四川宏华?成都研发中心—冉学平

摘  要  传动系统乃顶驱的心脏及基础，传动系统的好与否直接决定了顶驱的优劣。本人通过对国内、外众多厂家的顶驱传动系统进行了仔细分析与深入研究，找出了他们的传动系统设计之不足(限于篇幅，在此仅列举三种典型顶驱传动系统的具体情况)，为宏华顶驱的开发作了充分的技术准备。在此基础上，总结了宏华顶驱传动系统的优点，先进的设计理念和设计手段，并对试验结果加以简单的总结。

关键词  　顶驱  齿轮箱  传动　润滑

国内某顶驱齿轮箱几何尺寸（ ）及结构图

该 顶驱齿轮箱的缺点：

    1、

由于地质结构、各种钻井工况的不同以及人为因素的影响等，造成顶驱的钻井转速即齿轮箱的转速不稳定，当齿轮箱处于低速重载工况时，润滑油量及压力不能充分满足润滑及散热的需求，可能造成轮齿啮合面间的高压润滑油膜难以有效建立，不能及时带走由于功率损耗而产生的热量的情况，增大了磨损、热胶合、齿面点蚀失效的可能性，减速机的正常使用寿命可能会受到一定的影响。

2、高速级齿轮付安装方式不太理想。

根据北石顶驱齿轮箱的装配图，齿轮箱的高速齿轮采用的是静压锥度配合的联接方式。这种联接方式的缺点是：

1 高速齿轮与电机轴伸、中间轴与高速级被动齿轮之间需要相互配做，不具有互换性。

2 精度要求高，产品质量不易控制。尤其是配合锥面的过盈量不好实现xx的控制；对于高速齿轮来说，过盈量过大则造成配合面上的压应力在齿轮根部反应出较大的拉应力与齿轮工作时的弯曲应力相互叠加，增大齿根负荷，进而影响高速齿轮的弯曲疲劳强度，缩短齿轮使用寿命。

3、高速轴下端轴承的安装方式欠妥。

高速轴下轴承的安装轴颈定位是靠定位止口，并以螺栓联接。经过多个零件来控制旋转精度，增大了累积公差，间接降低了齿轮箱的精度等级。

4、中间轴的轴承选型欠佳。

中间轴选用的为两个分离型圆锥滚子轴承。顶驱工作时，在钩载的作用下齿轮箱底部会产生较大的弯扭组合变形，且箱体各部分的变形量差异甚大，齿轮箱底部弯曲变形后，中间轴上下轴承孔的同轴度会严重超差，然而该轴承不具有同轴度超差补偿的功能，因而造成齿轮与轴承偏载，影响啮合精度。这是齿轮箱工作时振动、冲击的主要原因，并降低了传递效率，大大缩短了齿轮箱的使用寿命，严重偏载时还会造成轮齿折断的恶性事故。

5、齿轮箱的箱体结构设计欠佳。

箱体的底部厚度偏薄，在钩载作用下会产生较大的变形，影响各级齿轮付的啮合精度及轴承的使用效果。

6、各齿轮的螺旋角之旋向设计不当。

高速齿轮、高速级被动齿轮、低速级主动齿轮及输出齿轮的旋向依次为右旋、左旋、左旋、右旋。由斜齿轮的受力分析可知，在顶驱正常钻井作业时，高速齿轮的轴向力向下。同时，电机转子的重力亦向下，因而加重了电机下轴承的负荷。合理的设计应该是把各齿轮的旋向反过来，这样高速齿轮的轴向力便可以跟转子所受的重力相互抵消，减轻了电机下轴承的负荷，大大延长了电机下轴承的使用寿命。

7、齿轮箱的整体布局方式及装配工艺性欠佳。

国外某公司顶驱齿轮箱几何尺寸（ ）及结构图

该70顶驱齿轮箱的缺点如下：

    1、高速齿轮安装方式欠妥。

高速齿轮采用悬臂的安装方式。采用这种方式安装时，高速级齿轮付的全部负荷将由电机下轴承独自承担，并且电机上轴承座的反力也会叠加于下轴承，造成电机下轴承的负荷略大于高速级齿轮付的全部负荷。在设计时应尽量避免使用悬臂的安装方式，该安装方式只有在特殊情况下采用。

2、高速齿轮联接方式欠妥。

采用的静压锥度配合，不妥理由同北石顶驱。

3、中间轴的轴承选型欠佳。

中间轴上轴承采用的分离型圆柱滚子轴承，下轴承为双列调心滚子轴承，不能充分的发挥调心轴承的调心功能。但比北石顶驱的轴承选型略好些。

4、各齿轮的螺旋角之旋向设计不当。

1 高速齿轮、高速级被动齿轮、低速级主动齿轮及输出齿轮的旋向依次为右旋、左旋、右旋、左旋。由斜齿轮的受力分析可知，在顶驱正常钻井作业时高速齿轮的轴向力向下；同时，电机转子的重力亦向下，因而加重了电机下轴承的负荷。所以，高速齿轮的旋向宜设计为：左旋，这样高速齿轮的轴向力向上，便可以跟转子的重量相互抵消，大大延长了电机下轴承的使用寿命。

