硅谷杂志：石油设备传动轴计算应用 |
| 2012-06-23 12:12 作者：张斌 李士杰 杨帆 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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摘要：概述石油设备用传动轴的使用环境，分析目前所选用传动轴存在的失效问题，提出石油设备传动轴的选型及校核计算方法，为石油设备传动轴的选用提供理论依据。
关键词：传动轴；载荷；校核；失效
中图分类号：U463文献标识码：A文章编号：1671—7597（2012）0510
【《硅谷》杂志2012年5月刊文】
0引言
传动轴是用来传递动力的连接件，如果传动轴出现了问题则会影响动力传递，动力源不能有效的传递到相应的作业设施上，自然就无法进行作业[1]。石油设备作业环境通常为油田作业现场，作业环境差，尤其是进行前期钻井、固井作业的设备是进行前期作业的设备，作业环境更是恶劣，这些设备上使用的传动轴在工作时，同时受到扭转、弯曲和压缩三种负荷，不仅承受静载荷，而且还受作业设备振动等因素影响，而附加有动载荷作用，受力情况很复杂，因此在选配时要严格按照要求进行具体选配计算和校核计算。
1石油设备传动轴选型计算及校核计算
作为成套设备制造厂家，虽然不需要详细设计传动轴，但是传动轴作为设备上的重要传动部件，对于整台设备正常运转起着至关重要的作用，在选用传动轴时，必须进行严格的选型计算和强度校核计算，选用满足使用要求的对应产品，方能保证设备正常运转[2]。
传动轴选型主要考虑几个方面的因素：适合的传动轴类型、传动轴需要承受的载荷、传动轴的安装状况、传动轴的使用环境。
由于石油设备设计时整车布置受使用性能能要求、现场使用工况、运输环境等多方面因素影响，传动轴所连接的两轴很有可能不在同一条线上，要实现两周连续回转，保证转矩的可靠、高效传递，我们通常选择十字轴式万向联轴器作为我们动力传递连接装置----传动轴，而且为保证主从动端的同步性，我们均采用双联型式。
选用传动轴时应根据每台车的载荷特性，计算转矩、轴承寿命和工作转速进行选择和校核[3]。
转矩计算公式：
Tc=KT（1）
T=9550Pw/n（2）
式中：T-理论转矩，N•m；
Tc-计算转矩，N•m；
Pw-驱动功率，kW；
N-工作转速，r/min；
K-工作情况系数。
轴承寿命计算公式：
LN=KL1010/（K1nβT10/3）（3）
式中：LN-使用寿命，h；
N-工作转速，r/min；
Β-工作时的节点倾角，°；
T-理论转矩，kN•m；
K1-原动机系数，电动机：K1=1；柴油机K1=1.2；
KL-轴承容量系数。
传动轴转矩校核公式：
Tc≤Tn（4）
或Tc≤Tf（5）
式中：Tc-计算转矩，N•m；
Tn-公称转矩，N•m；
Tf-在交变载荷下按疲劳强度所允许的转矩，N•m；
Tp——在脉动载荷下按疲劳强度所允许的转矩，N•m；
最大转速校核公式：
nmax≤nβp（6）
nmax≤nLp（7）
式中：nmax-最大工作转速，r/min；
Nβp-与工作倾角有关的最大许用转速，r/min；
nLp-与工作长度有关的最大许用转速，r/min。
下面举一个实例来进行传动轴的选用和校核计算。
例如现在要选配一变扭器与柱塞泵相连的传动轴，传动路线是：发动机带动变扭器通过传动轴将动力传递给柱塞泵。
已知发动机功率为：Pw=403kW，转速为n=2100r/min。
变扭器传动比：i1=7.63；i2=3.51；i3=1.91；i4=1.43；i5=1。
传动轴安装长度为700mm。
发动机为柴油机，因此取原动机系数K1=1.2。
此处柱塞泵为多柱塞的，根据机械设计手册第五版第二卷表6-2-23，选择工作情况系数为中冲击载荷K=1.3-1.8，考虑油田工况复杂，取K=1.8。
则根据公式（1）和（2）计算如下：
Tc=KT=K9550Pw/n=1.8x9550x403/2100=3298.8（N•m）
Tcmax=KTmax=K9550Pw/nmin=K9550Pw/（n/i1）=1.8x9550x403/（2100/7.63）=25169.8（N•m）
