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[摘 要]钻机绞车轴与变速箱为矩形花键联接，在遇到变载荷、双向冲击、润滑不良、材料硬度和精度不高时容易出现磨损情况，一旦出现磨损趋势，花键轴及花键套会很快因磨损过多而损坏更换，给用户造成较高维修成本。改进后的绞车轴头采用圆锥面定位，双键传递扭矩，圆锥面能消除轴与轴套的径向间隙，能承受双向冲击及变载荷，且拆装较方便。经实际应用后，改后结构使用寿命大大延长，达到了预期效果。
[关键词]矩形花键 圆锥面 冲击载荷 钻机绞车
中图分类号：P518 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0234-02
1 概述
TSJ系列转盘钻机是用于水源、中浅层石油、煤层气、地热、盐井、煤矿瓦斯抽采、注浆孔等工程孔施工的主要设备。其中钻机绞车是提升系统的主要组成部分，其作用：⑴起下钻具，下套管；⑵在钻进过程中控制钻压、送进钻具；⑶利用猫头上卸钻具丝扣；⑷起吊重物和进行其它辅助工作；⑸起放井架。该钻机绞车采用行星齿轮传动，绞车轴一端插入变速箱花键套中，另一端由轴承座支撑，动力经花键套及主轴传至绞车，绞车与变速箱联接为矩形花键，矩形花键为多齿工作，承载能力高，对中导向性好，齿根浅，应力集中小，对轴与毂强度削弱小，花键轴与花键套安装拆卸也比较容易方便。但是，花键加工复杂，制造成本高，在有变载荷、双向冲击、振动频率高和振幅大、润滑不良、材料硬度及加工精度不高的情况下容易出现冲击磨损趋势，一旦出现磨损趋势，花键侧面间隙会因冲击磨损而越来越大，花键轴及花键套会因磨损而缩短寿命，影响钻井的效益，当花键磨损严重时，用户不得不更换掉整根主轴及花键套，给用户造成较高的使用及维修成本。
2 花键磨损原因分析
以TSJ 3000/445型转盘钻机为例，钻机变速箱与绞车采用矩形花键联接，矩形花键轴与套采用小径定心，配合公差为（H7/f7），花键轴材质为：40Cr，调质处理：220-260HBS；在花键有效长度范围内，表面淬硬50-55HRC，深1-1.5mm；花键轴键侧公差为：18c8（-0.095/-0.122），轴的花键不等分积累偏差不大于0.08 mm；花键套材质为：42 CrMo，调质处理：220-260HBS，键侧公差为18H9（+0.043/0），套的花键不等分积累偏差不大于0.06mm，通过对比分析得出以下结论：
⑴花键轴与花键套材质的表面硬度不高，而且硬度不相同；
⑵加工制造精度使得花键配合存在键侧间隙；
⑶由于花键不等分误差的存在，造成各键间隙不同而受力不均；
⑷绞车工况使得花键所受载荷变化大并伴随冲击；
⑸花键配合联接处无油，润滑不良，一旦磨损很容易加剧；
3 花键联接处结构改进
为了解决绞车轴花键磨损快，使用寿命短的问题，对矩形花键结构进行改进。经过查询相关资料并结合使用经验决定采用锥双键结构。轴端采用圆锥面（锥度1：10）定位能够消除轴与轴套的径向间隙，并能承受较大的冲击载荷，也可兼作周向固定，通过开单键或双键就可以传递更大的扭矩，与轴端压板或螺母联合使用，可使零件获得双向轴向固定，而且加工及拆装都比较容易和方便。由于绞车轴输入扭矩很大，所以在轴头圆锥面上开双键槽。（如图）采用两只32×18×150mm的平键，键槽键宽为：32N7（-0.008/-0.033）轴向定位由高强度螺栓把小链轮（相当于轴端压板）和圆锥轴与套压紧。该钻机只对绞车轴、花键套及小链轮进行了改进，其余件均不变，改进后的绞车轴与套加工制造更容易更经济。
4 键连接强度计算
花键改为锥双键后，为了保证传递扭矩和绞车轴输入键的强度，对键侧挤压应力进行校核计算：
4.1 花键侧挤压应力计算：
变速箱输出最大转矩：T = 955010221 N·m
P：钻机输入功率，P = 180 kW；
n：钻机输入转速，n = 1480r/min；
η：传动效率，η= 0.8；
i：一挡传动比，i =11；
载荷分配不均系数：ψ= 0.8
花键键数：Z=10
花键工作长度：l = 85 mm；
矩形花键平均直径：Dm=D =118.5 mm；
花键侧面工作高度：h=m=6.5mm查 《机械设计手册》 P5-205表5-3-29得许用压力：Ppp=100 MPa；挤压应力：σpp=100 MPa；
则：p=39 MPa<{σpp}
4.2 双键侧挤压应力及剪应力计算：
双键联接轴径d =125mm，键32×18×150mm；双键180°布置。键、轴和轴套的材料均为合金钢，查得许用挤压应力{σp}= 120 MPa，
变速箱输出最大扭矩：T = 10221 N·m
双键的工作长度：l = 1.5×150 = 225 mm；
