毕业设计(论文)-活塞型盘式离合器设计.doc
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1、活塞型盘式离合器设计活塞型盘式离合器设计 摘摘 要:要: 活塞型盘式离合器的基本特点在于其摩擦副的工作表面为环状平面,而 摩擦片在工作时沿轴向移动,气室主要是推盘的气缸和活塞所组成,活塞与离合 器体的法兰连成一体。工作时,压缩空气沿通道进入气室,使气缸(推盘)移动, 挂合离合器。气动摩擦离合器(简称气离合器)是一种通用的机械传动部件,其 主要功用是使工作机启动平稳,便于换挡以及过载保护。对气离合器的使用要求 也和其他离合器一样,要求它工作可靠,挂合平稳,摘开迅速,散热性好,使用 寿命长,结构简单轻巧,制造维护方便。由于气离合器不仅具有一般摩擦离合器 操作平稳,可在机器运转过程中挂合和过载保护的
2、优点,而且传动更柔和(利用 空气的缓冲效果) ,操作更加迅速,方便,省力,易于实现远距离集中控制,因 而在石油钻机上获得了广泛的应用。 本文的主要内容是根据设计要求完成了离合器的总体设计,通过对离合器 的结构方案分析对比,对其结构形式,基本尺寸和主要参数进行了设计,并对活 塞型盘式离合器的各零部件进行选型和校核计算。 关键词:关键词: 离合器 ; 活塞 ; 盘式; 气动摩擦 The design of the clutch piston disc Abstract: Piston-type clutch basic characteristics of the work in its surf
3、ace friction ring plane, while the friction plate at work along the axial movement. Push plate chamber is mainly composed of cylinder and piston, the piston and the clutch body flange fused. When its work, the compressed air into the chamber along the channel, so that the cylinder (push plate) mobil
4、e, hanging together clutch. Air friction clutch (referred to as air clutch) is a common mechanical drive components, and its main function is to make a smooth start working machine, easy to shift, and overload protection. The use of gas clutch and clutch requirements as to require it is reliable and
5、 stable hanging together, picking open quickly, good heat dissipation, long life, simple structure, light, manufacturing and maintenance. As the gas clutch friction clutch operation is not only stable in general, can be linked to the process is running, the advantages of joint and overload protectio
6、n, and drive more gently (the use of air cushion effect), the operation is more rapid, convenient, energy, easy to implement long-range focus control, and therefore on the oil rig to obtain a wide range of applications. The main content is based on the design requirements to complete the overall des
