TCY12型采油车总体方案及传动系统设计

精品资料，值得下载学习！ 采油车总体方案及传动系统设计 摘要 ：采油车是近年发展的一种新型采油工具，主要适用于长停井、低渗井以及边远井，同时可以用于大型采油设备没建成以前的新区开采，它对降低成本和能耗提高产量具有较好的经济效益。 本文主要进行了 采油车总体方案和传动方案的设计，包括传动方案的选择，减速器的设计中；该采油车采用了前置式采油结构方案，选择性能良好的工程机械底盘车。 前置式采油车是油田车载移动式采油设备的主要车型，本文的重点是绞车结构的设计，主要进行绞车的选型、结构设计和重要零部件校核等，包括有利于 提高排绳质量的带槽滚筒设计，轴、滚筒体、链轮、键和轴承的结构设计和选型，滚筒轴的校核，滚筒体强度的校核，以及其它重要零部件的强度校核，从而保证它们的性能和寿命，并且选择气胎离合器和液压盘式刹车，使其有利于实现自动化以及提高其安全系数。 采油车的应用对于降低低产油井开采成本以及提高采油效率具有重要意义。 关键词 ：采油车；起升方案；传动系统；绞车 精品资料，值得下载学习！ 2 nd is a of in it to no At it be to in it a in of of he of is of of is of It of so of of so as to to as as 品资料，值得下载学习！ 目录 采油车总体方案及传动系统设计 . 3 1 绪论 . 1 前言 . 1 采油车的应用 . 3 采油车在油田的应用 . 3 采油车的发展方向及存在的问题 . 4 本次设计的内容 . 4 2 采油车的总体方案设计 . 5 结构方案对比 . 5 传动方案的选择 . 5 主车选型和变速箱设计 . 6 3 绞车结构的设计和计算 . 8 采油车设计原始数据 . 8 钢丝绳的选取 . 8 滚筒参数初定 . 9 滚筒直径的初定 . 9 滚筒平均直径 . 9 滚筒长度 L 初定 . 10 刹车鼓直径初定 . 10 缠绳容量的确定 . 10 缠绳层数 . 11 减速器的设计 . 11 传动装置总传动方案 . 11 高速圆柱齿轮的设计 . 12 低速圆柱齿轮的计算 . 15 锥齿轮的设计计算 . 15 链传动设计计算 . 16 滚筒轴的结构设计和选材 . 17 刹车类型及选择 . 18 离合器的选择 . 19 轴承和键的选择 . 19 绞车总体方案结构图 . 19 精品资料，值得下载学习！ 滚筒轴的校核 . 21 滚筒体强度的校核 . 27 滚筒体载荷的分析 . 27 滚筒应力分析及强度计算 . 29 轴承寿命的计算 . 31 键的校核 . 32 5 经济性评价 . 34 6 结论 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 错误 !未定义书签。 精品资料，值得下载学习！ 1 绪论 前言 采油作业是油田从井下提取原油的重要手段，按采油过程分，采油作业分为三个主要阶段，一次采油，二次采油和三次采油 (强化采油 )l。在一次采油过程中，利用油藏中圈闭流体原始的天然压力把油驱出油藏。当油藏压力降低到不能再有效的把原油驱动到生产井时，就开始注入水和气来增大或者增加油藏的压力 。这样，一些生产井就变成了注入井，因而，这种注入水和气以保证油藏压力的过程就称为二次采油。一次采油和二次采油两个过程中原油的采收率为 20 一 50%，这取决于原油和油藏的性质。三次采油 (强化采油 )过程的目的就是至少要采出一部分剩余的原油，目前有几种被认为有发展前景的三次采油工艺方法是： 1、化学驱动， 2、热力驱动， 3、混相驱动。 