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减震器设计及发展毕业论文

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1绪论1

1.1选题的目的和意义1

1.2减振器的发展历史1

1.3减振器的分类2

1.4液压减振器国内外发展状况和发展趋势3

1.5研究的主要内容及方法4

2减振器的类型和工作原理5

2.1减震器的类型与型号5

2.2减震器形式的选择5

2.3减振器的工作原理6

2.4减振器的结构.工作原理及优点6

2.5减震器的标准7

2.6减震器的使用措施及注意事项7

3减震器的设计9

3.1减震器数据的选择9

3.3芯轴的设计与强度校核11

3.4上接头凸台校核12

3.5螺纹的选择13

3.6螺纹牙的强度校核13

3.7花键的设计与选择16

4密封元件20

4.1密封元件材质的设计和选用20

4.2密封元件常用的材料20

4.3密封盘根24

5液压减震器的使用方法28

5.1减震器在钻柱中的连接位置28

5.2下井前的检查28

5.3起钻后的检查28

5.4注意事项28

5.5维修与试验29

5.6检查与维修29

5.7组装29

5.8注油30

6结论31

参考文献32

致谢33

1.1选题的目的和意义减振器主要是用于减小或削弱振动对设备与人员影响的一个部件。

它起到衰减和吸收振动的作用。

使得某些设备及人员免受不良振动的影响,起到保护设备及人员正常工作与安全的作用,因此它广泛应用于各种机械的频繁起降等,对减振器的要求愈来愈高。

人们不但要求安全可靠,而且要求旅途舒适,对此减振器起着举足轻重的作用。

1.2减振器的发展历史

世界上第一个有记载、比较简单的减振器是1897年由两个姓吉明的人发明的。

他们把橡胶块与叶片弹簧的端部相连，当悬架被完全压缩时，橡胶减振块就碰到连接在汽车大梁上的一个螺栓，产生止动。

这种减振器在很多现代汽车悬架上仍有使用，但其减振效果很小。

1898年，第一个实用的减振器由一法国人特鲁芬特研制成功并被安装到摩托赛车上。

该车的前叉悬置于弹簧上，同时与一个摩擦阻尼件相连，以防止摩托车的振颤。

减振器的结构发展主要经历了以下几种发展形式：

加布里埃尔减振器，它是由固定在汽车大梁上的罩壳和装在其里面的涡旋形钢带组成，钢带通过一个弹簧保持其张力，钢带的外端与车桥轴端连接，以限制由振动引起的弹跳量。

平衡弹簧式减振器，这是加到叶片弹簧上的一种辅助螺旋弹簧。

由于每一个弹簧都有不同的谐振频率，它们趋向于抵消各自的振颤，但同时也增大了悬架的刚性，所以很快就停止了使用[1]。

空气弹簧减振器，空气弹簧不仅兼有弹簧和吸振的作用，而且常常可省去金属弹簧。

第一个空气弹簧减振器是1909年由英国考温汽车工厂研制成功的。

它是一个圆柱形的空气筒，利用打气筒可以把空气经外壳上部的气阀注满空气筒，空气筒的下半部分容纳一个由橡胶和帘布制成的膜片。

因为它被空气所包围，所以其工作原理与充气轮胎相似，它的主要缺点是常常泄漏空气。

液压减振器，第一个实用的液压减振器是1908年由法国人霍迪立设计的。

液压减振器的原理是迫使液流通过小孔产生阻尼作用。

通常的筒式减振器是由一个与汽车底盘固定的带有节流小孔的活塞和一个与悬架或车桥固定的圆柱形贮液筒组成。

门罗在1933年为赫德森制造的汽车装用了第一个采用原始液压减振器的汽车。

到了二十世纪三十年代末，双作用减振器在美国生产的汽车上被普遍采用。

