常规游梁抽油机的设计及其运动仿真.doc

第一章 绪论目前，采油方法有自喷采油法和机械采油法两种。自喷采油法的特点是利用地层本身的能量来举升原油，是最经济的采油方法。但是，随着油田的不断开发，地层能量逐渐消耗，即使在注水开发的油田，它的中后期也出现了水淹和强水淹的现象。为了保证原油稳产、高产，这些油田就不能用自喷法开采。同时，由于油层的地质特点，有一些油井一开始就不能自喷。对于上述这些不能自喷的油井，就必须人为地用机械设备给油井内液体补充能量，才能将原油从井内举升到地面，这种开采方法称为机械采油法。机械采油法又分气举法和抽油泵法两种。气举法的特点是利用压缩气体的能量，把原油举升到地面，面抽油泵法的特点是将各种结构的泵放到井下进行抽油。从国外石油工业发达的国家来看，用抽油泵法开采的井数在生产井总数中占绝对多数，我国用抽油泵法开采的并数在生产井总数中占90%以上。用抽油法开采，国内外应用最广泛的抽油设备是游梁式抽油机一抽油泵装置，或称做有杆抽油设备。它具有结构简单、制造容易、维护方便等特点。有杆抽油方法是应用最多也最为广泛的一种人工举升采油法，早在石油工业问世时，就开始采用这一方法进行采油。随着技术的不断发展，有杆抽油设备也不断完善。目前，在各种人工举升采油方法中，有杆抽油仍居首要地位。有杆抽油设备由三部分组成：一是地面驱动设备即抽油机，目前应用最广泛的是游梁式抽油机；二是井下的抽油泵，它悬挂在油管的下端；三是抽油杆，它把地面设备的运动和动力传给井下的抽油泵。除以上三个主要的部分外，就有杆抽油系统而言，还应包括用于悬挂抽油泵并作为液体通道的油管柱、油套管环形空间以及井口装置等。近几年来，有杆抽油设备与技术取得了长足的发展与进步。1.1 各种新型抽油机由于世界各油田地质储油构造、石油成分和伴生物不同，再加上世界各国技术基础与技术水平不同，采用的机械采油装备也不一样，研制与应用的新型抽油机也具有各自的特点。世界新型抽油机的性能特点主要有以下9个方面。(1)为了适应各种地质油藏条件和含砂、含气(H2S、CO2、O2)、含水、含蜡、含胶质、含石膏等石油以及稠油和低渗透油层采油的工况，研制与应用了液压缸式抽油机、气压缸式抽油机、长冲程低冲次抽油机和螺杆泵采油系统等。(2)为了满足陆地、城市、农村水利喷灌区、山区、沼泽、森林地带、沙漠地区、浅海和海滩、海洋地区和更复杂地区抽油的需要，研制与应用了低矮型抽油机、城市抽油机、前置式抽油机、前置式气平衡抽油机、紧凑型抽油机、两点式抽油机和井架型抽油机等。(3)为了适应垂直井、斜井、丛式井和水平井抽油工况，研制了斜井抽油机、丛式井抽油机、双驴头抽油机和高效能丛式井抽油机等 。(4)为了满足稠油和深井开采的需要，研制与应用了各种大型抽油机。例如常规型抽油机最大载荷160kN；前置式抽油机最大载荷193kN；前置式气平衡抽油机最大载荷213kN。(5)为了提高抽油系统效率，减少抽油机动载荷与振动载荷，研制了增大冲程游梁抽油机和增大冲程无游梁抽油机及长冲程无游梁抽油机(分立式和卧式两种)。(6)为了提高采油经济效益，降低能源消耗，减少抽油成本，研制与应用了各种新型节能抽油机和节能部件。例如异相型抽油机、前置式抽油机、前置式气平衡抽油机、大圈式抽油机、轮式抽油机、全胶带传动抽油机、井架型抽油机、滚筒式抽油机、缸体式抽油机、玻璃钢抽油杆用抽油机、自动化抽油机和智能抽油机等。节能部件有：高转差率电动机、天然气发动机、抽油机节能控制柜、窄V联组胶带、同步胶带、齿型胶带等。上述抽油机和部件能节电10%50%。(7)为了提高抽油机精确平衡效果，达到节电和提高抽油机运动平稳性与使用寿命，研制与应用了各种平衡方式抽油机。例如变平衡力矩抽油机、气平衡抽油机、气囊平衡抽油机、双井平衡抽油机和自动平衡抽油机等。(8)为了满足边远地区没有电源的抽油井试油或采油以及间歇抽油的需要，研制与应用了车装式抽油机，采用天然气发动机或汽油机、柴油机驱动抽油机，具有使用移动灵活等特点。(9)为了提高采油效率，实现自动化开采石油，研制与应用了各种自动化抽油机和智能抽油机，采用先进的微机系统控制、检测和诊断抽油机运行与故障，以确保高效安全经济抽油。