抽油機(jī)課程設(shè)計

1、機(jī)械原理課程設(shè)計說明書 設(shè)計題目：抽油機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 目錄1、設(shè)計任務(wù)············································(

2、1)2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇與比較································(2)3、主要機(jī)構(gòu)設(shè)計··············

3、;··························(4)4、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析······················

4、··················(8)5、原動機(jī)的選擇······························&

5、#183;·········(9)6、傳動機(jī)構(gòu)的選擇與比較································(9)7、機(jī)構(gòu)循環(huán)圖····

6、·····································(10)8、設(shè)計心得與體會···········

7、;··························(10)9、參考文獻(xiàn)······················&

8、#183;····················(11)10、機(jī)構(gòu)簡圖···························&#

9、183;··············(11)一、設(shè)計任務(wù)抽油機(jī)是將原油從井下舉升到地面的主要采油設(shè)備之一。常用的有桿抽油設(shè)備由三部分組成：一是地面驅(qū)動設(shè)備即抽油機(jī)；二是井下的抽油泵，它懸掛在油井油管的下端；三是抽油桿，它將地面設(shè)備的運(yùn)動和動力傳遞給井下抽油泵。抽油機(jī)由電動機(jī)驅(qū)動，經(jīng)減速傳動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)（將轉(zhuǎn)動變換為往復(fù)移動）帶動抽油桿及抽油泵柱塞作上下往復(fù)移動，從而實(shí)現(xiàn)將原油從井下舉升到地面的目的。整體工作原理見圖1：圖1 懸點(diǎn)執(zhí)行系統(tǒng)與抽油桿的聯(lián)結(jié)點(diǎn)懸

10、點(diǎn)載荷P(kN)抽油機(jī)工作過程中作用于懸點(diǎn)的載荷抽油桿沖程S(m)抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動的最大位移沖次n(次/min)單位時間內(nèi)柱塞往復(fù)運(yùn)動的次數(shù)圖2懸點(diǎn)載荷P的靜力示功圖（圖2）在柱塞上沖程過程中，由于舉升原油，作用于懸點(diǎn)的載荷為P1，它等于原油的重量加上抽油桿和柱塞自身的重量；在柱塞下沖程過程中，原油已釋放，此時作用于懸點(diǎn)的載荷為P2，它就等于抽油桿和柱塞自身的重量。假設(shè)電動機(jī)作勻速轉(zhuǎn)動，抽油桿（或執(zhí)行系統(tǒng)）的運(yùn)動周期為T。選擇油井工況為：表1.油井工況上沖程時間下沖程時間沖程S(M)沖次N(次/MIN)懸點(diǎn)載荷P(KN)8T/157T/151.1111. 根據(jù)任務(wù)要求，進(jìn)行抽油機(jī)機(jī)械系統(tǒng)總體

11、方案設(shè)計，確定減速傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)的組成，繪制系統(tǒng)方案示意圖；2. 根據(jù)設(shè)計參數(shù)和設(shè)計要求，采用優(yōu)化算法進(jìn)行執(zhí)行系統(tǒng)(執(zhí)行機(jī)構(gòu))的運(yùn)動尺寸設(shè)計，優(yōu)化目標(biāo)為抽油桿上沖程懸點(diǎn)加速度為最小，并應(yīng)使執(zhí)行系統(tǒng)具有較好的傳力性能；3. 建立執(zhí)行系統(tǒng)輸入、輸出(懸點(diǎn))之間的位移、速度和加速度關(guān)系，并編程進(jìn)行數(shù)值計算，繪制一個周期內(nèi)懸點(diǎn)位移、速度和加速度線圖(取抽油桿最低位置作為機(jī)構(gòu)零位)；4. 機(jī)構(gòu)靜態(tài)分析，通過建立機(jī)構(gòu)仿真模型，并給系統(tǒng)加力。編制程序，打印外加力曲線，并求出最大平衡力矩和功率；5. 編寫設(shè)計說明書一份，應(yīng)包括設(shè)計任務(wù)，設(shè)計參數(shù)以及設(shè)計過程。根據(jù)任務(wù)要求，進(jìn)行抽油機(jī)機(jī)械系統(tǒng)總體方案設(shè)計，確

