8型碳纤维连续抽油杆作业车起下夹持装置的毕业论文.doc

目 录1 绪论11.1 连续抽油杆作业车的发展背景11.1.1 连续抽油杆的应用情况11.1.2 作业车基本功能结构51.1.3 碳纤维连续抽油杆作业车的应用前景51.2 碳纤维连续抽油杆的特点及应用前景51.2.1 碳纤维连续抽油杆的发展历史51.2.2 碳纤维连续抽油杆的结构、特点及应用前景62 碳纤维杆作业车夹持装置方案对比分析92.1 动力方案对比92.1.1 动力源选择92.1.2 动力方案对比92.2 夹紧方案对比分析92.2.1 双油缸夹紧102.2.2 单缸夹紧102.3 本设计所采用的方案112.3.1 本设计的工程背景：112.3.2 本设计拟定的初步方案113 碳纤维杆作业车夹持装置设计分析123.1 夹持装置的工作原理123.2 链传动设计133.2.1 夹持块整体结构受力分析133.2.2 链条设计143.2.3 链轮设计153.2.4 链传动的张紧与润滑163.3 齿轮组设计163.3.1 齿轮扭矩173.3.2 弯曲疲劳许用应力173.3.3 齿高比173.3.4 载荷系数183.3.5 齿形系数183.3.6 比较选择系数183.3.7 齿轮尺寸计算183.3.8 齿轮的校核193.4 主动链轮轴设计203.4.1 基本参数203.4.2 链轮上的力203.4.3 初步确定轴直径203.4.4 主动链轮轴结构设计203.4.5 轴受力分析简图223.4.6 求轴上载荷223.4.7 按弯扭合成应力校核轴的强度243.5 液压马达选择253.5.1 液压马达功率253.5.2 液压马达转速263.5.3 液压马达扭矩263.5.4 液压马达选择263.6 液压缸选择263.6.1 夹紧液压缸263.6.2 张紧液压缸273.6.3 缸体材料及固定283.7 夹持块支架设计283.7.1 夹持块轴承的选用293.8 起杆缠绕器单元的横、纵向位移293.9.1 横向位移303.9.2 纵向位移303.10 碳纤维连续抽油杆作业车下放作业的平衡设计31经济性评价34结 论35参考文献36致 谢381 绪论1.1 连续抽油杆作业车的发展背景1.1.1 连续抽油杆的应用情况 1962年美国 Bowen Tool公司制造了首台连续油管作业车(Coiled Tubing Unit，CTU)，叫做“ 连续油管轻便修井机”，并用于墨西哥湾岸区用做油井冲洗砂堵试验，当时所用的 C连续油管外径为 33 . 4 mm。此后，开始有各式各样的连续油管作业车在油气田作业。CTU可分为常规型和复合型 2种型式，以适应不同的作业用途、工况和道路条件的要求，其中，常规型主要有拖车式、车装式、橇装式 3种型式。前 2种用于陆上，后者主要用于海洋。复合型 CTU可用 CT和钻杆柱进行作业。此外，一些专用连续油管设备的相继问世，如处理大直径连续油管完井管柱的连续油管完井作业机、能够操作连续油管和接头连接管柱的连续油管钻井作业机、湖泊和沼泽地区使用的驳船式作业机、北极地区使用的全封闭式作业机等 , 使得地面设备的品种和型式更加丰富。图 1至图 6展示了几种典型的地面设备，其中图 1所示的车装式连续油管作业机结构相对较为简单，移运方便灵活，适合我国的道路和井场条件，较小直径的连续油管作业设备通常采取这种结构形式； 图 2所示的拖车式连续油管作业机将各个工作机构集中布置在拖车上，采用通用的牵引车移运，适合较好的道路和井场条件，较大直径的连续油管作业设备通常采取这种结构形式；图 3所示的橇装式连续油管作业机采用模块化结构形式，根据连续油管作业机的机构特点，将其主要部件划分为合适的模块，因此制造相对较为简单，用于海上平台的连续油管作业设备通常采用这种结构形式； 图 4和图 5所示的自带吊车和井架的连续油管作业机结构较为复杂，其突出特点是，作业时不需要另外的起吊设备，但移运时对道路和井场条件的要求较高； 图 6所示的专用连续油管钻井装备结构齐全而复杂，造价昂贵，移运困难，其突出的结构特点是，这种装置将 CT滚筒置于注入头上方，作业时，省去了注入头的导向器，消除了因导向器引起的 CT弯曲和疲劳破坏，因此能大大提高 CT的使用寿命。