机械制造及其自动化毕业论文范文.doc
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山东理工大学
毕业设计（论文）
题目：
钻通机的设计
学院：
机械工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
学生姓名：
王恒
指导教师：
王勇
毕业设计（论文）时间：
二О一一年三月二十三日～六月十四日共十二周
英文摘要
摘要
在旧油管清洗过程中，致密坚硬的污垢、锈皮采用单一的高压水射流清洗时，所需的射流压力大，采用油管钻通机进行预清洗。
介绍了油管钻通机的清洗原理、结构特点、以及关键技术。
油管钻通机和高压水射流内清洗线配合使用，可大大提高钻通清洗效率以及清洗合格率。
由于绝大多数注水井回收油管表面垢层的主要成分是CaCO3、CaSO4，并有少量的Fe2O3、BaSO4、SrSO4等成份，致密坚硬。
采用单一的高压水射流清洗时，压力必须达到70MPa以上才能清洗干净甚至有些硬厚水垢、锈皮需要150MPa以上的高压水才能清洗干净，在这么高的压力下工作，对操作工人的安全是一个很大的考验。
这就要求在对油管进行高压水射流清洗之前进行预清洗，降低射流水的压强，传统的预清洗有中频感应加热预清洗、远红外预热清洗、机械预清洗等几种清洗方法，中频加热预清洗虽然能量集中、速度快，但功效大难于控制，并伴有烟尘污染。
机械钻通机清洗具有清洗效率高、环保等优点，得到了广泛的使用。
关键词：
油管；预清洗；钻通；环保
-2-
英文摘要
Abstract
InTheharmonicputtertechnologyisimprovedonthebasetheoldpipecleaningprocess,thehardcompactdirt,rustleatherwithasinglehighpressurewaterjetcleaning,therequiredjetpressure,theuseoftubingdrillthroughpre-cleaningmachine.Introducedthroughtubingdrillingmachinecleaningprinciple,structuralfeatures,andkeytechnologies.Tubingdrillingthroughhighpressurewaterjetmachineandcleanthelineswiththeuse,cangreatlyimprovethecleaningefficiencyandcleaningdrillthroughthepassrate.
SincemostrecoveryinjectionwelltubingsurfacelayerofthemaincomponentofscaleCaCO3,CaSO4,andasmallamountofFe2O3,BaSO4,SrSO4andotheringredients,compactandhard.Asinglehigh-pressurewaterjetcleaning,thepressuretoreachmorethan70MPatocleanandevensomehardandthickscale,rust,skinneedsmorethan150MPahighpressurewatertoclean,inworkingundersuchhighpressure,thesafetyofworkersontheoperationofaGreattest.Thisrequireshigh-pressurewaterjetforcleaningthetubingbeforethepre-cleaning,reducingthepressurejets.Thetraditionalpre-cleaningpre-washwithmediumfrequencyinductionheating,farinfraredwarm-cleaning,mechanicalcleaningmethods,suchasseveralpre-cleaning,Althoughpre-cleaningfrequencyheatingenergyconcentration,fast,butdifficulttocontrolalargeeffect,accompaniedbysmokeanddustpollution.Penetrationthroughmachinewashingwithacleaningefficiency,environmentalprotection,etc.,havebeenwidelyused.
