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3.1设计参数分析与确定•6
3.2按K设计曲柄摇杆机构7
3.3曲柄摇杆机构优化设计分析8
第4章常规游梁式抽油机传动系统运动和动力参数分析计算10
4.1传动比分配和电动机选择10
4.2各轴转速计算11
4.3各轴功率计算11
4.4各轴扭矩计算11
5.2低速级齿轮传动设计计算13
第6章带传动设计计算15
6.1带链传动的方案比较15
第7章轴系部件设计计算17
7.1各轴初算轴径17
7.2轴的结构设计18
东北石油大学工程训练任务书
课程机械设计基础
题目常规游梁式抽油机传动系统设计
专业装备10-3班姓名杨彬学号100403140327
主要内容、基本要求、主要参考资料等
一、设计的目的
1、综合利用所学的知识,培养解决生产实际问题的能力。
2、掌握一般的机械传动系统设计方法和步骤。
3、掌握基本机构一般的设计方法和步骤。
4、熟悉和运用设计标准、规范及相关资料。
培养独立解决问题的能力。
二、机械设计的一般过程
1、设计前的准备;
2、总体方案设计;
3、总体结构设计;
4、零部件设计;
5、联系厂家,生产样机,现场实验;
6、根据实验,修改设计;
7、编写设计说明书和使用说明书8、鉴定
三、课程设计题目
1、功能
抽油机是将原油从井下举升到地面的主要采油设备之一。
常用的有杆抽油设备主要由三部分组成:
一是地面驱动设备即抽油机;
二是井下的抽油泵,它悬挂在油井油管的下端;
三是抽油杆,它将地面设备的运动和动力传递给井下抽油泵。
三部分之间的相互位置关系如图1所示。
抽油机由电动机驱动,经减速传动系统和执行系统带动抽油杆及抽油泵柱塞作上下往复移动,从而实现将原油从井下举升到地面的目的。
悬点载荷P、抽油杆冲程S和冲次n是抽油机工作的三个重要参数。
悬点指执行系统与抽油杆的联结点,悬点载荷P(kN)指抽油机工作过程中作用于悬点的载荷;
抽油杆冲程S(m)指抽油杆上下往复运动的最大位移;
冲次n(次/min)指单位时间内柱塞往复运动的次数。
假设悬点载荷P的静力示功图如图2所示。
在柱塞上冲程过程中,由于举升原油,作用于悬点的载荷为P1,它等于原油的重量加上抽油杆和柱塞自身的重量;
在柱塞下冲程过程中,原油已释放,此时作用于悬点的载荷为P2,它就等于抽油杆和柱塞自身的重量。
四、原始数据及设计要求
假设电动机作匀速转动,抽油杆(或执行系统)的运动周期为T。
两种油井工况
图1抽油机系统示意图图2静力示功图
分别为:
工况1:
抽油杆上冲程的时间为8T/15,下冲程的时间为7T/15。
工况2:
抽油杆上冲程时间与下冲程时间相等。
两种工况下抽油机的设计参数如表1所示。
表1抽油机的设计参数
组号
1
2
3
4
冲程S(m)
1.4
1.6
1.8
2.0
冲次n(次/min)
5
6
7
8
悬点载荷P(kN)
P1=40,P2=15
P1=20,P2=5
五、设计任务
1、根据任务要求,进行抽油机机械系统总体方案设计,确定减速传动系统、执行
系统的组成,绘制系统方案示意图。
2、根据设计参数和设计要求,采用优化算法进行执行系统(执行机构)的运动尺
寸设计,优化目标为抽油杆上冲程悬点加速度为最小,并应使执行系统具有较好的传力性能。
3、建立执行系统输入、输出(悬点)之间的位移、速度和加速度关系,并编程进行
数值计算,绘制一个周期内悬点位移、速度和加速度线图(取抽油杆最低位置作为机构零位)。
4、选择电动机型号,分配减速传动系统中各级传动的传动比,并进行传动机构的工
作能力设计计算。
(注:
选作完成齿轮减速器装配图设计)。
5、编写研究报告一份。
设计说明书应包括以下内容:
1)功能分解;
2)原始数据及计算;
