毕业设计（论文）-折梁式抽油机运动学分析及结构设计.doc

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，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Thekinematicanalysisoffoldingbeam-pumpingunitanditsstructuraldesignAbstract:Aimingattheproblemoflowefficiency,highenergyconsumption,andpoorbalanceperformance,thenewtypepumpingunit-foldingbeampumpingunitisdesigned.Thefoldingbeampumpingunitisderivefromconventionalbeampumpingunit,whichhasanextendedandfoldingbeam,abandonswireropeandincreasesthebeambalance.Themulti-blockcombinationofbalanceweightmakesthebalanceweightchangeeasilyandadjustmentconvenient.Foldingbalancebeampumpingunit,duetoitseffectivebalance,significantenergysaving,itcanadapttosmallpumpanddeepdrawingoperations.Inthispaper,theoverallstructureoffoldingbeampumpingunitisfirstlydesigned,thenthekinematicsanddynamicsanalysisforpumpingaremade,andspeed,accelerationandloadformulaofpolishedrodaregot.Comparedwiththeconventionalpurecrankbalancedbeampumpingunit,thecranknettorqueofthefoldingbeampumpingunitreducedby48.9%.Finally,thecomponentsofpumpingunitisdesigned,andtheassemblyandpartdrawingsareplotted.Keywords:Thefolding；Pumpingunit；Purecrankbalanced；NettorqueI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.36II5.2.1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电动机的确定.385.4V带的确定与大带轮的设计.395.4.1V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.515.9.5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.5811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、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。21.2.2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3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、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；（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，