到了二十世纪六十年代，欧洲采用的杠杆式液压减振器占了优势，这种减振器与哈德福特的摩擦式减振原理相似，但使用的是液流而不是摩擦缓冲衬垫。

麦弗逊支柱式减振器，随着前轮驱动汽车的出现，二十世纪七十年代以来，制造商开始采用麦弗逊式减振器。

这种减振器是二十世纪六十年代通用公司麦弗逊工程师研制成功的。

他把螺旋弹簧、液压减振器和上悬架臂杆组成一个紧凑的部件。

其主要优点是体积小，适合前轮驱动汽车，可在与变速器组成一体的驱动桥上应用。

另外，有一种电子控制减振器，能根据道路状况、车速和驱动形式自动调节悬架软、中、硬三种刚度。

该减振器通过在汽车保险杠下方装有一个带声纳的测量部件监测路面状况，把测得的数据输入处理单元，然后调节减振器中的按键，以改变液流通道的尺寸。

充气式减振器是二十世纪六七十年代以来发展起来的一种新型减振器。

充气式减振器的特殊结构和充气参数，可以大大地降低噪音，并有利于保证活塞高速运动时的阻尼特征，同时减振器上的减振支柱实质上属于双筒结构，它除了阻尼减振还有如下附加功能：

他和控制臂一起对车轮进行导向[2]。

1.3减振器的分类

根据减振器的结构、材料与用途不同,减振器可分为以下几种：

（1）橡胶减振器减振器由天然橡胶及聚氯丁之类合成橡胶材料制成。

该减振器经济方便,对振动阻尼作用。

近年,又出现一种金属橡胶减振器,性能优于传统橡胶减振器。

但低温时弹性下降、高温时易变形,不适于高频下工作,有“弹性后效”现象等。

因此只能用于减振要求不高的场合。

（2）金属弹簧减振器分为螺旋弹簧与板簧减振器：

该减振器能适应于各种环境与温度下使用,力学性能较稳定,刚度范围广,高频时,失去减振作用,因此,目前,液压减振器已经得到了广泛地应用特别是在一些关键装备上,如飞机的起落架、导弹的发射架、各种汽车、摩托车、轮船等需减振的设备上。

液压减振器是以液压油为工作介质并利用油的黏性阻尼作用,在节流口或阀的前后形成一定的压差,将振动的动能变成液体的压力能衰减和吸收振动。

（3）电流变液和磁流变液减振器：

电、磁流变液都是悬浊液,在外加电、磁场

作用,下其黏度可连续变化,由美国人W.Winslow和J.Rabinow于20世纪40年代后期发现,从20世纪80年代末起将其应用于阻尼可调减振器。

电、磁流变液减振器具有阻尼连续调节,响应快等优点,但是还存在一些问题:

电、磁流变液的粒子沉降、温度稳定性,电、磁流变液减振器的设计误差补偿、使用寿命、维修等,其产业化应用还需要进一步的研究。

（4）气体控制阻尼可调减振器：

气体控制阻尼可调减振器必须与空气弹簧配合使用。

阻尼变化规律是:

当空气弹簧中气压升高时,阻力增大,反之则减小,不能根据路面激励和汽车工况的变化

（5）干摩擦式阻尼可调减振器：

2004年,英国巴思大学的EmanuelGuglielminoKevinA.Edge研制了一种干摩擦式阻尼可调减振器。

干摩擦阻尼减振器利于两个平面之间的摩擦消耗能量,通过液压系统控制接触面正压力的大小调节减振器的阻尼系数。

1.4液压减振器国内外发展状况和发展趋势

目前国内液压减振器大部分单向减振器，其阻尼力主要通过油液流经空隙的节流作用产生。

减振器的设计开发也由基于经验设计加实验修整的传统方法向基于CAD/CAE技术的现代优化设计方法转变。

20世纪50年代发展起来了液压减振器技术，在减振器内充入油液（0.3〜0.5MPa）减振器的临界工作速度相应提高，后来又发展了双筒式减振器，它采用活塞阀体与底阀相配合的结构，在浮动活塞在缸筒间的一端形成的补偿室内充入一定量的高压气体（2.0〜2.5MPa）氮

