节能型抽油机刹车系统设计_机械制造与自动化毕业设计

1、节能型抽油机刹车系统设计_机械制造与自动化毕业设计 毕业论文课 题 名 称节能型抽油机刹车系统设计分 院/专 业 机械工程学院/机械制造与自动化班 级学 号学 生 姓 名摘 要 本说明书主要介绍了抽油机刹车机构的设计探索,先绍了抽油机制动系统的设计意义、研究现状以及设计目标。然后对制动系统进行方案论证分析与选择,主要包括制动器形式方案分析、制动驱动机构的机构形式选择。抽油机刹车过程中出现的问题,通过对刹车装置的计算分析,找出故障原因和能有效解决问题的方法,从而对刹车操纵装置传动部分进行改进,达到满意的刹车制动效果。最后确定方案采用内胀式刹车机构系统,内胀式刹车结构系统具有良好的刹车制动性能,其

2、具有的自刹车性能,可以很好的保证抽油机的正常生产以及操作人员的人生安全。除此之外,还根据已知的抽油机相关参数,通过计算得到了制动器主要参数、制动力矩和制动力等相关参数,以及对关键的零部件进行设计和校核。最后对制动性能进行了详细分析。关键字:制动 内胀式制动器 故障分析 刹车装置 安全生产Abstract This paper mainly introduces the design of braking system of the pumping units. First of all , introducing the braking systems design significance,

3、 current research and design goals .Then the program analysis and selection of the braking systems is in progress , which includes the form of the braking system , the selection of the braking driving mechanism .Through finding the problems in the pumping process , it aims at solving problems of dif

4、ficulty with adjustment of draw bar type brake gear on pumping unit , the source of trouble was hunted through the calculation analysis and the effective solution was obtainedThe improvement was made on the operation device of brake gear in order to satisfy the braking requirementAt last, the plan a

5、dopting the within the expansion brake system , with its good self-braking performance which can ensure normal production and the safety of the workersBesides , this paper also introduces the designing process of front brake and rear break ,braking cylinder , parameters choice of main components bra

6、king and channel settings , as well as to check the key parts , and the analysis of brake performance.Key words: braking; braking disc; fault analysis; brake gear; production safety目录第1章 绪论11.1制动系统设计的意义 1 1.2制动系统研究现状 1 液压盘式刹车系统.31.4本次抽油机刹车系统设计任务4第2章 刹车系统方案论证分析与选择52.1 LZCB型链条抽油机的工作原理. 52.2 鼓式制动器 52.3

7、 盘式制动器.82.4 带式制动器.82.5 结论 9第3章 刹车结构的设计103.1 电动机的选择.103.2 传动参数的计算123.3 刹车制动系统的设计.15第4章 抽油机刹车操作规范254.1调整抽油机刹车行程254.2抽油机刹车不灵或自行溜车的故障及处理方法. 25结论.27参考文献28致谢29第1章 绪论1.1 制动系统设计的意义 在现代工业中,抽油机的大量应用已经大大加快了经济的发展。一般我们所看到的是带有一个很大的扇形铁块来回运动的抽油机,我们形象的称之为“磕头机”。近年来,随着抽油机技术的发展,出现了各种类型的抽油机。如国内出现的长冲程式抽油机,游梁式抽油机,这包括干扰平衡游

8、梁式抽油机、偏轮游梁式抽油机、常规游梁式抽油机等,节能型抽油机。 作为抽油机的核心部件之一的刹车系统,其在抽油机中起着非常重要的作用。刹车系统的安全可靠性不仅关系到油田的正常生产能否顺利进行,而且还涉及到操作人员的人身安全问题。抽油机刹车机构是抽油机的制动装置,为了保证抽油机各项操作的顺利进行,抽油机刹车必须灵活可靠。由于长时间使用,抽油机刹车片与刹车轮之间会造成间隙过大。因此,应经常检查和调整抽油机刹片,保证其灵活好用。本次毕业设计课题为节能型抽油机刹车系统的设计探索。1.2 制动系统研究现状 抽油机在工作过程中要频繁进行制动操作,由于制动性能的好坏直接关系到油田的正常生产和操作人员的人身安

9、全,因此制动性能是抽油机非常重要的性能之一,改善抽油机的刹车性能始终是抽油机设计制造和改进的重要任务。当抽油机需要停机或进行相关停机作业时,作用力在杠杆作用下传递到刹车蹄片,使其对刹车毂进行抱紧动作。此时,刹车蹄片与刹车毂之间产生静摩擦力,从而对刹车毂及与刹车毂相连接的减速箱输入轴产生静扭矩,从而达到工作制动。因此制动过程受力情况分析是抽油机试验和设计的基础,由于这一过程较为复杂,因此一般在实际中只能建立简化模型分析,通常人们从三个方面来对制动系统进行分析和评价: 1)制动效能:即制动减速度; 2)制动效能的恒定性:即热衰退性; 3)制动时抽油机的稳定性; 正是基于刹车系统对于抽油机的重要性,

