机械设计课程设计报告

机械设计课程设计报告抽油机机械系统设计姓氏是毛焰学校编号教官钱瑞明日期：2004年9月内容第1节设计任务-(1)第二节方案设计分析-(2)第3节轴承的选择和寿命计算-(17)第4节设计结果-(22)第5节经验和体验-(23)第6节附录-(25)第一节设计任务抽油机是将原油从地下提升到地面的主要采油设备之一。常用的有杆抽油设备由三部分组成：第一，地面驱动设备是抽油机；第二个是井下油泵，悬挂在油井油管的下端。第三种是抽油杆，它将地面设备的运动和动力传递给井下油泵。抽油机由电机驱动，通过减速传动系统和执行系统(由旋转变为往复运动)驱动抽油杆和油泵柱塞上下往复运动，从而实现将原油从地下提升到地面的目的。图1-1假设马达以恒定速度旋转，泵送单元的运动周期为t，并且抽油杆的上冲程时间等于下冲程时间。冲程S=1.4m，冲程N=11次/分钟。当原油在上部冲程中被提升时，作用在悬点上的载荷等于原油的重量加上抽油杆和柱塞本身的重量为40kN。下冲程的原油已经释放，作用在悬点上的载荷等于抽油杆和柱塞本身的重量15kN。要求：(1)根据任务要求，进行抽油机机械系统总体方案设计，确定减速传动系统和执行系统的组成，并绘制系统方案示意图。(2)根据设计参数和设计要求，采用优化算法设计执行系统(执行机构)的运动尺寸。优化目标是使抽油杆上冲程悬挂点的加速度最小，执行系统应具有更好的传力性能。(3)建立执行系统输入输出(悬挂点)之间的位移、速度和加速度关系，编制数值计算程序，绘制一个周期内悬挂点的位移、速度和加速度线图(以抽油杆最低位置为机构零位)。(4)选择电机类型，分配减速传动系统各级传动的传动比，设计计算传动机构的工作能力。抽油机机械系统结构设计，绘制关键部件装配图和工作图。第二节方案设计分析一、抽油机机械系统总体方案设计根据抽油机功率大、冲程次数少、传动比大的特点，初步确定如下总体方案，如框图所示：图2-11.实施系统方案设计图2-2图2-3由于致动器将连续单向旋转转换为往复运动，因此采用四连杆致动器，简单示意图如图2-2所示点P代表悬挂点的位置；AB杆代表输入端，与减速器的输出端相连，逆时针旋转。指示输出端；广告意味着架子；e是悬臂长度，通常e/c=1.35；行程S等于相对于方位角和方位角的旋转角的乘积抽油杆的上行时间等于下行时间，即上行曲柄角等于下行曲柄角，=0，属于三类曲柄摇杆机构。为了便于研究，将框架旋转到水平位置，如图2-3所示。图中的位置分别代表悬挂点的最高和最低位置。旅行，从图中可以看出以下关系：根据工程要求，取作为设计变量：因此，总是满足最小传动角的要求。因为它是第三类曲柄摇杆机构，它有优化计算方法：取有限范围内的c、a、b、d，计算曲柄摇杆机构各部件的尺寸，以抽油杆的最低位置为机构的零位：曲柄角，计算摇杆摆角、角速度和角加速度，当上升时悬点加速度ac=1.35c图2-5所示的铰链四杆机构ABCD被认为是一个封闭的矢量多边形。如果a、b、c、d分别代表每个分量的矢量，则该机构的矢量方程为a b=c d，其以复数形式表示如下(*)在x轴的正方向上逆时针测量指定的角度。根据欧拉公式根据方程，实部和虚部分别相等，即,摆脱根据通用公式和机构的装配特点因此它是可用的公式(*)相对于时间的(#)导数摆脱方程(#)相对于时间的导数拿走，拿走真正的部分。悬挂点的位移表达式为s=e(arcos)，速度表达式为v=e，加速度表达式为AC=e。因为有一个初始角度，所以增加了一个弧角(b/d)，即=弧角(b/d)。从0到360。其次，利用Matlab软件进行编程计算和绘图。具体程序见附录。