气。

与双筒式减振器比，单筒充气式减振器质量显著减轻，安装角度不受限制，但其制造精度要求和成本较高。

据调查，目前国内液压减振器配套产能有过剩趋势，生产高档次减振器的不多。

单筒充气式减振器国内生产厂家正在消化吸收设计技术和提高制造工艺技术阶段，产品质量还没很过关。

对于充气式减振器的研究也主要集中在单缸充气式汽车减振器方面。

在郭孔辉院士的领导下，长春汽车研究所作了大量的试验工作，积累了一些经验。

但由于橡胶的寿命不过关及设计、制造等多方面因素的影响，一直没有形成比较成熟的技术。

近几年，由于高速公路的迅速发展，对舒适性的要求也越来越高，国内对充气式减振器研究及产品开发工作又重新重视起来。

哈尔滨铁路局减速预调速研究中心和哈尔滨工业大学的高起波、曾祥荣两位老师对充气式减振器性能进行了理论分析和试验；天津大学的马国清、王树新、卞学良等对充气式减振器建立数学模型，建立计算机仿真程序，利用该程序可以得到参数变化对减振器性能的影响趋势，取得一些较好的研究成果。

后勤工程学院的晏华等设计的充气式电流变减振器设计比较先进。

有些厂家也投入人力物力对充气式减振器关键部件进行开发，如浙江瑞安东欧汽车零部件厂、贵州前进橡胶有限公司、宁波美亚达金属塑料有限公司等，并具有了一定的生产规模。

国外工程机械主要配套件大多数都生产历史悠久，技术成熟、供应充足、生产集中度高、品牌效应突出。

目前世界上生产减振器最大的企业，美国天纳克

（TA）汽车工业公司是世界最著名的减振器生产商，也是目前全球最大的专业生产减振器的厂家，其生产的充气式减振器符合美国军用标准。

同时还不断推出新的减振器，推动减振器技术不断向更高技术水平发展。

另外还有几家较为先进的公司如：

Ford和GeneralMotors这两家。

这两家公司生产的减振器能很好的解决汽车的安全性和舒适性这两方面的要求，例如德国大众公司的GTI、甲壳虫，奔驰-戴姆勒克莱斯勒汽车有限公司生产的C200均采用了双筒油压式减振器，在保证安全性的前提下充分提升了汽车的稳定和操控性。

由于汽车在不同的行驶工况下对减振器的特性有不同的要求，可调阻尼减振器是筒式减振器技术发展的目标。

目前国外已经开发有机械控制式的充气式减振器，电子控制式的充气式减振器，在个别高档车还试用电流变液减振器，但电流变液减振器的工作温度范围窄-25〜125C，其强度和化学稳定性较差，影响其工作的可靠性。

充气式减振器相比电流变液减振器，不需要特殊的高压供电装置，成本低、使用安全、稳定性强[9]。

目前最先进的充气式减振器的响应时间约10ms，需进一步提高。

充气式减振器有很好的运用前景，是半主动或主动悬架较好的配置，但是尚需在缩短响应时间上改进。

德国奥迪推出的2.7T越野车，使用了双充气式减振器，奔驰-戴姆勒克莱斯勒汽车有限公司生产的300C和Jeep4700均采用了充气式减振器。

充气式减振器是一个较为新兴的技术，可同时提高车辆的舒适程度、驾驶性能和安全性能。

由于车轮控制得到改善，车辆的安全性和可靠性得到提升；通过控制车身运动，提高驾驶平顺性，并使操作更精确、反应更迅速；在刹车和加速过程中减少乘员“前冲”和“后仰”；改善负荷转移特性，在车辆高速行驶中突然变向时，可提供更好的防侧翻控制；由于减小了路面反冲力，使驾驶更为安静、精确。

