大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法，涉及机械工程技术领域，包括曲柄连杆机构的运动关系、曲轴连杆系统的受力分析、传动轴系统的受力分析、对曲轴和传动轴各突变截面进行分析、编写计算程序绘制拟合曲线和分析计算结果六个步骤；本发明专利技术从获得大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的原始参数开始，提出一种大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法，不但可以得到大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统中各作用力随曲轴转角的变化曲线，同时还可以得到曲轴和传动轴各突变截面上的计算安全系数随曲轴转角的变化曲线，对大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统中各零件的设计和优化具有一定的参考价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械工程
，具体涉及一种大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法。
技术介绍
钻井是利用机械设备，将地层钻成具有一定深度的圆柱形孔眼的工程，钻井泵是钻井中最常用的一种机械设备，而传动系统是钻井泵中必不可少的结构。传统的大功率三缸钻井泵曲轴传动系统采用单侧人字型齿轮啮合来传递动力，由于齿轮位于曲轴的一端，当另一端的两个曲柄受力时，曲轴的应力和形变最大，且当钻井泵的功率增大时这种现象更为明显。为了解决这一问题，设计的大功率钻井泵的曲轴传动系统采用了双侧斜齿轮啮合来传递动力。由于结构不同，大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的曲柄连杆机构的受力不同于采用单侧人字型齿轮啮合来传递动力大功率钻井泵的受力。因此，对于大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统，如何准确地得到传动系统中各作用力以及曲轴和传动轴各突变截面上的计算安全系数，对钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统中各零件的设计和优化改进具有重要的指导意义。通过专利检索，尚未发现有相关专利文件破坏本专利技术的创造性。
技术实现思路
(一)解决的技术问题本专利技术所要解决的技术问题是提供了一种大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法，以克服传统钻井泵单侧人字型齿轮啮合传动系统的受力分析方法无法完全用于大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析这一问题，提供一种大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统受力分析方法，旨在详细给出大功率钻井泵双侧斜齿 轮啮合传动系统中各作用力以及曲轴和传动轴各突变截面上的计算安全系数，为大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的设计和优化打下基础。(二)技术方案为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法，包括以下步骤：(1)分析曲轴连杆机构的运动关系，得到活塞的运动加速度a和连杆的运动加速度ac以及连杆运动角加速度εc；(2)对曲轴连杆系统进行受力分析，得到曲轴所受的连杆力F3x、F3y和偏心质量惯性力Fdx、Fdy和齿轮啮合力F5x1、F5y1、F5z1、F5x2、F5y2、F5z2和轴承支反力F6x、F6y、F6z、F7x、F7y、F7z的公式；(3)对传动轴系统进行受力分析，得到传动轴所受的轴承支反力F8x、F8y、F8z、F9x、F9y、F9z和传动轮上的圆周力F10x的公式；(4)对曲轴和传动轴的各个突变截面进行分析，得到曲轴和传动轴在各截面上的弯矩M和扭矩T，并进行静强度校核；(5)将曲轴和传动轴所受作用力的公式以及静强度校核计算过程编写成MATLAB程序，并将曲轴和传动轴的尺寸及材料的原始参数带入到程序中，计算出曲轴和传动轴在离散工况下的各作用力的数值以及各个突变截面上的计算安全系数n，并绘制拟合曲线；(6)根据曲轴和传动轴各突变截面上的计算安全系数n，确定曲轴和传动轴的危险工况和危险截面，若曲轴和传动轴在危险工况下的危险截面上的计算安全系数n大于许用安全系数[n]，则曲轴和传动轴的设计满足要求；否则，参考步骤(5)得到的结果重新对曲轴和传动轴进行设计。