总之，随着科技的不断发展与进步，还将出现更多新型抽油机。1.2 抽油机的发展方向1.朝着大型化方向发展随着世界油气资源的不断开发，开采油层深度逐年增加，石油含水量也在不断增多，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采用大型抽油机，所以近年来，国外出现了许多大载荷抽油机，如前置式气平衡抽油机最大载荷213kN，气囊平衡抽油机最大载荷227kN等。还会出现更大载荷新型抽油机。采用长冲程抽油方式，抽油效率高，抽油机寿命长，动载荷小，排量稳定，具有较好的采油经济效益，所以近年来国外出现了许多长冲程抽油机，如法国Mape公司抽油机，最大冲程10m；美国WGCO公司抽油机最大冲程24.38m，NSCO公司抽油机最大冲程27.48m；原苏联钢带式超长冲程抽油机最大冲程1500m。长冲程抽油机全部采用低冲次抽油方式，Mape公司抽油机最大冲次5min-1，GDCO公司抽油机最大冲次为3min-1。2.朝着低能耗方向发展为了减少能耗，提高采油经济效益，近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机。例如异相型抽油机节电15%35%；前置式抽油机节电36.8%；前置式气平衡抽油机节电35%；轮式抽油机节电50%80%；大圈式抽油机节电30%；自动平衡抽油机节电30%50%；低矮型抽油机节电5%20%；ROTAFLEX抽油机节电25%；智能抽油机节电17.4%；螺杆泵采油系统节电40%50%。3.朝着精确平衡方向发展近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果，使抽油机得到更精确平衡。例如变平衡力矩抽油机，可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩。前置式气平衡抽油机，由于可在动态下调节气平衡，平衡效果较好。气囊平衡抽油机有90%以上载荷得到平衡。双井抽油机可利用两口油井抽油杆柱合理设计得到更精确的平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得到较精确的平衡效果。4.朝着高适应性方向发展现代抽油机应具有较高的适应性，以便拓宽使用范围。例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要；适应各种成分石油抽汲的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适应深井抽油需要；适应长冲程抽油的需要；适应节电的需要；适应精确平衡的需要；适应无电源和间歇抽油的需要；适应优化抽油的需要等。5.朝着长冲程无游梁方向发展近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机，其中包括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机。实践与理论分析表明，增大冲程游梁抽油机是常规游梁抽油机的发展方向；增大冲程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向；长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机的发展方向。6.朝着自动化和智能化方向发展近年来抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。美国Baker提升系统公司、Delta-X公司、APS公司等均研制了自动化抽油机，具有保护和报警功能，实时测得油井运行参数，及时显示与记录并通过计算机进行综合计算分析，推出最优工况参数，进一步指导抽油机以最优工况抽油。美国NSCO公司智能抽油机，采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监测，具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、自动化程度高、经济性好、适应性强等优点。