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1、3. 过程设计1 选题背景1.1 题目来源 其它1.2 研究目的和意义游梁式抽油机是石油工程中重要的采油设备，本设计采用最新出现的六环传动来设计游梁式抽油机的减速箱，用以提高其性能。三环减速器是一种渐开线少齿差传动装置，一般由三列并置的双曲柄平行四边形机构组成，具有传动比大、效率高、体积小、制造方便等优点。但这种机构在传动过程中将产生周期变化的惯性力，各内齿环板所受载荷不均匀，啮合冲击力大，因此运动平稳性较差，在重载、高速、大传动比的情况下此问题尤为突出。为克服三环减速器动不平衡这一缺点，可在其原先的基础上再并置一套三环减速器，就构成了六环减速器。该减速器主要由两根互相平行带偏心的高速轴1（动
2、力可由任一轴或两轴同时传输），带动六个传动内齿环板3，通过少齿差内啮合从带有外齿轮的低速轴2输出转速。1.3 国内外发展概况及存在问题抽油机是机械采油的重要设备，随着油田开发的深入和油田供液能力的不足，机械采油在油田采油井中的比例不断上升。据统计，我国的机械采油井约占油井总数的90%以上，其中，由抽油机抽油杆抽油泵组成的三抽井占80%左右，产量占75%。随着三抽设备研究水平的提高和油田开发方式的变化，抽油机采油井的数量有不断增加的趋势。在三抽设备中，抽油机的性能和质量，一方面对抽油机本身的寿命，维护费用及采油成本有着直接的关系，另一方面，它将影响抽油杆上的载荷变化，影响抽油泵的工作状态，进而影
3、响整个三抽采油的效率和无故障运行时间，因此，在三抽设备中，油田工程师历来对抽油机给予了较高的重视。同时，抽油机是油田的主要地面设备，从机械设计学功能分析的角度讲，抽油机的基本功能相对简单，即把动力机（电动机或内燃机）的 旋转运动变成悬点的往复直线运动。这样，必然吸引着许多专家对抽油机进行研究，提出新的设计方案和新的传动原理，进行新机型的试制，因此，不断有新的抽油机型问世。1.3.1 游梁式抽油机减速器的现状抽油机的产生和使用由来已久，迄今有百年历史，应用最早、普及最广的应属游梁式抽油机，它是我国主要的机械采油设备。至1992年底，我国油田在用的游梁式抽油机总数已到5万多台，其总数占机械采油中总
4、数的90%以上，而且对抽油机的需求量预计每年以5000台以上的速度增长。目前在世界各个采油机仍在大面积地广泛应用。美国拥有60万台，前苏联拥有9万台。一百多年来，虽然国内外不少科技人员从不同的角度对其进行了研究和改造，做了大量的工作，取得了一定的效果。但游梁式抽油机的结构和原理没有实质性变化。结果简单，易损件少，可靠性高，耐久性好，操作维修方便是其经久不衰的根本原因。然而减速器是抽油机的关键部件。要提高抽油机的寿命和效率，可对减速器的结构进行改进。减速器大多是由齿轮传动，目前世界上齿轮最大传递功率已达6500Kw，最大线速度达210m/s；齿轮最大重量达200t，最大直径达25.6m，最大模数
5、m达50mm。自20世纪60年代以来，我国先后制订了JB113070圆柱齿轮减速器等一批通用减速器标准，除主机厂自制配套使用外，还形成了一批减速器生产厂。我国现有齿轮生产企业613家。其中生产减速器的厂家有数百家，年产通用减速器75万台左右，年生产总值约250亿元。这些企业和厂家对发展我国的机械产品作出了贡献。改革开放以来，我国引进了一批先进的加工装备。通过不断引进、消化和吸收国外先进技术以及科研攻关，开始掌握了各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术。材料和热处理质量及齿轮加工精度都有较大的提高，通用圆柱齿轮的制造精度可从JB17960的89级提高到GB1009588的6级，高速齿轮的制造精