正是由于这些特点，充气式减振器首先在中高级轿车上得到了应用。

充气式减振器的发展前景，国外对充气式减振器的研究已经发展到电子控制式减振器。

我国对减振器的研究主要集中在单筒充气式减振器方面，而且发展比较缓慢。

我们应当在前人对充气式减振器研究的基础上更加深入地对其进行分析和研究，努力缩短和发达国家的差距。

对充气式减振器的研究能有效的提高我国汽车工业的制造水平，降低汽车的制造成本，对中国经济的快速发展大有益处。

1.5研究的主要内容及方法

通过CAD软件的辅助，设计一种用于石油钻井的液压减震器并且符合技术要求，具有良好经济性与实用性的液压减振器。

通过大量的社会实际调查研究和图书馆查阅资料，设计计算以及老师的指导下，按照任务书的要求最终完成设计工作。

在设计的过程中参考国内外相关的文献资料以及借鉴相关企业的产品，预期的设计产品能够符合理论设计要求，各项技术指标符合要求，并且将生产成本降到最低。

2减振器的类型和工作原理

2.1减震器的类型与型号

常见的减震器包括液压式减震器和机械式减震器。

液压式减震器又分为液压单向减震器和双向减震器。

减震器的型号表示方法；

JZ:

减震器产品代号

YS:

结构形式代号：

YS液压双向减震器

Y液压减震器

H弹簧式机械减震器

减震器规格（直径：

178mm）液压减震器利用液体的可压缩性以及液体在压缩时吸收能量和流动时耗散能量的特性，实现减少或者消除震动的目的。

双向减震器除了可以轴向压缩外，还可以将扭转冲击转化为轴向冲击，利用液压减震的原理减少或者消除纵向震动和扭转冲击。

机械式减震器是我厂与国外公司合作开发的产品，具有减震效果好、工作寿命长、性能价格比高等优点

2.2减震器形式的选择

由于历史的原因以及钻井设计的不同，不同的油田习惯于采用不同类型的减震器。

随着技术的不断发展，产品的结构、性能及其适应性也在变化，人们对产品不断有新的认识，从而为更好地选择和使用减器奠定了基础。

从使用的角度看，钻柱在井筒内的旋转运动是引起钻柱震动的原因之一，钻头在硬地层的旋转破岩是引起钻柱震动的另一个更重要的原因，钻柱所产生的震动是纵向和扭转的复合震动。

使用双向减震器可以减少或者消除钻头旋转引起的震动，可以在很大程度上消除震动源，因此，具有轴向和扭转双重减震作用的双向减震器往往具有更好的减震效果。

液压式减震器采用硅油作为液体弹簧，其刚度取决于硅油的容积和充满的程度。

因此，液压式减震器对生产和维修过程中的充油、密封件磨损导致的漏油以及井温变化对硅油影响十分敏感。

机械减震器与液压减震器具有同样的减震效果，相比之下，机械式减震器的可靠性、工作时间以及适用范围都要优于液压减震器。

减震器产品是关系到钻井作业安全的重要井下工具，尤其震击器产品是用于预防和处理井下事故的工具，既要有效地处理事故，又要保证不能引起新的事故。

悬架中用的最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。

钻井振动时减振器内的液体在流经阻尼孔时的摩擦和粘性液体的摩擦形成了振动阻尼，将振动能量转

化为热能，并散发到周围的空气中去，达到迅速衰减振动的目的。

如果能量的消耗仅仅只是在压缩行程或者是在伸张行程进行，则把这种减振器称为单向作用减振器；反之称为双向作用减振器。

后者因为减振作用比前者好而得到广泛应用。

减振器大体上分为两大类，即摩擦式减振器和液力减振器。

摩擦式减振器利用两个紧压在一起的盘片之间相对运动时的摩擦力提供阻尼。

但是由于库仑摩擦力随相对运动速度的提高而减小，并且很容易受到油、水等的影响，无法正常工作，无法满足平顺性的要求，因此虽然具有质量小、造价低、容易调整等优点，但现在汽车上已经不再采用这类减振器。