12、定執(zhí)行系統(tǒng)和減速系統(tǒng)的組成。二、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇和比較抽油機(jī)作為一種將原油從井下舉升到地面的主要采油設(shè)備，常用的有桿抽油設(shè)備由三部分組成：一是地面驅(qū)動設(shè)備即抽油機(jī)；二是井下的抽油泵，它懸掛在油井油管的下端；三是抽油桿，它將地面設(shè)備的運(yùn)動和動力傳遞給井下抽油泵。因此在保證其能夠正常工作的同時，還必須保證整個抽油機(jī)具有很高的傳動性能以及比較精確的運(yùn)動。所以在設(shè)計整個抽油機(jī)系統(tǒng)時，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇尤為關(guān)鍵。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇不僅要保證其有確定的運(yùn)動以及良好的運(yùn)動性能，而且要盡可能的減少系統(tǒng)的額外功。并且為了滿足設(shè)計需要，在設(shè)計時應(yīng)滿足：輸入連續(xù)單向轉(zhuǎn)動輸出往復(fù)移動輸入、輸出周期相同，輸入轉(zhuǎn)一圈的時間有急回

13、。我們在設(shè)計和選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的過程中，設(shè)計了三種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方案，并針對每個機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)做出了一定的評價。綜合考慮了各個優(yōu)缺點(diǎn)，選擇了最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案。 方案一： 方案一原理圖見圖3圖3在此方案中，我們使用凸輪轉(zhuǎn)動時的位移的不同，使連桿上下擺動，達(dá)到既定的設(shè)計要求。優(yōu)點(diǎn)：整個執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜性低，符合簡明的設(shè)計理念；機(jī)構(gòu)采用凸輪的轉(zhuǎn)動來帶動抽油桿的擺動；整個機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率高，所做的額外功小。缺點(diǎn)：有計算可得到此機(jī)構(gòu)的自由度為2，這說明了此機(jī)構(gòu)沒有準(zhǔn)確的運(yùn)動；機(jī)構(gòu)中使用了凸輪和連桿接觸。點(diǎn)和面的接觸使機(jī)構(gòu)易磨損，會縮短機(jī)器的壽命。方案二：方案二原理圖見圖4。圖4在此方案中，我們使用凸輪轉(zhuǎn)動時的位移

14、的不同，使連桿上下擺動，用固定的滑塊確定豎直桿的運(yùn)動方向?？捎嬎阕杂啥?。優(yōu)點(diǎn)：整個執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜性低，符合簡明的設(shè)計理念；機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動，保證了抽油機(jī)的正常工作。缺點(diǎn)：機(jī)構(gòu)中使用了凸輪和連桿接觸。點(diǎn)和面的接觸使機(jī)構(gòu)易磨損，會縮短機(jī)器的壽命；機(jī)構(gòu)中使用的構(gòu)件和鉸鏈數(shù)多，大大減小了機(jī)械效率。方案三：方案三機(jī)構(gòu)原理圖見圖5。圖5在此方案中，我們使用簡單的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計簡單，有確定的運(yùn)動，并且較前兩種方案有更高的機(jī)械效率，因?yàn)樵跈C(jī)構(gòu)中構(gòu)件數(shù)較少。所以在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇中，我們綜合各個方案的優(yōu)缺點(diǎn)而選擇方案三。三、主要機(jī)構(gòu)設(shè)計設(shè)計分析根據(jù)以上我們選擇的方案，我們選用“四連桿（常規(guī)）