6、度可稳定在45级。部分减速器采用硬齿面后，体积和重量明显减小，承载能力、使用寿命、传动功率有了大幅度的提高，对节能和提高主机的总体水平起到明显的作用。从1988年以来，我国相继制定了5060种齿轮和蜗杆减速器的标准，研制了许多新型减速器，这些产品大多数达到了20世纪80年代的国际水平。但是我国大多数减速器的水平还不高，老产品不可能立即被替代，新老产品并存过渡要经历一段较长的时间。1.3.2 游梁式抽油机减速器的发展趋势随着我国市场经济的推进，“九五”期间，齿轮行业的专业化生产水平有了明显的提高，如一汽、二汽等大型企业集团的齿轮变速箱厂、车桥厂，通过企业改组、改制，改为相对独立的专业厂，参与市场
7、竞争；农机齿轮企业转加工非农用齿轮产品，调整了企业产品结构；私有企业的崛起，中外合资企业的涌现，齿轮行业的整体结构得到优化，行业势力增强，技术进步加快。在90年代三环减速器以其独特的结构原理出现，受到了广泛重视，已形成了多种类型的生产能力。但在工作中发现，三环减速器的振动普遍较大，且偏心套及轴承寿命较短。三环减速器的承载能力和可靠性在很大程度上取决于能否保证各环板上的内齿轮载荷分配均匀。但由于不可避免的制造、安装误差及工作中产生的弹性变形，使各环板上的内齿轮载荷分配不均匀，从而严重影响了三环减速器装置的使用性能。同时，三环减速器的结构型式也不可能实现减速器工作时所产生的惯性力矩完全平衡。当今世
8、界各国减速器及齿轮技术发展总趋势是向六高、二低、二化方面发展。六高即高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率；二低即低噪声、低成本；二化即标准化、多样化。减速器和齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水平，因此，开拓和发展减速器技术在我国有广阔的前景。1.3.3 研究的主攻方向由于目前所用三环减速器的三个环板的运动彼此具有120的相位差，只能实现静平衡而无法实现动平衡，因而导致以下一系列难以克服的缺点：高速运转时，振动较大；为避免出现过大的振动，因而环板通常较薄，使承载能力受到了限制；由于环板较薄，使轴承的选择受到了限制，环板支撑轴承温升过高。而我们所
9、提出的六环减速器是一种完全平衡的减速器，可以克服三环减速器的缺点。在设计六环减速器的过程中，我们研究的主攻方向是：六环减速器六个环板的受力分析及各环板相位差的分布；游梁式抽油机减速器的传动装置设计；六环减速器效率和高传动比的计算等。本毕业设计为单级六环减速器，和对称式直齿圆柱齿轮减速器。我们将运用在校学习的图学、力学、机械学及计算机知识，结合在工艺实习等实践教学中，学习的箱体、齿轮及各种零部件的加工制造和装配知识，以及学习的有关抽油机及其零部件的设计知识，通过对各种技术资料的收集，分析研究，设计计算，绘图的实践，学习并掌握由原理方案的设想，转化为对减速器结构思路及方法的设计和计算。本毕业设计所
10、要解决的主要问题包括怎样确定总体方案，机械传动系统的设计计算，减速箱主要零部件的设计计算以及润滑方式的选择几个方面。为了更好的解决以上问题，以及使减速器能在日常生活中运用更广泛，我们在三环减速器基础上进行改进，设计出具有更大传动比，有更高的功率和具有动态平衡的六环减速器。2 方案论证齿轮减速器是各种机器中广泛采用的重要部件，其主要功用是减速增力（降低转速，增大扭矩）。为使机器具有良好的性能，齿轮减速器正向着大速比、高效率、小体积的方向发展。三环减速器是十几年前才出现的一种新型减速器（图1）。它主要由两根高速轴3、三片内齿轮传动环板2、一个和外齿轮固联的低速轴1组成。两根高速轴上分别装有三个彼此
