星轮减速器抽油机设计.doc

全套设计（图纸）加扣扣 194535455摘 要针对常规游梁式抽油机自身结构限制引起的减速箱及电机载荷波动大、电机效率低、结构庞大、安装运输非常不便等问题，可以设计一种星轮减速器抽油机，并采用单曲柄复合平衡方式。星轮减速器具有传动比大、承载能力高、输出扭矩大、效率高、体积小等特点, 并可长期运行。本文首先讲述了星轮传动技术的基本知识，包括基本原理、传动特点、相关计算和应用，然后研究了星轮传动抽油机的设计计算：主要由总体方案确定、运动分析、载荷计算、扭矩计算、主要零部件强度校核等几部分组成；最后简要论证了星轮减速器抽油机的主要优点和发展空间。关键字：抽油机；星轮减速器；节能；改造AbstractAim at the questions of conventional walking beam type pumping unit such as the reduction gear and the electric motor load fluctuates in a big way, the electrical efficiency is low, the structure is huge, the installment and the transportation are inconvenient, we can design a kind of beam pumping unit with planet wheel speed reducer, it has single crank with compound balanced way. Planet wheel speed reducer has the characteristics such as velocity ratio is big, bearing capacity is high, the output torque is big, the efficiency is high, volume is small and it can run in long-term.This paper first elaborated the planet wheel transmission technology, includes basic principle, transmission characteristic, related computation and application. Then studied the design and calculation of beam pumping unit with planet wheel speed reducer .Mainly includes overall plan, movement analysis, the loads analysis, the torque computation, intensity examination of major component. Finally the most advantage and develop opportunitiy of beam pumping unit with a planet wheel speed reducer is demonstrated briefly.Key words: Pumping unit; planet wheel Speed reducer; Energy conservation; improvement目 录第 1 章 概述.1 1.1 机械采油目前存在的问题.1 1.2 目前研究现状.2 1.3 本文研究内容.5第 2 章 星轮传动技术简介.6 2.1 星轮传动技术原理.6 2.2 星轮传动的特点.8 2.3 星轮减速器的设计计算.9 2.4 