一种使用所述大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法进行受力分析的大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统，包括以下结构：曲轴(1)、传动轴(2)、小齿轮Ⅰ(3)、小齿轮Ⅱ(4)、 曲柄Ⅲ(5)、大齿轮Ⅱ(6)、曲柄Ⅱ(7)、大齿轮Ⅰ(8)和曲柄Ⅰ(9)，所述曲轴(1)和传动轴(2)两端连接有固定系，所述曲轴(1)从右至左依次连接有曲柄Ⅰ(9)、大齿轮Ⅰ(8)、曲柄Ⅱ(7)、大齿轮Ⅱ(6)和曲柄Ⅲ(5)，所述传动轴(2)从右至左依次连接有小齿轮Ⅰ(3)和小齿轮Ⅱ(4)，所述大齿轮Ⅰ(8)和小齿轮Ⅰ(3)啮合连接，所述大齿轮Ⅱ(6)和小齿轮小齿轮Ⅱ(4)啮合连接。进一步的，步骤(2)中，对曲轴的受力分析考虑曲轴的扭转变形，两对啮合齿轮同时传动引起的曲轴上两个大齿轮间的相对转动为传动轴上两个小齿轮间的相对转动为则两对齿轮啮合的切向力Ft1、Ft2以及相对转角满足式1～式4：Ft1+Ft2＝Te/R2， (2)其中：R1为小齿轮分度圆直径；R2为大齿轮分度圆直径；Te为曲轴上的负载力矩；l为两对啮合斜齿轮间的距离；IP1为传动轴横截面的极惯性矩；IP2为曲轴轴横截面的极惯性矩；为两对啮合斜齿轮间由于曲轴上负载力矩而产生的相对转动。进一步的，步骤(4)中，大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统中曲轴和传动轴的强度校核采用式5：其中：n为计算安全系数；σ-1为曲轴和传动轴材料的对称弯曲疲劳强度；σ为危险截面上危险点的正应力；τ为危险截面上危险点的切应力；[n]为许用安全系数，取[n]＝4。进一步的，步骤(5)中，取曲轴每1°转角为一工况，然后计算在各工况下各个突变截面上的计算安全系数。(三)有益效果本专利技术提供了一种大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法，从获得大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的原始参数开始，通过对曲柄连杆运动关系的分析、曲轴连杆系统的受力分析、传动轴系统的受力分析和曲轴及传动轴突变截面的强度分析，最后编写一组易于使用的MATLAB程序，归纳总结整个过程提出一种大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法，该方法各分析环节均有成熟的理论依据，能够指导同种类型的传动系统的受力分析，不但可以得到大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统中各作用力随曲轴转角的变化曲线，同时还可以得到曲轴和传动轴各突变截面上的计算安全系数随曲轴转角的变化曲线，对大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统中各零件的设计和优化具有一定的参考价值。附图说明图1为本专利技术大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统原理图；图2为本专利技术大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统结构示意图；图3为本专利技术曲轴的结构示意图；图4为本专利技术传动轴的结构示意图；图5为本专利技术曲柄连杆机构原理图；图6为本专利技术曲柄连杆机构的受力分析图；图7为本专利技术曲轴的受力分析图；图8为本专利技术传动轴的受力分析图；图9为本专利技术曲轴突变截面的选取图；图10为为本专利技术大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统中部分作用力曲线图；图11为本专利技术曲轴突变截面Ⅵ上的弯矩、扭矩和计算安全系数曲线图。图1与图2中：1、曲轴；2、传动轴；3、小齿轮Ⅰ；4、小齿轮Ⅱ；5、曲柄Ⅲ；6、大齿轮Ⅱ；7、曲柄Ⅱ；8、大齿轮Ⅰ；9、曲柄Ⅰ；10、连杆；11、十字头；12、介杆；13、活塞杆；14、活塞；图5中：5-1、活塞行程后死点；5-2、活塞行程前死点；图6中：AB＝L；OA＝R；AC＝l1；图9中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ分别为在曲轴上选取的突变截面；图10中：10-a、缸内介质压力随转角的变化曲线；10-b、活塞杆推力随转角的变化曲线；10-c、十字头滑套对十字头的摩擦力随转角的变化曲线；10-d、十字头滑套对十字头的正压力随转角的变化曲线；10-e、连杆对曲轴在X轴方向的作用力随转角的变化曲线；10-f、连杆对曲轴在Y轴方向的作用力随转角的变化曲线；10-g、大齿轮Ⅰ啮合时受到的切向力随转角的变化曲线；10-