油田抽油机专用防渗漏型减速器设计

油田抽油机专用防渗漏型减速器设计

摘要

本文阐述了我国油田抽油机减速器的现状及未来的发展方向，为了解决减速器漏油问题从而达到提高采油效率的目的，着重对抽油机减速器进行优化设计和计算。其中包括箱体回油孔的改进、润滑油进油方式的改进、轴承盖密封结构的改进、箱体放油孔结构的改进、减压透气装置的改进以及传动方案的确定、设计计算齿轮传动和各级传动轴、校核计算主要部件。本设计的目的在于设计出一款专用防渗漏型减速器，进行科学实验，从各方面对减速器的结构、性能的可行性进行分析，使之更加合理、经济、高效。这些都有助于提高油田抽油机减速器的市场竞争力并获得更大的经济效益。本设计用CAD绘制二维装配图，并用Workbench 15.0对低速轴进行有限元分析，最终设计出符合要求的专用防渗漏型减速器。

关键词：抽油机；渗漏；减速器；设计

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

1绪论 1

1.1齿轮减速器的现状及发展趋势 1

1.1.1齿轮减速器的定义、特点及选用 1

1.1.2齿轮减速器的现状 1

1.1.3齿轮减速器的发展趋势 2

1.2抽油机减速器存在的问题 2

1.2.1抽油机减速器渗漏原因 2

1.2.2抽油机减速器渗漏的危害 3

2减速器渗漏问题的改进措施 4

2.1箱体上的回油孔结构改进 4

2.1.1原结构分析 4

2.1.2新型结构分析 4

2.2润滑油的进油方式改进 5

2.2.1原进油结构分析 5

2.2.2新进油结构分析 5

2.3轴承盖密封结构改进 6

2.3.1原轴承盖密封方式 6

2.3.2新型轴承盖密封方式 6

2.4箱体放油孔的结构 7

2.4.1原放油孔的结构 7

2.4.2改进后的放油孔结构图 8

2.5减压透气装置 8

2.5.1直通式透气塞 8

2.5.2改进后的呼吸阀 9

3减速器传动方案的确定 10

3.1原始参数 10

3.2传动方案 10

3.3主要参数的计算 10

3.3.1确定减速器各轴的功率 10

3.3.2计算各轴转速 11

3.3.3计算各轴扭矩 11

4减速器齿轮的选择与校核 12

4.1齿轮基本参数 12

4.2高速级齿轮几何尺寸的计算 12

4.3低速级齿轮几何尺寸的计算 13

4.4高速级齿轮的强度校核 13

4.5低速级齿轮的强度校核 15

5轴的校核 17

5.1主动轴的校核 17

5.1.1主动轴的设计简图 17

5.1.2带传动的基本参数 17

5.1.3主动轴受力分析 19

5.1.4支点A,B的支反力 19

5.1.5主动轴疲劳强度的校核 20

5.1.6轴的应力分析 24

5.2中间轴的校核 25

5.2.1受力分析 25

5.2.2支点A、B的反力 25

5.2.3疲劳强度的校核 26

5.2.4轴的应力分析 29

5.3从动轴的校核 30

5.3.1从动轴的受力分析 30

5.3.2从动轴的设计计算 30

5.3.3疲劳强度的校核 31

5.3.4安全系数校核 34

5.3.5轴的应力分析 35

6其它主要部件的选择与校核 37

6.1键的选择与校核 37

6.2紧固件的选择与校核 37

6.2.1拧紧力矩计算 37

6.2.2结合螺栓受力计算 39

6.3透气阀的选择与校核 40

6.4齿轮润滑油的选择 41

7箱体设计 43

7.1箱体主要参数的计算 43

7.2吊耳的设计与校核 44

8减速器关键零件的有限元分析 46

8.1低速轴三维模型的建立 46

8.2有限元应力分析 46

8.2.1模型导入 46

8.2.2添加材料信息 48

8.2.3设定网格划分参数并进行网格划分 48

8.2.4施加载荷 49

8.2.5设定求解参数 49

8.2.6求解 49

结论 51

致谢 52

参考文献 53

1 绪论

1.1齿轮减速器的现状及发展趋势

1.1.1齿轮减速器的定义、特点及选用

何为齿轮减速器？顾名思义。齿轮减速器是一种独立封闭的传动装置，应用于原动机和工作机之间，可以用来降低转速、增加转矩，从而可以满足不同的工作需要。当然某些特定情况下也可以用来增速。齿轮减速器结构紧凑，不需要用联轴器和适配器，而且载荷分布在行星齿轮上，所以承载力高于一般的斜齿轮减速器，而且能够满足空间小扭矩高的输出要求。

