新型傳動抽油機設計與分析

⑦計算大、小齒輪的并加以比較。設計計算對此計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)4.2并就近圓整為標準值m=4mm，按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)取z=20大齒輪齒數(shù)3.2.4幾何尺寸計算計算分度圓直徑計算中心距計算齒輪寬度取，3.3軸的設計1.初步確定軸的最小直徑先按式初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調質處理。根據(jù)表15-3，取=100，于是得輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑。為了使所選的軸的直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯(lián)軸器型號。聯(lián)軸器的計算轉矩=，查表14-1，考慮到轉矩變化很小，故取=3.1，則：==2.953.1×1000000Nmm=0Nmm按照計算轉矩應小于聯(lián)軸器公稱轉矩的條件，查標準GB/T5014-2003或手冊，選用HL6型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉矩為29500Nmm.半聯(lián)軸器的孔徑=65mm，故取=65mm，半聯(lián)軸器長度L=142mm，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度=107mm。軸的結構設計（1）擬定軸上零件的裝配方案本題的裝配方案已在前面分析比較，現(xiàn)選用圖15-22a所示的裝配方案。（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度1）為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，I-II軸段右端需制出一軸肩，故取II-III段的直徑=72mm；左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈D=75mm。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度=107mm，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故取I-II=105mm。2）初步選擇滾動軸承。因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承。參照工作要求并根據(jù)=72mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組,標準精度級的單列圓錐滾子軸承30315，其尺寸為.故右端滾動軸承采用軸肩進行定位。由手冊上差得30313型軸承的定位軸肩高度h=6mm，因此，取取安裝齒輪處的軸段Ⅳ-Ⅴ的直徑=70mm；齒輪的左端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為75mm，為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸段應略短于輪轂寬度，故取=70mm。齒輪的右端采用軸肩定位，軸肩高度h>0.07d，故取h=8mm，則軸環(huán)處的直徑=96mm。軸環(huán)寬度b1.4h，取=12mm。軸承端蓋的總寬度為20mm（由減速器及軸承端蓋的結構設計而定）。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對軸承添加潤滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離l=30mm（參看圖15-21），故取=50mm。取齒輪距箱體內(nèi)壁之距離a=16mm，錐齒輪與圓柱齒輪之間的距離c=20mm（參看圖15-21）。考慮到箱體的鑄造誤差，在確定滾動軸承位置時，應距箱體內(nèi)壁一段距離s，取s=8mm（參看圖15-21），已知滾動軸承寬度T=40mm，大錐齒輪輪轂長L=50mm，則=T+s+a+（80-76）=40+8+16+4=68mm至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。（3）軸上零件的周向定位齒輪，半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。