h、大齿轮Ⅱ啮合时受到的切向力随转角的变化曲线；10-i、曲轴右端轴承在X轴方向的支反力随转角的变化曲线；10-j、曲轴右端轴承在Y轴方向的支反力随转角的变化曲线；10-k、传动轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分析曲轴连杆机构的运动关系，得到活塞的运动加速度a和连杆的运动加速度ac以及连杆运动角加速度εc；(2)对曲轴连杆系统进行受力分析，得到曲轴所受的连杆力F3x、F3y和偏心质量惯性力Fdx、Fdy和齿轮啮合力F5x1、F5y1、F5z1、F5x2、F5y2、F5z2和轴承支反力F6x、F6y、F6z、F7x、F7y、F7z的公式；(3)对传动轴系统进行受力分析，得到传动轴所受的轴承支反力F8x、F8y、F8z、F9x、F9y、F9z和传动轮上的圆周力F10x的公式；(4)对曲轴和传动轴的各个突变截面进行分析，得到曲轴和传动轴在各截面上的弯矩M和扭矩T，并进行静强度校核；(5)将曲轴和传动轴所受作用力的公式以及静强度校核计算过程编写成MATLAB程序，并将曲轴和传动轴的尺寸及材料的原始参数带入到程序中，计算出曲轴和传动轴在离散工况下的各作用力的数值以及各个突变截面上的计算安全系数n，并绘制拟合曲线；(6)根据曲轴和传动轴各突变截面上的计算安全系数n，确定曲轴和传动轴的危险工况和危险截面，若曲轴和传动轴在危险工况下的危险截面上的计算安全系数n大于许用安全系数[n]，则曲轴和传动轴的设计满足要求；否则，参考步骤(5)得到的结果重新对曲轴和传动轴进行设计。一种使用所述大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法进行受力分析的大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统，包括以下结构：曲轴(1)、传动轴(2)、小齿轮Ⅰ(3)、小齿轮Ⅱ(4)、曲柄Ⅲ(5)、大齿轮Ⅱ(6)、曲柄Ⅱ(7)、大齿轮Ⅰ(8)和曲柄Ⅰ(9)，所述曲轴(1)和传动轴(2)两端连接有固定系，所述曲轴(1)从右至左依次连接有曲柄Ⅰ(9)、大齿轮Ⅰ(8)、曲柄Ⅱ(7)、大齿轮Ⅱ(6)和曲柄Ⅲ(5)，所述传动轴(2)从右至左依次连接有小齿轮Ⅰ(3)和小齿轮Ⅱ(4)，所述大齿轮Ⅰ(8)和小齿轮Ⅰ(3)啮合连接，所述大齿轮Ⅱ(6)和小齿轮小齿轮Ⅱ(4)啮合连接。...

【技术特征摘要】
1.一种大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分析曲轴连杆机构的运动关系，得到活塞的运动加速度a和连杆的运动加速度ac以及连杆运动角加速度εc；(2)对曲轴连杆系统进行受力分析，得到曲轴所受的连杆力F3x、F3y和偏心质量惯性力Fdx、Fdy和齿轮啮合力F5x1、F5y1、F5z1、F5x2、F5y2、F5z2和轴承支反力F6x、F6y、F6z、F7x、F7y、F7z的公式；(3)对传动轴系统进行受力分析，得到传动轴所受的轴承支反力F8x、F8y、F8z、F9x、F9y、F9z和传动轮上的圆周力F10x的公式；(4)对曲轴和传动轴的各个突变截面进行分析，得到曲轴和传动轴在各截面上的弯矩M和扭矩T，并进行静强度校核；(5)将曲轴和传动轴所受作用力的公式以及静强度校核计算过程编写成MATLAB程序，并将曲轴和传动轴的尺寸及材料的原始参数带入到程序中，计算出曲轴和传动轴在离散工况下的各作用力的数值以及各个突变截面上的计算安全系数n，并绘制拟合曲线；(6)根据曲轴和传动轴各突变截面上的计算安全系数n，确定曲轴和传动轴的危险工况和危险截面，若曲轴和传动轴在危险工况下的危险截面上的计算安全系数n大于许用安全系数[n]，则曲轴和传动轴的设计满足要求；否则，参考步骤(5)得到的结果重新对曲轴和传动轴进行设计。一种使用所述大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统的受力分析方法进行受力分析的大功率钻井泵双侧斜齿轮啮合传动系统，包括以下结构：曲轴(1)、传动轴(2)、小齿轮Ⅰ(3)、小齿轮Ⅱ(4)、曲柄Ⅲ(5)、大齿轮Ⅱ(6)、曲柄Ⅱ(7)、大齿轮Ⅰ(8)和曲柄Ⅰ(9)，所述曲轴(1)和传动轴(2)两端连接有固定系，所述曲轴(1)从右至左依次连接有曲柄Ⅰ(9)、大齿轮Ⅰ(8)、曲柄Ⅱ(7)、大齿轮Ⅱ(6)和曲柄Ⅲ(5)，所述传动轴(2)从右至左依次连接有小齿轮Ⅰ(3)和小齿轮Ⅱ(4)，所述大齿轮Ⅰ(8)和小齿轮Ⅰ(3)啮合连接，所述大齿轮Ⅱ(6)和小齿轮小齿轮Ⅱ(4)啮合连接。2.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱增宝，姬跃跃，张钟宇，孙光成，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34