按采油方法分，采油作业有自喷采油和机械采油两种。自喷采油是利用地层的能量把原油举升到地面。随着油田的不断开发，地层能量将逐渐消耗，即使在注水开发的油田，他的中后期也出现了水淹和强水淹的现 象。为了保证原油的稳产、高产，这些油井就不能继续利用自喷法开采。同时，由于油层的特点，有些油井一开始就不能自喷，或虽能自喷，但自喷产量过低。对于上述这些不能自喷的油井，就必须用机械采油法进行开采。 机械采油法又分气举法和抽油法两种，气举法的特点就是利用压缩气体的能量，把原油提升到对面，而抽油法的特点是将各种结构的泵放到井下进行抽油。从国外石油工业较发达的国家来看，用抽油法采油井数占在生产井数的 80%左右，而用抽油法采出的原油产量占总产量的半数以上。从油田发展的趋势来看，采用机械采油，特别是抽油法采油的井数和 产量都在增长，在一些老油田几乎全都用抽油法采油。抽油法采油，可分为有杆泵采油和无杆泵采油两种，其中无杆泵采油分潜油电泵采油、水力活塞泵采油、螺杆泵采油、射流泵采油、涡轮驱动潜油泵采油。而有杆泵采油则是机械采油方法中应用最广的一种，在前苏联大约占 77%，美国占 我国占 90%以上。 常见的有杆泵抽油设备由以下三个部分组成 :地面部分 游梁式、链条式或者液压式抽油机 ;井下部分 抽油泵，又称深井泵 ;抽油机和抽油泵的连接部分 抽油杆。习惯上将有杆泵上述三个部分称为三抽设备。 抽油机的工作原理为 (如图 1动力机通过减速箱、曲柄两岸机构和游梁等，将高速旋转运动转变为抽油机驴头的低速上下往复运动，并通过悬绳器、光杆和抽油杆带动有游动阀的柱塞，在深井中上下往复运动，实现抽油。抽油泵的工作原理为：抽油泵总是下方到液面以下的某一深度，当柱塞上行时，游动阀受到油管内液柱的压精品资料，值得下载学习！ 力自动关闭，随着柱塞的上行，油管上部的部分液体排出地面。 1、 吸入阀（固定） 2、 泵管 3、 柱塞 4、 排除阀（移动） 5、 抽油杆 6、 油管 7、 套管 8、 三通 9、 密封盒 10、驴头 11、游梁 12、连杆 13、曲柄 14、减速箱 15、电动机 图 1抽油机的工作 原理 与此同时，柱塞下部泵筒空间压力降低，井内液体在压差作用下顶开安装在泵筒上的固定阀阀球，进入泵筒，抽油泵处于吸入过程，直至柱塞达到上止点为止。当柱塞下行时，泵筒内液体受压，压力升高，达到于泵筒外环形空间液柱压力相等后，固定阀阀球靠自重落下，固定阀关闭，柱塞继续下行，泵内压力进一步升高，当超过油管内液柱压力时，泵筒内液体即顶开固定阀阀球进入油管，抽油泵开始排出过程，直到柱塞达到下死点，如此循环往不已。由于柱塞不同的做垂直往复运动，抽油泵内的固定阀和游动阀交替打开和关闭，泵筒反复完成吸液和排液动作，使油管内 的液柱不断上升，并排入井口的输油管，完成整个抽油作业。 而采油车可视为一种变相的移动式有杆泵抽油设备。它由车载设备、钢丝绳和抽子组成，它的车载设备相当于有杆式抽油泵的地面抽油机，钢丝绳相相当于有杆式抽油泵的抽油杆，它的抽子与有杆式抽油泵的深井抽油泵相当。其工作原理为 (如图 1采油车主车通过绞车的旋转，利用将钢丝绳将采油抽子下放到井底油面以下 100 一 200m，同时抽子底部的单向阀打开， 精品资料，值得下载学习！ 1、主车 2、钢丝绳 3、抽子主体 4、密封胶筒 5、单向阀 图 1采油车工作原理图 原油通过抽子的内部空间进入到抽子上部的套管 (或者油管 )空间，当采油车带动抽子提升时，单向阀由于自重和原油的流动而关闭，同时抽子外围的密封胶筒封闭了抽子与套管 (或者油管 )之间的间隙，这样在抽子上部形成了一段与抽子下部隔离的液柱，液柱随着抽子提升到井口，入注到地面的固定油罐或者移动式油罐车，从而完成采油作业。 