图1-1 车装式连续油管作业机图 1-2 拖车式连续油管作业机图1-3 橇装式连续油管作业机图1-4 拖车带吊车式连续油管作业机图1-5 拖车带井架式连续油管作业机美国 Hydra Rig公司研制的复合型 CTU，除了配备常规 CTU外，还装备有钻台、天车、井架、游车、液压大钳等，注入头、导向器与控制室置于钻台上， 采用自动控制技术、传感技术和数据采集系统，对整套装备实施全面监控，具有自动司钻功能。加拿大 Dreco公司开发的用于北极或沙漠地区使用的 CTU，安装在该公司制造的重型自走式车上。该型 CTU适合于 -45+45 的环境下作业，各部件封装在防碰框架结构内，液压动力系统采用封闭和隔音结构。 图1-6 专用连续油管钻井装备我国引进和利用连续油管作业技术始于 20世纪70年代。1972年，我国引进了第一台波恩公司生产的连续油管作业车。国内开展连续油管技术与装备的研究与开发始于 20世纪 90年代初，主要由中国石油集团科学技术研究院江汉机械研究所承担。至今，国内共引进连续油管作业车已超过29台，主要分布在大庆、 四川、 吉林、 吐哈、 塔里木等油田。海洋上使用的也有少数几台。2006年长庆石油勘探局井下处从美国引进的一套连续油管作业车于同年 5月 3日正式投入靖边气田施工，作业深度 4500 m,主要用于抽吸，气举、冲砂、排液等施工，这套设备的引进，不但对提高生产时效起到不可低估的作用，还大大减轻了员工劳动强度。我国的江汉机械研究所、中国石油大学、西安石油大学均对连续油管作业车及配套装置进行过理论研究，并取得一定进展，但受制造工艺局限，仍然不能满足现场要求。胜利机械厂试组装了一台连续油管作业车，其注入头、滚筒等主要部件均是从大庆油田 80 年代进口的一台连续油管作业车上拆装的。我国已研制成功了三种碳纤维抽油杆作业设备，应用效果较好。胜利石油管理局工程机械总厂根据该厂第一代碳纤维抽油杆作业设备的不足，研制了第二代全液压、智能控制作业设备。该作业设备具有起下井速度快、安全、可靠、具有起下加重杆的功能，并能对起下井作业的大部分功能进行智能化控制；具有数据显示、计算、存储、全程录像等功能；整个系统安装在66越野车底盘上，其越野性、机动性很好。西安石油大学研制了一种将杆柱起升(下放)与杆柱缠绕分别驱动的新型碳纤维连续抽油杆作业车。这种作业车采用全液压控制，引入了智能控制技术进行作业过程的监控，包括作业参数(悬重、杆长等)数字化测量显示、扶正器安装位置自动控制、安全操作自动报警等，针对作业车对中井口难的实际情况，将起升(下放)装置和缠绕盘设计成可移动式；其主要特点是:起升(下放)载荷能力大，起升(下放)作业时杆柱受力状况改善，杆柱缠绕盘负载扭矩大幅降低，作业过程自动化程度高、速度快,设备对井场环境的适应性强，易损件少，便于维修，兼顾杆的运输和作业两项功能，减少设备投资，持续作业时间长。尤其在这一技术中的产品性能、节能效果，与国外的专用作业车比较有一定的优势，显示出了其大面积推广的巨大经济价值。1.1.2 作业车基本功能结构碳纤维连续抽油杆作业车是可移动式液压驱动的连续碳纤维抽油杆的起下、运输设备。作业车采用全液压控制，引入了智能控制技术进行作业过程的监控，作业车主要包括缠绕盘单元、光杆起升单元、碳素杆起升单元、液压控制单元、测控单元。作业车单元主要给车上的作业设备提供原动力并承担全套作业设备的运输工作；缠绕盘单元主要承担碳素杆的缠绕工作；光杆起升单元主要承担光杆和加重杆的起下作业工作;碳素杆起升单元主要承担碳素杆的起下作业工作；液压控制单元主要为碳素杆起升单元、光杆起升单元、缠绕盘单元提供液压动力并承担上述三个单元的控制工作；测控单元完成主要作业参数(下泵深度、悬重、工作液温度、压力等)的测试功能。1.1.3 碳纤维连续抽油杆作业车的应用前景我国目前碳纤维连续抽油杆作业车数量较少，但其应用需求很大，因此其应用前景很好，具有很好的市场开发价值。1.2 碳纤维连续抽油杆的特点及应用前景 1.2.1 碳纤维连续抽油杆的发展历史为了克服普通钢抽油杆质量大、耗能高、失效频繁、活塞效应大、起下作业速度慢、易偏磨的缺点，20 世纪 80年代初美国利用独特的航空航天材料和工程技术，开始研制碳纤维抽油杆。经过10多年的努力，于90年代初研制成功碳纤维抽油杆、专用的油井作业设备和碳纤维抽油杆 钢抽油杆混合抽油杆柱设计软件，并进行了矿场试验，试验效果较好。 我国从1999年开始研制碳纤维抽油杆，现有四个制造厂：胜利石油管理局工程机械总厂、龙口博德复合材料有限公司、山东东辰集团碳纤维科技开发公司和嘉兴中宝碳纤维有限责任公司。