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1、第一章 绪论1.1抽油机规型抽油机，是机械采油设备中问世最早，应用最广泛，结构最简单的设备。抽油机是石油工业中的一项重要组成部分，在抽油机驱动下，带动其他设备运转，实现油井的机械式开采。主要分为游梁式和无梁式两大类。游梁式抽油机主要由发动机、三角带、曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头、悬绳器、支架、撬座、制动系统及平衡重组成。随着时代的发展，对环保节能要求的不断提高，在理论与实践相结合的基础之上，目前国内外抽油机的总的发展趋势是向着超大载荷，长冲程，低冲次，精确平衡，自动化，智能化，节能化，高适应性，无游梁长冲程方向发展。本设计主要根据抽油机的四杆机构（曲柄连杆横梁游梁）的工作原理。1.2数控机床发
2、展史20世纪中期，随着电子技术的发展，自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。采用数字技术进行机械加工，最早是在40年代初，由美国北密支安的一个小型飞机工业承包商派尔逊斯公司（ParsonsCorporation）实现的。他们在制造飞机的框架及直升飞机的转动机翼时，利用全数字电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考虑到刀具直径对加工路线的影响，使得加工精度达到0.0381mm（0.0015in），达到了当时的最高水平。1952年，麻省理工学院在一台立式铣床上，装上了一套试验性的数控系统，成功地
3、实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床。这台机床是一台试验性机床，到了1954年11月，在派尔逊斯专利的基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司（Bendix-Cooperation）正式生产出来。在此以后，从1960年开始，其他一些工业国家，如德国、日本都陆续开发、生产及使用了数控机床。数控机床中最初出现并获得使用的是数控铣床，因为数控机床能够解决普通机床难于胜任的、需要进行轮廓加工的曲线或曲面零件。然而，由于当时的数控系统采用的是电子管，体积庞大，功耗高，因此除了在军事部门使用外，在其他行业没有得到推广使用。到了1960年以后，点位控制的数控机床得到了
4、迅速的发展。因为点位控制的数控系统比起轮廓控制的数控系统要简单得多。因此，数控铣床、冲床、坐标 镗床大量发展，据统计资料表明，到1966年实际使用的约6000台数控机床中，85%是点位控制的机床。数控机床的发展中，值得一提的是加工中心。这是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现工件一次装卡而进行多工序的加工。这种产品最初是在1959年3月，由美国卡耐&特雷克公司（Keaney&TreckerCorp.）开发出来的。这种机床在刀库中装有丝锥、钻头、铰刀、铣刀等刀具，根据穿孔带的指令自动选择刀具，并通过机械手将刀具装在主轴上，对工件进行加工。它可缩短机床上零件的装卸时间和更换刀具的时间。加工中心
5、现在已经成为数控机床中一种非常重要的品种，不仅有立式、卧式等用于箱体零件加工的镗铣类加工中心，还有用于回转整体零件加工的车削中心、磨削中心等。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是所谓的柔性制造系统（Flexible Manufacturing System&mdashFMS）之后，美、欧、日等也相继进行开发及应用。 1974年以后，随着微电子技术的迅速发展，微处理器直接用于数控机床，使数控的软件功能加强，发展成计算机数字控制机床（简称为CNC机床），进一步推动了数控机床的普及应用和大力发展。80年代，国际上出现了14台加工中心或车削中心为主体，再配上工件自动装卸和
6、监控检验装置的柔性制造单元（FlexibleManufacturingCellFMC）。这种单元投资少，见效快，既可单独长时间少人看管运行，也可集成到FMS或更高级的集成制造系统中使用。目前，FMS也从切削加工向板材冷作、焊接、装配等领域扩展，从中小批量加工向大批量加工发展。所以机床数控技术，被认为是现代机械自动化的基础技术。1.3 数控机床的特点： 1）加工精度高，具有稳定的加工质量； 2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 3）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 4）机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）； 5）