本文将就采油车的车载设备进行深入的研究。 采油车的应用 采油车在油田的应用 为了适应油田作业的需要，目前采油车主要发展了两种不同作业方式的车型，一精品资料，值得下载学习！ 种是桅杆前 置式采油车，一种是井架后置式采油车。两种采油车的基本结构变化不大，但是游动系统的前置和后置带来了作业的方式的变化。 前置式采油车是利用桅杆将钢丝绳和抽子放入井口，前置式采油车的绞车位于整车的后部，桅杆布置在整车的前部，桅杆前部的天车滑轮置于驾驶室前方，采油作业的基本操作都在驾驶室完成。作业时，钢丝绳从绞车通过桅杆内部，向前通过滑轮入井，作业时，钢丝绳基本处于一个密封的环境中，钢丝绳上飞溅的原油不会对周围的环境造成影响，因此适用于对环境要求较高的地区。由于桅杆高度较低，不能应用于在井口装置较高的油井，并且由于 高度的影响，不便于安装配子的配重，因此也不适应于深井、稠油井和高粘井的采油作业。但是桅杆天车的前置的特点有利于井口的队中，也有利于在驾驶室集中操作。 后置式采油车是利用井架将钢丝绳和抽子放入井口，后置式采油车的绞车位于整车的中部，井架布置在整车的尾部，采油作业的基本操作都在整车中部的操作室完成。作业时，钢丝绳从绞车通过井架顶部的天车进入井内。作业过程中，钢丝绳处在一个开发的环境中，由于钢丝绳上原油的飞溅，后置式采油车不适合在对环保要求较高的地区使用。但由于井架高度较大，配重安装方便，因此适应于深井、稠油井和 高粘油井的采油作业，适应于井口装置较高油井的采油作业。井架高度的增加，也为井口安装密闭管等井口密封装置带来了条件，因此也适用于井内有一定压力的采油作业。同时由于井架承载负荷大，因此后置式采油车也适用于大吨位采油作业。 采油车的发展方向及存在的问题 未来我国石油专用汽车会和国际接轨，向高新技术的集合、综合能力强、可靠性高、机电液一体化、小型化、高压大排量、高行驶性能、操作简单化、注重健康安全与环境、模块化和小质量的方向发展，特别是国内采油车自动化程度低，需进一步发展提高生产效率。 目前国内的采油车主 要存在以下问题：排收绳效率较差，活塞抽子使用寿命低，重量显示误差较大，自动化程度低等。针对上面出现的问题，我们应该改进排绳装置，实线自动排绳，改进撤重装置，降低显示误差，与专业厂家共同研究，提高胶套的使用寿命，逐渐实现自动化。 本次设计的内容 本次毕业设计的内容包括：完成 采油车的总体方案对比分析和设计，进行 采油车的起升系统设计以及对整个传动系统进行设计。 本次采油车设计采用前置式，本文的重点是绞车结构的设计，主要进行绞车的选型、结构设计和重要零部件校核等，包括有 利于提高排绳质量的带槽滚筒设计和对轴、滚筒体、链轮、键和轴承的结构设计和选型以及重要零部件的强度校核，从而保证它精品资料，值得下载学习！ 们的性能和寿命，还有气胎离合器和液压盘式刹车的选择使其利于实现自动化提高它的安全系数。 2 采油车的总体方案设计 结构方案对比 国内油田特种车辆的传动方式有液力传动、机械传动和液力机械传动目前采油车，因为机械传动的比重较大，液力传动准确稳定性强，所以目前国内采油车常用的传动方式是机械传动和液力传动。 机械传动又分为链式变速传动机构和齿轮变速传动机构。机械传动方式并比较简单，传动效率高 ，但传动系统柔性环节少，所以冲击、噪音、和振动都比较大。工作机构和传动系统容易因为过载而失效和损害。而且机械传动机构不能根据作业情况和负载变化而自动变速，所以操作控制比较繁琐，功率的利用率低。 