石油井架模型实验加载装置设计

1、东 北 石 油 大 学机 构 创 新 设 计题 目 石油井架模型实验加载装置设计 学 院 机械科学工程学院 专业班级 机自11-2班 学生姓名 学生学号 指导教师 2013年 7 月 25 日东北石油大学课程设计任务书课程 机构分析创新设计题目 石油井架模型实验加载装置设计专业 机械设计制造及其自动化 姓名 韩晓波，曾显华，刘明阳，李龙主要内容、基本要求、主要参考资料等1主要内容对于石油钻机井架类似庞大的油田设备，通过现场加载试验的方法对其进行研究，不仅要受到外界环境等客观条件限制，影响现场的正常钻探，而且会增加科研成本，造成人力、物力的浪费，基于此，利用井架研究室的便利条件，通过模型相似理论

2、建立井架模型，模拟井架承载工况，同时展开加载装置系统设计。本课题的开展，理论深入适宜，且对动手能力和实践能力要求高，适合机自专业本科生创新设计。加载装置要求能在室内通过机械机构的相对运动实现井架模型的竖向加载、卸载，同时可以结合电气控制、机电液综合控制等原理确定设计方案。学生需要在掌握了其工作原理的基础上，对所选机构，进行运动和力学分析，并结合生产实例进行设计计算和绘图。通过该题目的设计，学生可掌握机械设计的相关知识，使用计算机软件进行机械设计的技能，培养学生系统设计及机构创新设计能力，提高学生将理论知识应用于实践的能力。具体完成的主要内容如下：1）掌握机械设计的基础知识；2）机构工作原理分析

3、； 3）机构运动和力学分析；4）设计计算与绘图。2基本要求1）文字部分机构动力学分析、设计计算。2）绘画部分装配图、零件图；3）时间安排集中设计时间2周（应提前向学生下达任务书）。3主要参考资料1）机械设计手册 2）机械制造自动化技术 3）机械装备测试技术完成期限 2013年7月25日 指导教师 专业负责人 2013 年 6 月 29 日摘 要对于石油钻机井架类似庞大的油田设备，通过现场加载试验的方法对其进行研究，不仅要受到外界环境等客观条件限制，影响现场的正常钻探，而且会增加科研成本，造成人力、物力的浪费，基于此，利用井架研究室的便利条件，通过模型相似理论建立井架模型，模拟井架承载工况，同时

4、展开加载装置系统设计。加载装置要求能在室内通过机械机构的相对运动实现井架模型的竖向加载、卸载，同时可以结合autoCAD，三维造型软件进行运动和力学分析，并结合生产实例进行设计计算和绘图。因此，需要建立井架相似模型，通过对模型的加载来实现对实际井架的研究，本文主要设计的是石油井架模型加载装置，具体地说,模型加载装置包括加载装置机构的设计，材料的选择,几何尺寸的确定,加载方法等有关方面的安排。关键词：石油；井架模型；加载装置Abstract For the oil rig derrick similar large oilfield equipment, Study on the method

5、through field loading test, Not only are the objective conditions of the external environment constraints, influencing the normal drilling, but also increase the cost of scientific research, caused the human, material waste, Based on this, convenience use derrick lab, through the model similarity th

6、eory to establish model derrick derrick loading condition, simulation, and design of loading system. The vertical loading, unloading loading device to realize the model derrick by relative movement mechanism in the interior, also can be combined with autoCAD, SolidWorks analysis of motion and dynami

7、cs, and design calculation and drawing combined with production practice，So need to establish a derrick model, to study on the actual Derrick Based on the model of the load, this paper is designed to model derrick loading device, specifically, the loading device comprises a loading device model desi

8、gn mechanism, material selection, size determination, the loading method and arrangement. Key words: petroleum ;model derrick ;loading device 目 录第一章 概述11.1 井架模型背景介绍11.2设计要求11.3设计目的及要求11.3.1目的11.3.2基本要求2第二章 方 案 设 计32.1方案一32.2方案二32.3方案三4第三章 方案优化63.1优化简介63.2带传动的优缺点63.3蜗轮蜗杆减速器优缺点6第四章 运动分析74.1蜗轮蜗杆减速器运动分析