10、在国内外出现了不同类型的刹车系统。它们的刹车工作原理及操作方法不同,但其主要目的是为了更好的保证生产,提高劳动效率及保障操作人员的人身安全。以下将作一一介绍: 随着科学技术的进步,石油机械正逐步迈向远程网络电脑自动控制阶段,国外部分油田的抽油机也实现了电脑联网、远程数据采集、工作运行全程自动控制。目前,国内油田使用的抽油机都是采用机械式手刹车装置,虽然具有简单可靠等特点,但是不能与电脑自动控制系统接轨,特别是在抽油机无人现场值守或运行的抽油机分布较广等情况下,都会发生不能及时刹车断电等问题,给安全运行带来隐患。 如图1-1所示是一种电控刹车装置。该刹车装置主要包括电磁转换部分、传动部分和固定支

11、撑部分。电磁转换部分包括电磁铁和衔铁,传动部分包括固定架、复位弹簧、拉杆和自锁装置,固定部分包括底座和支架。其工作原理是:当电磁转换部分接收到刹车信号后电磁铁吸合,通过传动部分将刹车片锁紧,起到电控刹车作用。该装置适用于油田全程电脑自动化控制,抽油机停机后可向其发出刹车指令,实现远程自动电控刹车。 图1-1 电控刹车装置 1一底座;2一电磁铁;3一安装架;4一衔铁;5一支架 6一复位弹簧;7一拉杆;8一自锁装置 气控刹车系统是根据改造后钻机工况要求及考虑司钻的工作环境开发的一项新的刹车系统,目前已在国内应用。该系统使得司钻由原来的露天操作大刹把改为司钻控制房内操作气控阀来完成整个钻井任务,这不

12、但改变了司钻的工作环境,减少了劳动强度,保证人身安全,而且提高了整个钻机的自动化控制水平。 气控刹车装置由司钻控制房、刹车装置、监视通讯系统、模拟高度指示仪4部分组成,在不改变原绞车结构的情况下,取掉原来的大刹把,在装刹把的位置装一联轴器与气控刹车装置连接就可。气控刹车系统工作原理如图1-2所示。 图1-2 气控刹车装置工作原理图 中国石油勘探开发研究院采油采气装备所于1997年研制成功了PST25型杠杆可调节浮动油缸常闭式盘式刹车,并在1998年将液压盘式刹车装置设计进一步优化,行成了以制动执行机构、液压站和操作台三部分的制动组成部分。目前,该装置经过改进,已广泛应用于国外大型开采公司。如图

13、1-3所示为液压盘式刹车系统的制动执行机构。 图1-3 液压盘式刹车系统的制动执行机构 1一滚筒;2一刹车盘;3一工作钳;4一钳架; 5一安全钳;6一过渡板1.3 本次制动系统设计应达到的目标 对抽油机刹车制动系统的设计,以改善和提高刹车工作制动的安全性、可靠性、牢固性和可操作性。 1)具有良好的制动效能; 2)具有良好的制动效能稳定性; 3)制动时抽油机工作稳定性好; 4)制动效能的热稳定性好;1.4本次抽油机刹车系统设计任务 1)了解抽油机的组成部分及工作原理。 2)对比分析不同刹车系统的优劣,并根据实际情况选择满足工作要求的刹车结构。 3)根据抽油机基本参数对刹车系统的主要部件进行设计计

14、算,并选择合适的制动器部件。合理设计刹车系统,满足抽油机相关要求。 4)绘制刹车系统装配图及各零件图。 5)将方案论证的结果及设计计算的结果整理,完成毕业论文。第2章 刹车系统方案论证分析与选择2.1 LZCB型链条抽油机的工作原理 电动机通过窄V带将其高速旋转的运动传递给减速器的输入轴,经中间轴后带动输出轴,输出轴驱动主动链轮旋转,输送链条在平行布置的主动链轮与从动链轮之间运转,链条上的特殊链节通过销轴和换向器连接,随着链条做循环往复运动。装有滑动轴承的特殊链节一端用链条通过导轮与抽油杆连接,另一端用链条通过两个导轮与重力平衡箱连接,实现抽油杆的上下往复运动。根据井压变化情况,调整平衡箱内的