其中，通过机构优化设计程序的运行获得的结果如下：最小值=1.2141 m/，a=0.505 m，b=2.112 m，c=1.320 m，d=2.439 m。通过(7)在行程程序中找到最大速度的悬挂点的操作结果如下：最大速度=0.7954米/秒2.整体传输方案传输系统的总体方案初步确定，如图2-6所示。选择三角皮带传动和两级圆柱斜齿轮减速器(膨胀型)。传输总效率=0 . 940 . 980 . 980 . 980 . 999=0.867。是三角带的效率，是第一对轴承的效率，是第二对轴承的效率，是第三对轴承的效率，是每对齿轮的啮合传动效率(齿轮的精度为6级，用稀油润滑)。图2-63.电机选择电机所需的工作功率为：p=p/=35.351/0.867=40.77千瓦。致动器的曲柄速度为n=11r/min。查表后，根据推荐的合理传动比范围，v带传动的传动比I为2 4，二级圆柱斜齿轮减速器的传动比I为8 40，总传动比的合理范围为I=16 160，电机转速的可选范围为n=in=(16 160) 11=176 1760 r/min。考虑到电机和传动装置的尺寸、重量和价格，以及皮带传动和减速器的传动比，选择了Y2-280S-6型三相异步电机，额定功率45kW，额定电流85.9A，满载转速n=980 r/min，同步转速1000r/min。4.传动装置的总传动比和传动比分配(1)总传动比从所选择的电机满负荷转速n和工作机驱动轴的转速n，传动装置的总传动比可以获得为I=n/n=980/11=89.091(2)传动装置的传动比分配在公式i=ii中，I和I分别是皮带传动和减速器的传动比。为了防止三角带传动的外形尺寸过大，最初为1=3.61，然后减速器的传动比为1=1/1=89.091/3.61=24.679。根据各种原理，查找表的高速齿轮比是I=6.3，然后I=I/I=3.925.传输运动和功率参数的计算(1)每个轴的转速n=n/i=980/3.61=271.47r/minn=n/i=271.47/6.3=43.09 r/minn=n/(ii)=11 r/min(2)各轴输入功率P=P=40.770.94=42.3千瓦P=P=42 . 30 . 980 . 99=41.04千瓦P=P=41 . 040 . 980 . 99=39.82千瓦(3)每个轴的输入扭矩I轴t=9550 p/n=955042.3/271.47=1.488 KNm轴ii t=9550 p/n=955041.04/43.09=9.096 knmiii轴t=9550 p/n=955039.82/11=34.5km6.v带传动的设计(1)确定计算功率电机的工作条件系数和输出功率在哪里选择皮带类型据此，最初在地图中选择了C带。(3)选择滑轮参考直径如果在查表中选择了小滑轮的基准直径，则大滑轮基准直径公式中的是皮带的滑动率，通常取为(1% 2%)，在查表后取。(4)检查皮带速度v在10 20米/秒范围内，三角带充分发展。(5)确定皮带的中心距离和参考长度在该范围内，中心距离是初始确定的，因此皮带长度较长。查一下这个数字，然后出售具体皮带和滑轮的主要参数如图2-7所示。图2-77.齿轮的设计和计算(1)高速齿轮传动的设计与计算1.齿轮材料、热处理和精度考虑到该减速器的功率和现场安装的局限性，大小齿轮均为硬齿渐开线斜齿轮。(1)齿轮材料和热处理大齿轮和小齿轮的材料是20CrMnTi。齿面渗碳淬火，齿面硬度为58-62 HRC，有效硬化层深度为0.5-0.9 mm。查图后取=1500兆帕，=500兆帕。(2)齿轮精度根据GB/T 10095-1998，选择6级，对牙根进行喷丸处理。2.