毕业设计（论文）-6碳纤维连续抽油杆作业车设计.doc

目 录1 绪论11.1 碳纤维杆的发展情况11.1.1 碳纤维杆的国外发展11.1.2 碳纤维杆的国内发展11.1.3 碳纤维杆的结构特点21.2 碳纤维连续抽油杆作业车的发展及特点41.2.1 碳纤维连续抽油杆作业车的发展情况41.2.2 碳纤维杆作业车的结构特点52 碳纤维杆作业车夹持装置方案对比分析92.1 齿轮组方案对比92.2 动力方案对比103 碳纤维杆作业车夹持装置设计分析113.1 夹持装置的工作原理113.2 链传动设计123.2.1 夹持块整体结构受力分析123.2.2 链条设计133.2.3 链轮设计143.2.4 链传动的张紧与润滑163.3 齿轮组设计163.3.1选定齿轮类型，精度等级，材料和齿数163.3.2 齿轮扭矩173.3.3 弯曲疲劳许用应力173.3.4 试算小齿轮分度圆直径183.3.5计算齿比高183.3.6 载荷系数183.3.7 齿形系数183.3.8 比较选择系数193.3.9 尺寸计算193.3.10 齿轮零件图193.4 链轮轴设计203.4.1 基本参数203.4.2 链轮上的力203.4.3 初步确定轴直径203.4.4 轴结构设计203.4.5 力分析简图233.4.6 求轴上载荷233.4.7 按弯扭合成应力校核轴的强度263.5 液压马达选择263.5.1 功率计算263.5.2 转速263.5.3 扭矩273.5.4 选择273.5.5 连接273.6 液压缸选择273.6.1 夹紧缸的选择273.6.2 张紧缸293.6.3 缸体材料及固定293.7 夹持块支架设计303.8 张紧链轮支架设计323.9 整体架设计323.10 横向位移、纵向位移德设计323.11 传送链移动边位移设计334 碳纤维杆作业车下放作业的平衡分析和设计345 碳纤维杆作业车起下夹持装置经济性评价376 结论39参考文献40致谢421 绪论抽油杆是有杆泵抽油系统的重要部件之一。我国三抽(抽油机、抽油杆和抽油泵)井的井数占生产油井总数的80%，其原油产量占全国原油总产量的70%。抽油杆在工作过程中，承受不对称循环载荷和腐蚀介质的作用，其主要失效形式是疲劳断裂或腐蚀疲劳断裂。目前国内外使用的抽油杆主要是钢质普通抽油杆，它具有较高的抗疲劳强度、运输操作方便、价廉等优点，但是它存在密度大，耗能高，目前只能用于泵挂深度小于3000m的油井泵径(38mm)，不能用于超深井泵挂深度30004500m，每根抽油杆的最大长度为9.14m，组成抽油杆柱时，用接箍将抽油杆连接起来，抽油杆接头的失效率占抽油杆总失效率的50%以上，而且由于接箍的外径较大，减少了接箍外径与油管内径之间的空间，增加了井液向地面流动的阻力，抗腐蚀性能较差等缺点。因此，普通钢质抽油杆不能满足深井、超深井、腐蚀井等特殊油井原油开采的需要，成为有杆泵抽油系统中的薄弱环节1。碳纤维连续抽油杆采用一种新型材料，在我国采油系统的应用获得了初步的成功，尤其在这一技术中的产品性能、节能效果，与国外的专用作业车比较有一定的优势，显示出了其大面积推广的巨大经济价值。1.1 碳纤维杆的发展情况1.1.1 碳纤维杆的国外发展20世纪90年代初，为了克服普通钢抽油杆质量大、耗能高、失效频繁、活塞效应大、起下作业速度慢、易偏磨的缺点2，美国利用其航空航天和材料技术的优势，成功研制碳纤维杆、专用的油井作业设备和碳纤维杆钢抽油杆的混合抽油杆柱设计软件。1991年至1995年美国在33口抽油井中使用碳纤维杆，平均泵挂深度为1444m，碳纤维杆的长度占整个抽油杆柱长度的平均比例为61.8%，井底的平均温度42.7，平均日产液91.7t。其中有1口井正常运行了4a，另1口含H2S的井正常运行了3a。