15、铸铁配重块,以此满足抽油机的精确平衡。 图2-1 LZCB型链条抽油机 LZCB抽油机组成部分: (1)游梁部分:导轮,游梁,横梁,尾梁,连杆,平衡板。 (2)支架部分:中央轴承座,工作梯,护栏,机架,支架。 (3)减速器部分:底座,减速器,曲柄,配重块,刹车机构等部件。 (4)配件部分:电机座,电机,配电箱。2.2 鼓式制动器 鼓式制动器是最早形式运用与汽车制动器,当盘式制动器还没有出现前,它已经广泛应用于各类汽车上。鼓式制动器又分为内胀式鼓式刹车制动器和外抱式刹车鼓式制动器两种结构型式。内胀型鼓式制动器的摩擦元件是一对带有圆弧形摩擦蹄片的制动蹄,后者则安装在制动底板上,而制动底板则紧固在前

16、桥的前梁或后桥桥壳半轴套管的凸缘上,其旋转的摩擦元件作为制动鼓。制动时,利用制动鼓的圆柱 (6) 下降管、上升管(水冷壁)、给水管等组成水循环回路。 内表面与制动蹄摩擦蹄片的外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上产生摩擦力矩,故又称为蹄式制动器。目前,油田上使用的抽油机在生产过程中,刹车鼓轴键槽变形后会造成刹车系统失灵,灵敏度降低,甚至失效,最终导致刹车鼓报废,从而增加了生产成本,降低了生产效率。外抱型鼓式刹车制动器的固定摩擦元件是带有摩擦片且刚度较小的制动带,其旋转摩擦元件为制动鼓,并利用制动鼓的外圆柱表面与制动带摩擦片的内圆弧作为一对摩擦表面,产生摩擦力矩作用于制动鼓,故又称为带式制动器。通常所

17、说的鼓式制动器就是指这种内胀型鼓式结构。 1)内胀式刹车制动器 如图2-2所示刹车锁紧装置是由调节拉杆1、复位弹簧2、固定支座3、U型挡板4和锁紧螺母5组成。其中,调节拉杆1与抽油机刹车机构中的刹车箍7连接,复位弹簧2和固定支座3穿装在调节拉杆1上,固定支座3固定连接在抽油机减速箱上,用于固定调节拉杆1及刹车箍7与刹车轮之间的相对位置。U型挡板4穿装在调节拉杆1上与刹车操纵连杆连接的一端,并与刹车箍7的外侧相接触,锁紧螺母5位于U型挡板4的内侧,并与调节拉杆1通过螺纹连接。调节拉杆1一端的端部设有连接孔6,用于调节拉杆1与抽油机刹车操纵连杆的铰连接。 图2-2 内胀式刹车制动器工作原理:当需要

18、停止抽油机运行,进行设备保养、调整、更换油井作业时,可扳动刹把,通过调节拉杆1、固定支座3和复位弹簧的作用,使刹车箍7的开口端向中间合拢,将刹车轮抱紧,抽油机停止运行。此时,可转动锁紧螺母5,使其沿调节拉杆1移至U型挡板4中离刹车箍7较近的一侧,并靠U型挡板4的阻挡作用将刹车箍7锁紧在刹车状态。即使出现误碰、误松刹把或刹车操纵机构中的棘齿、棘轮出现故障,刹车箍7也不会出现松脱现象。由此避免了机械、人身事故的发生。当设备保养、调整、更换油井作业完毕,需要启动抽油机运行时,只要用扳手转动锁紧螺母5,使其沿调节拉杆1移 至U型挡板4中离刹车箍7较远的一侧,然后松开刹把,通过复位弹簧2的推力,即可将刹

19、车箍7松开,启动抽油机运转。 2)外抱式刹车制动器 如内胀式刹车制动器一样,外抱式刹车制动器也是靠刹车片和车轮毂接触时发生摩擦而起到制动作用。 图2-3 外抱式刹车制动器 如图2-3所示外抱式块式制动器,具有左右螺纹的螺杆5绕线x-x转动,带动螺母1和4相向移动而缩短距离,使摇杆2和6分别沿顺时针和逆时针方向转动,从而带动左右两闸块a制动轮3。 内胀式制动器与外抱式制动器的优劣比较: 内胀式制动器优点:自刹作用,内胀式刹车具有良好的自刹作用,由于刹车来令片外张,车轮旋转连带着外张的刹车鼓扭曲一个角度(当然不会大到让你很容易看的出来),刹车来令片外张力(刹车制动力)越大,则情形就越明显;内胀式制

20、动器结构紧凑,可用于安装空间受限制的场合;另外,内胀式制动器制造成本低。 内胀式制动器缺点:由于内胀式刹车来令片密封于刹车鼓内,造成刹车来令片磨损后的碎削无法散去,从而影响了刹车鼓与来令片的接触而影响刹车性能。 外抱式制动器优点:由于外抱式刹车制动器没有密封,因此刹车削不会沉积到刹车轮上,且随着刹车轮的离心力作用,可以将刹车削向外抛去;外抱式制动器简单可靠,散热性好;调整间隙方便,对于直形制动臂,制动转矩大小与转向无关,制动轮轴不受弯曲作用力;另外,因为其是独立的零件,故更容易维修。 外抱式制动器缺点:外抱式制动器包角和制动转矩小,制造比较复杂,杠杆系统复杂,制造成本较高。2.3盘式制动器 盘