它们研制成功碳纤维抽油杆、配套设备和碳纤维抽油杆 钢抽油杆混合抽油杆柱设计软件，并进行了矿场试验。试验结果表明:应用碳纤维抽油杆可以达到节电和增产的效果，非常适用于深井的原油开采。根据科技查新的结果，我国碳纤维抽油杆的研制和应用水平目前居国际领先水平。实验结果表明：碳纤维连续抽油杆是一种很有发展前途的特种抽油杆。在我国，由于油田的超深井和高度腐蚀井采油逐渐增加，因此碳纤维连续抽油杆在我国的应用前景十分广阔。1.2.2 碳纤维连续抽油杆的结构、特点及应用前景碳纤维抽油杆的结构碳纤维复合材料或称碳纤维增强塑料连续抽油杆(简称:CFRPC抽油杆)，呈带状，可缠绕到滚筒上(见图7)，它的横截面为矩形(见图8)。增强材料:心部为碳纤维；上下表面覆盖玻璃纤维布，以提高碳纤维抽油杆的横向强度；左右两侧面和棱角覆盖芳纶纤维布或玻璃纤维布，以提高抽油杆的耐磨性能。基体为乙烯树脂，采用拉挤工艺生产。 图1-7 缠绕在滚筒上的CFRPC抽油杆 1-转轴；2-支承环；3-滚筒；4-CFRPC抽油杆 图1-8 CFRPC抽油杆的横戴面1-碳纤维；2-玻璃纤维布；3-芳轮纤维布或玻璃纤维布碳纤维抽油杆两端部的连接结构见图9，其两表面上各贴一条用碳纤维复合材料做的加强带，并打3个螺钉孔。钢接头的一端符合API抽油杆规范，以便和钢抽油杆、抽油光杆相连接；另一端开一个槽，有3个内螺纹孔。将碳纤维抽油杆的端部插入钢接头的槽中，用3个螺钉固定。 图1-9 CFRPC抽油杆的端部连接结构1-CFRPC抽油杆；2-加强带；3-螺钉；4-钢接头碳纤维抽油杆的技术特点碳纤维连续抽油杆是一种带状矩形截面的抽油杆，其主要增强相是碳纤维，树脂是基体,经过拉挤成型，具有强度高、重量轻、抗疲劳性能好、耐腐蚀等优点，与普通抽油杆相比，碳纤维连续杆具有优越的技术优势。1. 柔性好，连续可盘绕由于碳纤维抽油杆是柔性连续的，最小曲率半径为 300 mm，可盘绕和运输。极大地减少了中间接头(钢杆平均8米一个接头，而碳纤维连续杆只有两个接头)减少了接头断脱事故的几率，延长了杆的使用寿命和修井周期。2. 重量轻、节能碳纤维连续抽油杆千米重量不足200公斤，而千米钢杆重量高达4吨，再加上接箍的活塞作用减少，抽油机的电耗大幅度降低，可以大大降低光杆载荷和减速器的扭矩，达到节电的目的。同等条件下可降低抽油机规格，减少设备投资。3. 耐腐蚀，耐疲劳表1-1 几种抽油杆材料物理性能表抽油杆种类密度（g/cm）弹性模量（MPa）10次载荷循环后剩余度（）CFRPC抽油杆1.591.161060普通钢抽油杆8.522.101040钢连续抽油杆7.832.001040玻璃钢抽油杆2.380.501020高矿化度的地层水含有腐蚀介质,它们的存在对钢材会产生强大地腐蚀作用，降低钢杆的使用寿命。碳纤维抽油杆为高分子复合材料，在90的酸碱溶液和原油中浸泡3个月，无任何变化，具有很强的耐腐蚀作用。从几种抽油杆材料的物理性能表可以看出：碳纤维抽油杆的密度最小，强度最高，弹性模量介于钢抽油杆和玻璃钢抽油杆之间。经过次载荷循环后碳纤维抽油杆的剩余强度为原来强度的60% ，而钢抽油杆和玻璃钢抽油杆的剩余强度分别为原来各自强度的40%和20%。4. 耐温高碳纤维连续杆是由耐高温的碳纤维和树脂复合而成,碳纤维的形成温度高达1700，正常空气环境下，使用温度高达500,树脂基体耐温150，两种材料复合后生产的碳纤维连续抽油杆耐温可达120。加之碳纤维热膨胀系数低(接近于零)，尺寸稳定性好，在高温油井中会大大减少冲程损失。5. 减轻了抽油杆对油管的磨损普通抽油杆与油管内表面接触是两圆内切，接触点是一个，这种点接触增大了正压力，使接触部分磨损加剧。而碳纤维复合连续抽油杆是柔性的，在偏斜的油井中，与油管呈线性接触，增大了接触面积，延长了油管的使用寿命；另外在偏磨井段安装了碳纤维扶正器，其耐磨、耐温、耐腐方面均超过尼龙扶正器，保证了碳纤维扶正器及抽油杆有较长的使用寿命。6. 这种抽油杆为连续长杆件 , 只有上下两个接头 , 避免了采油过程中的活塞效应 , 并大大降低了接头断脱几率; 抽油杆的连续特性 , 有利于实现机械化作业 , 节省作业时间 , 降低劳动强度。与钢杆混合使用 , 通过调节弹性频率 , 可实现超冲程抽油 , 提高产油量。7. 