另外采油车中也有液力机械传动的，但液力机械传动在采油车中应用比较少，在修井机中比较常见，它们大多数采用阿里讯传动箱，这种传动箱档位多，重量轻，利于实现大传动比，亦可无级变速，操作比较简便，能适用多种工况，它既有涡轮变矩器的柔性，又有机械传动的高效率，不仅充分利用了柴油机的功率，而且可以实现远距离操作，可以随着负荷的 变化自动变化党委和闭锁，自动化程度比较高。 1 发动机 2 变矩器 3 变速箱 4 分动箱 5 带泵箱 6 角传动箱 7 绞车滚筒 8 传动链 图 2采油车液力机械传动示意图 传动方案的选择 对比以上方案，本次设计采用机械传动，其传动方案采用机械传动原理如图 2 2 所示。 发动机输出动力经过变速箱传递到分动箱，经过分动箱把动力传递给采油绞车和主车的前后桥，由于机械效率高，才有的负载较小，下井深度不高，所以采用机 械传精品资料，值得下载学习！ 动完全能够满足设计工况要求。 1 发动机 2 汽车变速箱 3 变速箱 4 链传动 5 绞车滚筒 图 2采油车机械动力传动系统示意图 主车选型和变速箱设计 此次采油车设计选用装载汽车底盘型号为 6,主要技术参数如下所示： 适用油井套管 载汽车底盘型号 6 发动机型号 动机额定功率 213大下采深度 1500m 额定原油提捞量 2500大提升载荷 120丝绳线速度 0 s 钢丝绳 1719S+质量 形尺寸（长宽高） 动机 数为 8，功率为 213定转速为 2100r/ 精品资料，值得下载学习！ 表 发动机和传动系统传动效率 根据发动机的转速和绞车提升速度，下面进行变速箱设计。 发动机、传动副名称 效率 柴油机 承 传动箱轴承效率 传动 筒轴部件 筒缠绳、滑轮绕绳 精品资料，值得下载学习！ 3 绞车结构的设计和计算 绞车的机械部件中的主要零件有以下几部分：滚筒体、轮毂、刹车盘、轴承座等。 （ 1）滚筒体：滚筒体是采油车绞车的主要部件之一。它主要有滚筒、滚筒体轴、轴承等组成 ，其中滚筒体和滚筒轴是采油车绞车最重要的部件，因为滚筒体载荷比较特殊。滚筒体是用铸钢或者焊接板做成的厚壁筒，滚筒直径和滚筒长度是绞车的主要几何参数，他们基本上决定了绞车的尺寸和缠绳容 量，滚筒体材料选择铸钢，采用焊接滚筒体的加工工艺，滚筒体的壁厚根据其强度计算选择。 （ 2）轮毂：主要作用是支持滚筒体，他的选材为铸钢，其外径等于滚筒体内径，采用铸造的加工工艺。 （ 3）刹车盘架：用于固定和支撑刹车钳，选择材料为 45 钢。 （ 4）轴承座：用于支撑滚筒体、轮毂等轴系部件，选材为 铸件。 采油车设计原始数据 最大提升载荷： 120 最大下泵深度： 1200m； 泵径： 56 绞车缠绳容量： 1500m； 原油容量： 10t; 提升速度： s; 钢丝绳 的选取 一般起重设备要求钢丝绳的安全系数比较高， n丝绳的断裂载荷为： 断p= 0S 310 （ 3 其中： 钢丝绳影响的折合系数。 = b 钢丝绳的抗拉强度， F 钢丝绳面积总和， 0S 钢丝绳破断拉力总合， 井提升钢丝绳常用型号为 619，起重机钢丝绳根据不同工作条件应保证一定安全系数 即 .m （ 3 其中： 钢丝绳最大静拉力，公斤 整条钢丝绳的破断拉力，公斤 精品资料，值得下载学习！ n 钢丝绳的安全系数 由表 5 n=6.5 1202245 公斤 S. 所以 S 2245斤 取抗拉强度为 167 170 公斤 / 2 滚筒参数初定 滚筒直径的初定 滚筒直径是绞车的主要参数，他决定了绞车的外廓尺寸大小。由于滚筒的缠绳层数有限制，所以滚筒直径和滚筒长度也决定了滚筒的缠绳容量。滚筒的直径主要根据钢丝绳的结构和直径来确定。 筒 ）（ 2320 =（ 2023） 14=280322 取 320 其中 钢丝绳的直径， 。 