液力减振器最早出现于1901年，有两种主要的结构形式分别是摇臂式和筒式。

悬架中用的最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。

所以我选择筒式

减振器。

而在筒式减振器中，常用的三种形式是：

双筒式、单筒充气式和双筒充气式。

我选择双筒式液力减振器。

2.3减振器的工作原理

液压减震器其工作原理是通过具有可压缩的硅油来实现的。

钻井作业中钻头和钻具受到冲击和震动时，其作用力使工具以极快的速度向上运动，此时油腔内的液压油不仅受到压缩，而且一部分以极高的流速经阻尼孔流入缸套腔内，从而引起了吸能及缓冲的作用钻头上的冲击和震动负荷减小或消失时，液体膨胀，下接头以下钻具在自身重量的作用下向下运动，油缸腔恢复到原来的长度，缸套腔内的硅油经阻尼孔又重新流回到油腔。

2.4减振器的结构•工作原理及优点

主要构成有：

芯轴、扶正接头、花键外筒、缸套、键、、下接头、密封元件等。

液压减振器工作原理说明。

液压减震器其工作原理是通过具有可压缩的硅油来实现的。

钻井作业中钻头和钻具受到冲击和震动时，其作用力使工具以极快的速度向上运动，此时油腔内的液压油不仅受到压缩，而且一部分以极高的流速经阻尼孔流入缸套腔内，从而引起了吸能及缓冲的作用钻头上的冲击和震动负荷减小或消失时，液体膨胀，下接头以下钻具在自身重量的作用下向下运动，油缸恢复到

原来的长度，缸套腔内的硅油经阻尼孔又重新流回到油腔。

液压减振器具有如下的优点：

使用广泛、制造成本低，使结构简化，重量减

轻、性能也较为稳定，在压缩与伸张的状态下都有设计好的阻尼力。

2.5减震器的标准

国外震击器、减震器的生产厂家和产品种类虽然较多，但一直没有制订统一的标准。

相比较而言，国内震击器、减震器的有关标准要相对完善一些。

SY/T5496-92《震击器分类与通用技术条件》，SY5082-91《随钻震击器》，

SY5054-91《开式下击器》，SY5055-85《XJ-K型地面下击器》，SY5086-85《油压上击器和震击加速器》，SY5425-91《超级上击器》7项标准合并修订为一个标准。

标准的变化，基本反映了国内两器产品的发展历程，尤其可以看出国内震击器的发展正逐步走向完善和成熟。

表2-1两器产品标准对照表

产品名称

产品型号

原标准

现标准

备注

「随钻震击器

QJ——A

机械式可调

「随钻震击器

QJ——K

机械式不可调:

随钻上击器

SS——

SY5082-91

液压式

随钻下击器

SX——

SY/T5496—2000

机械式

「超级上击器

CS

SY5425-91

液压式

开式下击器

SY505—91

《震击器及加速器》

淘汰产品

:

闭式下击器

SY5213-87

淘汰产品

「地面下击器

DX-—

SY5055-85

机械式可调

加速器

ZJ——

SY5086-85

液压式

《震击器分类与通用技术条件》

SY5496-92

液压减震器

JZ——Y

SY5214-87

SY/T6347—1998

液压式

双向减震器

JZ——YS

液压式

机械减震器

JZ——H

《钻柱减震器》

碟簧式

2.6减震器的使用措施及注意事项

（1）减震器出厂或大修后第一次下井使用必须经地面台架试验合格后方能下井使用；外筒各连接螺纹（修复扣）必须经三次磨合。

消除毛刺。

清洗干净，经检查合格后涂均钻挺润滑脂，才能连接螺口；各连接螺纹按规定紧扣扭矩值拧紧；检查油堵是否松动或漏油；确定减震器的安放位置，备好转换接头；减震器下井前油枪必须注满合格的硅油，在钻台上用1-3根钻铤加压测量C值的变化情况，并作好记录；减震器在下井前若发现不符合下井条件时应及时向有关人员提出，以便进行现场维护或反常修理，