按由表6-1查得平鍵截面bh=18mm11mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為100mm，同時為了保證齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為；同樣，半聯(lián)軸器與軸的連接，選用平鍵為22mm14mm63mm，半聯(lián)軸器與軸的配合為。滾動軸承與軸的周向定位是由過度配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6.確定軸上圓角和倒角尺寸參考表15-2，取軸端倒角為2，各軸肩處的圓角半徑見圖15-26.3.4軸的校核在確定軸承的支點時，從手冊中查取a值。因此，簡支梁一端支點到一段齒輪的距離為85mm。第二軸承到另齒輪的距離為85mm。由前面計算可知T3=2730Nm。3.4.1求低速級大齒輪上的力因已知大齒輪分度圓直徑為（3—11）（3—12）KN（3—13）3.4.2求軸上的載荷求水平面支座反力：作水平面里的軸的受力簡圖圖3-1水平受力分析知：得：KN,KN做出水平方向的受力圖和彎矩圖：圖3-2水平方向受力圖圖3-3水平方向力矩圖垂直面的支反力：作垂直面里的軸的受力簡圖圖3-4垂直受力分析知：得：KN,KN做出豎直方向的受力圖和彎矩圖：圖3-5垂直方向受力圖圖3-6垂直方向力矩圖3.4.3總彎距的計算作出輸出軸的扭矩圖圖3-7扭矩圖表3-1軸上載荷計算表載荷水平面H垂直面V支反力R彎矩M總彎矩扭矩T4齒輪齒條的設計4.1選定齒輪齒條類型，精度等級，材料及齒數(shù)。抽油機的速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）材料選擇。由表10-1選擇齒輪齒條的材料為20Cr2Ni4，硬度為350HBS。選擇齒輪的齒數(shù)，齒條齒數(shù)4.2按齒面接觸強度設計由設計計算公式（10-9a）進行計算，即4.2.1確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值試選載荷系數(shù)計算齒輪傳遞的轉矩。由表10-7選取齒寬系數(shù)由表10-6差的材料的彈性影響系數(shù)。由圖10-21d按齒面硬度查的齒輪齒條的接觸疲勞強度極限650MPa；由式10-13計算應力循環(huán)次數(shù)。由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得4.2.2計算試算齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。=65.18mm計算圓周速度v。計算齒寬b。4）計算齒寬與齒高直逼。模數(shù)齒高5）計算載荷系數(shù)。根據(jù)，8級精度，查的動載荷系數(shù)；直齒輪，;由表10-2查的使用系數(shù)為；由表10-4用插值法查的8級精度，小齒輪相對支撐非對稱布置時，。由，查得，故載荷系數(shù)6）按實際的載荷系數(shù)校正算得的分度圓直徑， 7）計算模數(shù)m4.3按齒根彎曲強度設計彎曲強度設計公式為4.3.1確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值1）由圖10-20c查的齒輪齒條的彎曲疲勞強度極限2）彎曲疲勞壽命系數(shù)；；3）計算彎曲疲勞許用應力。取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-12）得4）計算載荷系數(shù)K。5）查取齒形系數(shù)。；；6）查取應力校正系數(shù)。；；7）計算大、小齒輪的并加以比較。齒輪的值大。4.3.2設計計算對此計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)1.8并就近圓整為標準值m=3mm，按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)（1）計算分度圓直徑（2）計算中心距（3）計算齒輪寬度（4）取，（5）在借鑒國外參考資料和考慮實際中的尺寸，選取齒條的寬度為75mm。5超級電容5.1超級電容的論述超級電容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫雙電層電容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)、黃金電容、法拉電容，通過極化電解質來儲能。它是一種電化學元件，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次。(1)超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。一、超級電容器為何不同于傳統(tǒng)電容器其"超級"在哪？(2)超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。