鼓形齿式联轴器安装允许误差分析
牟少敏， 张勇， 鲁其青， 张廷威， 张沛
（1.长城钻探工程有限公司，北京 100101；
2.南阳二机石油装备集团股份有限公司，河南 南阳 473006）
大型石油钻机（修井机）多采用电驱动，电动机通过联轴器将动力输入减速箱（也可能带有换挡功能），减速箱通过联轴器将动力输入绞车。以某型号ZJ70DB钻机为例，2台800 kW电动机通过GⅡCL12#鼓形齿式联轴器（以下简称联轴器）将动力输入各自的两挡减速箱（以下简称减速箱），减速箱再通过GⅡCL15#联轴器将动力输入绞车。
电动机的参数如图1所示。电动机工作过程中，不需要超载即可提起最大负荷，并且电动机最高转速只需用到2000 r/min（Vm=2000 r/min）。减速箱低挡速比il=5.42，高挡速比ih=10.42。
图1 电动机特性曲线图
电动钻机上常用的联轴器是按照JB/T 8854.2-2001《G ⅡCL型、GⅡCLZ型鼓形齿式联轴器》设计生产的。实际上，它是两对内啮合的齿轮，外齿圈依靠内孔与要联接的两轴固定，两内齿套端部由螺栓联接、实现动力传递，如图2所示。外齿的截面呈现圆形（鼓形），可以在与内齿啮合时，允许内、外齿套（圈）的中心线产生偏移，从而实现角向和径向补偿，如图3、图4所示。从图中可以看出，在角向补偿的情况下，联轴器转动时，内、外齿套（圈）之间发生轴线方向的滑移，影响传递转矩的能力；
在径向补偿的情况下，联轴器转动时，外齿套会发生摆动，影响速度的提高。
图2 鼓形齿式联轴器结构示意图
图3 角向补偿示意图
图4 径向补偿示意图
不同资料对于联轴器的安装误差有不同的规定，且相差很大。为了讨论方便，以前文所述的ZJ70DB钻机为例进行分析。常见的资料有如下几种。
1）绞车说明书[1]。在常见的绞车使用说明书中规定，联轴器的径向跳动量为0.35 mm，端面跳动量为0.20 mm。
在实际操作中，测量A端面（如图5及图6）端面跳动量时，无法将百分表垂直于A端面安装，因为A端面上，齿根距B端面尺寸很小，并且根部有圆弧。只能将表倾斜安装，测出端面跳动值后再修正。由于百分表的角度不能精确测量，增大了测量误差。另外，根据标准规定，在制造时，A端面的跳动量是不控制的[2]（因为A端面的跳动量完全不影响联轴器的使用）。假如按照未注公差的中等等级去计算跳动量，结果应该为0.2 mm[3]。从而可以看出，测量A端面的跳动量去衡量两根轴的倾斜角已失去意义。换个角度讲，端面跳动量规定值过低，竟然与制造误差的大小一致。
图5 绞车左右齿轮变速箱输入轴与电动机输出轴的找正示意图[1]
图6 绞车左右齿轮变速箱输出轴与绞车滚筒输入轴的找正示意图[1]
另外，即使不考虑A端面的制造误差，认为A端面的跳动量完全由轴线倾斜所致，在A端面跳动量为0.2 mm的条件下，两根轴线（对于15#联轴器）的倾斜角为0.030 2°，即1.81′。在制造厂内是可以达到这样的精度，但是在油田现场再次调整时是做不到的，也是不必要的。同时，绞车上往往使用大小两种联轴器，且工作速度不同、传递转矩不同，可是绞车的使用说明书却按同一种数值规定，是不妥当的。
2）联轴器使用说明书。联轴器使用说明书中规定，同轴度为0.3 mm、倾斜角在2.5°之内；
对于径向补偿量的规定与联轴器行业标准一致。
3）石油行业标准[4]。标准SY/T 6680-2013《石油钻机和修井机出厂验收规范》第7.3.4.2条规定：同轴度为0.25 mm、倾斜角在1.5°之内。
这两种资料中都规定了同轴度、两轴线的倾斜角，但没有说明是否可以两者同时出现，即安装后同轴度、倾斜角都达到规定的最大值时，是否合乎要求。另外，在现场，同轴度只能通过径向跳动量来测量。但是，当倾斜角是2.5°（石油行业标准规定是1.5°）时，由于两轴线的倾斜，会测出径向跳动量为3.86 mm（15#联轴器），而端面跳动量更是高达16.58 mm（15#联轴器）。两种型号的联轴器在不同倾斜角的条件下，测出的最大径向跳动量及端面跳动量如表1所示。
表1 几种联轴器不同倾斜角下的跳动量
4）联轴器行业标准[2]。JB/T 8854.2-2001《GⅡCL、GⅡCLZ型鼓形齿式联轴器》中的表A1、表A2规定：当无角位移时，15#联轴器的径向最大补偿量为4.8 mm，12#联轴器的径向最大补偿量为2.3 mm；
