减震器设计及发展毕业论文.doc

减震器设计及发展毕业论文目 录1 绪论11.1 选题的目的和意义11.2 减振器的发展历史11.3 减振器的分类21.4 液压减振器国内外发展状况和发展趋势31.5 研究的主要内容及方法42 减振器的类型和工作原理52.1 减震器的类型与型号52.2 减震器形式的选择52.3 减振器的工作原理62.4 减振器的结构.工作原理及优点62.5 减震器的标准72.6 减震器的使用措施及注意事项73 减震器的设计93.1 减震器数据的选择93.3 芯轴的设计与强度校核113.4 上接头凸台校核123.5 螺纹的选择133.6 螺纹牙的强度校核133.7 花键的设计与选择164密封元件204.1 密封元件材质的设计和选用204.2 密封元件常用的材料204.3 密封盘根245 液压减震器的使用方法285.1 减震器在钻柱中的连接位置285.2 下井前的检查285.3 起钻后的检查285.4 注意事项285.5 维修与试验295.6 检查与维修295.7 组装295.8 注油306 结 论31参考文献32致 谢33351 绪论1.1 选题的目的和意义减振器主要是用于减小或削弱振动对设备与人员影响的一个部件。它起到衰减和吸收振动的作用。使得某些设备及人员免受不良振动的影响, 起到保护设备及人员正常工作与安全的作用, 因此它广泛应用于各种机械的频繁起降等, 对减振器的要求愈来愈高。人们不但要求安全可靠, 而且要求旅途舒适, 对此减振器起着举足轻重的作用。1.2 减振器的发展历史世界上第一个有记载、比较简单的减振器是1897年由两个姓吉明的人发明的。他们把橡胶块与叶片弹簧的端部相连，当悬架被完全压缩时，橡胶减振块就碰到连接在汽车大梁上的一个螺栓，产生止动。这种减振器在很多现代汽车悬架上仍有使用，但其减振效果很小。1898年，第一个实用的减振器由一法国人特鲁芬特研制成功并被安装到摩托赛车上。该车的前叉悬置于弹簧上，同时与一个摩擦阻尼件相连，以防止摩托车的振颤。减振器的结构发展主要经历了以下几种发展形式：加布里埃尔减振器，它是由固定在汽车大梁上的罩壳和装在其里面的涡旋形钢带组成，钢带通过一个弹簧保持其张力，钢带的外端与车桥轴端连接，以限制由振动引起的弹跳量。平衡弹簧式减振器，这是加到叶片弹簧上的一种辅助螺旋弹簧。由于每一个弹簧都有不同的谐振频率，它们趋向于抵消各自的振颤，但同时也增大了悬架的刚性，所以很快就停止了使用1。空气弹簧减振器，空气弹簧不仅兼有弹簧和吸振的作用，而且常常可省去金属弹簧。第一个空气弹簧减振器是1909年由英国考温汽车工厂研制成功的。它是一个圆柱形的空气筒，利用打气筒可以把空气经外壳上部的气阀注满空气筒，空气筒的下半部分容纳一个由橡胶和帘布制成的膜片。因为它被空气所包围，所以其工作原理与充气轮胎相似，它的主要缺点是常常泄漏空气。液压减振器，第一个实用的液压减振器是1908年由法国人霍迪立设计的。液压减振器的原理是迫使液流通过小孔产生阻尼作用。通常的筒式减振器是由一个与汽车底盘固定的带有节流小孔的活塞和一个与悬架或车桥固定的圆柱形贮液筒组成。门罗在1933年为赫德森制造的汽车装用了第一个采用原始液压减振器的汽车。到了二十世纪三十年代末，双作用减振器在美国生产的汽车上被普遍采用。到了二十世纪六十年代，欧洲采用的杠杆式液压减振器占了优势，这种减振器与哈德福特的摩擦式减振原理相似，但使用的是液流而不是摩擦缓冲衬垫。麦弗逊支柱式减振器，随着前轮驱动汽车的出现，二十世纪七十年代以来，制造商开始采用麦弗逊式减振器。这种减振器是二十世纪六十年代通用公司麦弗逊工程师研制成功的。他把螺旋弹簧、液压减振器和上悬架臂杆组成一个紧凑的部件。其主要优点是体积小，适合前轮驱动汽车，可在与变速器组成一体的驱动桥上应用。另外，有一种电子控制减振器，能根据道路状况、车速和驱动形式自动调节悬架软、中、硬三种刚度。该减振器通过在汽车保险杠下方装有一个带声纳的测量部件监测路面状况，把测得的数据输入处理单元，然后调节减振器中的按键，以改变液流通道的尺寸。充气式减振器是二十世纪六七十年代以来发展起来的一种新型减振器。充气式减振器的特殊结构和充气参数，可以大大地降低噪音，并有利于保证活塞高速运动时的阻尼特征，同时减振器上的减振支柱实质上属于双筒结构，它除了阻尼减振还有如下附加功能：他和控制臂一起对车轮进行导向2。1.3减振器的分类根据减振器的结构、材料与用途不同, 减振器可分为以下几种： (1)橡胶减振器减振器由天然橡胶及聚氯丁之类合成橡胶材料制成。该减振器经济方便, 对振动阻尼作用。