9、74.2链传动的运动分析74.3带传动的运动分析7第五章 受力分析95.1蜗杆传动的受力分析95.2链传动的受力分析95.3带传动的应力分析9第六章 数据计算116.1蜗轮蜗杆116.1.1蜗杆116.1.2蜗轮116.2 链轮链条126.2.1小链轮126.2.2大链轮126.3皮带传动136.3.1小带轮136.3.2大带轮13第七章 结构分析14第八章 主要零部件强度校核218.1蜗轮涡杆传动的强度计算218.1.1蜗轮齿面疲劳接触强度计算218.1.2蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算218.1.3蜗杆的刚度计算218.1.4蜗杆传动总效率228.1.5蜗杆传动的热平衡计算228.2轴的强度校核

10、228.2.1轴的材料228.2.2轴的弯扭合成强度计算228.2.3扭转强度计算248.2.4定滑轮轴的强度校核248.2.5强度计算24总 结26参 考 文 献27致 谢28第一章 概述 1.1 井架模型背景介绍石油井架是重要的石油钻井设备，在其新产品的开发研制过程中利用大比例模型进行井架各种性能实验是一种既经济又行之有效 本实验采用相似理论通过设计加载装置从而推导出井架实验模型几何参数及各物理量与井架原型之间的相似关系。对于石油钻机井架类似庞大的油田设备，通过现场加载试验的方法对其进行研究，不仅要外界环境等客观条件限制，影响现场的正常钻探，而且会增加科研成本，造成人力、物力的浪费，基于此

11、，利用井架研究室的便利条件，通过模型相似理论建立井架模型，模拟井架承载工况，同时展开加载装置系统设计。为了适应当前的发展需要，为了提高我们自己动手设计的能力，下面对我们本次设计的主要内容和方案说明。1.2设计要求加载装置要求能在室内通过机械机构的相对运动实现井架模型的竖向加载、卸载，同时可以结合电气控制、机电液中和控制等原理确定设计方案。1.3设计目的及要求1.3.1目的通过设计过程，掌握机械设计的相关知识，获得应用计算机进行机械设计与工程制图的技能，建立系统设计及机构创新设计的思想，提高将理论知识应用于实践的能力。具体完成的主要内容如下：1） 掌握机械设计的基础知识；2） 机械工作原理分析；

12、3） 机构运动和力学分析；4） 设计计算与绘图。 1.3.2基本要求 1）文字部分机构动力学分析、设计计算。2） 绘图部分装配图、零件图。3） 时间安排集中设计时间2周。第二章 方 案 设 计2.1方案一该方案如图2-1所示，该机构由电动机作为动力源，经由带传动将动力传至蜗轮蜗杆减速器，涡轮轴上联接一齿轮组成这个传动装置，设置两个相同的大齿轮，在其上部设置两个同样大小，同样位置的孔洞，用刚性连接杆连接在一起，使其同步转动。在刚性连接杆上设置一滑块使与其连接，滑块连接上部连接杆与力传感器。用与涡轮轴相连的齿轮带动大齿轮缓慢转动使其刚性连接杆做类似凸轮传动。从而带动上部连接杆给井架模型加压。经过小

13、组认真讨论一致认为齿轮连接与制造困难，且传动不稳定，造价较高，因此决定不采用此方案。图2-1 方案一2.2方案二该方案如图2-2所示，该机构由手动摇柄通过皮带轮带动蜗轮蜗杆减速器，再由减速器输出端轴连接一能够同时内外啮合的大型齿轮，使其与涡轮同步转动，在大齿轮的内外部分别连接一个能够同时转动的小齿轮，其特点是在大齿轮的带动下，能够使两个小齿轮同步转动且保持相同的转速。在两小轮上分别安装同样大小的另外两齿轮（如图所示），同时将与井架连接的连接杆末端做成双面齿条形式，使其能够在两小齿轮的中部带动下向下运动给井架加载。经由小组讨论，该方案整个齿轮连接部位安装困难，且齿轮与齿条啮合具有不稳定性。且同步