Keywords:
Tubing;pre-cleaning;drillthrough;environmentalprotection
-II-
目录
目录
摘要 I
Abstract I
目录 II
第一章引言 6
1.1课题的背景和意义 6
1.2钻通机的发展状况 6
第二章钻通机的构造、工作过程及应用 7
2.1钻通机的构造 7
2.2钻通机的工作过程 8
2.3钻通机的应用 9
第三章运动和动力参数及传动零件的设计计算 10
3.1主要设计技术指标与参数 10
3.2运动和动力参数设计计算 10
3.2.1减速器的选用 10
3.2.2运动动力参数计算 10
3.3摆线针轮行星传动所采用的结构特点 11
.3.4减速器设计 12
3.4.1摆线针轮行星传动减速器
（一）的设计计算 12
3.4.2摆线针轮行星传动减速器
（二）的设计计算 14
第四章链传动、轴、轴承和键的设计计算及校核 17
4.1链传动的设计 17
4.1.1链传动
（一）的设计 17
4.1.2链传动
（二）的设计 18
4.2轴的设计 19
4.2.1轴的初步设计 19
4.2.2轴的结构设计 20
4.3轴的校核 21
空心轴的校核 22
4.4齿轮齿条的基本参数及几何尺寸设计计算 23
4.5轴承选择 23
4.6轴承的校核 24
4.6.1轴承的寿命计算 24
4.6.2两支承轴上车轮处轴承的校核 25
4.6.3两支承轴上另两个轴承的校核 25
4.6.4空心轴承上两个深沟球轴承的校核 25
4.6.5空心轴承上推力球轴承的校核 26
4.7键的选择和校核 26
4.7.15.5电机减速器输出轴上的键 26
4.7.22.2电机减速器输出轴上的键 27
4.7.3空心轴链轮处的键 27
4.7.4车体支撑轴链轮处的键 27
4.7.5车体支撑轴齿轮处的键 27
第六章钻通机的润滑、密封 30
6.1钻通机的润滑 30
6.1.1钻通机减速机构的润滑 30
6.1.2钻通机轴承的润滑 30
6.2钻通机的密封 30
第七章公差与配合及粗糙度的标注 31
7.1轴的形位公差等级 31
7.1.1轴的形状公差 31
7.1.2轴的位置公差 31
7.2粗糙度、配合的选择 32
7.2.1轴的工作表面粗糙度 32
总结 34
致谢及声明 35
参考文献 36
目录
-V-
第一张引言
第一章引言
1.1课题的背景和意义
随着油田的开发,油水井管壁结垢、锈皮、结蜡、稠油堆积等情况的难清洗油管逐年增多,修复恢复其性能进行重复使用,已成为原油生产中控制成本、降本增效的一项重要工作.。
在旧油管清洗过程中,致密坚硬的垢污、锈皮采用单一的高压水射流清洗时,所需的射流压力大,为降低射流水压力,采用油管钻通机进行预清洗。
油管钻通机和高压水射流内清洗线配合使用,可大大提高钻通清洗效率以及清洗合格率。
钻通机的钻头处采用滑动轴承支撑，提高了除垢的效率。
钻通机前进速度可无级变频速，根据实际需要调节钻通机钻头前进速度，可操作性强，钻通机后退速度为全速后退，能提高清洗速率，节约能源支出。
钻通机所有的清洗室部分均采用封闭防护式结构，环境清洁，防止清洗时污水溅出。
1.2钻通机的发展状况
由于绝大多数注水井回收油管表面垢层的主要成分是CaCO3、CaSO4，并有少量的Fe2O3、BaSO4、SrSO4等成份，致密坚硬。
采用单一的高压水射流清洗时，压力必须达到70MPa以上才能清洗干净甚至有些硬厚水垢、锈皮需要150MPa以上的高压水才能清洗干净，在这么高的压力下工作，对操作工人的安全是一个很大的考验。
这就要求在对油管进行高压水射流清洗之前进行预清洗，降低射流水的压强，传统的预清洗有中频感应加热预清洗、远红外预热清洗、机械预清洗等几种清洗方法，中频加热预清洗虽然能量集中、速度快，但功效大难于控制，并伴有烟尘污染。
机械钻通机清洗具有清洗效率高、环保等优点，得到了广泛的使用。
-6-
第二章钻通机的构造、工作过程及应用
第二章钻通机的构造、工作过程及应用