3)简述方案设计思路及讨论、改进;
4)执行机构设计步骤或分析计算过程;
5)传动系统设计计算;
6)对所设计的结果分析讨论;
7)感想与建议。
六、参考资料
1、《机械设计基础》高等教育出版社杨可桢程光蕴主编(第五版)1999
2、《机械原理》高等教育出版社孙桓等主编(第七版)2006
3、《机械设计》高等教育出版社濮良贵主编(第七版)2006
4、《机械原理课程设计》科学出版社,王淑仁主编2006
5、《机械设计课程设计》华中科技大学出版社,唐增宝等主编(第二版)1998
6、其它机械原理和机械设计课程设计书籍和有关机械方案设计手册
完成期限
指导教师
专业负责人
第1章概述
抽油机是开采石油的一种机器设备,俗称“磕头机”,通过加压的办法使石油出井。
当抽油机上冲程时,油管弹性收缩向上运动,带动机械解堵采油器向上运动,撞击滑套产生振动;
同时,正向单流阀关闭,变径活塞总成封堵油当抽油机下冲程时,油管弹性伸长向下运动,带动机械解堵采油器向下运动,撞击滑套产生振动;
同时,反向单流阀部分关闭,变径活塞总成仍然封堵油套环形油道,使反向单流阀下方区域形成高压区,这一运动又对地层内的油流通道产生一种反向的冲击力。
1.1游梁式抽油机种类及特点
1..1.1常规游梁式石油抽油机
常规游梁式抽油机是油田使用历史最悠久,使用数量最多的一种抽油机。
该机采用具有对称循环四杆机构或近似对称循环
四杆机构,结构简单,运行可靠,操作维护方便,但长冲程时平衡效果差,效率低,能耗大,不符合节能要求,基本停止了生产。
1.1.2.前置式抽油机
前置式抽油机平衡后的理论净扭矩曲线是一条比较均匀的接近水平的直线,因此其运行平稳,减速箱齿轮基本无反向负荷,连杆、游梁不易疲劳损坏,机械磨损小,噪声比常规式抽油机低,整机寿命长。
前置式抽油机可配置较小功率的电动机,节能效果显著。
与常规式抽油机相比,具有体积小、重量轻、节省钢材的优点。
1.1.3.偏置式抽油机
偏置式抽油机又称异相曲柄平衡式抽油机,特点是平衡块中心线相对于曲柄中心偏转一个角度,这种机型国外60年代发展起来并得到API的承认。
试验表明,经优化设计的偏置式抽油机节电可达20%。
1.1.4.胶带传动抽油机
胶带传动抽油机是美国80年代开发的新型抽油设备,该机通过二级胶带传动,将电动机的原动力传给曲柄胶带轮,并带动游梁摆动。
由于其四连杆机构具有急回特性,而且其辅助平衡装置可作适当调整以获得偏置角,因而与常规机相比,其上冲程转矩因数小,驴头悬点加速度小。
在相同的工况下,其悬点载荷值和曲柄胶带轮轴的净转矩都较小,曲柄轴净转矩曲线波动较平缓。
由于省去了减速箱,故具有结构简单,制造成本低,维修及运行管理方便等特点。
1.1.5.下偏杠铃抽油机
下偏杠铃游梁复合平衡抽油机是在原常规游梁抽油机的游梁尾端,利用变矩原理增加简单的下偏杠铃所形成的一种新型节能抽油机。
该机继承和保留了原常规游梁式抽油机的全部优点,这种类型可用于新机制造,又可用于现场在用的常规抽油机(含偏置机)的节能改造,其改造技术是目前最简单易行的,节能效果也较明显。
1.1.6.偏轮式游梁抽油机
偏轮机在游梁尾部装有一个偏轮结构:
在偏轮与游梁中心和支架之间增设推杆,在游梁尾部、横梁、推杆与偏轮之间用轴承连接。
它打破常规机四连杆机构的框架,以游梁尾部的偏轮为中心,形成独特的六连杆体系,偏轮杆件均为刚性连接,保持了常规机的特点。
1.1.7.双驴头游梁式石油抽油机
该石油抽油机是将常规机游梁与横梁的铰链连接,改为变径圆弧的后驴头、钢丝绳与横梁之间的软连接,构成变参数四杆机构来传递运动和扭矩,增加游梁摆角,冲程提高20%~70。
由于采用变径圆弧的游梁后臂,使其实现负载大时平衡力矩大,负载小时平衡力矩小的工作状态。