截面积小 仅为钢制抽油杆的 1/5, 从而大大减小了抽油杆服役过程中的上下冲程阻力。8. 废杆可回收再利用 , 无环境污染。碳纤维连续抽油杆采油系统在我国油田的应用获得了初步的成功，尤其是产品性能和节能效果，均超过了国外的技术水平，显示出其大面积推广的巨大经济价值。但是，该采油系统的相关配套技术研究尚未深入开展，应用中尚未充分发挥出该产品的潜力。2 碳纤维杆作业车夹持装置方案对比分析碳纤维连续抽油杆作业车起下夹持装置是整个作业车系统的一部分，下面对齿轮组传动机构方案、动力方案和夹紧方案进行对比分析，从中选择最佳方案。2.1 动力方案对比2.1.1 动力源选择常用的动力为电动机，该起下夹持装置安装在作业车上，作业车常在野外作业，为其提供电源不方便，若用内燃机发电则成本较高，且效率不高。为适应流动作业，采用汽车内燃机作为动力源，提供一套液压系统，工作机选择液压马达和液压缸。这样，用液压系统为其提供动力，不仅解决了动力问题，而且，液压系统具有更好的工作性能，保证了夹持装置较高的工作要求。2.1.2 动力方案对比方案一如图2-1所示，采用两台旋转方向相反的液压马达驱动此种方案需要两台液压马达，工作时，两台旋转方向相反的液压马达驱动两个主链轮同时向相反的方向转动，从而实现起下碳纤维连续抽油杆的作业过程。此方案不易保证两台液压马达在每一瞬时都具有相同的转速，当两台液压马达的工况存在差异时就会使夹持装置两边驱动链条的牵引力发生波动，从而增加了系统的不稳定性和不安全性。此外，此种方案采用两台液压马达无疑会增加系统的复杂性及成本，同时夹持装置的结构尺寸也会随之增大。方案二如图2-2所示，采用一台液压马达驱动链条牵引装置。此种方案采用一台液压马达通过中间装置实现夹持装置中两个主动链轮同时向相反方向的转动，从而实现起下碳纤维连续抽油杆的作业过程。此方案保证了两个主动链轮同步的向相反的两个方向旋转，消除了采用两台液压马达驱动所带来的波动和不安全性。同时采用此种方案也可以消除采用双液压马达驱动所带来的系统的复杂性和高成本，同时也会大大减小装置的结构尺寸。通过以上两动力方案比较采用方案二的动力方案。2.2 夹紧方案对比分析常用的典型方案起杆缠绕器夹紧机构的设计：由起杆缠绕器的工作原理可知，夹紧机构的功能是提供足够的夹紧力以保证抽油杆夹持块可以可靠的夹紧抽油杆。典型的夹紧机构为双油缸驱动方式和单油缸驱动方式。2.2.1 双油缸夹紧双缸机构有其不足之处，如图2-31） 由于液压系统本身的特性，两个夹紧油缸不容易用液压方式实现完全同步，通常在注入器前后侧板上加定位滑块，用机械方式保证双缸同步，这样势必增加机械加工和装配的难度。另外，定位滑块磨损、作业现场的恶劣条件都可能使定位滑块卡住，影响夹紧机构的可靠性。2） 夹紧机构在夹紧油管时需较大的力，松开时力很小。双缸机构利用活塞杆收 回夹紧油管，这时液压力作用在活塞与活塞杆间的环形空间，由于活塞截面积大于活塞与活塞杆环空截面积，在液压力相同的条件下，活塞杆伸出的力大于收回的力，显然双缸机构没有充分利用油缸的能力，油缸使用不够合理。 图2-1 双缸夹紧机构示意图图中：1.油管 2.油管卡瓦 3.链条 4.油缸 5.夹紧压块 6.壳体 2.2.2 单缸夹紧 不用考虑双缸同步的问题，加工简单，安装方便。油缸伸出时夹紧油管，在提供相同夹紧力的情况下，可降低液压系统压力或减小油缸直径。更主要的是每一付夹紧压块少用一个油缸，整个注入器将减少4个油缸(包括张紧机构)，可降注入器制造成本。同样，张紧机构也可采用单缸杠杆方式。如图2-4 图2-2 单缸杠杆夹紧机构示意图图中：1.杠杆 2.导向块 3.油管卡瓦 4.链条 5.推杆 6.夹紧压块 7.油管 8.油缸 9.壳体 2.3 本设计所采用的方案2.3.1 本设计的工程背景：1）本起杆缠绕器机构所使用的碳纤维连续抽油杆的截面尺寸为：32mm4.2mm，长度为2800m。2）在碳纤维连续抽油杆的下端接有长度为300m600m的钢杆，并且钢杆直径为22mm25mm。在下面的设计计算中，取极限情况（即长度为600m、直径为25mm）进行计算。3）在抽油杆外部套有56mm的油管。4）抽油杆的起下速度为：7.2m12m/min。 2.3.2 本设计拟定的初步方案本设计采用汽车内燃机作为动力源，提供一套液压系统，工作机选择液压马达和液压缸。本设计采用单边夹紧方式，其中左侧为能动端，右侧为固定端。