2.1钻通机的构造
1.钻通小车
钻通小车为钻削提供动力，小车采用后驱动，齿轮齿条带动，以保证小车有足够的前进动力。
齿轮齿条保证了小车在管内诟质异常或管内有异物时不会停止前进，增强小车动力。
2支撑小车
支撑小车为移动的钻杆旋转支座，保证钻杆工作中的稳定性、及钻杆前后的同轴度、钻头与钻杆定心的准确性，限制钻杆在旋转状态下的跳动，减少油管对钻头的冲击和磨损，延长钻头的使用寿命。
3.前、后防喷罩
由于排屑的要求需要钻头内喷出一定压力的水线，防喷罩保证钻头在进入和钻出管体时钻头喷出的水线不会喷出设备外面。
4.加紧装置
加紧装置能够使管体自动定心，保证管体与钻杆同心，使钻头进入管体后能够顺利钻削而不会钻削管体，确保在钻削过程中管子不会在钻削力的作用下抖动和后退。
（如图3）
-7-
5支撑小车
支撑小车为移动的钻杆旋转支座，保证钻杆工作中的稳定性、及钻杆前后的同轴度、钻头与钻杆定心的准确性，限制钻杆在旋转状态下的跳动，减少油管对钻头的冲击和磨损，延长钻头的使用寿命。
2.2钻通机的工作过程
油管经上料机构从储料管架上料到调整输送线上，将钢管传输到限定位置，由翻料机构翻送至钻通料架，信号开关检测到料架有料信号后，钻通上下料气缸顶起，上料至钻通工位，信号开关检测到钻通线有料信号后，夹紧装置夹紧钢管；防喷罩落下，罩住钢管两端，形成清洗密闭腔；钻通小车电机启动，小车前进，延时后气动球阀打开，开始供2MPa低压水；启动旋转电机，钻杆开始旋转；钻通小车行走至端部，碰到接近开关后全速退回，回退到位后，限位开关检测到，小车行走电机、旋转电机停止，关水阀，防喷罩抬起，夹紧机构松开，下料机构将钢管送至走，钻通工序完成，开始下一循环。
-8-
2.3钻通机的应用
钻通机是高压水射流与机械联合破岩的技术，具有工艺简单，效率高，成本低等优点。
进一步可把高压水射流与机械联合破岩技术应用于深井钻及深穿透射孔中，以提高深井钻井速度和油田开发效益。
-9-
第三章运动和动力参数及传动零件的设计计算
第三章运动和动力参数及传动零件的设计计算
3.1主要设计技术指标与参数
1.行走机构的减速电动机功率2.2Kw，转速1400r/min，传动比i：
43.
小车行走速度：
15.2m/min
2.钻通机构的减速电动机功率5.5Kw，转速1400r/min，传动比i：
9
钻杆转速：
312r/min
3.2运动和动力参数设计计算
3.2.1减速器的选用
1）钻通机的工作特点：
长时间连续工作，因此要求电动机为连续工作制；
钻通机一旦遇到较硬的垢质，就需要电机有较大的转矩，以及减速器要有较好的抗冲击能力。
鉴于以上原因，选择笼型三相异步电机最为合适。
减速器选择摆线针轮行星传动减速器。
正确选用电机原则为：
在电机能胜任负载要求条件下，最经济、最合理地决定电机功率。
决定电机功率时要考虑电机发热允许过载能力和使用性能三个因素。
一般问题发热最重要。
2）电机分类：
自然冷却式风冷式直接油冷式间接油冷式。
3）本课题采用自然冷却式电机：
由主要技术参数：
输入功率：
5.5kW，转速：
1400r/min；可以得出，选择YGYS132—4电机。
3.2.2运动动力参数计算
滚动轴承的传递效率，摆线针轮传动的效率为；
传动比i1=9；电机转速n1=1400r/min；输入功率W=5.5kw；
-10-
则，输入转矩：
输出转速：
r/min
输出转矩:
综上所述：
功率P（kw）
转速n（r/min）
转矩T（N·m）
输入
5.5
1400
37.5
输出
4.85
155.6
297.7
3.3摆线针轮行星传动所采用的结构特点
它主要由四部分组成：
（1）行星架H，又称转臂，由输入轴10和偏心轮9组成，偏心轮在两个偏心方向互成180度。
（2）行星轮C，即摆线轮6，其轮廓通常为短幅外摆线的内侧等距曲线，为使输入轴达到静平衡和提高承载能力，通常采用两个相同的奇数齿摆线轮，装在双偏心套上，两位置错开180度，摆线轮和偏心套之间装有滚动轴承，通常采用无外座圈的滚子轴承，而摆线轮的内表面直接作为滚道。
