采油专用2K-H型减速传动装置设计及三维仿真设计说明书.docx

摘要行星减速器是采油螺杆泵采油系统中的重要组成部分，行星齿轮传动是根据行星轮系的工作原理来实现机械减速的。数字化设计技术是一种先进的设计技术，对这一技术的应用研究将有非常重要的意义。本研究主要是针对采油螺杆泵设计的减速器系统，在螺杆泵采油系统中由于采油电机输出功率大、输入转速高、输出转速低，要求采用传动比大，减速器体积小，而且扭矩大的减速器，而行星齿轮减速器由于输入轴与输出轴共线，径向结构紧凑，体积小，承载能力大；传动效率高；传动比较大；运动平稳，抗冲击和振动的能力较强，这样行星齿轮减速器能很好的满足上述要求。本文采油行星减速器采用2K-H类NGW型行星齿轮减速装置，可以降低井下动力输出轴的转速，以满足低速、大扭矩的要求。由于采用了内啮合结构，行星轮位于内、外齿轮之间，输入轴与输出轴又位于同一轴线上，使其结构非常紧凑。本文完成了减速器的设计及关键零部件校核以及SolidWorks三维仿真。关键词：行星减速器；2K-H；齿轮；solidworksAbstractPlanetary gear reducer is an important part of the screw pump oil production system, the planetary gear transmission is according to the working principle of the planetary gear train to achieve decelerating machinery. Digital design technology is an advanced design technology, the application of this technology research will have a very important significance.This study is mainly aimed at the design of screw pump for oil extraction speed reducer system, in the screw pump oil production system due to the oil motor output power and input speed is high, the output speed low, adopts the transmission ratio, deceleration device has the advantages of small volume, and the torque of reducer, planet gear reducer due to the input shaft and the output shaft are collinear, the radial structure is compact, small size, large carrying capacity; high transmission efficiency; transmission; smooth movement and resistance to impact and vibration ability. In this way, the planetary gear reducer can well meet the above requirements.In this paper, the production of planetary gear reducer with NGW 2K-H type planetary gear reducer, can reduce the power output shaft speed, in order to meet the low speed, high torque requirements. In addition, the planet wheel is arranged between the inner and outer gears, the input shaft and the output shaft are arranged on the same axis, and the structure is very compact.In this paper, the design of the reducer and the key parts checking and SolidWorks 3D simulation are completed.Keywords:planetary reducer; 2K-H; gear; SolidWorks目 录摘要IAbstractII第一章 引言- 1 -1.1课题的研究背景- 1 -1.2 采油专用减速器的研究现状- 2 -1.3课题的研究内容及意义- 3 -第二章 减速器方案的选择- 4 -2.1减速装置的类型分析- 4 -2.1.1 谐波齿轮传动- 4 -2.1.2 2K-H行星齿轮- 4 -2.1.3 少齿行星轮- 5 -2.2减速器方案的选择- 6 -2.3行星齿轮减速器的结构特点- 7 -第三章 传动装置的总体设计- 10 -3.1 选择电动机- 10 -3.2传动系统的传动比- 10 -3.3 传动系统各轴参数确定- 10 -第四章 减速器传动零件的设计- 12 -4.1齿轮的设计计算与校核- 12 -4.1.1 确定各齿轮的齿数- 12 -4.1.2 初算中心距和模数- 12 -4.1.3齿轮几何尺寸计算- 14 -4.1.4齿轮强度校核- 15 -4.2 其他零件的设计与校核- 20 -4.2.1行星轴设计- 20 -4.2.2输入轴的设计- 22 -4.2.3 输出轴的设计- 28 -第五章 基于SolidWorks的零部件详细设计- 32 -5.1 SolidWorks软件简介- 32 -5.1.1零件设计模块- 33 -5.1.2装配模块- 34 -5.1.3 Solidworks建模一般过程- 34 -5.1.4 Solidworks装配的基本方法- 35 -5.2零部件三维建模- 35 -5.3三维装配体生成- 36 -5.4三维装配仿真- 37 -第六章 结 论- 39 -参考文献- 40 -致 谢- 42 -附录47第一章 引言1.1课题的研究背景电动采油螺杆泵是一种新型的机械采油系统。该系统既发挥了地面驱动螺杆泵能用于杆式泵和电潜泵无法抽采的稠油井、含砂井和低产油井及中后期水驱油井的独特优点，同时又吸取了电潜泵不使用抽油杆的长处，采用采油电机在井下直接驱动螺杆泵，是一种新型的采油装备。螺杆泵是20世纪20年代中期由法国科学家莫依诺发明的。1930年5月，莫依诺在美国获得相关专利，随后多家企业开始研制生产螺杆泵，螺杆也开始应用于多个领域。20世纪中期，Kois&Myers公司率先在石油工业中将螺杆泵作为一种新型的人工举升设备推向市场。90年代初期，螺杆泵采油得到广泛应用。螺杆泵作为人工举升设备，早期是以地面驱动为主，即通过地面驱动装置使抽油杆带动螺杆泵的转子旋转，井液被举升后，沿着与定子连接的油管被输送至地面。后来随着电机技术、机械加工技术等的发展，诞生了一种新的石油人工举升技术动力源放入油井中，通过电缆供电，带动螺杆泵转子旋转，实现石油的举升，人们称之为采油螺杆泵采油技术。相比于地驱螺杆泵，采油螺杆泵在能源及原材料的节约上更加出色，不仅不再有因管杆偏磨导致的断杆或管漏等故障问题，而且可以适应斜井及水平井采油。采油螺杆泵采油系统包括地面和地下两部分。地下部分由下至上通常应包括：采油电机及其保护器、减速器及其保护器、联轴器(挠性轴)、螺杆泵、油管等；地面部分包括：井口、接线盒、变压器、控制屏(变频器)等；地面部分与地下部分通过采油电缆实现电力传输。采油螺杆泵作为石油人工举升设备，虽然有众多优点，但是由于螺杆泵只能工作在较低转速，通常为180-500rmin，而采油电机通常为两极电机，50Hz时的同步转速达至3000rmin，不能直接驱动采油螺杆泵，必须增加减速装置。由于采油螺杆泵工作于井下套管当中，减速器的尺寸受到限制，大传动比与大扭矩传动成为设计当中的矛与盾，使得减速器的设计难度增大1。当前，国内外采油螺杆泵生产厂家多采用设计精度高、有较大传动比的行星齿轮减速器，这种减速器造价较高，且磨损依然存在，不仅大幅增加了采油螺杆泵系统的成本，而且其磨损是造成采油螺杆泵运行周期短的重要原因。随着高速螺杆泵技术的发展及现代电机设计技术的进步，使得采油螺杆泵与采油电机之间通过简单的减速装置甚至是不使用减速装置成为可能。本研究主要是针对电动采油螺杆泵设计的减速器系统，在螺杆泵采油系统中由于采油电机输出功率大、输入转速高、输出转速低，而且由于螺杆泵置于套管中，而套管内腔可以容纳的径向尺寸有限，这就要求采用传动比大，减速器体积小，而且扭矩大的减速器，而行星齿轮减速器由于输入轴与输出轴共线，径向结构紧凑，体积小，承载能力大；传动效率高；传动比较大；运动平稳，抗冲击和振动的能力较强，这样行星齿轮减速器能很好的满足上述要求。 1.2 采油专用减速器的研究现状二十世纪九十年代美国、加拿大等国家开始研制带井下减速器的电动采油螺杆泵。Centiilift公司在1992年末就开始研究设计，但在减速器方面始终进展不大，后来它们与一家具有齿轮设计专长的公司合作，成功开发出9：1的齿轮减速装置和挠性轴组件。1995年俄克拉荷马州的Reda公司也与加拿大阿尔伯塔的齿轮制造商共同开发了一种电动采油螺杆泵，由采油电机、保护器、柔性驱动装置和螺杆泵等部分组成，其驱动装置可将转速H，降到106 rmin(16：1齿轮减速)或425 rmin(4：l齿轮减速)。Reda公司现有行星齿轮减速器的减速比为4：1和16：l(Centrilift公司有3：1和9：1)，用于“55”、“7”、“8625”套管。推荐输入速度为2200rmin。齿轮减速器额定推力267000N的推轴承承受PC泵产生的推力和额定推力为66750N的推轴承，它允许PC泵反转防止转子从定子中脱出。这一特点在泵被砂堵时可用来清砂。使用4：1和16：1减速比的泵的运转速度分别为550rmin和138rmin。齿轮减速器在挠性联轴器上有两个像滤砂网一样的密封，有助于防止井液进入减速器。挠性联轴器的设计是用来调整PC泵的偏心振动，用一个六角接头连接到PC泵的转子上。使其和齿轮减速器轴同心旋转。在我国90年代以前采油电动螺杆泵技术尚属空白，1989年石油大学(华东)万邦烈教授在胜利油田现河采油厂一口井试验过采油电动螺杆泵采油技术，但由于电机的转速太高(2850rmin)，又没有减速装置，当时的螺杆泵加工工艺也不成熟，螺杆泵在高转速下失效损坏而告失败。