2由斜齿轮的受力分析可知，高速级被动齿轮与低速级主动齿轮轴向力同时向上，增加了中间轴下（上）轴承（注：只有一个轴承承担轴向负荷）的轴向负荷，缩短了该轴承的使用寿命。

所以，合理的旋向设计应该为：左旋、右旋、右旋、左旋，再设计合理的螺旋角，就能保证中间轴组件重量、两齿轮的轴向力三者xx抵消。

5、密封方式设计欠佳。

国外某公司　 顶驱齿轮箱几何尺寸（ ）及结构图

该 顶驱齿轮箱的缺点如下：

    1、齿轮箱箱体结构设计欠佳。

     齿轮箱箱体为组焊结构件，在批量生产时效率较低，成本较铸造高。装配时仅靠观察窗口操作，装配难度较大，装配工艺繁琐；同时由于箱体结构的局限，造成高速级被动齿轮与中间轴、输出齿轮与主轴之间只能采用内、外花键的联接方式。该种联接方式的旋转精度较圆柱面过盈联接的精度稍差，会造成冲击、振动，产生噪声，降低传动效率。

2、齿轮箱润滑油泵联接于中间轴端头的方式欠佳。

理由：同北石顶驱。

3、密封方式欠佳。

4、整体布局欠佳。

1 提环销座子粗笨，占用空间很大。

2 轴承负荷分配不均。尤其是主轴下方的外圈单挡边圆柱滚子轴承的负荷很大，而上圆柱滚子轴承的负荷很小。

3 齿轮箱的输入功率通过联轴器传递，增加了顶驱的总高度。

5、各齿轮为直齿。直齿的承载能力与传动平稳性不及斜齿。

宏华公司 顶驱齿轮箱几何尺寸（ ）及结构图

宏华 顶驱齿轮箱的优点：

宏华公司顶驱齿轮箱除了克服了上述各公司齿轮箱的不足之外，还具有如下独特的优点：

1、整体设计结构简洁、合理，加工、装配工艺性好。

传动系统为单传动，节省空间，便于整个顶驱的集成布局；但由于为单传动，在电机出故障时，应急能力不如北石、 的双传动顶驱。

2、设计理念科学，设计手段先进。

具体体现简述如下：

齿轮传动中，轮齿主要受齿面接触应力和齿根弯曲应力，弯曲应力将会在齿根圆角与渐开线过渡处出现较为严重的应力集中现象。通过加大齿根圆角半径，使应力集中的现象有所缓解。同时，高速齿轮与高速轴之间采用圆柱面过盈联接传递扭矩，通过较为xx的控制过盈量既保证了联接可靠，有一定的安全裕度，又使过盈面的压应力不至于过大，使由于配合压应力而形成的齿根拉应力对轮齿啮合传动时的弯曲应力的复合影响减弱，弱化了薄轮缘结构对齿根弯曲负荷的影响。

高速轴两轴承设计与选型xx自行考虑（不需电机设计人员考虑），保证了两轴承载荷的合理分配，延长了顶驱的使用维护周期。

合理选择传动类型提高了齿轮的承载能力，缩小了齿轮箱的体积，减轻了齿轮箱的重量。

合理选择齿轮变位系数，保证了大、小齿轮的节圆处的渐开线滑动速率相等，使齿轮传动尽可能向理想的纯滚动传动靠近，减小了传动过程中的滑动摩擦，提高了传动效率，降低了传动部件及润滑油的温升。

合理设计齿轮旋向及螺旋角，减轻了轴承的轴向负荷，延长了轴承的使用寿命，并延长了顶驱的大修周期。

合理设计中间轴组件的结构及参数，保证了中间轴处于“悬浮”状况工作，减缓了工作中的冲击，减小了传动过程中的振动、噪音，提高了齿轮传动效率。

3、充分吸纳新鲜知识，利用前沿技术。

运用了近年来的新科研成果，对齿轮进行了齿顶修缘、齿向修形处理，避免了较为严重的轮齿啮入冲击。使轮齿齿向载荷分布尽量均衡，齿间载荷分配更加合理。

4、关键受力件强度（箱体、齿轮、主轴等）高，局部细节设计合理，轴承的承载能力强，维修周期长。

5、xx计算润滑参数，合理选择润滑油品种，保证了高速级齿轮付处于流体润滑区，低速级齿轮付处于混合润滑区，润滑效果得到了彻底保证。

6、在设计手段上，除采用相关的计算标准（准则）计算外，部分还辅以 分析加以验证、确认。

试验效果总结

1、传动平稳，冲击、振动小，噪声低。离齿轮箱 左右检测，噪声 。

2、传动效率高，温升低。

经过试验检测，在额定工况下温升 ，以本人多年从事传动系统组装、试验的工作经验来看，应该是很少见的优异结果。

3、传递扭矩大、转速高。

    4、安全可靠，寿命长。

附录：

1、过盈联结配合面压应力的有限元分析

2、箱体受提升载荷时的应力及应变分析

3、输出轴装配单齿对啮合时的{zd0}静应力分析

参考文献：

《齿 轮  手册》  （第二版）   机械工业出版社

《机械设计手册》  （第四版）   化学工业出版社

《 说明书》   瓦壳公司

《 说明书》      瓦克克瓦拉公司

《北石顶驱说明书》             北京石油机械厂

特此申明：图片和公式粘贴不上来，欲交流可电话联系