135动力水龙头的设计

精品资料，值得下载学习！ 135 动力水龙头的设计 摘 要 : 在国内外，动力水龙头是一种常见的石油钻井修井设备。与 机械转盘相比，动力水龙头具有很多优势。国外在 20 世纪 50 年代就积极开展这种水龙头的研制，近年来，随着修井机得更新换代和装备水平的提高，动力水龙头的使用范围不断扩大，在修井钻井中得到了广泛的应用，因此无论从理论还是实践以及实用性来说，研究135 动力水龙头这个课题都有较大的意义，对水龙头这个系列也是一个有益的补充。动力水龙头主要由水龙头本体，减速器，液压马达等组成。 本次设计综合运用机械设计、机械制图、机械制造基础、 金属材料与热处理、公差与技术测量、理论力学、材料力学、机械原理、计算机应用基础以及工艺、夹具等基础理论、工程技术和生产实践知识。按机械设计的一般程序、方法、设计规律、技术措施，并与生产实习相结合，分析和解决一般工程实际问题的能力。 关键词 ： 石油钻井修井设备；水龙头本体；减速器；液压马达 精品资料，值得下载学习！ 35 At is a 50 in 0th to in to of of in 35 a on of is a by is of of of A of of a a 品资料，值得下载学习！ 目 录 1 绪论 . 1 毕业设计（论文）的目的及意义 . 1 课题的意义 . 1 国内外研究现状 . 1 本课题的意义、研究方法、理论依据 . 2 毕业设计（论文）构成及主要研究内容 . 2 2 动力水龙头的原理及功能 . 3 动力水龙头的功用与使用要求 . 4 动力水龙头的工作原理及系统组成 . 4 3 动力水龙头参数 . 6 3 动力水龙头参数 . 6 动 力水龙头的技术性能参数的确定 . 6 传动系统方案的拟定 . 6 液压马达的选择 . 7 4 齿轮的设计计算 . 9 齿轮传动设计 . 9 齿轮的设计及校核 . 9 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 . 9 按齿面接触强度设计 . 9 按齿根弯曲强度设计 . 11 几何尺寸计算 . 12 5 轴的设计 . 13 初步确定小齿轮轴的最小直径 . 13 大齿轮轴（中心管）的设计 . 14 小齿轮轴轴强度的校核 . 15 大齿轮轴轴强度的校核 . 15 6 滚动轴承的选择 . 17 小齿 轮轴滚动轴承的选择 . 17 大齿轮轴上滚动轴承的选择 . 17 选择主轴承型号并保证其额定静载荷 . 18 选择防跳轴承 和防跳轴承型号 . 18 7 键联接的选择及校核计算 . 20 大齿轮轴上键联接的选择 . 20 小齿轮轴上键联接的选择 . 20 液压马达轴上键联接的选择 . 21 8 水龙头本体零部件设计计算 . 22 壳体 . 22 提环 . 22 提环销 . 22 9 使用说明 . 24 使用 . 24 润滑 . 24 精品资料，值得下载学习！ 维修及保养 . 24 贮存和运输 . 26 10 设计总结 . 27 参考文献 . 29 致谢 . 31 附录 1：文献综述 . 32 附录 2：技术经济性分析 . 33 精品资料，值得下载学习！ 1 绪论 毕业设计（论文）的目的及意义 本次毕业设计所设计的 135 动力水龙头，完成动力水龙头装置中减速器装配图，零件图设计及主要零件的工艺，工装设计。综合应用机械设计，机械制图，机械制造基础，金属材料与热处理，公差与技 术测量，理论力学，材料力学，机械原理。掌握机械设计的一般程序，方法，设计规律，技术措施，并与生产实习相结合，培养分析与解决一般工程实际问题的能力，具备了机械传动装置，简单机械的设计和制造能力 . 课题的意义 在国内外，动力水龙头是一种常见的石油钻井修井设备。与 机械转盘相比，动力水龙头具有很多优势。国外在 20世纪 50年代就积极开展这种水龙头的研制，近年来，随着修井机得更新换代和装备水平的提高，动力水龙头的使用范围不断扩大，在修井钻井中得到了广泛的应用，因此无论从理论还是实践以及实用性来说，研究 135 动力水龙头这个课题都有较大的意义，对水龙头这个系列也是一个有益的补充。同时，作为一个西安宇星公司所委托的课题，通过对它的研究设计，我可以较好的理论联系实践，使设计更具实用性和经济性。在这个过程中，我的实践能力和对知识的理解与总结也必然会有一个较大的提高，让自己在未来的工作中更好地接受挑战，为企业的发展，为国家的富强奉献一份微薄的力量。 