抽油机减速器设计.doc

引言

CYJ11.6—3—36.8B抽油机减速器设计

1引言
1.1 抽油机简介
石油——工业的血液，它是宝贵的能源和化工原料，随着石油工业的发展，为石油生产服务的釆油设备得到了不断的更新和完善，釆油技术日渐提高。从三十年代到目前近五十年中，在广大技术人员的共同努力下，从最早的原始式抽油机发展到了如今各种形式的釆油设备：如长冲程的无游梁式抽油机，电动潜油泵，水力活塞泵等无梁式釆油设备，这些釆油设备的问世，大大提高了油井的釆收率，提高了效率，降低了釆油设备的费用，克服了常规式游梁抽油机的某些缺点，但金无赤金，这些设备也有些缺点。
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游梁式抽油机的结构简单，制造容易，维修方便，深受广大用户口欢迎，在某些方面并不比新型釆油设备逊色，因此在我国油田机械釆油井中98%还是釆用常规型游梁式抽油机，在国外比例也占首位。
游梁式抽油机整套装置由三部分组成：
一、地面设备——游梁式抽油机，它由电动机，减速箱和四连杆机构组成。
二、井下部分——抽油泵。
三、联系地面和井下的中间部分——抽油杆柱。
1.2 设计背景
近年来，随着石油钻采工业的迅速发展，对于钻采设备的要求也就越来越高。因此，作为采油设备的一个重要组成部分——减速器，也得到了相应的改进和提高。为提高采油效率，设计更加合理而精密的减速器成为当务之急。本设计的目的在于根据CYJ11.6-3-36-8B型号抽油机设计出一款与之相匹配的减速器，在动力传输，轴承润滑等方面做出更好的改进，使之更加合理，经济。
1.3国内外现状和发展趋势
改革开放以来，我国引进一批先进的加工装备。通过不断引进、消化和吸收国外先进技术以及科研攻关，开始掌握了各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术。材料和热处理质量及齿轮加工精度都有较大的提高，通用圆柱齿轮的制造精度可从JB 179—60的8～9级提高到GB10095－88的6级，高速齿轮的制造精度可稳定在4～5级。部分减速器采用硬齿面后，体积和重量明显减小，承载能力、使用寿命、传动效率有了大幅度的提高，对节能和提高主机的总体水平起到明显的作用。从1988年以来，我国相继制定了50-60种齿轮和蜗杆减速器的标准，研制了许多新型减速器，这些产品大多数达到了20世纪80年代的国际水平。目前，我国可设计制造2800kW的水泥磨减速器、1700㎜轧钢机的各种齿轮减速器。各种棒材、线材轧机用减速器可全部采用硬齿面。但是，我国大多数减速器的水平还不高，老产品不可能立即被替代，新老产品并存过渡会经历一段较长的时间。
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近十几年来，计算机技术、信息技术、自动化技术在机械制造中的广泛应用，改变了制造业的传统观念和生产组织方式。一些先进的齿轮生产企业已经采用精益生产、敏捷制造、智能制造等先进技术．形成了高精度、高效率的智能化齿轮生产线和计算机网络化管理。适应石油钻采工业要求的新产品开发，关键工艺技术的创新竞争，产品质量竞争以及员工技术素质与创新精神，是2l世纪企业竞争的焦点。在2l世纪成套机械装备中．齿轮仍然是机械传动的基本部件。由于计算机技术与数控技术的发展，使得机械加工精度、加工效率太为提高，从而推动了机械传动产品多样化，整机配套的模块化、标准化，以及造型设计艺术化，使产品更加精致。CNC机床和工艺技的发展，推动了机械传动结构的飞速发展。在传动系统设计中的电子控制、液压传动。齿轮、带链的混合传动，将成为变速箱设计中优化传动组合的方向。在传动设计中的学科交叉，将成为新型传动产品发展的重要趋势。
总之，当今世界各国减速器及齿轮技术发展总趋势是向六高、二低、二化方面发展。六高即高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率：二低即低噪声、低成本；二化即标准化、多样化。减速器和齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水平，因此，开拓和发展减速器和齿轮技术在我国有广阔的前景，对于石油这个重工业来说更是迫不及待。
1.4减速器概述
减速箱是抽油机关键的部件，现场反映，抽油机的主要易损件之一也有减速箱。因此改善减速箱的工作情况，增加减速箱的承载能力，延长抽油机的寿命，提高抽油的经济效益是个非常重要的问题。故本人对减速箱的结构力争选用最佳方案来改善减速箱的工作条件，提高减速箱的使用寿命。
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一、齿轮减速箱是两级减速，釆用人字齿的分流式布置，其好处是无轴向力，以利提高轴承的寿命。抽油机在每个冲程均产生负扭矩,这种传动的布置有利于解决轴的窜动和由于轴的窜动而造成的漏油现象，同时也利于齿轮传动噪声的减少。
二、齿轮釆用双圆弧齿形，它是一种先进的齿形，无论是齿面的接触强度或轮齿的弯曲强度，都比单圆弧齿轮和渐开线齿轮高。尤其是双圆弧齿形能实现多点多对齿啮合的有利条件，它具有高弯曲强度的突出优点，加工无特殊要求。
三、双圆弧齿轮减速箱由于承载能力高,可以以小代大,它比其它齿形的减速箱体积小，重量轻，有较小的振动和噪声，在同类产品中具有较高的技术经济指标。
四、刮油板结构的改进,由油槽取代了传统的刮油板.改用油槽后有以下特点：
结构简单，零件少，以前的一个减速箱要装四个刮油板，并且需在箱盖上镗制四个孔,加工零件多，装配调试时间长,制造成本较高。而用油槽比刮油板合算得多。
双圆弧齿轮减速箱固然有许多优点，然而它同所有的机械设备一样，也有自己的缺点。但它的缺点和优点相比可以说是微不足道。
一、圆弧齿轮对中心距变动较敏感。
二、对刀具齿形有一定精度要求。
三、圆弧齿轮必须跑合后，才能满载使用。
1.5 设计任务及步骤
本人设计的主要任务：与常规型游梁式抽油机CYJ11.6－3－36.8配套的曲柄轴扭矩为3686千克米的减速箱。本设计重点研究的关键问题是减速器的级数的选择，一般情况选用两级减速即可；再就是减速器齿轮的选定及校核。先根据给定的原始数据确定级数，选定齿轮的大小，及其轴，轴承，皮带轮的选择；然后进行电动机的选取；最后进行平衡计算，合理性和稳定性的检验。要完成该减速器的设计，首先对与减速器有关联的部分有一个初步的认识，主要有电动机和驴头四连杆机构，其中重点分析的是减速器曲柄轴扭矩，然后根据给定的原始数据对减速器各个部件进行设计。其次，熟练运用AutoCAD绘制减速器各个图形，同时还利用ProE三维造型对设计的机构进行分析，最终完成该设计。
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2 传动比的分配
2.1电机的选择
根据API标准，确定泵速n=20r/min。
由总体计算，查表22-36
选Y2-280M-6型三相异步电动机，电机的功率=55kw，转速=980r/min。
2.2分配各级传动比
总传动比 （1）参考机械传动手册，一般来说高速级传动比应比低速级传动比大
选 高速级 =5.75
低速级 =5.25
减速箱传动比 =30.1875 （2）皮带轮传动比 （3）1.对高速级，因载荷平稳，故取较大齿数和z=162
（4）
2.对低速级，取z=150