从而使减速器输出扭矩波动小,达到加强平衡,降低能耗的目的。
这种机型是目前除常规机以外发展最迅速的机型。
1.2抽油机的发展趋势
目前,抽油机的发展趋势主要有以下几个方面。
1)朝着大型化方向发展
随着世界油气资源的不断开发,开采油层深度逐年增加,石油含水量也不断增加,采用大泵提液采油工艺和开采稠油等都要求使用大型抽油机。
因此,国外近几年来出现了许多大载荷的抽油机,例如前置式气平衡抽油机最大载荷213,气囊平衡抽油机最大载荷227。
随着生产的需要,将来还会有更大载荷的抽油机出现。
2)朝着低能耗方向发展
为了减少能耗,提高经济效益,近年来国、内外有关专家研制了许多节能型抽油机,如异相型抽油机、双驴头抽油机、摆杆抽油机、渐开线抽油机、磨擦换向抽油机等。
3)朝着高适应性方向发展
抽油机应具备较高的适应性,以便拓宽其使用范围,例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要;
适应各种成分石油抽汲的需要;
适应各种类型油井抽汲的需要;
适应深井抽汲的需要;
适应长冲程的需要;
适应节电的需要;
适应无电源和间歇抽汲的需要;
适应优化抽油的需要等。
4)朝着长冲程无游梁抽油机方向发展
近年来,国内、外研制并应用了多种类型的长冲程抽油机,其中包括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机。
5)朝着自动化和智能化方向发展
目前,我国生产抽油机的厂家有十几家,产品主要是以游梁式抽油机为主,其研制和开发的各种节能型游梁式抽油机,如偏置式节能抽油机、双驴头异型抽油机、偏轮式高效节能抽油机、渐开线抽油机均以在全国各油田得到了一定的推广应用,并取得了显著的经济效益。
其中1)偏置式节能抽油机,一般可节电15%-35%;
2)双驴头异型抽油机,一般可节电30%以上;
3)偏轮式高效节能抽油机,一般可节电30%-50%;
4)渐开线抽油机,一般可节电20%-30%。
另外,高转差电机等节能电机在提高系统效率和节能方面有较大效果,但是造价较高,难以代替普通异步机。
在长期的油田使用中,人们普遍认为常规游梁式抽油机既有它的优势,也有能耗高的缺点。
为克服常规抽油机能耗高的缺点,目前国、内外研究者主要采取了两个途径:
一是在常规游梁式抽油机的基础上改变结构尺寸参数,即改变扭矩因数使悬点扭矩曲线产生变位,或按照变矩平衡原理,研制开发了许多节能高效的新型节能游梁式抽油机,使传统的游梁式抽油机又呈现出了强大的生命力;
另一个是从原理到结构形式上另辟新径,研制开发非四连杆机构的新型节能抽油机,如立式无游梁抽油机、电动潜油螺杆泵和无杆泵等。
这两大抽油机都已在油田上被广泛采用。
第2章常规游梁式抽油机传动方案设计
2.1系统的组成工作原理
游梁式抽油机主要由游梁—连杆—曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装备等四大部分组成。
它的工作原理是由交流电动机恒速运转拖动抽油泵,沿着重力作用方向进行往复运动,从而把原油从数百至数千米的井下抽到地面。
分析其负载特性可知其惯量较大,而不同的油井的粘度大小又很不同,当油的粘度较大时,泵的效率也变低,往往启动也很困难。
该负载又是周期负载,上升、下降行程负载性质亦不同,下降时尚带有位势负载性质。
为适应这些复杂的工况,抽油机的配置及其实际工作状态往往只能是大马拉小车。
游梁式抽油机运动为反复上下提升,一个冲程提升一次,其动力来自电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块,当滑块提升时,
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