7、机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 6）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。第二章抽油机的简介2.1抽油机系统目前采油技术包括有杆泵、电潜泵、水力泵、气举等。其中，有杆泵抽油工艺是应用最早也是最为广泛的人工举升方法，随着技术的不断发展，有杆泵抽油设备不断完善，在各种人工举升采油方法中，有杆泵仍居于首要地位。我国陆上大约有14万口油井，75%以上的油井使用有杆泵采油方式。全世界油田多达几百万口井，除中东地区多数是自喷井外，多数采用有杆泵采油技术。目前抽油机系统已有100多年的历史，随着石油工业的迅速发展，抽油机已由常规游梁机发展成多功能，能够满足不同领域抽油需要的抽油机。抽油泵
8、已经由古老的衬套泵发展成高泵效、节能以及适应不同抽油需要的多功能抽油泵。随着材料科学和制造工艺的迅速发展，抽油杆已经发展成重量轻、高强度、耐腐蚀等许多优点的高强度抽油杆，能够满足不同抽油工况的需要。近些年，与抽油系统相配套的抽油设备在抽油机井中应用的规模不断扩大。相继产生了以管柱锚定工具、气锚、不压井作业工具为代表的井下配套工具。以目前应用最广泛的游梁式抽油机抽油系统为例加以介绍，该系统由三部分组成：1) 是地面部分游梁式抽油机，它由电动机、减速箱和四连杆机构（包括曲柄、连杆和游梁）等组成；2) 是井下部分抽油泵（包括吸入阀、泵筒、柱塞和排出阀等），它悬挂在套管中油管下端，可分为杆式泵和管式泵
9、；3) 是联接地面抽油机和抽油泵的中间部分抽油杆柱，它由一种或几种直径的抽油杆和接箍组成。2.2游梁式抽油机游梁式抽油机，也称梁式抽油机、游梁式曲柄平衡抽油机，指含有游梁，通过连杆机构换向，曲柄重块平衡的抽油机，俗称磕头机。游梁式抽油机是油田目前主要使用的抽油机类型之一，主要由了驴头游梁连杆曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装备等四大部分组成。工作时，电动机的传动经变速箱、曲柄连杆机构变成驴头的上下运动，驴头经光杆、抽油杆带动井下抽油泵的柱塞作上下运动，从而不断地把井中的原油抽出井筒。2.3游梁式抽油机主要特点 1、整机结构合理、工作平稳、噪音小、操作维护方便； 2、游梁选用箱式或工字钢结构，强
10、度高、刚性好、承载能力大； 3、减速器采用人字型渐开线或双圆弧齿形齿轮，加工精度高、承载能力强，使用寿命长； 4、驴头可采用上翻、上挂或侧转三种形式之一； 5、刹车采用外抱式结构，配有保险装置，操作灵活、制动迅速、安全可靠； 6、底座采用地脚螺栓连接或压杠连接两种方式之一。2.3游梁式抽油机的组成图1 常规游梁式抽油机基本机构图1刹车装置、 2电动机、 3减速器皮带轮、4减速器、5动力输入轴、6中间轴、 7输出轴、8曲柄、9曲柄销、10支架、11曲柄平衡块、12连杆、13横梁轴、14横梁、15游梁平衡块、16游梁、17支架轴、18驴头、19悬绳器、20底座1游梁平衡：在游梁的尾部装设一定重量的
11、平衡板、这是一种简单的平衡方式、适用于3吨以下的轻型抽油机。2曲柄平衡：这是一种在油田上常用的平衡方式。顾名思义是将平衡块装在曲柄上，适用于重型抽油机。这种平衡方式减少了游梁平衡引起的抽油机摆动、调整比较方便、但是，曲柄上有很大的负荷和离心力。3复合平衡：在一台抽油机上同时使用游梁平衡和曲柄平衡。特点：小范围调整时、可以调整游梁平衡：大范围调整时，则调整曲柄平衡。这种平衡方式适用于中深井。4气动平衡：利用气体的可压缩性来储存和释放能量达到平衡的目的，可用于10吨以上重型抽油机。这种平衡方式减少了抽油机的动负荷及震动，但其装置精度要求高，加工复杂。2.4游梁式抽油机工作原理 当抽油机上冲程时，油
12、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。 油井内的机械解堵采油器就是利用油管柱周期性的弹性变形来产生周期性的上下往复运动，从而对地层产生抽吸挤压频繁交替变换的活塞作用。油层内“粘连”的液滴和堵塞颗粒物受到这种频繁地抽吸力和挤压力扰动后，被迫脱离原位，最终，使不易移动的液滴开始流动，使“粘连”的堵塞颗粒物脱
13、离油道，实现疏通油道、扩大油流增加原油产量的目的。套环形油道，使正向单流阀下方区域形成负压区，相当于对地层产生了一个强大的抽吸力。磕头机即游梁式抽油机是油田广泛应用的传统抽油设备，通常由普通交流异步电动机直接拖动。其曲柄带以配重平衡块带动抽油杆，驱动井下抽油泵做固定周期的上下往复运动，把井下的油送到地面。在一个冲次内，随着抽油杆的上升/下降，而使电机工作在电动/发电状态。上升过程电机从电网吸收能量电动运行；下降过程电机的负载性质为位势负载，加之井下负压等使电动机处于发电状态，把机械能量转换成电能回馈到电网。 然而，井下油层的情况特别复杂，有富油井、贫油井之分，有稀油井、稠油井之别。恒速应用问题
