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2 研究目的和意義 井下圓柱正弦活齒減速器設計 學生：曾運運，機械工程學院過程裝備與控制工程 指導老師：黃天成，長江大學機械工程學院 1 題目來源 生產實踐 2 研究目的和意義 當代科學技術發(fā)展日新月異，機械制造業(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?，F(xiàn)代機械中大部分傳動環(huán)節(jié)是由減速器實現(xiàn)的，傳動部件的設計與制造水平直接關系到機械工作的效率精度，所以必然對其提出了更高的要求。減速器的設計與制造技術的發(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中井下減速器應用于渦輪動力鉆具的研究日益受到人們的關注。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行，則必須解決如下兩點：徑向尺寸小和傳動效率高。 目前應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。NGW型行星減速器沿徑向布置，結構特點是“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實現(xiàn)結構緊湊、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，因為其獨特的結構特點，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構，它體積小、噪音小、結構緊湊、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，切合石油井下減速器傳動裝置的特定要求。 XIII 5主要研究內容、需重點研究的關鍵問題及解決思路 3閱讀的主要參考文獻及資料名稱 [1] 鮑有光. 國外小井眼鉆井技術的發(fā)展[J]. 鉆采工藝, 1995, 18(2): 97-102 [2] 曲繼方. 活齒輪傳動原理[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1993 [3] 孫瑜. 微小型正弦活齒減速器的研制[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2004 [4] 夏虎. 圓柱正弦活齒傳動力學分析與模態(tài)仿真[D]. 秦皇島: 燕山大學, 2012 [5] 李飛, 謝慶繁, 馮定. 新型減速渦輪鉆具應用研究[J]. 石油天然氣學報, 2005, 27(4): 698-699 [6] 王幼寧. 微分幾何講義[M]. 第二版. 北京：北京師范大學出版社, 2011 [7] 孫桓, 陳作模, 葛文杰. 機械原理[M]. 第七版. 北京: 高等教育出版社, 2005 [8] 吳序堂. 齒輪嚙合原理[M]. 第二版. 西安：西安交通大學出版社, 2009 [9] 章希勝, 武震, 張景春. 機械零件的接觸應力計算[J]. 機械, 2004, 21(1): 24-26 [10] 譚春飛, 夏彬, 夏栢如, 周麗莎. 172組合減速渦輪鉆具的研究與應用[J]. 鉆采工藝, 2010, 33(5): 77-80 [11] 濮良貴, 紀名剛. 機械設計[M]. 第八版. 北京: 高等教育出版社, 2006 [12] 許福東, 張曉東, 華北莊, 付達良. 180渦輪鉆具用同步減速器研制[J]. 江漢石油學院學報，2004, 26(增刊): 123-124 [13] 陳艷霞, 陳磊. ANSYS Workbench工程應用案例精通[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012 [14] 李范春. ANSYS Workbench設計建模與虛擬仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011 [15] Hidetsugu Terada. The Development of gearless reducers with rolling balls[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2010, 24: 189-195 [16] Hidetsugu Terada, Hiroshi Makino, kenji Imase. Fundamental analysis of cycloid ball reducer(1st report) [J]. JSPE, 1988, 24(11): 2101-2106 [17] Hidetsugu Terada, Hiroshi Makino, kenji Imase. Fundamental analysis of cycloid ball reducer(2st report) [J]. JSPE, 1900, 56(4): 751-756 [18] 楊世奇, 薛敦松, 蔡鏡侖, 趙寧, 譚春飛. 渦輪鉆井技術的新進展[J]. 石油大學報，2002，26(3): 128-132 4國內外現(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 最早的活齒傳動結構是20世紀30年代由德國人提出，后來他們就把活齒傳動技術應用到汽車的轉向機構中。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)學者對活齒傳動的一種形式“柱塞傳動”進行了理論研究，提出了它的運動學和力的計算方法。