这33口井在4年半的矿场试验中共作业45井次，最主要的失效形式是钢接头疲劳断裂和碳纤维杆端部连接部位失效，其次是由于碳纤维杆受压应力引起失效3。1.1.2 碳纤维杆的国内发展我国在20世纪90年代开始研制，引进碳纤维连续抽油杆。1998年前后国内开始研制该产品。2000年陈厚等介绍了以环氧树脂作为树脂基体，以碳纤维作为增强材料，采用拉挤成型工艺生产树脂基碳纤维杆，并分析和讨论了该连续生产过程中易出现的问题。他们提出的工艺可连续成型，自动化程度高，且成型制品力学性能优异，是生产连续抽油杆的一种较好的工艺方法。2000年开始，顾雪林和杨小平等进行了碳纤维杆的制造和作业工艺及装备的研究，已制备出耐温等级分别为90、120和150的碳纤维杆，其中耐温等级为90的杆已正常生产并投入现场使用。在乙烯基酯树脂碳纤维拉挤复合材料方面申请了具有自主知识产权的专利，在碳纤维杆与金属接头的连接方面取得了突破性进展，在产品实验室疲劳实验和所有下井的工况试验中获得100%的成功。2001年吴则中等人详细介绍了美国碳纤维杆碳纤维的研究、生产、油田应用等情况，指出：碳纤维抽油杆适用于高含水油井、深井、超深井和腐蚀井的原油开采，目前我国有抽油井约8万口，原油平均含水80%以上，泵挂深度2000m以深的井数占总井数的15%以上，腐蚀井的井数也占总井数15%以上，因此，碳纤维抽油杆在我国有广阔的应用前景。2003年李颖等人介绍了碳纤维杆在胜利油田胜利采油厂的试验情况，使用表明碳纤维杆能带来明显的节能效果，同时油井产量还有明显增加的现象，碳纤维杆有很好的应用前景。顾雪林、李颖等人共进行了19井次16口油井的矿场试验，解决了接头可靠性和下井作业的可靠性等应用难题，实际节能超过35%，一般可接近50%；悬点最大载荷可减少25%左右，载荷幅度减小，可降低抽油机型号12个等级，直接节约固定资产投入约10万元/口油井；最大泵径61.86mm；部分油井使用碳纤维抽油杆提高的油井产量达到原金属抽油杆的110%，平均提高泵效24%；还可解决大泵深抽的采油技术难题。最大下泵深度为2800m，其中碳纤维抽油杆为1850m，最长的油井使用时间已超过1a。碳纤维杆在胜利、大港、中原等油田的使用总数已接近50口油井。碳纤维杆采油系统在我国油田的应用获得了初步的成功，尤其是产品性能和节能效果，均超过了国外的技术水平，显示出其大面积推广的巨大经济价值。但是，该采油系统的相关配套技术研究尚未深入开展，应用中尚未充分发挥出该产品的潜力。1.1.3 碳纤维杆的结构特点碳纤维连续抽油杆呈带状，可缠绕到滚筒上（见图11），它的横截面为矩形（见图12）。增强材料：心部为碳纤维；上下表面覆盖玻璃纤维布，以提高碳纤维抽油杆的横向强度；左右两侧面和棱角覆盖芳纶纤维布或玻璃纤维布，以提高抽油杆的耐磨性能。基体为乙烯树脂，采用拉挤工艺生产。1转轴；2支撑环；3滚筒；4碳纤维杆图11 缠绕在滚筒上的碳纤维抽油杆1碳纤维；2玻璃纤维布；3芳纶纤维布或玻璃纤维布图12 碳纤维杆截面碳纤维杆两端部的连接结构见图13，其两表面上各贴一条用碳纤维复合材料做的加强带，并打3个螺钉孔。钢接头的一端符合API抽油杆规范，以便和钢抽油杆、抽油光杆相连接；另一端开一个槽，有3个内螺纹孔。将碳纤维抽油杆的端部插入钢接头的槽中，用3个螺钉固定。1碳纤维抽油杆；2加强带；3螺钉；4钢接头图13 碳纤维杆端部连接结构安装抽油杆柱时，先用普通油井作业设备将一定长度的钢抽油杆或加重杆下入井内，接着将碳纤维抽油杆下端的钢接头与钢抽油杆或加重杆相连接，再用碳纤维抽油杆的油井作业设备，以30.5m/min的速度将 碳纤维抽油杆下入井内，最后将普通光杆与碳纤维抽油杆的上端钢接头相连。其结构与玻璃钢抽油杆钢抽油杆的混合抽油杆柱相似，其区别仅在于混合抽油杆柱相当于由两种密度和弹性系数不同的弹簧组成，区别仅是这两个系统的总刚度和总密度不同。