油井鉆井甩干機結構設計
油井鉆井甩干機結構設計,油井,鉆井,甩干機,結構設計
本科畢業(yè)論文（設計）
題 目
油井鉆井甩干機結構設計
本科畢業(yè)論文（設計）任務書
題 目
油田鉆井用甩干機結構設計
題目來源
工程實踐
學生姓名
王嘉宇
學 號
0802140124
專業(yè)班級
14級機械1班
指導教師
劉凌
職 稱
副教授
教 研 室
機械
畢業(yè)論文（設計）任務與要求
任務：
本設計以油田甩干機的結構為主要突破口，為目前市場生產油田甩干設備機提供可靠保證。
設計一油田用甩干機，該機用于油田鉆井時鉆井液的液固相分離，以利環(huán)保，節(jié)省費料運輸成本，甩干機錐籃錐度15度，大端直徑1000mm，長606mm，錐筒錐度15度，大端直徑922mm，長504.5mm，進料口直徑208mm，進料量34 t/h。
錐筒轉速870 rpm,錐籃錐筒轉速差15 rpm左右。錐籃、錐筒及輸入軸采用帶擺線針輪的雙自由度輪系機構。
電機采用Y225M-4，功率45kw，滿載轉速1840rpm。要求有潤滑系統(tǒng)。
要求：設計合理，分析嚴謹，計算準確；圖紙完備，整潔，正確；設計說明書調理清楚，能夠上網(wǎng)檢索，查閱文獻，了解相關領域的前沿狀況；能夠使用先進的設計技術進行輔助設計。
工作量：1）開題報告一份；2）閱讀至少15篇相關文獻資料，3篇外文資料；3）翻譯英文資料2000字以上；4）完成畢業(yè)設計說明書8000字以上；5）結構設計總繪圖量不少于折合成圖幅為A1號的圖紙1.5張；6）完成結構設計圖，使其原理上滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。
畢業(yè)論文（設計）工作進程
起止時間
工作內容
第1~2周
2017.12.01~2017.12.29
第3~5周
2018.01.03~2018.01.22
第5~7周
2018.1.23~2018.4.15
第8~9周
2018.4.16~2018.4.30
第10~11周
2018.5.1~2018.5.13
第12周
2018.5.14~2018.5.25
查（借）閱資料，學習相關基礎理論和知識，選擇合理的方案并撰寫開題報告。
清主軸設計完畢
搭建仿真圖
撰寫畢業(yè)論文。
論文定稿
整理資料準備答辯。
指導教師（簽字） 畢業(yè)論文工作組組長（簽字）
學生（簽字） 畢業(yè)論文（設計）起止時間：2018年12月27日至2018年5月25 日
注：本表由指導教師填寫，于每學年第1學期18周，經畢業(yè)論文工作組審批，隨畢業(yè)論文裝訂由學院存檔。
本科畢業(yè)論文（設計）開題報告
論文（設計）題目
油田鉆井用甩干機結構設計
學生姓名
王嘉宇
學號
0802140124
指導教師
劉凌
1、 研究目的及意義
甩干機和其他分離機械相比，不僅能得到含濕度低的固相和高純度的液相，而且具有節(jié)省勞力、減輕勞動強度、改善勞動條件，并具有連續(xù)運轉、自動遙控。操作安全可靠和占地面積小等優(yōu)點。甩干機結構、品種及應用等方面發(fā)展迅速，但理論研究落后于實踐是個長期存在的問題。目前在理論研究方面所獲得的知識，主要還是用來說明試驗的結果，而在預測機器的性能、選型以及設計計算，往往仍要憑借經驗或試驗。
甩干機基本上屬于后處理設備，主要用于脫水、濃縮 、分離 、澄清、凈化及固體顆粒分級等工藝過程，它是隨著各工業(yè)部門的發(fā)展而相應發(fā)展起來的。 我國真正具有現(xiàn)代實用價值的第一臺螺旋甩干機是1954年制造的，由于它獨具連續(xù)操作、處理量大、單位產量耗電量較少、適應性強等特點而得到了迅速發(fā)展，在四十多年的發(fā)展中，結構、性能、參數(shù)變化很大，分離質量、生產能力不斷提高，應用范圍更加廣泛，在甩干機領域中一直占有重要地位。在各種國際展覽會上，各種各樣的螺旋甩干機，是所展出的甩干機中最吸引人的機型，具有良好的發(fā)展前景。我國從七十年代末開始引進螺旋甩干機，對國外著名公司生產的多種規(guī)格的臥螺甩干機進行了仿制。甩干機是原化工部“七五”科技攻關項目，1989年南京綠洲機器廠仿制了ALFANx42o型大錐角((20)甩干機(即L201)，用于玉米蛋白的分離，并于1992年制成樣機;此后，重慶江北機械廠、解放軍第4819廠和金華鐵路機械廠等研制開發(fā)了一系列的螺旋卸料沉降甩干機，并成功地應用于生產實踐。但是就整體水平而言，我國還是遠遠落后于工業(yè)發(fā)達國家的。隨著現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展和人類對環(huán)境以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重視，分離效果好，振動小、噪聲低成為甩干機能否被市場接受的重要條件。這就需要甩干機具有良好的動態(tài)特性。通常，動態(tài)特性包括臨界轉速、不平衡響應和穩(wěn)定性等內容。甩干機的參數(shù)選擇及優(yōu)化是提高甩干機動態(tài)特性的首要環(huán)節(jié)。
二、研究內容
結合本專業(yè)所學機械設計、機械制圖、機械制造工藝學等專業(yè)課程，理解油井鉆井用甩干機的結構和基本原理。參與計算設計油井鉆井用甩干機基本結構，重點對轉子（轉鼓、螺旋、機件密封）和靜子（機座）詳細設計，并運用所學知識在力學計算中對離心機的強度、剛度進行有限元分析。運用所學機械制圖知識、計算機繪圖知識，畫出主要管路圖、主要非標準件圖、一級和二級部件裝備圖。要求詳細給出甩干機設計說明書，并給出一個與研究課題相關的英文翻譯文獻，最終達到對油井鉆井用甩干機更深層次的理性認識。
三、研究方案以及步驟
經分析、考量，該設計劃分為以下階段：
第一階段：1）查閱相關資料，整理出所需的信息。
2）明確設計要求，借鑒其他文章研究思路。
3）學習相關軟件及算法
第二階段： 1）整理分析方案，進行演算操作。
2）初步確定方案，并對其可行性、操作性能進行分析并改進。
3）對改進后的計算方法演算，確定最終分析方案。
4）繪制一份完整的仿真圖。
第三階段： 測試并分析實驗數(shù)據(jù)，進行改進并反思總結。
四、研究方法及技術途徑