21、式制动器是利用轴向压力使圆盘或圆锥形摩擦表面压紧,实现制动。制动轮轴不受弯曲。构造紧凑。与带式制动器比较磨损均匀。制动转矩大小与旋转方向无关,制动封闭形式防尘防潮。摩擦面散热条件仅此于块式和带式,温度较高。可采用多组布置,又可控制液压,使制动转矩可调性好。适于应用在紧凑型要求高的场合,如车辆的车轮和电动葫芦中。大载荷自制盘式制动器靠重物自重在机构中产生的内力制动,它能保证重物在升降过程中平稳下降和安全悬吊。主要用于提升设备及起重机械的起升机构中。 盘式制动器按摩擦副中定位原件的结构不同可分为钳盘式和全盘式两大类。 1)钳盘式 钳盘式制动器按制动钳的结构形式不同可分为定钳盘式制动器、浮钳盘式制动

22、器等。 定钳盘式制动器:这种制动器中的制动钳固定不动,制动盘与车轮相连并在制动钳体开口槽中旋转。具有以下优点:除活塞和制动块外无其他滑动件,易于保证制动钳的刚度;结构及制造工艺与一般鼓式制动器相差不多,容易实现鼓式制动器到盘式制动器的改革,能很好地适应多回路制动系的要求。 浮钳盘式制动器:这种制动器具有以下优点:仅在盘得内侧具有液压缸,故轴向尺寸小,制动器能进一步靠近轮毂;没有跨越制动盘的油道或油管,液压缸冷却条件好,所以制动液汽化的可能性小;成本低;浮动盘的制动块可兼用驻车制动。 2)全盘式 在全盘制动器中,摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆盘形,制动时各盘摩擦表面全部接触,其作用原理与摩擦式

23、离合器相同。由于这种制动器散热条件较差,其应用远远没有钳盘式制动器广泛。2.4带式制动器 带式制动器构造简单紧凑。包角大,制动转矩大。制动轮轴受较大的弯曲作用力,制动带的压强和磨损不均匀,且受摩擦因数变化的影响较大,散热差。简单和差动带式制动器的制动转矩大小均与旋转方向有关,限制了应用范围。适于要求结构紧凑的场合,如用于移动式起重机中。 带式制动器按带型可分为: (1)简单带式 (2)差动带式 (3)综合带式2.5 结论 综合以上制动器,考虑到抽油机工作的性质和条件,制动器合理的制动转矩及其重要性不仅关系到油田的正常能否顺利生产,而且还涉及到操作人员的人身安全问题,决定在生产中选用内胀式制动器

24、刹车结构,正是考虑到其特有的自刹车作用,能够保证抽油机安全生产和操作人员的人身安全问题。 第3章 刹车结构的设计 由抽油机工作原理知,电动机将其高速旋转运动传递给减速箱的输入轴,经中间轴后带动输出轴。刹车系统装置正是通过其将减速箱制动,从而达到刹车制动的目的。为此,要对刹车系统进行设计,首先应计算出刹车系统的制动力矩,故而要知道输入轴的输入扭矩。所以,在设计刹车系统之前,首先对减速器进行设计,其中包括:电动机的选择;传动参数的计算。3.1电动机的选择 悬点载荷:F91KN 起下速度:V(5/24 1/3 )m/s 则起升功率为:Pw F V91(5/24 1/3 )Kw19 30.3Kw 即最

25、大起升功率:Pw30.3Kw 选择传动方案如下图3-1所示:图3-1 传动装置运动简图这一功率由电动机带动减速器来实现,则由电动机至传动链的传动总效率为,即有: (3-1) 其中分别为每一传动副的传动效率,分别为: 带传动: 0.95 0.92 ? 0.97 滚动轴承:0.98 齿轮传动: 0.98 (齿轮精度为7级,不包括轴承效率) 联轴器: 0.98(凸缘联轴器) 链传动: 0.91 则有 所Pd Pw/a 30.33/0.758 39.974kw(3-2) 根据所选链及链轮可确定主动齿轮轴的工作转速为: (3-3) 按表推荐的传动比的合理范围。 取V带传动的传动比: 二级圆柱齿轮减速器的