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计算传动装置的运动和动力参数
3计算传动装置的运动和动力参数
3.1 转速计算
为进行传动件的设计计算，要推算出各轴的转速和转矩(或功率)，如将传动装置各轴由高速至低速依次定为Ⅰ轴，Ⅱ轴，.…，以及滚动轴传动效率=0.98，齿轮传动效率=0.97，皮带传动效率=0.96。
各轴转速：Ⅰ轴 （5） Ⅱ轴
Ⅲ轴
3.2功率计算
各轴输入功率：
Ⅰ轴 （6）Ⅱ轴
Ⅲ轴
各轴输出功率：
Ⅰ轴 （7）Ⅱ轴
Ⅲ轴
3.3转矩计算
各轴输入转矩：电动机轴输出转矩：
（8）
Ⅰ轴 （9）
Ⅱ轴 Ⅲ轴 Ⅰ-Ⅲ轴输入转矩分别为各轴的输入转矩乘轴承功率0.98
故各轴输出转矩为：Ⅰ轴 （10）
Ⅱ轴
Ⅲ轴
运动和动力参数结果整理于下表:
表1 运动和动力参数

轴 名
效率P (kw)
转矩T(Nm)
转速n
(r/min)
传动比
(i)
效率
(η)
输入
输出
输入
输出
电动机轴
/
55.000
/
535.970
980.00
/
/
Ⅰ轴
52.80
51.740
835.186
818.480
603.74
1.6232
0.96
Ⅱ轴
50.19
49.186
4565.085
4473.783
104.99
5.7500
0.95
Ⅲ轴
47.71
46.755
22782.74
22327.080
20.00
5.2500
0.95