动力水龙头是石油天然气工业井修作业的主要设备之一，动力水龙头的设计、制造按照 210 A 进行，动力水龙头的主要参数包括：型号、最大负荷定 额值，工作载荷、工作压力、中心管内径等。 135 动力水龙头 具有以下特点： 1： 安装使用方便。 2：采用液压驱动，主轴运动平稳，输出扭矩大。 3：能够为套铣磨铣作业等修井作业提供合适的转速和扭矩 。 4：更换盘根时，不必拆卸动力水龙头本体。 国内外研究现状 动力水龙头装置是一种从 20 世纪 40 年代开始出现发展的石油钻井修井设备。早期（ 1948 年）的动力水龙头多采用齿轮泵，叶片泵和马达，应此系统压力小，输出扭矩有限，多用于修浅井或简单的旋转修井作业。 过后， 两种很具代表性的动 力水龙头出现了。它采用柱塞式液压马达，系统压力达到了 3000动力水龙头装置输出扭矩得到了提高。再之后 升级机型更使系统压力达到了 35000是设计还有一个明显的缺陷，那就是采用了柱塞变量泵后的液压系统抗污染能力差，现场使用中往精品资料，值得下载学习！ 往因为液压油的污染而造成设备故障。 此外，动力水龙头在不断向顶部驱动装置发展 ,司在力水龙头基础上开发了小型液压顶驱加上收购的 司的顶驱装置已经覆盖了所有顶驱型号。 司也 已自己的动力水龙头技术为主，积极开发小型液压顶驱。这种发展趋势一方面表明动力水龙头装置向复杂化高端化发展，另一方面反映出是有工程技术方面的需求和市场状况。 动力水龙头装置经历 60 多年发展，在现场使用中仍有很强的生命力。如司除生产 列水龙头外，至今仍向全球提供各种动力水龙头配件和维护服务。在国内，动力水龙头装置的发展也十分迅速。随着国内企业水平的提高和海外市场的开拓对动力水龙头装置的需求量水平也越来越大，对它的要求特越来越高。 动力水龙头装置 在往届学生并没设计过，此次我在 135 水龙 头的基础上，根据水龙头在操作过程中的不足之处进行改进，由于水平有限，该设计很多不足之处，希望大家能够多多指点。在设计的过程中得到了老师和西安宇星公司的大力帮助。在这里我要特别感谢老师和西安宇星公司的帮助。 本课题的意义、研究方法、理论依据 研究方法 ： （ 1） 首先了解 动力水龙头装置 的工作原理、结构特点， （ 2） 通过对 动力水龙头 原理的分析，并进行受力分析，推导参数的运动学方程； （ 3） 对 135 动力水龙头 零部件进行结构设计； （ 4） 对 135 动力水龙头 进行整体设计和组装，并分析其可行性； 动力水龙头的原理：动力水龙头是在水龙头本体上加一个液压马达通过一对直齿轮副实现减速，使中心管获得一定范围内的转速和扭矩输出，驱动钻具进行进行钻，磨，铣，套等的钻水泥塞，侧钻，套铣，切割管柱等作业。 毕业设计（论文）构成及主要研究内容 本论文设计需要解决的重点问题就是如何设计 动力水龙头 的结构，使 动力水龙头 的结构合理，很好的应用于井下作业工作。 主要包括： （ 1）认真查阅、收集有关 动力水龙头 的中外文资料，深刻理解论文所要设计的内容，在此基础上完成设计方案； （ 2）掌握 动力水龙头 的工作原理及其用途； （ 3）针对修井环境特点，设计 135 动力水龙头 的关键结构和计算方法； （ 4）完成 135 动力水龙头 总体方案设计和主要性能参数进行校核； （ 5）完成 135 动力水龙头 的结构设计 。 精品资料，值得下载学习！ （ 精品资料，值得下载学习！ 2 动力水龙头的原理及功能 动力水龙头的功用与使用要求； 在修井过程中， 动力水龙头 要完成如下工作： （ 1） ： 转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要的转速； （ 2）：下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱或钻柱重量； 动力水龙头用于油气井的大修作业，是 100 吨以下中深井修井机旋转作业中的主要部件，由于钻进时水龙头下边悬挂钻柱，泥浆系统通入高压系统，水龙头既承受来自整个钻柱向下的轴向负荷，钻头钻进时向上的冲击负荷，中心管旋转的循环负荷，还要承受高压泥浆的 内压，其工作条件十分恶劣。 为保证 水龙头 能实现上述功能，正常运转，这就要求： 1）、 水龙头 的主轴承有足够的强度和寿命，保证承受最大井深时的套管柱或钻柱重量，寿命不低于 3000h； 2）、 水龙头 能传递足够大的扭矩； 3）、密封性好，以防止泥浆、油水污液渗入。 