(3)傳統(tǒng)電容器的面積是導體的平板面積，為了獲得較大的容量，導體材料卷制得很長，有時用特殊的組織結構來增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。(4)超級電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結夠允許其面積達到2000m2/g，通過一些措施可實現(xiàn)更大的表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質離子尺寸決定的。該距離（<10Å）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實現(xiàn)的距離更小。(5)這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。二、超級電容器的優(yōu)點?！粼诤苄〉捏w積下達到法拉級的電容量；◆無須特別的充電電路和控制放電電路◆和電池相比過充、過放都不對其壽命構成負面影響；◆從環(huán)保的角度考慮，它是一種綠色能源；◆超級電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問題；在抽油機實際運轉過程中，正反轉電機經(jīng)過減速器，減速器輸出軸傳動齒輪，齒輪帶動齒條，齒條帶動抽油桿上下運動，從而最終實現(xiàn)抽油桿的上下往復運動。在此過程中，齒條向下運動，也就是下沖程時，超級電容利用抽油桿的自重，向下運動時所產(chǎn)生的除去摩擦阻力等損耗的能量通過充放電電線全部儲存到超級電容。在上沖程時，超級電容再次通過充放電電線釋放儲存的能量，減少電機的電力，從而節(jié)省能量起到了平衡重的作用。從網(wǎng)上，圖書中查閱資料根據(jù)實際情況綜合考慮，最終選擇使用UCE15V80000A系列工業(yè)超級電容。5.2超級電容的特點充電速度快，充電10秒～10分鐘可達到其額定容量的95%以上；循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達1~50萬次，沒有“記憶效應”；大電流放電能力超強，能量轉換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率≥90%；功率密度高，可達300W/KG~5000W/KG，相當于電池的5~10倍；產(chǎn)品原材料構成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源；充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護；超低溫特性好，溫度范圍寬-40℃～+70℃；檢測方便，剩余電量可直接讀出；容量范圍通常0.1F--1000F。法拉（farad），簡稱“法”，符號是F1法拉是電容存儲1庫侖電量時，兩極板間電勢差是1伏特1F=1C/1V1庫侖是1A電流在1s內(nèi)輸運的電量，即1C=1A·S。1庫侖=1安培·秒1法拉=1安培·秒/伏特電瓶（蓄電池）12伏14安時的放電量=14*3600/12=4200法拉(F)地球的電容值僅有1-2F左右超級電容與電池比較，有如下特性：圖5-1超級電容a.超低串聯(lián)等效電阻（LOWESR），功率密度(PowerDensity)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上）。b.超長壽命，充放電大于50萬次，是Li-Ion電池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年。c.可以大電流充電，充放電時間短，對充電電路要求簡單，無記憶效應。d.免維護，可密封。e.溫度范圍寬-40℃～+70℃，一般電池圖5-2超級電容的實際應用6.剎車綜合考慮到齒輪齒條抽油機的優(yōu)缺點和實際的裝置位置關系等。決定在此裝置中在齒條上采用了擋板的設置，在齒條的下端增加了一個擋板裝置。圖6-1齒條在外殼中也同樣在齒輪齒條傳動的下方裝置了擋板，如圖1所示，這樣在抽油過程中，上沖程時，齒輪從齒條的頂端開始轉動，齒條向上運動，在實現(xiàn)了8m沖程的前提下，為不致使齒條繼續(xù)向上，超出沖程，破壞裝置等，齒條下端的擋板和外殼內(nèi)的擋板相干涉，保證正常運轉，間接起到了剎車的作用。同樣的，在下沖程時，齒輪帶動齒條向下運動，在完成規(guī)定的沖程后，齒條下端的擋板與外殼的下端蓋相碰撞，阻止齒條超出指定路線，從而間接實現(xiàn)了剎車的作用。保證抽油過程中齒條在規(guī)定的路線正常運轉，而不超出軌道，在此裝置中，齒條的兩側設計兩部分來進行導向，同時在外殼上也相應的設計兩條軌道，從而使齒條的兩側部分進入軌道，這樣在運作過程中，齒條便可以在指定的軌道中運轉，最終實現(xiàn)正常運轉。