14、内外啮合齿轮加工困难且费用较高，需要精密计算和加工，故考虑此方案。图2-2方案二2.3方案三 该方案如图2-3所示，该机构有手动摇柄带动皮带轮转动作为动力源，皮带轮带动蜗轮蜗杆减速器转动，减速器输出端轴上连接一链条齿轮带动链条将动力传动给绞车。在绞车上固定着细钢丝绳的一断，钢丝绳通过几家底座的定滑轮连接力传感器，再连接到井架顶端，通过绞车转动使钢丝绳不断收紧从而给井架加载，使其达到实验目的。经小组讨论该方案可行性较高且性能良好，安装方便，能够在成本的条件下达到实验要求，因此小组决定本次设计采用此方案进行设计。图2-3 方案三第三章 方案优化3.1优化简介由于需要设计的是井架加载器械，方案设计中

15、包括动力设备，传动设备，以及加载设备。动力装置：在动力方面我们主要采用手动摇柄进行加载，因其加载设备绞车需要较低转速，若采用电动机带动需将整体设备设置较大传动比，因此会占用较大空间，且造价较高。因此选用手动加载，占用空间较小且便于控制。传动装置：在传动装置方面首先采用皮带轮将动力传至减速器，减速器选用蜗轮蜗杆减速器，该减速器平稳，效率高，且具有自锁功能，在停止加载后可以通过其自锁功能防止机器突然反转。同时减速器通过链条传动将动力传递至绞车，链传动的优点是可以在两轴中心距较远的情况下传动运动和动力。能在低速，重载和高温条件下及灰土大的情况下工作。能够保证准确的传动比，传动功率较大，并且作用在轴上

16、的力较小。传动效率高。3.2带传动的优缺点 带传动的优点： （1）适用于中心距较大的传动。（2）具有良好的挠性，可以缓和冲击，吸收震动。（3）过载时带与带轮间会出现打滑，打滑虽然使传动失效，但可以防止损坏其他的零件。（4）结构简单，成本低廉。带传动的缺点： （1）传动的外轮尺寸较大。（2）由于带的滑动，不能保证固定不变的传动比。（3）寿命较短。（4）传动效率低。3.3蜗轮蜗杆减速器优缺点 蜗轮蜗杆减速机作为一个传统的传动装置，内部是涡轮蜗杆，齿形是渐开线的。 其优点是：使用寿命长，允许输入的转速范围很低，减速的范围很大。具有自锁功能适合用于提升作业，像电梯，提升机，等都少不了蜗轮减速机。其缺点

17、是：工作效率太低，只能达到百分之6070之间，而且涡轮蜗杆通常都是以轴输出很难控制空回，特别是当涡轮与蜗杆磨合时间比较长后，其空回都比较大。通常是度级的。第四章 运动分析 在整个装配系统中其运动分析主要由带传动、蜗轮蜗杆减速器传动及链条传动组成。 综合整个装配部件选取尺寸及运动条件要求，现对其整个运动分析如下：4.1蜗轮蜗杆减速器运动分析 蜗杆传动的失效形式及材料选择： 蜗杆传动的失效形式有胶合、点蚀和磨损。由于蜗杆传动在齿面间有较大的相对滑动，产生热量，使润滑油温度升高而变稀，润滑条件变坏，增大了胶合的可能性，在闭式传动中，往往不能及时散热，往往因胶合而影响蜗杆传动的承载能力。蜗杆采用45号

18、碳素钢调质处理（硬度为220-250HBS）。蜗轮采用灰铸铁（由于传动速度较小）。齿面间的滑动速度：蜗杆圆周速度蜗轮圆周速度4.2链传动的运动分析设z1和z2为俩链齿轮的齿数，p为节距，n1和n2为俩轮的转速（r/min），则链条的线速度为v=zpn1/（60*1000）=0.0016m/s传动比i=4以上求得的链速和传动比都是平均值，实际上由于多边形效应，瞬时链速和瞬时传动比都是变化的。4.3带传动的运动分析设带传动小带轮基准直径为d1，转速为n1 带速；第五章 受力分析 在整个机械装置中，我们现考虑其受力情况如下：5.1蜗杆传动的受力分析蜗杆圆周力：蜗杆轴向力：蜗杆径向力:5.2链传动的受