近年, 又出现一种金属橡胶减振器, 性能优于传统橡胶减振器。但低温时弹性下降、高温时易变形, 不适于高频下工作, 有“弹性后效”现象等。因此只能用于减振要求不高的场合。(2)金属弹簧减振器分为螺旋弹簧与板簧减振器：该减振器能适应于各种环境与温度下使用, 力学性能较稳定, 刚度范围广,高频时, 失去减振作用, 因此, 目前, 液压减振器已经得到了广泛地应用特别是在一些关键装备上, 如飞机的起落架、导弹的发射架、各种汽车、摩托车、轮船等需减振的设备上。液压减振器是以液压油为工作介质并利用油的黏性阻尼作用, 在节流口或阀的前后形成一定的压差, 将振动的动能变成液体的压力能衰减和吸收振动。(3)电流变液和磁流变液减振器：电、磁流变液都是悬浊液, 在外加电、磁场作用, 下其黏度可连续变化, 由美国人W.Winslow 和J.Rabinow于20 世纪40 年代后期发现, 从20 世纪80 年代末起将其应用于阻尼可调减振器。电、磁流变液减振器具有阻尼连续调节, 响应快等优点, 但是还存在一些问题: 电、磁流变液的粒子沉降、温度稳定性, 电、磁流变液减振器的设计误差补偿、使用寿命、维修等, 其产业化应用还需要进一步的研究。(4)气体控制阻尼可调减振器：气体控制阻尼可调减振器必须与空气弹簧配合使用。阻尼变化规律是:当空气弹簧中气压升高时, 阻力增大, 反之则减小, 不能根据路面激励和汽车工况的变化(5)干摩擦式阻尼可调减振器：2004 年, 英国巴思大学的EmanuelGuglielminoKevin A. Edge 研制了一种干摩擦式阻尼可调减振器。干摩擦阻尼减振器利于两个平面之间的摩擦消耗能量, 通过液压系统控制接触面正压力的大小调节减振器的阻尼系数。1.4液压减振器国内外发展状况和发展趋势目前国内液压减振器大部分单向减振器，其阻尼力主要通过油液流经空隙的节流作用产生。减振器的设计开发也由基于经验设计加实验修整的传统方法向基于CAD/CAE技术的现代优化设计方法转变。20世纪50年代发展起来了液压减振器技术，在减振器内充入油液（0.30.5MPa）减振器的临界工作速度相应提高，后来又发展了双筒式减振器，它采用活塞阀体与底阀相配合的结构，在浮动活塞在缸筒间的一端形成的补偿室内充入一定量的高压气体（2.02.5MPa）氮气。与双筒式减振器比，单筒充气式减振器质量显著减轻，安装角度不受限制，但其制造精度要求和成本较高3。据调查，目前国内液压减振器配套产能有过剩趋势，生产高档次减振器的不多。单筒充气式减振器国内生产厂家正在消化吸收设计技术和提高制造工艺技术阶段，产品质量还没很过关。对于充气式减振器的研究也主要集中在单缸充气式汽车减振器方面。在郭孔辉院士的领导下，长春汽车研究所作了大量的试验工作，积累了一些经验。但由于橡胶的寿命不过关及设计、制造等多方面因素的影响，一直没有形成比较成熟的技术。近几年，由于高速公路的迅速发展，对舒适性的要求也越来越高，国内对充气式减振器研究及产品开发工作又重新重视起来。哈尔滨铁路局减速预调速研究中心和哈尔滨工业大学的高起波、曾祥荣两位老师对充气式减振器性能进行了理论分析和试验；天津大学的马国清、王树新、卞学良等对充气式减振器建立数学模型，建立计算机仿真程序，利用该程序可以得到参数变化对减振器性能的影响趋势，取得一些较好的研究成果。后勤工程学院的晏华等设计的充气式电流变减振器设计比较先进。有些厂家也投入人力物力对充气式减振器关键部件进行开发，如浙江瑞安东欧汽车零部件厂、贵州前进橡胶有限公司、宁波美亚达金属塑料有限公司等，并具有了一定的生产规模。国外工程机械主要配套件大多数都生产历史悠久，技术成熟、供应充足、生产集中度高、品牌效应突出。目前世界上生产减振器最大的企业，美国天纳克（TA）汽车工业公司是世界最著名的减振器生产商，也是目前全球最大的专业生产减振器的厂家，其生产的充气式减振器符合美国军用标准。同时还不断推出新的减振器，推动减振器技术不断向更高技术水平发展。另外还有几家较为先进的公司如：Ford和General Motors这两家。这两家公司生产的减振器能很好的解决汽车的安全性和舒适性这两方面的要求，例如德国大众公司的GTI、甲壳虫，奔驰-戴姆勒克莱斯勒汽车有限公司生产的C200均采用了双筒油压式减振器，在保证安全性的前提下充分提升了汽车的稳定和操控性。由于汽车在不同的行驶工况下对减振器的特性有不同的要求，可调阻尼减振器是筒式减振器技术发展的目标。目前国外已经开发有机械控制式的充气式减振器，电子控制式的充气式减振器，在个别高档车还试用电流变液减振器，但电流变液减振器的工作温度范围窄-25125，其强度和化学稳定性较差，影响其工作的可靠性。