减速器有如下特点：1、传动可靠；2、输入组合较多能满足特殊的要求；3、传动功率高且结构紧凑；4，易于使用和维护，材料根据技术和工程条件配置并选择。

减速器的选择应考虑以下因素：工作机的条件、动力机械的性能、技术参数、经济性等。另外还应从减速器的外廓尺寸、质量、价格、承载能力、传动效率等方面考虑选择。

减速器因工作机的受力状态较为复杂而产生了较大影响，影响了减速器的选择和计算。减速器的受力状态一般分为三类：一种是均匀载荷，二是中等冲击载荷，三是强冲击载荷。

1.1.2齿轮减速器的现状

自新中国成立以来，我国先后制定了一批通用减速器的标准，除支持自制机械厂使用以外，一批减速器生产厂也随之兴起。中国现有的齿轮生产企业865家（其中国有和集体所有的大中型企业195家，国有、集体小企业535家，私营企业76家，外资企业59家）。生产减速机的厂家有数百家，年产常规减速机约950000台，年产值约320亿元。这些企业和制造商对中国的机械产品的发展作出了巨大贡献。

大多数减速器在20世纪60年代都是根据前苏联二十世纪四五十年代水平的制造技术制造的，之后虽然有一些发展，但是由于当时的设计、工艺和设备条件，整体水平和国际水平还是有相当大的差距。

到了20世纪70年代，齿轮减速器的技术有了较大的发展。减速器向着小型化、高速化、低噪声、高可靠性方向发展。其中，发展中最为引人注目的方面是功率分支技术、硬齿面技术以及模块化设计技术。

到了20世纪80年代，国外硬齿面技术日趋成熟。减速器精度因采用了优质的合金钢锻件和渗碳淬火磨齿的硬齿面齿轮而有所提高。减速器的综合承载能力为中硬齿面调质齿轮的3～4倍，为软齿面齿轮的4～5倍。一个中等规格的硬齿面减速器的重量仅为中硬齿面减速器的1/3左右，而且噪声低、效率高、可靠性高。

自1988年以来，中国已经发展了50到60种齿轮和蜗轮蜗杆减速器的标准，形成了一批新的减速器，这些产品大多达到了二十世纪八十年代的国际水平。然而，我们的大多数减速器的水平依旧不高，产品更新换代慢，新老产品共存将经过长时间的过渡期，这也是当前减速器存在的最大问题，对生产发展有一定的限制，也一定程度上阻碍了经济社会的发展。

1.1.3齿轮减速器的发展趋势

到了90年代中后期，国外大力投入资金发展减速器技术，促使减速器不断更新换代，满足实际要求，赶上时代步伐，更加注重模块化设计的理念，而且大大提高了承载能力、整体水平和外观质量。面对这些差距，我国也采取了相应的措施，在行星和大功率双支和多分支设备里采用了动力分支技术。

到了21世纪，随着信息技术的飞速发展，机械制造领域广泛应用了自动化技术和计算机技术，制造业的生产组织形式和传统制造观念有了很大的改变。随着精益生产、智能制造、敏捷制造等先进技术在机械制造领域的广泛运用，齿轮生产线和计算机网络管理向着高精度、高效率的方向发展。同时机械传动结构随着数控技术的发展而飞速发展。

模块化设计技术已经成为当今齿轮减速器的一个主要发展方向。模块化设计技术不但能实现高性能，而且还可以较为有效的减少零件的品种和毛坯的规格和数量，这样就可以方便组织生产，形成批量，降低成本，从而获得规模经济效益。与此同时，运用一些基本部件，不但可以增加产品的花样和类型，而且能够多地开发利用变型设计或衍生产品，可以从一系列常见的衍生出一系列专用系列。