19、力分析安装链传动的时候，只需不大的紧张力，主要是使链的松边的垂度不致过大，否则会产生显著震动跳齿和脱链。若不考虑传动中的动载荷，作用在链上的力有：圆周力F，离心拉力Fc和垂悬拉力Fy。1）离心拉力：N因链速很低，Fc值很小，可略去不记。2）悬垂拉力：水平布置时垂度系数Ky=6， Fy=Kyqga=6*1*0.24*9.81*0.016=0.23N3）圆周力：F=p/v=5000N紧边拉力：F1=F+Fy=5000.23N松边拉力：F2=Fy=0.23N5.3带传动的应力分析设功率为p=8w，带与轮面间的摩擦系数f=0.3,带的密度传递的圆周力：F=p/v=8/0.146=54.79N紧边松边拉

20、力：离心力引起的拉力：这种平带每米长的质量q=10*10*0.48*0.001kg/m=0.05kg/m所需的初拉力作用在轴上的力第六章 数据计算 重要零部件装配尺寸如下：6.1蜗轮蜗杆 中心距：a=80mm 传动比：i12=69 模数：m=2 齿顶高系数：1 径向间隙：c=0.4 蜗杆头数：z1=1 蜗轮齿数：z2=69 压力角：20 变位系数：x=-0.16.1.1蜗杆 轴向齿距：pa1=6.28mm 直径系数：q=11.2 齿顶圆直径：da1=26.4mm 蜗杆中圆（分度圆）： d1=22.4mm 齿根圆直径：df1=17.6mm 分度圆导程角：= 5.1 当量摩擦角：6.28 蜗杆轴向

21、齿厚：Sa=3.14mm6.1.2蜗轮 Z2=69 端面齿距：pa2=6.28mm 蜗轮分度圆直径：d2=m Z2=138mm 蜗轮喉圆直径：da2= d2+ 2ha2=141.6mm 蜗轮齿根圆直径：df2= d2- 2hf2=132.8mm蜗轮齿顶圆直径：da2=146mm蜗轮咽喉母圆半径：rg2=a-1/2da2=9.2 mm6.2 链轮链条 I12=4链号：10A 节距：15.875mm滚径d1:10.16内宽b1:9.4通高 h1:12.33排距pt：18.11mm滚子外径10.16mm极限载荷21800N 每米长质量1.00/kg/m中心距：279.4节数：70.7链条长度：112

22、2.36.2.1小链轮 Z1=15 分度圆直径：76.355mm 齿顶圆直径：83.26mm 齿根圆直径：66.195mm 齿测凸缘：58.0mm 齿宽：8.9mm6.2.2大链轮 Z2=60 分度圆直径：303.329mm 齿顶圆直径：311.49mm 齿根圆直径：293.169mm 齿测凸缘：286.2mm 齿宽：8.9mm6.3皮带传动 A型普通V带轮 传动比：I12=2.8 带的厚度：4.8mm 带的宽度：15mm6.3.1小带轮 基准直径：100mm 外径：105.5mm 包角：1626.3.2大带轮 基准直径：280mm 外径：285.5mm 中心距：570mm 带长：1800mm

23、 包角：198第七章 结构分析如图7-1所示,该装置为力传感器安装设备外部结构图。力传感器两端分别安装两根细铁柱，一端连接到井架顶端固定，另一端连接下方的钢丝绳。当钢丝绳受到绞车的拉力就会带动钢丝绳给井架施压，通过力传感器从而测出压力大小。图7-1力传感器图如图7-2所示,该零件为大带轮外部结构图。其轴端与手动摇柄连接。图7-2 大带轮图 如图7-3所示，该零件为小带轮外部结构，与皮带和大带轮配合使用，轴端与减速器连接。图7-3 小带轮图 如图7-4所示，该装置为带传动连接结构，大带轮连接手动摇柄，小带轮连接蜗轮蜗杆减速器，大带轮带动小带轮增大转速。图7-4 带轮整体结构图如图7-5所示，该装