1.本設計以油田甩干機的結構為主要突破口，為目前市場生產油田甩干設備機提供可靠保證。設計一油田用甩干機，該機用于油田鉆井時鉆井液的液固相分離，以利環(huán)保，節(jié)省費料運輸成本。
2.技術途徑
1）自學相關軟件和算法；
2）查閱相關甩干機結構設計的文獻；
3）老師的專業(yè)指導。
3．確定主要參數(shù)
1）甩干機錐籃錐度15度，大端直徑1000mm，長606mm，錐筒錐度15度，大端直徑922mm，長504.5mm，進料口直徑208mm，進料量34 t/h。
2）錐筒轉速870 rpm,錐籃錐筒轉速差15 rpm左右。錐籃、錐筒及輸入軸采用帶擺線針輪的雙自由度輪系機構。
3）電機采用Y225M-4，功率45kw，滿載轉速1840rpm。要求有潤滑系統(tǒng)。
5、 實施計劃
第一周：接受任務調查研究、熟悉課題、收集資料
第二、三周：編寫開題報告，規(guī)劃設計流程
第四到八周：對各部件、零件設計
第八到十周：總體設計，反復論證
第十到十一周：編寫畢業(yè)論文
第十二周：修改整理、復查材料
第十二周以后：畢業(yè)答辯
六、工作量的估計
1）開題報告一份；2）閱讀至少15篇相關文獻資料，3篇外文資料；3）翻譯英文資料2000字以上；4）完成畢業(yè)設計說明書8000字以上；5）結構設計總繪圖量不少于折合成圖幅為A0號的圖紙1.5張；6）完成結構設計圖，使其原理上滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。
指導教師意見及建議（從選題、理論與實證準備、研究（設計）方法、工作安排等方面給出評價，并提出指導意見）：
論文選題符合工程實際，理論與實踐結合緊密，研究方法和技術路徑正確，工作飽滿，且工作安排合理，思路較為清晰，同意開題！
同意開題！
指導教師簽名：
年 月 日
畢業(yè)論文工作組意見及建議
準予開題
畢業(yè)論文工作組組長簽字： 年 月 日
注：1.此表由學生填寫后，交指導教師簽署意見，經畢業(yè)論文（設計）工作組審批后，才能開題。
2.此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。
油井鉆井用甩干機結構設計
摘要：本設計以油田甩干機的結構為主要突破口，為目前市場生產油田甩干設備機提供可靠保證。研究工作的主要對象是甩干機的結構設計，結合本專業(yè)所學機械設計、機械制圖、機械制造工藝學等專業(yè)課程，理解油井鉆井用甩干機的結構和基本原理。參與計算設計油井鉆井用甩干機基本結構，重點對傳動機構詳細設計，確定使用鏈傳動與齒輪傳動結合的分級傳動。
本論文采用所學知識在力學計算中對甩干機機的強度、剛度進行分析。通過自身所學的機械制圖、軟件操作方面的技巧，畫出了所需設計的結構的零件和裝配圖的三維圖形。最終成功設計出了油井鉆井用甩干機的傳動部分的所有構件并裝配成功，而且得出了所設計的傳動機構在力學方面的各項性能和強度、剛度方面都符合此次設計要求的重要結論。
關鍵詞：甩干機；傳動機構；分級傳動
IX
Structure Design of Dryer for Oil Well Drilling
Abstract: This design takes the structure of oil field dryers as the main breakthrough, and provides a reliable guarantee for the production of oil-field spinning equipment in the market. The main object of the research work is the structural design of the dryer, combined with professional courses such as mechanical design, mechanical drawing and mechanical manufacturing technology, to understand the structure and basic principles of the oil-well drilling dryer. Participate in the calculation and design of the basic structure of the dryer for drilling oil wells, focusing on the detailed design of the transmission mechanism, and determining the use of a graded transmission combining chain drive and gear transmission.
In this paper, the strength and stiffness of the dryer are analyzed in the mechanical calculation using the learned knowledge. Through the learned mechanical drawing knowledge and computer drawing knowledge, the main structural drawings, main non-standard parts drawings, and first- and second-level parts equipment drawings are drawn. Finally, successfully designed all the components of the transmission part of the oil-well drilling dryer and successfully assembled it, and it was concluded that the designed transmission mechanism is in line with the design requirements in terms of mechanical properties, strength and stiffness. in conclusion.