26、传动比: 则传动比的合理范围为: 故电动机转速的可选范围为: 由于动作过程中电动机需要经常改变方向,所以需要选择可以反转的电动机,根据容量和转速,选择“YBD系列隔爆型三相异步电动机”。设计中经常选用1500r/min或1000r/min的电动机;如无特殊要求,一般不选用3000r/min,750 r/min的电动机 其主要性能如表3-1: 表3-1电动机性能表 型号额定功率 (Kw)电压V电流A同步转速r/min效率 %功率因数YBD-280M-6 55380104.8 1000900.87 2.03.2 传动参数的计算YBD-280M-6型电动机总传动比: (3-4)分配传动装置传动比由公

27、式 (3-5)式中,分别为带传动和减速器的传动比,为使V带传动的外廓尺寸不至于过大,故初取:3.0按展开式布置,考虑润滑条件,两极大齿轮应有近似的浸油深度即使两个大齿轮直径相近,可由机械设计课程指导书图12展开式曲线查得有4.555则 传动装置各轴的运动及运动参数: 为进行传动件的设计计算,要推算出各轴的转速及转矩(或功率),将传动装置各轴有高速至低速依次定为:轴,轴,轴,轴。 i为相邻轴间的传动比; 为相邻两轴间的传动效率; 为相邻的输入功率(kw); T为各轴的输入转矩(Nm); n为各轴的转速。 则可按电动机轴至工作机运动传递路线推算,得到个轴的运动和动力参数: 各轴转速 -电动机同步转

28、速 -电动机至工作轴的传动比 1000 r/min I轴: 轴: 轴: IV轴: 各轴输入功率: 轴: 轴: 轴: IV轴: 各轴输入转矩: (3-6) 轴 轴 轴 IV轴 数据归纳为下表3-2:表3-2 传动装置各轴运动参数名称输入功率PKW输入转矩TNm转速Nr/min传动比 i效率 电动机39.974381.751000轴37.9751087.99333.334.5550.96轴36.474736.7573.2593.160.96轴35.0314430.2523.15910.96 IV轴34.32614140.2523.1593.3 刹车制动系统的设计 目前油田上在用的抽油机大都经过了十

29、几年的运转,且长期处在露天环境中工作, 存在着许多使用和设计上的安全隐患。一是刹车上的张紧弹簧经过长期使用,弹簧屈服系数降低 ,两弹簧张力不一致又不能得到及时的更换,造成刹车偏刹;二是刹车没有可更换的零部件,如内胀式刹车,一些抽油机可能从装机到现在从未更换过刹车蹄片,刹车装置容易造成突然刹车或刹车不能及时刹死等潜在的隐患;三是抽油机刹车装置的保险销设计存在着缺陷,常规抽油机保险装置普遍采用的是4个槽的保险销轮(锁紧范围为90一个点)和 6个槽的保险销槽轮 (锁紧范围为60一个点),间距都较大,在调防冲距、调冲程时,抽油机需刹车时很难根据操作需要使刹车的位置刚好处于保险销,当转到销子插入保险销槽

30、时,可能已经发生事故了;四是由于刹车和保险销无联动装置,容易造成刹车后未锁保险销而造成二次刹车失败,或松刹车后未松保险销,则会造成憋电机事故的发生;加之员工安全意识淡薄,停机时未使用保险销,这也增加了事故隐患。 改进的方法: 增加抽油机保险销槽轮开槽的密度 针对抽油机内胀式刹车进行抽油机保险销槽轮改造,改造的目的是尽可能缩短移动距离而能插入保险销,其方法是将现有保险销槽轮4槽改为8槽,这样45一个点,间距变小,方便操作,保证了刹车的准确定位。若想实现抽油机任意位置的停机,则需进一步改进,如图3-2是保险销槽轮设计思路示意图,它只允许轮盘单方向转动,当反方向转动时,可立即锁死,从而实现任意位置销

31、紧保险销。图3-2 保险销槽轮设计思路 1.制动力矩计算 由上述得作用在减速器输入轴上的扭矩为1087.99 N?m。为使刹车机构稳定制动,计算制动力矩为 , 式中,n为制动安全系数,取1.5。参照YWZ 100-800 电力液压块式制动器(JB/ZQ 4388-1997),选用制动器型号YWZ400/90 则制动轮直径D400mm,B170mm,D1370mm,D2275mm,d1175mm,d270mm,12mm,d80mm,L172mm。制动转矩为1600 N?m. 制动瓦额定正压力 3-7 这里,L1表示制动瓦的上半部分距离,根据刹车轮的半径,这里取L1200mm, 表示摩擦副间的摩擦

32、系数,取0.35,b0.5xB+0.5xD,B取为60mm,则计算得b230mm 弹簧到刹车瓦的杠杆比3-8 这里,取.则 2.弹簧的计算 刹车瓦额定工作力 3-9 表示弹簧到刹车瓦的机械效率,其值在0.9-0.95之间,这里取0.95. 则. 1).在这里,因为弹簧是用来被压缩的,故选择压缩弹簧。根据表16-2,选用碳素弹簧钢丝C级。 2).根据表16-5(普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列)选择弹簧中径为,取弹簧丝直径为,由表16-3暂选, 则根据表16-2可知, 3).由表16-2取, 现选取旋绕比C6,则根据式16-9计算弹簧刚度为 (3-10) 安装长度 3-11 这里,L0表示弹簧的自由长度

