压裂泵组合式人字齿结构轮齿修形研究_何鹏辉.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 2 月机电工程Journal of Mechanical Electrical EngineeringVol 40 No 2Feb 2023收稿日期:2022 07 12基金项目:国家重点研发计划资助项目(2018YFB2001300);中国机械科学研究总院集团有限公司技术发展基金资助项目(IFZJJ1081908)作者简介:何鹏辉(1988 )，男，河南三门峡人，硕士，主要从事齿轮传动啮合特性方面的研究。E-mail:hph317163 com通信联系人:裴帮，男，硕士，研究员，硕士生导师。E-mail:peibang126 comDOI:10 3969/j issn 1001 4551 2023 02 002压裂泵组合式人字齿结构轮齿修形研究*何鹏辉，范乃则，裴帮*，关鹤，李学飞，李志远，赵玉凯(郑州机械研究所有限公司，河南 郑州 450001)摘要:组合式人字齿轮的变形及误差会降低齿轮传动啮合性能，针对这一问题，以某型号压裂泵动力传动系统组合式人字齿轮副为例，对组合式人字齿的传动啮合特性进行了理论强度计算、误差分析、仿真修形及实验研究。首先，分析了该齿轮副的结构形式，计算了该传动系统人字齿轮副的接触及弯曲疲劳强度，并分析了影响齿轮接触及弯曲疲劳强度的因素;然后，对该齿轮结构的误差形式及补偿措施进行了分析讨论，并对齿轮轴的变形及齿部修形特性进行了理论分析;最后，基于 KISS soft 软件计算出了齿廓的修形量，通过对比不同修形量对齿轮副的传动误差、接触应力及啮合斑点的影响，得出了最优的修形参量，并进行了实验验证。研究结果表明:轮齿修形补偿了变形及误差对齿轮传动特性的影响，同时其传动误差峰值降低了 38%，齿面线载荷降低了 41 3%，齿面接触区沿齿向分布均匀化，传动啮合性能得到了较大的改善。关键词:齿轮传动误差;啮合性能;齿轮副;齿部修形量;KISS soft 软件;接触强度及弯曲疲劳强度;接触应力和啮合斑点中图分类号:TH132 41文献标识码:A文章编号:1001 4551(2023)02 0169 09Tooth modification of fracturing pump assembled doublehelical gear structureHE Peng-hui，FAN Nai-ze，PEI Bang，GUAN He，LI Xue-fei，LI Zhi-yuan，ZHAO Yu-kai(Zhengzhou esearch Institute of Mechanical Engineering CO，Ltd，Zhengzhou 450001，China)Abstract:Aiming at the problem that deformation and error reduced the meshing performance of assembled double helical gearstransmission，the assembled double helical gear of the power transmission system of plunger pump was taken as the model，a study of themeshing characteristics of the double helical gears was executed by means of theoretical strength calculation，error analysis，simulationmodification and test verification Firstly，the structural form of the gear pair was analyzed，also，the contact strength and bending strength ofthe gear pair were analyzed and calculated，and the influence factors of gear contact strength and bending strength were analyzed Then，theerror forms and compensation measures of the gear type were analyzed and discussed，also，the shaft deformation and tooth modificationcharacteristics of assembled double helical tooth gear shaft were analyzed in the aspect of theory Finally，based on the software platform ofKISS soft software，the modification quantities of the gears were analyzed and calculated The modification parameters were optimized bycomparing the meshing spots，transmission errors and contact stress of the gear pairs with different modification quantities And moreover，the results were used to process the sample products as a validation The analysis results show that after compensating the influence