张紧轮分别由两个液压缸驱动，两链轮中心距采用固定不可调方式。采用一台液压马达通过中间装置实现夹持装置中两个主动链轮同时向相反方向的转动，从而实现起下碳纤维连续抽油杆的作业过程。对齿轮依次编号，其中1号轮与主动链轮轴连接，2号轮与液压马达连接，3号轮与固定端链轮轴连接。通过此方案实现两主动链轮的同步平稳运转。3 碳纤维杆作业车夹持装置设计分析碳纤维连续抽油杆夹持装置主要用于碳杆纤维杆的起下作业，减小缠绕盘的扭矩，保证平稳工作。夹持装置结构图3-1所示：图3-1 夹持装置结构图3.1 夹持装置的工作原理 碳纤维杆对夹持块的摩擦力；张紧缸压力图3-2 整体载荷分析整体载荷分析如图3-2，其中左侧为能动端，右侧为固定端。工作时分为两个独立单元，一为夹紧单元，一为起下单元。起下单元功率传递路线：液压马达齿轮组链轮、链条夹持块碳纤维杆；夹紧单元功率传递路线：液压缸托板滚动轴承、夹持块支架、夹持块碳纤维杆。起下作业时首先夹紧液压缸柱塞杆伸长，推动托板，使夹持块前移，顶住碳纤维杆，直至达到一定压力Fn，保持定位不变。然后液压马达通过齿轮组和链轮带动两侧链条，链条牵引夹持块转动，在夹紧部分表现为起下运动，由齿轮组分配液压马达的运动，使两侧链条同步运动，则夹紧碳纤维杆的夹持块同步起下，完成作业。工作过程中，汽车内燃机为动力源，为液压马达、液压缸等液压执行件提供动力支持。3.2 链传动设计3.2.1 夹持块整体结构受力分析夹持块固定在支架上，支架固定在三排链中间链的销轴上，链的转动带动夹持块的运动。夹持块顶在碳纤维杆上，工作时靠静摩擦力保持相对静止。夹持块运动时，碳纤维杆也保持相对运动，从而实现起下作业的功能。可见碳纤维杆的起下是靠摩擦力实现的。为了保证足够大的摩擦力，必须提供足够大的正压力，用液压缸来提供压力完全可以满足工作要求。夹持块受力分析如图3-3。图3-3 夹持块整体受力分析Q：链条拉力f1：碳纤维杆对夹持装置的静摩擦，即工作载荷的一半40kN加上碳纤维杆的自重，密度为1.59g/cm3，规格32mm4.2mm缠绕容量为2800m，总质量为598.35kg，重为5863.8N，则总载荷45.86kNf2：托板对夹持快托架滚动轴承的滚动摩擦，取钢钢滚动摩擦因数fm2=0.005，则f2=fm2Fn=0.005200=1kN，取工作时一侧夹持块数目为9，则有18个滚动轴承与托板接触，则f2=181=18kN3.2.2 链条设计 选型根据结构特点，采用三排链结构，两侧链条与链轮啮合进行传动，中间链去除套筒，用来固定夹持块支架。链条受力分析如下图3-4 链条受力分析、链条两侧拉力，由链轮提供 载荷对夹持块的反作用力所以，链条满足静强度准则 Q3 (3-1) Q3链条最大拉力；极限抗拉载荷；S安全系数，取S48 代入计算得查表选择28A型3排链，其基本参数如下：表3-1 28A型链参数型号节距p滚子直径d1销轴直径d2内节内宽b1内链板高度h2排拒pt单排极限载荷三排极限载荷ISO24B44.45mm25.4mm12.7mm25.22mm42.24mm48.87mm169kN425kN 链轮齿数链节数常取偶数，为使链条和链轮磨损均匀，常取链轮齿数为奇数，并尽可能与链节数互质。优先选用的链轮齿数系列为17，19，21，23，25，38，57，76，95，114，链速为0.120.2m/s，综合考虑结合机械设计计算手册表8-36，初取链轮齿数z=17。设计中取链轮的传动比为1，则各链轮参数相同。链条长 由国家安全标准高度以及作业车的高度确定两链轮的距离为1200mm由图所示 (3-2) (3-3) = 1389+189+394+370=2342 (3-4)L=2=4684 (3-5)圆整后去L=4700 链轮转速为 n=(9.53-15.88)r/min （3-6） 3.2.3 链轮设计基本参数如下：节距 p=44.45mm 排距 pt=48.87mm滚子直径 d1=25.4mm 内链节内宽 b1=25.22mm链轮齿数 z=17 主要尺寸 分度圆直径 d=241.9mm （3-7） 齿根圆直径 df=dd1=241.925.4=216.5mm 齿顶圆直径da=d+1.25p- d1=272 （3-8）齿高 ha=0.5（p-d1）=9.5mm （3-9）齿侧凸缘直径 dgpcot1.04h20.76=192.314mm （3-10） 取dg=190mm 