星轮传动技术的应用.12第 3 章 游梁式抽油机总体方案确定及基本理论.14 3.1 星轮减速器抽油机的结构方案确定.14 3.2 游梁式抽油机运动分析.15 3.3 星轮减速器抽油机悬点载荷计算.20 3.4 星轮减速器抽油机减速箱及曲柄轴扭矩计算.30 3.5 电动机的选择.343.6 星轮减速器的选用.35第 4 章 星轮减速器抽油机零件强度计算.38 4.1 连杆强度校核.39 4.2 曲柄销强度校核.40第 5 章 星轮减速器抽油机与常规抽油机的比较.425.1 扭矩曲线的比较.425.2 传动效率与整机结构比较.44结 论.45参考文献.46致谢.47第1章 概 述1.1 机械采油目前存在的问题机械采油是国内各油田主要的原油生产方式, 采油机械又以游梁式抽油机应用最为普遍；抽油机是油田耗能大户，用电量约占油田用电量的40% ，抽油机节能效益十分可观。抽油机一般由电动机拖动，通过抽油杆的上下运动将原油抽到地面的管线中，电动机轴上形成的负荷即抽油机的合成扭矩呈周期性波动，每周期有两次载荷冲击、有一两次负值扭矩出现，抽油机的合成扭矩随着曲柄转角的变化而变化。抽油机的负荷曲线每口井几乎不相同，千差万别，通过大量的现场测试发现抽油机的平均负荷一般为最大负荷的1/3，电动机的负荷率大部分在10%20%，负荷率最高的也不过30%；电动机的平均负荷率低，电动机的容量没有被充分利用，存在着严重的“大马拉小车”现象，造成电机功率因数低，效率低。长期以来技术人员试图改变“大马拉小车”这一现象，但收效甚微，比较成功的是高转差率电机，四种转矩输出可选，在一定程度上改善了抽油机的拖动但并未根治。抽油机的“大马拉小车”这一现象，从电机选配上看具有一定的合理性，正确选择电动机功率的原则是：在电动机能够满足负载要求的前提下，最经济合理地决定电动机的功率；选择电动机功率主要考虑电机发热、过载能力和启动能力三个因素，对抽油机来讲，按抽油机平均负荷考虑电机发热确定的电动机，启动能力不能满足抽油机启动的要求，选用普通电机就能增大电机容量以增大启动能力，这就是造成“大马拉小车”的根源；事实上，对于周期性变动负荷，尤其是负荷冲击大的场合，如纺织厂、轧钢厂的某些生产机械都存在“大马拉小车”这一现象，仔细分析不难得出这类负荷的驱动电机存在“大马拉小车”现象是合理的，采取措施可以改善这种状况，但不可能完全根除这个现象。抽油机要求电机的启动转矩大，抽油机都是带载启动，每次启动时抽油机都要从冲程的死点，即最大负荷扭矩处开始启动，加之抽油机系统惯性大，启动时间长，为了电机的顺利启动，客观上要求电机启动性能好。人们在选择电机时考虑各种意外情况又人为地加大了裕量，“大马拉小车”这个问题更加突出；为了防止井下异常工况如砂卡、蜡卡等造成停车，修井以后油井负荷一般大副增加而尽量不更换电机，油井供电变压器容量小，启动时线路压降大，另外电力网电压随季节等因素波动，电压低时经常启动困难，为了减少停井时间，希望抽油机启动顺利，又人为的增加了电机功率定额1。1.2 目前研究现状针对上述抽油机存在的问题，目前常采用的措施主要有以下方法：1.2.1 将常规齿轮传动改为非圆齿轮传动非圆齿轮滚动节圆是非圆形的节曲线,它是柱形齿轮的一种普遍情况。对于圆齿轮来讲, 其节曲线的曲率半径为常量；而非圆齿轮节曲线的曲率半径是变量, 由回转中心到啮合节点的向径也是变量。在一对非圆齿轮啮合过程中, 如果保持两齿轮的中心距不变, 由于啮合节点位置沿中心连线变化, 故其传动比是变化的, 而且传动比的变化规律由啮合节点在中心连线上的变化规律决定, 即由两齿轮节曲线与向径的变化规律决定。采用圆齿轮减速箱的常规游梁式抽油机, 由于受其本身四连杆结构的限制以及悬点负荷特点的缘故, 减速箱和电动机输出扭矩呈现周期性变化, 存在较大的峰值和峰谷扭矩, 导致电动机效率和功率因数较低。