根据机械设计手册第五版第二卷表6-2-20可知，SWC250传动轴Tn=63kN•m=63000N•m
Tf=31.5kN•m=31500N•m
根据校核公式（4）和（5），则可考虑选用SWC250传动轴
此处最大工作转速nmax=n/i5=2100/1=2100（r/min）
根据机械设计手册第五版第二卷图6-2-5和图6-2-6可知
当工作时节点倾角为：6°时
SWC250传动轴与工作倾角有关的最大许用转速nβp=2200r/min
与工作长度有关的最大许用转速nLp＞5000r/min
才能满足nmax≤nβp
nmax≤nLp
也就是说，此处传动轴安装时必须保证工作时节点倾角为：≤6°
根据机械设计手册第五版第二卷表6-2-24，SWC250传动轴轴承容量系数KL=9.97
根据公式（3）计算如下：
LN=KL1010/（K1nβT10/3）
LNmin=KL1010/（K1nmaxβT10/3）=KL1010/（K1（n/i5）βT10/3）=9.97x1010/（1.2x2100x6x25.16910/3）
=141（h）
根据以上计算情况可知，在动力配置一定的情况下，如果传动轴的安装长度和工作时节点倾角能满足要求≤6°，轴承使用寿命≤141小时时，则可选择SWC250传动轴，但如果实际安装角度偏大，或使用寿命要求更高的话，可相应选择更高型号的传动轴，并按照相应的参数进行校核计算。
3目前石油设备传动轴失效原因分析及整车设计及安装注意事项
传动轴常见的失效情况有传动轴断裂和传动轴十字轴滚针损坏。传动轴滚针损坏一般可能的原因有传动轴本身的制造缺陷、万向节间隙偏大、油封破损、未及时加注润滑油、万向节超负荷运转等，导致传动轴运动不平衡值加大、润滑不足等致使传动轴失效。
目前常见的石油设备传动轴失效原因多为传动轴断裂，在分析传动轴断裂原因的时候，我们更多的关注转矩问题，的确传动轴断裂的直接原因可能就是转矩过大造成的，因此我们在选配时，比较关注转矩要求，而对于传动轴的安装角度只是参照传动轴安装要求说明控制在其要求的角度之下，而实际上从轴承寿命计算公式LN=KL1010/（K1nβT10/3）很明显可以看出，传动轴的安装角度与其使用寿命很明显的成反比关系，也就是说安装角度越大，传动轴使用寿命越短，反之越长。因此传动轴安装角度也应该使我们关注的问题，同时也是我们评估传动轴使用寿命重要参数之一。并且需要注意的是此处的传动轴安装角度β是合成节点倾角，按以下公式计算：
tanβ=（tan2β1+tan2β2）1/2
式中：β-合成节点倾角，（°）；
β1-水平面的节点倾角，（°）；
β2-垂直面的节点倾角，（°）。
可见在选配传动轴时，除了要考虑扭矩要求以外，还要根据实际安装角度，评估传动轴的使用寿命。实际上由于我们所选用的传动轴回转直径一般不会大于390mm，因此除按转矩、寿命选择外，还应按公式校核其最大转速。
因此，在选配传动轴时，注意在要进行转矩、使用寿命和最大转速的计算和校核，进行综合权衡后最终选定传动轴才能避免传动轴中途失效，造成不必要的损失。
4石油设备传动轴选用依据
传动轴的选用依据首先是其使用设备要求、布置情况以及使用工况分析，据此确定选配的传动轴类型。其次是要进行转矩、寿命和最大转速的计算与校核，综合考虑以上因素，选择合适的传动轴型号。
5结束语
传动轴作为石油设备的动力传动部件，是石油设备的重要组成部分，其可靠性直接关乎着石油设备使用的可靠性、石油钻采作业的顺利进行、石油开采成本控制以及环境维护和人身安全，因此，在选用时，一定要严格计算校核，综合考虑，选用合适作业工况的传动轴。
参考文献：
[1]伍德荣翻，万向节和传动轴[M].北京：北京大学出版社，2006，8.
[2]肖生发、赵树朋，汽车构造[M].北京：北京大学出版社，2006.
[3]成大先，机械设计手册第二卷第五版，北京：化学工业出版社，2007，11.
作者简介：
张斌（1978-），2001年毕业于西南石油学院机械工程系，工程师，现从事石油设备设计工作。（注：本文版权归作者本人和硅谷杂志所有，禁止他人未经授权转载）
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