轴向齿阔尺寸 齿宽 bf1=0.93=0.9325.22=23.45mm （3-11） 倒角宽 ba=0.13p=0.1344.45=5.78mm （3-12） 倒角半径 p=44.45mm 取=45mm （3-13） 链轮齿总宽 bf3=(31)pt+bf1=248.87+23.45=121.19mm （3-14） 齿槽形状齿侧圆弧半径 remin=0.008d1(z2+180)=95.30mm （3-15） remax=0.12d1(z+2)=57.9mm 取 re=70mm滚子定位圆弧半径 rimin=0.505d1=12.83 （3-16） rimax=0.505d1+=13.175mm 取 ri=13mm滚子定位角 min=120=114.7 （3-17） max=140=134.7 （3-18） 取=1303.2.4 链传动的张紧与润滑链传动张紧的目的主要是为了避免在链条的松边垂度过大时产生啮合不良和链条的震动现象，同时为了增加链条与链轮的啮合包角。当中心线与水平线的夹角大于600时常设张紧装置。张紧的方法很多，结合本装置的特点采用张紧轮装置进行张紧。链条速度n=(0.120.2)m /s，型号28A型，查机械设计图914，选择定期人工润滑。3.3 齿轮组设计如图所示传动方案，2为主动轮，1为能动侧齿轮。由于采用开式结构，选用直齿圆柱齿轮，8级精度，由机械设计表101选择2、3齿轮材料为40Cr(调质)，硬度为280HBS，1、4齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，两者硬度差为40HBS，开式齿轮传动主要为磨损失效，选择z2=z3=19，取传动比为3，则z1=z4=319=57。齿轮组为开式传动，按理应该根据保证齿面抗磨损及齿根抗折断能力两准则进行计算，但对齿面抗磨损能力的计算方法迄今尚不够完善，故对开式齿轮传动目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。 M （3-19）图3-5 齿轮组载荷分析确定公式中的各计算数值：3.3.1 齿轮扭矩 （3-20）-齿轮扭矩，Q链条总拉力，62.86kN，d链轮分度圆直径，241.9 mm。由机械设计表107选取齿宽系数=1。由图知F21=F12，即= =24943.3.2 弯曲疲劳许用应力由机械设计图1020c查得2、3号轮弯曲疲劳强度极限=500MPa，=380MPa， n4=n1=(9.5315.88)r/min n2=n3=in1=3(9.5315.88)=(28.5947.64)r/min按每年工作300天计算，工作寿命10年。 (3-21）N1=2.29107由机械设计图1018取弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.95，KFN2=0.93取安全系数S=1.5，则弯曲疲劳许用应力=240.7MPa =310MPa (3-22）3.3.3 齿高比初选 d1=d3=540mm，d2=180mm齿轮线速度均相等，则 v=0.45m/s （3-23）齿宽 b=1180=180mm （3-24）模数 m2=9.5mm （3-25）齿高 h=2.25m2=2.259.5=21.4mm （3-26） =8.43.3.4 载荷系数 K= （3-27） 使用系数，查机械设计表102取1.35；动载系数，v=0.25m/s，8级精度，查机械设计图108取1.02；齿间载荷分配系数，直齿取1；齿向载荷分配系数，查机械设计图1013取1.25； 代入得K=1.351.0511.25=1.773.3.5 齿形系数表3-2 齿形系数 z() 19（z1） 57(z2) 2.29 2.85 1.72 1.543.3.6 比较选择系数1号大齿轮： =0.016 （3-28）2号主动小齿轮： =0.012 (3-29)0.0160.012，故选择大齿轮值。3.3.7 齿轮尺寸计算由于2号轮要带动两个齿轮啮合，故2号轮扭矩加倍。代入公式（319）m2=10.9查机械原理表101取m=10则：分度圆直径为 10=190mm 取齿高系数=1，顶隙系数=0.25尺顶圆 210mm (3-30) 590mm齿根圆 165mm545mm (3-31)分度圆直径中心距 a=380mm齿宽 b2=d2=1190=190mm取 b2=190mm 3.3.8 齿轮的校核：查机械设计知，齿轮的校核公式为：， (3-32)则：由上知：240.7MPa，则： 由上知：310MPa 则，两齿轮满足强度要求。