充气式减振器相比电流变液减振器，不需要特殊的高压供电装置，成本低、使用安全、稳定性强9。目前最先进的充气式减振器的响应时间约10ms，需进一步提高。充气式减振器有很好的运用前景，是半主动或主动悬架较好的配置，但是尚需在缩短响应时间上改进。德国奥迪推出的2.7T越野车，使用了双充气式减振器，奔驰-戴姆勒克莱斯勒汽车有限公司生产的300C和Jeep4700均采用了充气式减振器。充气式减振器是一个较为新兴的技术，可同时提高车辆的舒适程度、驾驶性能和安全性能。由于车轮控制得到改善，车辆的安全性和可靠性得到提升；通过控制车身运动，提高驾驶平顺性，并使操作更精确、反应更迅速；在刹车和加速过程中减少乘员“前冲”和“后仰”；改善负荷转移特性，在车辆高速行驶中突然变向时，可提供更好的防侧翻控制；由于减小了路面反冲力，使驾驶更为安静、精确。正是由于这些特点，充气式减振器首先在中高级轿车上得到了应用。充气式减振器的发展前景，国外对充气式减振器的研究已经发展到电子控制式减振器。我国对减振器的研究主要集中在单筒充气式减振器方面，而且发展比较缓慢。我们应当在前人对充气式减振器研究的基础上更加深入地对其进行分析和研究，努力缩短和发达国家的差距。对充气式减振器的研究能有效的提高我国汽车工业的制造水平，降低汽车的制造成本，对中国经济的快速发展大有益处。1.5 研究的主要内容及方法通过CAD软件的辅助，设计一种用于石油钻井的液压减震器并且符合技术要求，具有良好经济性与实用性的液压减振器。通过大量的社会实际调查研究和图书馆查阅资料，设计计算以及老师的指导下，按照任务书的要求最终完成设计工作。在设计的过程中参考国内外相关的文献资料以及借鉴相关企业的产品，预期的设计产品能够符合理论设计要求，各项技术指标符合要求，并且将生产成本降到最低。 2 减振器的类型和工作原理2.1 减震器的类型与型号 常见的减震器包括液压式减震器和机械式减震器。液压式减震器又分为液压单向减震器和双向减震器。 减震器的型号表示方法； JZ:减震器产品代号 YS:结构形式代号：YS-液压双向减震器 Y-液压减震器 H-弹簧式机械减震器减震器规格（直径：178mm） 液压减震器利用液体的可压缩性以及液体在压缩时吸收能量和流动时耗散能量的特性，实现减少或者消除震动的目的。 双向减震器除了可以轴向压缩外，还可以将扭转冲击转化为轴向冲击，利用液压减震的原理减少或者消除纵向震动和扭转冲击。 机械式减震器是我厂与国外公司合作开发的产品，具有减震效果好、工作寿命长、性能价格比高等优点 2.2减震器形式的选择 由于历史的原因以及钻井设计的不同，不同的油田习惯于采用不同类型的减震器。随着技术的不断发展，产品的结构、性能及其适应性也在变化，人们对产品不断有新的认识，从而为更好地选择和使用减器奠定了基础。 从使用的角度看，钻柱在井筒内的旋转运动是引起钻柱震动的原因之一，钻头在硬地层的旋转破岩是引起钻柱震动的另一个更重要的原因，钻柱所产生的震动是纵向和扭转的复合震动。使用双向减震器可以减少或者消除钻头旋转引起的震动，可以在很大程度上消除震动源，因此，具有轴向和扭转双重减震作用的双向减震器往往具有更好的减震效果。 液压式减震器采用硅油作为液体弹簧，其刚度取决于硅油的容积和充满的程度。因此，液压式减震器对生产和维修过程中的充油、密封件磨损导致的漏油以及井温变化对硅油影响十分敏感。 机械减震器与液压减震器具有同样的减震效果，相比之下，机械式减震器的可靠性、工作时间以及适用范围都要优于液压减震器。 减震器产品是关系到钻井作业安全的重要井下工具，尤其震击器产品是用于预防和处理井下事故的工具，既要有效地处理事故，又要保证不能引起新的事故。 悬架中用的最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。钻井振动时减振器内的液体在流经阻尼孔时的摩擦和粘性液体的摩擦形成了振动阻尼，将振动能量转化为热能，并散发到周围的空气中去，达到迅速衰减振动的目的。如果能量的消耗仅仅只是在压缩行程或者是在伸张行程进行，则把这种减振器称为单向作用减振器；反之称为双向作用减振器。后者因为减振作用比前者好而得到广泛应用。减振器大体上分为两大类，即摩擦式减振器和液力减振器。摩擦式减振器利用两个紧压在一起的盘片之间相对运动时的摩擦力提供阻尼。但是由于库仑摩擦力随相对运动速度的提高而减小，并且很容易受到油、水等的影响，无法正常工作，无法满足平顺性的要求，因此虽然具有质量小、造价低、容易调整等优点，但现在汽车上已经不再采用这类减振器。