毕业设计（论文）-滚筒式抽油机设计.doc

本科学生毕业论文 2013 年 5 月 12 日 论文题目 滚筒式抽油机设计 学 院 机电工程 年 级 2009 级 专 业 机械设计制造及其自动化 姓 名 王成霖 学 号 20096487 指导教师 曹立文 摘要 本文通过对当前市场上的各种大小型抽油机进行市场调研之后 对其技术 水平进行分析 于是根据设计题目来源提出了滚筒式抽油机的设计方案 在这 设计过程中完成的主要工作有如下部分 根据大庆石油开采公司的相关要求 分析了目前市场上多半采用游梁式抽 油机和少部分先进的节能型抽油机的优缺点 提出了滚筒式抽油机的设计方案 并完成滚筒式抽油机相关参数的确定 如平衡配重 滚筒电机 导向轮 立柱 工作平台 平带等零件的选型设计和校核 部分零件利用 proe 软件建立了三维 实体模型 随着我国工业化程度的提高和经济的狂飙增长 各种能源问题对于我国的 经济发展和国防建设来说越来越急迫 尤其石油的需求量更加迫切 我国一直 在寻找新能源的同时 节约能源是目前有效的措施之一 关键词 滚筒 滚筒电机 配重 制动器 Abstract This article through to the current market of conducting market research aiming at pumping unit analyzes the technical level then according to the design of topic source cylinder pumping unit design scheme was proposed the main work accomplished in the design process has the following parts According to the relevant requirements of daqing oil company analyzed the mostly USES the beam pumping unit on the market at present and the advantages and disadvantages of a small group of advanced energy saving pumping unit the design scheme of cylinder pumping unit is put forward The determination of related parameters and completes the roller pumping units Such as counterweight roller motor guide wheel pillar work platform selection of belt and other parts design and check Parts using proe software to establish 3 d entity model Belting along with our country industrialization degree increase and economic growth All kinds of energy issues for China s economic development and national defense construction is more and more urgent especially oil demand is more urgent Our country has been looking for new energy at the same time saving energy is currently one of the effective measures Key words drum Drum motor Balance weight brake 目录 摘要 I ABSTRACT II 第一章 前言 1 1 1 课题提出的背景和意义 