东北石油大学本科生机构分析创新设计1第第 1 1 章章 概述概述1.11.1 引言引言针对现有各种抽油机难以同时满足可靠性高和节能效果好两种要求的现状,开发了带有往复运动齿轮齿条复合机构的抽油机这种抽油机采用了往复运动齿轮齿条齿条复合机构,由小齿轮的单向旋转驱动长环形齿条上下运动,并带动滑块做上下往复运动,从而实现基本的抽油动作通过简单的结构和尺寸改变,能实现不同冲程和冲次,并可设计成重型抽油机这种抽油机具有节能效果好、可靠性高、运行平稳、维护方便等特点,具有较高的推广应用价值 本往复运动偏心齿轮齿条运动机构的驱动与换向机构，包括电机、部分齿齿轮、齿条，电机通过传动机构和部分齿齿轮连接，在部分齿齿轮两侧分别设置有与部分齿齿轮啮合的齿条，两根齿条相对位置固定的连接在齿条架上，齿条架与导轨组成滑块结构通过部分齿齿轮分别和两侧的齿条啮合，带动齿条架在导轨上往复运动这种直线往复式运动的驱动与换向机构，通过部分齿齿轮分别与两边的齿条啮合，从而带动齿条架往复运动，在往复运动中，无需限位开关，电动机也无需换向，即以无换向停留达到运动机械全动程的等速往复运动，还具有动程范围大、速度均匀、传动精度高、震动小、结构简洁等特点。
1.21.2 往复运动偏心齿条往复运动偏心齿条- -齿轮复合机构的认识齿轮复合机构的认识复合运动偏心齿轮齿条机构在传动的过程中是相当稳定的，所以在相似的技术当中算是比较稳定的一种，它自身也拥有自身的特点一、齿轮传动的特点：齿轮传动是应用最为广泛的一种传动形式，与其它传动相比，具有传递的功率大、速度范围广、效率高、东北石油大学本科生机构分析创新设计2工作可靠、寿命长、结构紧凑、能保证恒定传动比；缺点是制造及安装精度要求高，成本高，不适于两轴中心距过大的传动 其中，齿轮传动分类：1、按轴线相互位置：平面齿轮传动和空间齿轮传动平面齿轮传动：按轮齿方向：直齿轮传动，斜齿轮传动和人字齿轮传动；按啮合方式：外啮合、内啮合和齿轮齿条传动；空间齿轮传动：锥齿轮传动、交错轴斜齿轮传动和蜗杆蜗轮传动2、按齿轮是否封闭：开式和闭式齿轮传动1.31.3 往复运动偏心齿条往复运动偏心齿条- -齿轮复合机构运用齿轮复合机构运用运用复合运动偏心齿轮齿条机构的抽油机是油田采油所用的抽油机技术领域中的抽油机，它以运用了复合运动偏心齿轮齿条机构和传统机构组合成，复合运动偏心齿轮齿条机构，可以节省能量为２５－３０％，节省成本为８０％。
另外在海洋石油勘探开发中,自升式海洋平台是使用数量最多的平台自升式平台主要采用复合运动偏心齿轮齿条机构系统自升式平台齿轮齿条强度是我国自主研发自升式平台升降系统的关键技术之一复合运动偏心齿轮齿条机构在内燃机中也发挥了重要作用它可以延长往复的行程以此来提高内燃机的做功其好处是：1 降低了内燃机的转速，2 增大了缸体的空间，3 更多的空气可以进入缸体，4 燃油可以充分燃烧，5 排出的高温废气不存在压力，6 增大了缸体的散热面积，7 活塞的惯性力可以完全转换到动力轴上，8 材料的磨损和要求的强度都可以减少因本机构基本不做无用功发动机的怠速可以减少到现在的十分之一以下1.41.4 本章小节本章小节通过对复合运动偏心齿轮齿条机构的学习研究，我们明白了复东北石油大学本科生机构分析创新设计3合运动偏心齿轮齿条机构在工业生产中的重要地位比如在抽油机，内燃机，送料机及一些重型机械中都得到了广泛的应用复合运动偏心齿轮齿条机构在传动的过程中是相当稳定的，具有极高的可靠性在实际生产工作中，复合运动偏心齿轮齿条机构具有节能效果好、可靠性高、运行平稳、维护方便、速度均匀、传动精度高、震动小、结构简洁等特点,具有较高的推广应用价值。