带传动设计与计算
4带传动设计与计算
4.1 V带的设计计算
(本章未注明数据公式来源于西北工业大学《机械设计》第七版)
由前面知，查选Y2-280M-6型三相异步电动机，电机的功率=55kw，转速=980r/min。每天工作时间为24小时。
4.1.1 计算功率
确定计算功率
由表8-6 选用 则 （11）
4.1.2 选取型号
选择普通V 带
根据 ，由图8-8 确定选用D型。
4.1.3 确定带轮直径
确定带轮基准直径
由表8-3和表8-7选主动轮基准直径，起外径为416.2mm。
从动轮的基准直径
根据表13-1-11，取
4.1.4 验算带速
按式(8-13)验算带的速度 （11）
带的速度符合。
4.1.5 确定普通V带的基准长度和传动中心距
根据 （12）
初步确定中心距
根据式(8-20)计算带所需的基准长度：
（13）由表8-2选带的基准长度
按式(8-21)计算实际中心距a
（14）
4.1.6验算主动轮上的包角a
由式(8-6)得
（15）
主动轮上的包角合适。
4.1.7 计算窄V带的跟数Z
由式(8-22)知 （16）
由 查表13-1-18 有

查表8-8得，查表13-1-22 得
则 取Z=5
4.1.8计算预紧力
由式(8-23)知， （17）
查表13-1-23 得 q =0.62kg/m 故

4.1.9计算作用在轴上的压轴力
由式 （8-23）有
（18）
4.2 带轮结构设计
由于 所以采用六椭圆辐轮式。结构见图纸。
小轴采用实心式。

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附录
5 箱体内传动件的设计
根据国际标准和我国抽油机标准规定：抽油机齿轮减速箱中各零件强度和寿命计算的依据是：减速箱的最大额定扭矩和抽油机的最高冲次，考虑到高速级带轮的张紧力作为附加载荷进行轴的强度，刚度计算。
减速箱的主要参数：最大额定扭矩3686Kgf·m
最高冲次 20次/分
参考第十四篇 5.2双圆弧齿轮设计计算举例 例1，以下所参考的文献均为中所提供的系数及公式。
5.1 减速箱的结构选择
1.传动方式：两级分流式人字齿轮传动
2.齿形：选用GB/T 12759—1991 标准双圆弧齿廓。
特点：接触弧较长，齿面接触强度较好。这种齿形的齿廓圆心偏于节线两侧（齿轮啮合时），有利于跑合和减小中心距敏感性。滚切时倒去了凸齿齿尖角，改善凸齿齿面接触情况。但是该齿形齿厚比较小，轮齿弯曲强度略有降低。
齿轮精度不低于6级（GB/T15753——1995）。
5.2 确定齿轮参数
5.2.1 选择材料
选择材料及热处理工艺，确定极限应力。大、小齿轮材料均选用42，锻造，采用中硬齿面调质处理（轮齿心部应力大于300HBS）。面齿进行深层离子渗氮，齿面硬度不低于650HV1。材料的极限应力查图14-219e得 =620MPa；查图 14-2-20e 得=1150MPa。
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5.2.2 选取安全系数
选取最小安全系数。由于传递功率较大，是生产线上的关键设备，要求高可靠性运行。最小安全系数值应稍大于标准推荐值。取弯曲强度计算的最小安全系数=1.8；接触强度计算的最小安全系数=1.5。
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5.3 减速器低速级的齿轮传动的设计
5.3.1齿数确定
由前面计算得
=24，=126
5.3.2纵向重合度
根据表14-2-26，人字齿轮结构，暂取=，=0.3，按式（14-2-13）初算单侧纵向重合度，
=（+）tan/=0.3*（24+126）tan/2=4.135 （19）
5.3.3计算模数
按表14-2-27中弯曲强度计算公式初算法向模数
= （20）
式中个参数值的确定如下。
转矩 ：==4473.78/2=2236.89Nm=2236890Nmm。 （21）
使用系数：查表14-2-30，按轻微振动 =1.35。
动载系数：查图14-2-10，按6级精度，=1.1。
接触迹间载荷分配系数：查图14-2-11，按硬齿面对称布置，（按表14-2-26 的中间值0.9），得=1.08。
接触迹内载荷分布系数：查表14-2-31，6级精度得=1.10。