钢抽油杆和加重杆的作用是使碳纤维抽油杆在工作过程中始终处于受拉应力状态，并调整混合抽油杆柱的自振频率，使其接近抽油机的冲数而使混合抽油杆柱发生共振，达到增加泵冲程的目的。与常规抽油杆相比，碳纤维杆具有良好的综合性能，优点有以下几点：1）密度小，可以降低光杆载荷和减速器的扭矩，节电。碳纤维抽油杆的密度为1.59g/cm3，约为钢抽油杆的五分之一。碳纤维抽油杆钢抽油杆的混合抽油杆柱的质量比钢抽油杆柱轻50%以上，因此，可以大大降低光杆载荷和减速器的扭矩，达到节电的目的。可使抽油机的型号降低12个规格，减少设备投资。2）弹性好，优化设计混合抽油杆柱，可以增加原油产量。碳纤维抽油杆的弹性模量E=1.165×105MPa，利用混合抽油杆柱设计软件，优化设计抽油系统，可实现超冲程，增加原油产量。3）耐腐蚀，延长了检泵周期。4）降低了抽油杆的失效频率和活塞效应。碳纤维抽油杆的中间没有接箍，减少了接箍引起的失效和活塞效应。5）碳纤维抽油杆与油管的摩擦力较小，降低了油管的磨损和光杆载荷。6）抽油杆起下作业速度快，减轻作业工人的劳动强度。混合抽油杆柱的起下作业速度约比钢抽油杆柱快60%。7）扩大了有杆泵抽油系统的应用范围。采用美国普通的640型抽油机和抽油泵，泵挂深度为1493m，利用碳纤维抽油杆，通过优化设计，日产液量可达191t，因此可部份代替电潜泵，用于大泵强采。根据碳纤维抽油杆的特性，碳纤维连续抽油杆适合于深井、超深井、腐蚀井、超载井和高含水井。与其他抽油杆相比，使用碳纤维抽油杆的投资最少。总之，连续抽油杆有着普通抽油杆无法比拟的优越性，能够较好地解决普通抽油杆无法解决的问题，将逐渐替代普通抽油杆，特别对于解决斜井、深井、腐蚀井及低渗透井等有着十分重要的现实意义，具有广泛的发展前途。但是，碳纤维杆也存在了许多缺点：1）碳纤维抽油杆的两端部与钢接头连接部位的疲劳强度较低，是薄弱环节。2）目前最高工作温度仅为60。3）不能承受压应力，耐磨性能较差。4）价格较贵。1.2 碳纤维连续抽油杆作业车的发展及特点1.2.1 碳纤维连续抽油杆作业车的发展情况碳纤维杆作为一种优良的材料，可以用于连续抽油作业，也可以用于起下作业，其在油田中的应用与相应的设备配套可获得不同的用途。目前，国内各大油田对碳纤维连续抽油杆的需求和应用日益广泛，先后已有4个厂家开发了碳纤维杆的生产线，但国内却没有与之很好配套使用的作业设备。碳纤维杆作业车是装备了碳纤维杆及相关装备的一种油井作业设备，该作业车可用于起下泵、修井、采油的各个作业阶段。胜利石油管理局工程机械总厂与西安石油大学机械工程学院联合研制出了一种的全液压智能作业车。该作业车采用计算机控制，作业过程全程自动监控，设计集机、电、液一体化，可用于起下泵、修井、采油的各个作业阶段4。本设计是对用于起下作业的碳纤维杆作业车上的夹持装置进行设计。1.2.2 碳纤维杆作业车的结构特点采用碳纤维杆的常规油井作业设备如图14所示。1滚筒；2导向器；3碳纤维杆；4载车；5马达；6减速器；7链条；8吊杆；9钢丝绳；10卡瓦；11千斤顶图14 采用碳纤维杆的油井作业设备滚筒支承在滚筒支架的轴承座上，滚筒支架固定在车身上。马达通过涡轮减速器和链条带动滚筒轴上的链轮，驱动滚筒，使碳纤维杆抽油杆下入井内或从井内取出来。吊杆安装在卡车上，钢丝绳绕过滑轮延伸到绞盘上。此钢丝绳是用来吊装抽油泵加重杆和光杆的。调节卡车的位置，尾部对准井口，将千斤顶顶起，使卡车定位。通过导向器将杆对准油管。卡瓦用来卡住或松开碳纤维杆。