抽油机的游梁支撑装置的CADCAM的造型设计与加工.doc
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1、抽油机的游梁支撑装置的CAD/CAM的造型设计与加工 2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
2、四杆机构(曲柄连杆横梁游梁)的工作原理。1.2数控机床发展史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
3、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
4、到推广使用。到了1960年以后,点位控制的数控机床得到了迅速的发展。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
5、。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
6、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
7、利的加工用量,生产率高(一般为普通机床的35倍); 5)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
8、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
9、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;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、
10、噪音小、操作维护方便; 2、游梁选用箱式或工字钢结构,强度高、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、1
11、9悬绳器、20底座1游梁平衡:在游梁的尾部装设一定重量的平衡板、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
12、工复杂。2.4游梁式抽油机工作原理 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。 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,
13、最终,使不易移动的液滴开始流动,使“粘连”的堵塞颗粒物脱离油道,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,
14、有富油井、贫油井之分,有稀油井、稠油井之别。恒速应用问题显而易见。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.
15、11零件图分析图3-1如零件图所示,工件为155的圆柱型毛坯,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,
16、应选用65的螺纹车到去完成。(3) 各成型表面连接无复杂程度中等,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
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