車左右齒輪變速箱輸入軸與電動機輸出軸的找正示意圖[1]

圖6 絞車左右齒輪變速箱輸出軸與絞車滾筒輸入軸的找正示意圖[1]

另外，即使不考慮A端面的制造誤差，認為A端面的跳動量完全由軸線傾斜所致，在A端面跳動量為0.2 mm的條件下，兩根軸線（對于15#聯軸器）的傾斜角為0.030 2°，即1.81′。在制造廠內是可以達到這樣的精度，但是在油田現場再次調整時是做不到的，也是不必要的。同時，絞車上往往使用大小兩種聯軸器，且工作速度不同、傳遞轉矩不同，可是絞車的使用說明書卻按同一種數值規定，是不妥當的。

2）聯軸器使用說明書。聯軸器使用說明書中規定，同軸度為0.3 mm、傾斜角在2.5°之內；對于徑向補償量的規定與聯軸器行業標準一致。

3）石油行業標準[4]。標準SY/T 6680-2013《石油鉆機和修井機出廠驗收規范》第7.3.4.2條規定：同軸度為0.25 mm、傾斜角在1.5°之內。

這兩種資料中都規定了同軸度、兩軸線的傾斜角，但沒有說明是否可以兩者同時出現，即安裝后同軸度、傾斜角都達到規定的最大值時，是否合乎要求。另外，在現場，同軸度只能通過徑向跳動量來測量。但是，當傾斜角是2.5°（石油行業標準規定是1.5°）時，由于兩軸線的傾斜，會測出徑向跳動量為3.86 mm（15#聯軸器），而端面跳動量更是高達16.58 mm（15#聯軸器）。兩種型號的聯軸器在不同傾斜角的條件下，測出的最大徑向跳動量及端面跳動量如表1所示。

表1 幾種聯軸器不同傾斜角下的跳動量

4）聯軸器行業標準[2]。JB/T 8854.2-2001《GⅡCL、GⅡCLZ型鼓形齒式聯軸器》中的表A1、表A2規定：當無角位移時，15#聯軸器的徑向最大補償量為4.8 mm，12#聯軸器的徑向最大補償量為2.3 mm；當無徑向位移時，最大傾斜角度為3°。但是，同樣沒有規定兩者共同出現時如何選取。

正如前文所分析，軸線的傾斜角度影響聯軸器傳遞轉矩的能力，在JB/T 8854.2-2001《GⅡCL、GⅡCLZ型鼓形齒式聯軸器》中，根據式A3、圖A4進行聯軸器轉矩的修正，即軸線的傾斜角越大、聯軸器的傳遞轉矩的能力越小。在JB/ZQ 4381-2006《鼓形齒式聯軸器選用與計算》[5]的適用范圍中包含GⅡCL、GⅡCLZ型鼓形齒式聯軸器，也沒有徑向補償量對該型號聯軸器許用轉速影響的計算公式，可以認為不受影響。

對于15#聯軸器，在鉆機中，當減速箱置低擋時，傳遞的最大轉矩為104 200 N·m，使用時的最大速度是192 r/min。當減速箱置高擋時，傳遞的最大轉矩為54 200 N·m，使用時的最大速度為369 r/min。而15#聯軸器的公稱轉矩為180 000 N·m、允許轉速為1500 r/min[2]。高低擋下，分別計算15#聯軸器的傾斜角和允許的徑向跳動量，結果是：低擋時，傾斜角為3°，此時不再計算允許的徑向補償量；高擋時，傾斜角為3°，不再計算允許的徑向補償量。由表1可知，傾斜角為3°，徑向跳動量就可以達到15#聯軸器允許的最大值4.8 mm[2]。

對于電動機輸出使用的12#聯軸器，做同樣的計算，可以得出最大傾斜角為2.5°。此時由傾斜角引起的徑向跳動量可以達到3.035 mm，大于12#聯軸器允許的最大徑向補償量（2.3 mm）[2]，因此取2.3 mm作為許可的最大徑向跳動量。

這種計算方法有一個缺陷：軸線傾斜有可能會使過大的徑向跳動量表現不出來，如圖7所示。為了安全，在工程上要對這個補償量進行限制。取允許值的1/4作為現場調整的最低要求，而使用值為允許值的3/4。端面跳動量的限制是換算為傾斜角，現場調整的要求是不大于0.125°，使用時的要求是不大于0.25°。這樣的話，即使軸線傾斜減小了徑向跳動量，也不會超過聯軸器的許用徑向補償量。在傾斜角為0.25°時，聯軸器允許傳遞的轉矩不小于公稱轉矩的90%，因此這樣選取是合理的。

圖7 軸線傾斜對徑向跳動的影響示意圖

使用這種方法，在測端面跳動量時，應該在圓周方向上每45°測一次，防止角度最大值處漏測。

根據以上原則，就可以計算出聯軸器的各種限值，結果如表2所示。

表2 聯軸器調整限值 mm

4 結論

根據聯軸器使用時傳遞的轉矩和轉速確定在軸線傾斜角為0.25°時能正常使用；現場調整時，軸線傾斜角不能大于0.125°，以此計算端面跳動量。為保證聯軸器的安全使用，在現場調整時，徑向跳動量不能大于最大徑向補償量的1/4，使用時不能大于最大徑向補償量的3/4，以此確定徑向跳動量。制造廠家應給出在制造時的允許調整值，以便用戶在絞車橇返廠大修時使用，同時給出在現場調整時的允許值和使用時允許的最大限值。

為了敘述方便，文中的計算數據只是針對一種特定的鉆機，不具有普遍的適用性。GB/T 26103.1-2010《GⅡCL型鼓形齒式聯軸器》中關于徑向最大補償量、最大傾斜角度的規定值與機械行業標準類似，本文中未引用。