滚筒平均直径 由图 3，当第一层为左旋缠绳时，第二层必然是右旋缠绳，钢丝绳在拉力作用下约有 3/4 圈落在前一层的绳槽中，则 h=还有四分之一圈必须由一槽跳到相邻槽中，这时钢丝绳直径重叠， h=绳d因此可以近似认为每一整圈缠绳在滚筒半径上的增量平均值 h= h+ h=绳d。 =+11/4=以，滚筒缠绳直径依次 变化如下： 滚筒原始直径 200 第一层的缠绳直径 341432001 绳第二层的缠绳直径 23 5 4202 绳绳 第三层的缠绳直径 4 . 4402 绳绳 . . 第 N 层的缠绳直径 绳绳 n )1(20 （ 3 由设计要求得绞车的绞车的绳 容量为 1500m,由经验得缠绳层数范围为 612 层，初选缠绳层数 e=11 层，则： 06 平+绳）（ =320+（ 10） 14=460品资料，值得下载学习！ 滚筒长度 L 初定 由于设计要求绞车的缠绳容量为 1500m，初定缠绳层数为 11 层，则有： 46011L14=1500000，解方程的 L= L=1325绞车滚筒长度设计经验公式： （ 91=（ 320=608704 滚筒长度过长会使快绳进天车轮的倾角变大，如图 3示，这样对排绳比较不利，另外也可能是滚筒轴弯矩加大，因而需要用下式进行核算 2筒 （ 3 其中 H 滚筒轴至天车轴之间的高度， 快绳的倾角， 115 130 采油车一般选取 H=9700以， 9 7 0 02筒115= 1325于缠绳容量限制滚筒长度，所以在滚筒上加设缠绳器。 刹车鼓直径初定 刹车鼓直径的大小说明了绞车的高度和表明了绞车绞车的刹车能力的大小。 36576320)81 筒鼓 ）（刹车鼓的直径对滚筒的启动载荷影响比较大，所以在满足工作要求下应选小些，由于设计缠满绳时，第 11 圈钢丝绳环绕直径为： 8 610011 绳绳 选取刹车鼓直径为 797 缠绳容量的确定 缠绳容量 M 根据工作时情况要求确定，原始数据 M=1500m，由前面确定数据知，精品资料，值得下载学习！ 606 平 ，每层可缠绳圈数 n= 95141325 所以缠绳容量为：M= 5 0 0 0 0 01 5 0 2 1 7 6)594695(4 6 0 平，满足设计要求。 缠绳层数 带槽的滚筒取 e=11 减速器的设计 减速器结构为发动机轴通过联轴器直接连接 齿轮轴，大齿轮与小锥齿轮同轴，动力通过锥齿带动链轮，大链轮传出扭矩，滚筒转动。s,带槽滚筒最外层缠绳直径为 586149011 ）（ 计算： 586 n=2100 60解之得 n=68m/s。 传动装置总传动方案 由滚筒直径和所受载荷可计算滚筒以及各传动轴传递的扭矩： 滚同轴输出转矩： 20 103 295 105400 N m 滚筒轴输入转矩：35400 6122 N m 小链轮输入转矩： 423 12537 N m 小锥轮输入转矩： 323 4397 N m 动力轴输入转矩： 360 N m 如果动力端输入转矩为 1360 柴油机 性曲线和液力变矩器共同作用基本可以满足转矩需求。 传动装置总传动比为： 31682 1 00 i=3 齿轮传动传动比 10 对于圆锥圆柱齿轮减速器可以取可以取圆锥齿轮传动比 111 25.0 = 211 从而 精品资料，值得下载学习！ 各轴转速为： 动力轴转速 2100小锥轮转速 m 0 032 1 0 012 小链轮转速 m 3 337 0 011 滚筒轴转速 m 30 各轴输入功率： 滚筒轴 13小锥轮轴 小链轮轴 滚筒轴 其中 2 为轴承传动效率， 2 =为齿轮传动效率，3=4 为链传动效率， 4 =轴输出功率分别为输入功率和轴承效率之积。 