Key?words: Drying machine，Transmission mechanism，Grading drive
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目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 甩干機簡介 1
1.2 國外甩干機發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 國內甩干機發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.4 研究甩干機的目的及意義 2
第2章 傳動機構設計 3
2.1 傳動機構設計思路 3
2.2 軟件介紹 4
2.3 電機選擇 4
2.4 軸的設計與計算 6
2.4.1 軸的分類 6
2.1.2 軸的材料選擇 6
2.4.3 軸的設計基準 8
2.4.4 軸的強度校核 8
2.4.5 軸的剛度校核 11
2.5 鏈傳動的設計計算 12
2.5.1 鏈輪設計 12
2.5.2 鏈條設計 14
2.5.3 鏈傳動強度校核 16
2.6 齒輪的設計計算 16
2.6.1 齒輪的參數(shù)設計 16
2.6.2 齒輪的強度校核 18
2.7 其它零件設計 18
第3章 甩干機結構設計 21
3.1工作原理 21
3.1.1 一般甩干機工作原理 21
3.1.2 結構設計工作原理 21
3.2 甩干機結構組成 23
3.3 甩干機總圖設計 24
第4章 運動仿真 25
4.1 零件的裝配 25
4.2 運動仿真 26
第5章 設計總結 27
參考文獻 29
致謝 31
附錄A 外文文獻及翻譯 33
第1章 緒論
第1章 緒論
1.1 甩干機簡介
甩干機也稱為沉降過濾離心機，甩干機在性質上屬于連續(xù)篩網(wǎng)式離心機，用途方面主要是是固液分離。可以從鉆屑中回收液相鉆井液，通過給鉆屑施加很高的離心加速力，提高從鉆屑中分離液體的效果。還可以通過篩網(wǎng)回收加重泥漿，避免因為振動篩故障、鉆機移動或篩網(wǎng)阻塞而損失加重泥漿。它可以幫助滿足必須遵守的某些鉆屑含液量排放要求，并且可以節(jié)省鉆井液的消費成本。
甩干機在功用上屬于后處理范圍的器械，首要用在物料的水分脫離和固液分離等工藝規(guī)程，近幾年來，各工業(yè)部門發(fā)展迅速，甩干機行業(yè)也得到了蓬勃發(fā)展。甩干機和其他分離機械相比，優(yōu)點良多：
1）能得到含濕度低的固相和高純度的液相；
2）可以節(jié)省勞動力、減輕勞動強度、改善勞動條件；
3）可以進行連續(xù)運轉，也可以進行遠程自動遙控；
4）操作安全可靠，且占地面積小。
我國甩干機行業(yè)在設計及使用等各方面的發(fā)展狀況都是穩(wěn)步上升，可是理論研究過于落后，目前在理論方面的研究現(xiàn)狀和成果，只能用來預測結果，不能應用與實踐。在設計和計算的方面上，多數(shù)還是憑借經驗及試驗。
1.2 國外甩干機發(fā)展現(xiàn)狀
國外甩干機的發(fā)展起步較早，技術更為成熟，國外各大油田都有相關甩干機的工作案例，甩干機在石油無害化處理及回收利用的過程中起到了重要的作用。甩干機在石油鉆采的使用過程中明顯的節(jié)約了成本并且提高了經濟效益，減輕了對環(huán)境造成的污染。美國的ELGIN、Baker Hughes和MI-SWACO等公司是行內生產甩干機的領先制造商。傳統(tǒng)的流線型振動篩處理后的鉆屑含液量平均在15％~20％之間，而經甩干機處理后的鉆屑含液量低于4％，如果管理得當，某些情況下可降至1％，從而在降低環(huán)境污染方面優(yōu)勢極為明顯。但是，國內對于鉆井甩干機的研究起步較晚，發(fā)展還不成熟，這就使得國內開展相關方面的研究工作較為迫切。
1.3 國內甩干機發(fā)展現(xiàn)狀
相對來說，由于起步晚，國內對于鉆肩甩干機方面的應用還不太成熟。中國從七十年代底引進了甩干機, 為國外著名公司生產各種規(guī)格的臥螺甩干機進行仿制。甩干機是原化工部 "75" 科技項目, 1989 南京綠洲機械廠仿制的 alfanx42o-type 大錐角甩干機 （L201）, 用于分離玉米蛋白, 并于1992年研制出來;此后, 重慶江北機械廠、中國人民解放軍4819廠和金華鐵路機械廠先后研制出一系列螺旋卸料甩干機, 并成功應用于生產實踐中[1]。為了滿足日益提高的環(huán)保要求，近兩年來甩干機的發(fā)展迅速，除海上鉆井平臺之外，已在一些油田投入使用，可是從整體的發(fā)展水平來說，我國的發(fā)展現(xiàn)狀和工業(yè)發(fā)達國家還是有一定的距離，并且相關機構參考國外甩干機的發(fā)展情況，進行了大量的研究工作，申請各種相關專利二十多項，取得了一定的成就，在國內的主要廠家有陜西科訊、河北冠能、東方先科等，經其處理后鉆井鉆屑含液量基本可降至5％以下，符合行業(yè)標準[2]。但是甩干機的使用壽命較短、維護不易、篩網(wǎng)易堵塞、關鍵件易磨損等突出問題還需再進一步研究。
1.4 研究甩干機的目的及意義
在二十一世紀，現(xiàn)代工業(yè)文明迅速發(fā)展和，人類對環(huán)境的惡化問題也越來越重視。甩干機行業(yè)迎來了挑戰(zhàn)，甩干機這類器械上市必須具備一定的條件：分離效果好、振動小且噪聲要低。這就需要甩干機在轉速和穩(wěn)定性方面必須具有出色的表現(xiàn)。甩干機的參數(shù)選擇及優(yōu)化是提高甩干機動態(tài)特性的首要環(huán)節(jié)。