在国内，石油大学等科研单位在80年代就一直跟踪国外特别是前苏联的技术发展，并先后申请了采用低速采油电机直接驱动的电动采油螺杆泵专利(CN2120203U)；90年代中期，辽河油田、华东油田、沈阳新阳机器制造公司也都申请了各自的有关专利；虽然国内采油螺杆泵减速器已有不少成功产品出现并在井下取得成功，但总体来说，电动采油螺杆泵减速器在国内处于刚刚起步的试验阶段，技术还不是很成熟，尚未达到推广使用26-31。1.3课题的研究内容及意义本研究主要涉及采油螺杆泵专用的减速传动装置的设计及三维仿真，该减速装置可应用于井下作业。电动采油螺杆泵作为一种新型的无杆采油泵，与其他采油设备相比具有适应井液范围广、没有杆柱磨损、易于管理、高效节能等优点，尤其适用于常规抽油设备如杆式泵、电潜泵等难于运行的稠油井、含砂井、含气井、斜井、水平井的采油作业中，在油田具有较高的实用价值和现实意义。通过对采油减速器优化设计及动力学分析，大大简化了采油减速器的优化设计过程，提高了效率；提高了采油减速器的动力性能和工作可靠度。所以，本采油减速器的研究将极大的促进电动采油螺杆泵的发展，而电动采油螺杆泵系统的发展及研制成功，将为油田增产提供一种新型的机械采油设备，而由此带来的促使原油增产、降低原油生产中的能源消耗、减少修井工作量等效益更是无法估量，是一项有较好发展前途的高新技术产品。第二章 减速器方案的选择2.1减速装置的类型分析从机械传动理论的角度来看，单螺杆减速器、一般定轴轮系、谐波齿轮传动、2K-H类NGW型行星轮系、少齿差行星轮系及摆线针轮行星轮系都可以实现轴向减速传动，但因井下油层套管内径限制，使得可行的减速方案受到了较大局限。单螺杆式减速器是通过螺杆线数和衬套线数的齿数差来进行减速。这种螺杆减速器具有加工精度要求低、径向尺寸小等优点；但这种减速器的螺杆和衬套磨损严重、寿命低，螺杆和衬套的加工需要专用机床，不适宜作井下螺杆泵驱动。一般定轴轮系单级传动比等于大小齿轮直径比，传动比大则齿轮径向尺寸大，而减速系统径向尺寸又受套管内径的限制，因此这种减速器也不适宜作井下螺杆泵驱动1-5。2.1.1 谐波齿轮传动谐波齿轮传动由柔轮、刚轮和波发生器组成(如图21所示)，能实现大传动比传动，单级传动传动比可高达100甚至更高；但不适于大动力传动，扭矩过大会引起传动畸变，加工工艺难度也非常大。图2.1 谐波齿轮传动基本结构2.1.2 2K-H行星齿轮采用2K-H类NGW型行星齿轮减速装置(如图22所示)，可以降低井下动力输出轴的转速，以满足低速、大扭矩的要求；由于采用了三个行星轮均布的结构，可使其共同分担载荷，同时又使行星轮公转产生的离心惯性力得到平衡，从而减小了主轴承内的作用力，并使其转动平稳。此外，由于采用了内啮合结构，行星轮位于内、外齿轮之间，输入轴与输出轴又位于同一轴线上，使其结构非常紧凑。图2.2 2K-H类NGW型行星齿轮减速装置2.1.3 少齿行星轮详细DWG图 纸 请 加：三 二 1爸 爸 五 四 0 六少齿差行星轮系(如图23所示)传动比范围大，结构紧凑，体积及重量小，但效率比NGW型低，且内啮合变位后径向力较大，使轴承径向载荷加大，同时啮合的次数少，受力情况差，适用于小功率或短期工图2.3 少齿差行星轮系2.1.4摆线针轮行星传动摆线针轮行星传动(如图24所示)具有传动比大、传动效率高、承载能力高、传动平稳、寿命长及齿廓无干涉等优点，但径向尺寸大，需用专用的机床和刀具加工，工艺复杂、制造精度要求高。图2.4 摆线针轮行星传动2.2减速器方案的选择行星齿轮传动的特点是高速、大功率。如对机构作新的应用，也可以实现低速、大扭矩。还可以实现分流传动、低应力啮合、工作平衡、高可靠性、同轴传动，多数行星机构的效率较高。所以在同等工作条件下，与定轴轮系传动相比，行星齿轮传动具有体积小、重量轻、效率高、传递扭矩大、工作可靠、传动比大等优点，所以得到广泛应用。当前应用最广泛的是NGW型行星传动结构。在同样的功能条件下，与一般减速器相比，外廓尺寸和质量减少l/61/2。现在，行星齿轮传动己达到了较高的水平，圆周速度高达150200m/s，传递的功率高达73KW，效率高达98.1。当前应用最广泛的是NGW型行星传动结构。在螺杆泵采油系统中由于采油电机输出功率大、输入转速高、输出转速低，而且螺杆泵置于套管中，套管内腔可以容纳的径向尺寸有限，这就要求采用传动比大、体积小、扭矩大的减速器，而行星齿轮减速器由于输入轴与输出轴共线，径向结构紧凑，体积小，承载能力大；传动效率高；传动比较大；运动平稳，抗冲击和振动的能力较强。综上比较，采用2K-H类NGW型行星齿轮减速装置目前最为可行。2.3行星齿轮减速器的结构特点行星齿轮传动类型很多，NGW型是其中应用员普通、最多的一种。NGW的N表示内啮合，W表示外啮合，G表示内外啮合公用的行星齿轮。NGW型行星齿轮减速器具有多个行星齿轮(每级传动有35个行星齿轮)、多齿对啮合、功率分流等特点。因而结构紧凑、体积小、质量轻、为相同承载能力的定轴线普通圆柱齿轮减速器的l/21/3；传动效率高，单级行星减速器总效率=0.98；传动比、传递功率的范围大：外齿齿轮采用优质低碳合金钢锻造毛坯，经渗碳、淬火，磨齿6级精度，内齿齿轮采用中碳合金钢锻造毛坯、调质处理或渗氮处理，加工精度7级，运转平稳，噪声小；装配形式、安装形式多样、适用面广。可用于冶金、矿山、运输、建筑、建材、轻化工、能源等行业。行星齿轮传动是根据行星轮系的工作原理来实现机械减速的。这种减速器具有多分流(多齿啮合)，低应力啮合(内啮合)、作用力平衡(径向)、运动多变等特点。所以在同等工作条件下，与定轴轮系传动相比，行星齿轮传动具有以下的优点：(1)体积小，质量小，结构紧凑，承载能力大。