（3）中心轮吧b，由针齿壳3上沿针齿中心圆圆周上分布一组针齿销5组成。
（4）输出机构w，与渐开线少齿差行星齿轮传动一样，通常采用销轴式输出机构。
图为摆线针轮的结构图：
-11-
图3.3
.3.4减速器设计
3.4.1摆线针轮行星传动减速器
（一）的设计计算
功率5.5kw输入转速n=1400r/min传动比i=9
输出转矩:
-12-
转幅系数：
K1=0.65—0.9取K1=0.8（初选）
针径系数：
K2=1.25—2取K2=1.7（初选）
针齿中心圆半径：
取Rz=85mm
齿宽b：
取b=12mm
偏心距a：
取a=8.5
短幅系数K1：
针齿套半径rz：
取rz=14mm
针齿销半径rz*取rz*=10
针径系数：
得K2=1.8
接触应力σh
Σh<[σH]
转臂轴承径向负荷：
Fr
转臂轴承当量动载荷：
P
转臂轴承内外圈相对转速：
nn=|Nx|+|Nv|=1400+1400/9=1555r/min
选择单列向心短圆柱滚子轴承D1：
D1=0.4_0.5Dz
Dz=2RzD1=68_85mm选用NUP2306E轴承
针齿销支点的跨距L：
L=4b=48mm
针齿销弯曲应力：
σf
-13-
针齿销的转角θ：
θ=3.1510-7Lσf/dz=0.0009°
摆线轮根圆直径Dfc：
Dfc=Dz-2a-dz=126mm
销轴中心圆直径Ds：
Ds=1/2（Dfc+D1）=99mm
间隔环厚度B：
B=b1-b=8mm
销轴直径ds：
取ds=10mm外径为14mm
摆线轮顶圆直径Dac：
Dac=Dz+2a-dz=158mm
摆线轮销孔直径d：
d=ds+2a+0.15=30.15mm
根据数据计算选择XWD8135减速器
底座下加15mm后的垫板，增大链轮与小车底板的距离，防止链子与底板摩擦。
3.4．2摆线针轮行星传动减速器
（二）的设计计算
功率2.2kw输入转速n=1400r/min传动比i=43
输出转矩:
转幅系数：
K1=0.65—0.9取K1=0.9（初选）
针径系数：
K2=1.25—2取K2=1.6（初选）
-14-
针齿中心圆半径：
取Rz=95mm
齿宽b：
b=（0.1—0.2）rp=0.15X95=14.25mm
取b=14mm
偏心距a：
Zb=Zc+1=i+1
取a=1.9
转幅系数K1：
针齿套半径rz：
取rz=8mm
针齿销半径rz*
取rz*=5.5mm
针径系数：
得K2=1.8
接触应力σh
Σh<[σH]
转臂轴承径向负荷：
Fr
转臂轴承当量动载荷：
Pp=XFr=1.0531.06=2599.8N
转臂轴承内外圈相对转速：
nn=|Nx|+|Nv|=1400+1400/9=1432r/min
选择单列向心短圆柱滚子轴承D1：
D1=0.4~0.5Dz
Dz=2RzD1=76_95mm选用NF307E轴承
针齿销支点的跨距L：
L=4b=56mm
针齿销弯曲应力：
σf
-15-
针齿销的转角θ：
θ=3.1510-7Lσf/dz=0.0076°
摆线轮根圆直径Dfc：
Dfc=Dz-2a-dz=170mm
销轴中心圆直径Ds：
Ds=1/2（Dfc+D1）=125mm
间隔环厚度B：
B=b1-b=8mm
销轴直径ds：
取ds=24mm外径为32mm
摆线轮顶圆直径Dac：
Dac=Dz+2a-dz=178mm
摆线轮销孔直径d：
d=ds+2a+0.15=130mm
根据数据计算选择XWD8155减速器
-16-
第四章链传动、轴、轴承和键的设计计算及校核
第四章链传动、轴、轴承和键的设计计算及校核
4.1链传动的设计
4.1.1链传动
（一）的设计
传递功率：
P=5.2Kw
小链轮转速：
312r/min，大链轮转速：
156r/min
传动比：
i=2.2
小链轮齿数：
Z1=29-2i取15
大链轮齿数：
Z2=35取35
设计功率：
Pd=Ka×PKa=1.8
Pd=9.36kw