键与轴套的接触高度：k = 0.5h = 0.5×18 = 9 mm；
键宽：b = 32mm； 键高：h = 18mm
查《机械设计手册》P5-193表5-3-17得：
键联接许用应力： σpp = 120 MPa，许用剪应力：τp = 90 MPa
由式：p = 80 MPa<{σpp}
τ = 22.7 MPa<{τp}
改进后锥轴双键侧面挤压应力虽高于矩形花键，但也满足材料的许用挤压应力和剪切应力，所以改进后双键联接满足挤压强度要求。
5 改进后应用实例
河北用户于2012年购买一台改进后的TSJ3000/445型钻机施工地热井，4月在河北省永清县牛驮镇顺利开钻，设计井深2200米，采用泥浆正循环牙轮钻进， 根据地质情况，井身设计为四开结构。
一开：井径444.5 mm，下入339.7×9.65m石油套管，0-400米，第四系平原组；二开：井径311 mm，下入244.5×8.94m石油套管，400-900米，第三系明华镇组；三开：井径216 mm，下入177.8×8.05m石油套管，900-1400米，寒武系灰岩、泥灰岩、泥岩、页岩。1400-1700米，青白口系灰岩、石英砂岩、泥灰岩；四开：井径152.4 mm，1710-2200米，县系灰质白石岩、白石系灰岩、白石岩。裸眼钻井至完井。
该钻机至今已经使用了3年，共施工完成了12口地热井，累计进尺达20000米。变速箱轴套、绞车轴锥形轴头、平键及键槽未出现磨损，使用效果非常理想，极大提升了整机的可靠性。相比以前2-3口井主轴花键就需因磨损要更换，大大的为用户节约了使用成本，提升了钻井效益，改进后的钻机深受用户认可及好评。
6 结语
TSJ系列钻机在煤田地质、地热施工、煤层气井、水源井、瓦斯抽采、浅层石油钻探等应用多年，以其紧凑的结构，成熟可靠的性能，低成本维护保养等特点，一直效力于地质工程钻探领域。本次对花键轴的改进是优化钻机结构、提高寿命及可靠性的一次有益尝试。这次改进的成功为以后同类型钻机相关设计改进积累了宝贵的经验，我们将不断改进优化该系列钻机，并继续研发新型钻机来满足市场的需求。
参考文献
[1]韩广德.中国煤炭工业钻探工程学[M].煤炭工业出版社.2000.
[2]成大先.机械设计手册（第2卷）（第四板）[M].化学工业出版社.2002.
[3]孙松尧.钻井机械[M].石油工业出版社2006.
[4]濮良贵.纪名刚.机械设计（第七版）[M]高等教育出版社2001.
作者简介
李文志（1982-），男，河北石家庄人，石家庄煤矿机械有限责任公司机电工程师，主要从事钻探装备机械设计开发工作。
[关键词]矩形花键 圆锥面 冲击载荷 钻机绞车
中图分类号：P518 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0234-02
1 概述
TSJ系列转盘钻机是用于水源、中浅层石油、煤层气、地热、盐井、煤矿瓦斯抽采、注浆孔等工程孔施工的主要设备。其中钻机绞车是提升系统的主要组成部分，其作用：⑴起下钻具，下套管；⑵在钻进过程中控制钻压、送进钻具；⑶利用猫头上卸钻具丝扣；⑷起吊重物和进行其它辅助工作；⑸起放井架。该钻机绞车采用行星齿轮传动，绞车轴一端插入变速箱花键套中，另一端由轴承座支撑，动力经花键套及主轴传至绞车，绞车与变速箱联接为矩形花键，矩形花键为多齿工作，承载能力高，对中导向性好，齿根浅，应力集中小，对轴与毂强度削弱小，花键轴与花键套安装拆卸也比较容易方便。但是，花键加工复杂，制造成本高，在有变载荷、双向冲击、振动频率高和振幅大、润滑不良、材料硬度及加工精度不高的情况下容易出现冲击磨损趋势，一旦出现磨损趋势，花键侧面间隙会因冲击磨损而越来越大，花键轴及花键套会因磨损而缩短寿命，影响钻井的效益，当花键磨损严重时，用户不得不更换掉整根主轴及花键套，给用户造成较高的使用及维修成本。
2 花键磨损原因分析
以TSJ 3000/445型转盘钻机为例，钻机变速箱与绞车采用矩形花键联接，矩形花键轴与套采用小径定心，配合公差为（H7/f7），花键轴材质为：40Cr，调质处理：220-260HBS；在花键有效长度范围内，表面淬硬50-55HRC，深1-1.5mm；花键轴键侧公差为：18c8（-0.095/-0.122），轴的花键不等分积累偏差不大于0.08 mm；花键套材质为：42 CrMo，调质处理：220-260HBS，键侧公差为18H9（+0.043/0），套的花键不等分积累偏差不大于0.06mm，通过对比分析得出以下结论：
⑴花键轴与花键套材质的表面硬度不高，而且硬度不相同；
⑵加工制造精度使得花键配合存在键侧间隙；
⑶由于花键不等分误差的存在，造成各键间隙不同而受力不均；