动力水龙头的工作原理及系统组成； 工作原理； 动力水龙头是在水龙头本体上加一个液压马达通过一对直齿轮副实现减速，使中心管获得一定范围内的转速和扭矩输出，驱动钻具进行 进行钻，磨，铣，套等的钻水泥塞，侧钻，套铣，切割管柱等作业。 主要系统组成 ； 1： 水龙头本体主要由提环、壳体、支架、鹅颈管、中心管、轴承、接头以及盘根装置等零部件所组成。 提环由两个提环销与壳体连接，它使水龙头悬挂在大钩上。 壳体内装有承受全部钻杆重量的主轴承，壳体的上部和下部分别装有支架和轴承盖，外侧面装有缓冲垫，以保护壳体免受撞击。 支架内装有一只扶正轴承和两个油封，两油封安装方向相反，以避免壳体内的油泄漏和外部的泥浆及其它脏物的侵入。支架上加工了一个螺孔，用它安装油标尺，标座上加工有一个折角孔，当水龙头壳体内产生气压时，就会从此孔自动排出，旋下油标尺时，可向水龙头壳体内加油。支架顶 部法兰面上固定有鹅颈管，鹅颈管的一端与盘根装置相连，另一端顶部通过油壬接头与水龙头带连接。 水龙头底部轴承盖内装有一只扶正轴承，它的下部也装有两个油封，安装时，两只油封唇口全部向上，用以密封壳体内的油液。 中心管是一个中空零件，上端与盘根装置连接，下端与接头连接，中部坐于主轴承上，并依靠由支架和轴承盖内的轴承给予扶正定位，调整支架与壳体间的调整垫数量，可控制中心管的轴向窜动量，中心管的上端装有橡皮伞，用以防止精品资料，值得下载学习！ 泥浆侵入壳体内。 盘根装置置于中心管与鹅颈管之间，分别用冲管上、下螺母与它们连接，形成泥浆通道。该装 置是密封高压泥浆的重要部件，采用的自封式密封和快速装卸结构。 2：减速器 通过减速器使转速减小，以适应中心管转速。 3：液压系统 液压马达；是 动力水龙头 的动力来源， 由液压能转化为机械能，而液压能由整个钻修井系统提供，设计动力水龙头时不予考虑。 精品资料，值得下载学习！ 3 动力水龙头参数 动力水龙头的技术性能参数的确定 1）、中心管内径：中心管内径是动力水龙头主要几何参数。 2）、最大静载荷： 水龙头 上能承受的最大重量，应与钻机的最大钩载相匹配。该载荷经转台作用到主轴承上，因此，决定着主轴承的规格。 3）、最大工作扭矩：动力水龙头在最低工作钻速时应达到的最大工作扭矩，它决定着 动力水龙头 的输入功率及传动零件的尺寸。 4）、最高转速：动力水龙头在轻载荷下允许使用的最高转速，一般规定为小于 300r/ 5）、工作压力：管内泥浆的压力。 根据中华人民共和国石油天然气行业标准 210 A 石油钻机和修井用动力水龙头中规定 135 吨动力水龙头基本参数如下： 中心管内径： 54大静载荷： 1350大工作扭矩： 速： 100r/作压力： 35管内径： 54传动系统方案的拟定 （ 1）首先了解 动力水龙头 的工作原理、结构特点， （ 2）通过对 动力水龙头 原理的分析，并进行受力分析，推导主要参数的运动学方程； （ 3）对 动力水龙头 零部件进行结构设计，选择合理的液压系统； （ 4）对 动力水龙头 整体结构设计； （ 5）在理解的基础上，制定传动系统方案； 精品资料，值得下载学习！ 减速器传动系统方案如上图。 动力水龙头 是由液压马达驱动。液压 马达通过联轴器联接，将动力传入减速器，再经齿轮传到中心管连接钻杆工作。传动系统采用一级展开式圆柱齿轮减速器，其结构简单，齿轮相对轴承位置对称，高速级和低速级都是直齿圆柱齿轮传动 液压马达的选择 这一功率由 液压马达 带动减速器来实现，则传动装置的总功率 ： a= 1 2 3 n 其中： a、 1、 2、 3、 n 分别为每一传动副（齿轮），每对轴承每个联轴器的效率。 传动副的效率数值可以按表选取，轴承和联轴器的效率数值为： 滚动轴承的传动效率： 轮得传动效率： 性联轴器的传动效率： 轮齿条的传动效率： 动机到光杆负载传动机构的传动效率： 精品资料，值得下载学习！ = 1 2 3 4 = 其中： 1 、 2、 3 、 4 、分别为轴承，齿轮传动 ，轴承，联轴器和的传动效率。 2 10082 i 111 1 8 0 0 0 1 0 0 1 8 8 . 8 49 . 5 5 9 . 5 5 1 0 W 根据工作条件， 选用 压马达的参数 额定转矩； 作压力： 22统流量： 4274L/大转速： 180r/过计算得出： 145i 2 1 4 5 / m 2 1 3 4 5 5 1 4 52 2 0 4 . 2 9 19 5 5 0 9 5 5 0 W 精品资料，值得下载学习！ 4 齿轮的设计计算 齿轮传动设计 由已知方案，选用单级 直齿圆柱 齿轮传动。 