14、显而易见。如抛却这些不谈，就抽油机油泵本身而言，磨损后的活塞与衬套的间隙漏失等都是很难解决的问题，况且变化的地层因素如油中含砂、蜡、水、气等复杂情况也对每冲次抽出的油量有很大的影响。看来，只有调速驱动才能达到最佳控制。 引进调速传动后，可根据井下状态调节抽油机冲程频次及分别调节上、下行程的速度，在提高泵的充满系数的同时减少泵的漏失，以获得最大出油量。尤其是采用变频调速既无启动冲击，又可解决选型保守、线路较长等所致的功率因数偏低等问题，获得节能增效的同时又能提高整机寿命。尤其是油泵的寿命，减少机械故障提高可靠性第三章数控加工3.1零件图3.11零件图分析图3-1如零件图所示，工件为155的圆柱型
15、毛坯，长为471mm。材料为45钢，要加工成形上图。 (1) 材料选45钢中碳热扎钢，无热处理及硬度要求的热扎钢（图3-1 数控加工零件图）(2) 成型表面组成：由圆柱面、斜面、圆弧面、倒角、螺纹面以及孔组成。各表面精度要求较高以及表面粗糙度要求为Ra1.6，用数控车削均可完成。(3) 轴段右侧有两段顺逆圆弧，应选用机械间隙补偿的数控机床去完成。3.1.2工艺措施(1) 尺寸精度要求及表面粗糙度要求，一般取表面粗糙度为七级精度，使用高等精度数控CA6140即可保证零件的加工要求，编程时，直接带入具体尺寸。(2) 轴右侧有一段M13的螺纹，应选用65的螺纹车到去完成。(3) 各成型表面连接无复杂
16、程度中等，不须用可转位刀片，用一般车削硬质合金刀即可。(4) 选毛坯件：45钢碳热扎圆钢，取155x475mm，比图纸尺寸多出4mm，以达到轴端面的精度要求。(5) 数控加工前先在普床上完成外圆的准备加工，使之为155mm，同时获得工件的回转轴线、再平端面。3.1.3确定定位基准和装夹方式(1) 定位基准： X方向：坯件回转轴线 Z方向：坯件端面 设计基准和定位基准与工艺基准三者重合；在相应加工之前基准端面要先加工。(2) 装夹方式：三爪自定心卡盘，手工夹紧夹持端。对坯料多余部分插入主轴内部，加工时依次完成四根轴的加工。在数控机床上分别加工各成型面，最后用切割刀切除。综上所述，首先在普床上平端
17、面、加工外圆去除表面的余量达到要求，然后把工件放到数控车床上确定左段用三爪自定心卡盘夹持，加工由圆柱面、斜面、倒角、螺纹面以及孔，然后调头装夹，加工右侧的圆柱面、倒角及钻中心孔。(3) 装夹图如图3-3所示：图3-3 装夹图3.1.4 加工路线及进给路线(1) 粗车外表面先平端面，然后遵循由粗到精，从右到左（由近到远）的加工原则；加工时从右到左粗车各面，粗车时留精加工余量0.5mm。加工时用复合固定循环中的轴向粗车循环指令（G73）自动完成加工，以减少计算时间，方面编程。加工路线(2) 精车外表面编程时用G70指令对应G71指令进行精车，一刀完成。 (3) 螺纹加工由于螺纹系易损面，应后加工。
18、编程时可用G92螺纹循环指令完成加工。：3.2 零件的安装与夹具的选择（1）定位安装的基本原则1）力求设计基准、工艺基准和编程计算基准统一。2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。3）避免采用占机人工调整加工方案，以便能充分发挥出数控机床的效能。（2）选择夹具的基本原则数控加工的特点对夹具提出了两点要求：一是要保证夹具的坐标方向要与机床的坐标方向相对固定不变；二是要协调零件的和机床坐标系的尺寸关系。除此之外，还应该考虑以下几点：1）当零件加工批量不大时，应该尽量采用组合夹具、可调式夹具或其它通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。2）在成批生产时才考虑使用专用夹
19、具。3）零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短数控机床的停顿时间。4）夹具上各零部件应该以不妨碍机床对零件各表面的加工。夹具要敞开，其定位夹紧机构的元件不能影响加工中的走刀运行。3.3 轴零件的加工工艺3.3.1 数控加工零件的工艺性分析（1）零件图上尺寸数据的给出，应符合程序编制方便的原则（2）零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点3.3.2 加工方法的选择与加工方案的确定（1）加工方法的选择加工方法的选择原则是：同时保证加工精度和表面粗糙度的要求。此外，还应考虑生产率和经济性的要求，以及现有生产设备等实际情况。（2）确定加工方案的原则零件上精度要求较高的表面加工，常常是通过粗加工、半