而非圆齿轮是一种变传动比传动机构, 若能在抽油机齿轮减速箱中安装一对非圆齿轮,并适当设计其传动比函数, 就可通过改变游梁式抽油机的悬点运动规律来实现电动机输出扭矩恒定或近乎恒定的目的,提高电动机效率和功率因数。为了达到上述目的, 非圆齿轮啮合副的传动比i12 应按照要实现的电动机输出扭矩要求来设计。假定非圆齿轮啮合副中主动齿轮(靠近电动机一侧) 和从动齿轮(靠近抽油机曲柄一侧)上作用的扭矩分别为M1 和M2 ,则i12 = M2/M1。式中, M1 的数值恒定,是非圆齿轮啮合副要实现的目标。只要M1恒定不变,电动机输出功率(即M1与主动齿轮的角速度1 (恒定不变) 的乘积)就恒定不变,这样就实现了电动机恒功率输出的目标,达到抽油机节能的目的2。1.2.2 变频调速节能当油井的地下渗透能力小于抽油机的泵排量时（绝大多数油井如此），为了提高抽吸效率，降低单位产量的能耗指标，最直接的办法是实行间抽。但是大多数的油井是不允许间歇性工作的，因为如果长时间停机的话，轻则会影响产油量，重则会使油井无法再开启。这是因为：（1）含蜡量高或含盐量高以及油的粘稠度高，且地处高寒地区的油井，如果间歇工作，会造成井口结蜡、结盐或结油的后果，使油井无法再开启。（2）对于注水油井，如果停止抽取，势必会影响产油量，这将是得不偿失的事，对于这类油井，就要采用其它的节能方法。为了使抽油泵的排量与油井的渗透能力相适应，可以通过改变抽油机的电动机转速来实现。抽油泵是一种柱塞泵，对电动机来讲是一种恒转矩性的负载，也即电动机的电功率与其转速成正比。这里要提醒注意的一点是：有人一说到泵，就想当然地认为和风机、水泵一样属于平方转矩型负载了，或者说“近似于泵类负载”，这都是错误的。要知道只有叶片式的风机和水泵，在不计其静扭矩时，有近似于平方转矩的负载特性，也即：排量与转速成正比，压头（或扬程）与转速的平方成正比，而轴功率则与转速的立方成正比。随着现代电力电子技术的发展，低压变频器已是十分成熟的电气产品，并且其价格也已经大幅度下降，目前进口变频器的价格约为600700元/kW。国产变频器的价格在400500元/kW，在抽油机上大量推广变频调速节能改造已经成为可能。抽油机改用变频器拖动的优点（1）可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，一方面达到节能目的，同时还可以增加原油产量；（2）由于实现了真正的软起动，对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击，大大延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率；（3）大大提高了功率因数（可由原来的0.250.5提高到0.9以上），从而大大减少了供电电流，减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，挖掘出大量的“扩容”潜力。变频调速系统，使抽油机动态适应油井负荷变化，也可方便地进行调参。配以流量、载荷等传感器，可实现最经济的控制。同时其软起动性能好，对延长抽油机寿命，减少维护费用有利。节能效果最好，能耗基本上与转速成正比，只要降速，肯定节能，是抽油机节能电控装置的发展方向。随着电力电子技术的发展，其价格将进一步降低，而性能将进一步提高。1.2.3 继电接触器调压节能抽油机的负荷特点决定了选用普通异步电动机来驱动抽油机不可避免地就会形成“大马拉小车”的现象。首先，抽油机起动时都是带载起动，惯性矩较大，且总在上下死点处起动，油田在选配电机时为了起动顺利，不影响生产，一般按最大扭矩选配电机，而抽油机起动后正常工作时平均转矩与最大扭矩相比又较低，所以电机输入功率仅有额定功率的三分之一，这是造成“大马拉小车”的主要原因；其次，油田在选配电机时考虑油井工况异常，如砂卡、结蜡时，不致因起动困难烧毁电动机，当油井因修井等原因负荷变大时不必频繁更换电动机，因此人为地增大了裕量，加剧“大马拉小车”这一现象。