抽油机机械设计课程设计报告 .docx

精品名师归纳总结机械设计课程设计报告抽油机机械系统设计作者：毛燕目录第一节设计任务-1第二节方案设计分析-2第三节轴承的选择及寿命计算-17第四节设计结果-22第五节心得体会-23第六节附录-25第一节设计任务抽油机是将原油从井下举升到的面的主要采油设备之一，常用的有杆抽油设备有三部分组成：一是的面驱动设备即抽油机。二是井下的抽油泵，它悬挂在油井油管的下端。三是抽油杆，它将的面设备的运动和动力传递给井下抽油泵。抽油机由电动机驱动，经减速传动系统和执行系统（将转动变转为往复移动）带动抽油杆及抽油泵柱塞作上下往复移动，从而 实 现 将 原 油 从 井 下 举 升 到 的 面 的 目 的 。图11假设电动机做匀速转动，抽油机的运动周期为 T，抽油杆的上冲程时间与下冲程时间相等。冲程 S=1.4m ，冲次 n 11 次/min，上冲程由于举升原油，作用于悬点的载荷等于原油的重量加上抽油杆和柱塞自身的重量为 40kN ，下冲程原油已释放，作用于悬点的载荷就等于抽油杆和柱塞自身的重量为15kN。要求： 依据任务要求，进行抽油机机械系统总体方案设计，确定减速传动系统、执行系统的组成，绘制系统方案示意图。 依据设计参数和设计要求，采纳优化算法进行执行系统（执行机构）的运动尺寸设计， 优化目标为抽油杆上冲程悬点加速度为最小，并应使执行系统具有较好的传力性能。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图22图23由于执行机构是将连续的单向转动转化为往复移动，所以采纳四连杆式执行机构，简洁示意P AB CD ADe杆如点表 示图22所置输表入表端 ，示与 减示速器悬输 出输点端相连 ，出逆位时针方端向旋表为悬臂长示度机通架e/c=1.35示。转 。行程 S 等于 CD 相对于 AD 转过的角度与，e 的乘积。常取抽油杆上冲程时间与下冲程时间相等，即上冲程曲柄转角与下冲程曲柄转角相等，0&ordm。， 属 于III型 曲 柄 摇为 了 研 究 方 便 ， 将 机 架 旋 转 至 水 平杆位机构.置 ，如 图2 3所示 。图中 c1,c2 位置分别表示悬点的最高和最低位置。行程,从图中可以看出以下关 建立执行系统输入、输出（悬点）之间的位移、速度和加速度关系，并编程进行数值运算，绘制一个周期内悬点位移、速度和加速度线图（取抽油杆最低位置作为机构零位）。 挑选电机型号，安排减速传动系统中各级传动的传动比，并进行传动机构的工作才能设计计算。 对 抽 油 机 机 械 系 统 进 行 结 构 设 计 ， 绘 制 装 配 图 及 关 键 零 件 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 计依据抽油机功率大，冲次小，传动比大等特点，初步打算采纳以下总体方案，如框图所示：图211.执行系统方案设计可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结系：取为设计变量，根据工程需求：所 以， 始 终 满 足 最 小 传 动 角的 要 求 。由于是III型曲柄摇杆机构，故有优化运算方法：在限定范畴内取，运算c,a,b,d,得曲柄摇杆机构各构件尺寸，取抽油杆最低位置为机构零位：曲柄转角，求上冲程曲柄转过某一角度 时，摇杆摆角，角速度和角加速度，悬点加速度ac=1.35c,找出上冲程过程中的悬点最大加速度, 最终在全部的最大加速度中找出最小者，它所对应的机构尺寸极为最优者。详细过程如下：采纳网格法进行优化，按增量划分网格，网格交点作为计算点。如图24所示。图2 4图2 5可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在图 2 5 所示的铰链四杆机构ABCD 看作一封闭矢量多边形，如以a,b,c,d 分别表示各构件 的 矢 量 ， 该 机 构 的 矢 量 方 程 式 为a+b=c+d,以 复 数 形 式 表 示 为（*） 规 定 角以x轴 的 正 向 逆 时 针 方 向 度 量 。 按 欧 拉 公 式 展 开 得按方程式的实部和虚部分别相等，即，消去得利用万 能公式，以及根据该机构装配特点，得从而可得将 式 （ * ） 对 时 间 求 导 数 得（ # ）消去，取实部得将 式 （ # ） 对 时 间 求 导 数 得消去，取实部得。