由于行星齿轮传动具有功率分流和各中心轮构成共轴线式的传动以及合理地应用内啮合齿轮副，因此其结构非常紧凑；由于在中心轮的周围均匀地分布着数个行星轮来共同分担载荷，从而使得每个齿轮所承受的负荷较小，并允许这些齿轮采用较小的模数。此外，在结构上充分利用了内啮合承载能力大和内齿圈本身的可容体积，从而有利于缩小其外廓尺寸，使其体积小，质量小，结构非常紧凑，且承载能力大。一般，行星齿轮传动的外廓尺寸和质量约为普通齿轮传动的1/3、1/5(即在承受相同的载荷条件下)。本文采油行星减速器采用2K-H类NGW型行星齿轮减速装置，可以降低井下动力输出轴的转速，以满足低速、大扭矩的要求。采油减速器二级部分采用了行星轮均布的结构，可使其共同分担载荷，同时又使行星轮公转产生的离心惯性力得到平衡，从而减小了主轴承内的作用力，并使其转动平稳。此外，由于采用了内啮合结构，行星轮位于内、外齿轮之间，输入轴与输出轴又位于同一轴线上，使其结构非常紧凑。(2)传动效率高。由于行星齿轮传动结构的对称性，即它具有数个匀称分布的行星轮，使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能互相平衡，从而有利于达到提高传动效率的作用。在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下，其效率可达0.970.99。(3)传动比较大，可以实现运动的合成与分解。只要适当选择行星齿轮传动的类型及配齿方案，便可以用少数几个齿轮而获得很大的传动比。在仅作为传递运动的行星齿采油行星齿轮减速器中心轮采用齿轮轴的整体结构，内齿轮是采用环形齿圈的，通过螺纹销钉与箱体连成一体。对于行星轮的支撑结构由于是长期运行的，大功率和重载荷的行星齿轮传动，此时采用滑动轴承。转臂的结构应考虑到其承载能力，运转的平稳性和良好的加工工艺性等，选用双侧板整体式转臂的刚性较好。为了装配方便，可采用双侧板式的转臂。(4)运动平稳、抗冲击和振动的能力较强。由于采用了数个结构相同的行星轮，均匀地分布于中心轮的周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿数增多，故行星齿轮传动的运动平稳，抵抗冲击和振动的能力较强，工作较可靠。图2.5 2K-H行星齿轮传动机构简化图如图2.5所示，a为太阳轮，b为内齿轮，c为行星轮，x为转臂，II轴III轴可为输入输出轴。当II轴为输入轴时，机构整体为减速；当III轴为输入轴时，机构整体为加速。第三章 传动装置的总体设计3.1 选择电动机按工作要求和工作条件选用Y系列鼠笼三相异步电动机。其结构为全封闭自扇冷式结构，电压为380V。国内外的研究表明，影响采油螺杆泵采油系统效率的因素很多。它不仅受机采设备和运行参数的影响，而且还受油井管理水平和井况的影响。若想使采油螺杆泵高效运行作业，在油井管理水平和井况影响一定的情况下，应尽量提高各个传动部件的工作效率，所以，在采油减速器的设计中，应充分考虑传动机构的工作效率和结构的选择，从而提高整个采油系统的总体效率，节省能源提高经济效益。采油螺杆泵采油系统是在井下高温、高压的环境下连续作业，恶劣的工作条件对采油螺杆泵的可靠性和使用寿命提出了严格的设计要求。在设计当中应该充分考虑系统的工况条件，提高系统各个部件的强度和使用寿命，缩短采油螺杆泵系统的泵检周期，减少维修和保养费用，提高原油开采的经济效益。通常情况下，海上采油平台要求泵检周期为6个月，地面采油平台要求912个月。为了满足整个系统的使用寿命要求，在采油减速器的类型选择和结构参数设计中，应该采用先进的设计方法和理论，提高减速器的可靠性和使用寿命25。故确定电机的型号为Y180L-6，额定功率为15KW。3.2传动系统的传动比总传动比=电机满载转速/工作机转速 即(3-1)3.3 传动系统各轴参数确定如图2.5 2K-H行星齿轮传动机构简化图所标注：电动机轴为轴, 减速器高速级轴为轴，低速级轴为轴，螺杆泵输出轴为轴，则5各轴的转速 （3-2）各轴的输入功率（3-3）各轴的输入转矩（3-4）第四章 减速器传动零件的设计行星齿轮减速器结构特点：行星轮轴承安装在行星轮内，行星轴固定在行星架的行星轮轴孔中；输出轴和行星架通过键联接其支承轴承在减速器壳体内，太阳轮通过联轴器与高速轴联接，以实现传动。传动零件的设计计算，大致包括：齿轮的设计计算与校核；轴的设计计算与校核；轴承的选型与寿命计算；键的选择与强度计算。4.1齿轮的设计计算与校核4.1.1 确定各齿轮的齿数据2K-H型行星传动的传动比值和按其配齿计算可求得内齿轮b和行星轮c的齿数和。现考虑到行星齿轮传动的外廓尺寸较小，故选择中心轮a的齿数=10和行星轮=3.根据内齿轮（4-1）对内齿轮齿数进行圆整，同时考虑到安装条件，取，此时实际的p值与给定的p值稍有变化，但是必须控制在其传动比误差的范围内。由于外啮合采用角度变位的传动，行星轮c的齿数应按如下公式计算，即(4-4)再考虑到安装条件为（整数）(4-5)故行星轮各齿数为 Za=10，Zb=70，Zc=284.1.2 初算中心距和模数（1）齿轮材料、热处理工艺及制造工艺的选定太阳轮材料为40Cr，调质处理，强度极限s=700MPa，屈服极限b=500MPa，齿面硬度为280HBS。由行星齿轮传动设计P166图6-13查得齿轮的接触疲劳极限Hlim=920MPa，图6-26查得齿轮的弯曲疲劳极限FHlim=350MPa。行星轮材料为40Cr，调质处理，强度极限s=700MPa，屈服极限b=500MPa，齿面硬度为240HBS。