液力减振器最早出现于1901 年，有两种主要的结构形式分别是摇臂式和筒式。悬架中用的最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。所以我选择筒式减振器。而在筒式减振器中，常用的三种形式是：双筒式、单筒充气式和双筒充气式。我选择双筒式液力减振器。2.3 减振器的工作原理 液压减震器其工作原理是通过具有可压缩的硅油来实现的。钻井作业中钻头和钻具受到冲击和震动时，其作用力使工具以极快的速度向上运动，此时油腔内的液压油不仅受到压缩，而且一部分以极高的流速经阻尼孔流入缸套腔内，从而引起了吸能及缓冲的作用钻头上的冲击和震动负荷减小或消失时，液体膨胀，下接头以下钻具在自身重量的作用下向下运动，油缸腔恢复到原来的长度，缸套腔内的硅油经阻尼孔又重新流回到油腔 。 2.4减振器的结构.工作原理及优点图2-1 减震器原理图主要构成有：芯轴、扶正接头、花键外筒、缸套、键、下接头、密封元件等。液压减振器工作原理说明。液压减震器其工作原理是通过具有可压缩的硅油来实现的。钻井作业中钻头和钻具受到冲击和震动时，其作用力使工具以极快的速度向上运动，此时油腔内的液压油不仅受到压缩，而且一部分以极高的流速经阻尼孔流入缸套腔内，从而引起了吸能及缓冲的作用钻头上的冲击和震动负荷减小或消失时，液体膨胀，下接头以下钻具在自身重量的作用下向下运动，油缸恢复到原来的长度，缸套腔内的硅油经阻尼孔又重新流回到油腔。液压减振器具有如下的优点：使用广泛、制造成本低，使结构简化，重量减轻、性能也较为稳定，在压缩与伸张的状态下都有设计好的阻尼力。2.5减震器的标准国外震击器、减震器的生产厂家和产品种类虽然较多，但一直没有制订统一的标准。相比较而言，国内震击器、减震器的有关标准要相对完善一些。 SY/T5496-92震击器分类与通用技术条件，SY5082-91随钻震击器，SY5054-91开式下击器，SY5055-85XJ-K型地面下击器，SY5086-85油压上击器和震击加速器，SY5425-91超级上击器7项标准合并修订为一个标准。 标准的变化，基本反映了国内两器产品的发展历程，尤其可以看出国内震击器的发展正逐步走向完善和成熟。 表2-1 两器产品标准对照表产品名称 产品型号 原标准 现标准 备注 随钻震击器 QJA SY/T 54962000 震击器及加速器 机械式可调 随钻震击器 QJK 机械式不可调 随钻上击器 SS SY508291 液压式 随钻下击器 SX 机械式 超级上击器 CS SY542591 液压式 开式下击器 SY505491 淘汰产品 闭式下击器 SY521387 淘汰产品 地面下击器 DX SY505585 机械式可调 加 速 器 ZJ SY508685 液压式 震击器分类与通用技术条件 SY549692 液压减震器 JZY SY521487 SY/T 63471998 钻柱减震器 液压式 双向减震器 JZYS 液压式 机械减震器 JZH 碟簧式 2.6 减震器的使用措施及注意事项(1)减震器出厂或大修后第一次下井使用必须经地面台架试验合格后方能下井使用；外筒各连接螺纹（修复扣）必须经三次磨合。消除毛刺。清洗干净，经检查合格后涂均钻挺润滑脂，才能连接螺口；各连接螺纹按规定紧扣扭矩值拧紧；检查油堵是否松动或漏油；确定减震器的安放位置，备好转换接头；减震器下井前油枪必须注满合格的硅油，在钻台上用1-3根钻铤加压测量C值的变化情况，并作好记录；减震器在下井前若发现不符合下井条件时应及时向有关人员提出，以便进行现场维护或反常修理，(2)减震器每次下井使用都要对其工作时间及工作情况详细记录；减震器每次取出井口都要认真清洗，并在转盘上用下井时同样根数的钻铤加压测量并记录C值的变化，若C 值比第一次下井时减少25mm以上，则说明液压油有漏油1不能继续下井使用。(3)注意事项：操作前必须了解YJB型液压减震器的结构和工作原理性能及使用方法，操作要平稳，严禁留钻；下井前紧扣是严防前牙损坏油堵；在拆卸检查及场地摆放时，要均匀摆放3-4根 木方或钢管把减震器垫平，防止产生憋进把螺纹或密封损坏；减震器上下钻台或搬运时必须两端戴好护丝；井底有金属落物或打捞作业时严禁使用。 3 减震器的设计3.1 减震器数据的选择表3-1 YJB型液压减震器型号与技术规范由上表可知所设计北石厂JZ-Y型减震器的参数为：外径为178mm；水眼为57；接头螺纹 1/2REG；最大钻压 340kN；工作温度150；总长5200mm图3-1 减震器示意图3.2中心管的设计与校核内中心管材料选用45钢，其许用应力为=280MPa，设计壁厚t7mm。