第二章 游梁式抽油机的分类和主要部件2.1 游梁式抽油机的类型游梁式抽油机是有杆抽油设备系统的地面装置。它由动力机、减速器、机架和四连杆机构等部分组成。减速器将动力机的高速旋转运动变为曲柄轴的低速旋转运动。曲柄轴的旋转运动由四连杆机构变为悬绳器的往复运动。悬绳器下面接抽油杆柱，抽油杆柱带动抽油泵柱塞（或活塞）在泵筒内做上下往复直线运动，从而将油井内的油举升到地面。游梁式抽油机的基本特点是结构简单，制造容易，维修方便，特别是它可以长期在油田全天候运转，使用可靠。因此，尽管它存在驴头悬点运动加速度较大，平衡效果差、效率较低，在长冲程时体积较大和笨重等缺点，但仍然是目前应用最广泛的抽油机。 根据结构形式的不同游梁式抽油机分为常规型，异相型和前置型；根据平衡方式不同可分为机械平衡和气平衡两种（机械平衡方式分为游梁平衡、曲柄平衡和复合平衡三种），近来为满足斜直井和丛式井机械抽油的需要，发展了斜直井游梁式抽油机。另外为满足现代生产管理的需要，游梁式抽油机配置了检测装置、自动化控制装置等。2.2 常规型游梁式抽油机简介本次设计选择抽油机的形式为常规游梁式抽油机，因此不对其它类型的抽油机作详细介绍，只对常规游梁式抽油机做介绍。常规型游梁式抽油机是游梁式抽油机的基本形式之一。它的结构特点是：曲柄连杆机构和驴头分别位于支架的前后两边，曲柄轴中心基本上位于游梁尾轴承的正下方。图2-1是曲柄平衡常规型游梁抽油机简图。它主要由动力机、减速器、曲柄、连杆、横梁、驴头、支架、底座、刹车装置、悬绳器以及平衡重等部分组成。抽油机的动力机有电动机和天然气发动机等。目前应用最多的是电动机。本次设计采用曲柄平衡，动力机选择电动机。动力机可以安装在两种不同的位置上，一种是将动力机安装在底座的尾部，如图2-1所示；另一种是将动力机安装在支架的下面，虽然可使底座变短，但操作和维修很不方便，现在已很少采用这种安装方式。减速器安装位置也有两种，一种是减速器直接放在底座上，其优点是抽油机支架高度低，但由于曲柄和平衡块回转半径大，抽油机需要安装在较高的水泥基座上，这给安装、操作和维修带来很大的不便；另一种是将减速器安装在用钢板焊成的高底座上，高底座焊接固定在底座体上，抽油机安装、操作、维修和修井作业比较方便。目前国内外生产制造的抽油机大多采用减速器安放在高底座上这种形式。本次设计电动机安装在底座的尾部，减速器固定在高底座上，底座焊接在底座体上。图2-1 常规型游梁式抽油机结构1电动机；2刹车装置；3减速器；4曲柄；5曲柄块；6连杆；7横梁；8游梁平衡块；9支架轴；10游梁；11驴头；12悬绳器；13支架；14底座2.3 游梁式抽油机的主要部件1）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。驴头弧面半径R(图2-2)应等于前臂长度。.为了保证在一定冲程长度下，将圆弧运动变为直线运动，圆弧面长度应为抽油机最大光杆冲程的1.2到1.3倍驴头用钢板焊成。2型抽油机的驴头在修井时可翻到游梁上面，而3型以上的抽油机已改为沿垂直轴侧转，称为侧转式驴头。这种结构操作方便而安全，如图2-3所示，其宽度乙应保证在修井时让开的位置可使大钩上下自由起吊。本次设计采用钢板和角钢焊接的侧转式驴头。图 1-2驴头尺寸图2-3侧转式驴头2）游梁 游梁用型钢组合焊接而成，也有用普通工字钢制成。它用一个中间短轴和两个轴承支在抽油机支架上。由于游梁负担抽油机的全部载荷，所以要有一定的强度和刚度。图2-4（a）为用工字钢制成的游梁，结构简单易制造，但材料利用不够合理;图2-4(b)为一个等强度断面的游梁，虽然材料利用合理，但制造较麻烦，图2-4 (c)是用型钢焊制的;一般多采用图2-4(d)的结构，在工字钢上加两块加强板，制造不太复杂，断而近似等强度，金属使用较合理。在没有大型工字钢的情况下况下，可采用图2-4 (c)的复合结构，图2-4(c)是一种将驴头和游梁焊在一起的桁架式结构，比一般游梁都轻些，但驴头是固定的，修井时不方便，在制造和装配上也有一定困难，所以应用不广泛。本次设计悬点最大载荷为100kN，属于中重型抽油机，游梁采用型钢焊接成箱形。