1 1 2 抽油机分类 1 1 3 本课题研究内容及现实意义 4 1 4 本章小结 5 第二章 滚筒式抽油机整体方案设计 6 2 1 滚筒式抽油机设计参数分析 6 2 2 滚筒式抽油机工作原理 6 2 3 滚筒式抽油机主要零件设计 7 2 3 1 平衡配重设计计算及导向钢丝绳选型 8 2 3 2 平衡配重及配重微调块设计 8 2 3 3 平衡配重主体设计 9 2 3 4 滚筒电机的选型 9 2 3 5 传动带带速及滚筒电机转速计算 10 2 3 6 制动器选型 11 2 3 7 立柱设计 12 2 3 8 悬绳器设计 12 2 3 9 钢丝绳夹选型 12 2 3 10 导向轮设计 12 2 4 本章小结 9 第三章 滚筒式抽油机悬点载荷分析 10 3 1 悬点运动特性分析 10 3 1 1 悬点处速度特性研究 10 3 2 2 悬点处位移特性研究 10 3 2 3 悬点处加速度特性研究 12 3 2 本章小结 12 第四章 滚筒式抽油机相关零件校核 13 4 1 导向轮轴校核 13 4 2 导向轮内角接触轴承的校核 14 4 3 本章小结 15 结论 29 参考文献 30 致谢 31 滚筒式抽油机设计 0 前言 现阶段我国各主要石油开采油田已进入稳定开发期 也就是说利用现有的 抽油机实现石油的开采 难以实现先进抽油机的大批量更新 但随着石油的不 断开采 油井的深度增加 原油的含水量增加及相关成分更加复杂 这样就会 给采油带来极大的困难 开采同量的原油成本增加 所以在这种情况下就必须 改进地面抽油机械设备 也只有改进地面设备才能更有效的节省能源 减小抽 油成本 针对深油井抽油 要求抽油机能满足深抽 大排量提液等工艺要求 而且 要求其具有高效节能 维护保养方便 结构简单 调参方便 结实耐用 可靠 性强等特点 长冲程 低冲次 直线型抽油机具有减小冲程损失 提高系统效率 延长 机 杆 泵的使用寿命 减少故障及提高整机运行质量等优点 发展直线型长 冲程抽油机对开采稠油 低渗透等油田的 难动用储量 以及沙漠油田深井及 超深井的机械开采等 都是具有非常重要的现实意义 1 滚筒式抽油机设计 1 第 1 章 绪论 1 1 课题提出的背景和意义 能源是现代工业发展的命脉 是国民经济和国家战略安全的重要保障 石 油作为世界一级能源消费中的主导能源 一直是工业现代化和国家经济发展的 强大动力 改革开放以来 我国经济高速发展 特别是 2000 年以后 随着我 国工业化和城镇化速度的加快 石油消费量逐年增长 根据国际能源署 IEA 预测 未来二十年 我国石油消费需求将继续保持快速增长趋势 2030 年预计将达到 1200 万桶 天 石油供需矛盾将会随着时间的推移不断加 剧 表 1 1 中分别列出了 2007 年世界前十位原油消费国的消费量和世界前十 位原油产出国的产量 从表中可以看出 我国的原油消费量排在世界第二位 为 757 万桶 天 而原油产出量只有 371 万桶 天 远远不能满足消费需求 需 滚筒式抽油机设计 2 要进口的石油数量已超过石油消费量的一半 产生这种情况的原因 一方面是 我国处于工业化和城镇化高速发展的关键时期和我国的粗放型经济发展方式 石油需求量大 另一方面是我国油田采用的石油开采方法和加工工艺相对落后 制约了原油产量的增长 2 目前 我国采油设备大多一游梁式抽油机为主 游梁式抽油机效率很低 造价高 能耗高 维修保养不便 难以满足国家提出的增效 节能 减排 降 耗的战略国策 并且 由于游梁式抽油机本身的造型结构受限 其本身难以实 现大冲程低冲次 通过这方式可有效提高抽油机的抽油效率 针对我国各种 复杂类型的油田 仅靠游梁式抽油机难以提高抽油效率 减少生产成本 所以 研制一款造价低 性能稳定 坚久耐用 便于维护 抽油效率高的大冲程低冲 次抽油机是现在市场的迫切所需 1 2 抽油机分类 我国现阶段大部分油田的采油设备以游梁式抽油机为主 少部分为无杆抽 油机 按有杆和无杆分类 抽油机分为有杆抽油机 主要为各种游梁式抽油机 无杆抽油机 典型机型为皮带抽油机 直线电机抽油机 液压抽油机等等 以下为有杆和无杆抽油机典型机型 1 游梁式抽油机 滚筒式抽油机设计 3 图 1 