论文部分内容阅读
摘 要：目前自升式海洋钻井平台的升降系统多采用具有升降速度快和操作简单等优点的齿轮齿条式升降系统。由于海上工作环境恶劣，对该系统的润滑保养工作十分重要。当前主要使用润滑酯对系统中的齿轮和马达轴承进行润滑，国内自升式平台均采用人工加注。每根桩腿注油点为20个左右，人工加注费时费力且有时不能保证注油量，从而会造成轴承润滑不良。这对于升降系统的安全运转是十分不利的，对平台的安全生产也是一个潜在的威胁，因此设计一种自动闭式加注设备是很有必要的。本文介绍了一种简易自动加注装置。该装置主要运用了曲柄滑块机构，制作简单，具有很好的应用价值。
关键词：润滑脂；自动加注；轴承；曲柄滑块；钻井平台
1轴承润滑问题浅析
1.1 轴承润滑的注意事项
轴承的润滑方法分为脂润滑和油润滑，为了使轴承很好的发挥机能，首先要选择适合使用条件和使用目的的润滑方法。若只考虑润滑，油润滑润滑性占优势。但是脂润滑有可以简化轴承周围结构的特长。使用脂润滑时需要注意以下几点：1. 润滑脂的填充量要根据轴承的旋转速度，外壳构造，空间容积，润滑脂牌号和使用环境的不同而不同。2. 润滑脂的补充或更换要及时。即使高质量的润滑脂，经过一段时间的使用，也会发生性能老化，润滑性能降低，所以要适时补充润滑脂。补充的润滑脂要尽量保证为同一牌号的润滑脂。补充润滑脂脂时，尤为重要的是要保证润滑脂确实进入到轴承内部。
1.2 润滑脂的选用
润滑脂是一种稠厚的油脂状半固体，主要用于机械的摩擦部分，起润滑和密封作用也用于金属表面，起填充间隙和防锈作用。主要由矿物油和稠化剂调制而成。根据稠化剂可分为皂基脂和非皂基脂两类。根据用途可分为通用润滑脂和专用润滑脂两种，前者用于一般机械零件，后者用于拖拉机、铁道机车、船舶机械、石油钻井机械、阀门等。
1.3 人工加注润滑脂存在的问题
目前，国内对自升式海洋钻井平台升降系统的齿轮轴承的润滑主要采用人工加注润滑脂的方式。这种方式主要存在以下几个缺点：1、人工单一注油耗时耗力耗油。2、加油时间比较随意，加油时间不好控制，时间间隔较长或加油太频繁。3、加油量完全人为掌握，有时过多，有时则加注不足。4、油嘴经常损坏，需及时更换。若没有及时更换，油口会暴露在外部，会粘上灰尘等杂质，造成油口的堵塞。进而造成齿轮轴承润滑不良，对平台的安全生产是一种潜在的威胁。
1.4润滑脂自动加注的优点
（1）自动注油，降低工人劳动强度，提高生产效率。（2）准确定量注油，确保各润滑点得到足够的润滑油。（3）注油通路是封闭的，防尘，防腐，防漏。
2自动加注器的理论分析
2.1工作原理
本文所设计的润滑脂自动加注器主要使用了对心曲柄滑块机构，将电机转动变为活塞的移动。活塞的来回移动造成缸体容积的变化，从而将润滑脂挤压到润滑点，如立体图所示。曲柄滑块机构的运动副为低副，各元件为面接触。构成低副两元件的几何形状比较简单，加工方便，易于得到较高的制造精度。整体尺寸为长40厘米，宽30厘米，高30厘米。
2.2曲柄滑块机构的动力学特性
上图为曲柄滑块机构的受力分析示意图。从曲柄传到连架杆L上的力P2与切向力P4之间，存在如下关系：P4=P1*cos（90-B）；P1=P4/cos（90-B）
3自动加注器的结构设计
3.1 自动加注器的组成
润滑脂自动加注器主要由动力部分、减速机构和执行机构组成。本文主要自主设计执行机构，然后选用动力部分和减速部分。执行机构主要包括以下几部分：
活塞缸体、滑块导轨、曲柄滑块、储油罐和底座。
3.1.1活塞缸体
（1）尺寸设计。活塞在缸体内移动，使缸体与活塞之间产生的容积发生变化，从而将润滑脂挤出。缸体内径4厘米，活塞的行程为4厘米，所以能使缸体形成50 立方厘米的容积变化，也就是一次能排出这些体积的润滑脂。缸体的一端有5个直径1厘米的螺纹孔，这些孔与管线相连，将润滑脂输送出去。5个孔内分别装入一个单向阀，确保油只出不进。每根管线再分别接4跟细管线，共形成20个输油细管线。曲柄每旋转一圈，每根细管线可输出2.5立方厘米的润滑脂。在缸体靠近输出端的顶部有一个直径3厘米的孔，与润滑脂储油罐相联，内部也有一个单项阀，保证润滑油只进不出。（2） 制作材料。因为缸体的工作压力为2 Map，所以选用抗拉强度较高的中碳铸钢ZG270-500.缸体壁厚10mm，内径40mm。活塞用耐磨铸铁，厚度为30mm。活塞杆用45#钢制作，直径为30mm，长度为70mm。