考虑到缠绕盘扭矩过大等因素，将起下装置由缠绕式驱动改为夹紧摩擦式驱动，作业车示意图5如下：1作业车单元；2缠绕盘单元；3光杆起升单元；4碳纤维杆起升单元；5液压控制单元；6测控单元图15 作业车构成示意图作业车单元1主要给车上的作业设备提供原动力并承担全套作业设备的运输工作；缠绕盘单元2主要承担碳纤维杆的缠绕工作；碳纤维杆起升单元4主要承担碳纤维杆的起下作业工作；液压控制单元5主要为碳纤维杆起升单元、光杆起升单元、缠绕盘单元提供液压动力并承担上述三个单元的控制工作；测控单元6完成主要作业参数(下泵深度、悬重、工作液温度、压)力等的测试功能。作业车全套设备的基本参数如下：作业车选用车型：SX2190H/6×6；碳纤维抽油杆最大容量：2500m；最大起升重量：60kN；最大起升速度：12m/min；最大起下泵深度：4000m；起升档数：无级变速；起升绳系：2×3；井架型式与有效高度：塔型，11m；分动箱输出功率：70kW+30kW。光杆起升单元主要承担光杆和加重杆的起下作业工作，其构成图见图16所示，它主要由绞车、游车天车、井架、钢丝绳、绞车驱动液马达、井架起降液压缸等构成。1绞车；2游车；3天车；4井架；5钢丝绳；6液压马达；7井架起升液压缸图16 光杆起升单元构成图液压控制单元主要为碳纤维杆起升单元、光杆起升单元、缠绕盘单元提供液压动力并承担3个单元的控制工作，该单元由执行、控制和油源三大部分组成。执行部分包括3台液马达和19个油缸，控制部分包括碳纤维杆作业操作台和车体调平衡操作台，油源部分包括主、辅泵、油箱、过滤器和冷却器等。图17 测控单元构成图测控单元承担主要作业参数的测试功能，包括杆柱下放深度、悬重、车体平衡、工作液温度、压力等，同时对安放扶正器的位置、游车与天车的相对位置进行控制，确保作业的正常与安全（图17）。本设计主要对碳纤维杆起升单元4的夹持装置进行设计，也是比常规碳纤维杆作业车先进之处，其原理图如下。图18 起升及缠绕单元原理图在碳纤维杆起升时，首先主液压缸将右侧链条边的导轨推向左侧导轨并将碳纤维杆夹紧在固定于链条上的夹持块之间，接着小液压缸驱动右侧的张紧轮将右侧传动链张紧，而后主液压马达带动主动小齿轮转动，主动小齿轮同时带动左边的驱动大齿轮和右边的小齿轮（过轮）转动，而右边的小齿轮转动带动右边的驱动大齿轮转动，左右两个驱动大齿轮分别带动自身同一轴上的链轮转动，实现两挂传动链的同步反向传动，从而带动碳纤维杆上提，缠绕盘在另一小液压马达的驱动下带动缠绕盘实现碳纤维杆的小拉力缠绕，完成碳纤维杆在缠绕盘上的收放。此次设计的碳纤维连续抽油杆作业车采用全液压控制，作业车单元主要给车上的作业设备提供原动力并承担全套作业设备的运输工作；缠绕盘单元主要承担碳素杆的缠绕工作；光杆起升单元主要承担光杆和加重杆的起下作业工作；碳素杆起升单元主要承担碳素杆的起下作业工作；液压控制单元主要为碳素杆起升单元、光杆起升单元、缠绕盘单元提供液压动力并承担上述三个单元的控制工作测控单元完成主要作业参数的测试功能。针对缠绕盘驱动扭矩过大的问题，将碳纤维连续抽油杆作业车的起下夹持系统设计成全液压形式，将碳纤维杆起下杆装置由缠绕式驱动改为夹紧摩擦式驱动的形式，不仅解决了缠绕盘驱动扭矩过大的问题，同时大大改善了碳纤维杆在起下过程中的受力状态，其主要特点是：起升（下放）载荷能力大。起升（下放）作业车时杆柱受力状况改善，杆柱缠绕盘负载扭矩大幅度降低，作业过程自动化程度高、速度快。设备对井场环境的适应性强，易损件少，便于维修，兼顾杆的运输和作业两项功能，减少设备投资，持续作业时间长，为碳纤维杆在国内油井大面积推广应用提供高效、可靠的作业配套设备，填补了国内空白。由此看出，将碳纤维杆的起下杆装置由缠绕式驱动改为夹紧摩擦式驱动，解决了缠绕盘驱动扭矩过大的问题，同时大大改善了碳纤维杆在起下过程中的受力状态。起升（下放）载荷能力更大，起升下放作业时杆柱受力状况改善，杆柱缠绕盘负载扭矩大幅降低，作业过程自动化程度高、速度快。