行星轮齿形为渐开线直齿。最终加工为磨齿，精度为6级。内齿圈材料为30CrMnSi，调质处理，强度极限1100MPa，屈服极限900MPa，表面硬度为320HBS。齿形终加工为插齿，精度7级。（2）减速器的名义输出转速n2由 得 （4-6）（3）载荷不均衡系数Kp查行星齿轮传动设计，取（4）齿轮模数m和中心距a 首先计算太阳轮分度圆直径：（mm） (4-7)式中：正号为外啮合，负号为内啮合；算式系数；齿数比使用系数为；综合系数为；太阳轮单个齿传递的转矩。(4-8)其中 高速级行星齿轮传动效率，取=0.99行星轮的数量齿宽系数=1450Mpa代入下式得：(4-9)模数，取模数 m=2.5则（4-10）取中心距由于装置状况是小齿轮作悬臂布置 故 取计算齿轮齿宽 考虑不可避免的安装误差，为了保证设计齿宽b和节省材料，一般将小齿轮略为加宽（510）mm；一般会取小齿轮齿宽等于，大齿轮齿宽这里由于内齿轮、太阳轮内外啮合公用行星轮。为了保证三者之间的稳定性，选择取行星轮齿宽20mm，太阳轮、内齿轮齿宽15mm。4.1.3齿轮几何尺寸计算图4.1 行星轮结构各齿轮副对于单级的2K-H型的行星齿轮传动按公式进行几何尺寸的计算，各齿轮副的计算结果如下：顶隙系数：内齿轮、行星轮；模数m=2.5齿轮装配需满足4个条件：传动比条件/邻接条件/同心条件/安装条件4.1.4齿轮强度校核（1）行星轮结构受力分析首先进行行星齿轮传动的受力分析，行星齿轮传动的主要受力构件有中心轮、行星轮、转臂、内齿轮和行星齿轮轴及轴承等。进行受力分析时，假设行星齿轮转动为等速旋转，多个行星轮受载均匀，且不考虑摩擦力及构件自重的影响。即在输入转矩的作用下各构件处于平衡状态。图4.2 行星轮结构受力分析输入件所传递的转矩T传递给太阳轮上，故可得太阳轮（小齿轮）的转矩 , 式中np为行星轮个数。对于直齿圆柱齿轮传动，切向力 （4-12）径向力 （4-13）应力循环次数Na（4-14）式中：，为太阳轮相对于行星架的转速。该减速器要求连续工作10年，每年按330天计算，每天按20小时计算，即。（2）齿轮强度校核在行星齿轮传动中，外啮合的中心轮，如2K-H型传动中的齿轮a（太阳轮），由于它处于输入轴上，且同时与几个行星轮相啮合，应力循环次数最多，承受载荷较大，工作条件较差，通常是行星传动中的薄弱环节。故本节仅列出相啮合的小齿轮(中心轮)的强度计算过程，大齿轮(行星轮)的计算方法相同，故略。齿面接触强度校核：a-c传动强度校核 齿面接触应力： （4-15）式中：（4-16）齿根弯曲应力齿根弯曲应力：（4-17）式中：（4-18）确定强度计算公式中的各种系数:1）使用系数由前面计算太阳轮分度圆直径时查知=1.252）动载荷系数由小齿轮（中心轮）相对于转臂（行星架）的节点线速度确定，由行星齿轮传动设计公式6-57可求得查图6-6，得=1.023）齿向载荷分布系数、接触强度计算： 弯曲强度计算： 由行星齿轮传动设计P158查知，如果2K-H型和2Z-X(B)型行星齿轮传动的内齿轮宽度与行星轮分度圆直径的比值小与或等于1时，则取齿向载荷分布系数。4）齿间载荷分布系数、因，精度6级，硬齿面直齿轮，查行星齿轮传动设计表6-9，得，由该书公式6-63得重合度系数5）节点区域系数按下式计算（4-19）式中：直齿轮，端面节圆啮合角，端面压力角6）弹性系数查行星齿轮传动设计表6-10，得 (钢-钢)7）载荷作用齿顶时的齿形系数根据和，查行星齿轮传动设计图6-22得8）载荷作用齿顶时的应力修正系数查行星齿轮传动设计图6-24得9）螺旋角系数、因直齿轮，10）齿数比齿面接触应力：齿根弯曲应力：确定许用接触应力的各种系数:1）寿命系数因，查行星齿轮传动设计图6-16，得2）润滑系数取，(40时润滑油的名义运动粘度)机械设计P234并由行星齿轮传动设计图6-17，得=1.123）速度系数因，查行星齿轮传动设计P170图6-18，得4）粗糙度系数取齿面，并由查行星齿轮传动设计图6-19，得5）工作硬化系数因齿轮为硬齿面，且齿面由行星齿轮传动设计图6-20，得6）尺寸系数查行星齿轮传动设计表6-15，得接触强度安全系数查行星齿轮传动设计表6-11，知可靠性高，符合设计要求。确定许用弯曲应力的各种系数1）寿命系数因，查行星齿轮传动设计图6-31，得2）尺寸系数查行星齿轮传动设计表6-17，得3）相对齿根圆角敏感系数近似取4）齿根表面状况系数查行星齿轮传动设计表6-18，得（齿根）计算许用弯曲应力弯曲强度安全系数查行星齿轮传动设计表6-11，知可靠性高，符合设计要求。故行星齿轮结构强度校核符合要求。4.2 其他零件的设计与校核4.2.1行星轴设计7-11相对运动中，每个行星轮轴承受载荷Ft=2Fac=22141=2=4282N，当行星轮相对于行星架对称布置时，载荷则作用在轴跨距的中间。取行星轮与行星架之间的间隙，齿宽b2=20，则跨距长度。当行星轮轴在转臂中的配合选为H7/h6时，就可以把它看成是具有跨距为的双支点梁。当轴较短时，两个轴承几乎紧紧地靠着，因此，可以认为轴是沿着整个跨度承受均布载荷（下图）。图4.3行星轮轴的载荷简图危险截面（在跨度中间）内的弯矩材料力学行星轮轴采用40Cr钢,调质，考虑到可能的冲击振动，取安全系数;则许用弯曲应力 ,由材料力学中，弯曲应力的强度条件：|对于截面是直径为d的圆形，则：故行星轮轴直径取 其实际尺寸将在选择轴承时最后确定。