图2-4各种结构的游梁3）横梁 横梁是连杆和游梁连接的中加部件。动力经过横梁才能带动游梁作摇摆运动，横梁的形式有三种：直行横梁、船型横梁和翼型横梁，图2-5是船型横梁，其横梁和连杆连接点与横梁和游梁连接点在同一水平线上，增加连杆和横梁的刚性，并改善了连接销轴的工作条件。横梁制造方法有三种：第一种是用型钢直接制成；第二种是用钢板焊成矩形截面结构；第三种是铸造成的工字截面结构。横梁截面一般采用强度结构以充分发挥材料的性能和减轻横梁的重量。本次设计采用铸造而成的直型横梁。图2- 2抽油机横梁1连杆；2游梁；3密封环；4横梁轴；5轴承架；6横梁4）连杆和曲柄销 连杆部件总成包括连杆体，曲柄销，轴承和连杆销子等零件，连杆体一般都用无缝钢管制成，也有用工字钢或槽钢制作的。连杆体两端与连杆头焊成一体。目前有两种焊法，一种是波浪形搭接焊；另一种对接环焊。搭接焊是利用连杆体和上下接头直径不同相互插入，被插入部分对称开槽后入，被插入部分对称开槽后和插入部分焊在一起，焊缝长度较长。对焊是沿连杆体和上下接头等径圆周焊接，是目前我国各制造厂采用的主要焊接形式。因为连杆在游梁式抽油机上成对使用，因此连杆体和上下接头必须在专用工装上组焊，以保证连杆两端孔中心线的平行度、等长度以与安装基准的垂直度，连杆上端用连杆销子和横梁相连，下端接头孔内装有双列向心球面滚子轴承，用以和安装在曲柄上的曲柄销相连接。曲柄销螺纹有左旋和右旋之分。曲柄销是非常重要而又比较薄弱的一个零件，从结构设计、加工制造、热处理以及安装等环节均有比较严格的技术要求，以保证曲柄销安全工作。本次设计连杆采用无缝钢管，采用对焊形式，曲柄销采用35CrMo。5）平衡重 由于游梁式抽油机上、下冲程的载荷很不均匀，上冲程时，驴头需提起抽油杆柱和油柱，而下冲程时，抽油杆依靠自重就可以下落，这样就使发动机做功极不均匀。为了使_上、下冲程发动机作功均匀，采用了平衡重的结构。游梁式抽油机平衡重分两类:一类为游梁平衡重，装在游梁尾部，一般作成片状，在调整时，用人力抬到抽油机上或取下来;另一类为曲柄平衡重，装在曲柄上，类型较多，日前广泛使用的有两种，一种为一般偏心重结构，如图1. 1，另一种为扇型结构。偏心重结构制造容易，但调整较困难，而扇形结构调整较方便，当需将偏心块调到某位置时，可将圆曲柄旋转，使要调整的位置在最下方，松开固紧螺钉后.扇形平衡重沿导轨自动落到要调的位置。为了调整方便及安全，在两种曲柄上都有导轨及挡块，固紧螺钉即使松开，也不会使偏心重落下。图2- 3曲柄及曲柄平衡重结构1 曲柄；2平衡重块；3连接螺栓；4拉紧螺栓6）减速器 一般使用的减速箱多为两级齿轮式，传动比i=2535左右，在个别情况下也有使用一级齿轮减速箱或链轮减速箱。由于几工作载荷大，一般小功率时采用斜齿，大功率时采用人字齿。并开始采用圆弧齿轮。减速箱采用圆弧齿轮后，其承载能力比相同参数的渐开线齿轮减速箱体积有所减小，这样也给抽油机其他部分尺寸的缩小创造了条件。7) 刹车机构 抽油机上所用的刹车机构一般有刹车带型或闸瓦型。8）支架 常用型钢焊成，特轻型的可用一根圆管支架，重型的可做成三腿或四腿的支架。9）悬绳器 由于瓦牙、上下支撑板及顶丝等组成，将钢丝绳及光杆连成一体。悬绳器上可以安放示功仪，测悬点式功图。10) 底座 底座是一个基础部件。减速器、支架用螺栓直接紧固在底座上。动力机一般直接安装在底座上，但也有安装在附加底座上的。底座是由撬状的底座体和高底座组焊而成。底座体用工字钢、槽钢和角钢焊成，高底座用钢板焊成。用地角螺栓可把底座固定在地基上，用地脚螺栓压紧压板，压板压紧底座。第三章 游梁式抽油机的设计计算3.1 游梁式抽油机的基本参数基本参数是用来表征机械产品的主要性能、基本结构和主要尺寸的一组物理量和几何量，它反映了机械产品的主要技术经济指标，其中包括：规格参数、工况参数、性能参数和经济指标等。基本参数一般表示在机械产品的型号内。游梁式抽油机的基本参数有以下三个:额定悬点载荷、减速器额定扭矩和光杆最大冲程。额定悬点载荷是指为游梁抽油机机架强度和刚度所限制的作用于悬绳器上的最大载荷的允许值，即光杆示功图上载荷曲线峰值的允许值。