1 双驴头游梁式抽油机 游梁式抽油机其结构大致分为 游梁式抽油机从结构形式上分为常规型 前置型 异相型 双驴头型 平衡方式上分为游梁平衡 曲柄平衡 复合平衡 气动平衡 驴头结构形式上分为上翻式 侧转式 上挂式 低头式 齿轮减速 器传动型式为分流式人字圆柱齿轮传动 齿形可分为点啮合双圆弧 渐开线齿 形 底座的固定方式分为压杠固定 地脚螺栓固定 动力机型式可采用电动机 或内燃机 2 液压抽油机 图 1 2 液压抽油机 液压抽油机的结构简单 易于维护保养 并且可以承受很大的冲击载荷 能够 适应我国复杂的油田类型 液压抽油机还具有拆卸方面 机体轻等特点 相对 于游梁式抽油机 液压抽油机具有以下优点 1 冲程长度和冲次易于调节 适于在长冲程 低冲次条件下工作 长冲 程 低冲次有利于减少抽油杆弹性变形引起的冲程损失 提高抽油泵 的充满系数 延长抽油泵和抽油杆的使用寿命 减少抽油杆载荷的脉 动系数 2 对大载荷适应能力强 可满足井深 稠油井开采的要求 3 体积小 重量轻 移动方便 特别适合于山区 沼泽 滩涂等地区油井的抽 滚筒式抽油机设计 4 油工作 4 易于实现过载保护和因抽油杆断脱等失载时的停机功能 5 效率高 节能效果显著 4 3 皮带抽油机 图 1 3 皮带抽油机 主要结构特点 改四连杆机构为往返架系统减少力臂长度 减少了输入 功率 较大的链轮直径 减少了加速度 使运行平稳 减少了惯性负荷 主要性能特点 可进行大泵深下 小泵深抽 泵效高 该机冲程长 慢冲次 冲程损失小 泵的充满系数高 工况好 因为该机均速运转 其加 速度很小 冲次又慢 换向平衡 所以机 杆 泵的惯性载荷 振动载荷减小 可减小杆 管的磨损 延长油井的免修期 节能节电 总机效率高 因抽 油机节能节电 泵效高 机械磨损小 性能价格比高等 所以总机效率高 4 4 复式永磁电机抽油机 复式永磁电机抽油机为单管塔式结构 由立柱支撑的复式永磁电机直接驱 动负载 采用特制专用皮带传动 通过专用变频控制系统在规定范围内对抽油 机冲程和冲次实现无极可调 以悬挂配重物进行重力平衡 立柱底座以基础地 脚螺栓固定 其特点为 1 结构简单 重量轻 占地面积小 滚筒式抽油机设计 5 2 节电明显 与常规游梁式抽油机相比 有功节电率大于50 3 采用了航天捆绑技术 通过前导轮与井口侧皮带的位置变换 利用 图 1 4 复式永磁电机抽油机 电机自动提升转向和锁定 实现修井让位 4 操作简便 维护工作量小 5 可实现长冲程低冲次 适用于稠油井 大泵强采井和深井的原油开采 6 采用了航天消震防抖技术 仅用了一简单结构 就消除了皮带在大 风下的振幅和抖动现象 7 除了以上提到的这几种典型抽油机外 还有很多如链条式抽油机 摩 擦换向抽油机 卷筒式抽油机等等在我国油田上也得到应用 1 3 本课题研究内容及现实意义 随着我国经济高速发展 我国对石油的需求量越来越大 单靠进口难 以满足需求 并且由于国际形势的复杂化 我国不可能一直依赖进口外国 石油来满足当前对石油的需求 所以 我国油田开发也的更加深入 这样 就要求石油开采设备更加先进 从而降低生产成本 增加出油量来满足我 国对石油的需求 现在市场上多采用游梁式抽油机 其能耗大 由于本身的结构限制 滚筒式抽油机设计 6 无法实现大冲程 长冲程油机的节电效率一般在10 到40 之间 32 低冲 次 高载荷抽油 无法满足我国油田多样化的需求 国内工作者从未停止 过对抽油机的改进 就如本文前面提到的各种先进抽油机 但各有特色 如直线电机抽油机其抽油能耗大 导致采油成本高 卷筒式抽油机其换向 冲击载荷大 这样极大减少了抽油机的使用寿命 这些比较先进的抽油机 各具特色 但都没有完全有效解决我国油田开采所遇到的问题 所以 针对这种情况本文提出了滚筒式抽油机研发的目标 本文需要 完成的主要内容如下 1 确定滚筒式抽油机的工作原理及整体设计方案 2 通过计算确定滚筒电机及完成滚筒式抽油机主要零件的设计 3 完成对滚筒式抽油机关键零件的校核 4 完成对滚筒式抽油机立柱的稳定性分析 1 4 本章小结 本章主要介绍了现阶段市场上各种抽油机 并分析了我国目前所面临的抽 油机设备大多还以游梁式抽油机为主的问题 