15、式抽油機(jī)”機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)原理圖見圖6。在此機(jī)構(gòu)中，我們在保證其具有正常運(yùn)動時，還要使機(jī)構(gòu)不會存在能量浪費(fèi)的情況，所以，在設(shè)計時，我們在保證輸入、輸出周期相同時，還要求輸入轉(zhuǎn)一圈的時間有急回。整個機(jī)構(gòu)的簡化圖見圖7。圖6圖7設(shè)計要求抽油桿上沖程時間為8T/15，下沖程時間為7T/15，則可求得行程速比系數(shù)：K=V/=8T/15/7T/15=1.4286由=180(K-1)/(K+1)可得 =。在原有的基礎(chǔ)上作出四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析圖見圖8：圖8則由此可找出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)搖桿的兩個極限位置：CD順時針擺動C1C2，上 沖 程 ( 正 行 程 ) ， P1 ，=192°，慢行程，B1 B2；CD逆時

16、針擺動C2C1，下 沖 程 ( 反 行 程 ) ， P2 ，=168°，快行程，B2 B1。曲柄轉(zhuǎn)向應(yīng)為逆時針，則有：    a2 + d 2 > b2 + c2 在設(shè)計連桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)是要考慮到設(shè)計約束：(1)    極位夾角：(2)行程要求：查手冊有通常取e/c=1.35。所以S = e=1.35c(3)最小傳動角要求：(4) 其他約束整轉(zhuǎn)副由極位夾角保證。各桿長大于0。其中極位夾角約束和行程約束為等式約束，其他為不等式約束?；驹O(shè)計若以為設(shè)計變量，因S=1.35c ，則當(dāng)取定時，可得c。根據(jù)c、作圖，根據(jù)作

17、圓，其半徑為r。圖形見圖9。圖4各式表明四桿長度均為和的函數(shù)：所以取和為設(shè)計變量。根據(jù)工程需要：優(yōu)化計算.在限定范圍內(nèi)取、，計算桿a、b、c、d的尺寸；.判斷最小傳動角；.取抽油桿最低位置作為機(jī)構(gòu)零位：曲柄轉(zhuǎn)角=0，懸點(diǎn)位移S=0，求上沖程曲柄轉(zhuǎn)過某一角度時搖桿擺角、角速度和角加速度3（可按步長0.1°循環(huán)計算）；.保證抽油桿上沖程懸點(diǎn)加速度最小，并應(yīng)使機(jī)構(gòu)有較好的傳動性能。對于四桿機(jī)構(gòu)，已知桿長為a,b,c,d，原動件a的轉(zhuǎn)角及等角速度為(,n 為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入速度)，通過matlab編程可優(yōu)化求得：c =1037.5，a =383.9，b =1040.5，d =1568.7四、機(jī)

18、構(gòu)運(yùn)動分析由以上計算結(jié)果，經(jīng)過matlab進(jìn)行編程計算、繪圖可得到在一個周期內(nèi)的位移與之間的關(guān)系圖、速度與之間的關(guān)系圖以及加速度與之間的關(guān)系圖，分別見下圖：圖10圖11圖12五、原動機(jī)的選擇經(jīng)matlab分析可得到機(jī)構(gòu)在一個周期之內(nèi)的最大速度?？紤]到該系統(tǒng)的功率大，且總傳動比大。減速傳動系統(tǒng)方案很多，以齒輪減速器減速最為常見且設(shè)計簡單，有時可以綜合帶傳動的平穩(wěn)傳動特點(diǎn)來設(shè)計減速系統(tǒng)。在這里我選用帶傳動加上齒輪二級減速。由電機(jī)至抽油桿總的傳動效率為：其中、以及分別表示帶傳動、軸承、齒輪傳動和連桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動的傳動效率。分別取值為0.94、0.98、0.97、0.90。則整體機(jī)構(gòu)的效率為：0.76。則電動機(jī)所需工作功率綜上所述：電機(jī)的選定：三相異步電機(jī) 額定功率：42KW 轉(zhuǎn)速：1100r/rad六、傳動機(jī)構(gòu)的選擇與比較考慮到該系統(tǒng)的功率大，且總傳動比大。減速傳動系統(tǒng)方案很多，以齒輪減速器減速最為常見且設(shè)計簡單，有時可以綜合帶傳動的平穩(wěn)傳動特點(diǎn)來設(shè)計減速系統(tǒng)。在這里