额定悬点载荷是设计和使用抽油机的主要依据之一。在设计游梁抽油机时，除减速器等传动件外，抽油机的各种零件的强度和刚度均应以额定悬点载荷作为设计依据。在使用游梁式抽时，只要悬绳器上作用的最大载荷不超过额定悬点载荷，则除了减速器等传动件和电动机以外，抽油机的其他各种零部件均能正常工作。减速器额定扭矩指的是为减速器中各零件的强度和刚度所限制的作用于减速器输出轴上的最大扭矩的允许值，即扭矩曲线峰值的允许值。减速器额定扭矩是设计和使用游梁式抽油机的主要依据之一。在设计游梁式抽油机时，减速器中的所有零件的强度、刚度或寿命均应以额定扭矩做为设计依据。在使用游梁式抽油机时，只要曲柄轴上净扭矩曲线的峰值不超过减速器额定扭矩，则减速器就可安全运转。游梁式抽油机所提供的光杆上下往复运动的最大位移称为光杆最大冲程。它是计算抽油井最大理论产量的重要参数之一，它决定了游梁式抽油机的大概的轮廓尺寸。上述三个参数集中反映了游梁式抽油机的能力特性及其使用范围，并以此估算其大概的外轮廓尺寸和重量。将额定悬点载荷、减速器额定扭矩与光杆最大冲程这三个参数以一定的关系组合起来，并以此划分和确定游梁式抽油机的型号、规格，便形成了游梁式抽油机的基本参数系列。GB1164989规定的游梁式抽油机参数系列以额定悬点载荷作为第一参数，三个参数在抽油机型号中的排列次序为W- -T。图3-1 SY/T50442003规定的部分参数组合表本次抽油机设计参数选择如图3-1额定悬点载荷W=100KN,光杆最大冲程=3m,减速器额定扭矩T=37KNm。3.2 常规游梁式抽油机的四杆机构设计在游梁式抽油机中，四杆机构一方面承受油井载荷，另一方面将减速器输出轴的旋转运动转换为悬绳器的上下往复运动。此外游梁式抽油机的平衡也是在四杆机构中实现的。承载、运动转换和平衡是四杆机构的三项主要任务。它的设计是否合理，无论对游梁式抽油机的工作性能，还是对抽油机的轮廓尺寸和整机重量都有重大影响。从某种意义上说，游梁式抽油机的设计，主要就是四杆机构的设计。游梁式抽油机四杆机构杆长设计应确定出以下6个几何尺寸：游梁支承中心至井口的水平距离A（在常规抽油机中称为游梁前臂长）；游梁支承中心到连杆与游梁铰接点的距离C（在常规抽油机中称为游梁后臂长）；连杆长P；曲柄半径R；游梁支承中心与曲柄旋转中心之间的水平距离I；游梁支承中心与曲柄旋转中心之间的垂直距离H-G。本次四杆机构的设计采用类比设计，有两种类比方法：直接类比和参数类比。本次设计采用参数类比，即根据现有游梁式抽油机四杆机构的统计数据，选定若干反映机构特征的参数如、A/C、及等，再通过几何关系式求出四杆机构的杆长。类比美国拉夫金公司的“C”型抽油机进行设计，这种抽油机的特点为：当游梁处于水平位置时，游梁和连杆的铰接点刚好位于曲柄旋转中心的正上方，游梁的摆动不一定完全对称于水平线。选定机构的特征参数为A/C=1.4、。 （3-1） （3-2）圆整为C=2.73m ,I=C=2.73m (3-3)圆整为H-G=3.37m (3-4)设，则圆整P=3.26m (3-5)拉夫金的常规抽油机，其极位夹角并不为零，但一般不大。由余弦定理可得： （3-6）带入数据得： 设G=2120mm 则各个尺寸如下：表3-1 抽油机各尺寸参数表A3820H5490C2730I2730A/C1.4H-G3370P3260R10453000G2120K43373.3 平衡系统参数设计机械平衡主要包括曲柄平衡和游梁平衡两种。本次设计采用曲柄平衡，因此应确定以下三个参数：应配备的最大曲柄平衡力矩，平衡相位角和最大回转半径。1）最大平衡力矩 （3-7） 代入数据得 2）平衡相位角 常规型抽油机的平衡相位角=3）最大回转半径 常规型和异相型抽油机 3.4 电动机和减速器的选择1）电动机选择一个比较简单的计算方法是利用减速器额定扭矩。计算机模拟表明，减速器曲柄轴的均方根扭矩与其最大扭矩之间存在一定关系。文献认为，一般。不管抽油机的工况如何变化，曲柄轴上的最大扭矩都不应超过减速器额定扭矩。所以，可能遇到的最大均方根扭矩不应超过。