通过课题研究背景提出了开发滚 筒式抽油机的目标及主要完成内容 滚筒式抽油机设计 7 第二章 滚筒式抽油机整体设计 根据大庆石油开采公司的要求 确定滚筒式抽油机设计参数和研发目 标 确定其工作原理和制定滚筒式抽油机的工作方案 然后对滚筒式抽油 机主要机构和主要零件进行选型计算及强度校核 2 1 滚筒式抽油机设计参数分析 根据给定的条件设计参数要求如 2 1 表2 1 滚筒式抽油机基本参数 针对我国现在对 大冲程 低冲次 的低能耗抽油机迫切需求 某某公司提出 了滚筒式抽油机的设计参数如上表2 1中 有设计参数可以看出滚筒式抽油机能 够满足现阶段我国对抽油机 大冲程 低冲次 的要求 2 2 滚筒式抽油机工作原理 滚筒式抽油机由电机滚筒 滚筒内部行星减速器 JZ 系列节能电磁铁鼓式 制动器 河南省焦作市焦作制动器公司生产 导向钢丝绳 立柱 导向轮 机 架平台 平衡配重 传动皮带等主要机构组成 滚筒式抽油机的工作原理 抽油机通过电控箱控制滚筒电机的转速和正反 转 滚筒上左右两侧的带轮驱动传动带 传动带一头经过导向轮与平衡配重相 连 另一头经由导向轮与光杆相连 由滚筒电机的正转驱动传动带带动光杆向 上运动 与此同时配重一头向下运动 相反当滚筒电机反向运动驱动传动带带 动平衡配重向上运动 同时光杆一头向下运动 滚筒电机持续进行正反转动 抽油光杆连续不断做直线往复运动 最终完成抽油动作 抽油机名称 额定悬点载荷 kN 最大冲程 m 冲次 min 1 工作环境温度范围 滚筒式抽油机 10084 40 40 滚筒式抽油机设计 8 通过滚筒式抽油机的设计方案和工作原理 在设计绘制滚筒式抽油机装配 图的过程中确定了其结构 其整体工作方案如图2 1所示 2 3 滚筒式抽油机主要零件设计 2 3 1 平衡配重及导向钢丝绳选型 平衡配重导向钢丝绳作用是引导平衡配重上下做直线运动 防止平衡配重 左右前后来回晃动 导致传动不平稳 增加传动带的磨损 减少其使用寿命 同时 1 基座 2 控制柜 3 立柱 4 扶梯 5 悬绳器 6 传动带 7 导向轮 8 围栏 9 制动器 10 滚筒电机 11 导向钢丝绳 12 配重 图2 1 滚筒式抽油机结构 配重往复上下运动不平稳将导致滚筒电机的使用寿命降低 由于导向钢丝绳主 滚筒式抽油机设计 9 要承受平衡配重的左右前后来回晃动的惯性载荷 一般情况下其载荷较小 所 以直接选型 查阅 中国机械设计大典 表281 2 钢丝绳的主要用途推荐表 摘 自 GB T 8918 1996 5 选取 皮带运输机及索道牵引缆车线接触钢丝绳 6 19S 直径为16mm 的钢丝绳 2 3 2 平衡配重及配重微调块设计 滚筒式抽油机平衡配重的作用是减少滚筒电机在抽油作业过程中的载荷差 因为在抽油过程中当滚筒电机转动提起光杆向上运动的时负荷最大 下降过程 中靠光杆自重向下运动 滚筒电机的负荷最小 增加平衡配重后 在提起光杆 向上运动时平衡配重通过自身的重量抵消掉悬点载荷一部分 另一部分就靠滚 筒电机来做功 当光杆向下运动时配重同样利用自身重量抵消掉一部分载荷 这样滚筒电机在上下做功的过程中所承受负荷平稳 增加在抽油作业中的使用 寿命 并且使用配重还降低滚筒电机能耗 滚筒式抽油机在作业过程中 当光杆向上运动时 悬点载荷约等于抽油杆 重量和抽油管内液面以上的油柱重量之和 光杆向下运动时 悬点载荷约等于 抽油杆重量 滚筒式抽油机额定悬点载荷为100kN 下冲程悬点载荷约为上冲程 的一半 为50kN 则平衡配重重量可按公式 2 3 计算 20 P配重 2 2 PP minmax 3 上式中 Pmax为滚筒式抽油机上冲程悬点载荷 kN Pmin为滚筒式抽油机下冲程悬点载荷 kN 把设计参数带入公式 2 3 中 可得 P配重 75kN 2 50100 配重微调块配合配重主体使用 根据计算配重理论自身重量值 通过加减 配重微调块来调节平衡配重的自身重量 从而达到理论设计值 如下图 2 1 所示 配重微调块体积计算 滚筒式抽油机设计 10 V100 12 82 10 3Kg m3 m 7800 100 由配重主体微调块槽可得 L100 1m H100 0 4m 由体积公式 V L H B 2 3 根据公式 2 3 