27
第2章 傳動機構設計
第2章 傳動機構設計
2.1 傳動機構設計思路
在本次設計中傳動機構的設計是主要部分，傳動機構是把動力從機器的一部分傳遞到另一部分，使機器或機器部件運動或運轉的構件或機構稱為傳動機構[4]。傳動機構的功能為：
1）改變動力機的輸出轉矩，以滿足工作機的要求；
2）將其本身的運動方式轉變?yōu)闄C構需要的狀態(tài)，比如說，把正在旋轉的狀態(tài)轉化為直線王府的狀態(tài)；
3）把構件本身的機械能轉移到其它多個構件中，也可以將其它多個構件的機械能轉移到一個構件上；
4）在某些方面上，機械結構的操控難度、人生安全與傳動結構有密不可分的關系。
本次設計的傳動機構跟據(jù)總體機型的大小、需要、及工作方式選取了由電機帶動的齒輪傳動與鏈傳動相結合的二級傳動機構，選取齒輪機構的原因有：
1）傳遞運動可靠，瞬時傳動比恒定；
2） 適用的載荷和速度范圍大；
3）使用效率高，壽命長，結構緊湊，外尺寸小；
4）可傳遞空間任意配置的兩軸之間的運動。
選取鏈機構的原因有：
1）與帶傳動相比平均傳動比準確，傳動功率大，輪廓尺寸??；
2）與齒輪傳動相比，傳動中心距大；
3）能在低速重在、高溫環(huán)境惡略條件下工作；
4）效率高，最大可達0.99。
而此次采用齒輪機構與鏈輪機構組成二級傳動，有以下幾點優(yōu)點：
1）1級傳動中只有兩根軸，且1級傳動機構的兩根軸轉向相反，2級傳動機構由于有三根軸所以同向；
2）如果兩軸之間的傳動比沒有發(fā)生改變，2級傳動機構里面零件的尺寸要比1級傳動機構里面零件的尺寸小，意味著二級傳動機構的體積與重量比一級傳動低，使傳動機構更為輕便，也易于節(jié)約成本；
3）與1級齒輪傳動機構相比，解決了齒輪機構的兩根傳動軸之間距離過大導致齒輪尺寸過大的問題。
第2章 傳動機構設計
而此結構也存在其缺陷，主要為以下兩點：
1）由于2級傳動機構的零件較多,故傳動效率低于1級傳動機構；
2）因此結構中含鏈傳動，所以不能保持恒定的瞬時傳動比。
2.2 軟件介紹
本次設計中繪圖部分采用了SolidWorks軟件，SolidWorks的主要作用在于機械設計，同時還可以進行電氣和電子設計，還有CAM自動編程等。
SolidWorks軟件具有許多非常強大的功能，例如零件圖制作、裝配圖制作、運動動畫制作、運動仿真模擬、有限元分析、二維圖轉換等，且使用及其簡單及方便，只要具備一定的專業(yè)知識（例如機械原理、機械設計、CAD/CAM等大學教材）和設計的理念，便可自己進行繪圖設計，此軟件簡單易學，深受廣大學生及設計師喜愛。
2.3 電機選擇
我們在日常生活和工業(yè)需要經常會使用到電機，產生驅動轉矩則是它的主要功能，在很多家用電器和許多的機械設備中作為動力源。
在本次設計中，傳動機構的電機將按照國家工業(yè)級甩干機（及脫水機）的設計標準。設計需求為：
1）生產能力：滿足1000-1500公斤/小時
2）轉速：轉速要求為：1450轉/小時
3）功率：需大于7.5KW
4）電機級數(shù)：要求為四級（極數(shù)在一定程度上可以理解為電機轉速的分級，二極電機的轉速為三千轉/每分鐘，四極電機為一千五百轉/每分鐘，六極電機為一千轉/每分鐘 ，八極電機為七百五十轉/每分鐘。）
注釋：
異步電動機的轉速可以按級數(shù)來劃分，異步電動機的極數(shù)在數(shù)量上等于定子的磁場磁極的個數(shù)。如果定子的繞組有不同的裝配效果，級數(shù)就會發(fā)生改變。通常來說電機的級數(shù)選擇和所需要的轉速有關，電機的極數(shù)是電動機的轉速的直觀表示，即：
第2章 傳動機構設計
電機的轉速=60×電動機頻率電動機極對數(shù)
根據(jù)國家工業(yè)級甩干機的設計標準需求，選取的電機類型為異步電機。選擇異步電動機的理由如下：
1）它轉子的繞組不需要連接設備以供電，它的定子的電流是由其它部位提供；
2）與其他電動機相比，異步電動機的結構較為簡單，各種方面都較為方便，運行流暢，而且具有體積小，質量小的優(yōu)勢，使其制作消費材料及花費較小。一般較其它電機節(jié)省花費35％左右；
3）異步電動機有各種系列的版本，基本上可以適用于各種條件上的需要。
4）異步電動機在負重條件下也能保持速度均勻，此條特性使其能適用于大部分場合。
異步電動機也具有它的缺陷：它的調速性能尤其不好，在時刻需要調節(jié)速度以適應工作條件時，異步電動機顯得格格不入。還有，異步電動機在工作時有可能破壞整體結構的傳遞功率效率。所以在某些方面來說異步電動機不如同步電動機有優(yōu)勢。
同時根據(jù)設計其它因素，最終確定電機型號為Y225M-4。
Y——產品類型代號，表示異步電動機。
225——電機中心高，表示軸心到地面的距離為225毫米。
M——電機機座長度，表示為中機座。
4——電機級數(shù)，表示4級電機。
Y225M-4電動機在性能上屬于異步電動機的范疇，此電動機是21世紀以來電機行業(yè)的最新產品，結合了許多先進技術。Y225M-4具備以下優(yōu)點：
1）Y225M-4的效率非常高，它的效率損耗比其它的電機要低0.487%，比國外的高水平電機也不遑多讓。使用此款電動機的話，在節(jié)省資源的方面十分有優(yōu)勢。
2）Y225M-4的起動方面也十分具有優(yōu)勢。它的轉矩穩(wěn)定在一定的數(shù)值之上，這是其它電機所沒有的性能。因此，它的起動性能超過了大部分同類，而且負重啟動沒有影響。
