毕业设计(论文)折梁式抽油机运动学分析及结构设计.doc
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1、折梁式抽油机运动学分析及结构设计摘 要: 针对游梁式抽油机系统的效率低、能耗大、平衡性能差等缺点,开展对新型抽油机折梁式抽油机的研究。折梁式抽油机是由常规游梁式抽油机衍生而来,它有一个后伸并下折的游梁,废弃了钢丝绳而增加了游梁平衡;由于平衡重的多块组合方式,使得平衡重很容易得到增减而方便平衡调节。折梁式抽油机由于平衡效果好,节能显著,适应大型机小泵深抽作业的优点。在本文中,首先设计了折梁式抽油机的整体结构,并对抽油机进行了运动学和动力学分析,得到了悬点速度、加速度和载荷的计算公式。通过和常规纯曲柄平衡抽油机的净扭矩比较,折梁式抽油机的曲柄净扭矩下降了48.9%。最后对抽油机的零部件进行了设计,
2、并绘制了装配图和零件图。关键词:折梁;抽油机;纯曲柄平衡;净扭矩The kinematic analysis of folding beam-pumping unit and its structural designAbstract: Aiming at the problem of low efficiency, high energy consumption ,and poor balance performance, the new type pumping unit - folding beam pumping unit is designed. The folding beam p
3、umping unit is derive from conventional beam pumping unit, which has an extended and folding beam, abandons wire rope and increases the beam balance. The multi-block combination of balance weight makes the balance weight change easily and adjustment convenient. Folding balance beam pumping unit, due
4、 to its effective balance, significant energy saving, it can adapt to small pump and deep drawing operations.In this paper, the overall structure of folding beam pumping unit is firstly designed, then the kinematics and dynamics analysis for pumping are made, and speed, acceleration and load formula
5、 of polished rod are got. Compared with the conventional pure crank balanced beam pumping unit, the crank net torque of the folding beam pumping unit reduced by 48.9%. Finally, the components of pumping unit is designed, and the assembly and part drawings are plotted.Keywords: The folding ; Pumping
6、unit ; Pure crank balanced ; Net torque 目 录1 绪论11.1 本文研究意义11.2 国内外抽油机研究现状趋势11.2.1 国内抽油机研究现状11.2.2 国外抽油机研究现状21.2.3 几种常用抽油机21.3 本文研究内容及方法步骤31.4 创新点32 折梁式抽油机的工作原理42.1 常规型游梁式抽油机工作原理及结构特点42.2折梁式抽油机工作原理及结构特点53折梁式抽油机的运动学分析73.1 折梁式抽油机的几何关系分析73.2 折梁式抽油机运动学分析83.2.1 悬点位移83.2.2悬点速度93.2.3 悬点加速度103.2.4 悬点运动学参数计算结
7、果103.3折梁式抽油机三维视图仿真154 折梁式抽油机动力学分析184.1 折梁式抽油机悬点载荷分析184.1.1 悬点静载荷的大小和变化规律194.1.2 基本参数的拟定计算224.1.3 悬点动载荷的大小和变化规律224.1.4 悬点载荷参数计算及曲线254.2平衡重计算274.3 连杆力计算294.4 减速箱曲柄轴扭矩计算304.5 折梁式抽油机和曲柄平衡抽油机曲柄净扭矩计算结果及对比315 折梁式抽油机的主要零部件设计355.1 折梁式抽油机受力分析355.2减速器的选择365.2.1 减速器曲柄轴的最大允许扭矩的计算及减速器的选定365.2.2 减速器的润滑与密封365.3电动机的