（2）选择行星轮轴轴承及寿命计算在行星轮内安装两个轴承，每个轴承上的径向载荷在相对运动中，轴承外圈的转速考虑到行星轮轴的直径，以及安装在行星轮体内的轴承，其外廓尺寸将受到限制，故初步选用深沟球轴承基本额定动载荷：基本额定定载荷（油浴）；取载荷系数；（中等冲击1.2-1.8）行星轴上所受径向力 当量动载荷轴承的寿命计算根据设计要求，该减速器要求连续工作10年，每年按330天计算，每天按20小时计算，即。所以设计决定选用6404型轴承，并把行星轮轴直径增大到。校核行星轮轮缘厚度是否大于许用值：满足条件4.2.2输入轴的设计（1）初算轴的最小直径 初步估算轴的最小直径，选取轴材料为40Cr钢，调质处理。根据下表查得。表4-21轴常用几种材料的及值轴的材料Q235-A、20Q275、354540Cr、35SiMn152520352545355514912613511212610311297续表（2）选择输入轴联轴器根据传动装置的工作条件拟选用LX型联轴器,计算转矩为： 式中：K为工况系数，查机械设计教材得工作机为带式运输机时K为1.21.5，取K=1.5。T为联轴器所传递的名义转矩，由计算转矩查表选用LX3型联轴器其轴孔直径d为1524mm，选择半联轴器的孔径为16mm，半联轴器的长度L=48mm,半联轴器与轴配合毂孔长度L1=84mm,故最后确定减速器高速外伸轴直径d=16mm；为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，外伸轴长度应该比L1=48mm略短一些。（3）选择输入轴轴承及寿命计算根据估算所得直径，轮彀宽及安装情况等条件，轴的结构尺寸可进行草图设计。该轴中间一段对称安装一对深沟球轴承轴承的寿命计算（油浴）；取载荷系数；（中等冲击1.2-1.8）输入轴上所受径向力 当量动载荷轴承的寿命计算故该对轴承满足寿命要求。（4）输入轴上键的选择及强度计算平键连接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。普通平键连接的强度条件按下式计算 式中：转矩，；轴颈，mm; 键与轮毂键槽的接触高度，此处为键的高度，键的工作长度，mm,型键 ；其中为键的长度，为键的宽度；许用挤压应力，在这里键、轴、轮毂材料为钢，键取45钢。其许用挤压应力值按轻微冲击算查相关资料的由前面计算知输入轴上的转矩由输入轴,选用型(圆头)键，其型号为将数值，键连接处的轴颈=22mm代入上式得故该键满足强度要求。输入轴：减速器高速外伸轴直径d=16mm；LX3型联轴器：孔径16mm，长度L=45mm，毂孔长度L1=34mm；（5）输入轴的结构设计：减速器高速外伸轴直径d=16mm，即A-B轴段直径为16mm为了满足联轴器的轴向定位要求，A-B轴段右端需制出一轴肩，故取B-C段的直径为20mm，半联轴器与轴配合毂孔长度L1=34mm,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，外伸轴长度应该比L1=34mm略短一些。轴承端盖的总宽度为20mm，根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑油的要求，取端盖的外端面与联轴器右端面间的距离为,故取。由于选择的轴承是深沟球轴承，可用双支点各单向固定的支承。根据所选的深沟球轴承6210型，故可得。G-F轴段对E-F段安装的轴承起轴肩定位功能，故取轴径58mm。M-N段的轴径及轴长是太阳轮的直径及轮宽。其余各段的轴径及轴长按照与箱体装配之间的距离及与已确定轴径关系可确定。（6）输入轴上太阳轮的啮合特性：由前文齿轮齿数、模数、压力角、精度等级等查互换性与测量技术基础可得下表中。表4-2 齿轮的啮合特性数值参数名称代号数值/mm齿距累计总偏差0.021单个齿距极限偏差0.0075齿廓累计总偏差0.010螺旋线总偏差0.011公法线长度计算公法线长度极限偏差由中心距计算最小法向侧隙计算齿轮箱体制造、安装误差引起的侧隙减少量计算齿厚上偏差计算齿厚公差计算齿厚下偏差计算跨齿数 进一取整，取k=3公法线上下偏差计算公法线长度（7）输入轴的载荷分析：图4.4 力矩图以图上所标力的方向为正方向，求水平面支反力解得（负号表示方向与图上相反）解得（负号表示方向与图上相反）表4-3 危险截面B处的参数值载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T（8）输入轴的强度校核：按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面B）的强度。根据上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力前面选轴的材料为40Cr钢，调质处理，由机械设计课本表15-1查得。因此，故安全。4.2.3 输出轴的设计（1）初算轴的最小直径在三个行星轮均布的条件下，轮齿啮合中作用于中心轮上的力是相互平衡的，在输出轴轴端安装联轴器时，则输出轴运转时只承受转矩。输出轴选用40Cr钢，其许用剪切应力取，即求出输出轴伸出端直径（2）选择输出轴联轴器根据传动装置的工作条件拟选用计算转矩为：式中：K为工况系数，查机械设计教材得工作机为带式运输机时K为1.21.5，取K=1.5。T为联轴器所传递的名义转矩，由计算转矩查表选用LX4联轴器其轴孔直径d为16mm，可满足电动机的轴径要求。选择半联轴器的孔径为20mm，半联轴器的长度L=45mm,半联轴器与轴配合毂孔长度L1=34mm,故最后确定减速器高速外伸轴直径d=20mm；外伸轴长度取34mm。