用继电接触器对抽油机电机定子绕组进行切换来实现有级的降压节能切实可行。常用的抽油电机的功率一般为7.575 kW，普通Y 系列异步电动机的定子绕组接法为三角形，抽油机要求启动转矩大，启动时定子绕组接成三角形；抽油机启动正常工作时，将每相绕组分成两部分，接成三角形-星形混和绕组，降低了相电压及输入功率，达到了节能的目的。1.2.4 采用间抽控制器由于抽油机是按照油井最大化的抽取量来进行选择的，并且还留有设计余量。另外，随着油井由浅入深的抽取，井中液面逐渐下降，泵的充满度越来越不足，直到最后发生空抽的现象，如果不加以控制，就会白白地浪费大量的电能。对于这种油井，最简单的方法是实行间抽，即当油井出液量不足或发生空抽时，就关闭抽油机，等待井下液量的蓄积，当液面超过一定深度时，再开启抽油机，这样就提高了抽油机的工作效率，避免了大量的电能浪费。间抽控制器的优点和经济效益是显而易见的。（1）由于缩短了抽油时间，大大减少了能量消耗。但是，在用人工控制和定时自动控制间抽时，由于唯恐减产，几乎都会发生实际抽油时间比必要的抽油时间长的情形，因而不能完全避免空抽。通过传感器信号实现闭环控制的智能间抽控制器（IPOC），在检测到空抽时立即关闭抽油机，避免了空抽的发生，平均可多节约能量20%30%。（2）相对于人工间抽和定时间抽来讲，智能间抽控制由于达到了较低的平均液面，增加了产量。因为，较低的液面意味着较低的井底流压，结果较多的液体流入井底，通常可增产1%4%。（3）由于消除了液击现象，可使井下和地面设备的维修费用减少25%30%。另外，通过IPOC装置可提前探测到油井故障，从而进一步减少了所需的修井作业量。（4）使用微电脑技术的IPOC 装置大大增加了抽油系统的性能信息检测数据，为抽油机的遥控遥测及集中控制创造了条件3。1.2.5 其他节能方式（1）异相曲柄平衡抽油机是非对称循环抽油机，上冲程所用时间较长，下冲程时间较短。CYJl0-3-26B（Y）抽油机在冲次n9 min-1时，上下冲程时间均为3.55 s。而CYJ10-3-26B 抽油机，当冲次n9min-l 时， 上下冲程时间均为3.33s。假设CYJ10-3-26B 与CYJ10-3-26B（Y）抽油机所需有用功相同，CYJl0-3-26B（Y）的光杆功率可以减少6%左右，这意味着井下效率明显提高4。（2）双驴头抽油机是在常规型游梁式抽油机的基础上发展的新一代抽油设备，它不仅保持了常规机的优点，同时还具有低冲次、节能、系统效率高等优点5。（3）直线电机式抽油机是总结了百年来游梁抽油机和无游梁抽油机的优缺点，利用直线电机将电能直接转换成直线往复运动，简化了传动方式，减少了26%传动能量损失，利用天平式平衡方式改善了平衡效果6。（4）渐开线抽油机是新一代节能抽油机，较异相曲柄抽油机节能效果有大幅度提高，从净扭矩曲线的变化规律可以看出，渐开线节能抽油机曲柄轴净扭矩曲线变化平缓，消除了负扭矩。在相同参数条件下，该机减速箱额定扭矩比常规游梁式抽油机下降30%以上，装机功率下降50%左右，具有显著的节电效果，是抽油机的发展方向7。1.3 本文研究内容针对常规抽油机普遍存的载荷波动大、效率低下、电机功率不能充分利用等缺点，本设计利用一种新型星轮减速器改造常规抽油机。该设计主要包括以下内容：（1）了解游梁式抽油机的结构组成及工作原理，对抽油机驴头悬点运动规律和动力特性进行分析，绘制运动分析曲线和减速箱曲柄轴输出扭矩曲线。（2）学习星轮传动的原理、特点和应用情况。（3）星轮减速器抽油机的总体方案确定和设计计算。（4）星轮减速器抽油机与常规抽油机进行比较，得出星轮减速器抽油机的主要优点。第2章 星轮传动技术简介2.1 星轮传动技术原理混合少齿差星轮减速器(简称星轮减速器)是湖南机械研究所周干绪研究员20世纪80年代的发明专利，90年代得到快速发展和完善，并得到了广泛的运用。