齿轮传动主要尺寸的初步设计由于硬齿面齿轮传动具有很强的齿面抗点蚀能力，因此在检查表面接触疲劳强度之前，根据齿根的弯曲疲劳强度进行设计。(1)计算小齿轮传递的扭矩=kNm(2)确定齿数z因为是硬齿面，取z=19，z=iz=6.319=120传动比误差i=u=z/z=120/19=6.316I=0.25% 5%，允许(3)齿宽系数的初步选择根据不对称排列，由表中发现=0.6(4)螺旋角的初步选择初始螺旋角=15(5)负载系数k系数为k的工作机受冲击较小，原动机平稳，查表显示k=1.25动态载荷系数k估计齿轮圆周速度v=0.75m米/秒，k=1.01。齿载荷分布系数k预测齿宽b=40 mm，当查图时k=1.17，最初取b/h=6，当再次查图时k=1.13在齿间载荷分布系数查找表中，K=K=K=1.1负载系数K=K=K K K=1 . 251 . 011 . 11 . 13=1.57(6)齿廓系数y和应力修正系数y等效齿数z=z/cos=19/cos=21.08z=z/cos=120/cos=133.15Y=2.8y=2.17y=1.56y=1.82(7)符合系数y端面重合度约为=1.88-3.2()cos=1.88-3.2(1/19 1/120)cos 15=1.63=arctg(TG/cos)=arctg(tg20/cos 15)=20.64690=14.07609因为=/cos，所以符合系数y=0.250.75cos/=0.696(8)螺旋角系数y轴向重合度=1.024，取1Y=1-=0.878(9)容许弯曲应力安全系数见表S=1.25工作生活是两班制，7年，每年300天。小齿轮应力循环数n1=60 nkt=60271.471730028=5.47310大齿轮应力循环时间N2=n1/u=5.47310/6.316=0.86610地图搜索的生命系数；检验实验齿轮的应力修正系数，得到尺寸系数。容许弯曲应力相比之下，拿(10)计算模量根据GB/T1357-1987，取整为标准模数(11)主要尺寸的初步计算对于中心距离的初始计算，取a=355毫米。螺旋角的校正分度圆直径齿宽，取，齿宽系数(12)检查负载系数周速乍得按，找到答案，因为，乍得，然后k=1.6，Y=0.930，Y=0.688。为了得到满足齿根弯曲疲劳强度。3.检查齿面接触疲劳强度(1)负载系数，(2)确定每个系数材料弹性系数查询表映射节点面积系数查找符合系数螺旋角系数(3)容许接触应力试验齿轮的齿接触疲劳极限寿命系数是通过查图表得到的；加工硬化系数；查找安全系数表；如果在表中检查尺寸系数，允许接触应力为：拿(4)检查齿面接触强度满足齿面接触疲劳强度的要求。(2)低速齿轮传动的设计与计算1.齿轮材料、热处理和精度考虑到该减速器的功率和现场安装的局限性，大小齿轮均为硬齿渐开线斜齿轮。(1)齿轮材料和热处理大小齿轮的材料是45钢。淬火回火后，表面淬火，齿面硬度为40-50 HRC。查图后，取=1200兆帕，=370兆帕。(2)齿轮精度根据GB/t10095-1998，选择6级，并对齿根进行喷丸处理。2.齿轮传动主要尺寸的初步设计由于硬齿面齿轮传动具有很强的齿面抗点蚀能力，所以它是按弯曲设计的根据不对称排列，由表中发现=0.6(13)螺旋角的初步选择初始螺旋角=12(14)负载系数k系数为k的工作机受冲击较小，原动机平稳，查表显示k=1.25动态负载系数k估计齿轮圆周速度v=0.443 m/s，k=1.01。齿载荷分布系数k预测齿宽b=80 mm，图表中k=1.171，初始阶段b/h=6，图表中k=1.14。在齿间载荷分布系数查找表中，K=K=K=1.1负载系数K=K=K K K=1 . 251 . 011 . 11 . 14=1.58(15)齿廓