33、,取L0240mm 则 弹簧安装力 则弹簧的最大工作力 3.制动瓦的计算 制动块摩擦面的压强 3-12 这里,B260mm, B2为制动瓦宽度,为制动块包角,rad一般取70o或88o,这里取为85o. 1.93?Pp, Pp查表5-4-5得Pp5,故满足条件。 制动瓦销轴孔压强 3-13 表示销轴孔长,取50mm,表示销轴孔径,取20mm,K表示动载系数,取K1.25。 则11.395MPa?Psp, Psp为许用静压强,对于Q235, Psp12-16MPa.故满足条件。 4.刹车轴的设计 根据工作条件,初选轴的材料为45钢,并进行调质处理,硬度为217-255HBS。按照扭转强度法进行最

34、小直径估算,即。初算轴径时,若最小轴段处开有键槽,还要考虑键槽对轴强度的影响,对直径 d100mm的轴,有一个键槽时,轴径增大3%;有两个键槽时,应增大7%。对直径d100mm的轴,有一个键槽时,轴径增大5%-7%;有两个键槽时,应增大10%-15%。 查机械设计(第八版)表15-3得A0 120,且P137.975kW,n333.33r/min, 由公式3-14 可得,因为在轴端有销轴,故开有键槽, 则 又因为弹簧的缘故,故取70mm 因为要限制刹瓦的运动,故取轮毂的长度为L20mm,轮毂直径为D100mm 因为在凸轮的作用下,销在键槽中来回运动,故设计其长度为100mm左右。 传动机构的设

35、想图如图3-3所示图3-3 传动机构 由刹车装置的工作原理我们知道,通过手工操纵杆施加操纵力,使其带动曲轴转动,曲轴的另一端与传动杆相连接,再通过传动杆向下运动带动拉杆凸轮,通过凸轮的往复运动而带动滑动轴一同挤压刹瓦,从而抱死刹车轮进行刹车制动。 1.刹车连杆的设计: 刹车系统在调整刹车行程时主要是靠调节刹车连杆的长度来实现的,刹车连杆的连接是由螺纹连接。在这里,设计螺纹规格为dM16,螺杆长度为L1100mm,刹车螺栓的总长L800mm,左右各有一个相同规格的拉杆螺栓,材料选用45钢,并经调质处理。 由上述知,作用在转臂上的作用力FeF1Fe8604.81 N,则刹车连杆所受弯矩为: 3-1

36、5 3-16 查机械设计表15-1,知45钢许用弯曲应力60,故 ,故安全。 1一刹瓦 2一刹车轮 3一滑动轴 4一调节螺母5一弹簧 6一转臂 7一拉杆8一操纵杆 9一搬杆座 10一曲轴 图3-4 刹车装置结构如图所示中,NFe8604.81 N.设定拉杆凸轮长度为L500mm,15。则由公式,这里,C取45mm, 故796.44N 3-17 此处的F1为最小下拉力,实际作用在拉杆凸轮上的下拉力应大于F1,即最小应不小于796.44N. 在拉杆凸轮与传动杆之间选用销轴连接,根据表5-78螺纹圆柱销,选用M12的螺纹圆柱销连接长度L30mm, 则根据公式 3-18 销的材料选用35或45钢,查表

37、6-2知80MPa,故由知满足条件。 2.轴的设计 根据工作条件,初选轴的材料为45钢,并进行调质处理,硬度为217-255HBS。 根据轴的扭转强度条件: 3-19 式中:一扭转切应力,; T一轴所受的扭矩,; 一轴的抗扭截面系数,; 一许用扭转切应力,。 根据材料的性质,查机械设计(第八版)表15-3知45钢的为25-45,在这里,取为30,又由上述求得。 故由上式可得 又知当在轴上开有键槽时,最小轴径应增大10%一15%,则,故取。 则依次设计轴径为30mm一40mm一50mm一40mm一35mm. 查机械设计手册取键长为L40mm,采用圆头普通平键A型。轴径为30mm的键的尺寸为,轴径