因为壁厚与内径之比为0.25，所以可用公式 ，其中D为
缸筒内径，Pmax为试验压力5Map，[δ]为需用应力，经计算为143Map。经计算，壁厚满足要求。
活塞杆强度校核。活塞杆选用45#钢，直径30mm。б= F/A = 800/0.0007= 1.5Map < 235Map，所以满足强度要求。滑块导轨。滑块导轨的主要作用是导向作用，保证滑块和活塞同轴心移动。制作材料选用耐磨铸铁。曲柄滑块：（1）尺寸设计。曲柄滑块是转动变直动的实现机构，也是本设计的核心部件之一。曲柄长20mm，也就是使滑块的行程为40mm，从而活塞的行程为40mm。连架杆长120mm，宽20mm，厚10mm。（2）连架杆强度校核。连架杆制作材料选用45#钢。б=F/A=820/0.0002=4.1Map<235Map，满足强度要求。（3）连架杆稳定性验算。临界力 ， 其中E为弹性模量，E=
200Gpa。I为惯性矩，I= 。经计算Fcr=233KN>820N。所以连架杆稳定性满足要求。
3.1.2储油罐。储油罐内径11厘米，高15厘米，可储放1580立方厘米的润滑脂。
3.1.3转轮。转轮的制作材料选用20Cr。动力输入轴的直径为30mm。
3.1.4底座.底座的主要作用是支撑各部件和确定各部件之间的相对位置。制作材料选用普通碳素钢Q235。
3.2 动力机构和减速机构选用
（1）动力、减速机构选用。每个注油点需2Map的压力将油注入，由此可折算出滑块需要的推力为P4=0.8KN。根据式P1=P4/cos（90-B），当B=1度时，所需P1接近于最大值，此时P1=47KN。每3秒完成一次注油即可，也就是转轮的转速为20r/min，这样执行机构要求输入2KW的功率。由于功率在传递过程中有损耗，因此选用额定功率为2.4KW，转速为1000r/min的电机。减速器选用减速比为50：1的减速器。（2）电机控制。电机可采用点动控制。转轮转5圈就能够使轴承得到足够的润滑，也就是使电机运转15秒即可。15分钟后，再使电机运转15秒。就这样使电机周期性运转，直到桩退升降完毕。
4 结论
润滑脂自动加注器是用来代替传统人工加注黄油用的黄油枪的一种自动加油装置。对于多点的加油，可采用输送管线并联的方式。这种装置的主要优势是节省了人工，可以定时定量的加油，使轴承得到足够的润滑，延长轴承寿命，使设备良好运转。这种装置尤其适用于比较复杂的工况条件下，可以减少人工加油的安全危险。
参考文献
[1] 杨可桢，程光蕴. 机械设计基础[M].高等教育出版社，第五版，2006.
关键词：润滑脂；自动加注；轴承；曲柄滑块；钻井平台
1轴承润滑问题浅析
1.1 轴承润滑的注意事项
轴承的润滑方法分为脂润滑和油润滑，为了使轴承很好的发挥机能，首先要选择适合使用条件和使用目的的润滑方法。若只考虑润滑，油润滑润滑性占优势。但是脂润滑有可以简化轴承周围结构的特长。使用脂润滑时需要注意以下几点：1. 润滑脂的填充量要根据轴承的旋转速度，外壳构造，空间容积，润滑脂牌号和使用环境的不同而不同。2. 润滑脂的补充或更换要及时。即使高质量的润滑脂，经过一段时间的使用，也会发生性能老化，润滑性能降低，所以要适时补充润滑脂。补充的润滑脂要尽量保证为同一牌号的润滑脂。补充润滑脂脂时，尤为重要的是要保证润滑脂确实进入到轴承内部。
1.2 润滑脂的选用
润滑脂是一种稠厚的油脂状半固体，主要用于机械的摩擦部分，起润滑和密封作用也用于金属表面，起填充间隙和防锈作用。主要由矿物油和稠化剂调制而成。根据稠化剂可分为皂基脂和非皂基脂两类。根据用途可分为通用润滑脂和专用润滑脂两种，前者用于一般机械零件，后者用于拖拉机、铁道机车、船舶机械、石油钻井机械、阀门等。
1.3 人工加注润滑脂存在的问题
目前，国内对自升式海洋钻井平台升降系统的齿轮轴承的润滑主要采用人工加注润滑脂的方式。这种方式主要存在以下几个缺点：1、人工单一注油耗时耗力耗油。2、加油时间比较随意，加油时间不好控制，时间间隔较长或加油太频繁。3、加油量完全人为掌握，有时过多，有时则加注不足。4、油嘴经常损坏，需及时更换。若没有及时更换，油口会暴露在外部，会粘上灰尘等杂质，造成油口的堵塞。进而造成齿轮轴承润滑不良，对平台的安全生产是一种潜在的威胁。
1.4润滑脂自动加注的优点
（1）自动注油，降低工人劳动强度，提高生产效率。（2）准确定量注油，确保各润滑点得到足够的润滑油。（3）注油通路是封闭的，防尘，防腐，防漏。
