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2 研究目的和意義
井下圓柱正弦活齒減速器設(shè)計
學(xué)生:曾運(yùn)運(yùn),機(jī)械工程學(xué)院過程裝備與控制工程
指導(dǎo)老師:黃天成,長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
1 題目來源
生產(chǎn)實踐
2 研究目的和意義
當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異,機(jī)械制造業(yè)的整體發(fā)展方向越來越要求向高可靠度、精密、高速度、小型化發(fā)展。現(xiàn)代機(jī)械中大部分傳動環(huán)節(jié)是由減速器實現(xiàn)的,傳動部件的設(shè)計與制造水平直接關(guān)系到機(jī)械工作的效率精度,所以必然對其提出了更高的要求。減速器的設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展水平,在工業(yè)發(fā)展過程中占有很重要的地位。因此,減速器技術(shù)的研究在我國有著非常重要的意義。
現(xiàn)代社會對石油的消耗越來越大,深井和超深井鉆探技術(shù)中井下減速器應(yīng)用于渦輪動力鉆具的研究日益受到人們的關(guān)注。井下減速器的徑向尺寸受到油井套管的限制,要想使其在重載荷下長時間的運(yùn)行,則必須解決如下兩點(diǎn):徑向尺寸小和傳動效率高。
目前應(yīng)用最多的井下減速器是NGW型行星減速器、同步減速器、單螺桿式減速器、摩擦滾珠減速器和定軸輪系減速器等幾種。其中行星齒輪減速器及定軸輪系減速器在渦輪鉆具中使用的較多,下面以行星齒輪減速器和定軸輪系減速器為例闡述這兩種減速器渦輪鉆具的缺點(diǎn)。NGW型行星減速器沿徑向布置,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是“徑向尺寸受限制,軸向尺寸不受限”。如果減小徑向尺寸,則必然導(dǎo)致模數(shù)或齒數(shù)減小。模數(shù)減少引起齒輪的承載能力降低;齒數(shù)減小引起傳動比降低。定軸輪系減速器,其減震能力差、傳動穩(wěn)定性能偏低、壽命短、難以加工裝備。
研究的目的是找到一種在徑向尺寸受到約束的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、低噪音、承載能力大、傳動比范圍廣的減速器。
為了克服上述減速器的不足,針對深井和超深井的需要,提出了一種面向石油井下鉆采工況的新型減速器—圓柱正弦活齒減速器。
活齒傳動是一種新型的齒輪傳動方式,因為其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使之具有傳統(tǒng)齒輪傳動不可比擬的優(yōu)越性能。在一定的工作條件下,是傳統(tǒng)齒輪傳動理想的替代產(chǎn)品。本課題研究的圓柱正弦活齒減速器是一種新型的活齒傳動機(jī)構(gòu),它體積小、噪音小、結(jié)構(gòu)緊湊、潤滑性能好、傳動效率高、傳動誤差小、性價比高、有自鎖功能等優(yōu)點(diǎn),切合石油井下減速器傳動裝置的特定要求。
XIII
5主要研究內(nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題及解決思路
3閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱
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4國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向
4.1 活齒傳動國外研究現(xiàn)狀
最早的活齒傳動結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)30年代由德國人提出,后來他們就把活齒傳動技術(shù)應(yīng)用到汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中。50年代到70年代,原蘇聯(lián)和美國在這方面做了大量研究,原蘇聯(lián)學(xué)者對活齒傳動的一種形式“柱塞傳動”進(jìn)行了理論研究,提出了它的運(yùn)動學(xué)和力的計算方法。美國學(xué)者提出了推桿活齒減速裝置及少齒差減速機(jī),開發(fā)出滑齒減速器,并且研制成產(chǎn)品,投放到國際市場。70年代,蘇美兩國積極開發(fā)活齒傳動的新型式,蘇聯(lián)推出了“正弦滾珠傳動”,美國推出了“無齒齒輪傳動技術(shù)”曾引起各國科技工作者的極大興趣。到了80年代,國際上研究活齒傳動國家越來越多,日本、聯(lián)邦德國、英國、美國等國家先后發(fā)表了一些有關(guān)活齒傳動的專利和發(fā)明,這些都表明活齒傳動的研究和應(yīng)用,在國外越來越活躍。
到口前為止,國際上只有原蘇聯(lián)對正弦活齒傳動進(jìn)行了研究,但在國內(nèi)也很少能檢索到他們的相關(guān)文獻(xiàn)。原蘇聯(lián)將正弦活齒減速器成功應(yīng)用于復(fù)雜井下采油裝置中,解決了渦輪鉆具轉(zhuǎn)速過高的難題。此外,還將其廣泛應(yīng)用于離心機(jī)的傳動裝置等很多領(lǐng)域。
4.2活齒傳動國內(nèi)研究現(xiàn)狀
由于很多復(fù)雜原因,我國對活齒傳動的研究時間很短,從上世紀(jì)70年代起,我國的工程師和科技工作者才開始注意國外活齒傳動的發(fā)展;近30多年,在艱苦的條件下,不斷學(xué)習(xí)國外活齒傳動研究成果,開拓創(chuàng)新,與時俱進(jìn),經(jīng)過十兒年開拓,先后發(fā)明了多項技術(shù)專利:滾道減速機(jī)(CN86 200768)、旋轉(zhuǎn)活齒減速器(CN87101702)、擺動活齒減速機(jī)(CN 2075729U)、套筒活齒少齒差傳動裝置(CN87203751U)、變速傳動軸承(CN85 200923)、活齒諧波減速機(jī)(CN87 206444U)等。