38、为35mm的键的尺寸为. 套筒的长度为60mm,且根据工作,选用滑动轴承。右端采用螺栓轴向定位,左端采用弹性挡圈紧固。 如图所示,是抽油机刹车机构的搬杆座,由两块侧板组对焊接而成,侧板材料选用铸钢(Q235),根据产品结构分析,它的加工工艺方法不止一种,但以最简单、最方便的加工工艺达到产品的性能要求,是制定工艺的基本原则。 图3-5 搬杆座的设计 1 第一种工艺过程 原工艺如下:加工6-6定位孔及40轴孔两块侧板组焊;立式铣床加工R200弧面;卧式万能铣床加工6022齿形;拉38.310键槽。 在大批量生产过程中,发现此工艺生产效率低,劳动强度大,并存在以下不足。 1在立式铣床加工R100弧面

39、时,装卡不方便并且对刀具磨损较大,消耗高。 2在卧式万能铣床加装回转盘加工齿形,由于受升降行程的限制,一次只能加工1组,并且需要升、 降重达1000千克左右的工作台各22次,效率极低;加之在加工时工作台上无法装置挡水板,冷却液飞溅,升降滚珠丝杠得不到充分的润滑,导致丝杠磨损较大,降低了丝杠的使用寿命,造成生产成本的增大。2 第二中工艺过程 1用车床加工R200弧面工艺:车一根45钢至35做芯轴,用三爪卡盘卡35芯轴,一次可夹装和加工45组侧板,用车床加工R200弧面,极大的提高了工作效率,并降低了消耗。 2设计工装。在卧式万能铣床上用分度头加工6022齿形。将分度头法兰与工装法兰连接,在35芯

40、轴上一次可装卡侧板4组,工作台由横向进?丝杠带动沿X坐标方位做往复运动进 行加工,装卸方便,工作效率高,并且能更好的控制冷却液喷溅范围,减轻了升降滚珠丝杠的负载,最大程度的减少了对升降滚珠丝杠的磨损,提高了其使用寿命。 改进后的工艺如下:加工4-12定位孔及35轴孔两块侧板组焊;车床加工R200弧面;卧式万能铣床用专用工装加工6022齿形;拉38.310键槽。 用上述改进的工艺加工侧板,极大提高了生产效率,平均每件加工提高了2倍以上。 工艺改进以前,由于大量加工刹车侧板,每年都需更换卧式铣床升降滚珠丝杠。改进工艺后,升降滚珠丝杠使用寿命延长了,也降低了生产成本,生产组织更加简洁顺畅。 搬杆座座

41、板的设计加工:座板采用Q235材料,座板厚度12mm,根据工作条件,螺栓选用M16,设计方案如图3-7所示:图3-6 搬杆座底板 如上图3-5所示,取操纵杆长度L755mm,曲柄长度R250mm,K128mmK表示在R水平方向的投影 则可以计算出作用在操纵杆上的力F2 3-20 对于抽油机整个刹车装置来说,人工操作对作用在操纵杆的拉力应?150N。从计算结果来看,实际作用在操纵杆上的力有135.03 N, 故能保证制动可靠。 通过作图法得到的拉杆凸轮各个转角时刹瓦位移曲线,如图3-8 所示拉杆凸轮水平位置为零度,顺时针为正方向。 纵坐标表示位移(mm);横坐标表示拉杆凸轮与水平线的夹角/()

42、图 3-7 位移量S随拉杆凸轮转角的变化曲线 从图3-7 中可以看出,在 0 30 区间内,曲线的斜率最大,也就是说,位移量增速s越快。以下计算取中间值15做为理论制动点来分析。操纵杆设计理论可操作的角度范围是 53,在抽油机设计过程中,规定了在前 2/ 3 的角度行程中就能可靠地刹车,因而实际操作中手柄要求只有35的可操作范围即能有效地制动。按35行程计算,通过曲轴传递到刹把上的位移约为69 mm,角度为12,由图3-7可以看出,在12变化范围中,刹瓦的位移量S 最大也只有8. 5 mm。 可知,刹车不易调整的真正原因在于刹瓦的位移量太小。8. 5 mm 的位移量不能解决由于弹簧和对中板精度

43、带来的误差。从刹车操纵力的计算和对分析来看,刹车过程的不均匀性可以通过 2个方面来解决。 a 提高刹车整个系统的制造精度,减少每个传动环节的位移损失,尤其是弹簧的性能和对中板的位置精度直接影响刹车制动的关键环节。 b 增大刹瓦的位移量S,避开由于制造精度引起的位移量S不足。 分析比较2种方法,提高制造精度可以解决问题,但包含了更高的制造难度与成本。第2种办法采用改变结构来增加S 的大小,从刹车操纵力的计算中可以看到,距最大许用操作力150 N有15 N力的宽裕,增大操作力来增大操纵行程空间不大,而且不好把握。所以,如何增大刹瓦在刹车操作全过程中的位移量同时又不增加刹车操作力的大小,才是解决问题