（3）选择输出轴轴承及寿命计算由于输出轴的轴承不承受径向工作载荷（仅承受输出行星架装置的自重），所示轴承的尺寸应由结构要求来确定。减速器低速外伸轴直径d=20mm。由于结构特点，输出轴轴承须兼作行星架轴承。为了太阳轮安装方便，使太阳轮能通过行星架轮毂中的孔。故按结构要求选用单列深沟球轴承.轴承的寿命计算其参数为（油浴）；因为输入轴轴承选用6210型，满足寿命要求，输出轴轴承不承受径向工作载荷（仅承受输出行星架装置的自重），故输出轴轴承选用6216型，应该满足寿命要求。（4）输出轴上键的选择及强度计算普通平键连接的强度条件按下式计算 同输入轴上键的选择方法知输出轴上的转矩由,选用型(圆头)键，其型号为将数值，许用挤压应力，在这里键、轴、轮毂材料为钢，键取45钢。其许用挤压应力值按轻微冲击算查相关资料的这里取较大值代入上式得故该键强度不够，采取双键。两个平键沿周向相隔180考虑两个键上载荷分配的不均匀性，在强度校核中只按1.5个键计算。即双键的工作长度故该双键满足强度要求。（5）输出轴的结构设计：为了满足联轴器的轴向定位要求，A-B轴段右端需制出一轴肩，故取B-C段的直径为26mm，半联轴器与轴配合毂孔长度L1=34mm,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，外伸轴长度应该比L1=34mm略短一些。轴承端盖的总宽度为20mm，根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑油的要求，取端盖的外端面与联轴器右端面间的距离为29mm ,故取B-C长度为49mm。由于选择的轴承是深沟球轴承，可用双支点各单向固定的支承。根据所选的深沟球轴承。M-N段的轴是用来轴向定位行星架，所以轴径大于太阳轮到行星轮的中心距。其余各段的轴径及轴长按照与箱体装配之间的距离及与已确定轴径关系可确定。（6）输出轴的载荷分析：对于减速器输出轴所受转矩：（7）输出轴的强度校核：由输出轴的结构设计知，轴径最小部分为外伸端接工作机的那段。故可得抗弯截面系数：故可得截面上的扭转切应力轴的材料为40Cr钢，调质处理。由机械设计课本表15-1查得。因此，故安全。第五章 基于SolidWorks的零部件详细设计5.1 SolidWorks软件简介SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初所赋予的任务是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今，它已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。在SolidWorks中，用户可利用配置功能在单一的零件和装配体文档内创建零件或装配体的多个变种(即系列零件和装配体族)，而其多个个体又可以 同时显示在同一总装配体中。其它同类软件无法在同一装配体中同时显示一个零件的多个个体，其它同类软件也无法创建装配体族。具体应用表现在：（1）设计中经常需要修改和重复设计，并需要随时考查和预览同一零部件的不同设计方案和设计阶段，或者记录下零部件在不同尺寸时的状态或不同的部件组合 方案，而不同的状态和方案又可同时在一张工程图或总装配体内同时显示出来，因而SolidWorks利用配置很好地捕捉了实际设计过程中的修改和变 化，满足了各种设计需求。（2）特定的设计过程如钣金折弯的状态和零件的铸造毛坯还是加工后的状态可从单一零件文档中浏览或描述在同一工程图中，其它同类软件只有通过使用派生零件的方法才能实现。（3）图形显示和性能方面，利用配置功能SolidWorks可通过隐藏/显示和压缩等手段实现同一部件的不同个体显示在同一总装配体中，而其它同类软件是无法做到的，即在其它同类软件的装配体内，一个部件的所有实例必须是相同的。这将大大降低显示性能。（4）配置提供了便于创新的结构化平台，帮助工程师扩充功能达到了新的高度。SolidWorks的管道设计模块就是利用配置管理的功能，工程师只要通过简单的拖拉操作即可实现自动找出与已有管接头尺寸完全配合的管道规格，而无须事先指定相应尺寸规格的管道，也正是基于配置； SolidWorks方便地实现了有孔时自动从标准件库中找到合适尺寸的螺栓与之配合，同时又找到相应规格的螺母和垫圈与螺栓配合； SolidWorks之模具模块也是利用了配置来管理其模架库；SolidWorks还利用配置技术创建了一基于INTERNET的三维产品目录 管理和交付服务的实时在线3D网站(Partstream.Net);SolidWorks中所提供高级功能如Smartparts,柔性化的子装 配以及交替位置视图等也都是因为有了配置才有了实现的可能。其它同类软件的固有结构决定他们不能支持功能强大的配置管理。solidworks是一个大型软件包，由多个功能模块组成，每一个功能模块都有自己独立的功能。设计人员可以根据需要来调用其中的某一个模块进行设计，不同的功能模块创建的文件有不同的文件扩展名。solidworks主要有草图绘制、零件设计、装配模块、工程图模块、钣金设计、模具设计、运动仿真等。下面就我课题用到的零件设计、装配模块做详细介绍。5.1.1零件设计模块零件模块用于创建和编辑三维实体模型。在大多数情况下，创建三维实体模型是使用solidworks软件进行产品设计和开发的主要目的，因此零件模块也是参数化实体造型最基本和最核心的模块。