80年代初,多種多樣的活齒傳動出現(xiàn),例如以曲繼方教授為研究代表的擺線活齒傳動活齒傳動,以周有強(qiáng)教授為研究代表的套筒活齒傳動機(jī)構(gòu),以朱紹仁為研究代表的推桿活齒傳動,四川大學(xué)梁尚明研究了擺動活齒的強(qiáng)度、效率、運(yùn)動學(xué)嚙合剛度等。在理論研究方面,燕山大學(xué)曲繼方對活齒傳動結(jié)構(gòu)理論、運(yùn)動學(xué)理論、齒形理論和嚙合理論做了探討,并用這些理論分析了各種典型的活齒傳動的結(jié)構(gòu)特征和傳動性能,逐步形成了完整的活齒傳動體系,從而完成了一部較為全面系統(tǒng)研究活齒的著作《活齒傳動理論》。
我國活齒傳動的研究和開發(fā)時間短,技術(shù)人員少而且分散,生產(chǎn)經(jīng)驗積累不足,與先進(jìn)國家先比,在總體上仍然有很大的差距。我國與1988年和1991年,有機(jī)械電子工業(yè)部分別提出了《行星齒輪傳動基本術(shù)語》和《滾柱活齒減速器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),今后定將推動我國的活齒傳動技術(shù)更快的發(fā)展。
4.3國內(nèi)外的研究的主攻方向
活齒傳動有很多結(jié)構(gòu)型式,具有典型意義的有:推桿活齒傳動、滾柱(珠)活齒傳動、擺動活齒傳動、套筒活齒傳動、平面滾珠傳動等等。國內(nèi)外的研究主要是針對一個結(jié)構(gòu)型式的活齒傳動進(jìn)行齒廓曲線特征分析、嚙合副自鎖機(jī)理分析、齒形的加工與修形研究等等。燕山大學(xué)曲繼方教授在進(jìn)行活齒傳動研究時,形成了專著《活齒傳動原理》,在此書中他建立起針對所有活齒傳動的“活齒傳動分析與綜合的理論基礎(chǔ)”。
5主要研究內(nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題及解決思路
把現(xiàn)代設(shè)計方法運(yùn)用于井下圓柱正弦活齒減速器的設(shè)計中,掌握減速器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算方法,并能夠用計算機(jī)輔助手段完成設(shè)計。
5.1 主要研究內(nèi)容包括
(1)活齒減速器概述;
(2)井下圓柱正弦活齒減速器總體方案設(shè)計;
(3)設(shè)計參數(shù)選擇與計算;
(4)主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計;
(5)井下圓柱正弦活齒減速器結(jié)構(gòu)圖(二維、三維);
(6)重要零部件強(qiáng)度校核;
(7)潤滑方式的選擇;
5.2 重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題
(1) 研究圓柱正弦活齒的傳動比公式和連續(xù)傳動條件,計算殼體和主動軸正弦滾道與活齒接觸點(diǎn)處的主曲率,分析減速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對主曲率的影響規(guī)律;利用主動軸正弦滾道和活齒間相對滑動速度的計算公式,分析減速器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對相對滑動速度的影響規(guī)律,建立活齒的空間力學(xué)模型,計算活齒對殼體和主動軸的作用力,根據(jù)活齒和正弦滾道間的接觸應(yīng)力公式,分析減速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對活齒接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。
(2)結(jié)合深井采油的實際工作環(huán)境,給定具體的工作參數(shù),設(shè)計出滿足條件的減速器,并利用ANSYS Workbench對其進(jìn)行應(yīng)力分析。
5.3 解決思路
利用曲繼方教授在其專著《活齒傳動理論》建立起來的“活齒傳動分析與綜合的基礎(chǔ)理論”( 活齒傳動的結(jié)構(gòu)分析、活齒傳動的運(yùn)動學(xué)理論、活齒傳動的齒形理論、活齒傳動的嚙合理論)來分析圓柱正弦活齒減速器的結(jié)構(gòu)特征及傳動性能,并以此為基礎(chǔ)對圓柱正弦活齒減速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時,利用有限元軟件(ANSYS Workbench)對零件和模型進(jìn)行應(yīng)力分析。
6完成畢業(yè)設(shè)計所必須具備的工作條件及解決方法
6完成畢業(yè)設(shè)計所必須具備的工作條件及解決方法
完成一篇畢業(yè)設(shè)計所需要的條件是方方面面的,在此過程中不免會遇到各種各樣的難題。當(dāng)遇到問題時,應(yīng)該靜下心來翻閱已有資料,積極地與指導(dǎo)老師討論,要有不怕吃苦,勇于攀登的精神。
以下列舉幾個完成本課題的畢業(yè)設(shè)計所必需的的條件。
(1) 學(xué)會利用學(xué)校圖書館和網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫
(2)掌握本課題相關(guān)的基礎(chǔ)知識
(3)會利用三維軟件進(jìn)行三維畫圖
(4)會利用分析軟件(Matlab、ANSYS Workbench)對相關(guān)問題進(jìn)行分析
7工作的主要階段、進(jìn)度與時間的安排
第6周 查閱與本課題相關(guān)的中文文獻(xiàn)和外文文獻(xiàn)
第7周 選定外文文獻(xiàn),比對此文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯
第8-9周 接受指導(dǎo)老師分配的任務(wù)書,并對減速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計
第10-13周 圓柱正弦活齒傳動嚙合特征和受力分析
第14-15周 畫圓柱正弦活齒三維圖和二維裝配圖
第16周 對三維模型進(jìn)行應(yīng)力分析
第17周 整理論文,準(zhǔn)備答辯
指導(dǎo)老師審查意見
8指導(dǎo)老師審查意見