毕业设计(论文)-常规式游梁抽油机设计.doc
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1、常规式游梁抽油机常规式游梁抽油机 设计说明书设计说明书 学生姓名 学 号 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 指导教师 XXX 日 期 2012.05 XXX 大学教务处制 前言前言 目前,采油方式有自喷采油法和机械采油法。在机械采油法中,有杆抽油系统是国内 外油田最主要的,也是至今一直在机械采油方式中占绝对主导地位的人工举升方式。有杆 抽油系统主要由抽油机、抽油杆、抽油泵等三部分组成,抽油机是有杆抽油系统最主要的 升举设备。根据是否具有游梁,抽油机可以划分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。而常 规游梁抽油机自诞生以来,历经百年使用,经历了各种工况和各种地域油田
2、生产的考验, 经久不衰。目前仍在国内外普通使用。常规游梁式抽油机以其结构简单、耐用、操作简便、 维护费用低等明显优势,而区别于其他众多拍油机类型,一直占据着有杆系采油地面设备 的主导地位。 游梁式抽油机的主体结构为曲柄摇杆机构。根据驴头和曲柄摇杆机构相对于支架的位 置,游梁式抽油机的机构形式可以划分为常规型和前置式两种;根据平衡方式的不同,游 梁式抽油机可以划分为曲柄平衡、游梁平衡和复合平衡。 常规型游梁式抽油机主要由发动机、三角皮带、曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头、悬 绳器、支架、撬座、制动系统及平衡重等组成。 发动机安装在撬座上,其安装位置有两种,一种是将发动机置于整体尾部,另一种是 将发动
3、机放在支架下面。 减速箱为二级齿轮传动减速箱,传动比为 30 左右齿轮型式一般小功率用斜齿,大功 率用人字齿。近年来推广使用点啮合双圆弧人字齿。 曲柄一端与减速器输出轴固结,另一端与连杆铰接 连杆与横梁常见有两种型式:小型抽油机多为组焊结构,靠改变后臂长度来调节冲 程大型抽油机多为整体机构,靠改变曲柄与连杆铰接位置来调爷冲程。 游梁由型钢组焊而成,也有用大型工字钢整体制造。 驴头由钢板组焊而成,有上翻式、侧转式、拆继式几种形式。 平衡重为金属块。小型抽油机多装于游梁尾部,大型抽油机多装于曲柄两翼平衡重 可根据需要而调整。 本设计将对常规游梁式抽油机进行设计与计算,以达到对常规游梁式抽油机的优化
4、设 计的目的。 目目 录录 1 1 设计任务书设计任务书.1 1.1 课题内容.1 1.2 设计内容:.1 2 2 总体方案的设计总体方案的设计1 2.1 抽油机设计原理的确定.1 2.2 杆长尺寸的设计计算.2 2.3 平衡方式的确定.2 2.4 安装尺寸与机构相关参数.2 2.5 常规游梁式抽油机零部件关系.3 3 3 游梁抽油机基本参数的确定游梁抽油机基本参数的确定.3 3.1 游梁抽油机的运动分析.3 3.2 游梁式抽油机悬点载荷计算.6 3.3 游梁式抽油机减速箱曲柄轴扭矩计算.9 3.4 游梁抽油机的抽汲工况.11 3.5 游梁式抽油机的电动机选择计算.12 4 4 常规游梁是抽油
5、机的平衡计算常规游梁是抽油机的平衡计算.13 5 5 变速机构的传动比分配及其结构确定变速机构的传动比分配及其结构确定.13 5.1 变速机构的传动比分配.13 6 6 主要部件的设计主要部件的设计14 6.1 曲柄.14 6.2 连杆.14 6.3 游梁.15 6.4 驴头.16 6.5 横梁.17 6.6 常规游梁抽油机装配体.17 参考文献参考文献.18 致谢致谢19 塔里木大学毕业设计 0 1 设计任务书设计任务书 1.1 课题内容 (1)主要参数:型号:CYJ32.113HB (2)最大载荷:30KN (3)冲程长度: 1.4,1.7,2.1(单位:m) (4)冲程次数:6,9,12
6、 (单位:) 1 min 1.2 设计内容: (1)总体方案设计(总体尺寸,四杆机构) ; (2)运动分析(计算位移、速度、加速度) ; (3)动力分析及平衡计算; (4)主要部件结构设计、计算; (5)电机选择与油井匹配参数的确定; 2 总体方案的设计总体方案的设计 2.1 抽油机设计原理的确定 目前,常规式游梁抽油机采用的是四杆机构原理。国内外使用的游梁式抽油机四杆机构的循 环主要有一下三种:对称循环、近似对称循环和非对称循环。采用近似对称循环四杆机构。 图 2-1 游梁式抽油机四杆机构原理图 近似对称循环四杆机构主要参数参考范围: (1)传动角 : 最大传动角和最小近似对称于,故 , m