可得B B H L V 把相关数据带入公式 B 0 032m H L V 0 3 1 82 12 上式中 V100为微调块体积 m3 B为微调块的板厚度 m L为微调块宽 m H为微调块高 m 为铁的密度 7800Kg m3 图 2 1 配重微调块 由上式可计算的质量为100Kg 的微调块的体积和板厚 同理 通过计算可得 50Kg 微调块的体积和板厚和30Kg 微调块的体积和板厚 其分别为 L50 1m H50 0 4m B50 0 01m L30 1m H30 0 4m B30 0 013m 滚筒式抽油机设计 11 配重微调块对表面的粗糙度要求不高 所以可以通过铸造的方法加工 2 3 3 平衡配重主体设计 根据额定悬点载荷 由 P配重 75kN 可计算得配重自身质量 2 50100 F mg 2 4 m V 2 5 带入相关数据可得 m 7500Kg V 0 9615m3 上式中 g 为重力加速度 10kN m m 为配重的整体质量 Kg 为铁的密度 7800Kg m3 平衡配重主体如下图 2 2 所示 图 2 2 配重主体 2 3 4 滚筒电机选型 滚筒电机是抽油机的核心零件 是整个机器的动力置 在选型过程中必须 考虑到电机的能耗问题 电机购买成本问题 工作效率问题 滚筒电机的动力 参数和设计要求参数的匹配问题及使用寿命等等 所以 选择合适的滚筒电机 滚筒式抽油机设计 12 对滚筒式抽油机的设计尤为重要 根据设计参数 L冲程 8 C冲次 4 P悬点载荷 100kN M载荷 F载荷 R电机外径 2 5 带入相关数据 M载荷 F载荷 R 100 75 0 3 7500N m 上式中 M载荷为滚筒电机扭矩 N m F载荷为悬点载荷与配重的自重差 kN R滚筒外径为滚筒电机外径 600mm P滚筒电机 2 6 60 2 L C i FF P电机 26 67kW 60 2 L C i FF 60 2 8 4 75100kNkN 上式中 P 滚筒电机为滚筒电机功率 kW F 为悬点载荷 kN Fi 为平衡配重自重 kN 2 3 5 计算传动皮带带速及电机转速 根据给定的设计参数 可得 V带 1 07m s 60 2 L C 60 2 8 4 W 3 292rad s r v 3 0 07 1 n 0 57r s 2 w 3 14 2 292 3 上式中 V 为传动带带速 m s W 为滚筒电机角速度 rad s n 为滚筒电机的转速 r s 由以上计算可以得选取电机的型号 但由于滚筒式抽油机所用的电机为滚筒电 机较为特殊 只有在专门开发生产电机公司才可以买到滚筒电机 所以 根据 设计参数所计算得的电机参数并不能直接选取电机型号 得经过和生产厂家协 滚筒式抽油机设计 13 调 尽可能选取生产厂家现有的型号或定做 成本较高一般不采取该办法 在 设计的过程中通过多家公司对比选型 根据现有的滚筒电机型号 不能满足设 计要求 所以 最终和厂家协商选型 可生产制造外径为600mm 额定功率为 30kW 电机两头可以通过连接附带小带轮 滚筒电机转速控制有限 通过附带 小带轮可以降低传动带的速度 以达到设计要求 最终与淄博赫发机械有限公 司协调选定额定扭矩为190 9N m 滚筒电机参数如下表 2 2 所示 表 2 2 滚筒电机参数 2 3 6 制动系统选型 制动器在滚筒式抽油机中的作用是制动滚筒电机 在抽油机工作的过程中 不可避免会有要求及停的情况 所以滚筒式抽油机必须配备制动器 通过对滚 筒电机的选型 由电机的参数选取制动器型号 焦作制动器有限公司生产制造 如下表 2 3 中所示 表 2 3 JZ 系列节能电磁铁鼓式制动器性能参数 型号 型号 参数 制动轮径 mm 退距 mm 重量 Kg 启动电流 A 维持电流 A 制动力矩 N m JZ 6006001 034580 0605000 JZ 系列节能电磁铁鼓式制动器其工作原理是 在制动器没有工作之前 制动器 的制动片与滚筒电机的制动部位距离外径 1mm 并不影响滚筒电机的正常转动 制动器的拉力杆与电磁铁之间有一定的距离 中间有回位弹簧 当需要紧急停 车时 节能电磁铁鼓式制动器通入电流 电磁铁产生强力的磁性 把制动拉力 杆吸附到电磁铁上 