混合少齿差星轮减速器(H型星轮减速器)和混合少齿差星轮变速器(HB型星轮变速器)，均由机械电子工业部列为我国通用减速器更新换代新系列产品，其技术标准代号为ZBJ 19006-88和JB/T 613592。产品的传动原理和结构原理曾获国家发明奖，并先后获得中、美、英等国发明专利权1988年获首届国际专利与新设备展览会金奖。1992年1月通过了机械电子工业部组织的技术鉴定。H和HB星轮传动的主要技术特征是通过两对或两对以上(作为特例也可用一对)的内啮合齿轮副采用不同的齿数、不同齿轮模数、不同的齿数差以及不同的齿轮副偏心距(即齿轮中心距)进行排列计算出大量传动比组合，然后从中优选最佳传动比系列，以组合成减速或变速传动。图 2.1 星轮传动原理图2.1表示H 型星轮传动原理。图中有两对内啮合齿轮副，内齿轮和行星齿轮啮合，内齿轮和行星齿轮啮合，1为输出轴，与内齿轮紧固成一体，2表示转矩转速传递机构n根星轮轴(滚动星轮)，3为安装行星齿轮的偏心曲柄，齿轮通过滚动轴承而空套在曲柄轴颈上，由曲柄3构成齿轮与的偏心距。4为安装行星齿轮的曲柄，构成齿轮与的偏心距。同理，通过滚动轴承空套在曲柄轴颈上，5为动力输入轴，6为平衡器，行星齿轮和上均有n个等分孔，等分孔的中心圆直径分别为和，为了实现多边形平行运动必须使。当动力输入轴5旋转时，由于内齿轮固定在机壳上，行星齿轮在曲柄4与内齿轮共同作用下产生公转与自转运动星轮轴2两端轴伸上的滚动轴承分别插入行星齿轮和的等分孔中，于是n个滚动星轮2同时产生公转与自转运动，而且将行星齿轮的自转运动以1:1的关系传递给行星齿轮，在曲柄3与滚动星轮2的共同作用下同样产生公转与自转运动，与内齿轮啮合，从而推动作减速后的旋转运动，通过输出轴将运动输出，传动比的大小取决于齿轮、的排列组合。KK剖视图表示n个滚动星轮均布在圆周上，n必为偶数。星轮轴2上的滚动轴承安装在等分孔中并允许轴承外圈在等分孔中适当游动。图 2.2 星轮座在齿轮副的排列组合中，如齿轮与的齿数相等，则形成图2.2所示特例，与便结合成整体圆盘11，定名为星轮座。在这种情况下，只剩下一对齿轮和，当输入轴5旋转时，由于这种特例情形下星轮座11是固定不动的，星轮2只能围绕其等分孔中心作自转运动而不能公转，因而行星齿轮在星轮2和曲柄3的共同作用下作平面公转运动，与啮合从而推动作减速后的旋转运动。这种特例一般用于小传动比9。图2.3为星轮减速器实物图：图 2.3 星轮减速器2.2 星轮传动特点星轮减速器是一种内啮合少齿差齿轮传动减速器，是完全由中国人自己发明,自己设计、采用中国的原材料、中国人自己制造的具有国际先进水平的产品。被机械部列为减速器更新换代产品，98年制定了机械工业部标准JB/T87121998。其特点如下：(1)传动比大，传动比范围宽：单级传动比可达80。通过组合，传动比可在1:41:25000选用，1：25000以上可根据用户提出的要求设计。 (2)高承载能力：它充分利用有效圆的设计原理，采用力分流均载机构，通过新型的内齿啮合行星轴复合传动，实现多边形连续滚动地传递扭矩和转数，同时啮合齿数大于1416齿，最多可达32齿，有效提高了承载能力。根据用户的要求可设计实现空载弹性启动和过载保护功能。(3)比密大：星轮减速器是通过选择内外齿不同的齿数和偏心量等参数得到不同的传动比，给机械设计提供了极大的方便。(4)输出扭矩大：输出扭矩在0.049kNm980kNm之间可在标准中选择，如果需要输出扭矩大于980kNm4900kNm或更大都可方便的设计生产。(5)传动效率高:单级传动比效率可达98%。(6) 齿轮无须变位，便于设计计算。(7) 易实现动平衡。(8)良好的互换性：系统产品中的核心单元已实现了标准化，可通用和互换。(9)免维护和可预期维修寿命设计：产品可长期运行。