8、确定385.4V带的确定与大带轮的设计395.4.1 V带的确定395.4.2 大带轮的设计415.5游梁的设计425.5.1 游梁的材料选择和参数设计425.5.2 静强度校核435.6连杆的设计445.6.1 选材445.6.2 校核445.7中央轴承的校核465.7.1 中央轴承的校核465.7.2 轴承使用的注意事项475.8曲柄销的强度校核475.8.1 防止曲柄销配合松动的措施485.8.2 曲柄销材料的选择485.8.3 曲柄销的校核485.9其他主要零部件设计495.9.1 支架与底座495.9.2 滑轮与多块平衡重505.9.3 刹车装置及刹车安全装置515.9.4 驴头51
9、5.9.5 折梁铰接装置516 结论53参考文献54致谢55附录A 基于Matlab的悬点参数计算程序56附录B 基于Matlab的折梁式抽油机和纯曲柄平衡抽油机的净扭矩曲线对比图程序581 绪论1.1 本文研究意义目前,游梁式抽油机是国内外石油工业的传统采油方式之一,在我国石油开采中有杆抽油系统一直占主导地位。游梁式抽油机以其结构简单、易损件少、耐用、可靠性高、操作简便、维修方便、维护费用低等特点,在采油机械中占有举足轻重的地位。此外,常规型抽油机还具有特别能适应野外、全天候、长时间连续运转等特点。虽说游梁式抽油机是一种优秀的机械采油装置,但游梁式抽油机也存在许多缺点,如系统的效率低、能耗大
10、、抽油时间以及平衡性能差等。另外,由于游梁式抽油机配置了与其抽汲油量所折算成的能量不相对应的大功率电动机和大扭矩的减速器,形成了“大马拉小车”的耗能结构。为此,游梁抽油机都设有平衡装置,但由于其悬点载荷在一个运转周期里极不均匀,仍然不能获得较平直的净扭矩曲线。鉴于常规游梁式抽油机的以上缺点,开展对新型抽油机折梁式抽油机的研究。折梁式抽油机是由常规游梁式抽油机衍生而来,它有一个后伸并下折的游梁,废弃了钢丝绳而增加了游梁平衡;由于平衡重的多块组合方式,使得平衡重很容易得到增减而方便平衡调节。折梁式抽油机由于平衡效果好,节能显著,适应大型机小泵深抽作业的优点,所以在未来的很长一段时间内,它将在机械采
11、油中占有举足轻重的地位。1.2 国内外抽油机研究现状趋势目前,世界上生产抽油机的国家主要有:美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等。全世界生产抽油设备的公司有300多家,其中生产抽油机的公司有150多家。美国生产的抽油机品种最多,技术最先进,应用范围最广泛。其中包括液压抽油机、梅普长冲程抽油机、柔性件传动抽油机等等。1.2.1 国内抽油机研究现状在国内,抽油机模块化设计的理论研究已经开展了多年,初步进行常规型和异相型游梁式抽油机模块化设计的研究。但是,由于我国抽油机生产企业规模较小,过于分散,没有开展模块化设计。随着市场的不断发展,抽油机的需求已经向多品种、小批量方向发展,且油田从提出计划到需
12、要的周期大大缩短,生产企业要想满足油田要求,快速响应市场,就必须按照新的设计方法组织生产,而模块化设计方法正能满足这一要求。1.2.2 国外抽油机研究现状在国外,抽油机的生产已经基本上被几家大的机械制造公司所垄断,如美国最早、最大的抽油机制造公司拉夫金公司、原苏联最大的抽油机生产基地阿塞拜疆石油机械制造集团。这些企业生产规模大,采用先进的部件优化技术,将抽油机系统按功能分解成若干模块,按照标准化、通用化、系列化的方式组织生产,企业的设计、制造及管理水平较高。以较少的生产模块,最大限度地满足不同用户多种类型、规格抽油机的需要,给企业带来了较高的经济效益。根据美国拉夫金公司的产品样本,他们所生产的
13、79种型号的抽油机由十类近100种模块组合而成,其生产的零部件具有高度的通用性,也较彻底地解决了零部件的通用和互换问题。由于采用模块化设计方法,既满足了多品种、小批量的市场需求,又解决了企业规模化问题,产品质量大为提高,成本大幅下降。目前抽油机包括液压抽油机、梅普长冲程抽油机、柔性件传动抽油机。本文正符合国内外研究趋势,通过改变常规游梁式抽油机的平衡形式和结构形式,达到降低配置、节省能耗目的。1.2.3 几种常用抽油机(1)异型游梁式抽油机异型游梁式系列抽油机包括双驴头抽油机、弯游梁抽油机和对常规游梁抽油机节能改造的机型等机型。异形游梁式抽油机是以常规抽油机为基础模式而研制出的新机型,它采用变