如图3.1所示，内中心管在力的作用下处于空间应力状态，有： （3-1）由于此内中心管只受到内压而无外压，这时在上述公式中，令P00，得到应力计算公式：上式表明，r恒为压应力，而恒为拉应力，沿筒壁厚度，r和的变化情况如图3.1所示： （3-2）在筒壁的侧面处，ra，两者同时达到极值，因为两者同为主应力，故可记为：1，r3。根据最大剪应力理论，塑性条件和强度条件分别为：图3.2 内中心管空间应力状态图3.3 应力分布图式中s为材料的屈服极限，以r和代替3和1，并令ra，则化为： （3-3）式中 是筒壁内侧面处开始出现塑形变形时的内压力。此内中心管水眼直径为d=58mm Pi50MPa，即a22mm，b29mm，在中心管内壁上及r同为最大值，于是计算出第三强度理论的相当应力为： MPa即： 故内中心管安全。 材料选用45钢，对塑性材料用第四强度理论计算缸壁最大合成应力max，为了保证油缸强度，最大合成应力max应小于或等于许用应力，即 （3-4）式中 r缸筒内半径；r1缸筒外半径；p油缸的许用应力；缸筒许用应力。代入数据得： MPa而45钢的b=600MPa， s=355MPa因而满足强度要求3.3芯轴的设计与强度校核 进行校核算弯矩图知，其弯矩为： = = 9000 Nm根据上表中的数值，校核危险截面处强度： = = 17.67 MPa45号钢的 -1 = 60 MPa （调质处理）因为故芯轴轴安全。3.4上接头凸台校核 当达到压力19MPa时，凸台受到的力最大此时N 所用材料为45钢，符合要求。 3.5螺纹的选择由机械钻井工具手册得下图表3-2 API配合接头螺纹规格表由机械钻井工具手册中的上图可以得到接头螺纹的参数牙型代号为V-0.040；锥度为1：4；基面丝扣平均直径为115.112；公接头大端直径为121.716 ； 小端直径为96.31；公扣长为101.60；母扣长为117.480；母镗孔直径为123.803.6 螺纹牙的强度校核 由于螺纹牙尺寸较小，需要对其进行校核。对于螺纹牙的强度校核，主要是螺纹牙危险截面的剪切强度校核和弯曲强度校核，下面分别进行计算。3.6.1 螺纹牙剪切强度校核 图3-4是将一圈螺纹沿螺纹的大径处展开的示意图：图3-4 螺纹圈受力示意图如图3-4所示，如果将一圈螺纹沿螺纹的大径处展开，则可看做宽度为的悬臂梁。假设每圈螺纹所承受的平均压力为，并作用在螺纹中径为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面a-a的剪切应力29为： （3-5）式中：螺纹所受的合力，N； 螺纹的大径，mm； 螺纹牙根部的厚度，mm； 螺纹工作圈数； 螺纹牙危险截面的切应力，MPa。螺纹所受的合力为： （3-6）式中： 心轴的外径，mm； 螺纹大径，mm。在上面已经计算出MPa。在设计过程中，心轴的外径取为mm，螺纹的直径取为mm，心轴与螺纹的连接螺纹规格为M60.75。由机械零件手册可知螺纹牙根部的厚度为： (3-7)式中：螺纹的螺距，mm。螺纹的工作圈数为： （3-8）式中：螺母高度，mm。M60.75的螺纹螺距为=0.75。设计时弹簧挡块的高度比阀芯大，所以此处用阀芯进行校核，阀芯的高度为mm。联立式（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）解得螺纹牙危险截面a-a的剪切应力为： MPa上面已给出牌号为YG8的硬质合金的抗裂强度为MPa，其许用切应力为29，所以 =1500MPa显然，螺纹牙危险截面a-a的剪切应力，所以螺纹牙满足剪切强度要求。3.6.2 螺纹牙弯曲强度校核 螺纹牙的受力图如图3-3所示，螺纹牙危险截面a-a的弯曲应力为： （3-9）式中：螺纹所受的合力，N； 弯曲力臂，mm； 螺纹大径，mm； 螺纹牙根部的厚度，mm。螺纹牙的弯曲力臂为： （3-10）式中：螺纹大径，mm； 螺纹中径，mm。M60.75的螺纹的中径为=5.513mm 30。联立（3-6）（3-7）（3-8）（3-9）（3-10）解得螺纹牙危险截面a-a的弯曲应力为： MPa YG8硬质合金的抗弯强度为不低于1600MPa，显然螺纹牙危险截面a-a的弯曲应力远小于YG8硬质合金的抗弯强度，所以螺纹牙满足弯曲强度要求，螺纹牙是安全的。3.7 花键的设计与选择花键承载能力公式。下列为增加的补注：Dh=空心轴的内孔直径，英寸；Ka=从表1中的使用系数；Km表3-3的负荷分配系数；Kf表3-5中的疲劳寿命系数；Kw表3-5中的磨损寿命系数；Le图3-3中的最大作用长度，使用应力公式 ，尽管实际长度可能更长一些；T传递扭矩.