它是碳纤维杆作业车的关键设备，直接影响到整个作业车的性能。该夹持装置类似于连续油管注入器，连续油管注入器的基本功能是：夹持油管并克服井下压力对有关的上顶力，把油管诸注入井内和从井内起出油管；控制油管诸如和起出的速度。注入器的典型结构如图619。上部两台液压马达转动，带动链条。链条的外侧嵌装油管卡瓦。夹紧液压缸推夹持块夹住链条的内侧，使油管卡瓦卡紧油管。当井口中心一侧的链条向下运动时，将油管注入井内，反之将油管从井里起出。为保证链条的正常工作，采用张紧液压缸调节张紧链轮，使链条完全张紧。1液压马达；2夹紧油缸；3张紧油缸；4主动链轮；5链条；6夹紧力；7张紧链轮；8油管卡瓦图19 连续油管注入器典型结构2 碳纤维杆作业车夹持装置方案碳纤维杆作业车上的夹持装置是整个作业系统的一部分，它从液压系统到碳纤维杆经历了几部分机构，针对缠绕盘驱动扭矩过大的问题，将碳纤维连续抽油杆作业车的起下夹持系统设计成全液压形式，将碳纤维杆起下杆装置由缠绕式驱动改为夹紧摩擦式驱动的形式，不仅解决了缠绕盘驱动扭矩过大的问题，同时大大改善了碳纤维杆在起下过程中的受力状态，其主要特点是：起升（下放）载荷能力大。起升（下放）作业车时杆柱受力状况改善，杆柱缠绕盘负载扭矩大幅度降低，作业过程自动化程度高、速度快。设备对井场环境的适应性强，易损件少，便于维修，兼顾杆的运输和作业两项功能，减少设备投资，持续作业时间长，为碳纤维杆在国内油井大面积推广应用提供高效、可靠的作业配套设备，填补了国内空白。下面对齿轮组传动机构方案和动力方案进行对比分析，从中选择最佳方案。2.1 齿轮组方案齿轮组用来连接液压马达和链轮，分配从液压马达出来的动力，保证两侧的链轮同步转动，从而保证链条同步转动，夹持块同步起下，带动碳纤维杆起下工作。如图2-1所示，对齿轮依次编号。其中1号轮与主动链轮轴连接，2号轮与液压马达连接，3号轮为过渡轮，4号轮与固定端链轮轴连接。图21 齿轮组方案一假设链轮工作扭矩T，则 ， ，表21 方案一齿轮扭矩值号码扭矩1T22T/33T/34T2.2 动力方案常用的动力为电动机，该起下夹持装置安装在作业车上，作业车常在野外工作，为其提供电源不方便，若用内燃机发电则成本较高，且效率不高。为适应流动作业，采用汽车内燃机作为动力源，提供一套液压系统，工作机选择液压马达和液压缸。这样，用液压系统为其提供动力，不仅解决了动力问题，而且，液压系统具有更好的工作性能，保证了夹持装置较高的工作要求。3 碳纤维杆作业车夹持装置设计分析碳纤维杆夹持装置即为图1-5中的4，它主要用于碳杆纤维杆的起下工作，减小缠绕盘的扭矩，保证平稳工作。夹持装置结构图3-1所示：图3-1 夹持装置结构图1小齿轮 2大齿轮 3张紧油缸4张紧链轮 5非金属夹块 6链条7主动链轮 8夹紧油缸 9夹紧导轨10碳纤维连续抽油杆3.1 夹持装置的工作原理本次设计的碳纤维连续抽油杆作业车的起下夹持装置实际上就是碳素杆的起升及缠绕单元。其工作原理如下（见上图）：在碳素杆起升时，首先主液压缸将右侧链条边的导轨推向左侧导轨并将碳素杆加紧固定于链条上的夹持块之间，接着小液压缸驱动右侧的张紧轮将右侧传动链张紧而后主液压马达带动主动小齿轮转动，主动小齿轮同时带动左边的驱动大齿轮和右边的小齿轮（过轮）转动，而右边的小齿轮转动带动右边的驱动大齿轮转动，左右两个驱动大齿轮分别带动自身同一轴上的链轮转动，实现两挂传动链的同步反向传动，从而带动碳素杆上提，缠绕盘在另一小液压马达的驱动下带动缠绕盘实现碳素杆的小拉力缠绕，完成碳素杆在缠绕盘上的收放。工作时分为两个独立单元，一为夹紧单元，一为起下单元。起下单元功率传递路线：液压马达齿轮组链轮、链条夹持块碳纤维杆；夹紧单元功率传递路线：液压缸托板滚动轴承、夹持块支架、夹持块碳纤维杆。