2自动加注器的理论分析
2.1工作原理
本文所设计的润滑脂自动加注器主要使用了对心曲柄滑块机构，将电机转动变为活塞的移动。活塞的来回移动造成缸体容积的变化，从而将润滑脂挤压到润滑点，如立体图所示。曲柄滑块机构的运动副为低副，各元件为面接触。构成低副两元件的几何形状比较简单，加工方便，易于得到较高的制造精度。整体尺寸为长40厘米，宽30厘米，高30厘米。
2.2曲柄滑块机构的动力学特性
上图为曲柄滑块机构的受力分析示意图。从曲柄传到连架杆L上的力P2与切向力P4之间，存在如下关系：P4=P1*cos（90-B）；P1=P4/cos（90-B）
3自动加注器的结构设计
3.1 自动加注器的组成
润滑脂自动加注器主要由动力部分、减速机构和执行机构组成。本文主要自主设计执行机构，然后选用动力部分和减速部分。执行机构主要包括以下几部分：
活塞缸体、滑块导轨、曲柄滑块、储油罐和底座。
3.1.1活塞缸体
（1）尺寸设计。活塞在缸体内移动，使缸体与活塞之间产生的容积发生变化，从而将润滑脂挤出。缸体内径4厘米，活塞的行程为4厘米，所以能使缸体形成50 立方厘米的容积变化，也就是一次能排出这些体积的润滑脂。缸体的一端有5个直径1厘米的螺纹孔，这些孔与管线相连，将润滑脂输送出去。5个孔内分别装入一个单向阀，确保油只出不进。每根管线再分别接4跟细管线，共形成20个输油细管线。曲柄每旋转一圈，每根细管线可输出2.5立方厘米的润滑脂。在缸体靠近输出端的顶部有一个直径3厘米的孔，与润滑脂储油罐相联，内部也有一个单项阀，保证润滑油只进不出。（2） 制作材料。因为缸体的工作压力为2 Map，所以选用抗拉强度较高的中碳铸钢ZG270-500.缸体壁厚10mm，内径40mm。活塞用耐磨铸铁，厚度为30mm。活塞杆用45#钢制作，直径为30mm，长度为70mm。
因为壁厚与内径之比为0.25，所以可用公式 ，其中D为
缸筒内径，Pmax为试验压力5Map，[δ]为需用应力，经计算为143Map。经计算，壁厚满足要求。
活塞杆强度校核。活塞杆选用45#钢，直径30mm。б= F/A = 800/0.0007= 1.5Map < 235Map，所以满足强度要求。滑块导轨。滑块导轨的主要作用是导向作用，保证滑块和活塞同轴心移动。制作材料选用耐磨铸铁。曲柄滑块：（1）尺寸设计。曲柄滑块是转动变直动的实现机构，也是本设计的核心部件之一。曲柄长20mm，也就是使滑块的行程为40mm，从而活塞的行程为40mm。连架杆长120mm，宽20mm，厚10mm。（2）连架杆强度校核。连架杆制作材料选用45#钢。б=F/A=820/0.0002=4.1Map<235Map，满足强度要求。（3）连架杆稳定性验算。临界力 ， 其中E为弹性模量，E=
200Gpa。I为惯性矩，I= 。经计算Fcr=233KN>820N。所以连架杆稳定性满足要求。
3.1.2储油罐。储油罐内径11厘米，高15厘米，可储放1580立方厘米的润滑脂。
3.1.3转轮。转轮的制作材料选用20Cr。动力输入轴的直径为30mm。
3.1.4底座.底座的主要作用是支撑各部件和确定各部件之间的相对位置。制作材料选用普通碳素钢Q235。
3.2 动力机构和减速机构选用
（1）动力、减速机构选用。每个注油点需2Map的压力将油注入，由此可折算出滑块需要的推力为P4=0.8KN。根据式P1=P4/cos（90-B），当B=1度时，所需P1接近于最大值，此时P1=47KN。每3秒完成一次注油即可，也就是转轮的转速为20r/min，这样执行机构要求输入2KW的功率。由于功率在传递过程中有损耗，因此选用额定功率为2.4KW，转速为1000r/min的电机。减速器选用减速比为50：1的减速器。（2）电机控制。电机可采用点动控制。转轮转5圈就能够使轴承得到足够的润滑，也就是使电机运转15秒即可。15分钟后，再使电机运转15秒。就这样使电机周期性运转，直到桩退升降完毕。
4 结论
润滑脂自动加注器是用来代替传统人工加注黄油用的黄油枪的一种自动加油装置。对于多点的加油，可采用输送管线并联的方式。这种装置的主要优势是节省了人工，可以定时定量的加油，使轴承得到足够的润滑，延长轴承寿命，使设备良好运转。这种装置尤其适用于比较复杂的工况条件下，可以减少人工加油的安全危险。
参考文献
[1] 杨可桢，程光蕴. 机械设计基础[M].高等教育出版社，第五版，2006.