浅谈行星差动机构在顶驱齿轮箱设计中的应用
吴建中
摘 要：顶驱装置是石油钻井的驱动设备，是将动力从井架的顶部直接驱动钻具旋转钻进的钻井装置。齿轮箱是顶驱装置中动力传递的关键组成部分，文章研究了一种行星差动机构的顶驱齿轮箱设计，这种顶驱齿轮箱具备了更好的工况适应性和更高的可靠性。
关键词：顶驱装置；齿轮箱；行星轮系；行星差动机构一、前言
顶驱装置发展至今已成系列产品，目前的顶驱齿轮箱一般由两级平行齿轮副，一个输出主轴，以及齿轮箱壳体组成。
二、顶驱齿轮箱的应用情况
顶驱装置在野外露天作业，维修和保养不便，同时，顶驱装置工作时工况复杂，不同地区岩层，不同深度的岩层，状况都不同，钻水平井与钻垂直井，载荷也大不相同，所以顶驱齿轮箱的载荷状态特别复杂。由以上情况决定了，顶驱齿轮箱必须具备很高的可靠度，才能适应钻井工作的需要。
三、目前顶驱齿轮箱的结构特点
顶驱装置所受载荷复杂，可靠性要求高，为了提供足够驱动力和更高的可靠度，一般采用双电机驱动，两台电机各驱动两级平行齿轮副，两条功率流汇聚到输出主轴上，通过主轴驱动钻杆进行钻井工作。
四（行星轮系由三类构件一、）将行星差动机构应用于顶驱齿轮箱的设计行星差动机构的简介
：中心轮、行星轮、行星架组成，行星轮系相比普通齿轮传动，具备更小体积，更轻重量，更大速比范围，更高传动效率，更作平稳的工作特性等等优点。如果行星轮系的三类构件，有两个都作为驱动件使用，那么它就变成了行星差动机构，这两个驱动件可以是太阳轮和齿圈，或是太阳轮和行星架，或是齿圈和行星架，为了使齿圈能接受外部的运动输入，特将齿圈外侧也设计出齿形，成为内外齿圈。
为了使行星差动机构的输入构件，获得合适的转速，常常在输入构件上增设一级或多级齿轮副传动，如图１，便是在一个在太阳轮和齿圈前各增设了一级齿轮传动副的行星差动机构，齿圈３外侧设计出齿形，与齿轮４啮合，齿轮４之前增加一级齿轮副：齿轮５和６，同样，太阳轮１之前增设了齿轮副：齿轮７和８，所以，该行星差动机构由齿轮６和８驱动。
图１ 行星差动构件运转
８Ｚ－４２小齿轮－１－太阳轮行星轮；９２－；２－行星轮；３－齿圈；４－小齿轮；５－大齿轮；６－小齿轮；７－大齿轮；齿数电机；Ｚ；９’３－内电机－齿圈；１０３－壳体的内齿数；Ｈ－行星架；Ｚ３外－（齿圈主轴３）；Ｚ的外齿数１－太阳轮；Ｚ４－１齿数；齿数齿数；；Ｚｎ的转速Ｈ８５－。
－大齿轮齿轮８输入引起行星架５齿数；Ｚ６－小齿轮Ｈ的转速６齿数；Ｚ，７ｎ－Ｈ６大齿轮－齿轮６７输入引起行星架齿数；Ｚ８－小齿轮小齿轮Ｈ８当行星差动机构工作时，功率由两路输入，一是从齿轮８输入，使行星架产生转速为ｎ架产生转速为ｎＨ８，二是从齿轮６输入，为ｎＨ８＋ｎＨ６，可见Ｈ６，，行星差动机构除了具备了行星轮系体积
由速度的合成特性可知，行星架最终转速使行星小，图１重量轻、速比大、效率高、工作平稳等优点，同时还可以进行运动的合成（如前所述二）传统顶驱齿轮箱的设计
，所以很有应用价值。
，目前顶驱齿轮箱都采用平行轴齿轮设计，为了增大扭矩和增加可靠性，采用了双电机输入系统，正常状态下双电机同时工作，如果其中一个电机出现故障不能工作，只能单电机工作，则此时输出扭矩降为原来的一半，但钻井工作阻力并不会减小，所以常会出现输出扭矩不够的情况，使钻井工作不能正常进行（下面论述三）行星差动顶驱齿轮箱的设计
，可见传统顶驱齿轮箱可靠性不高。
，创新性地把行星差动机构运用于顶驱齿轮箱设计，可获得的优点，现以图１结构为例，介绍某型行星差动顶驱齿轮箱的设计，功率参数如下：
电机功率：３１５ｋＷ，电机转速：１０００ｒｐｍ，电机扭矩：３００８Ｎｍ
１８，Ｚ齿轮齿数如下：Ｚ工作时主轴输出转速和扭矩如下５＝６７，Ｚ６＝１９，Ｚ７＝１＝６７，Ｚ１８，Ｚ８＝２１９
＝３１，Ｚ３内＝８４，Ｚ３外＝８４，Ｚ４＝：１９．９８２
电机９工作时———减速机速比：（Ｚ７／Ｚ８）ｘ（１＋Ｚ３内／Ｚ１）＝５０．０４输出转速：１０００／１９．９８２＝５０．０４ｒｐｍ，输出扭矩：９５５０ｘ３１５／＋Ｚ电机＝６０１１６Ｎｍ
９’工作时———减速机速比：（Ｚ１／Ｚ５／Ｚ６）ｘ（Ｚ３外／Ｚ５０．０４输出转速３内）＝１９．９８２
４）ｘ（１：１０００／１９．９８２＝５０．０４ｒｐｍ，输出扭矩：９５５０ｘ３１５／电机＝６０１１６Ｎｍ
９、９’同时工作时———减速机速比：１９．９８２／２＝９．９９１９５５０ｘ３１５ｘ２输出转速：１０００／９．９９１＝１００．０８ｒｐｍ，输出扭矩：可见，当两个电机同时工作时／１００．０８＝６０１１６Ｎｍ
，此时输出转速１００．０８ｒｐｍ，输出扭矩６０１１６Ｎｍ，如果其中一个电机出现故障，只能一个电机工作，则此时功率减半，变为３１５ｋＷ，输出转速也减半，变为５０．０４ｒｐｍ，由扭矩Ｔ＝９５５０Ｐ／ｎ可知，最终输出扭矩不变，仍是６０１１６Ｎｍ，所以尽管功率减半，但扭矩还是保持原值不变，因此不会出现输出扭矩不够的情况，钻井工作都能正常进行。
由此可见，创新性采用行星差动机构设计的顶驱齿轮箱，无论一台还是两台电机工作，都能保证恒扭矩输出，这种优点在野外作业环境下尤为可贵，使得顶驱具有更高的可靠性。
五、结语
采用行星差动机构设计的顶驱齿轮箱，可以具备行星传动功率分流、扭矩密度比大、传动平稳、对结构件作用力小的优点，还具备更高的可靠性，更加适应顶驱装置野外工作的环境需要。
参考文献［１］社，１９９４．
饶振：
纲．行星传动机构设计［Ｍ］．北京国防工业出版作者简介：
吴建中，南京高精齿轮集团有限公司。
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