起下作业时首先夹紧液压缸柱塞杆伸长，推动托板，使夹持块前移，顶住碳纤维杆，直至达到一定压力，保持定位不变。然后液压马达通过齿轮组和链轮带动两侧链条，链条牵引夹持块转动，在夹紧部分表现为起下运动，由齿轮组分配液压马达的运动，使两侧链条同步运动，则夹紧碳纤维杆的夹持块同步起下，完成作业。工作过程中，汽车内燃机为动力源，为液压马达、液压缸等液压执行件提供动力支持。3.2 链传动设计3.2.1 夹持块整体结构受力分析夹持块固定在支架上，支架固定在三排链中间链的销轴上，链的转动带动夹持块的运动。夹持块顶在碳纤维杆上，工作时靠静摩擦力保持相对静止。夹持块运动时，碳纤维杆也保持相对运动，从而实现起下作业的功能。可见碳纤维杆的起下是靠摩擦力实现的。为了保证足够大的摩擦力，必须提供足够大的正压力，用液压缸来提供压力完全可以满足工作要求。夹持块受力分析如图33。Q 为链条拉力 f1 为碳纤维杆对夹持装置的静摩擦，即工作载荷的一半30kN加上碳纤维杆的自重，密度为1.59g/cm3，规格35mm×5.0mm缠绕容量为2500m，总质量为598.35kg，重为5863.8N，则总载荷35.86kNf2 为托板对夹持快托架滚感动轴承的滚动摩擦，取钢钢滚动摩擦因数fm2=0.005，则f2=fm2×Fn=0.005×200=1kN，取工作时一侧夹持块数目为8，则有16个滚动轴承月托板接触，则f2=16×1=16kN图33 夹持块整体受力分析3.2.2 链条设计 选型根据结构特点，采用三排链结构，两侧链条与链轮啮合进行传动，中间链去除套筒，用来固定夹持块支架。链条受力分析如下、链条两侧拉力，由链轮提供载荷对夹持快的反作用力图34 链条受力分析由受力分析 =35.86+16=51.86KN链条满足强度准则Q3 其中Q3链条最大拉力极限抗拉载荷S安全系数，取S=2.5代入计算得 =51.862.5=129.65KN我国主要使用A系列滚子链传动的设计，根据机械设计手册（中册）第二版P258表8-44选用ISO24A查表选择24A型3排链，其基本参数如下：型号节距p滚子直径d1内节内宽b1排拒ptISO24A38.1mm22.23mm25.22mm45.44mm内链轮高度内链节外宽外链节内宽销轴长度三排链条通道高度36.2mm35.46mm35.51mm141.7mm36.55mm 链轮齿数由机械设计第八版P166可知当链节数为奇数时，由于过度链节的链板要受附加弯矩的作用，所以在一般情况下，不要用奇数的链节，所以链节常取偶数，为使链条和链轮磨损均匀，常取链轮齿数为奇数，并尽可能与链节数互质。优先选用的链轮齿数系列为17，19，21，23，25，38，57，76，95，114。由机械设计手册P259得Zmin=9+0.2P=9+0.2x38.1=16.67 综合考虑，结合齿数系列表的优先齿数选用17设计中去链轮的传动比为1，则各链轮参数相同。 初定中心距由机械设计第八版P177得知若中心距不受其他条件限制，一般取a0=30p50p.最大值可取80P，有张紧装置或托板时，可大于80P。中心距不能调整，初取a0=30p。而本次设计中的中心距是不能调整的，则链节数：代入得 圆整偶数为 结合结构特点实际取 链条长 L=2.9718m中心距 实际取中心距 链轮转速 11.1218.53m/s3.2.3 链轮设计基本参数如下：节距 p=38.10mm排拒 pt=45.44mm滚子直径 d1=22.23mm内节内宽 b1=25.22mm链轮齿数 z=17 主要尺寸的计算 分度圆直径 由<机械设计>P170得知： 齿根圆直径 由机械设计手册P268可知： df=dd1=207.3-22.23=185.1mm 齿顶圆直径（三圆弧一直线）da=p0.54+cot()=225mm齿高 