考虑电动机的平均效率降低以后，传动效率取为0.75，则可转化为如下公式： (3-8)因此得 依据机械设计手册查得电动机型号为IP23 Y250M-6表3-2电动机参数表额定功率同步转速效率额定转速额定扭矩55KW1000r/min91.5%983r/min1.82)减速器按照其额定扭矩T=37KNm，查机械设计手册得，可选起重机底座式减速器QJR-D,各参数如下表：表3-3 减速器参数表名义中心距输出转矩公称传动比高速轴许用功率500mm42500N.m25166KW3.5 抽油机关键部件的选用及其强度校核 3.5.1 游梁的选择及其校核国内在常规抽油机设计过程中，游梁的结构只有两种，一种是箱型（用于重型抽油机），另一种是H型钢（用于中型或轻型抽油机）。这里选择箱型结构，游梁由钢板焊成，材料选择Q235，分别用宽B=300mm,厚d=30mm;高630mm,厚d=30mm的钢板焊成，H=700,如图3-2。图3-2游梁截面图其面积 （3-9） 带入数据得惯性矩 （3-10） 抗弯截面系数 （3-11） 强度校核 (3-12 ) 带入数据得: 由 （3-13） 最终得：作为组焊件，静强度安全系数满足要求。另外对于箱型游梁，不属于开口薄壁杆件，一般不存在侧向失稳问题，不用校核其侧向稳定性。3.5.2 连杆的选择及其校核连杆选择无缝钢管制成，查机械设计手册可得由GB/T173955-2008选择材料为Q235,外径D=76mm,内径d=52mm的无缝钢管。 （3-14） （3-15） （3-16） （3-17） (3-18)最终得 结果表明，连杆抗拉强度安全系数是足够的。曲柄平衡的常规型抽油机连杆只承受拉力，只需进行抗拉强度校核，虽然拉力也是变化的，但应力幅不大，一般制作静强度校核，不做疲劳强度校核。3.5.3 曲柄销的选择及其校核曲柄销是游梁抽油机的一个关键部件，一旦损坏，抽油机就不能工作，严重影响油井生产，甚至会发生重大设备事故，所以应精心设计。根据SY/T5044-2003游梁式抽油机标准，选取曲柄销的材料为35CrMo,其形状尺寸如图。图3-3 曲柄销进行弯曲静强度校核： （3-19） （3-20） 式中 曲柄销锥面大头直径，mm （3-21) 3.5.4 横梁轴承座与游梁轴承座连接螺栓的选择及其校核选择横梁轴承座与游梁的连接螺栓时，一般均用中炭合金钢如40Cr,30CrMo,并进行调质处理，这里选用螺栓材料为35CrMo，尺寸为M393,由已知的抽油机尺寸得，螺栓间距，轴承中心距，则： （3-22） （3-23） （3-24） （3-25） （3-26） 螺栓满足强度要求。3.6 V带的设计计算（1）设计功率与带型选择 计算功率是根据传递的功率P和带的工作条件而确定的 式中：计算功率，kw； 工作情况系数，查表知为1.8； P 所需传递的额定功率。则：1.855=99 kw 根据计算功率和小带轮转速，选取窄V带带型，根据设计手册图8-11选择窄V带型号为15N。（2）带轮直径 带传动按冲次计算，则大带轮转速为带传动的传动比为,参考表5-20选取小带轮有效直径，则大带轮有效直径由表5-18查得15N的，则大、小带轮的节径为：V带线速度为（3）带长与中心距由得: ,初选传动中心距则mm由表5-17查得窄V带标准长度 mm 则实际中心距为：mm由表5-19查得，则中心距调整范围：小带轮包角（4）窄V带的根数Z由表5-20和5-21用插入法查得,由表5-17查得由表5-22查得 则V带根数由计算求根（5）处拉力及其测量力计算合适的初拉力是保证带传动工作的重要条件，初拉力不足则摩擦力小，V带易发生打滑；初拉力过大则会使v带的寿命降低，单根普通V带较合适的初拉力可按下式计算。式中: Ka-考虑包角不同时的影响系数,取Ka =0.95q-带单位长度的质量，取q=0.10(kg/m)为进一步设计支撑带轮的轴及轴承，需计算出带传动的压轴力。压轴力可从图近似得到Fp = 2 Z Fsin=231367.3sin = 8053N（6）带轮宽度由表5-18查得e=17.5mm,f=13mm,则带轮宽度B=217.5+213=61mm,取B=60mm带轮一般有铸铁制成，常用材料牌号为HT150和HT200。对于重要且转速高的带轮，也可用铸钢材料；功率小时可用铝合金级工程材料制成。