所以，研究复合运动偏心齿轮齿条机构是油田生产中必不可少的项目在如今石油资源日渐减少的大背景下，对复合运动偏心齿轮齿条机构的研究及应用也是日渐重要，应该向节能化，高效化，环保化发展，在发展经济生产的同时，注意将环境保护与生产效益相得益彰虽然复合运动偏心齿轮齿条机构的稳定性还有待加强，但这定然不会是不可克服的另外，通过对复合运动偏心齿轮齿条机构的初步了解以及建立模型，我们懂得了创新设计的意义所在以及团队合作在生产工作中的重要性加强了我们的团队合作意识，对今后学习、工作生活具有深远意义第第 2 2 章章 往复运动偏心齿条往复运动偏心齿条- -齿轮复合机构设计齿轮复合机构设计2.12.1 机构设计机构设计2.1.1 机构设计过程设计过程是指从明确设计任务到编制技术文件所进行的整个设计工作流程2.1.2 机构设计过程的四个阶段(1) 产品规划 —— 明确机械设计任务，提出设计任务书2) 原理方案设计 —— 确定功能原理和机械运动方案，画出机械运动简图东北石油大学本科生机构分析创新设计4(3) 技术方案设计4) 评估，改进与决策2.1.3 机构及其系统运动方案设计（1）机构及其系统运动方案设计的主要内容 功能原理方案设计：功能原理设计和工艺动作过程设计。
2）运动规律设计（3）机构系统运动方案设计根据功能原理方案中提出的工艺动作过程及各工艺动作的运动规律要求，选择相应的若干执行机构的形式，按某种方式将其组合成一个机构系统，以确保上述工艺动作过程的实现机构选型、组合、创新 —— 机构系统简图4）机构系统运动简图设计机构系统简图——运动协调设计——机构运动循环图——尺度综合——机构系统运动简图2.1.4 机构选型的基本要求（1）满足工艺动作及其运动规律的要求高副机构、低副机构、注意约束在机构中的作用、 适当设置调整环节2）机构的运动链要短 3）机构的传力性能要好传动角（压力角） 、防止自锁 、惯性力平衡4）动力源的选择应有利于简化机构和改善运动质量 电机（交流电机、直流电机、伺服电机、步进电机、交流变频电机） 、内燃机、液压马达、气动马达东北石油大学本科生机构分析创新设计52.22.2 往复运动偏心齿条往复运动偏心齿条- -齿轮复合机构的结构设计齿轮复合机构的结构设计结构示意简图结构组成——往复运动链轮-齿条复合机构由 1 主动齿轮、2 从动齿轮、3 连杆、4 齿条、5、滚动轴承、6、齿轮组成工作原理——主动齿轮 1 通过联轴器、减速器与驱动电机相连，进行动力输入；主动齿轮 1、从动齿轮 2、输出齿轮 3 均为定轴，并一起相对固定的机架（未画出）转动；齿轮 2 上有一缓冲作用的孔，当从动齿轮 2 转动时，连杆 3 带动齿条 4 水平运动，此时齿条 4 便带动齿轮 6 运动，齿条的水平运动由轴承 5 支撑控制，由于齿轮 2 、连杆 3、齿条 4 与机架构成四杆机构，存在极位夹角，故齿条存在急回运动。
条件——输出齿轮 6 上的外扭矩为 20kN.m；试确定各部件尺2.32.3 本章小结本章小结通过了解机构设计的过程，首先确定设计的四个阶段：产品规东北石油大学本科生机构分析创新设计6划；原理方案设计；技术方案设计；评估，改进与决策认真分析设计的任务书，根据机械设计原理，根据任务书里的要求初步确定整个往复运动偏心齿条-齿轮复合机构的运动简图，但应该明确机构简图不代表现实机构的外形，应该考虑到选材以及将来工件的尺寸，再设计机构简图时要留有足够的余量，以防将来带来不必要的麻烦可见，在机构简图的设计是要考虑的问题有很多，考虑的越全面，我们的后期工作就会越顺利通过一天的机构设计，收获挺多，深刻明白了平时知识的积累有多么重要，同时也了解到很多相关的知识，我们初步的对我们将来从事设计工作需要做的事，相信在通过大三专业课的学习后，我们会有更进一步的认识，这次的创新设计也提高了我们对本专业的学习兴趣第第 3 3 章传动计算章传动计算3.13.1 传动计算传动计算3.1.1 输出齿轮扭矩 T=20KN•m，模数 m=14，齿数 Z=18，其分度圆直径 D=252mm 齿条受水平方向的力F=T/（D/2）=158.73kN经计算得连杆在齿轮最上最下是与水平方向夹角分别为 9.05°和 49.21°。