7、ign of the clutch, the clutch through the analysis and comparison of the structure of the program, its structure, basic dimensions and main parameters of the design, and piston- type disc clutch components for each Selection and verification of the calculation. Keywords: Clutch ; Piston; Disc ; Air
8、friction I 目目 录录 1 绪论 .1 1.1 摩擦离合器的功用与要求1 1.1.1 摩擦离合器的功用1 1.1.2 对摩擦离合器的要求1 1.1.3 摩擦离合器的类型2 1.2 我国钻机气离合器的使用情况2 1.2.1 径向作用一一气胎式(简称气胎式)2 1.2.2 轴向作用推盘式(简称盘式)4 1.2.3 气胎式的使用情况5 1.2.4 推盘式的使用情况8 2 设计要求及其技术参数 10 2.1 基本要求:.10 2.2 技术参数 : .10 3 结构方案分析 11 3.1 从动盘数的选择:双盘活塞型离合器.11 3.2 离合器的结构布置.11 3.3 离合器的散热通风.11 3
9、.4 活塞型盘式离合器的特点:.12 4 离合器主要参数的选择 13 4.1 摩擦系数.13 4.1.1 摩擦材料概述.13 4.1.2 常用摩擦材料.13 4.1.3 摩擦系数的分析.15 4.1.4 几点建议.17 4.2 摩擦因数F、摩擦面数 Z 和离合器间隙T.18 4.3 单位压力P18 0 5 离合器的设计与计算 20 5.1 气离合器的转矩特性.20 5.1.1 影响转矩特性的因素.20 5.1.2 摩擦系数.20 5.2 摩擦型盘式离合器承载能力的计算.21 5.3 气离合器的热负荷特性与摘挂特性.23 5.3.1 热负荷特性.23 5.3.2 挂合时间与操作性能.24 5.4
10、 气离合器的使用情况分析.26 5.5 参数的优化.26 II 6 主要零部件的结构设计和校核 28 6.1 弹簧的设计.28 6.2 从动盘总成的设计.29 6.2.1 从动盘毂.29 6.2.2 从动盘的设计.29 6.2.3 摩擦片的设计.29 6.3 压盘的设计.29 6.3.1 对压盘结构设计的要求:29 6.3.2 压盘的结构设计与选择.30 7 重要零件的校核 31 7.1 销的强度校核.31 7.2 键连接强度计算.31 8 国外钻机气离合器的应用情况与动向 33 8.1 美国.33 8.2 俄罗斯.34 8.3 罗马尼亚 .37 9 关于革新我国钻机气离合器的几点意见 39
11、10 总结 .41 参考文献参考文献 42 致谢致谢 43 附录附录 44 - - 1 1 绪论绪论 气动摩擦离合器(简称气离合器)是一种通用的机械传动部件,其主要功用 是使工作机启动平稳,便于换挡以及过载保护。对气离合器的使用要求也和其他 离合器一样,要求它工作可靠,挂合平稳,摘开迅速,散热性好,使用寿命长, 结构简单轻巧,制造维护方便。由于气离合器不仅具有一般摩擦离合器操作平稳, 可在机器运转过程中挂合和过载保护的优点,而且传动更柔和(利用空气的缓冲 效果) ,操作更加迅速,方便,省力,易于实现远距离集中控制,因而在石油钻 机上获得了广泛的应用。目前,不仅在钻机的各主要机组(绞车,转盘和钻
12、井泵) 上,而且在各中间传动装置以及一些辅助机组(如压风机)上,都采用了各种类 型的气离合器。 近年来,在国外钻机上应用的各种气离合器基本上可分为两大类: 1径向离合器,包括气胎式(简称胎式)和多气室。这两种离合器又 都可以再分为普通型和通风型。 2轴向离合器(简称盘式离合器) ,按其气室构造不同,可分为隔膜型, 气囊型和活塞型三种。 气离合器是一种以压缩空气作为工作介质,而依靠其主动部分和从动部分 工作表面之间的摩擦力来传递转矩的一种传动部件。因此,各类气离合器的结构 特点,主要体现在其气室和摩擦片上。 目前, 在我国, 由于气离合器的损坏比较严重, 大大影响了钻井时效和钻机 的工作能力,