3）Y225M-4運動時的噪聲較低且?guī)缀鯖]有震動。它裝配了特定的軸承，使其運轉時的聲音大幅度降低，在振動方面也比其它類型的電機更為優(yōu)秀。
4）Y225M-4的防護性能較好。它的結構設計符合國際上的要求，有效防止雜物進入，徹底杜絕了雜物對電機的損壞。
5）Y225M-4 工作時幾乎沒有錯誤并且它的使用壽命很長。它的繞組使用的材料為絕緣材料。在高度浮動在千米上下并且溫度不超過四十度的情況下，它的溫升裕度非常大的。電動機的使用壽命很大程度上取決去此條特性，此條特性還可以是電動機在運行時保持穩(wěn)定。
6）Y225M-4的外形也是極其美觀的。它具有其它電動機所沒有的新型設計結構，差距明顯，鶴立雞群。
如表2-1為Y225M-4及其它電動機的參數(shù)
表2-1 Y225M-4其它電動機參數(shù)
型號type
額定功率roted power KW
轉速 rotating
電流 current A
Y180L-4
22
1470
42.5
Y200L-4
30
1470
56.8
Y225S-4
39
1480
70.4
Y225M-4
45
1480
84.2
2.4 軸的設計與計算
2.4.1 軸的分類
我們日常生活中常見的軸可以根據(jù)軸的結構形狀來分為曲軸和直軸這兩大類。
直軸又可分為：
轉軸：結構在運動時受到彎矩和轉矩作用的軸，是使用最多的軸之一，比如各種齒輪傳動機構上的軸；
心軸：只受到彎矩而不受轉矩，如鐵路車輛的軸為轉動的心軸，有自行車的前軸為不轉動的心軸。
傳動軸：只受到轉矩而不受到彎矩或者彎矩非常小，如汽車的傳動軸。
軸的工作能力一般來說取決于軸的強度和剛度及穩(wěn)定性。
2.1.2 軸的材料選擇
一般來說軸的材料會選擇45鋼、50Mn等，這兩種材料都是極為優(yōu)質的材料。 45鋼具有很強的塑性，同時具有較高的強度，熱處理方式為正火。在一般軸、鍵、銷等設計中選用率很高。50Mn的各項性能都顯得很優(yōu)秀。熱處理方式為正火、淬火。用于耐磨要求高、負荷大的零件。如齒輪、齒輪軸等。40Cr材料性能優(yōu)異但是它的成本較高，一般用在對材料性能需求較高的零件。對材料性能需求不太高的零件，一般會選擇Q235等材料。還有一種是合金鋼，它的性能很好，可惜成本頗高，只有在對軸的選擇有很高要求的時候使用。例如采用滑動軸承的高速軸，常用20Cr、20CrMnTi等低碳合金結構鋼，經滲碳淬火后可提高軸頸耐磨性；如果需要耐熱材料的軸來抵抗高溫，40CrNi、38CrMoAlA等合金結構鋼制造的軸可滿足需要。若軸的設計尺寸較大、設計機構復雜時，經常選擇鑄鋼或球墨鑄鐵制作的軸。例如使用球墨鑄鐵或鑄鋼制造的軸，不僅僅價格不高，而且力學性能良好，有效防止應力集中造成的零件失效。一般來說軸都會經歷回轉運動，所以軸受到的應力多數(shù)是對稱的。軸的失效形式主要有：應力過大引起的過載使其失效、運行時間過長引起的疲勞失效等。若是軸上要裝配零件，例如軸承、齒輪等，則應將軸設計成階梯狀，以適合裝配。
綜合考慮各種材料及其性能進行比較，最終決定選擇45鋼。
下表2-2為軸的常用材料及其主要力學性能。
表2-2 軸的常用材料及其主要力學性能
材料牌號
熱處理
毛柸直徑（mm）
硬度（HBS）
抗拉強度極限σb
屈服強度極限σs
彎曲疲勞極限σ-1
剪切疲勞極限T-1
許用彎曲應力σ-1
備注
Q235A
熱軋或鍛后空冷
≥100~250
375~390
215
170
105
40
用于不重要或者受載負荷
45
調質
≤200
217~255
640
355
275
155
60
應用最廣泛
40Cr
調質
>100~300
241~286
735
685
540
490
355
355
200
185
70
用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸
40CrNi
調質
>100~300
270~300
240~270
900
785
735
570
430
370
260
210
75
用于很重要的軸
38SiMnMo
調質
>100~300
229~286
217~269
735
685
590
540
365
345
210
195
70
用于重要的軸，性能近于40CrNi
2.4.3 軸的設計基準
軸的結構設計主要是按照功能需求確定軸的外形與結構的各個尺寸，這個步驟在軸的設計過程中占了很大比重。結構設計的主要因素是軸上需要裝配的零件的類型、位置、固定方式及它的尺寸，載荷的性質、方向、大小及分布況，軸承的類型與尺寸，軸的毛坯、制造和裝配工藝、安裝及運輸，對軸的變形等因素有關[5]。設計時應該按照零件的具體要求提出方案，切忌無方案時直接進行結構尺寸設計。
以下是一般軸結構設計原則：
1）設計時應該盡量的節(jié)省使用材料，盡量要設計強度匹配的外形尺寸或者是符合強度要求的截面尺寸；
2）階梯軸的設計必須符合軸上零件定位需求和調整需求；
3）軸上需要采用各種減少應力集中和提高強度的結構措施；
4）設計的軸必須便于加工制造和保證精度。
2.4.4 軸的強度校核
設計之后需要對軸進行強度校核計算，計算時需要依照軸所受應力的方向及大小使用特定的計算方式，而且需要根據(jù)材料確定其許用應力。?分三種情況：
1）對于傳動軸應按扭轉強度條件計算；
2）對于心軸應按彎曲強度條件計算；
3）對于轉軸應按彎扭合成強度條件計算。
本次采用的傳動機構采用分級傳動，機構中含有三根軸，下面將分別進行軸的強度校核。
電機軸：