又悬点的位移表达式为s=e（+arcos） ,速度表达式为v=e,加速度表达式为ac=e。由于存在初始角，所以要加上一个角度为arccosb/d,即=+ arccosb/d.从 0°开头到360°。接下来采纳 Matlab 软件进行编程运算和画图，详细程序在附录中。其中通过机构优化设计程序运行得到结果为：最 小 值=1.2141m/,a=0.505m,b=2.112m,c=1.320m,d=2.439m可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结通 过 求 悬 点 上 冲 程 中 最 大 速 度 的 程 序 运 行 得 到 结 果 为 ： 最大速度=0.7954m/s2. 总体传动方案初步确定传动系统总体方案如图26所示。选 择 V带 传 动 和 二 级 圆 柱 斜 齿 轮 减 速 器 （ 展 开 式 ） 。 传 动 装 置 的 总 效 率 0.94 ×0.98 ×0.98 ×0.98 ×0.990.867。 为 V 带的效率， 为第一对轴承的效率， 为其次对轴承的效率， 为第三对轴承的效 率 ， 为 每 对 齿 轮 啮 合 传 动 的 效 率 （ 齿 轮 为6级 精 度 ， 稀 油 润 滑 ） 。图2 63. 电动机的选择电 动 机 所 需 工 作 功 率 为 ：P P/ 35.351/0.867 40.77kW执行机构的曲柄转速为n 11r/min ，经查表按举荐的传动比合理范畴，V 带传动的传动比i 2 4 ，二级圆柱斜齿轮减速器传动比i 8 40，就总传动比合理范畴为i 16160，电动机转速的可选范畴为n i×n（ 16 160） ×11 176 1760r/min 。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比，选定型号为Y2 280S 6 的三相异步电动机，额定功率为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）总传动比由选定的电动机满载转速n和工作机主动轴转速n，可得传动装置总传动比为in/n980/1189.091可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结（2）ii×i式 中i， i传动装置传动比分配分 别 为 带 传 动 和 减 速 器 的 传 动 比 。为使 V 带传动外廓尺寸不致过大，初步取i 3.61 ，就减速器传动比为i i/ i89.091/3.61 24.679 。依据各原就，查图得高速级传动比为i 6.3 ，就 i i/ i3.925. 传动装置运动和动力参数的计算（1）各轴转速nn/i980/3.61271.47r/minnn/i271.47/6.343.09r/minnn/（i×i）11r/min（2）各轴输入功率PP× 40.77 ×0.9442.3kWPP× ×42.3 ×0.98 ×0.9941.04kWP P× × 41.04 ×0.98 ×0.9939.82kW（3）各轴输入转矩轴T9550P/n=9550×42.3/271.47=1.488kN·m轴T9550P/n=9550×41.04/43.09=9.096kN·m轴T9550P/n=9550×39.82/11=34.5kN·m.确带定传计动算的设功计率式中为工作情形系数，为电机输出功率选择带型号根据，查图初步选用型带可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结选取带查 表 选 取 小 带 轮 基 准 直径轮基准直径，就 大带轮 基 准 直 径可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式中 为带的滑动率，通常取（1%2%），查表后取验算带速v在 m/s 范畴内，带充分发挥。确定中心距a和带的基准长度在范 围 内 ， 初 定 中 心 距， 所 以 带 长查 图 选 取 型 带的 基 准 长 度， 得 实 际 中心 距取验算小带轮包角， 包 角 合适。确定v带根数z因，带速，传动比i=3.61,查表得单根v带所能传递的功率，功率增量，包角修正系数，带长修正系数， 就 由 公 式 得故选6根带。