20、精加工和精加工逐步达到的。对于这些表面，要根据质量要求、机床情况和毛坯条件来确定最终的 加工方案。确定加工方案时，首先应该根据主要表面的精度和表面粗糙度的要求，初步确定为达到这些要求所需要的加工方法。此时要考虑到数控机床使用的合理性和经济性，并充分发挥数控机床的功能。原则上数控机床仅进行较复杂零件重要基准的加工和零件的精加工。3.3.3轴零件的加工工艺卡材料45钢毛坯种类棒料毛坯尺寸155x475每毛坯可制件数1每台件数1备注工序号工序名称工序内容车间设备工艺装备01车端面车轴的端面，精度6.3机加车间CA6140三抓卡盘02钻中心孔钻定位孔，孔深245机加车间CA6140三抓卡盘03粗车粗车
21、成形机加车间CA6140三抓卡盘04精车圆柱面机加车间CA6140三抓卡盘05倒角倒R2的圆角机加车间CA6140三抓卡盘06车螺纹M14x2机加车间CA6140三抓卡盘07去毛刺去除全部毛刺钳工车间锉刀08终检按零件图要求全面检验钳工车间游标卡尺、深度尺、百分表 设 计（日期）校 对（日期）审 核（日期） 标准化（日期）会签（日期）标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期3.4 工序、工步的划分3.4.1工序1）以零件的装夹定位方式划分工序由于每个零件结构形状不同，各个表面的技术要求也不同，所以在加工中，其定位方式就各有差异。一般加工零件外形时，以内形定位；在加工零件内形时以外形
22、定位。可根据定位方式的不同来划分工序。2）按粗、精工序划分加工根据零件的加工精度、刚度和变形等因素来划分工序时，可按粗、精加工分开的原则来进行划分工序，即先进行粗加工，再进行精加工。此时可以使用不同的机床或不同的刀具进行加工。通常在一次安装中，不允许将零件的某一部分表面加工完毕后，再加工零件的其它表面。为了减少换刀次数，缩短空行程运行时间，减少不必要的定位误差，可以按照使用相同刀具来集中加工工序的方法来进行零件的加工工序划分。尽可能使用同一把刀具加工出能加工到的所有部位，然后再更换另一把刀具加工零件的其它部位。在专用数控机床和加工中心中常常采用这种方法。3.4.2工步工步的划分主要从加工精度和
23、生产效率两方面来考虑。在一个工序内往往需要采用不同的切削刀具和切削用量对不同的表面进行加工。为了便于分析和描述复杂的零件，在工序内又细分为工步。工步划分的原则是：1）同一表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，或全部加工表面按先粗加工后精加工分开进行。2）对于既有铣削平面又有镗孔加工表面的零件，可按先铣削平面后镗孔进行加工。因为按此方法划分工步，可以提提高孔的加工精度。因为铣削平面时切削力较大，零件易发生变形。先铣平面后镗孔，可以使其有一段时间恢复变形，并减少由此变形引起对孔的精度的影响。3）按使用刀具来划分工步。某些机床工作台的回转时间比换刀时间短，可以采用按使用刀具划分工步，以减少换刀次数
24、，提高加工效率。3.4.3 轴零件的工序卡单位兰州职业技术学院产品名称零件名称材料零件图号轴45钢A0工序号程序编号夹具名称夹具编号设备车间三抓卡盘数控车床工步号工步内容刀具号刀具规格主轴转速进给速度背吃刀量备注1车端面T0125X25500手动2钻中心孔T025800手动3粗车T0125X255002002自动4半精车T0325X2510001501自动5精车T0425X2515001200.5自动6切槽T0525X253003000.3自动7车螺纹T0625X253508000.1自动3.5 刀具的选择3.5.1刀具的选择与切削用量的确定（1）刀具的选择数控加工的刀具材料，要求采用新型优质
25、材料，一般原则是尽可能选用硬质合金；精密加工时，还可选择性能更好更耐磨的陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具，并应优选刀具参数。（2）切削用量的确定合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应该考虑加工成本。半精加工和精加工时，一般应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率和经济性和加工成本。1）确定切削深度t（mm）。在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，应以最少的进给次数切除待加工余量，最好一次切除待加工余量，以提高生产效率。2）确定切削速度V（m/min）。加大切削速度，也能提高生产效率。但提高生产效率的最有效措施还是应尽可能采用大的切削深度t。3）确定进给速度f（mm/min或m