13、成为钻机中的主要薄弱环节之一, 随着钻井速度的提高和钻井深度 的增加, 这个问题变得更加突出。为更好地适应我国石油工业发展的形势, 钻机 气离合器的革新也就成为当前旧钻机改造和新钻机设计制造中的一个重要课题。 1.1 摩擦离合器的功用与要求摩擦离合器的功用与要求 1.1.1 摩擦离合器的功用摩擦离合器的功用 (1) 传递与切断动力; (2) 微动操作; (3) 实现柔性传动; (4) 过载保护。 (5) 保证动力机空载启动。 1.1.2 对摩擦离合器的要求对摩擦离合器的要求 (1) 能传递足够的动力; - - 2 (2) 结合平稳,分离彻底; (3) 易损件的寿命较长;磨损后容易更换和调整;
14、(4) 尽量减小从动件的转动惯量,以减少结合时的时间和冲击。 (5) 具有良好的散热性能。 1.1.3 摩擦离合器的类型摩擦离合器的类型 1)按照片数分类 单片式 特点:结构简单、散热好、间隙容易保证,但结合时的平稳 定性较差、传递大功率的单片式摩擦离合器的径向尺寸大。 多片式 特点:结合平稳、片的尺寸相同时,能传递较大的功率,但 结构较复杂、分离时片间间隙不易保持均匀、散热较差。 2) 按工作条件分类 干式 特点:摩擦系数大、许用比压小、摩擦片的寿命短、结合平稳 性差、调正间隙次数多,片数少、结构较简单,采用风冷, 暴露在空气中。 湿式 特点:片数多、摩擦系数小、许用比压大、使用寿命长、结合
15、平稳、 无需经常调整间隙、维修不太方便。 3)按工作原理分类 常压式 特点:结合时靠弹簧压紧、常态为压紧状态、压紧弹簧有自动补偿 作用,无须经常调整间隙、传递功率大小能较准确的设计、 分离时需要较大的操纵力、适合联合驱动的钻机。 非常压式 特点:结合时靠杠杆压紧、常态为分离状态、操纵较省力、传递 功率大小不易控制、需要经常调整间隙、结合时平稳定性 较好、适用于单独驱动的钻机。 1.21.2 我国钻机气离合器的使用情况我国钻机气离合器的使用情况 目前国内外钻机上应用的各种气离合器, 基本上可以分为以下两大类 1.2.11.2.1 径向作用一一气胎式径向作用一一气胎式(简称气胎式简称气胎式) -
16、- 3 依其结构形式的不同, 又可分为普通型(图1) 和通风型(图2)。 图图 1 1 普通型气胎离合器普通型气胎离合器 图图 2 2 通风型气胎离合器通风型气胎离合器 - - 4 1.2.21.2.2 轴向作用轴向作用推盘式(简称盘式)推盘式(简称盘式) 按气动机构型式的不同, 又可分为隔膜型(图 3)、气囊型 和活型(图 4 ) 。我国各油田在用的重型钻机约有几十种型号(原型号已改装的除外) , 其上所配的气离合器计有三个国家生产的气胎式和推盘式两大类共 20 多种型号 , 大量使用的是普通型气胎。 图图 3 3 隔膜型推盘离合器隔膜型推盘离合器 - - 5 图图 4 4 活塞型盘式离合器
17、活塞型盘式离合器 1.2.31.2.3 气胎式的使用情况气胎式的使用情况 各油田使用的气胎式基本上都是普通型, 其中绝大部分都是国产的, 少量 是罗马尼亚的, 个别是美国的。在使用中存在的主要问题有以下几个方面: 1. 工作性能差, 使用寿命根据胜利油田临盘地区年的统计,平均每台重型钻 机一年消耗气胎约在13 个以上。各型离合器的平均使用寿命相差也很 大, 即使在同一地区, 使用同一型号的钻机, 对于型号尺寸完全相同的离合器也 是如此。其中以国产 1302 型钻机滚筒轴离合器(1070) 损坏最严重, 临盘地 区钻一口 3200 米的井, 平均要消耗 7 个气胎, 严重时达到 12 个(在井深
18、 2800 米以后, 有时起钻一趟就要更换 2 个) 。油田的使用实践以及 试验研究和理论分析表明: 气胎离合器的使用寿命主要取决于其工作时的热状态 (热负荷) 。对于这种主要靠摩擦作用进行工作的离合器, 由于其主动和被动 两部分之间在挂合时存在转速差, 而气胎充气也要有一定时间, 离合器传递扭矩 的增长也需要有一个过程。因此, 其挂合过程总是存在一个打滑阶段(图5, 图中 W主和 w被分别表示离合器主动和被动部分的角速度) , - - 6 图图 5 5 离合器的典型挂合过程离合器的典型挂合过程 而摩擦表面打滑就必然发热, 结果使摩擦轮的稳定温度可达120150 。在这种 情况下, 石棉胶木摩