使两个制动片之间的距离向内收缩减小 与滚筒电机的外 径产生强大的摩擦力而实现制动 当需要解除制动时 断开电流电磁铁的强磁 额定电压额定功率额定扭矩外径线速度范围环境温度 380V30kW190 9N m 0 8m s 4 0m s 40 40 滚筒式抽油机设计 14 性消失 由回位弹簧的推力把制动杆推回原位 从而解除制动 JZ 系列节能电 磁铁鼓式制动器如下图 2 3 所示 图 2 3 JZ 系列节能电磁铁鼓式制动器 2 3 7 钢筒立柱支架 现在市场上无杆抽油机的支架大多为桁架式和立柱式 但不论是桁架还是 立柱式都必须满足抽油机的使用要求 本文中设计的滚筒式抽油机采用立柱式支架 在立柱的选取中必须满足设 计尺寸要求 因为滚筒式抽油机为 长冲程 低冲次 型抽油机 所以立柱有 较大的空间尺寸要求 同时要求立柱有很好的刚度和稳定性 这样才能承受各 种不确定的载荷 才能满足抽油系统的定位要求 立柱确定采用螺旋钢管 江 苏丰厚钢 图 2 4 立柱法兰连接 管有限公司生产制造 滚筒式抽油机的整体高度为 H整体 L冲程 S B 式中 H整体为滚筒式抽油机的整体高度 m L冲程为设计要求冲程长度 m 滚筒式抽油机设计 15 B 为机架平台高度 m 立柱两端均采用连接法兰 一头与机架平台通过螺栓连接 一头与地基连接 为了增加立柱的稳定性 在两头法兰连接处分别焊接加强板筋 如图 2 4 所 示 2 3 8 悬绳器和导向钢丝绳夹设计 悬绳器是把抽油光杆和传动带连接在一起装置 悬绳器在滚筒式抽油机中 所起的作用很特殊 抽油光杆就是经过悬绳器夹持而进行上下运动 所以要求 悬绳器必须具有缓冲作用 强有力的夹持作用 自动调心作用等 这样才能保 证抽油光杆不受其他横向载荷和不会脱落而导致严重后果 悬绳器的结构如图 2 5 1 钢筒 2 底座板 3 调心球头底座板 4 紧定螺钉 5 调心球头座 6 调心球头压盖 7 光 杆夹持器 8 夹紧螺栓 9 定位套 10 橡胶弹簧导套 11 橡胶弹簧 12 导套底板 13 调心球头 图 2 5 悬绳器 滚筒式抽油机设计 16 2 3 9 钢丝绳夹选型 滚筒式抽油机的导向钢丝绳的作用是给平衡配重上下运动起导向 阻止平 衡配重前后来回晃动 使配重上下来回平稳运动 减小抽油机的运动波动载荷 钢丝绳夹固定导向钢丝绳的上下两头连接 其现在已经是标准件 在相关的机 械设计手册里可以查到 通过查阅 中国机械设计大典 表28 1 27可得钢丝绳 为右捻6股 公称尺寸为16mm 夹座材料为 KTH350 10的钢丝绳夹 绳夹20 6KTH GB T5976 1986 其外型如图 2 6 所示 1 螺母 2 钢丝绳 3 U 型螺栓 4 夹座 图 2 6 钢丝绳夹 2 3 10 导向轮设计 导向轮在滚筒式抽油机中起着导向支撑传动带的运动 导向轮承受很大的 载荷 并且经过导向轮在机架平台左右来回移动调节悬绳器与抽油机光杆中心 对齐 导向轮材料为冷轧钢板 导向轮主体用20mm 的冷轧钢板与中心厚20mm 钢筒焊接 钢筒两端通过车床扩两个轴承孔安放支撑轴承及密封圈 两端通过 螺栓把端盖连接在导向轮主体上 具体结构在这里就不详细介绍如图 2 7 所 示 滚筒式抽油机设计 17 1 螺栓 2 导向轮轴 3 摩擦面 4 挡板 5 导向轮主体 6 密封圈 7 轴承 图 2 7 导向轮 2 4 本章小结 本章根据滚筒式抽油机整体工作方案 详细介绍了滚筒式抽油机的关键机 构零件的整体设计计算及相关的三维实体图和二维图 各关键机构零件在滚筒 式抽油机中的相关作用 滚筒式抽油机设计 18 第三章 滚筒式抽油机悬点载荷分析 在这章当中 我着重研究和分析滚筒式抽油机的悬点载荷的运动特性 位 移特性和加速度特性 通过分析悬点载荷的这三个特性可以更好的研究滚筒式 抽油机的能耗特性 冲击载荷特性等等 3 1 滚筒式抽油机的悬点运动特性分析 本文设计的滚筒式抽油机的悬点载荷为100kN 而悬点载荷的运动特性可 以转化为研究传动带的运动性质 因为传动带的加速度 速度及位移与悬点的 基本相同 在传动带与摩擦带轮之间打滑的特殊情况下有所不同 传动带在摩 擦带轮上走过的距离与悬点走过的位移相等 