常规式游梁抽油机设计---副本

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1、常规式游梁抽油机设计说明书学生# 学 号 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 机械设计制造与其自动化班 级 指导教师 #X 日 期 2012.05 #X大学教务处制前言目前,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

2、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.由于这里不能上传完整的毕业设计完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献与翻译等,此文档也稍微删除了一部分内容目录与某些关键内容如需要其他资料的朋友,请加叩扣:二二壹五八玖一壹五一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

3、、悬绳器、支架、撬座、制动系统与平衡重等组成.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

4、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设计的目的.目 录1设计任务书11.1课题内容11.2设计内容:12总体方案的设计12.1抽油机设计原理的确定12.2杆长尺寸的设计计算22.3平衡方式的确定22.4安装尺寸与机构相关参数22.5常规游梁式抽油机零部件关系33游梁抽油机基本参数的确定33.1游梁抽油机的运动分析33.2游梁式抽油机悬点载荷计算63.3游梁式抽油机减速箱曲柄轴扭矩计算93.4游梁抽油机的抽汲工况113.5游梁式抽油机的电动机选择计算124常规游梁是抽油机的平衡计算135变速机构的传动比分配与其结构确定135.1变

5、速机构的传动比分配136主要部件的设计146.1曲柄146.2连杆146.3游梁156.4驴头166.5横梁176.6常规游梁抽油机装配体17参考文献18致谢191设计任务书1.1课题内容1主要参数：型号：CYJ32.113HB2最大载荷：30KN3冲程长度： 1.4,1.7,2.1单位：m4冲程次数：6,9,12 单位：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动力分析与平衡计算；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

6、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 ,.2极位夹角：3游梁最大摆角：4基杆倾斜角:可取 H-G=56悬点下死点时曲柄初始角：7各杆长之间相对时间限制：, , ,若,可取,若 .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： 由于本设计的最大冲程,所以,在此取并且取,则其他杆长为：此外,式中：R曲柄半径,m；游梁后臂长度,m;游梁前臂长度,m;连杆长度,m；J基杆长度从曲柄旋转中心到游梁支点的距离m；2.

7、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36m2执行机构的行程速度比系数1.23减速器输出轴中心到底座的高度0.6m4曲柄半径：0.51.2m2.5常规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：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,

8、相对应的悬点C处于下死点；当时,B处于上死点,相对应的悬点C处于上死点 图3-1 悬点的运动规律简化图B点的冲程长度取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：由三角形OAD可得：则 3-1而 所以, 3-2a按二项式定理展开 B点位移 为了确定悬点最大加速度,可对对求导,并令其等于零,求得取得极值时的角与对应的与加速度值当,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,即上,下死点处. 当悬点在也取得极值,对此不再讨论.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

9、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： 3-11式中 抽油杆材料的密度,kg/m;原油的密度, kg/m;A抽油杆横截面面积, m;A泵柱塞横截面面积, m;L抽油杆长度或下泵深度,m;h泵的沉没度, m;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.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

10、有中重力.固定阀关闭,使得油柱重力移到固定阀和油管上.此时,其静载荷为3-123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,使得抽油杆拉长,其伸长量等于：式中 E钢材的弹性模量,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：油管管壁的横截面积这样一来,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.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

11、泵柱塞的有效冲程长度要比S小,所以 3-13静变形的大小等于：3-14式中 称为变形分配系数,一般可取0.60.9.4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,可以认为,抽油杆柱以与油柱各点的运动规律和悬点完全一致,所以F和F的大小和悬点加速度a大小成正比,而作用方向和

12、后者相反.F=3-15F=考虑油管过流断面扩大引起油柱加速度降低的系数1惯性载荷对悬点总载荷的影响上冲程时,柱塞或抽油杆带着油杆运动,所以上冲程的惯性载荷F为： F=F 3-16式中 m表示油柱惯性载荷与抽油杆柱惯载荷的比值,利用式3-15可得 m=悬点的最大载荷和最小载荷悬点的最大载荷F和最小载荷F,特别是最大载荷F,特别是最大载荷F是正确设计和选择抽油机和抽油杆以与确定电动机功率的主要依据之一. 3-173-183.3游梁式抽油机减速箱曲柄轴扭矩计算对计算时采用的符号作如下解释F悬点载荷,N;曲柄平衡块重力,N；曲柄平衡块到曲柄旋转中心的距离,m；曲柄自重,N；曲柄重心到曲柄旋转中心的距离