3.4 主动链轮轴设计 3.4.1 基本参数转速 nmax=15.88 r/min 转矩 T=7482N/m功率 P=12.44kW （3-33）3.4.2 链轮上的力 圆周力Fe即链轮牵引链条力的反作用力 Fe=62.86kN 压轴力FpKfpFe （3-34） Fe有效圆周力，62.86kN Kfp压轴力系数，垂直传动取1.05 代入得 Fp1.0562.86=66kN3.4.3 初步确定轴直径 选轴的材料为45钢，调质处理，根据机械设计表153取A0=123，于是 dmin=A0=123113.4mm (3-35) 取d=120mm，查机械设计手册表8-51链轮轴孔的最大直径=132mm则， 取d=120mm满足要求。3.4.4 主动链轮轴结构设计装配方案图图3-6 主动链轮轴装配图轴向定位轴肩均取25mm，两端采用轴承端盖固定。根据机械零件手册表131，参考基本额定动载荷比、极限转速比，选取调心球轴承22220C/W33。周向定位1.链轮键选择计算键材料选择45钢，查机械设计表62许用挤压应力p=(100120)MPa取p=118MPa。d=100mm，bf3=121.19mm，查机械设计表61选键2816，L=110mm，强度条件为p= （3-36）T传递转矩，7482Nm k接触高度，k=0.5h=0.516=8mml工作长度，圆头平键l=Lb=11028=82mm d轴直径，100mm 代入得p=228MPap可见连接挤压强度不够，采用双键，相隔1800布置，其工作长度：l=1.882=147mm。p=99MPap (合适)键标记为 键B2816 GB/T 109619792.齿轮键选择计算键材料选择45钢，查机械设计表62许用挤压应力p=(120150)MPa，考虑到工作情况，取p=130MPa。查机械设计计算手册知此齿轮传动的效率为=0.97。由（3-8）式知：此齿轮功率为：P=12.825kW选轴的材料为45Cr钢，调质处理，根据机械设计表153取A0=106，于是dmin=A0=10698.7mm取d=100mm由d=100mm，b1=110mm，但其与轴接触处横向尺寸为=130mm，查机械设计表61选键2816，L=140mm，强度条件为p=T传递转矩，7482Nm k接触高度，k=0.5h=8mml工作长度，平头平键l=L=140mm d轴直径，100mm代入得p= 133MPa由上知：许用挤压应力p=(120150)MPa，考虑到此装置的特点，挤压强度不够，采用双键，相隔1800布置，其工作长度l=1.8145=261mmp=71.6MPap (合适) 键标记为 键B2816 GB/T 109619793.滚动轴承与轴的周向定位由过渡配合来保证，此处取轴的直径尺寸公差为k64.圆角及倒角尺寸 参考机械设计表152，轴端倒角2mm，轴肩圆角半径2.5mm。3.4.5 轴受力分析简图力分析如图3-6所示，从水平和垂直方向分析力矩，再进行合成求总力矩。由图可知C截面力矩最大，为危险截面。3.4.6 求轴上载荷轴承类型为22220C/W33型调心滚子轴承。根据计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。各值计算如下：齿轮切向力，26.25kN齿轮径向力，取啮合角，26.25tan20=9.55kN由于齿轮布置位置原因，要将这两个力在水平和竖直方向分解，如图38所示。则 11.81kN25.31kN链轮圆周力，前面已求得为62.86kN链轮压轴力，前面已求得为64.95kN结合图36计算如下：水平面：0 得kN得 kN得垂直面：得 表示与图示反向=0得 =57.376kN表3-3 载荷列表 载荷 水平面H 垂直面V 支反力 RkN kN =57.376kN 最大弯矩M=354.3Nm=2713.2Nm759.3NmNm总弯矩MNmNm 扭矩T T=7482Nm 图3-7 链轮轴的载荷分析图图3-8 主动小齿轮与大齿轮受力图从轴的结构图及弯矩和扭矩图中可以看出C是危险截面。