利用solidworks软件进行三维实体造型的过程，实际上就是使用零件模块依次进行创建各种类型特征的过程。这些特征之间可以相互独立，也可以相互之间存在一定的参考关系，例如各特征之间存在的父子关系等。在产品的设计过程中，特征之间的相互关系是不可避免的，所以最好尽量减少特征之间复杂的参考关系，这样可以方便地对某一特征进行独立的编辑和修改，而不会发生意想不到的设计错误。5.1.2装配模块一个产品往往由多个零件组合而成，装配模块是用来建立零件间的相对位置关系，从而形成复杂的装配体。具有以下特点：提供了方便的部件定位方法，轻松设置部件间的位置关系。系统提供了十几种配合方式，通过对部件添加多个配合，可以准确把部件装配到位；提供了强大的爆炸图工具，可以方便生成装配体的爆炸视图。5.1.3 Solidworks建模一般过程solidworks系统在绝大多数三维实体建模的过程中，均是首先从而为草图开始，绘制出二维草绘截面几何图形后，通过对草图截面的不同操作来生成三维实体。例如，将草绘截面沿法向拉伸一段距离即可生成拉伸实体特征，将草绘截面沿指定曲线做扫描运动即可生成扫描实体特征，将草图截面沿指定的中心轴线旋转则可以生成旋转实体特征。因此，按照对二维草绘截面的不同操作方式，solidworks创建三维实体特征的主要方法有拉伸实体特征、旋转实体特征、扫描实体特征、混合实体特征等。solidworks系统可以在零件上创建多种特征，包括实体特征、曲面特征以及其他种类的具体应用特征等。solidworks零件建模的实质是创建实体特征和一些用户定义的特征。其中有些特征可以通过添加材料的方式创建，有些特征则是可以通过去除材料的方式创建。利用solidworks建模首先要从整体研究将要建模的零件，分析其特征组成，明确不同特征之间的关系和内在联系，确定零件特征的创建顺序, 在此基础上进行建模、添加工程特征。通过二维平面草绘图的旋转、拉伸、扫描和混合等工具来实现三维实体模型的构建。Solidworks建模的一般过程如下：(1)建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准：如基准面、基准轴和基准坐标系等。建立每个实体特征时，都要利用基准特征作为参照；(2)建立基础实体特征：拉伸、旋转、扫描、混合等；(3)建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等；(4)特征的修改：特征阵列、特征复制等编辑操作；(5)添加材质和渲染处理。5.1.4 Solidworks装配的基本方法一个产品往往有多个零件组合（装配）而成，装配模块用来建立零件间的相对位置关系，从而形成一个相对复杂的装配体。零件间的位置关系的确定主要通过添加配合实现。装配设计一般有两种基本方法：自底向上装配和自顶向下装配。如果首先实现设计好全部零件，然后将零件作为部件添加到装配体中，则称之为自底向上装配；如果是首先设计好装配体模型，然后在装配体中组建模型，最后生成零件模型，则称之为自顶向下装配。在产品的实际装配设计过程中，并不是只使用一种装配设计方法。更多情况下是根据实际产品的设计需要综合运用这两种设计方法以发挥各自的优点。在进行装配设计过程中，要首先明确设计方法是采用由底向上还是由顶向下。这就要求对所设计的产品必须有全局性的认识。其次还要分清各种零件的装配关系以及装配过程中的操作对象间的级别关系。5.2零部件三维建模本设计采用SolidWorks2014进行三维建模与仿真。其中：1） 对于本设计中涉及的标准件，视其复杂程度进行三维建模，只需保证其安装尺寸与大致形状符合要求便可，细节可忽略不建。2） 对于本设计中涉及到的弹性元件，如弹性挡圈（包括轴用、孔用）、O型橡胶密封圈等，均按照其安装后发生变形之后的尺寸进行建模。3） 本设计中各元件的工艺要求如倒角、倒圆、开槽、轴肩等均需建模，其他诸如轴孔配合、螺纹配合等按照标准尺寸建模即可。核心部件建模如下：图5.1 2K-H减速传动装置三维图5.3三维装配体生成对于所建三维元件，采用各种相关配合将其装配成一体，在装配过程中需注意以下几点：1） 装配时相关元件之间的配合应以实际装配时的要求为准，选取正确的配合面、线、点以及正确的配合方式，不得采用间接尺寸进行装配、定位等，配合应保证各元件有足够的约束，不可少约束也不可过约束。2） 对于齿轮间的配合，由于物理碰撞在实现过程中对电脑系统要求较高，本设计中所采用的配合均为机械配合中的啮合配合，即采用函数配合。在进行配合设置时需注意两齿轮的旋转方向，避免造成旋向失误。3） 装配过程中应仔细观察，避免因设计参数选取不当而造成的不该有的缝隙、零件干涉，在发现问题后应找出原因，修改设计参数，使其满足装配与使用要求。对于本设计中次要的多个相同零件的配合，如螺栓、行星轴以及相关附属元件，可以在装配式使用阵列进行快速装配，但要注意的是各级行星轮之间不可将相关配合进行阵列，应以实际啮合位置进行单独的另外的配合与定位。图5.3 总体外形图5.4三维装配仿真使用SolidwWorks 2014的爆炸视图功能，对装配体进行爆炸与解除爆炸的动画，从而直观地表现本设计所建减速器的装配过程以及各零件之间的相互装配关系，由于本设计中涉及到的零件数目尤其是标准件数目较多，有些标准件尺寸较小，因此拖动时务必要选准选全，以免漏掉个别零件。装配体爆炸视图如下：图5.4 装配体爆炸视图第六章 结 论通过这次采油专用2K-H型减速传动装置及三维仿真的设计，我认识到了单纯的理论知识学习和实际设