ofdeformation and error on gear transmission characteristics，the peak-to-peak value of transmission error is reduced by 38%，the gear surfaceline load is reduced by 41 3%，the contact area of the gear surface is evenly distributed along the tooth direction，and the transmissionmeshing performance is improvedKey words:gear transmission error;meshing performance;gear pair;tooth modification;KISS soft software;contact strength and bendingfatigue strength;contact stress and meshing spots0引言人字齿轮传动具有重合度高、承载能力大、轴向力小等特点，因而被广泛应用于航空、船舶、能源设备等相关领域。在能源开采领域，其动力传动系统多为重载、持续满负荷的工况，因此，齿轮的真实齿根形状和齿面接触特性对齿轮副的寿命及可靠性有很大的影响。在齿轮机构设计过程中，一般会将齿轮啮合的实际工况考虑进去。接触疲劳安全系数和弯曲疲劳安全系数是评价齿轮接触疲劳强度的重要指标。已有学者采用试验和有限元仿真的方法，对齿轮接触特性的影响因素进行了研究。刘怀举等人1 通过深入调研国内外齿轮研究成果，分析了影响齿轮接触疲劳性能的轮齿界面状态、硬化层与残余应力、材料缺陷等结构 工况 材料要素体系，总结了超精加工、涂层以及喷丸等加工工艺对提高齿面接触疲劳性能的影响，为探索齿轮接触疲劳失效机理以及高性能齿轮抗疲劳设计制造方法提供了参考。WANG Hong-bing 等人2 建立了点接触混合弹流润滑工况下的 ACHAD 齿轮磨损寿命预测模型，研究了不同输入工况、润滑条件、齿面状态及鼓形量对鼓形人字齿面磨损寿命的影响。李纪强等人3 提出了微点蚀和热胶合竞争失效机制，并采用试验测试的方式，研 究 了 不 同 加 载 扭 矩 和 主 轴 转 速 工 况 下，18CrNiMo7-6 材料齿轮样件的最小油膜厚度和最大接触温度，给出了微点蚀润滑油膜最小安全系数和热胶合齿面啮合温度最小安全系数的推荐值。白恩军等人4 采用有限元方法，建立了刚性和柔性两种齿轮轴模型，研究了这两种齿轮轴模型的载荷分布差异，以及齿轮啮合刚度的时变特性。陈桂廷等人5 通过推导齿轮轴弯曲扭转变形公式，基于切片法及线性规划内点法，计算了齿轮齿向载荷分布，研究了齿轮轴长度、轴径对斜齿轮齿向载荷分布及啮合刚度的影响。PATIL S S 等人6 通过有限元软件分析，研究了螺旋角和摩擦因数在特定范围内对斜齿轮接触应力的影响。向龙等人7采用混合赫兹、WINKLE 模型的齿面接触应力计算法，求解了含安装误差的斜轮齿，并分析了不同负载和啮合位置的最大接触应力及其变化规律。LIU Xuan 等人8在考虑不对称误差的基础上，建立了一种三维加载齿面接触分析模型，计算了具有不对称误差的人字齿轴啮合周期内齿轮传动误差和轴向位移，分析了不对称误差对人字齿啮合冲击力的影响。通过仿真软件优化齿廓的修形量，以此来提高齿轮接触性能，这是研究齿轮传动特性的重要手段。LIU Lan 等人9 建立了人字齿轮 轴 轴承有限元模型，研究了齿面修形改性对人字齿轮齿面承载接触应力特性的影响。LV Chang 等人10 和 LIU Jing 等人11 建立了齿轮传动仿真模型，研究了齿轮微观修形对齿轮接触性能及噪声的影响。MA Xin-tan 等人12 建立了系统仿真模型，并采用遗传算法，对轮齿微观修形进行了优化。TANG Z P 等人13 通过 ANSYS 对三维模型进行了分析，在不同工况下，研究了牵引斜齿轮一个啮合周期内的应力分布及接触状态时变规律，以此对齿轮进行了修形，降低了齿轮啮合冲击和传动噪声。文献 14-16 中，研究人员采用 KISS soft 软件，分别对斜齿轮和行星齿轮进行了接触分析，对齿面进行了修形和优化设计。在以上研究中，众多学者对影响斜齿轮和人字齿轮啮合特性的误差因素及修形方式进行了分析，但对于组合式人字齿的传动啮合特性分析较少。笔者以某型号压裂泵人字齿轮副为研究对象，进行组合式人字齿轮结构特点、齿轮副强度校核及误差类型分析，并采用 KISS soft 软件建立模型，探究轮齿修形对齿轮传动误差、接触斑点以及齿面载荷的影响特性。1压裂泵传动齿轮副结构压裂泵传动有两种形式，一种为传统的典型结构，即输入轴穿过曲轴箱，轴承支撑的两端为左旋齿和右旋齿，并分别与曲轴两端安装的从动轮啮合;另一种是随着机型向大负载、高功率密度、轻量化发展而逐渐兴起的行星齿轮传动结构，该结构采用了一级平行轴齿轮副和一级行星齿轮副的传动形式。笔者的研究对象为该结构减速器一级平行级双斜齿组合人字齿啮合的一对齿轮，如图 1 所示。图 1平行级齿轮副示意图071机电工程第 40 卷该组合式人字齿齿轮轴是由高强度螺栓连接一组齿部参数一致旋向相反的双斜齿组成的，相较于常规磨齿硬齿面人字齿结构，该结构双斜齿轴向设计间距很小(1 mm 3 mm)，且无砂轮退刀槽，整体结构紧凑，功率密度高;但是需要合理的加工工艺及工装设计来保证组合后人字齿的齿轮精度。其中，驱动齿轮轴的结构如图 2 所示。图 2驱动齿轮轴的结构示意图2齿轮参数2 1技术参数此处笔者所采用减速机的相关技术参数(结构形式为一级平行级齿轮传动+一级行星齿轮传动)如表 1所示。表 1减速机技术参数名称/单位数值额定功率/kW3 728 5额定输入转速/(rmin1)865最高输入转速/(rmin1)1 750总减速比7 525中心距/mm7452 2设计参数此处的研究对象为一级平行级人字齿轮传动，该齿轮副