19、擦垫片和石棉橡胶衬片实际上并不能有效地防止气胎不受热, 而且这种离合器又没有必要的强制通风装置, 因此往往使气胎面的温度达到 110140 , 在这种高温作用下,离合器就很快损坏, 一般出现以下几种情况: (1) 摩擦片迅速磨损。据统计平均每进尺一千米约消耗摩擦片65块。 (2) 气胎烧坏(一般在半圆槽处烧穿) 。 (3) 气胎胎面因长期与过热的摩擦片接触而损坏9出现裂纹或裂口而漏气)。 (4) 由于周围高温介质的作用, 使气胎很快老化而失去弹性或漏气。 既然这种离合器的发热是由于其本身的工作特性(挂合过程必然有一个打滑 阶段)所引起的, 所以离合器的工作性能及其工况就在很大程度上影响到它本身
20、 的使用寿命。离合器的工作性能主要是指以下两方面: (1)气胎的气室容积。它决定了进、放气的时间。气室容积小, 进、放 气的时间就短, 亦即摘挂打滑 的时间就短。但挂合时间或挂合 速度(即传递扭矩增长的速度) 在很大程度上又会影响到钻机起 升系统的动载, 即随着气胎气室容积的减小(充气时间缩短) ,打 滑时间缩短, 热损失减少, 但挂合速度增大, 动载增加。 (2)摩擦材料的物理特性。主要是指摩擦系数数值的大小及其稳定性 (不随温度、比压和圆周速度而改变, 尤其重要的是对于温度变化 - - 7 的稳定性) 和热动力特性。摩擦材料的摩擦系数越大, 稳定性越 好, 打滑时间就越短, 热损失就越小。
21、摩擦材料的热容量越大, 导 热性越小, 则摩擦片和气胎的温升就越小。如果摩擦材料的摩擦系 数不稳定, 其数值随温度上升而减小, 则发热和温升会反过来使打 滑时间加长, 形成“恶性循环” , 这对离合器的使用寿命是十分 不利的。 至于影响到离合器使用寿命的工况, 主要是指离合器单位摩擦表面所传递 的功率、传递的转速和挂合频率, 这三个数值越大, 热损失就越大。所以一般离 合器的损坏往往都发生在井较深, 起下钻或处理事故(负荷大、挂合频繁) 的过程 中。 根据上述分析, 可以进一步从下述几方面找出离合器损坏的各种具体原因: (1) 离合器结构陈旧。国产普通型气胎式离合器的结构基本上是沿袭苏联五十年
22、 代的产品, 气室容积大, 消耗气量大, 进气慢(700和1070)离合器约67秒), 挂合时, 打滑时间长, 发热严重, 易烧坏气胎。 目前国内使用的普通型离合器, 气胎很靠近摩擦表面, 通风散热的条件很 差, 容易受热, 而且其扭矩主要由气胎承受, 因而气胎很易损坏, 尤其是在井深 传递功率大、挂合频繁时, 更为严重。例如1302型钻机滚筒轴离合器 (1070)在2700米以下, 一般起钻两趟左右, 就要更换一个气胎。而美国NE 400型钻机滚筒轴上的低速离合器, 由于采用了通风完善、气胎承扭很小的通 风型气胎式(42VC-600型) , 在渤海湾打了8 口井(一般井深为25002600)
23、米, 最深的3200米) , 离合器未见损坏, 甚至其摩擦片的磨损也不大。 (2)主要零件的工作性能或制造质量较差。由于钻机在实际工作时存在着 动载, 离合器摩擦片的摩擦系数大大低于制造厂的试验值, 因此目前国产摩擦片 的摩擦系数的数值及其稳定性不能满足油田进一步提高钻井速度和钻深井的要求, 其耐磨性也还不够高, 而在繁重的工况下, 打滑、发热较严重, 磨损较快, 大大 影响离合器的使用寿命。 此外, 气胎的制造质量不稳定。现场发现有一批气胎的质量较差, 进气后, - - 8 气胎向两侧(轴向)变形, 这不仅大大降低了其传递扭矩的能力(或工作时打滑) , 而且往往因侧面磨损而损坏。 (3) 离
24、合器的工况不合适, 使离合器的热负荷过大。这主要是由于在设计 机、选用离合器时没有考虑离合器的热负荷所造成的。例如, 130 一2型钻机滚筒 轴的1070 离合器, 由于柴油机一变矩器在空负荷时转速很高, 而钻机上并没有配 备司钻控制柴油机调速杆的装置, 从而无法保持在低速状态下挂合离合器, 而离 合器挂合时的能量损失与其转速的平方成正比, 所以离合器在挂合时产生的热损 失很大, 以致气胎很快烧坏。此外, 这种钻机的滚筒轴上只有这一个离合器, 和 130 一1型钻机相比, 离合器的挂合更加频繁。虽然130 一1型钻机也没有装司钻调 节柴油机转速的装置, 但其传递转速和挂合频率都较低, 热负荷较
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