论文原文与图表
Load sharing characteristic of a power-integrated gearbox in a hydraulic top-drive system
液压顶驱系统功率集成齿轮箱的载荷均分特性
论文将齿轮啮合有限元、轴承柔性、液压动力系统和多体动力学模型联合起来，分析四支路功率集成齿轮箱的动态载荷分配。
论文摘要
针对深井钻柱摆动、外部侧向载荷和轴承磨损引起的功率集成齿轮箱不均载，论文建立有限元与多体动力学联合模型，纳入动力系统、外部载荷、驱动力、时变啮合刚度和轴承支承。数值分析分别考察啮合刚度、轴承支承刚度、侧向载荷与轴承间隙。结果表明，完整评价需要考虑动态过程，其中侧向载荷对平均均载因子的影响最显著。
- Power-integrated gearbox
- hydraulic top-drive system
- load sharing characteristic
- co-simulation
- contact analysis
四路液压驱动经小齿轮汇入中心齿轮和主轴
液压顶驱系统沿钻机导轨上下移动，同时通过主轴和钻柱向钻头传递旋转与扭矩。深井钻柱的弯曲、扭转和振动向主轴传递轴向、侧向和扭转载荷。
功率集成齿轮箱由4个小齿轮和1个中心齿轮组成，4个小齿轮等间隔布置。四条驱动支路分别连接壳体，功率由小齿轮直接汇入中心齿轮。
液压顶驱系统三维模型。
Three-dimensional model of the HTDS.
查看高清原图 ↗两个变量泵和四条马达—制动—行星齿轮支路形成液压功率链
原动机驱动两个变量泵，每个泵连接两条变量马达支路；每条支路依次经过制动器和行星齿轮箱，再驱动功率集成齿轮箱的一个小齿轮。
动力系统采用恒速控制，通过泵排量补偿速度误差，驱动扭矩在联合仿真中与外部负载动态匹配。
液压顶驱系统的功率流。
Power flow of the HTDS.
查看高清原图 ↗有限元计算斜齿轮一个啮合周期内的时变刚度
齿轮副由19齿小齿轮和75齿中心齿轮组成，实际传动比3.9474，中心距500 mm，法向模数10 mm，螺旋角19.9485°。基础参数计算采用6000 N·m驱动扭矩。
有限元模型在一个齿轮啮合周期内计算时变啮合刚度，并提取起点、中点、终点及四个拐点。七个关键点随扭矩的非线性关系用于重构任意载荷下的周期刚度曲线。
轴承按有限支承刚度和径向间隙建模
论文将轴承视为非理想转动支承：内外圈用梁段表示，滚动体接触采用球—环面接触。
支承刚度描述轴承对非转轴方向位移的约束；磨损形成的径向间隙引入低幅高频径向振动，并改变四个小齿轮的动态载荷分配。
外部载荷、动力系统与RecurDyn多体模型形成闭环
外部载荷分为钻柱轴向重力、侧向载荷和主轴扭矩。扭矩使用正弦曲线叠加随机扰动，并用实测扭矩验证趋势。
FEM得到的时变啮合刚度和轴承模型进入RecurDyn多体系统；动力系统模型根据速度误差调节驱动扭矩，使系统动态平衡。仿真后提取中心齿轮与四个小齿轮的接触力。
载荷均分仿真模型。
The load sharing simulation model.
查看高清原图 ↗无侧向载荷时四个小齿轮平均均载因子接近0.25
均载因子定义为Rᵢ=Fᵢ/ΣFᵢ，其中Fᵢ为第i个小齿轮与中心齿轮的接触力。
理想工况下四支路平均值均接近0.25，动态偏差也较小。论文同时使用均值和误差棒描述均载状态。
啮合刚度和支承刚度主要改变动态偏差与应力状态
啮合刚度增加时，平均均载因子变化不显著，但各小齿轮偏差增加，系统振动和齿轮应力加剧。
轴承支承刚度在100×10⁶–300×10⁶ N/m范围内变化时，平均均载因子没有规则变化，但各小齿轮均载因子偏差快速减小。
侧向载荷沿Pinion 1方向增加时，Pinion 1与Pinion 3的均载因子分离
侧向载荷Fᴸ在5000–25,000 N范围内变化。Pinion 1平均均载因子快速上升，处于相对方向的Pinion 3同步下降。
Pinion 2和Pinion 4的平均值变化不显著；Pinion 1和3的动态偏差略有增加。侧向载荷即使在较高支承刚度下仍会通过主轴传递到中心齿轮。
平均均载因子随侧向载荷的变化。
The mean load sharing factors vary with lateral load.
查看高清原图 ↗轴承间隙增加使动态偏差和随机性增强
轴承间隙δᴮ在0.02–0.10 mm范围内变化。四个小齿轮平均均载因子的变化关系比其他因素更复杂。
间隙增大时均载因子误差棒增大，轴承支承非线性及四轴低幅高频径向振动使载荷分配呈现更强随机性。
平均均载因子随轴承间隙的变化。
The mean load sharing factors vary with bearing clearance.
查看高清原图 ↗论文给出四类因素的定性规律和动态评价方法
论文结论将侧向载荷确定为对平均均载因子影响最显著的因素，并提出通过限制钻柱摆动或增加带适当径向间隙的冗余支承来减小其作用。
作者说明模型由有限现实条件下的FEM与MBD仿真构成，结果用于解释规律，不作为直接指导设计的精确数值。
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SUN Y, SHI Y, YAO Z, WANG Q. Load sharing characteristic of a power-integrated gearbox in a hydraulic top-drive system[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2019, 233(17): 6262–6275. DOI:10.1177/0954406219858630.
Sun, Y., Shi, Y., Yao, Z., & Wang, Q. (2019). Load sharing characteristic of a power-integrated gearbox in a hydraulic top-drive system. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 233(17), 6262–6275. https://doi.org/10.1177/0954406219858630
Y. Sun, Y. Shi, Z. Yao, and Q. Wang, “Load sharing characteristic of a power-integrated gearbox in a hydraulic top-drive system,” Proc. Inst. Mech. Eng. C J. Mech. Eng. Sci., vol. 233, no. 17, pp. 6262–6275, 2019, doi: 10.1177/0954406219858630.