表3-3 花键使用系数，Ka动力源载荷种类平稳（发电机风扇）轻微冲击（振动泵等）间歇冲击（加速泵等）重冲击（冲床，剪子等）使用系数，ka平衡（燃汽轮机，电机）1.01.21.51.8轻微冲击（液压马达）1.21.31.82.1表3-4 对于柔性花键的不对中的载荷分配系数，Km每英寸长度上不对中度（英寸）载荷分配系数，Kma0.5英寸齿宽1英寸齿宽2英寸齿宽4英寸齿宽0.0011111.50.002111.520.00411.522.50.0081.522.53a对于固定的花键，Km=1表3-5 花键的疲劳寿命系数，Kf扭矩循环周期a疲劳寿命系数单一方向双向1,0001.81.810,0001.01.0100,0000.50.41,000,0000.40.310,000,0000.30.2A一个扭矩循环周期包括一个起停，不是运转的数量。表3-6 柔性花键磨损寿命系数，Kw花键运转数量寿命系数，Kw花键的运转数量寿命系数，Kw10,0004.0100,000,0001.0100,0002.81,000,000,0000.71,000,0002.010,000,000,0000.510,000,0001.4磨损寿命系数，不像表3-6中的疲劳系数，是以花键的运转总数量，是因为柔性花键的每一转的冲击都会造成花键的磨损。定义：一个固定花键可以是收缩配合或松配合，但在每一端都用环固定以防止由于花键的振动引起轴向的移动。一个柔性花键允许一些在轴没有准确对中时产生的冲击。这些柔性或冲击造成轴向移动并造成轮齿的磨损。直齿柔性花键在磨损成为一个严重问题前，只能允许的角度不对中的状态存在（小于1度）。对于更多的不对中情况（大于5度），鼓形齿花键可以减小磨损和轮齿的端部受载。外花键轮齿根部的剪切应力：对于一个给定的传递扭矩，产生在外花轴上齿根处的破坏剪切应力为： 对于一个实心轴 （3-11） 对于一个空心轴 （3-12） 式中， 扭矩； 花键使用系数； 花键的疲劳寿命系数； 外径； 内径。此处取花键允许剪切应力值为284.8MPa,带入数据进行校核，有 = Pa 所以花键强度足够。计算应力值不能超过表3-7 中的值。表3-7 花键允许剪切应力值材料硬度最大允许剪切应力值(MPa)HBHRC钢160200142钢230260213.6钢3023513338284.8表面浅层硬化钢4853284.8表面硬化钢5863356整体淬硬钢（航空质量）4246320轮齿节圆处的剪切应力：对于一个给定的传递扭矩T，轮齿节线外的剪切应力处为： （3-13)公式（3-3）中的系数4是假设由于齿槽的误差而只有一半轮齿承载。对于差的制造精度，将系数改为6。计算应力值不能超过表3-7中值。花键轮齿的齿侧压缩应力值：由于负荷分配不一致和不对中造成的不均载和齿端受载，所以花键的许用压缩应力值比齿轮轮齿的许用压缩应力值小得多。对于柔性花键： （3-14）对于固定花键： （3-15）在这些公式中，h是轮齿的接合长度，对于平齿根花键，h大约为0.9/P，而对于圆齿根花键，h大约为1/P。公式（3-14）和公式（3-15）中计算出的应力值不能够超过表3-8中的值。表3-8花键的许用压缩应力材料硬度最大允许剪切应力值 磅/平方英寸HBHRC直齿鼓形齿钢1602001,5006,000钢2302602,0008,000钢30235133383,00012,000表面浅层硬化钢48534,00016,000表面硬化钢58635,00020,000花键的破坏应力值：内花键可以由于下列三种拉应力而破坏：（1）传递扭矩中产生的径向分力引起的拉伸力；（2）离心力；和（3）角度节园线上的切线力而造成的轮齿弯曲而引起的拉伸力。径向负荷拉应力 （3-16）这里，tW=内花键的壁厚内花键筒的外径减去花键大径，后再除2。L花键的总长。离心拉伸应力 （3-17）这里，Doi花键筒的外径。梁拉伸应力 （3-18）在这个等式中，Y是从轮齿设计时获得的一个刘易斯形状系数。对于30度压力角的内花键，Y1.5是一个很安全的估计。式（3-18）中的系数4假定只有一半轮齿承受载荷。可能造成外花键的轮缘破坏的总的拉伸应力是：St=KaKm(S1+S3)+S2/kf;并且该值不应当小于表3-9中的值。