则可以计算连杆（二力杆）最大力 Fmax=F×cos9.05°=156.754kN最小力 Fmin =F×cos49.21°=103.696kN在齿轮 2 上的两个极限位置上的水平分力分别为F1=Fmax×cos9.05°=154.802kNF2=Fmin×cos49.21°=67.743kN连杆与齿轮 2 连接处的直径为 d=690mm，故可以算出齿轮的最东北石油大学本科生机构分析创新设计7大扭 mkNd40.532FT1齿轮 1（主动轮）与齿轮 2 传动比为 19:62，则可知齿轮 1 的扭矩为 16.37kN•m根据查表得知齿轮间的传递效率为 0.96最终算的通过减速器传给齿轮 1 的扭矩为 17.76kN•m由公式 9550000×P=T•n 可得齿轮 1 的功率为 P1=24 kW齿轮 2 的功率为 P2=23.3kW,齿轮 6 的功率为 P3=8.4kW3.1.2 齿条长度不得小于 790mm,为了保证齿条在极限位置不与齿轮2 接触发生碰撞，考虑齿轮 2 与齿轮 6 的水平距离，拟定齿条长1200mm，齿条行程，拟定齿条行程为 790mm3.1.3 齿轮 2 与齿轮 6 水平距离 1550mm。
四杆机构中曲柄长345mm，,连杆长 1150mm（由作图得出尺寸） ，连杆设计为方形杆,材料为 45 号钢由 得出方形杆的边长 a=21mmsAF3.1.4 根据输出齿轮 1 所需的功率选定电动机的型号电机选:200L 1 型，功率 30KW，转速 1000r/min,减速器减速比：1000/13=77，选择 ZXY 型（低速级） 3.23.2 本章小结本章小结根据上述的计算，确定相关数据后即可进行下一步的工作在这些计算的过程中，让我们对此机构的工作原理有了进一步的加深也加深了对课本知识的理解将理论知识与实践设计相结合，才能更好的理解设计理念第第 4 4 章章 主要零部件的分析与校核主要零部件的分析与校核东北石油大学本科生机构分析创新设计84.14.1 电机和减速器的选择及其主要参数电机和减速器的选择及其主要参数电机的选择：根据主动齿轮 1 所需的功率 24 kW选定电动机为 Y2 系列三相异步电机 Y2-200L1-2 型号 减速器的选择：根据所需的减速比：1000/13=77 确定减速器的类型为 ZSY 型齿轮减速器其具体参数如下4.24.2 齿轮齿轮 1 1 和和 2 2 的分析与校核的分析与校核齿轮 1 与齿轮 2 啮合，模数定为 14，传动比 i=3.25东北石油大学本科生机构分析创新设计9传递功率 P=24(kW)齿轮 1 转速 n1=13(r/min)齿轮 2 转速 n2=4.00(r/min)齿轮 1 齿数 Z1= 19齿轮 1 齿宽 B1=145(mm)齿轮 1 齿宽系数 d1=0.545齿轮 2 齿数 Z2=62齿轮 2 齿宽 B2=130(mm)齿轮 2 齿宽系数 d2=0.1509 标准中心距 A0=567.00000(mm)实际齿数比 U=3.26316端面重合度 =1.66676纵向重合度 =0.00000总重合度 =1.66676齿轮 1 与齿轮 2 强度校核(选定材料均为 34CrNiMo6)齿轮 1 与齿轮 2：齿轮 1 接触强度极限应力 =1288.0(MPa)1Hlim齿轮 1 抗弯疲劳基本值 =740.0(MPa)1FE齿轮 1 接触疲劳强度许用值 []=11479.6(MPa)1H齿轮 1 弯曲疲劳强度许用值 []1766.2(MPa)1F齿轮 2 接触强度极限应力 =1288.0(MPa)2Hlim齿轮 2 抗弯疲劳基本值 =740.0(MPa)2FE齿轮 2 接触疲劳强度许用值 []21479.6(MPa)2H接触强度用安全系数 SHmin。