3.4.7 按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C）的强度。根据上表中的数据，以及轴单向旋转，做弯扭合成强度校核计算，由机械设计知：扭转切应力为脉动循环变应力，取=0.6 （3-37）式中：轴的计算应力，MPa； M轴所受的弯矩，Nmm； T轴所受的扭矩，Nmm； W轴的抗弯截面系数，mm； 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力； 由机械设计表15-1根据所采用键的类型知： 前已选择轴的材料为45Cr钢，调质处理，由机械设计表151查得=70MPa。因此，满足弯矩要求，因此轴满足弯矩强度要求。3.5 液压马达选择3.5.1 液压马达功率功率传递路径齿轮组为开式传动，则根据功率传递路径功率满足 (3-38)齿轮啮合效率。开式取0.95； 滚动轴承效率，调心滚子轴承取0.98；链传动效率取0.92； 链条至夹持块的支架总体效率，取0.8；最大工作状态所需功率，即碳纤维杆起升时最大速度功；=16kW 代入得液压马达功率P1=20.37kW3.5.2 液压马达转速夹持块与碳纤维杆保持相对静止，而夹持块通过甲字固定在链条销轴上，碳纤维杆起升速度即链条运转速度。碳纤维杆v= (0.120.2) m/s 链轮转速v= (9.5315.88) r/min1、3号齿轮n1=n3=(9.5315.88) r/min 2号齿轮n2=(28.5947.64) r/min其中液压马达与2号主动齿轮转速相同，则n0=n2=(28.5947.64) r/min3.5.3 液压马达扭矩= 输入转矩，即液压马达转矩； 输出转矩，即2号轮转矩。2T2=22.4941000=4988Nm 则： =4988Nm3.5.4 液压马达选择由宁波永联液压有限公司提供系列产品选择YLM161400，基本参数如下表3-4 液压马达参数型号排量(ml/r）压力（MPa）扭矩(Nm)转速范围(r/min)重量额定压力最高压力额定扭矩单位理论扭矩YLM1614001413253053182102400170kg3.6 液压缸选择3.6.1 夹紧液压缸起升时最大工作载荷G为80kN，夹持块对碳纤维杆的动力为静摩擦力f1，这一摩擦力是由托板压力Fn引起的，而托板压力即夹紧液压缸的推力。碳纤维杆受力分析如下: Fn= (3-39)Fn托板压力；c移动过程摩擦力系数，取1.2； f1夹持块对碳纤维杆的摩擦力；fm夹持块与碳纤维杆的静摩擦力系数，取m=0.4； S安全系数取1.2；代入得为减小液压缸工作压力，并考虑托板稳定性，可选择2个液压缸，则每个液压缸工作压力Fm=120kN。由于工作时托板与滚动轴承几乎不分离，最大传送链移动边位移理解为液压缸的行程即s=0.1m。由上知液压缸工作参数 Fm=144 kN，s=0.1m=100mmG：工作载荷 f1：夹持块对碳纤维杆的摩擦力 Fn：托板压力图3-9 碳纤维杆分析参考榆次华意液压有限公司Y-HG1系列冶金设备液压缸。其基本参数如下： 表3-5 夹紧液压缸的基本参数 型号 缸径/mm活塞杆直径/mm(速比1.33)工作压力160Mpa最大行程/mmHSG01100/dE10050推力/kN拉力/kN800152.05114.043.6.2 张紧液压缸起升作业时，靠近碳纤维杆一侧链条为紧边，远离一侧为松边，考虑到齿轮组尺寸，张紧一侧需用托板托起链条，则另一侧必须有张紧装置，否则易产生链条的堆积，导致啮合不良。下降作业时，靠近碳纤维杆一侧为松边，另一侧为紧边，此时夹持块运动是由链条通过两个链轮拉动的，若不张紧，主动链轮与托板间链条也易形成堆积，产生卡死现象。将链轮布置成上下对称结构，受力分析如图310。 代入得72kN参考榆次华意液压有限公司Y-HG1系列冶金设备液压缸。其基本参数如下 表3-6 张紧液压缸的基本参数型号缸径/mm活塞杆直径/mm(速比1.33)最大行程/mmHSG0150/dE50254003.6.3 缸体材料及固定缸体材料选择45钢，考虑到整个装置架子结构，采用端部法兰连接。图310 张紧链轮分析链条拉力；链条拉力合力，亦即张紧缸所受压力 (340)链条拉力，最大载荷为62.86kN ； 张紧时链条与液压缸轴线的夹角，取=300；考虑摩擦的计算系数，一般取=1.21.25，本设计取=1.2 ； S安全系数，取1