表3-9 花键的允许拉伸应力材料硬度最大允许剪切应力值磅/平方英寸HBHRC钢16020022,000钢23026032,000钢302351333845,000表面浅层硬化钢485345,000表面硬化钢586355,000整体淬硬钢（航空质量）424650,000 4密封元件 4.1密封元件材质的设计和选用 对密封装置的要求：在工作压力和一定温度范围内，应具有良好的密封性能，并随着压力的增加能自动提高密封性能。密封装置和运动件之间的摩擦要小，摩擦系数要稳定。抗腐蚀能力强，不易老化，工作寿命长，耐磨性好，磨损后在一定程度上能自动补偿。结构简单，使用、维护方便，价格低廉。 间隙密封是靠相对运动见配合面之间的微小间隙来进行密封的。间隙密封常用与柱塞、活塞或圆柱配合副中。 O型密封圈一般用耐由橡胶制成，其横截面呈圆形，它具有良好的密封性能，内外侧和断面都能其密封作用。它具有结构紧凑、运动件的摩擦阻力小、制造容易、装拆方便、成本低、高低压均可用等特点，在液压系统中得到广泛的应用。 唇形密封圈根据截面的形状可分为Y形、V形、U形、L行等，其工作原理：液压力将密封圈的两唇边压向形成间隙的两个零件的表面。这种，密封作用的特点是随着工作压力的变化自动调整密封性能，压力越高则唇边被压的越紧，密封性越好，当压力降低时唇边压紧程度也随之降低，从而减少了摩擦阻力和功率消耗。此外，还能自动补偿唇边的磨损。 组合式密封装置包括密封圈在内的二元以上元件的组合密封装置。充分发挥了橡胶密封圈和滑环各自的长处，不紧工作可靠，摩擦力低、稳定性好，而且使用寿命比普通橡胶密封提高近百倍，在工程上得到了广泛应用。回转轴的密封装置这种密封圈主要用作与液压泵、液压马达和回转式液压缸的伸出轴的密封，以防止油液漏到壳外部，它的工作压力一般不超过0.1MPa，最大允许线速度为4-8m/s。 4.2 密封元件常用的材料4.2.1 橡胶类（1）丁腈橡胶（包括氢化橡胶）这是一种丁二烯和丙烯的共聚物，加有碳黑、增塑剂及填充剂，以便得到在一定温度、压力下为形成可靠密封和一定抗流变性所必需的柔韧性。这种橡胶广泛用于不十分严重的环境。它的优点较多，具有很好的抗油性和柔韧性。在高压下还具有良好的抗挤性能。在油气井中能适应常有的大部分液体和气体，保持足够的柔韧性，因而解封张力锚时能缩回原状易于起出。不过这种橡胶也有一定的局限性。即不断硬化，在149以上更为严重。丁腈橡胶在107的含硫化氢环境中长时间工作后，起出地面观察，发现有一些硬化，但由于它是橡胶浸泡在井中有压力的液体内，所以能保持密封。因此这种材料用于长期不动的条件是可行的。（2）氯丁橡胶它是由氯丁二烯（氯丁二烯丁二烯与其他单体共聚）聚合而成。它能抵抗芳香的低温油品，但在热水（蒸汽）中，会很快失去强度。用石棉填充的氯丁胶“V”形密封，以酚醛树脂作为支撑件，可以用于300F(148)至350F（176），但它在高温下会泡胀而造成滞塞。（3）乙丙橡胶其主要原料是乙烯和丙烯。可分为二元乙丙橡胶和二聚乙丙橡胶（EPDM）。它能经受246高温、45.7大气压的蒸汽条件，在148以下时，它对含硫气体有良好的抗力，但在热油中会很快损坏。这就意味着这种橡胶不能应用于与油密切接触的条件，同时这种橡胶还有一个缺点，即很难和金属件硫化。（4）氟碳橡胶这种橡胶广泛用于中等恶劣环境。石棉填充的Viton用于深气井颇为流行。据伯利报道，Viton短时间用于300F（148）的硫化氢环境勉强可行，但用于长时间的高温条件，则不太令人满意。这种化合物具有好的抗硫化氢侵蚀特性，但不能与胺类阻蚀剂接触这是用于含硫井的一个主要限制条件。（5）TRW9203橡胶化合物此种橡胶用在恶劣条件，被认为优于氟碳橡胶和丁腈胶。应用中发现：它在油中比在气体中损坏更为严重，但能耐高达300F（148）的高压含硫化氢的井液的侵蚀。这种材料用于450F（232）的高温时，明显软化。因此用于高温条件时，要求采用紧配合或者间隙为零的“防突”止挡件。此种化合物是一种专门的混合胶（其化学性质目前文献还未见报道）。（6）卡尔雷兹（Kalrez）全氟橡胶这是一种最新型的，也是目前用于恶劣条件的最好材料，它是聚四氟乙烯及氟碳橡胶的结合物，对含硫化氢的井液表现惰性，不过硫的浸蚀可使其强度有所降低。但试验表明，仍有良好的抗硫性。这种材料通常用玻璃纤维来提高强度。卡尔雷兹作为新型的“KTR”密封组合系统的心脏，已在美国东南部油田生产井测试：（高温、高含硫）中获得成功。其井下工作条件为：含硫化氢达14%，温度300F（149）压差为7000磅英寸2（490公斤厘米2）。工作两年后，因其他原因起出。提升负荷很小，未发现卡滞现象，而且密封件状况良好。4.2.2 塑料类塑料密封元件主要用于内密封。对密封元件起到补强和“防突”作用。