首先從連接電機的軸開始計算，此軸在功能上屬于傳動軸，對只受到轉矩而不受到彎矩或者彎矩非常小，計算方式是按照扭轉強度的條件計算。假如其承受彎扭復合作用的力，也可使用這種計算方式進行大致的計算。
實心軸的扭轉強度條件為：
τT=TWT≈9550000Pn0.2d3≤[τT]
其中：
τT——扭轉切應力，單位MPa；
T——軸所受到的扭矩，單位N·mm；
WT ——軸的抗扭截面系數(shù)，單位mm3；
n——軸的轉速，單位r/min；
P——軸傳遞的功率，單位kW；
d——計算截面處軸的直徑，單位mm；
[τT] ——許用扭轉切應力，單位MPa。
由上式可得軸的直徑：
d≥39550000P0.2[τT]n=395500000.2[τT]3Pn=A3Pn
其中：
A=395500000.2[τT]
計算后得：d≥21.70mm
電機軸d1=25.40mm符合需求。
圖2-1 電機軸
大鏈輪軸：
大鏈輪軸上裝配有鏈輪及齒輪，既受彎矩又受扭矩，屬于轉軸，轉軸應按彎扭合成強度條件計算。
計算公式為：
Mca=M2+αT2
其中：
α——扭矩應力特性系數(shù)（當扭轉應力為靜應力時，取值為0.3; 為脈動循環(huán)應力時，取值為0.6; 為對稱循環(huán)應力時，取值為1.0）。
經過前面計算得出軸的計算彎矩Mca后，需要對危險截面進行強度校核的計算，應該按照第三強度理論計算彎曲應力。
計算公式為：
σca=McaW=M2+αT2W≤σ-1MPa
其中：
W——軸的抗彎截面系數(shù)；
σ-1——軸的許用彎曲應力。
計算后得大鏈輪軸d2=38.10mm符合需求。
圖2-2 大鏈輪軸
齒輪軸：
齒輪軸上裝配有齒輪，結構在運動時受到彎矩和轉矩作用，在性質方面規(guī)劃為轉軸，轉軸的計算方式是按照彎扭合成的強度條件計算。因為設計時將齒輪與大鏈輪分度圓尺寸差距極小，所以將齒輪軸設計尺寸與大鏈輪軸設計尺寸相同，下面進行校核。
計算公式與校核大鏈輪軸強度的計算公式相同，首先按照彎扭合成強度條件計算；然后在指定的截面處再作強度校核計算；最后在第三強度理論的條件下計算軸的彎曲應力。計算結果得齒輪軸d3=38.10mm符合需求。
圖2-3 齒輪軸
2.4.5 軸的剛度校核
為了檢驗其設計結構是否能應用到實際工作，還需要進行剛度方面的校核。剛度是指校核材料在受力時抵抗彈性變形的能力（抵抗彈性變形），在機械結構中關鍵部位剛度顯得尤為重要[6]。
計算公式為：
φ=5.73×104T GI p≤φ
其中：
Φ——軸變形的每米上的扭轉角的量；
T——軸受到的扭矩，單位N·mm；
G——截切彈性模量，單位Mpa；
Ip——軸的截面上的極慣性矩，單位mm4。
查詢45鋼材料的特性可得，式中的G=8.1X104Mpa。
設計軸為圓軸時，軸的截面上的極慣性矩的計算公式為：
Ip=πd432
計算得，電機軸的Φ值約為0.22，
大鏈輪軸的Φ值約為0.83，
電機的Φ值約為0.75。
φ的取值可以是φ=0.5~1°/m，如果精度方面要求不是特別高的情況下，φ可以大于1°/m，剛度符合需求。
2.5 鏈傳動的設計計算
2.5.1 鏈輪設計
鏈傳動是通過鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪的一種傳動方式[9]。鏈傳動在設計時要符合以下的幾點要求：
鏈輪的齒數(shù)：鏈傳動機構運轉時是否穩(wěn)定取與小鏈輪的齒數(shù)有關，在設計時小鏈輪齒數(shù)不能太少，一般來說可以按照運行中的速度選取Z1，確定傳動比即可得出大鏈輪的齒數(shù)Z2。計算公式為：
Z2=iZ1
在設計中Z2最好不大于120,超過過多則容易發(fā)生跳齒和脫鏈現(xiàn)象。在設計中鏈條的節(jié)數(shù)選取為偶數(shù)，鏈輪齒數(shù)最好選取奇數(shù)，這樣設計會使裝配結構合理，不用使用過渡鏈節(jié)來完善機構。
鏈傳動的傳動比: 在傳動比的設計中，一般選擇數(shù)值為i=2~3.5。如果傳動比過大，會使傳動機構損壞加劇，還會使整個機構的機型尺寸過大。
鏈傳動還具有多邊形效應，多邊形效應是機械用語，指鏈條剛進入主動鏈輪時，鏈輪轉過一個齒，水平方向鏈速就從小到大，再從大到小變化一次，同時伴隨著鏈條豎直方向上下運動一次。鏈條忽上忽下顫抖且由于接觸部分是多邊形的部分，由于多邊形的存在而引起的鏈傳動的運動不均勻性，這種現(xiàn)象稱為鏈傳動的多邊形效應[10]。
減小多邊形效應的方法是：增加小鏈輪的齒數(shù)Z，減小輪齒的節(jié)距P，降低齒輪速度v[10]。
綜合上述基準，設計鏈傳動參數(shù)為：小鏈輪齒數(shù)12，齒頂圓半徑徑57mm，大鏈輪齒數(shù)24，齒頂圓半徑徑114mm，傳動比為2。
如下圖2-4、2-5為小鏈輪和大鏈輪三維視圖。
圖2-4 小鏈輪三維視圖
圖2-5 大鏈輪三維視圖
2.5.2 鏈條設計
如圖2-6所示，為鏈條的組成結構，主要是由內鏈節(jié)、外鏈節(jié)和其它零件組成。
圖2-6 滾子鏈結構
由此進行設計，圖2-7、2-8為內鏈節(jié)及外鏈節(jié)。
圖2-7 內鏈節(jié)三維視圖
圖2-8 外鏈節(jié)三維視圖
2.5.3 鏈傳動強度校核
對于鏈傳動，必須注意其鏈條過載拉斷的失效形式，需對靜強度進行計算，通常是校核鏈條的靜強度安全系數(shù)S，計算公式為：
S=FQKAF≤4~8
其中：
FQ——極限拉伸載荷；
KA——安全系數(shù)。
經計算，S值為5.71，符合需求。
2.6 齒輪的設計計算
2.6.1 齒輪的參數(shù)設計
在選用齒輪時，需要考慮很多基本參數(shù)，通過齒輪自身的參數(shù)及傳動要求的傳動比來選擇合適的傳動用齒輪組。