44、所在的关键。 由计算过程可知,直接减小拉杆凸轮的长度 L来增加刹瓦的位移量S同时会增大刹车的操作力,不易采用。另一种方法可以增加凸轮的变化率,以改变凸轮曲线达到增加刹瓦的位移量的目的,但是造成C 值的增大,加大刹车的操纵力,因而也不易采用。好的解决办法是利用曲轴半径 R 在水平方向的投影K 可随转角变化的特点。从图3-5 中看出,K 值直接影响着制动力的大小,而K 值又与曲轴半径R 和曲轴与水平线的夹角有关系。 曲轴半径R 在变化时K值的计算公式为K R xCOS. 实际上曲轴摆角范围在 35,通过以上的计算公式可知,不增加刹车操作力 F2 就必须保证 K 值接近128 mm。同时,在35摆角

45、范围内曲轴竖直位移变化量满足 3-21 联立上面两式,可得 由此得到随值的增加曲轴竖直位移量H的变化曲线,如图3-8所示。 纵坐标表示位移量(mm);横坐标表示曲轴与水平线的夹角() 图3-8曲轴竖直位移量H随值得变化曲线 由图可知,随值的增加,H也相应增加,理论上来说,H值越大越好,但从图3-10中不难看出,保持K值不变, 值不易过大,过大会使R值急剧增大,因而选择45角,通过计算得到此时H的最大值为97 mm,R 250 mm,传动到拉杆凸轮刹把上的角度变量约为19。由图3-7可以看出,在19o的范围中,刹瓦的位移量S 最大可达到15 mm。比原来8 .5 mm 增大了近 2 倍,刹车故障

46、因此得到根本的解决。在此,最根本的是增大了曲轴半径R ,调整了曲轴的角度,使得在不改变刹车操作力大小的情况下实现对刹车行程的增大。 图3-9 改进前后刹车示意 根据动力源的不同,制动驱动机构可分为简单制动、动力制动及伺服制动三大类型。而力的传递方式又有机械式、液压式、气压式、气压-液压式的区别。 简单制动系即人力制动系,是靠作用在操纵杆手柄上的力作为制动力源。而传力方式有机械式和液压式两种。 机械式的传力方式是靠杆系或钢丝绳或拉簧传力,其结构简单,造假低廉,工作可靠,操作方便。 液压式的简单制动系统通常称为液压制动系,用于行车制动装置。其优点是作用滞后时间短(0.1-0.3s,工作压力大(可达

47、10MPa-12MPa,缸径尺寸小,可布置在制动器内部作为制动蹄的张开机构或制动块的压紧机构,使之结构简单、紧凑、质量小、造价低。 根据抽油机工作特性,在这里,我们选择手动刹车机构。 操纵杆主要由搬杆、刹把、活动手柄以及装在搬杆内部的钢丝绳组成。 当需要对抽油机制动时,通过手刹作用拉紧钢丝绳或拉簧,从而带动制动块将制动力矩传到刹车轮上,将刹车轮抱死而达到刹车制动的目的。在这里,搬杆的作用主要是对刹把,活动手柄起到支撑固定的作用。搬杆的一端经垫圈,使用销和活动手柄相连,另一端使用曲柄和搬杆座相连,可以随着刹车力矩的大小而绕着搬杆座转动。 用于刹车系统的摩擦材料,通常在很高的剪力和温度条件下工作。

48、这就要求这类材料能够吸收动能,并将动能转化为热能散发到空气中去。其工作温度和温升速度是影响性能的主要因素,刹车系统工作时,吸收的能量越大,完成的制动时间越短,则温升越高。当摩擦材料的工作温度超过其许用工作温度时,摩擦材料性能就会显著恶化。故对摩擦材料得基本要求如下: 摩擦因数高且稳定,具有良好的恢复性能; 耐磨性能好,允许压强大,又不损伤对偶材料; 有一定的耐油、耐湿、抗腐蚀及抗胶合性能; 有一定的机械强度和良好的制造工艺性。 刹车制动器温度过高,将引起制动力矩减小、热应力增加,会加剧摩擦片的磨损,甚至导致摩擦片碎裂。因此,在计算摩擦片强度时,必须考虑温度的影响。 力学模型的建立: 由于实际制动器结构体形复杂,受力不均匀,难以简化为平面问题或轴对称问题,必须按空间问题求解。对于制动器中所提出的空间问题,古典弹性力学是无能为力的,过去多依靠模型试验,现在应用有限单元法,这些问题可迎刃而解。在此,采用八结点的六面体单元,共有 1 2 2 1 个节点、3 66 3 个 自由度。在铆钉铆接处,位移处理为零。 1 力场和温度场作用下空间问题的有限元分析 1 .1 力场作用下空间问题的有限元分析 对八节点的六面体单元,在空间问题中有24个节点位移ui , vi, wii1,8,使用位移法时这些位移便是结构的基本未知量,如果表示单元上任一点的位移,则 3-22 式中一 形函