7、ax min 90 150145 max 。 3530 min (2)极位夹角: 54 (3)游梁最大摆角: 4643 max (4)基杆倾斜角:可取 H-G= 4232 22 IJ (5)5-0 下上 (6)悬点下死点时曲柄初始角: 54一般小于 塔里木大学毕业设计 1 (7)各杆长之间相对时间限制:, , 35 . 0 2 . 0 J R 85 . 0 7 . 0 J LL 7 . 04 . 0 J L后 ,若,可取,若 0 . 2 L 0 . 1 后 前 L mS2 . 4 max 8 . 10 . 1 后 前 L L mmS62 . 4 max 。0 . 25 . 1 后 前 L L
8、2.2 杆长尺寸的设计计算 由于最大冲程,所以各个杆长之间存在以下关系: mS3 max please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings 2.3 平衡方式的确定 目前,国内外采用的机械平衡方式主要有:曲柄平衡、游梁平衡和复合平衡。由于本抽油机 是短冲程、变冲次的工况要求,所以采用曲柄平衡。而曲柄平衡较游梁平衡来说,调整更加方便。 2.4 安装尺寸与机构相关参数 (1)游梁支撑到底座的高度 36m (2)执行机构的行程速度比系数 1.2 (3)减速器输出轴中心到底座的高度 0.6m (4)曲柄半径:0.51.2m 2.5 常规
9、游梁式抽油机零部件关系 常规游梁式抽油机零部件关系框图如图 2-2: 5 . 045 . 0 4 . 035 . 0 4 . 11 后 后 前 小 L R c L R b L L a L 塔里木大学毕业设计 2 图 2-2 常规游梁式抽油机零部件关系框图 3 游梁抽油机基本参数的确定游梁抽油机基本参数的确定 3.1 游梁抽油机的运动分析 将四杆机构简化为曲柄滑块机构时,作悬点的运动规律计算。其简化图如下 当时,游梁与连杆的连接点处于上死点,相对应的悬点 C 处于下死点;当时, 0 1 B 180 B 处于上死点,相对应的悬点 C 处于上死点 2 B mmmRLOB mmmLROB L L 2
10、. 18 . 00 . 2 8 . 20 . 28 . 0 2 1 塔里木大学毕业设计 3 图 3-1 悬点的运动规律简化图 B 点的冲程长度mmRSB6 . 18 . 022 取 B 点的位移零点,向下为位移的正方向,则任意曲柄转角时 B 点的位移为: B S OBLROBOBBBS LB 11 由三角形 OAD 可得: cos0 . 2cos8 . 0 coscos L LR DBODOB 则 )coscos( LLB LRRLS )cos1 ()cos1 ( L LR (3-1))cos1 ( 1 )cos1( R 4 . 0 0 . 2 8 . 0 L L R 式中 中得知,由 OAB
11、)(sinsin正弦定理 L L R 而 2 sin1cos 22 sin1 所以, (3-2a))sin11 ( 1 cos1 22 RSB 塔里木大学毕业设计 4 按二项式定理展开 2 2 22 sin 2 1sin1 B 点位移 (3-2b) 2 sin 2 )cos1 (RRSB 2 sin16 . 0 )cos1 (8 . 0 ,srad d d t /256. 1 60 212 (3-3)点速度则B)2sin 2 (sin RvB )2sin2 . 0(sin0048 . 1 (3-4)为点的加速度 B aB)2cos(cos 2 RaB cC avS C 和加速度速度悬点的位移
12、(3-5)sin11 ( 1 )cos1( 22 R L L SC 后 前 sin 2 )cos1( 2 R L L 后 前 sin2 . 0)cos1(05 . 1 sin2 . 0)cos1(8 . 0 6 . 1 1 . 2 2 2 (3-6)2sin 2 (sin R L L vC 后 前 )(2sin2 . 0sin256. 105. 1 (3-7)2cos(cos 2 R L L ac 后 前 :) 为移悬点冲程长度(最大位S (3-8)R L L S2 后 前 1 . 28 . 02 6 . 1 1 . 2 为了确定悬点最大加速度,可对对求导,并令其等于零,求得取得极值时的 ma