表 3轴的参数 轴名 功率 转矩 速 r/动比 效率 输入 输出 输入 输出 动力轴 213 360 1333 2100 锥齿轴 397 4309 700 3 链轮轴 12537 12161 233 3 筒轴 185 6122 35400 68 高速圆柱齿轮的设计 （ 1）选择齿轮类型，精度等级及齿数； 1根据传动总方案，选择圆柱齿轮传动。 2采油车 绞车属于起重类，故由机械设计表 10级精度。 3材料选择，由表 100质），硬度为 280齿精品资料，值得下载学习！ 轮材料为 45钢（调质），硬度为 240者材料硬度差为 40 4选小齿轮齿数 1Z =23，大齿轮齿数 2Z =78 （ 2）按齿面接触强度设计； 由设计计算公式（ 10行计算，即有 3 21 )( （ 3 1确定公式内的各计算数值 选载荷系数 3.1小齿轮传递的转矩 13330001 由表 10取齿宽系数 1d 由表 10的材料的弹性影响系数 由表 10齿面硬度查的小齿轮的解除疲劳强度 大齿轮的接触疲劳 强度 由式 10算应力循环次数 601=602100（ 2830015） =09 2N 0909 由图 10的接触疲疲劳寿命系数； 计算接触疲劳许用应力，取失效概率为 1%，安全系数为 S=1，由式 10： M P 1l i （ 3 M P 2l i 2计算： 试算小齿轮分度圆直径 ,1 带入 中较小的值 311 = 311 =算速度 311 =s （ 3 计算 齿 宽 311 = （ 3 精品资料，值得下载学习！ 模数 311= （ 3 齿高 算齿宽于齿高之比 b/h=算载荷系数 根据 v=s,6 级精度，由图 10载荷系数 11.1 直齿轮假设 1000/ ，由表查的 K ， K ，则 2 bK 查表 10 故载荷系数 = （ 3 按实际的载荷系数校正所算的分度圆直径311 =算模数 m=3=3)按齿根弯曲强度设计 3 211 )(2 （ 3 确定公式内的各计算数值 由图 10的小齿轮的弯曲疲劳极 限 ，大齿轮的弯曲疲劳极限是 。 由图 10的弯曲疲劳寿命系数 计算弯曲疲劳许用应力，取安全系数 S=K =0018 =80 =表 10的齿形系数 由表 10的校正系数 111 Y 18 =222 Y 设计计算 精品资料，值得下载学习！ 3 211 )(2 =3 2 )0 1 5 31 1 3 3 3 0 0 =于计算结果，因为齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，可取由弯曲强度计算的模数 m=近圆整为 6，按接触强度算得的分度圆 直径 1= 1 = 30。大齿轮齿数 12 =3002，这样设计既满足了齿面接触疲劳强度，有满足齿根弯曲疲劳强度，并且结构紧凑。 （ 4）几何尺寸计算 1计算分度圆直径 1 306=180 2 1026=612计算中心距 a=(d1+2=396计算齿轮宽度 8 01 8 011 取 85 805)验算 111 221333000180=14811N 4811180=1000N/ 低 速圆柱齿轮的计算 设计方法同 齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度设计为主的设计方法，的低速齿轮个参数如下： 表 3圆柱齿轮参数 材料 齿数 分度圆 直 径 宽 模数 中心距 齿轮 40质 ) 27 324 324 12 648 大齿轮 45钢（调质） 81 972 319 锥齿轮的设计计算 计算方法同上，根据齿面接触疲劳强度设计公式 3 211 )(92.2 计算得到锥齿轮的几何参数如下： 精品资料，值得下载学习！ 表 3锥齿轮参数 材料 齿数 大端分度圆直径 圆锥角 大 端 齿 顶圆直径 宽