齿轮材料及参数： 小齿轮材料： 40质， 80齿轮材料： 45钢 , 调 质， 40齿轮的设计及校核 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 减速器工作速度不高，载荷一般，故选用 7 级精度 选用直齿圆柱齿轮。 材料选择选小齿轮材料为 40质），硬度为 280齿轮材料为45 钢（调质），硬度为 240者材料硬度差为 40 选小齿轮的齿数为 24，大齿轮的齿数为 24 35 按齿面接触强度设计 由设计计算公式 （ 4 8）进行计算，即 3 211 )(13 （ 3 1） （ 1） 确定公式内的各计算数值 试选载荷系数 。 计算小齿轮传递的转矩。 1 1 3 4 5 5T N m 选取齿宽系数 1d 。 查的材料的影响系数为 。 按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限为li m 1 600H M P a ；大齿轮 的接触疲劳强度极限li m 2 550H M P a 。 计算应力循环次数。 8116 0 6 0 1 4 5 1 ( 2 8 2 4 3 0 0 1 5 ) 4 . 6 1 0hN n j L 8 824 . 6 1 0 3 . 1 7 1 01 . 4 5N 接触疲劳强度系数1 ；2 。 精品资料，值得下载学习！ 计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，计算有 M P 1l i （ 3 2） M P 2l i （ 2） 计算 计算小齿轮分度圆直径入 H 中较小的值。 322112 1 2 1 . 6 1 6 8 3 . 9 1 0 4 2 . 4 3 3 1 8 9 . 8( ) ( ) 3 6 5 . 1 7 41 1 . 6 5 3 5 2 2 . 2 5Et m （ 3 3） 计算圆周速度 v 。 11 3 6 5 . 1 7 4 1 4 5 2 . 7 7 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s （ 3 4） 计算齿宽 b 。 1 1 3 6 5 . 1 7 4 3 6 5 . 1 7 4d m m （ 3 5） 计算齿宽与齿高直逼 模数 113 6 5 . 1 7 4 1 5 . 2 1 624m （ 3 6） 齿高 2 . 2 5 2 . 2 5 1 5 . 2 1 6 3 4 . 2 3 5th m m m （ 3 7） 3 6 5 . 1 7 4 1 0 . 6 73 4 . 2 3 5 计算载荷系数。 根据 v m s ， 7级精度，查的动载荷系数 ； 直齿轮， 1 K;使用系数为 ； 用插值法查的 8级精度，小齿轮相对支撑非对称布置时， 。 由 ， 查得 ，故载荷系数 1 . 8 5 1 . 0 8 1 1 . 3 8 3 2 . 7 6 3A v H K K K （ 3 8） 按实际的载荷系数校正算得的分度圆直径， 3311 2 . 7 6 33 6 5 . 1 7 4 4 6 9 . 5 1 11 . 3d m （ 3 9） 计算模数 m 4co （ 3 10） 精品资料，值得下载学习！ 齿根弯曲强度设计 弯曲强度设计公式为 3 211 )(2（ 3 11） （ 1）确定公式内的各计算数值 差得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 001 ；大齿轮的弯曲强度极限802 ； 弯曲疲劳寿命系数 计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 S= M P 111 M P 222 计算载荷系数 K。 1 . 8 5 1 . 0 8 1 1 . 3 3 2 . 6 6A v F K K K 查取齿形系数。 1 ；2 ； 查取应力校正系数。 1 ；2 ； 计算大、小齿轮的 加以比较。 1112 . 6 5 1 . 5 8 0 . 0 1 3 7 9 3 0 3 . 5F a S 2222 . 4 5 1 . 4 5 0 . 0 1 6 9 2 2 3 8 . 8 6F a S （ 2） 设计计算 73 22 0 4 m m 对此计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 于齿轮模数 齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数 就近圆整为标准值 m=16接触强精品资料，值得下载学习！ 