11、相位相差1200的偏心轮。高速轴转动时，可使三个环板作相位差为1200且只作公转、不作自转的平动，进而带动外齿轮、低速轴作低速转动。这种减速器单级传动比可达99，机械效率较高（达0.92-0.96），并具有外形尺寸相对较小的特点，已在矿山、冶金、石油、化工、起重运输、建材等行业获得了应用。图1 三环传动简图1. 低速轴 2. 传动环板 3. 高速轴但由于三环减速器的三个环板的运动彼此具有1200的相位差，只能实现静平衡而无法实现动平衡，因而导致以下一系列难以克服的缺点：1）高速运转时振动较大；2）为避免出现过大的振动，因而环板通常较薄，使承载能力受到了限制；3）由于环板较薄，使轴承的选择受到了
12、限制，环板支撑轴承温升过高。我们提出的六环减速器是一种完全平衡的减速器，可以克服三环减速器的上述缺点。2.1 六环减速器的结构六环减速器可以克服三环减速器的缺点，同时又具备三环减速器的传动比大、机械效率高等优点，因此六环减速器将广泛应用于矿山、冶金、石油、化工、起重运输、建材等行业。六环减速器的结构及其特点为：它主要由高速轴1、8，薄内齿轮环板2、4、5、7，厚内齿轮环板3、6（其厚度为薄内齿轮环板的两倍），输出轴总成9和机箱10等组成。两高速轴的两端均通过轴承支撑在机箱上，其上中部则装有相位对应相同的六个偏心轮（图3）。其中，第1、3、4、6个偏心轮为薄偏心轮，第2、5个偏心轮为厚偏心轮。前
13、三个和后三个偏心轮分别组成一组。在每一组中，两侧的薄偏心轮的偏向相同，并和中间的厚偏心轮的偏向互成1800。但两组偏心轮的偏向则彼此对应相差900。这些薄、厚偏心轮分别和薄、厚内齿轮环板相对应，并通过轴承安装在内齿轮环板的两个平行孔内。输出轴系统4主要由两个外齿轮（亦称为太阳轮）和一根输出轴组成。外齿轮和输出轴通过渐开线花键连接，输出轴通过两端的轴承安装在机箱上。2.2 六环减速器具有如下特点1. 由于在每一组传动环板中，因厚、薄环板的运动相位差为1800，故它们产生的惯性力大小相等，方向相反，彼此抵消，实现了动平衡，因而可以有效地降低减速器的振动。2. 与三环减速器比较，六环减速器的环板数增
14、多，每个环板的厚度也可增大，因而具有更好的功率分流效果，并同时降低了环板支撑轴承的载荷，可以传递更大的功率。3. 由于每一组传动环板的内齿轮和一个外齿轮啮合，外齿轮与输出轴采用渐开线花键配合，这种结构可获得很好的均载效果。4. 由于每一组传动环板的内齿轮对外齿轮的径向作用力的合力为0，输出轴仅受扭矩及轴上零件重力作用，最大限度地降低了输出轴轴承的载荷。5. 因两组传动环板偏心轮的偏向对应相差900，故当一组传动环板处于死点位置时，另一组传动环板的机构传动角则等于900，处于最佳状态。利用平行四边形机构附加连杆的工作原理，可协助前一组传动环板顺利越过死点。图2 1.8 高速轴 2.4.5.7 内
15、齿轮薄环板 3.6 内齿轮厚环板9 输出轴总成 10 机箱图3 高速轴2.3 六环减速器的技术特征1. 它主要由高速轴1、8，薄内齿轮环板2、4、5、7，厚内齿轮环板3、6（其厚度为薄内齿轮环板的两倍），输出轴系统9和机箱10等组成。两高速轴的两端均通过轴承支撑在机箱上，其上中部则装有相位对应相同的六个偏心轮（图3）。其中，第1、3、4、6个偏心轮为薄偏心轮，第2、5个偏心轮为厚偏心轮。前三个和后三个偏心轮分别组成一组。在每一组中，两侧的薄偏心轮的偏向相同，并和中间的厚偏心轮的偏向互成1800。但两组偏心轮的偏向则彼此对应相差900。2. 其输出轴系统4主要由两个外齿轮和一根输出轴组成。每一组的三个内齿轮传动环板和其中的一个外齿轮啮合，外齿轮与输出轴采用渐开线花键配合。图4 输出轴总成2.4 设计方案的选定 六环减速器可以设计为单轴输入，也可为双轴输入；可将高速轴（输入轴）对称的分布在低速轴（输出轴）的两侧，也可放在输入轴的一侧。由于此设计的减速器是运用在抽油机上，可得知此输出机构为双曲柄机构，即此减速器的输出轴两端与抽油机四杆机构的曲柄相连。此减速器设计示意图如图5所示，设置为偏置结构，为了便于安装，其偏心轴设计成为由直轴与偏心套组成。在高速轴两端设有锲键与曲柄相连，然后再用螺母紧固。图5 减速器传动示意图