⑷绞车工况使得花键所受载荷变化大并伴随冲击；
⑸花键配合联接处无油，润滑不良，一旦磨损很容易加剧；
3 花键联接处结构改进
为了解决绞车轴花键磨损快，使用寿命短的问题，对矩形花键结构进行改进。经过查询相关资料并结合使用经验决定采用锥双键结构。轴端采用圆锥面（锥度1：10）定位能够消除轴与轴套的径向间隙，并能承受较大的冲击载荷，也可兼作周向固定，通过开单键或双键就可以传递更大的扭矩，与轴端压板或螺母联合使用，可使零件获得双向轴向固定，而且加工及拆装都比较容易和方便。由于绞车轴输入扭矩很大，所以在轴头圆锥面上开双键槽。（如图）采用两只32×18×150mm的平键，键槽键宽为：32N7（-0.008/-0.033）轴向定位由高强度螺栓把小链轮（相当于轴端压板）和圆锥轴与套压紧。该钻机只对绞车轴、花键套及小链轮进行了改进，其余件均不变，改进后的绞车轴与套加工制造更容易更经济。
4 键连接强度计算
花键改为锥双键后，为了保证传递扭矩和绞车轴输入键的强度，对键侧挤压应力进行校核计算：
4.1 花键侧挤压应力计算：
变速箱输出最大转矩：T = 955010221 N·m
P：钻机输入功率，P = 180 kW；
n：钻机输入转速，n = 1480r/min；
η：传动效率，η= 0.8；
i：一挡传动比，i =11；
载荷分配不均系数：ψ= 0.8
花键键数：Z=10
花键工作长度：l = 85 mm；
矩形花键平均直径：Dm=D =118.5 mm；
花键侧面工作高度：h=m=6.5mm查 《机械设计手册》 P5-205表5-3-29得许用压力：Ppp=100 MPa；挤压应力：σpp=100 MPa；
则：p=39 MPa<{σpp}
4.2 双键侧挤压应力及剪应力计算：
双键联接轴径d =125mm，键32×18×150mm；双键180°布置。键、轴和轴套的材料均为合金钢，查得许用挤压应力{σp}= 120 MPa，
变速箱输出最大扭矩：T = 10221 N·m
双键的工作长度：l = 1.5×150 = 225 mm；
键与轴套的接触高度：k = 0.5h = 0.5×18 = 9 mm；
键宽：b = 32mm； 键高：h = 18mm
查《机械设计手册》P5-193表5-3-17得：
键联接许用应力： σpp = 120 MPa，许用剪应力：τp = 90 MPa
由式：p = 80 MPa<{σpp}
τ = 22.7 MPa<{τp}
改进后锥轴双键侧面挤压应力虽高于矩形花键，但也满足材料的许用挤压应力和剪切应力，所以改进后双键联接满足挤压强度要求。
5 改进后应用实例
河北用户于2012年购买一台改进后的TSJ3000/445型钻机施工地热井，4月在河北省永清县牛驮镇顺利开钻，设计井深2200米，采用泥浆正循环牙轮钻进， 根据地质情况，井身设计为四开结构。
一开：井径444.5 mm，下入339.7×9.65m石油套管，0-400米，第四系平原组；二开：井径311 mm，下入244.5×8.94m石油套管，400-900米，第三系明华镇组；三开：井径216 mm，下入177.8×8.05m石油套管，900-1400米，寒武系灰岩、泥灰岩、泥岩、页岩。1400-1700米，青白口系灰岩、石英砂岩、泥灰岩；四开：井径152.4 mm，1710-2200米，县系灰质白石岩、白石系灰岩、白石岩。裸眼钻井至完井。
该钻机至今已经使用了3年，共施工完成了12口地热井，累计进尺达20000米。变速箱轴套、绞车轴锥形轴头、平键及键槽未出现磨损，使用效果非常理想，极大提升了整机的可靠性。相比以前2-3口井主轴花键就需因磨损要更换，大大的为用户节约了使用成本，提升了钻井效益，改进后的钻机深受用户认可及好评。
6 结语
TSJ系列钻机在煤田地质、地热施工、煤层气井、水源井、瓦斯抽采、浅层石油钻探等应用多年，以其紧凑的结构，成熟可靠的性能，低成本维护保养等特点，一直效力于地质工程钻探领域。本次对花键轴的改进是优化钻机结构、提高寿命及可靠性的一次有益尝试。这次改进的成功为以后同类型钻机相关设计改进积累了宝贵的经验，我们将不断改进优化该系列钻机，并继续研发新型钻机来满足市场的需求。
参考文献
[1]韩广德.中国煤炭工业钻探工程学[M].煤炭工业出版社.2000.
[2]成大先.机械设计手册（第2卷）（第四板）[M].化学工业出版社.2002.
[3]孙松尧.钻井机械[M].石油工业出版社2006.
[4]濮良贵.纪名刚.机械设计（第七版）[M]高等教育出版社2001.
作者简介
李文志（1982-），男，河北石家庄人，石家庄煤矿机械有限责任公司机电工程师，主要从事钻探装备机械设计开发工作。