ha=0.27p=0.27×38.1=10.3mm齿侧凸缘直径 dgp×cot1.04h20.76=180.634mm 轴向齿阔尺寸 齿宽 bf1=0.93=0.93×25.22=23.45mm 齿侧倒角 ba=0.13p=0.13×38.10=4.95mm 齿侧半径 rx=p=38.10mm 齿全宽 bf3=(31)pt+bf1=2×45.44+23.45=114.33mm 齿槽形状 由机械设计手册P265表8-53得： 齿侧圆弧半径 remin=0.008d1(z2+180)=83.4mm remax=0.12d1(z+2)=50.7mm 取 re=70mm滚子定位圆弧半径 rimin=0.505d1= rimax=0.505d1+=11.42mm 取 ri=11.3mm滚子定位角 min=120=114.70 max=140=134.70 取=1200 链轮材料链轮轮齿要具有足够的耐磨性和强度。由于小链轮的轮齿的啮合次数比大齿 轮多，所承受的冲击也较大，所以小链轮应该采用较好的材料制造，参考机械设计表95选择45钢。3.2.4 链传动的张紧与润滑链传动张紧的目的主要是为了避免在链条的松边垂度过大时产生啮合不良和链条的震动现象，同时为了增加链条与链轮的啮合包角。当中心线与水平线的夹角大于600时常设张紧装置。张紧的方法很多，可以采用张紧轮，压板和托板。结合本装置的特点采用张紧轮张紧。链条速度n=(11.1218.53)r/min，型号24A型，查图914（机械设计），链轮的润滑十分重要，对高速重载的链传动更为重要，良好的润滑可以缓和冲击，减轻磨损，延长链轮的使用寿命，故选定期人工润滑。为了防止工作人员无疑中碰到链传动装置中的运动部件而受到伤害，应该用防护罩将其封闭，还可以将链轮传动与尘土隔离，以维持正常润滑状态。3.3 齿轮组设计3.3.1选定齿轮类型，精度等级，材料和齿数如图所示传动方案，2为主动轮，1为能动侧齿轮。由于采用开始结构，选用直齿圆柱齿轮，8级精度。由机械设计 表101选择2、3齿轮材料为40Cr(调质)，硬度为260HBS，1、 4齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，两者硬度差为20HBS，开式齿轮传动主要为磨损失效，选择z2=z3=19，取传动比为3，则z1=z4=3×19=57。由机械设计齿轮组为开式传动，按理应该根据保证齿面抗磨损及齿根抗折断能力两准则进行计算，但对齿面抗磨损能力的计算方法迄今尚不够完善，对开始齿轮传动目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。M 图35 齿轮组载荷分析确定公式中的各计算数值：3.3.2 齿轮扭矩 -链轮扭矩Q链条总拉力，51.86kNd链轮分度圆直径，208 mm N由机械设计表107，选取齿宽系数=0.8。由齿轮组结构图知F21=F12，即=，得=1797.81N3.3.3 弯曲疲劳许用应力由机械设计图1020c查得2、3号轮弯曲疲劳强度极限=450MPa，=350MPa，n4=n1=(11.1218.53)r/minn2=n3=in1=3×(11.1218.53)=(33.3655.59)r/min按每年工作300天计算，工作寿命10年算N1=2.67×107由机械设计图1019，取弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.94，KFN2=0.92取安全系数S=1.5，则弯曲疲劳许用应力=219.33MPa=276MPa3.3.4 试算小齿轮分度圆直径由机械设计10-9a可知可=1.21.4取=1.2由机械设计P201图10-6得知，取弹性影响系数=189.83.3.5计算齿比高 