14、径圆弧状的游梁后臂,游梁与横梁之间采用柔性件连接结构,在主要结构上具有常规游梁式抽油机简单,牢靠,耐用等特点,在性能上易于实现长冲程,并且具有突出的节能特点。(2)变矩式曲柄连杆无游梁抽油机变矩式曲柄连杆无游梁抽油机是在游梁式抽油机的基础上,将摇杆改成变径天车轮,连杆改成柔性传动件,设计变矩式曲柄连杆无游梁抽油机的计算结果表明,这种无游梁抽油机动力性能明显优于游架式抽油机,具有良好的节能效果,且兼有游梁式抽油机结构简单、工作可靠、维护方便等优点。(3)干扰平衡游梁抽油机干扰平衡游梁抽油机是一种新型的节能抽油机。它不仅保持了常规游梁抽油机结构简单、可靠耐用的优点,而且具有附加动载小,能耗低,综合
15、效率高,比常规抽油机节电30-50%以上,能延长整机使用寿命的特点。如14干扰平衡机只需要配37千瓦电机及53KN减速箱。(4)塔式节能抽油机塔式节能抽油机:高效、节能、冲程、冲次在额定范围内无级调节,并可内设无线集中监控接口,通过配套设施实现遥控。该机调参简易、维护方便、安全可靠、维护费用低,与常规抽油机相比节能50%以上,是一种智能型的节能抽油机。(5)偏轮游梁式抽油机该抽油机是在常规游梁抽油机的基础上,在游梁尾部配置一偏轮,以偏轮为中心形成一六连杆机构,能很好的改善抽油机的运动性能。在相同情况下,与常规抽油机相比:1、悬点动负荷减小,最大线速度小;2、减速箱输出扭矩减小30%-50%;3
16、、节能37%以上;4、所配电网容量减少30%以上。本课题折梁式抽油机,正符合国内外研究趋势,通过改变常规游梁抽油机的平衡形式和结构形式,达到降低配置,节省能耗目的。1.3 本文研究内容及方法步骤本文设计需要解决的重点问题就是如何设计折梁式平衡式抽油机的结构,使整个抽油机的结构合理,并能够相应地降低能耗。主要内容包括:(1)认真查阅、收集资料,深刻理解论文设计的内容,在此基础上完成开题报告;(2)分析目前常规游梁式抽油机的缺点,提出折梁式抽油机的传动方案;(3)根据提供的原始数据,并查阅相关资料,计算折梁重重心运动速度和加速度,并对抽油机运动学进行分析,得到悬点速度加速度的计算公式,分析其优越性
17、;(4)设计折梁式抽油机的机械结构,对主要性能进行校核;(5)画出装配图及零件图。本次设计为折梁式抽油机的结构设计,设计的主要步骤方法如下:(1)首先了解游梁式抽油机的工作原理、结构特点,并进行折梁式抽油机结构方案设计;(2)通过对折梁式抽油机传动原理的分析,推导悬点速度、加速度等参数和抽油机其它参数的运动学方程;(3)确定悬点的动载荷、静载荷,减速箱曲柄轴扭矩的计算,选择电动机;(4)对传动系统进行结构设计;(5)对折梁式抽油机进行结构设计;(6)对抽油机零部件进行结构设计;(7)绘制折梁式抽油机的装配图;(8)绘制主要零部件的零件图。1.4 创新点(1)设计新型折梁式抽油机;(2)对折梁式
18、抽油机进行运动学、动力学分析,并对其进行编程;(3)对折梁式抽油机零部件进行结构设计。2 折梁式抽油机的工作原理折梁式抽油机是由常规型游梁式抽油机衍生而来,对其进行结构性的改造,使其具有新型节能,适应大型机、小泵、深抽作业特点的抽油机。因此在介绍折梁式抽油机的工作原理及结构特点时,先介绍常规型游梁抽油机的工作原理及结构特点。2.1 常规型游梁式抽油机工作原理及结构特点图2-1 常规游梁式抽油机结构图1-底座;2-支架;3-悬绳器;4-驴头;5-游梁;6-横梁轴承座;7-横梁;8-连杆;9-曲柄销装置;10-曲柄装置;11-减速器;12-刹车保险装置;13-刹车装置;14-电动机;15-配电箱。
19、常规型游梁式抽油机由底座、支架、悬绳器、驴头、游梁、横梁轴承座、横梁、连杆、曲柄销装置、曲柄装置、减速器、刹车保险装置、刹车装置、电动机、配电箱组成。抽油机工作时,电动机(14)转速通过三角皮带带动减速箱(11)减速后,由四连杆机构(曲柄(10)、连杆(8)、横梁(7)、游梁(5)把减速箱输出轴的旋转运动变为游梁驴头(4)的往复运动。用驴头(4)带动抽油杆做上下往复的直线运动。通过抽油杆再将这个运动传给井下抽油泵的柱塞。在抽油泵泵筒的下部装有固定阀(吸入阀),而在柱塞上装有游动阀(排出阀),当抽油杆向上运动,柱塞做上冲程时,固定阀打开,泵从井中吸入原油。同时,由于游动阀关闭,柱塞将上面的油管中
20、的原油上举到井口,这就是抽油泵的吸入过程。当抽油杆向下运动,柱塞做下冲程时,固定阀关闭而游动阀打开,柱塞下面的油通过游动阀排到它的上面。这就是抽油泵的排出过程。其结构简图如图2-1。常规型游梁式抽油机结构特点:支架支撑在游梁中部,曲柄连杆机构和减速器位于支架的后面;曲柄轴中心基本位于游梁尾轴承的正下方。这样,工作时上下冲程的时间(或曲柄转角)相等。2.2 折梁式抽油机工作原理及结构特点 图 2-2 折梁式抽油机结构简图1-多块组合式平衡重;2-折梁;3-主游梁; 折梁式抽油机(如图2-2)是由常规游梁抽油机衍生而来,它有一个后伸并下折的游梁,废弃了钢丝绳而增加了游梁平衡;由于平衡重的多块组合方
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