设计时选用的轴承和密封圈可预计其更换时间，有利于用户按时更换易损件和检修。(10)标准化、系列化、通用化：在国际上首次成功实现减速器内部传动核心结构的统一，优选参数，使星轮减速器所有部件归并为170个标准的普遍通用的核心单元，可根据需要组合成一万三千多种规格品种的减速器，极有利于计算机设计和大规模批量生产。 (11)有利于用户选用：用户仅需要根据输出扭矩，工况状态，输入功率，传动比，就可以根据标准所列公式，选择合适机型，省却了大量繁杂的选型计算过程。 近年来，星轮减速器的研制工作取得了重大的进展。已经开发出划时代的产品多功能节能型减速器。该类型产品的标准化、系列化工作已经完成，攻克了大功率、高电压设备调速的世界难题。它具有以下特点：(1)工况适应性设计：改变了传统减速器只有一个传动比，一个转速，不能按工况负载变化而改变技术参数的缺陷。(2)由小功率的控制的电机改变主电机输出转数，达到大功率电机输出实现分级或无级调速，解决了国际上大功率高电压装置的调速难题，为重载传动自动控制创造了条件，对大功率传动采用变频技术实现生产自动化提供了可能。(3)因采用随工况负载变化，调节技术参数方式，使设备节能效果可达550%，设备使用功率因数可由0.6提高到0.95左右。因此,节约了大量能源，降低了生产成本。 2.3 星轮减速器的设计计算2.3.1 传动比的设计计算减速或增速传动实质上是一种丢掉或增大动力输入轴转速而放大或减少输出转矩的传动装置，而衡量该传动装置的主要技术指标是传动效率、承载能力、平稳性和工作可靠性以及为降低生产成本所必须的零部件高度的标准化和通用化。H型减速传动为实现以上技术要求，首先要对传动比进行优化排列组合，传动比的组合计算式为 （2-1）式中 变量，对H型代表齿轮的齿数，以表示 变量，齿轮之齿数a,b 内齿轮与行星齿轮齿数之差，a=48,b=59由上式可知，只要确定和的一定的变化范围，便可循环计算出大量传动此组合，而且同一个传动比有许多种组合方法。究竟按什么原则确定传动比的最佳组合？除了遵守优先系数原则外，主要遵守充分利用有效圆表面积的设计原则。为便于说明问题，以上述减速传动为例，并令齿轮的齿数为，的齿数，令和的模数为、偏心距为；令和的模数为、偏心距为。选择传动比组合总的原则就是在规定的有效圆面积内设计的传动装置能够传递最大的转矩，传动效率高而平稳，有利于组织生产和方便用户使用。对于H型减速传动系列产品而言，系列机型、机号中心高及外圆尺寸一旦确定，对于每一个机型号，其有效圆面积便可确定，然后应按以下具体原则优选传动比组合：(1)按已确定的有效圆面积，规定齿轮分度圆的平均直径。由于同一机号的有效圆面积是不变的，因此对于同一机号中任何一个可用传动比的组合其齿轮直径相对于平均直径应确定一个最小变化率，以使零部件高度标准化和通用化，因此在同一有效圆面积内所有可用传动比的组合均应满足或，的要求(括号中代表或)。(2)为了便于平衡，应满足的要求。(3)按额定转矩和机械强度确定最小模数。根据以上3点原则，针对每一个机号的有效圆面积优选若干对齿轮副分别按上式进行排列组合的循环计算，然后按优先系数进行传动比系列设计，使设计达到高效、高承载能力、平稳而工作可靠的产品性能要求。例如H型星轮减速器系列16个机号，HB型变速器系列l4个机号，合计优选出300多对齿轮副，齿轮直径变化率平均为1.9 。用这300多对齿轮副进行组合循环计算得出大量的传动比组合，其中可用于H型星轮减速器的传动比有8 949个，可用于HB型变速器的传动比有2801个，传动比有8 652个，H和HB型共有2O402个可用传动比，从而构成一个庞大的高性能产品体系，单级传动效率达94%以上，双级传动效率可达90以上，单位重量传递构转矩比国际上同类产品平均高lO-12.5，传递最大转矩达Nm4。