（1）聚四氟乙烯作为中等硬度的密封材料，它在高压井中特别有用；它还是一种用于密封腔容座的很好的低摩擦及防腐的涂层材料。未加填充物的聚四氟乙烯，化学上显惰性，但在高温（约240）下会很快变脆软，且易突出，因此通常用玻璃纤维填充以提高强度，它可以用在一个被保护的密封设计中靠机械挤压形成一种“弹性密封”。（2）聚苯撑硫树脂雷东（Ryton）这种材料在600F（315.5）条件下会蒸发,是比聚四氟乙烯更硬一些的另一种热塑性塑料,具有良好的化学抗力。可用玻璃纤维提高强度。在“V”形多级硬度的组合密封装置中，也可以用作支撑作用的终端“防突”件。以上两种均属于热塑性塑料，并广泛用于高温高压深井。此外，用于密封装置中的塑料还有热固性塑料一类（如环氧树脂和酚醛树脂等），主要是用作保护圈，起“防突”作用。（3）石棉-石墨材料随着高温深井完井和热力采油工艺的需要，人们不得不寻找各种新的耐热材料。除耐热橡胶、塑料可用于高温条件之外，还研制出了石棉-石墨一类的耐热密封材料。（4）金属类对用于井深3000米，地层压力300公斤厘米2、地层温度130的密封元件，目前普遍采用的密封材料有胶皮、石棉-石墨、塑料、氟塑料等。这些材料往往因强度和可塑性不够而不能保证可靠密封。为了克服上述不足，苏联试验了塑性高又耐磨的铅密封元件，铅表面涂有阻蚀薄膜，具有耐高温（327），耐酸。可塑性高的特点，可用作机械式减震器的密封元件。油液从油缸高压腔泄漏到低压腔或泄漏到缸体外面去，将会造成工作机构运动不稳定和定位不准确，容积效率低，严重时使系统压力上不去，甚至整个系统无法工作。外泄还会造成工作环境污染、浪费油料等一系列弊病。因此密封装置的质量直接影响液压系统的性能，不能忽视。对密封装置的一般要求是，密封性好，摩擦力要小且稳定，寿命长，装卸方便等。当用于高压油缸时，对密封性的要求更高一些。当用于低速运动的油缸时，则要求摩擦力更加稳定，这样运动平稳，不产生爬行。机械设备密封性能的好坏，是衡量设备质量的重要指标之一。因为漏油、漏水、漏气会使机械工作不稳定、效率下降、污染环境、影响产品质量，有时还会造成设备和人身事故。为防止油、水、气等流体介质的漏油，在液压和气动机械等设备中，经常要使用各种密封元件。以前这些具有重要作用的密封元件主要是用皮、革、麻、石棉等纤维质的材料，所以不能完全防止泄漏。此外，这种密封元件还存在安装沟槽较复杂，需要较大的安装空间等缺点。随着合成橡胶的发展，出现了耐油、耐热、耐磨等具有各种特点的合成橡胶密封材料。目前，用合成橡胶材料制成的O型密封圈之所以能够得到广泛的应用，一方面固然与合成橡胶的发展有关，另一方面还和O型密封圈的形状和安装沟槽结构简单，且密封性能的好坏有关。但在使用O型密封圈时必须根据机器的工作条件，选择适当的材料，进行正确的设计采取有效的维护措施，否则，不仅不能保证机器在运转时不产生泄漏，而且还会发生由于O型密封圈在运转过程中的损坏所造成意想不到的故障。O型密封圈一般用耐油橡胶制成，其截面是O形。它又分固定用O形圈和运动用O形圈两种，其尺寸大小使不一样的。预压缩量是保证初始密封所必需，当压力升高后，O形圈被压向沟槽一侧，受压力油的作用变形，在外径方向进一步扩大，更加贴紧在配合表面上，从而起到密封作用。O形圈的特点是：密封压力范围广，静密封可达2000105Pa。动密封低速时密封性很好，高速时有少量渗漏。结构简单而且一个密封圈可起到双向密封的作用，在这些密封圈中算它的安装空间最小，最适合与小尺寸的低压油缸配用。运动摩擦阻力最小，但启动摩擦阻力比运动摩擦阻力大34倍，这对高压缸影响不大，但对低压缸就可能产生动作迟钝、爬行、振动等。为此，一般用减少预压缩量，选用低硬度橡胶和摩擦系数小的聚四氟乙烯滑环等措施来减小起动摩擦阻力。总之，O形密封圈是一种被广泛应用的密封装置。O型密封圈与其它密封圈相比之下取有以下优点：（1）密封部位结构简单，而且重量较轻；（2）容易安装；（3）密封性能好，用于静密封时几乎没有泄漏；（4）尺寸和沟槽易被标准化，易于使用和外购。 其不足之处是：（1）启动时摩擦阻力大；（2）用于气动装置的密封时需要加润滑油，否则易磨损。 O型密封圈的材料应按不同的要求进行选择，适当地选择合成橡胶的种类和匹配，可使 O型密封圈在-60200的范围内使用，一般用于气动、液压等机械中的封材料有丁腈橡胶 、氯丁腈橡胶、苯乙烯橡胶、硅橡胶和氟橡胶。在这里我们选用氟橡胶。氟橡胶的特性：A种氟橡胶是六氟丙烯和偏氟乙烯的共聚物（CF2-CH2-CFF3-CF2-）n氟橡胶不仅适用于高温矿物油，而且在二脂润滑油、硅润滑油、硅油、卤族碳氢化合物、磷酸