13、xc a c a maxc a 塔里木大学毕业设计 5 角及对应的及加速度值 )(0sin41)(0sin 0cos41 sin 2sin2sin 2 2 1 方程二,方程一则 后 前 后 前 L L R L L R d ad c 当,上面方程二无解,在此情况下,按方程一可得加速度极值在处,即 4 1 180 上,下死点处。 (3-9a) 2 max (1) L aR L 前 后 (3-9b) 2 max (1) 2 S 2 2.1 1.256(1 0.4) 2 2.319 (3-10a) 2 min (1) L aR L 前 后 (3-10b) 2 max (1) 2 S 2 2.1 1.2
14、56(1 0.4) 2 0.994 当悬点在也取得极值,对此不再讨论。时 4 1 ) 4 1 (cos) 4 1 (cos- 11 及 3.2 游梁式抽油机悬点载荷计算 (一)悬点静载荷的计算 在此,对上死点、下死点、上冲程和下冲程四种情况进行计算。 (1)上冲程 在此过程中,游动阀在柱塞上部油柱压力的作用下关闭,而固定阀在柱塞下面泵筒内、外压 力差作用下打开。由于游动阀关闭,使得悬点承受抽油杆自重和柱塞上油柱重,这两个载 杆 F 油 F 荷方向都是向下。同时,因为固定阀打开,使得油管外一定沉没度的油柱对柱塞下表面产生方向 向上的压力。所以,此过程中,悬点静载荷等于: 压 F 静上 F 压油杆
15、静上 FFFF ghLAgLA ALgA 油沉油杆杆 沉油杆油杆杆 )()-( gh-)LA-g(A 塔里木大学毕业设计 6 (3-11) 油杆 PP 式中 抽油杆材料的密度,kg/m ; 杆 3 原油的密度, kg/m; 油 3 A抽油杆横截面面积, m ; 杆 2 A泵柱塞横截面面积, m ; 2 L抽油杆长度或下泵深度,m; h泵的沉没度, m; 沉 油井中动液面以上(即 L-L段液柱) ,断面积等于柱塞面积的油柱重,N. 油 P 沉 (2)下冲程 游动阀由于柱塞上下压力差而打开,而固定阀在泵筒内外压力差作用下关闭。游动阀打开, 使悬点只承受抽油杆柱在有中重力。固定阀关闭,使得油柱重力移
16、到固定阀和油管上。此时, 杆 F 其静载荷为 静下 F (3-12) 杆静下 FF (3)下死点 这时,油杆和连杆的载荷都发生了变化。 油杆在这一瞬间,其载荷发生了变化,变化量,载荷增减,使得抽 油静下静上 FFFF 油杆拉长,其伸长量等于: 杆 杆 油 杆 杆 EA LF EA FL 式中 E钢材的弹性模量,).(101 . 2 211 mNPaE或 油管在这一瞬时载荷也发生了变化,使得油管缩短,其油管柱缩短量等于: 管 管 油 管 EA LF 油管管壁的横截面积 管 A 这样一来,虽然悬点带着柱塞一起往上移动,但是由于油管柱的缩短,使油管柱的下端也跟 着柱塞往上移动,柱塞对泵筒还是没有相对
17、运动,即还不能抽油,一直到悬点经过一段距离等于 以后,柱塞才开始抽油。 管 塔里木大学毕业设计 7 经过上述分析,悬点从下死点到上死点虽然走过了冲程长度 S,但是因抽油杆柱和油管柱的 静力变形结果,使得抽油泵柱塞的有效冲程长度要比 S 小,所以 效 S (3-13) SS效 静变形的大小等于: (3-14) 杆 管 杆 杆 油 管 油 杆 油 管杆 )1 ( A A EA LP EA LP EA LP 式中 称为变形分配系数,一般可取 0.60.9。 管 杆 A A 1 1 (4)上死点 上死点的情况恰与下死点相反。在此不做深入计算。 经过分析计算,在上、下冲程内,悬点静载荷随着悬点位移的变化
18、规律是一个平行四边形 ABCD。 图 3-2 静力示功图 (二)悬点动载荷的大小和变化规律 在井较深,抽油机冲数较大的情况下,必须考虑动载荷的影响,动载荷是由惯性载荷和振动 载荷两部分组成的。 (1)惯性载荷 惯性载荷包括抽油杆和油柱两部分,即 F和 F,如果略去抽油杆柱和油柱的弹性影响, 杆惯油惯 塔里木大学毕业设计 8 可以认为,抽油杆柱以及油柱各点的运动规律和悬点完全一致,所以 F和 F的大小和悬点 杆惯油惯 加速度 a大小成正比,而作用方向和后者相反。 c F= (3-15) 杆惯c a g F杆 F= 油惯 c a g F油 考虑油管过流断面扩大引起油柱加速度降低的系数 1 1 杆
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