如圖1所示，齒條中間的兩條線便是導向的兩部分。7.經(jīng)濟性評估與常規(guī)抽油機相比本抽油機有以下優(yōu)點：1.它的實際沖程長度減少的比率較小，有利于提高采油效率和降低采油，長沖程抽油機具有一定的節(jié)電效果，其節(jié)電率一般都在10%～40%之間。成本。2.抽油泵的沖程長，可達10～30m，沖次低，使其壽命提高。3.排量穩(wěn)定，動載荷小，事故少，運轉平穩(wěn)，抗疲勞性好，平衡效果好具有較好的適應性能。4.重量輕，具有更好的技術-經(jīng)濟指標。5.用碳纖維代替了一部分鋼制抽油桿，與后者相比碳纖維桿耐腐蝕強度高，抗疲勞性好,重量輕的優(yōu)點。但碳纖維桿只能受拉力不能受壓。綜上所述可見，齒輪齒條抽油機具有減小沖程損失、提高系統(tǒng)效率、延長機桿泵使用壽命、減少故障及提高整機運行質量等優(yōu)點。因此，發(fā)展長沖程抽油機對當前老油田高含水井后期的開采減緩產(chǎn)量遞減速度，開采稠油、低滲透等油田的“難動用儲量”，以及沙漠油田深井及超深井的機械開采等，都是有一定的現(xiàn)實意義的。近幾年來，我國油井數(shù)量急劇增多，用常規(guī)游梁抽油機開發(fā)稠油，采油量、泵效、耗能、采油成本等各項技術—經(jīng)濟指標較差，因而阻礙了常規(guī)游梁抽油機的技術發(fā)展。為更經(jīng)濟、更合理地開發(fā)我國稠油資源，必須大力開發(fā)我國的無游梁長沖程抽油機。我國東部油田大部分已進入三期采油，低壓油井增多，西部油田大部分為沙漠深井、超深井，鄂爾多斯盆地也多為低滲油井，這些井的陸續(xù)增多使長沖程抽油機顯得尤為重要，另外本抽油機還適用于稠油的開采。目前我國的長沖程抽油機還不能完全滿足我國油田開采的需要，長沖程抽油機正處于發(fā)展階段，品種與規(guī)格不全，使用數(shù)量不多。因此需要大力發(fā)展新型長沖程抽油機。齒輪齒條抽油機簡單的設計，直接驅動，已安裝，便捷，高效環(huán)保等多項優(yōu)點使得本抽油機有很大的潛力和很好的市場前景！8.設計小結本次設計的主要任務是新型傳動抽油機的設計與分析。通過這次畢業(yè)設計，鞏固和加強了以前所學過的理論知識，對傳動裝置的設計有了較深刻的認識和了解，同時對整體機械設計的基本方法也有了進一步的了解。具體工作情況總結為以下幾點：由于抽油機的沖程為8m，齒輪齒條傳動，使用正反轉電機，抽油機必須可以實現(xiàn)無級變速，又因為超長沖程抽油機抽油時齒條要正反轉交替上下進行。為了穩(wěn)定方面，我選用KCT系列變頻調速電機，此電機可以實現(xiàn)50～1500r/min之間轉速的調節(jié)，并且可以實現(xiàn)頻繁的正反轉，為了速度穩(wěn)定期間，再在電機出口加上一個變頻調速器，穩(wěn)定輸出速度。傳動裝置的設計采用一級斜齒圓柱齒輪傳動。減速器結構選用展開式，因為根據(jù)要求輸出軸的轉速為68r/min，載荷為60KN，所以其承載能力和速度均符合要求、傳動比恒定我選取傳動比i1=4.5.因為選用KCT系列電機后又采用了變頻調速器調節(jié)速度，所以工作可靠、效率高、壽命長,基本符合要求.傳動過程為純機械傳動,主要裝置的強度經(jīng)過校核，可達到要求。3，計算時，井深為2500m，平衡重不要求常規(guī)的設計,使用超級電容。確定選用KCT180L-1000變頻調速電機。齒輪半徑根據(jù)參考文獻選取半徑為75mm。然后計算減速器具體數(shù)值。最后對輸出軸進行強度校核，滿足要求。9.參考文獻[1]李君勤．從國外有桿抽油設各現(xiàn)狀談國產(chǎn)設備的發(fā)展．見：石油工業(yè)機械科技情報協(xié)作組編．石油機械技術水平調研報告集．1987,110—120[2]萬邦列.采油機械的設計計算.北京：石油工業(yè)出版社，1994.[3]趙祉友.超長沖程碳纖維連續(xù)抽油桿采油系統(tǒng)的優(yōu)化設計和仿真.西安：西安石油碩士論文,2006.5[4]成大先.機械設計手冊（第五版）第4卷.北京：化學工業(yè)出版社,2008.[5]西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教研室,機械設計（第八版）.北京：高等教育出版社,1998.[6]駱素君機械設計課程設計實例與禁忌.北京：化學工業(yè)出版社,2009.5[7]吳宗澤主編.機械設計實用手冊（第二版）.化學工業(yè)出版社2003.10.[8]華東石油學院．美蘇抽油設備的現(xiàn)狀與動向．石油鉆采機械通訊，1977，(1)：35—47[9]董奇形．對發(fā)展我國石油鉆采設備的幾點意見．石油礦場機械，1990，19(6)：L一[10]張自學等編．國內(nèi)外新型抽油機?．北京：石油工業(yè)出版社，1994：55-59．[11]張連山．我國抽油機的發(fā)展趨勢?．鉆采工藝，l