本次設計齒輪組壓力角取國家規(guī)定標準值20度，根據(jù)實際需求取模數(shù)為3，小齒輪齒數(shù)Z1為51，大齒輪齒數(shù)Z2為60，傳動比i為1.18。
計算大小齒輪幾何參數(shù)：
d1=mZ1=153mm
d2=mZ2=180mm
da1=mZ1+2ha*=3×53=159mm
da2=mZ2+2ha*=3×62=186mm
df1=mZ1-2ha*-2c*=3×48.5=145.5mm
df2=mZ2-2ha*-2c*=3×57.5=172.5mm
a=mZ1+Z22=3×1112=166.5mm
如圖2-9、2-10為小齒輪和大齒輪的三維視圖。
圖2-9 小齒輪三維視圖
圖2-10 大齒輪三維視圖
2.6.2 齒輪的強度校核
本次設計的齒輪機構為開式傳動，它的破壞形式為細小顆粒引起的摩擦導致的零件損壞。這種情況下，一般來說只能以齒根彎曲疲勞強度的條件來校核，增大齒輪的模數(shù)可以增加它的齒厚，使它有較長的使用壽命，以此來考慮磨損的影響。
計算公式為：
σF=2KT1bd1YFaYSaYε=2KT1bm2z1YFaYSaYε≤σF
其中：
K——載荷系數(shù)；
YFa——齒形系數(shù)；
YSa——應力修正系數(shù)；
Yε——重合度系數(shù)。
σF可通過查機械手冊所得，查得σF為195MPa，經計算符合需求。
2.7 其它零件設計
此傳動機構設計也含有其它類型零件，如軸承座，螺栓、平鍵等零件，以下不一一贅述，下圖為三維視圖。
圖2-11 螺栓三維視圖
圖2-12 電機軸軸承座
圖2-13齒輪軸軸承座
第3章 甩干機結構設計
第3章 甩干機結構設計
3.1工作原理
3.1.1 一般甩干機工作原理
甩干機一般是利用物料中具有密度不相同、重量不同而且互不相溶的液體和固體，使液體和固體在重力不同或者離心力不同的情況下進行分離，達到它收集或清理的目的。這種技術分兩方面，分別是重力作用下的分離和在離心力作用下的分離。
重力分離:?鉆井液在沉淀池內，密度重的固體顆粒在重力的作用下逐漸緩慢地下沉，密度輕的液體向上浮，最終上層液體會變得清澈[3]?？墒侵亓Ψ蛛x進行的時間很長，而且使用重力分離的器械較為龐大，很不方便。最重要的是重力分離只能于特殊條件下使用。
離心分離：在離心機的上方輸入物料，物料從進料口進去進料通道然后落在推進器的蓋板上，又在推進器的作用下到達離心機入口，在離心機的作用下進行離心分離，并被甩到過濾網(wǎng)的表層。在物料和過濾網(wǎng)進行接觸后，固液分離當即開始，錐濾網(wǎng)上的流速是通過推進器和篩網(wǎng)之間的速度差以及刮板裝置來控制的，同時攪拌或翻轉固體，以便進一步幫助分離[3]。固體落在在錐濾網(wǎng)的底部并被收集，在重力的作用下落在箱體底部的雜質收集裝置。然后，固體可以通過在機器下面的卸料裝置來收集。液體則會穿過錐濾網(wǎng)然后聚集到液體收集管道并被收集，從而達到固體和液體分離的目的。
3.1.2 結構設計工作原理
在圖3-2中，電機運動后，電機軸轉動，與電機同軸的小鏈輪開始轉動，經過傳動鏈傳動到大鏈輪上，大鏈輪開始轉動，與其同軸的齒輪開始轉動，與齒輪嚙合的另一個和主軸同軸的齒輪機構同時開始運動，所以在箱體內部的主軸轉動。石油及其混合物從物料口進入箱體之中，在主軸的高速旋轉下進行離心運動，固液混合物通過離心力作用到箱體內部的的篩網(wǎng)上，篩網(wǎng)進行過濾。過濾完畢后，石油通過特制的過濾網(wǎng)，而其余雜物未能通過，將會落入特定收集器中。此時，油箱內部的電機轉動并且?guī)育X輪泵開始工作，將石油吸入油箱中，完成采集。下圖3-1為甩干機工作原理流程圖：
21
第3章 甩干機結構設計
圖3-1 甩干機工作原理流程圖
3.2 甩干機結構組成
本次油井鉆井甩干機的結構部分由進料裝置機構、分離裝置機構、傳動裝置機構、油箱裝置機構和機架機構等組成。
進料裝置機構固定在機架的機蓋上，由進料口和物料管道組成，物料管道頂部連接物料口，底部通往箱體。主要作用是承接物料，收集后使物料進入分離系統(tǒng)機構，是物料承接與收集的專用裝置。
分離系統(tǒng)機構是由箱體裝置（含有主箱體和錐筒箱體）和外旋裝置（有篩框、篩網(wǎng)、轉鼓、空心軸套、差速器等）組成，物料進入后將在此處由主軸作用下進行離心運動。此機構是該設備實現(xiàn)固體和液體互相分離的核心部件。
傳動裝置機構是由電機和一個分級傳動機構（由鏈傳動與齒輪傳動相結合的二級傳動機構）組成，電機工作后，傳動機構開始運作，經過一系列分級傳動作用到主軸上，主軸則在箱體內部旋轉形成離心運動，完成固液相的分離工作。
油箱裝置機構是由電機、齒輪泵和油箱箱體組成，油箱內電機運動帶動齒輪泵工作，將經歷離心運動而甩出的石油吸入油箱中，完成收集。
機架機構是用來固定和支撐整個器械的，使其具有一定的穩(wěn)定性，是由機蓋、軸承支架和底座支架構成。
3.3 甩干機總圖設計
根據(jù)上述總體設計思路進行繪圖設計，確定機械的基本結構形式，進行結構設計與運動設計，確定各部分裝置及機構尺寸，確定主要機構位置并初步審查，最后在Auto CAD軟件中繪制圖紙。總設計圖在布局上分為主視圖、左視圖、右視圖及俯視圖，具體圖紙如圖所示。
圖3-2 油井鉆井用甩干機設計左視圖
圖3-3 油井鉆井用甩干機設計右視圖
圖3-4 油井鉆井用甩干機設計主視圖
圖3-5 油井鉆井用甩干機設計俯視圖
25
第4章 運動仿真
第4章 運動仿真
4.1 零件的裝配