度算得的分度圆直径 1 3 6 5 4d m m ，算出小齿轮齿数 11 3 6 5 . 1 7 4 2316dz m 取 z=20 大齿轮齿数 2 2 3 1 . 4 5 3 4z 几何尺寸计算 （ 1） 计算分度圆直径 11 2 3 1 6 3 6 8d z m m m m m 22 3 4 1 6 5 4 4d z m m m m m （ 2） 计算中心距 12 3 6 8 5 4 4 45622m m m m （ 3） 计算齿轮宽度 1 1 3 6 8 3 6 8db d m m m m 取 2 368B ， 1 373B 精品资料，值得下载学习！ 5 轴的设计 初步确定小齿轮轴的最小直径 先按式 30333 0 00 0 5 00 0 0 d 初步估 算轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢，调质处理。根据表 150A=100，于是得 1 33m i n 012 0 4 . 2 9 11 0 0 1 0 3 . 1 1145 m 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径 21d 。为了使所选的轴的直径 21d 与联轴器的孔径相适应，故需同时选 取联轴器型号。 按照计算转矩标准 5014手册，选用 缘联轴器，其公称转矩为 14000N 65取 =110联轴器长度 L=167联轴器与轴配合的毂孔长度 1L =100 小齿轮轴第一阶段直径为 110度 180二阶段直径为 120度 250轮轴第三阶段直径为 130度 370阶段是轴与齿轮连接处。，齿轮轴第四阶段直径为 150度 10 轮轴第五阶段直径为 130度 80 精品资料，值得下载学习！ 大齿轮轴（中心管）的设计； 轴的材料选用 42结构见下图： 图，大齿轮轴 初步确定轴的最小直径； 现初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 35式得； 13 3m i n 0 4 41 1 8 8 . 4 88 0 1 0 1 . 3 7(1 ) 1 0 0 1 0 . 5 m 精品资料，值得下载学习！ 即右端第一阶段锥度 1： 6 长度 05度 810轮轴第三阶段直径为 110度 375阶段是轴与齿轮连接处。，齿轮轴第四阶段直径为 150度 20 轮轴第 0五阶段直径为 110度 325轮轴第六阶段 4 为 170度 20 轮轴第七阶段直径为 250度100轮轴第 60度 80轮轴第九阶段直径为 135度 30小齿轮轴轴强度的校核： 中点分度圆的切向力 32 2 1 3 4 5 5 1 0 2 0 5 . 7 7130t 径向力 c o sc o s 2 0 5 . 7 7 2 0 c o s 2 3c o s 0 算最大弯矩 6 8 . 5 0 . 2 2 1 5 . 0 7M K N 照弯扭组合情况进行校核 22223()1 0 1 5 . 1 8 ( 0 . 6 1 3 4 5 5 )0 . 0 4 5134料为 45钢，许用应力为 =173 度校核合格。 大齿轮轴轴强度的校核 中点分度圆的切向力 2 2 0 0 0 1 8 0 0 0 3 0 1 . 5110t 径向力 c o sc o s 3 0 1 . 5 2 0 c o s 2 0c o s 0 品资料，值得下载学习！ 计算最大弯矩 9 7 . 3 0 . 2 2 2 2 . 8 2M K N 照弯扭组合情况进行校核 22223()1 0 2 2 . 8 2 ( 0 . 6 1 8 0 0 0 )0 . 0 5 52 3 8 M p 材料为 42用应力为 =300 度校核合格。 拉伸强度校核 2213500002 2 6 . 21(1 0 5 2 7 )42 3 8 M p A中心管的材料为 42 19 0 0 3 0 03 M P A 中心管相当与一个液压缸 0 . 4( 1 )2 1 . 3d ：外径 钢桶实验压力当缸内压力为 35 16 ；缸筒材料许用压力， /5b 得出 2 3 8 1 5 3M P A M P A ,校核合格。 精品资料，值得下载学习！ 6 滚动轴承的选择 小齿轮轴滚动轴承的选择 采用两端固定式轴承组合方式，上轴承类型为深沟球轴承，轴承寿命取 = 45000 h， 有以上计算结