我们把滚筒电机加减速的运动看 成是匀变速运动过程 同时 把上下冲程的时间定为是等时的 加减速运动的 时间基本占一个冲程工作设计的1 5 3 在这种情况下 滚筒式抽油机在一个 冲程的范围内悬点运动速度和加速度的变化如图3 1所示 3 27 滚筒式抽油机设计 19 图 3 1 悬点速度和加速度曲线 在图中分析可以的到这样的结论 在滚筒式抽油机采油的上冲程时 悬点 速度由零匀加速到额定速度 再匀速运动一段时间 速度由最高开始匀减速到 停止 滚筒电机开始反转 滚筒式抽油机开始进行下冲程 而下冲程的运动特 性刚好和上冲程相反 悬点速度由零匀加速到最大 并保持匀速运动一段时间 然后匀减速到停止 滚筒电机开始正转 通过研究滚筒式抽油机的悬点运动特 性可以得出这样的结论 滚筒式抽油机在采油的过程中的惯性冲击载荷相对平 稳 且载荷小 这样有利于滚筒电机的使用寿命和降低滚筒电机的制动能耗 3 1 1 悬点处速度特性研究 设计的滚筒式抽油机在采油工作过程中的悬点运动速度基本上等同于摩擦 带轮带动的传动带线速度 可以通过计算传动带带速得到悬点运动速度 V传动带 V悬点 1 07m s 60 2 L C W滚筒 3 292rad s r v 3 0 07 1 上式中 V传动带为传动带的线速度 m s V悬点为悬点的运动速度 m s W滚筒为滚筒电机外径的角速度 rad s 滚筒式抽油机设计 20 在整体设计过程中 把悬点的运动看着是匀速运动 便于设计计算 在研究悬 点的运动规律时 必须把悬点的三个运动状态严格细分 有利于更好研究滚筒 式抽油机的采油特性 滚筒电机的电气控制及能耗问题 3 1 2 悬点位移特性研究 滚筒式抽油机悬点位移是悬点运动速度的积分 27 即 S t 3 1 dttv t 0 定滚筒式抽油机上冲程开始时悬点位移为零 可得滚筒式抽油机在一个冲程范 围内的悬点位移变化规律 3 如公式 3 2 所示 由下面推导出的悬点部分时间 段位移公式可根据任意时间计算出对应悬点运动的位移 在通过悬点运动的位 移量和时间量求出悬点加速度的变化量 进而为进一步研究悬点运动特性更加 数据化 更加方便准确 通过深入研究悬点的运动特性 找到悬点处最为节能 的运动变化规律 可以更好的控制滚筒电机的运动来满足悬点的这种运动规律 以达到滚筒式抽油机在采油过程中实现节能 提高抽油效率和降低抽油成本 3 43 2 32 2 3 2 2111 1 2 1 t t 60 nr2 t t 60 t nr 60 nr2 t t 60 nr 60 nr t t 0 60 nr tt t t t tttt t t tS 2 3 1 3 悬点加速度特性研究 滚筒式抽油机悬点加速度是悬点运动速度的微分 即 滚筒式抽油机设计 21 3 3 td vd ta 根据公式 3 3 对悬点速度进行微分 可以得到滚筒式抽油机任意时刻悬点加速 度的变化规律如式 3 4 所示 3 4 5432 1 6521 761 1 60t nr2 0 0 60t nr2 tttttt tttttt ttttt ta 通过式 3 4 式 带入相关的数据可计算得确定的加速度值 在滚筒式抽油机 采油上快下慢的情况下 假设上冲程时间为17s 下冲程时间12s 滚筒式抽油机 的换向时间忽略不计的情况下 在抽油机悬点速度 加速度如表3 1所示 表3 1 滚筒式抽油机运动特性分析 上冲程下冲程 状态加速匀速减速加速匀速减速 t s 0 22 1515 1717 1919 2727 29 v m s 0 1t20 4t 0 43 4t 0 1t2 22 96 0 15 t 17 16 8 0 6t0 15t2 8 7t a m s2 0 20 0 2 0 300 3 由上表可以得到 滚筒式抽油机悬点载荷为100kN 冲次为4的情况下 其悬点 速度和加速度可以表示如下 3 2 本章小结 本章主要介绍了滚筒式抽油机的悬点处的运动特性 研究悬点处的载荷特 性进而可以了解到滚筒式抽油机的惯性冲击载荷 通过这章对悬点载荷运动特 性研究可知 滚筒抽油机的惯性载荷比游梁式抽油机小得多 能耗低 运动平 稳等诸多优点 smv 6 0 max 2 max max 3 0 2 6 0 sm t