26、m/r）。进给速度是数控机床切削用量中的重要参数。主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具与零件的材料性质来选取。当加工精度和表面粗糙度要求高时，进给速度f应该选择得小些。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能决定，并与数控系统脉冲当量的大小有关。3.5.2 数控加工刀具卡产品名称零件名称轴零件图号序号刀具号刀具规格数量加工面备注1T0190度外圆车刀1端面及粗车外圆右偏刀2T025的中心钻1钻中心孔3T0375度外圆车刀1半精车外圆右偏刀4T0435度外圆车刀1精车外圆右偏刀5T055x25的切槽刀1切槽6T0660度外螺纹车刀1车螺纹第四章数控编程及加工仿真 4.1 数控编程%123
27、4 -程序名G54G90G00X100Z100 -快速定位S1000M03 -主轴正传T0101M07 -换1号刀G00X160Z5 -准确定位G71P10Q20U1R0.5X0.5Z0.3F20 -固定循环N10G01X0Z0X123Z-2X125Z-60X128Z-62X130Z-107X138Z-109X140Z-353X153Z-355X155N20Z-397M09M05G00X200Z100T0202S800M03M08G00X130Z5Z-107X127G04X5M09M05G00X100Z100T0303S500M03M08G00X130Z-60G82X130Z-105F2X12
28、0.1X128.5X127.9X127.5X127.4G00100Z100M05M05M304.2数控斯沃仿真图4.3铣键槽1)仿真截图 2）程序%0001N0010 G40 G17 G90 G70N0020 G91 G28 Z0.0N0030 T00 M06N0040 G0 G90 X.3902 Y15.898 S0 M03N0050 G43 Z3.4449 H00N0060 Z3.1309N0070 G1 Z3.0127 F9.8 M08N0080 X.1383 Y15.9839N0090 G3 X.0587 Y15.9681 I-.0262 J-.0766N0100 X.0312 Y15
29、.9011 I.0574 J-.0627N0110 G1 Y14.9009N0120 X.0318 Y14.8857N0130 Y14.8854N0140 X.033 Y14.8781N0150 Y14.878N0160 X.1364 Y14.8178N0170 X.3204 Y14.7107N0180 Z3.1309N0190 G0 Z3.4449N0200 X.3902 Y15.898N0210 Z3.0924N0220 G1 Z2.9743N0230 X.1383 Y15.9839N0240 G3 X.0587 Y15.9681 I-.0262 J-.0766N0250 X.0312 Y
30、15.9011 I.0574 J-.0627N0260 G1 Y14.9009N0270 X.0318 Y14.8857N0280 Y14.8854N0290 X.033 Y14.8781N0300 Y14.878N0310 X.1364 Y14.8178N0320 X.3204 Y14.7107N0330 Z3.0924N0340 G0 Z3.4449N0350 X.3902 Y15.898N0360 Z3.054N0370 G1 Z2.9359N0380 X.1383 Y15.9839N0390 G3 X.0587 Y15.9681 I-.0262 J-.0766N0400 X.0312
31、Y15.9011 I.0574 J-.0627N0410 G1 Y14.9009N0420 X.0318 Y14.8857N0430 Y14.8854N0440 X.033 Y14.8781N0450 Y14.878N0460 X.1364 Y14.8178总结时光飞逝，岁月如梭，接近3个月的毕业设计即将结束，也意味着大学的学习生活即将落下帷幕。 在设计开始的初期，我认真的阅读了老师发给我的关于常规型抽油机的材料。并在图书馆查阅了有管于常规型抽油机的资料。了解了一些有关于抽油机的结构的问题，还看了一些有关于抽油机节能方面的书，为以后的常规型抽油机的设计做好了准备。 在设计过程中，我增强了自己发
32、现问题，分析问题并解决问题的能力。首先，按照指导老师给定的课题，设计参数。我开始搜集了一些有关抽油机的书目，并对其进行了认真的分析。其次，我对抽油机的各杆长尺寸进行了优化设计，并认真分析了抽油机的工作原理和节能原理。我还对抽油机的几何参数，运动学参数及传动参数等问题进行了全面的分析和计算。再次，选择了合理的连杆及油梁的截面尺寸和材料，并验算了轴的强度和寿命。最后，按照所设计的各部分零，部件的尺寸绘制出抽油机的总装备图和部分零、部件图。 本次设计的内容和整个设计过程为我们今后的工作打下了良好的基础。此次设计得到了广大老师和同学的支持、指导及帮助，尤其是得到了我的指导老师高老师的大力指导，我在此由衷地表示感谢！