在前文中表明，傳動機構所需要的零件已經設計完畢，接下來將其裝配成為傳動機構。新建asm文件后，將零件逐個導入，在浮動的狀態(tài)下開始進行調整和配合，把所有的零件之間轉為機械配合后，裝配成功。下圖4-1為所設計的傳動機構的三維總圖。
圖4-1 傳動機構總圖
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第4章 運動仿真
4.2 運動仿真
裝配圖完成后，即可制作動畫，觀測所設計機構的運動情況。在此機構中，選擇運動算例后，選擇電機，將其插入電機軸上的零件的中心位置，確定后，開始運轉，即可用來生成演示性的動畫效果，對此機構的傳動形式會有一個直觀的了解。
動畫效果視頻將附于畢業(yè)設計附件中。
第5章 設計總結
第5章 設計總結
通過這幾個月時間的畢業(yè)設計，在指導老師劉凌老師的指導下，我對這個題目做了很多的功課。在這一過程中，我遇到了很多困難，在設計過程中發(fā)現(xiàn)了自己學會的東西僅僅是滄海一粟，在實際的設計過程中，不僅僅要零件書本上理論性的知識，還有在實際運用中把這些知識都融會貫通，所以說，有些事情需要深刻地理解它本身的含義，而且要不斷地認識到自己的錯誤所在。所有的問題必須要靠自己的能力逐個解決，而在解決的過程當中你會發(fā)現(xiàn)自己的學識和實踐能力都在快速提升。在整個過程中慢慢的充實自己的知識，最終完成了這次的作業(yè)。我對最后的結果比較滿意，每一個設計環(huán)節(jié)中對我都有鍛煉與提高。這一切是一名大學生在課本上不可能學習到的，是一名大學生轉化成為工程人員的必經之路。
幾個月以來，為了這個設計竭盡所能，但是我很遺憾的是，在這個設計過程中，我的所謂的“設計”差強人意，未能如愿達到理想的設計要求。貫穿于整個設計過程的知識需求面實在是太廣泛了，牽涉到我們之前所有所學的專業(yè)知識，什么《理論力學》、《材料力學》、《機械原理》、《機械設計》等等相關的知識，還有我們還沒學到的知識。這就為我們的計算帶來了很大的困難，導致了設計不如人意，達不到目標，但是我在這次的設計中體會到了很多。我明白了，我的知識實在是太少了，只有我掌握好了足夠的知識，我們才能勝任畢業(yè)以后的公司或企業(yè)對我們提出的要求。讓我下定了決心，有恒心和有目標的向機械設計這一條路走下去。
我在畢業(yè)設計的過程中，走了許多彎路，甚至在設計方向上出現(xiàn)了偏差，在劉老師和同學們的悉心指導與熱心幫助下，我終于解決了主要問題。這期間，我也從來沒有想過放棄，憑借著自己不斷的努力與大家手把手的指導我堅持到了最后。
這次的課程設計使我認識到了許多東西，增長了許多經驗。當我腳踏實地的付出與努力了，那么回報就會順其自然的來到我們面前。在遇到挫折時一定不能輕言放棄，雖然這個道理大家都明白，但這次我有了更深刻的體會。低谷是高峰的起點，只要你堅持不解的努力，那么成功就在不遠處向你招手。
第5章 設計總結
參考文獻
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參考文獻
致謝
致謝
最后要感謝在整個論文寫作過程中幫忙過我的每一位人。首先，也是最主要感謝的是我的指導老師，劉凌老師。在整個過程中她給了我很大的幫忙，在論文題目制定時，她首先肯定了我的題目大方向，但是同時又幫我具體分析使我最后選取傳動機構設計這個具體目標，讓我在寫作時有了具體方向。經過了兩個多月的努力，我最后完成了論文的寫作。從開始接到論文題目到系統(tǒng)的實現(xiàn)，再到論文文章的完成，每走一步對我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學期間獨立完成的最大的項目。在這段時間里，我學到了很多知識也有很多感受，從一無所知，我開始了獨立的學習和，查看相關的資料和書籍，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，使自己十分稚嫩作品一步步完善起來，每一次改善都將是我學習的收獲。
我的論文作品不是很成熟，還有很多不足之處。但是這次做論文的經歷使我終身受益。我感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己學習的過程和研究的過程，沒有學習就不可能有研究的潛力，沒有自己的研究，就不會有所突破，那也就不叫論文了。期望這次的經歷能讓我在以后學習中激勵我繼續(xù)進步。本設計能夠順利的完成，也歸功于我的指導老師和各位任課老師的認真負責，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設計中得以體現(xiàn)。
附錄A 外文文獻及翻譯
Design and Construction of a Conical Screen Centrifugal Filter for Groundnut Oil Slurry
Abdulkadir Baba HASSAN, Matthew Sunday ABOLARIN,Ikechukwu Celestine UGWUOKE
Department of Mechanical Engineering, Federal University ofTechnology,Minna, NigerState,Nigeria,abdulkadir_hassan2003@yahoo.com,abolarinmatthew@yahoo.com, ugwuokei
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