单排链条传递功率：
Kz=1.34Kp=1
Po=6.99kw
链条节距：
P=25.4
选择链号16A
验算小链轮轴孔直径Dk：
Dk≦dmax=120mm
初定中心距ao：
ao=P=762-1270mm
Aomin=381mm
取ao=420mm
以节距计的初定中心距aop=ao/P=16.5mm
链条节数：
取Lp=60
链条长度L：
计算中心距ac：
-17-
ac=382mm
实际中心距：
a=ac-0.003ac=380.8mm
取a=380mm
链条速度V：
作用在轴上的拉力：
F=1000P/V=8730N
4.1.2链传动
（二）的设计
传递功率：
P=2.1Kw
链轮1转速：
32.6r/min，大链轮2转速：
32.6r/min
传动比：
i=1
链轮1齿数：
Z1≧Zmin=9取15
链轮2齿数：
Z2=15取15
设计功率：
Pd=Ka×PKa=1.8
Pd=3.78kw
单排链条传递功率：
Kz=1.34Kp=1
Po=2.82kw
链条节距：
P=31.75
选择链号16A
验算小链轮轴孔直径Dk：
Dk≦dmax=120mm
初定中心距ao：
Aomin=317mm
取ao=320mm
以节距计的初定中心距
-18-
链条节数：
取Lp=42
链条长度L：
计算中心距ac：
ac=333.375mm
实际中心距：
a=ac-0.003ac=380.8mm
取a=330mm
链条速度V：
作用在轴上的拉力：
4.2轴的设计
4.2.1轴的初步设计
1）输入轴最小直径确定：
行走小车车体由两根轴支撑，前后轴均是转动的主要承受弯扭组合作用。
本课题总体设计为：
前后轴均转动，用车轮连架在导轨上。
轴的材料为45钢。
则：
；
-19-
；则：
取最小直径
取最小直径。
估算直径时，应注意以下问题：
1.对于外伸轴，由上式计算得到的轴径常作为轴的最小直径（轴段直径），这时应取较小的A值。
2.当计算轴径处有键槽时，应适当增大轴径以补偿键槽对轴强度的削弱。
一般情况下，轴径应增大4%~5%。
3.当外伸轴通过联轴器与电机联接时，则初算直径d必须与电机轴和联轴器孔相匹配，必要时应适当增减轴径d的尺寸。
4.2.2轴的结构设计
轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，在满足功能要求的前提下，轴的结构应尽量简单。
轴的结构工艺性对轴的强度有很大影响，为此应采用下面合理的工艺措施：
1.为方便轴上零件装拆的装拆，轴常制成阶梯形，相邻两轴段的直径相差不应过大，并应该有圆角过渡，过度圆角直径应尽可能大些，以减小应力集中。
但对定位轴肩还必须保证零件得到可靠的定位，当靠轴肩定位的圆角半径很小时，为了增大轴肩出的圆角半径可采用内凹圆角或加装隔离环。
2.为使轴上零件容易装配，轴端应有45°的倒角。
3.需要磨削的轴段应有砂轮越程槽，需要车制螺纹的轴段应有退刀槽。
4.当轴上有几个键槽时，应尽可能使键槽布置在同一母线上，以便于键槽加工。
5.与标准件（如滚动轴承，联轴器，密封圈等）配合的轴段，应取为相应的标准值及所选配合的公差
-20-
6.为使轴、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合轴段前应减少较小的直径。
为使与轴作过盈配合的零件易于配合，相配轴段的压入端应制出锥度，或在同一轴段的二个部位采用不同的尺寸公差。
4.3轴的校核
受力分析：
两轴可看成简支梁，共同承受小车车体重量，及预紧压力。
已知条件：
5.5kw的减速器重量150kg，2.2kw的减速器重量120kg
底板高度30mm长1182mm宽900mm材料为Q235
重量为：
m=0.031.1820.97.85吨/立方米=250kg
合计总质量：
M=（250+120+150）1.2=624kg
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