确定带的初拉力可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结单 根 普 通 带 张 紧 后 的 初 拉 力 为计 算 带 轮 所 受 压 力利 用 公 式详细带与带轮的主要参数见图 2 7图 2 7 .齿 轮 的 设 计 计 算（ 一 ） 高 速 级 齿 轮 传 动 的 设 计 计 算 齿 轮 材 料 ， 热 处 理 及 精 度考 虑 此 减 速 器 的 功 率 及 现 场 安 装的 限 制 ， 故 大小 齿 轮 都 选 用硬 齿 面 渐 开 线斜 齿 轮（ 1） 齿 轮 材 料 及 热 处 理大小齿轮材料为 20CrMnTi 。齿面渗碳淬火，齿面硬度为 5862HRC，有效硬化层深 0.5 0.9mm。 经 查 图 ， 取 1500MPa， 500Mpa。（2）齿轮精度按 GB/T10095 1998 ， 选 择 级 ， 齿 根 喷 丸 强 化 。 初 步 设 计 齿 轮 传 动 的 主 要 尺 寸由于硬齿面齿轮传动，具有较强的齿面抗点蚀才能，故先按齿根弯曲疲惫强度设计，再校核 持 面 接 触 疲 劳 强 度 。（ 1 ） 计 算 小 齿 轮 传 递 的 转 矩 kN·m可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结（2）确定齿数z因 为 是 硬 齿 面 ， 故 取z 19 ， z iz 6.3 ×19 120传动比误差iuz/z120/196.316i0.255，允许（3）初选齿宽系数表查螺得旋0.6角系数15K布置，初旋载角按非对称由（4）选初定螺（5）荷使 用 系 数 K工 作 机 轻 微 冲 击 ， 原 动 机 均 匀 平 稳 ， 所 以 查 表 得 K 1.25 动 载 荷 系 数 K 估 计 齿 轮 圆 周 速 度 v 0.75m/s 查 图 得 K 1.01 。齿向载荷分布系数 K预估齿宽 b40mm 查图得 K 1.17 ，初取 b/h 6，再查图得K1.13可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结荷分配系数查表得数KKKKK齿间载载 荷系KK1.1=1.25 ×1.01 ×1.1 ×1.13 1.57可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结（6）齿形系数Y和应力当 量 齿 数z z/cos19/z查图得Yz2.8/cosY120/2.17Y修正系数Y cos21.08cos133.151.56Y 1.82（7）重合度系数Y端面重合度近似为【 1.88- 3.2 ×（）】 cos【 1.88 3.2 ×（ 1/19 1/120）】×cos151.63可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结 arctg（ tg/cos） arctg（ tg20/cos15） 20.6469014.07609因 为/cos， 就 重 合 度 系 数 为 Y 0.25+0.75cos/ 0.696（8）螺旋角系数Y轴 向 重 合 度 1.024,取 为1 Y10.878（9）许用弯曲应力安全系数由表查得S1.25工作寿命两班制，7年，每年工作300天小 齿 轮 应 力 循 环 次 数N1 60nkt 60×271.47 ×1×7×300×2×8 5.473 ×10大 齿 轮 应 力 循 环 次 数N2 N1/u 5.473 ×10/6.316 0.866 ×10查图得寿命系数,。试验齿轮的应力修正系数, 查图取尺寸系数许用弯曲应力比较,取(10) 计算模数按GB/T1357-1987圆整为标准模数,取可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(11) 初算主要尺寸初算中心距,取a=355mm修正螺旋角分度圆直径齿 宽,取,齿宽系数(12) 验算载荷系数圆周速度查得按又因，查得，查就图K 1.6得， 又Y=0.930，Y，=0.688，。从 而 得满 足 齿 根 弯 曲 疲 劳 强 度 。 （ 二 ）第 二 对 轴 承齿轮减速 器低速级 传 递的转矩具体受力情况见图3 2（1）轴II受力分析齿轮的圆周力可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结轮的径向力轮的轴向力2）计算轴上的支反力算得垂直面内水平面内3）轴承的校选轴承型号为核32928冲击，查表得冲击载荷系数承Ae=0.36,承Be=0.36,轴承寿命计算齿齿（经计（初轻微计算轴承A受的径向力轴承计B受的算径向附力加轴向力查表得3000型轴承附加轴向力就轴 承A， 轴 承B计算轴承所受轴向载荷由于，即B轴 承放松，A轴承压紧由此得计算当量载荷轴就轴就可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结因，按轴承 A 运算图3 2（具三体受）力第情三况对见轴图承3 3（1）轴III受力分析齿轮的圆周力齿轮的径向力齿轮的轴向力（2）计算轴上的支反力经计算得垂直面内水平面内（3）轴承的校核初选轴承型号为32938轻微冲击，查表得冲击载荷系数计算轴承A受的径向力可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结轴承B受的径向力计算附加轴向力查表得3000型轴承附加轴向力就 轴 承 A， 轴 承 B计算轴承所受轴向载荷由于，即B轴承放松，A轴承压紧由此得计算当量载荷轴承Ae=0.48,就,轴承Be=0.48,就轴承寿命计算因，按轴承 B 运算图 3 3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结5.带轮主要参数小轮直径（mm）大轮直径（ mm）中心距 a（mm）基准长度（ mm）带的根数 z第四节设计结果V带1.最终实际传动比高速级齿轮i低速级齿轮3.616.3163.9092.各轴转速 nr/minr/minr/min271.4742.98113.各轴输入功率P（ kW） 42.3（kW）41.04（ kW） 39.824.各轴输入转矩TkN·m 1.488kN·m 9.096kN·m 34.57可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结28010001451500066. 高、低速级齿轮参数名称高速级低速级中心距 amm355500法面摸数mm56螺旋角（°）11 7983613 59049小齿轮大齿轮左右右左1933120129（ mm）97.050203.704mm612.950796.296（ mm）107.050215.704mm622.950808.296mm84.550188.704mm600.450781.296旋向齿数分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿（ mm）60 130宽（ mm）54 124齿轮等级精度66可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结材料及热处理20CrMnTi，齿面渗碳淬火，齿面硬度5862HRC45 钢，调质后淬火，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结第五节心得体会经过一个月的努力 , 我最终将机械设计课程设计做完了. 在这次作业过程中 , 我遇到了很多困可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结难, 一遍又一遍的运算, 一次又一次的设计方案修改这都暴露出了前期我在这方面的学问欠缺和经验不足 . 刚开头在机构设计时 , 由于对 Matlab 软件的基本操作和编程把握得仍可以, 不到半天就将全部需要使用的程序调试好了. 可是我从不同的机架位置得出了不同的结果, 令我特别苦恼 . 后来在钱老师的指导下 , 我找到了问题所在之处, 将之解决了 . 同时我仍对四连杆机构的运动分析有了更进一步的明白 . 在传动系统的设计时 , 面对功率大 , 传动比也大的情形, 我一时不知道究竟该采纳何种减速装置 . 最初我选用带传动和蜗杆齿轮减速器, 经过运算 , 发觉蜗轮尺寸过大 , 所以只能从头再来. 这次我吸取了盲目运算的教训, 在动笔之前 , 先征求了钱老师的看法, 然后打算采纳带传动和二级圆柱齿轮减速器 , 也就是我的最终设计方案. 至于画装配图和零件图 , 由于前期运算比较充分 , 整个过程用时不到一周, 在此期间 , 我仍得到了很多同学和老师的帮忙. 