13、,m;连杆所受的拉力,N；T连杆力在曲柄切像上的分力,沿曲柄旋转的方向为正值,m;M减速箱曲柄轴输出扭矩,沿曲柄旋转方向为正值,N.m.为了便于分析,将曲柄平衡块重力与曲柄自重折算至曲柄销处,这种折算要保证折算前后对曲柄旋转中心的力矩不变,折算后的等效载荷用来表示.首先取游梁为研究对象,将诸力对游梁旋转中心取力矩可得连杆力为： 3-20则连杆力在曲柄切向上的分力T为； 3-21取曲柄为研究对象,为提升油井内的抽油杆柱和油柱,减速箱曲柄轴输出扭矩M,曲柄平衡块重力与曲柄自重的等效载荷所产生的扭矩共同克服切向力T所产生的扭矩,由曲柄平衡条件；Rsin2 M=3-22 =上式3-22中的第一项表示是

14、悬点载荷F在曲柄上所产生的扭矩,称为油井负荷扭矩；3-23式3-23中的只取决于抽油机的几何尺寸和曲柄转角,其意义为单位悬点载荷在曲柄上所产生的扭矩,将其称之为扭矩因数,用表示； 3-24式3-22中的为曲柄自重与曲柄平衡重在曲柄轴上所产生的扭矩,称之为曲柄平衡扭转,用表示； 3-25式中 曲柄最大平衡处扭矩,即曲柄处于水平位置时曲柄自重与曲柄平衡重对曲柄轴所产生的扭矩.B为抽油机的结构不平衡重,其值等于连杆与曲柄销脱开时,为了保持游梁处于水平位置而需要加在光杆上的力.此力向下时B取正值,向上时取负值.B值可以实测,也可以根据抽油机部件的重力计算.对曲柄平衡抽油机可得如下公式；3-26扭矩因数

15、；最大扭矩我们可以用勒玛柴诺夫经验公式计算3-27式中 S悬点的冲程长度,m；曲柄的最大扭矩,N.m；悬点的最大载荷,N；悬点的最小载荷,N；3.4游梁抽油机的抽汲工况表3-1冲程长度和冲数的极值抽汲工况冲程长度冲程次数最大值最小值最大值最小值正常1.22.4515长冲程2.76.0515短冲程0.31.2515高冲次0.92.41525底冲次0.31.525目前,国内外游梁式抽油机的抽汲工况主要分为五种：正常的、长冲程、短冲程、高冲数的、低冲数的,五种工况的冲程长度和冲数的极值见表3-1.在我国油田上绝大多数都采用正常的抽汲工况,但在我国东部主要油田都处于油田开发中后期,油田含水量上升,因此

16、目前长冲程抽汲工况增加,所以目前国内外抽油机采用的正常抽汲工况和短冲程抽汲工况还能够满足不同抽油井的实际要求.综上所述,我们在此次设计中还是以正常的为依据.3.5游梁式抽油机的电动机选择计算游梁式抽油机装置的特点1负荷是脉动的,而且变化大；2启动困难,要求有大的启动转矩；3所用的电动机功率不太大,一般不超过40kW,小的只有几千瓦,但总的数量大；4在露天工作,要求电动机维护简单、工作可靠.结合工作特点与工况,在此选择Y系列的三相异步封闭式鼠笼型电动机.电动机额定功率的确定：电动机功率与传递到减速箱从动轴曲柄轴上扭矩关系式为： 3-28式中 M传到曲柄轴上的扭矩,N*m;电动机的额定功率,kW;

17、n曲柄轴转数悬点冲数;传动效率；皮带传动效率；减速箱传动效率.表3-2一般抽油机电动机选用表抽油机悬点载荷KN抽油机光杆最大冲程m减速器额定扭转矩KN.m电动机额定功率KW200.62.84306.5-13501.5-39-187.5-15601.8-313-1815-18.5802.52618.5-221002.1-318-3718.5-301103-4.237-5322-371203-4.848-5322-451303-553-7330-451407337-751604.8-6105901804.8-610690以上则电动机额定功率计算公式为： 然而,一般抽油机电动机按表3-2选用：根据表

18、3-2,将电动机的额定功率范围确定在=5.57.5kW.电动机转速的确定：一般抽油机选用的减速箱传动比为,带传动的传动比为,一般.这是抽油机冲数按最大冲数12r/min计算.则电动机的转速为：选用Y160L-44常规游梁是抽油机的平衡计算下冲程时,驴头悬点向下走完冲程长度S,游梁的后臂提高,把能力储存起来.游梁部件自重抬高的距离为,储存能量为,曲柄平衡重抬高的距离为,储存的能量为,曲柄自重抬高的距离为,储存的能量为.所以平衡装置储存能量Q为 3-29 5变速机构的传动比分配与其结构确定5.1变速机构的传动比分配电动机型号Y160L-8,其功率为P=7.5转速为N=720则电动机输出扭矩.=99