美國學者提出了推桿活齒減速裝置及少齒差減速機，開發(fā)出滑齒減速器，并且研制成產品，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”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)對正弦活齒傳動進行了研究，但在國內也很少能檢索到他們的相關文獻。原蘇聯(lián)將正弦活齒減速器成功應用于復雜井下采油裝置中，解決了渦輪鉆具轉速過高的難題。此外，還將其廣泛應用于離心機的傳動裝置等很多領域。 4.2活齒傳動國內研究現(xiàn)狀 由于很多復雜原因，我國對活齒傳動的研究時間很短，從上世紀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，不斷學習國外活齒傳動研究成果，開拓創(chuàng)新，與時俱進，經過十兒年開拓，先后發(fā)明了多項技術專利:滾道減速機(CN86 200768)、旋轉活齒減速器(CN87101702)、擺動活齒減速機(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(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，以周有強教授為研究代表的套筒活齒傳動機構，以朱紹仁為研究代表的推桿活齒傳動，四川大學梁尚明研究了擺動活齒的強度、效率、運動學嚙合剛度等。在理論研究方面，燕山大學曲繼方對活齒傳動結構理論、運動學理論、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構特征和傳動性能，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，技術人員少而且分散，生產經驗積累不足，與先進國家先比，在總體上仍然有很大的差距。我國與1988年和1991年，有機械電子工業(yè)部分別提出了《行星齒輪傳動基本術語》和《滾柱活齒減速器》行業(yè)標準，今后定將推動我國的活齒傳動技術更快的發(fā)展。 4.3國內外的研究的主攻方向 活齒傳動有很多結構型式，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。國內外的研究主要是針對一個結構型式的活齒傳動進行齒廓曲線特征分析、嚙合副自鎖機理分析、齒形的加工與修形研究等等。燕山大學曲繼方教授在進行活齒傳動研究時，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”。 5主要研究內容、需重點研究的關鍵問題及解決思路 把現(xiàn)代設計方法運用于井下圓柱正弦活齒減速器的設計中，掌握減速器的工作原理、結構設計及計算方法，并能夠用計算機輔助手段完成設計。 5.1 主要研究內容包括 （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計； （3）設計參數(shù)選擇與計算； （4）主要零部件結構設計； （5）井下圓柱正弦活齒減速器結構圖（二維、三維）； （6）重要零部件強度校核； （7）潤滑方式的選擇； 5.2 重點研究的關鍵問題 (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處的主曲率，分析減速器的結構參數(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，分析減速器結構參數(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力公式，分析減速器的結構參數(shù)對活齒接觸應力的影響規(guī)律。 (2)結合深井采油的實際工作環(huán)境，給定具體的工作參數(shù)，設計出滿足條件的減速器，并利用ANSYS Workbench對其進行應力分析。 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理論”（ 活齒傳動的結構分析、活齒傳動的運動學理論、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構特征及傳動性能，并以此為基礎對圓柱正弦活齒減速器進行結構設計。同時，利用有限元軟件（ANSYS Workbench）對零件和模型進行應力分析。 6完成畢業(yè)設計所必須具備的工作條件及解決方法 6完成畢業(yè)設計所必須具備的工作條件及解決方法 完成一篇畢業(yè)設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。當遇到問題時，應該靜下心來翻閱已有資料，積極地與指導老師討論，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)設計所必需的的條件。 （1） 學會利用學校圖書館和網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫 （2）掌握本課題相關的基礎知識 （3）會利用三維軟件進行三維畫圖 （4）會利用分析軟件（Matlab、ANSYS Workbench）對相關問題進行分析 7工作的主要階段、進度與時間的安排 第6周 查閱與本課題相關的中文文獻和外文文獻 第7周 選定外文文獻，比對此文獻進行翻譯 第8-9周 接受指導老師分配的任務書，并對減速器進行結構設計 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 對三維模型進行應力分析 第17周 整理論文，準備答辯 指導老師審查意見 8指導老師審查意見