在此我要向他们表示最真诚的谢意 . 整个作业过程中, 我遇到的最大 , 最痛楚的事是最终的文档. 一来自己没有电脑 , 用起来很不便利。最厌恶的是在此期间, 一种电脑病毒” Word杀手”四处泛滥, 将我辛辛苦苦打了几天的文档全部毁了. 那么多的公式, 那么多文字就这样在片刻消逝了, 当时我真是痛楚得要命.尽管这次作业的时间是漫长的, 过程是曲折的 , 但我的收成仍是很大的. 不仅仅把握了四连杆执行机构和带传动以及齿轮, 蜗杆传动机构的设计步骤与方法。也不仅仅对制图有了更进一步的把握。 Matlab和 Auto CAD ,Word这些仅仅是工具软件 , 娴熟把握也是必需的 . 对我来说 , 收成最大的是方法和才能 . 那些分析和解决问题的方法与才能. 在整个过程中 , 我发觉像我们这些同学最最缺少的是体会 , 没有感性的熟悉, 空有理论学问 , 有些东西很可能与实际脱节. 总体来说 , 我觉得做这种类型的作业对我们的帮忙仍是很大的, 它需要我们将学过的相关学问都系统的联系起来, 从中暴露出自身的不足, 以待改进 . 有时候 , 一个人的力气是有限的, 合众人聪明 , 我信任我们的作品会更完美.毛燕020015042004年9月18日第一节附录一.Matlab程序求悬点的位移，速度和加速度表达式的程序： symsabcda1w1 A=d-a*cosa1。B=-a*sina1。C=A2+B2+c2-b2/2*c。a3=2*atanB+sqrtA2+B2-C2/A-C。a2=atanB+c*sina3/A+c*cosa3。w3=w1*a*sina1-a2/c*sina3-a2。w2=-w1*a*sina1-a3/b*sina2-a3。s=1.35*c*a3+acosc2-a2-a*b/d*c-pi可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结v=1.35*c*w3ac=1.35*c*b*w22+a*w12*cosa1-a2-c*w32*cosa3-a2/c*sina3-a2机构优化设计程序：functionmyyouhuaF=45:0.1:55。YH=inf,0,0,0,0。fori=1:lengthFq=Fi*pi/180。c=1.4/1.35*q。a=c*sinq/2。K=1.1*c:0.001:1.6*c。forj=1:lengthKb=Kj。d=sqrtb2+c2-a2。P=0:0.5:180。m=0。fort=1:lengthPa1=Pt*pi/180。a1=a1+acosb/d。w1=11*pi/30。A=d-a*cosa1。 B=-a*sina1。 C=A2+B2+c2-b2/2*c。ifA=Ca3=2*atanB+sqrtA2+B2-C2/A-C。elsea3=2*atan-A/B。end。a2=atanB+c*sina3/A+c*cosa3w3=w1*a*sina1-a2/c*sina3-a2。w2=-w1*a*sina1-a3/b*sina2-a3。ac=1.35*c*b*w22+a*w12*cosa1-a2-c*w32*cosa3-a2/c*sina3-a2。z=absacif。m<zm=z。endend。ifm<YH1YH=m,a,b,c,dend。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结end。end求悬点位移的程序：functions=mysa1a=0.505。b=2.112。c=1.320。d=2.439。w1=11*pi/30。a1=a1+acosb/d。A=d-a*cosa1。B=-a*sina1。C=A2+B2+c2-b2/2*c。ifA=Celsea3=2*atanB+sqrtA2+B2-C2/A-Ca3=2*atan-A/B。end。s=1.35*c*a3+acosc2-a2-a*b/d*c-pi。function求悬点速度的程序：v=myva1a=0.505。b=2.112。c=1.320。d=2.439。w1=11*pi/30。a1=a1+acosb/d A=d-a*cosa1。B=-a*sina1。C=A2+B2+c2-b2/2*c。ifA=Ca3=2*atanB+sqrtA2+B2-C2/A-C