24、置为涡轮蜗杆减速器主要零件蜗杆部分结构图，由小带轮带动其转动，从而通过齿轮相互咬合带动涡轮转动。图7-5减速器蜗杆图如图7-6所示，该零件为涡轮装置外部结构图。其结构大小设计能够与蜗杆完好配合，达到减速效果。图7-6 减速器涡轮图如图7-7所示，该装置为井架地端与底座连接的定滑轮外部结构图。钢丝绳通过该定滑轮一端连接在绞车上，另一端与力传感器连接杆连接，其上端连接杆到下端定滑轮保持整根连接杆在竖直方向上，以保证测量准确性。图7-7 定滑轮图 如图7-8所示，该装置为与涡轮输出轴连接的主动链轮外部结构图。与链条连接，具有连接紧凑且保持准确的传动比，能在高温，有油污等恶劣环境下工作。图7-8 主动

25、链轮图 如图7-9所示，该装置为从动链轮外部结构图。通过链条与主动链轮连接，其轴与绞车连接，通过链条传动给绞车增加扭矩，从而使绞车定向转动。图7-9 从动链轮图 如图7-10所示，该零件为链条外部结构图。与链轮配合使用其传动作用。图7-10 链条图 如图7-11所示该零件为链条链节结构图。图7-11 链节图如图7-12所示，该装置为绞车外部结构图，可将细钢丝绳通过自身转动缠绕在其上部，中间连接一与其同步转动的轴装置，两端固定住，与从动链轮连接配合传动。图7-12 绞车结构图第八章 主要零部件强度校核8.1蜗轮涡杆传动的强度计算8.1.1蜗轮齿面疲劳接触强度计算强度校核公式： 8.1.2蜗轮齿根

26、弯曲疲劳强度计算8.1.3蜗杆的刚度计算 蜗杆较细长，支撑跨距较大，若受力后产生的挠度较大，则会影响正常的啮合传动。蜗杆产生的挠度应该小于许用挠度。由径向力Fr1和切向力Ft1产生的挠度分别为：8.1.4蜗杆传动总效率8.1.5蜗杆传动的热平衡计算 由于蜗杆传动效率低，发热量大，若不及时散热，会引起油箱内油温升高、润滑失效，导致齿轮磨损加剧，甚至出现胶合，因此对连续工作的闭式蜗杆传动要进行热平衡计算。远远未超过温度允许值。8.2轴的强度校核 轴的设计，主要是根据工作要求并考虑制造工艺等因素，选用合适的材料，进行结构设计，进过强度和刚度计算，定出轴的结构形状和尺寸，必要时还要考虑振动稳定性。8.

27、2.1轴的材料 45号优质碳素结构刚具有较高的综合力学性能，为了改善其力学性能，应进行正火或调质处理。45号钢的主要力学性能如表8-1所示。表8-1 45号调质钢的主要力学性能毛坯直径 硬度HBS强度极限 屈服极限弯曲疲劳极限 200mm217255650Mpa 360Mpa 300Mpa8.2.2轴的弯扭合成强度计算 对于45号调质钢的轴，可用第三强度理论（即最大切应力理论）求出危险截面的当量应力，其强度条件为式中：为危险截面上弯矩M长生的弯曲应力；为转矩T长生的扭切应力。对于直径为d的圆轴， 其中W、分别为轴的抗弯截面系数和抗扭截面系数。将和值分别代入式中得 对于一般的转轴，即使载荷大小和

28、方向不变，其弯曲应力也为对称循环变应力，而的循环特性往往与不同，所以应对上式中的转矩T乘以折合系数，以考虑两者循环特性不同的影响，即 式中： -当量弯矩，； -根据转矩性质而定的折合系数。对不变的转矩， =0.3；当转矩脉动变化时，=0.6；对于频繁正反的轴，可作为对称循环变应力，=1。-分别为对称循环、脉动循环及静应力状态下的许弯力。8.2.3扭转强度计算 对于只传递转矩的圆截面轴，其强度条件为 式中:为轴的扭切应力,MPa;T为转矩,N*mm;为抗扭截面系数,对圆截面轴;d为轴的直径，mm；为许用扭切应力,MPa。 30MPa所以涡轮轴强度符合强度条件。8.2.4定滑轮轴的强度校核 定滑轮轴在均布载荷q=2kN/0.012m=kN、m作用下,由平衡方程和，求得 弯曲强度条件为 所以定滑轮轴符合强度条件。8.2.5强度计算 垂直