2.3.2 行星齿轮的受力分析混合少齿差星轮减速器的薄弱环节在于滚动星轮轴承的失效，因此对该处进行受力分析是整个产品设计的关键。目前还没有统一的计算方法，下面根据行星齿轮运转过程中主动力矩与从动力矩所做功相等的条件，分析星轮减速器滚动星轮轴承的受力。图2.4所示为星轮减速器行星齿轮受力图，因行星齿轮所受的径向力和转臂轴承的支反力在行星齿轮转动过程中不作功，故图中未标出这两种力。假想行星齿轮沿顺时针方向转动，内齿轮作用在行星齿轮上的切向力产生转矩,设各滚动星图 2.4 星轮减速器行星齿轮受力图轮作用在行星齿轮上的力，这些力的作用线通过轮孔的中心并与平行。由于力的作用而产生弹性变形，使机构中另一行星齿轮(或转盘)相对于该行星齿轮转过一个微小的角度，则在接触点的法线方向产生的位移为 （2-2）式中为第i个接触点上的法线到线间的垂直距离。因 所以 （2-3）在第i个接触点上的作用力与其法线方向的位移成正比，即:所以 当时，达到最大值，即 由上两式可得: （2-3）所以 （2-4）设星轮孔个数为,当行星齿轮转过时，内齿轮作用在行星轮上的力所作的功为；而星轮组件作用在行星齿轮上的力所作的功为。不考虑滚动轴承摩擦力的影响，则主动力矩所作的功应相等，得: （2-5）当行星齿轮转过很小的角度时，一个滚动星轮作用在行星轮上的阻力所作的单位元功为： （2-6）设行星齿轮上各星轮孔中心的位置分别为:,当行星齿轮转过时，由0增大到,由增大到,，由增大到，增大到。则各星轮的作用力所作功之和为 （2-7）把和的值代人式2-5，得 （2-8）所以 （2-9）把上式代人式，得 （2-10）由上式可见，根据滚动星轮位置不同，其受力按正弦规律变化，在计算滚动轴承寿命时，为安全起见，可按最大负荷计算10。2.3.3 双向平衡的设计原则前面简述了优选传动比的原则和方法，但是作为一种产品，图中减速传动还必须遵循双向平衡的设计原则，现以图2.1中H型星轮减速传动为例作简要说明。设行星齿轮组件(含轴承及曲柄)的重量偏心矩为，齿轮组件的重量偏心矩为，因为规定了，故在齿轮左侧安装有特殊设计的平衡器6，其重量偏心矩为组件重心至组件重心距为，组件重心至平衡器6重心距为，为了实现双向平衡，则应满足以下两个方程式的要求 （2-11）H 型星轮减速器和HB型变速器的动力输入轴平衡系统均满足以上两个方程式的要求，产品噪声一般不超过8OdB。2.4 星轮传动技术的应用我国自行研发的“星轮传动”技术，是机械传动领域中的一项新技术，它的传动方式和特点适宜于低速重载的产品，它可使装备机械上的加速器、减速器、调速器、变速器的体积变小、功能增强，并减少进口。该减速器在国际上首次成功实现减速器内部传动核心结构的统一, 极有利于计算机设计和大规模批量生产。而用户仅需根据输出扭矩、工况状态、输入功率、传动比就可以根据标准所列公式选择合适机型, 省却了大量繁杂的选型计算过程。一旦这项技术得到广泛应用, 将产生巨大的经济效益。这一新技术得到中国星轮传动协会和机械工业部有关专家的认定。“星轮传动”技术的原理为我国独创，可应用在煤矿、石油开采、风力发电、重型机械、建材水泥等诸多领域，应用空间巨大。我国传统装备机械沿用的减、变速器品种繁杂，体积巨大。哈尔滨国海星轮传动有限公司首次将这一新的“星轮传动”技术应用在生产领域，并获得成功。同时，星轮传动技术获得了国家发明奖。这项独创的星轮传动技术的核心是将一个减、变速器内部的170个单元，按用户要求任意组合，使制出的部件标准化、系列化、通用化，有很强的互换性。而且可任意改变扭距，增大拉动能力，使一个很小的减速器带动庞大的装备机械。真正达到“以小带大”的目的。不仅如此，由于具有不同的排列组合，如果客户对减、变速器有不同的要求，需要不同形状的产品，也能通过这项新技术来完成。目前，我国独创的“星轮传动”技术已应用到三峡水电站、秦皇岛码头、山西部分大煤矿。