v a 滚筒式抽油机设计 22 第四章 滚筒式抽油机的相关零件校核 4 1 导向轮轴的校核 传动带经传动轮施加给导向轮轴一径向载荷 由于滚筒式抽油机的悬点载 荷较大 经由导向轮传递到导向轮轴的径向力较大 所以 需要对其进行弯矩 校核 在校核时以悬点载荷的一半作为导向轮轴的承受载荷进行校核 如图 4 1 可以确定导向轮轴所受弯矩最大处 滚筒式抽油机设计 23 图 4 1 导向轮轴受力分析简图 在轴的中间 由 4 1 式得 4 LFM 2 1 RB 1 上式中 M 为导向轮轴承受的弯矩 N mm FRB为导向轮轴受的支反力 N L 为导向轮轴两头距离固定坐中心的长度 mm 带入相关数据可得 M 25 103 45 1125 103N mm 由式 4 2 可计算的导向轮轴的抗弯截面系数为 W d3 4 32 1 2 上式中 W 为导向轮轴的抗弯截面系数 mm3 d 为导向轮轴的直径 mm 在设计的零件图中查得导向轮轴的直径为40mm 把数据带入 4 2 中可得 W 3 14 403 6280mm3 32 1 滚筒式抽油机设计 24 根据式 4 3 求出最大弯曲正应力后 再根据弯曲的强度条件如式 4 4 可 得 ca 179 14MPa 4 W Mmax 6280 10 1125 3 3 max 4 W Mmax 4 上式中 max为最大弯曲正应力 MPa Mmax为最大弯矩 N mm 为材料的许用弯曲应力 MPa 通过查 袖珍机械设计师手册 表10 2 轴的常用材料及力学性可得经过正火处 理的45号钢的许用应力为196MPa 把相关数据带入 4 4 式中 可得 max 179 14MPa 196MPa 由校核可知导向轮轴满足设计使用要求 并且有一定的过载使用裕度 4 2 导向轮内角接触球轴承的校核 导向轮承载传动带的导向作用 所受载荷较大 所以内部用一对角接触轴 承支撑 在设计过程中选取的轴承型号为6308深沟球轴承 我们取导向轮内轴 承的轴向载荷为8000N 深沟球轴承的 e 值最大为0 44 因为此轴承的径向力远 大于轴向力 可得 0 033 e 0 44 4 r a F F 5 上式中 Fa为轴承的轴向载荷 N Fr为轴承的径向载荷 N 通过查阅 机械设计手册 可得导向轮内轴承的当量动载荷 P 的计算公式为 滚筒式抽油机设计 25 P fp XFr YFa 4 6 通过查阅 机械设计手册 可得 Y 0 X 1 因为滚筒式抽油机在采油过程中有 较大的惯性冲击 Fp 1 2 1 8 取 Fp 1 2 把相关数据带入式 4 6 中 可得 P fp XFr YFa 1 2 1 25000 0 8000 30000N 根据轴承的寿命计算公式如式 4 7 可得 Lh 4 7 n60 106 P C 上式中 为指数 对于球轴承 3 Lh为轴承的使用寿命时间 h C 为轴承所承受的最大载荷 N n 为滚筒电机的转速 rad min 把相关数据带入式 4 7 中计算导向轮内6308轴承的使用寿命可得 Lh 18134h n60 106 P C 34 2 60 106 3 3 30000 100000 通过上式计算校核可知 导向轮内使用6308号轴承满足设计要求 因为滚筒式 抽油机采油的工作环境较为恶劣 而且灰尘较大 所以滚筒式抽油机在采油过 程中导向轮内使用的6308号轴承采用密封油润滑的方式进行润滑 4 3 本章小结 本章主要选取导向轮的导向轮轴及内部轴承两个零件进行校核 导向轮轴 在设计过程中为了提高设计效率而初步选取的轴径 没有经过校核计算 并且 导向轮所受载荷大 有较大的冲击惯性 所以在使用前为了安全必须对导向轮 轴进行校核计算 通过校核计算导向轮轴满足使用要求 并有一定的过载使用 裕度 对于6308号轴承 主要校核其使用寿命 通过校核计算导向轮内轴承满足 使用要求 滚筒式抽油机设计 26 结论 本文通过对现阶段我国油田开采地面机械抽油机进行调研分析 极其对抽 油机在将来发展趋势的展望 目前我国采油设备还以游梁式抽油机为主 其他 抽油机在市场上占有很少了份额 通过课题设计的来源 并结合当前我国抽油 机的使用情况 研发了滚筒式抽油机 通过对设计出的滚筒式抽油机进行研究分