低成本、高承载力的中硬齿面滚齿的新齿形和新结构的研究、开发、推广也非常重要，能够获得较大的经济效益。国内多年来使用有效的双圆弧齿轮，三环减速器和已成功应用的点线捏合齿轮等技术，企业应继续改进和大力推广。

减速器和齿轮的设计和制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水平。因此，在中国，齿轮减速器的研制和开发技术，有着广阔的应用前景。

1.2抽油机减速器存在的问题

1.2.1抽油机减速器渗漏原因

抽油机减速器是一种承受反复交变载荷，长期连续运行的减速装置。润滑油长期使用导致了油田抽油机齿轮箱功输出轴漏油，由此造成机油粘度低，机械杂质过多，从而加大了密封圈的磨损，最终导致了抽油机减速器的漏油。使用稀释、磁场吸铁硝、堵漏等多项措施，能有效减少油封的磨损，延长设备的维修周期，对抽油机变速设备的管理具有长远的意义。

减速箱渗漏齿轮油的部位主要集中在输入轴、输出轴、中间轴，以及其他一些部位，下面就各个部位漏油原因进行分析。

（1）输出轴下降引起漏油。输出轴在油田抽油机运动过程中承受着较大的交变扭应力，由于轴承与抽油机运动时上下冲程交替变化，轴承在垂直方向上承受交变压应力。轴承在这样一个长期运行的非对称交变应力环境中不断运转，加快了轴承的磨损速度，轴承磨损严重时导致输出轴向下移动和轴承压盖密封环摩擦，轴和压盖密封间隙增大导致漏油。

（2）油封磨损。齿轮箱输出轴的曲柄与轴承压盖的中间孔之间的密封是通过油封来实现的。当抽油机运行一段时间后，油封受到了磨损，最终导致部分齿轮油从中间孔泄漏。

（3）抽油机安装质量问题。有两个要点：①用螺栓连接减速器上、下半块时，连接面处密封垫损坏，密封胶涂抹不均匀，密封效果较差；②在轴承安装轴承压盖时，轴承压盖内密封圈开口槽与回油孔错位，回油孔被内密封圈堵塞。在正常情况下，开口槽和回油孔口的位置只有完全重合才能保证回油孔的畅通。此外，漏油的主要原因还有内六角螺钉松动、轴承回油孔的堵塞、油封磨损等。

1.2.2抽油机减速器渗漏的危害

减速机漏油对机械行业有较大危害。一是对生产和经营的危害，减速器齿轮漏油会造成齿轮箱内齿轮磨损，严重影响机器的顺利运行。各轴轴承将因润滑不足发热而造成不同程度的损坏，最终导致油井的停产，等待更换或维修。减速器的泄漏会增加生产成本，齿轮箱齿轮上的漏失的油需要及时补充，由于齿轮油不足，导致齿轮的磨损严重，齿轮也需要更换，所以生产成本大大增加。如果轴承之间没有齿轮润滑油，就会增大摩擦力度，对设备造成一定程度的损坏，从而影响生产进度。如果有严重的漏油的问题，很容易造成机械故障，齿轮漏油和齿轮磨损，不仅影响生产，而且大大增加了齿轮油的修理成本。减速器齿轮箱的泄漏造成机身带有油污，因此，必须随时清理，这就需要大量的人力、物力、财力，而且增加管理难度。

二是对安全和环境的危害，减速器输入轴制动轴的泄漏将渗透到制动垫，从而导致制动失败，给工人带来一些操作安全隐患。而且暴露的齿轮油也严重污染了周围的环境，给齿轮箱的维修、管理等带来不便，制造了较大的麻烦。齿轮油缺失会流向变速箱、轴承、地基、地面，影响周围的生态环境。减速齿轮漏油会增加管理难度。齿轮箱齿轮油因机身损失而造成油污，每个月都应对抽油机进行清理，涉及大量人力、物力、财力，增加正常生产管理难度。

由此可见，抽油机减速器的漏油所导致的问题还是相当多的，因此，研制出防渗漏减速器也迫在眉睫。

参考文献

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[10] 邢邦圣.机械制图与计算机绘图第2版[M].化学工业出版社，2008.