第3章 游梁式抽油机总体方案确定及基本理论游梁式抽油机的基本参数是设计计算抽油机及合理选择使用抽油机的基础，本章主要研究四个基本参数的大小和变化规律；其次讨论驱动抽油机的电动机的额定功率和星轮减速器的选择方法11。3.1 星轮减速器抽油机的结构方案确定星轮减速器抽油机即在常规机的基础上改用星轮减速器。其各部分结构基本与常规机相同。下面简要叙述它的各组成部分及作用：(1)驴头驴头用来将游梁前端的往复圆弧运动变为抽油杆的垂直直线往复运动。为了保证在一定冲程长度下，将圆弧运动变为直线运动，圆弧面长度应为=(1.21.3)Smax （3-1）式中 Smax驴头悬点（挂抽油杆处）的最大冲程长度。驴头用钢板焊成。驴头的宽度应保证在修井时让开的位置可使大钩上下自由起吊。(2)游梁游梁采用在工字钢上加两块加强板，其优点是制造不太复杂，断面近似等强度，金属使用较合理。(3)横梁及连杆横梁和连杆均是抽油机的动力传输构件。它由改变曲柄和连杆的连接点位置来调节冲程长度。连杆是把曲柄的连续圆周运动变为近简谐运动的主要构件之一。连杆采用无缝钢管与连杆大小头组焊而成，其组焊焊缝应进行探伤检验。正常工作时，上端连杆头和横梁无转动，用销子相连。下端连杆头和曲柄用曲柄销连接，在连杆销处安有滚动轴承。曲柄销和曲柄间一般用圆锥面相连，在销子头上用一螺母固死销子和曲柄，在曲柄上有3个锥孔，用以改变冲程长度。因为连杆是完成力矩的传递，因此，对于上、下接头与钢管的焊缝是否能达到规定的强度而满足使用要求就显得尤为重要。如果连杆中有一根连杆失效，抽油机变成单臂传动，很有可能被拉翻，造成严重的生产安全事故。焊缝作为整个连杆的薄弱环节，都会引起设计人员高度重视，一般在设计中对焊缝的形式、焊接工艺条件、要求以及检验方法和标准都提出较高的要求和明确的规定。(4)减速器减速器是把动力机的高速转动变为抽油机所需要转速的装置。在抽油机中，它有减速和增扭矩的作用。可以抽象为这样的一个模型： 动力机减速箱工作机构 根据减速比及结构的要求，10型游梁式星轮减速器抽油机采用星轮减速器传动。(5)电动机电动机是抽油机的动力源，它的运行是否可靠是整机正常运行的根本保证。(6)刹车装置及刹车安全装置为了保证抽油机的安全运行，就必须有一套操作方便、动作灵敏、安全可靠的刹车制动装置。该装置是一套由刚性杆件连接的刹车操纵机构和制动机构的组合体。制动机构是安装在减速器输入轴端的完成刹车功能的刹车执行装置。外包式刹车装置由刹车瓦、刹车轮、定位轴、刹杆、死刹杆、连块等组成。其特点是防风沙性能较好，但防油性能较差。这种刹车装置结构简单，造价较低，安装调试、维护保养方便，刹车效果一般，但是在社会环境不太好的地方容易被人为地拆卸和破坏。刹车安全装置是为了保证在抽油机安装、调整和停机作业时的绝对安全而设置的保险装置。该装置形似一个挂钩，安装在减速器的中间轴的端盖或外抱式刹车的固定销处，在停机后除拉紧刹车外，一定要将刹车安全装置的挂钩（即保险锁块）放入刹车毂外缘的缺口内。(7)支架与底座支架是架高游梁、驴头的桁架构件，采用型钢焊成。支架由螺丝紧固在抽油机的底座上。底座是支撑抽油机的主要构件，俗称底盘或船形底座。底座采用型钢焊成，有足够的强度和刚度。在抽油机安装时，用紧固件把底座固定在专用的混凝土基础上。(8)悬绳器由卡瓦牙、上下支撑板及顶丝等组成，将钢丝绳及光杆连成一体。悬绳器上可以安放示功仪，测悬点示功图。3.2 游梁式抽油机运动分析掌握抽油机悬点的运动规律（悬点的位移、速度和加速度）是研究抽油装置动力学、确定抽油装置的基本参数及进行抽油装置设计的基础，因此首先分析其运动规律。3.2.1 悬点运动规律游梁式抽油机是以游梁支点和曲柄轴中心的连线作固定杆，以曲柄、连杆、和游梁后臂为三个活动杆件所构成的曲柄摇杆机构，如图3.1所示。本节在研究抽油机四杆机构循环特性的基础上，研究悬点的运动规律12。目前，国内外使用的游梁式抽油机四杆机构的循环主要有以下三种形式：（1）对称