齿宽 b=0.8×139.94=111.712mm模数 m2=5.9mm齿高 h=2.25m2=2.25×5.26=13.23mm=8.43.3.6 载荷系数 K= ）使用系数，查机械设计表102取1.30动载系数，v=0.22m/s，8级精度，查机械设计图108取1.01齿间载荷分配系数，直齿取1齿向载荷分配系数，查机械设计图1013取1.21代入得K=1.30×1.01×1×1.21=1.588733.3.7 齿形系数z()19（z1）57(z2)2.292.851.721.543.3.8 比较选择系数大齿轮： =0.018小齿轮： =0.0160.0180.016，故选择大齿轮值。3.3.9 尺寸计算由于2号主动轮两侧与两个齿轮啮合，故2号轮扭矩加倍。代入公式（33）M =查机械原理表101取m=10则 取齿高系数=1，顶隙系数=0.25尺顶圆 中心距 齿宽 b2=b3=×d2=0.8×190=152mm取 b2=b3=150mmb1=b4=145mm3.3.10 齿轮零件图由机械设计P232得知，大齿轮齿顶圆直径 400mm1000mm，采用轮辐式结构。图36 齿轮结构图3.4 链轮轴设计3.4.1 基本参数转速 =18.53 r/min转矩 T=5393.44N·m功率 P=10.46kW 3.4.2 链轮上的力 圆周力Fe即链轮牵引链条力的反作用力 Fe=51.86kN 压轴力× 有效圆周力，51.86kN 压轴力系数，垂直传动取1.05 代入得 1.05×51.86=54.453kN3.4.3 初步确定轴直径 选轴的材料为Q235钢，调质处理，根据机械设计P370表153取A0=130，于是 =A0=130=107.44mm 取d=110mm3.4.4 轴结构设计轴结构图由机械设计课程设计指导书P44-P45可知，设计州的结构时，既要满足强度的要求，也要保持轴上零件的定位，固定和装配方便，并有良好的加工工艺性，所以将轴的结构设计设计为阶梯式。图37 轴装配图轴向定位由机械设计课程设计指导书P45可知，当直径变化的端面是为了固定轴上零件或者承受轴向力时，则直径变化值要大些，一般可取6-10mm，当轴径变化是为了装配方便或者区分加工表面时，不承受轴向力也不固定轴上零件，则响铃直径变化较小，只要稍有差别即可，其变化值可取1-3mm两端采用轴承端盖固定。根据机械零件手册表9-5，参考基本额定动载荷比、极限转速比，选取角接触球轴承7218C。周向定位1.链轮键选择计算键材料选择45钢，查机械设计P106表62许用挤压应力p=(100120)MPa，取p=115MPa。由d=110mm，bf3=114.33mm，查机械设计表61选键28×16，L=90mm，强度条件为p= （311）T传递转矩，5393.44Nmk接触高度，k=0.5h=8mml工作长度，圆头平键l=Lb=9028=62mmd轴直径，110mm 代入得p=197.7MPap 可见连接挤压强度不够，采用双键，相隔1800布置，其工作长度l=1.7×62=105mm。p=104MPap(合适) 键标记为 键28×16 GB/T 109619792.齿轮键选择计算键材料选择45钢，查机械设计P106表62许用挤压应力p=(120150)MPa，考虑到工作情况，取p=140MPa。由d=90mm，b1=145mm，查机械设计表61选键25×14，L=110mm，强度条件为p=T传递转矩，5393.44Nmk接触高度，k=0.5h=7mml工作长度，平头平键l=L=110mmd轴直径，90mm代入得p=155.7p挤压强度不够，采用双键，相隔1800布置，其工作长度l=125mmp=137MPap(合适) 键标记为 键B25×14 GB/T 109619793.滚