19、.4796减速箱参数,主动齿轮轴齿数.斜齿轮齿数,中间齿轮轴齿数,人字齿轮齿数,电动机皮带轮,电动机皮带轮,电动机皮带轮,减速器大皮带轮减速器比：29.75皮带轮速比电动机配有三个皮带轮,减速器主动轴上装有一个大皮带轮,故有三种速比抽油机的总速比在每一种速比下,减速箱被动输出扭矩.计算结果表明,其最大值输出扭矩低于26kN.m.因此,在设计该机时,选用Y132M-4电动机,计算结果其最大输出扭矩10.616 KN.m.该机的冲次分别为：6主要部件的设计6.1曲柄曲柄是传递减速器输出扭矩的主要部件,所以它必须具有一定的强度和传动可靠性.曲柄一般可用灰铸铁、球墨铸铁和铸钢制成.在曲柄平衡的抽油机上

20、,两件曲柄共同承受的抽油机的全部载荷,因此要求曲柄有很高的承载能力,同时为了调整方便和安全,曲柄上没有导轨、挡块、刻度线,可以根据抽油机工作条件调整平衡块位置,使抽油机保持平衡.挡块可在紧固的情况下,防止平衡块不致落下而发生事故. 此次,在一系列要求下,用QT700-2制成大尺寸常规普通型曲柄.如图6-1所示.6.2连杆每台抽油机有两根连杆,它是传递力矩的主要受力杆件,其主件可用管材,也可用其他型材如工字钢、槽钢等.但一般多用厚壁无缝钢管制成,在无缝钢管的两管端没有上、下接头,上、下接头通过焊接与无缝钢管连接在一起.上接头通过连接销与横梁连接在一起,下接头通过两个螺栓与轴承盒连接在一起,从而完

21、成力矩的传递.因此,对于上下接头与钢管的焊缝是否能达到规定的强度而满足使用要求就显得尤为重要.如果两根连杆中有一根连杆失效,抽油机变成单臂传动,很有可能被拉翻,造成严重的生产安全事故.焊缝作为整个连杆的薄弱环节,都会引起设计人员高度重视,一般在设计中对焊缝的形式,焊接工艺条件,要求以与检验方法和标准都提出较高的要求和明确的规定.同时为了保证两侧连杆传动平稳和传递力矩的均衡一致,两连杆的工作长度必须完全一致,即达到一定的尺寸公差要求,这一要求通常用专用工艺装备来保证.所以,选用直径为80的热轧圆钢为主件,而上下接头均用QT700-2铸成.如图6-2所示.图6-1曲柄图6-2连杆6.3游梁游梁是抽

22、油机的主要承载部件,承担着抽油机的全部工作载荷,因此必须要有足够的强度和一定的刚度.选用工字钢为主要部件,经过钢板加强后制成.其工字钢选材为,见图6-3.6.4驴头驴头用来将游梁前端的往复圆弧运动变为抽油杆的垂直直线往复运动,驴头的圆弧半径R应等于前臂长度,为了保证在一定冲程长度下,将圆弧运动变为悬点的直线运动,驴头的圆弧面长度应为：为驴头悬点的最大冲程.驴头采用腹板式结构焊接而成,并应用侧翻让位结构进行整修时的让位,详见图6-4.图6-3游梁图6-4驴头6.5横梁为了使横梁和连杆的连接点与横梁和游梁的连接点在同一水平面上,常将横梁制作成弓形,这样就增加了抽油机四连杆在工作中的刚性,改善了连杆

23、与横梁连接销子的工作条件.横梁有三种制造方法：一是用型钢直接制成；二是焊接,三是铸造.本设计横梁用HT200铸造而成,详见图6-5.图6-5横梁6.6常规游梁抽油机装配体粱式抽油机结构简单、性能可靠、使用方便,但是工作效率低,能耗大以游.粱式抽油机主要结构的节能为出发点,改造抽油机结构,优化设计方案,研发新型节能抽油机.图6-6常规游梁抽油机装配体效果图参考文献1 杨永昌,职黎光,贾逢军等.游梁式抽油机全台效率测试研究J.石油矿场机械,1996,25：2-5.2 龙以宁.游梁式抽油机曲柄销可靠性讨论J.石油矿场机械,1992,21：6-10.3 庞艳华,刘福刚,杨孝君等. 游梁式抽油用电动机的节电措施J.石油矿场机械 ,2004,33：79-81.4 张学鲁,季祥云,罗仁全等.游梁式抽油机的技术与运用.:石油工业,20#4月.5 韩成才. 石油钻采设备M.西安：陕西科学技术,1999.6 邬亦炯,刘卓均等. 抽油机M. ：石油工业,1994.7梁宏宝,伊莲娜,孙旭东.游梁式抽油机节能技术改造综述J.#:东北石油大学,20#2月.8吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册M.3版.:高等教育,2009.9孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理M.:高等教育,2009.致谢谢谢母校给了我们如此好的教学环境,谢谢各位老师多年来对我的关照和教诲,谢谢同学们给我的帮助！谢谢你们！13 / 14