当无径向位移时，最大倾斜角度为3°。但是，同样没有规定两者共同出现时如何选取。
正如前文所分析，轴线的倾斜角度影响联轴器传递转矩的能力，在JB/T 8854.2-2001《GⅡCL、GⅡCLZ型鼓形齿式联轴器》中，根据式A3、图A4进行联轴器转矩的修正，即轴线的倾斜角越大、联轴器的传递转矩的能力越小。在JB/ZQ 4381-2006《鼓形齿式联轴器选用与计算》[5]的适用范围中包含GⅡCL、GⅡCLZ型鼓形齿式联轴器，也没有径向补偿量对该型号联轴器许用转速影响的计算公式，可以认为不受影响。
对于15#联轴器，在钻机中，当减速箱置低挡时，传递的最大转矩为104 200 N·m，使用时的最大速度是192 r/min。当减速箱置高挡时，传递的最大转矩为54 200 N·m，使用时的最大速度为369 r/min。而15#联轴器的公称转矩为180 000 N·m、允许转速为1500 r/min[2]。高低挡下，分别计算15#联轴器的倾斜角和允许的径向跳动量，结果是：低挡时，倾斜角为3°，此时不再计算允许的径向补偿量；
高挡时，倾斜角为3°，不再计算允许的径向补偿量。由表1可知，倾斜角为3°，径向跳动量就可以达到15#联轴器允许的最大值4.8 mm[2]。
对于电动机输出使用的12#联轴器，做同样的计算，可以得出最大倾斜角为2.5°。此时由倾斜角引起的径向跳动量可以达到3.035 mm，大于12#联轴器允许的最大径向补偿量（2.3 mm）[2]，因此取2.3 mm作为许可的最大径向跳动量。
这种计算方法有一个缺陷：轴线倾斜有可能会使过大的径向跳动量表现不出来，如图7所示。为了安全，在工程上要对这个补偿量进行限制。取允许值的1/4作为现场调整的最低要求，而使用值为允许值的3/4。端面跳动量的限制是换算为倾斜角，现场调整的要求是不大于0.125°，使用时的要求是不大于0.25°。这样的话，即使轴线倾斜减小了径向跳动量，也不会超过联轴器的许用径向补偿量。在倾斜角为0.25°时，联轴器允许传递的转矩不小于公称转矩的90%，因此这样选取是合理的。
图7 轴线倾斜对径向跳动的影响示意图
使用这种方法，在测端面跳动量时，应该在圆周方向上每45°测一次，防止角度最大值处漏测。
根据以上原则，就可以计算出联轴器的各种限值，结果如表2所示。
表2 联轴器调整限值 mm
根据联轴器使用时传递的转矩和转速确定在轴线倾斜角为0.25°时能正常使用；
现场调整时，轴线倾斜角不能大于0.125°，以此计算端面跳动量。为保证联轴器的安全使用，在现场调整时，径向跳动量不能大于最大径向补偿量的1/4，使用时不能大于最大径向补偿量的3/4，以此确定径向跳动量。制造厂家应给出在制造时的允许调整值，以便用户在绞车橇返厂大修时使用，同时给出在现场调整时的允许值和使用时允许的最大限值。
为了叙述方便，文中的计算数据只是针对一种特定的钻机，不具有普遍的适用性。GB/T 26103.1-2010《GⅡCL型鼓形齿式联轴器》中关于径向最大补偿量、最大倾斜角度的规定值与机械行业标准类似，本文中未引用。
猜你喜欢倾斜角联轴器绞车JC-70DBZ型直驱绞车研制机械工程师(2022年7期)2022-07-15永磁联轴器保护报警装置的设计及实现潍坊学院学报(2021年2期)2021-07-22以“倾斜角与斜角”为例谈概念教学河北理科教学研究(2020年2期)2020-09-11开缝圆柱缝隙倾斜角对脱落涡的影响北京航空航天大学学报(2017年1期)2017-11-24高炉主卷扬柱销联轴器的改造新疆钢铁(2015年3期)2015-11-08矿用调度绞车常见故障及预防措施科技与企业(2015年18期)2015-10-21浅析矿用无极绳连续牵引绞车选型计算同煤科技(2015年4期)2015-08-21梅花形弹性联轴器的匹配汽车科技(2015年1期)2015-02-28螺纹联轴器的建模及其不对中故障研究振动、测试与诊断(2014年4期)2014-03-01基于模糊自适应PID的水下某型拖带绞车张力控制方法研究船海工程(2013年6期)2013-03-11