（2）减震器每次下井使用都要对其工作时间及工作情况详细记录；减震器每次取

出井口都要认真清洗，并在转盘上用下井时同样根数的钻铤加压测量并记录C

值的变化，若C值比第一次下井时减少25mn以上，则说明液压油有漏油1不能继续下井使用。

（3）注意事项：

操作前必须了解YJB型液压减震器的结构和工作原理性能及使用方法，操作要平稳，严禁留钻；下井前紧扣是严防前牙损坏油堵；在拆卸检查及场地摆放时，要均匀摆放3-4根木方或钢管把减震器垫平，防止产生憋进把螺纹或密封损坏；减震器上下钻台或搬运时必须两端戴好护丝；井底有金属落物或打捞作业时严禁使用。

3减震器的设计

3.1减震器数据的选择

表3-1YJB型液压减震器型号与技术规范

型号

YJ121

（H型）

YJ159

（BS）

YJ17»

（B型）

YJ2O3

（B型）

YJ229

（H型）

外径in）

121（4%）

159（614）

178（7）

178（7）

229（9）

水眼/rwi（in）

38（］城）

47（1%）

57（2J4）

f57（2J4）

64◎坯）

接头螺纹（AH）

3%REG

4堵REG

4XREG

65^REG

7^REG

最大钻压/kN

265（27）

340（34,5）

350（35.4）

490（50）

530（544）

工作温度

<150

<150

<150

<150

总长（闭合）/mni

3785

4270

3810

4140

4496

最大拉开行程Anm

J52.4

203

203

203

152

丄作扭距/kN*m（kg*m）

10（1000）

]5{15OO）

20（2000）

25（2500）

30（3000）

允许抗拉负荷/MN（tf）

1.15（115）

1.20（120）

1.70（170）

3.00（300）

3.00（300）

容积儿

2-7

3.69

43

5+9

8,4

由上表可知所设计北石厂JZ-Y型减震器的参数为:

外径为178mm；水眼为57;接头螺纹1/2REG;最大钻压340kN;工作温

度<150;总长5200mm

3.2中心管的设计与校核

内中心管材料选用45钢，其许用应力为［d=280MPa，设计壁厚t=7mm

如图3.1所示，内中心管在力的作用下处于空间应力状态，有:

2222^

_aR—bPo（R—P。

ba

6=A2J_f222

（3-1）

b—a（b—ar

2^,2^…f\22>

aR—bpo（R—poba

=h2J仏2a2*2

b—a（b—ar

由于此内中心管只受到内压而无外压，这时在上述公式中，令Po=0，得到

应力计算公式：

上式表明，Cf恒为压应力，而恒为拉应力，沿筒壁厚度，（T

和C的变化情况如图3.1所示:

（3-2）

在筒壁的侧面处，r二a,两者同时达到极值，因为两者同为主应力，故可记为：

C，C=C。

根据最大剪应力理论，塑性条件和强度条件分别为：

式中C为材料的屈服极限，以C和C代替C

图3.3应力分布图10

式中r—缸筒内半径；

门一缸筒外半径；p—油缸的许用应力;[o—缸筒许用应力。

代入数据得：

而45钢的[Ob=600MPa,[q|s=355MPa

因而满足强度要求

=9000Nm

戡面

片

IT

vT

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1

[udJ+（P-J）

『一花H宙段

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根据上表中的数值，校核危险截面处强度：

McaMca

ca32

W兀dbt（d-t）

32d

9000

=2

二270310亠4515270-15

32270x10’

=17.67MPa

45号钢的［c-1］=60MPa（调质处理）

因为二ca=18MPa：

：

!

「pMPa=60MPa

故芯轴轴安全。

3.4上接头凸台校核

当达到压力19MPa时，凸台受到的力最大

此时F=p-r2=19106二0.022=23