在工程上，V带轮的材料通常为灰铸铁，当带速v 25 m/s时，采用HT150；带速v= 2530 m/s 时，采用 HT200；由于带速为10.89ms所以选择材料的牌号为HT150设计计算结果归纳如下：1）窄V带规格 315N-71002) 带轮宽度 B=60mm, 3）大带轮有效直径，图3-4皮带轮第四章 抽油机的三维设计及其运动仿真4.1 UG的简介UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。UG NX主要功能如下：1）工业设计和风格造型。NX 为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用 NX 建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状， 并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。2）产品设计。NX 包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。 NX 具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。 NX 优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。3）仿真、确认和优化。NX 允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。4）NC加工。UG NX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为UG NX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。UG软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全相关。 5）UG NX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流 NC机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于轴或更多轴的铣削加工、轴的车削加工和电火花线切割。6）模具设计。UG是当今较为流行的一种模具设计软件，主要是因为其功能强大。模具设计的流程很多，其中分模就是其中关建的一步。分模有两种：一种是自动的，另一种是手动的，当能也不是纯粹的手动，也要用到自动分模工具条的命令，即模具导向。自动分模的过程 1.分析产品，定位坐标，使Z轴方向和脱模方向一致。2.塑模部件验证，设置颜色面。3.补靠破孔4.拉出分型面5.抽取颜色面，将其与分型面和补孔的片体缝合，使之成为一个片体。6.做箱体包裹整个产品，用5缝好的片体分割。7.分出上下模具后，看是那个与产品重合，重合的那边用产品求差就可以了。手动分模的步骤就大概就这样，手动分模具有很大的优势，是利用MOLDWIZARD分模所达不到的，在现场自动分模基本上是行不通。但是里面的命令是比较的好用的，我们可以用的有关命令来提高我们的工作效率。7）开发解决方案NX 产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具，可用于管理过程并与扩展的企业共享产品信息。 NX 与 UGS PLM 的其他解决方案的完整套件无缝结合。这些对于 CAD 、 CAM 和 CAE 在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。4.2 抽油机驴头的建模1）将工作层设置在21层，草图安放面为XC-YC平面。2) 按照图4-1所示完成驴头的草图。3）将工作层设置为1层，拉伸完成驴头的主体结构，如图4-2所示。4）拉伸生成驴头绳索导向槽利用镜像命令生成另一侧导向槽，并作布尔求和操作如图4-3所示。5）建立两个基准面作为定位参考生成矩形槽并作矩形阵列生成其他矩形槽，并倒圆角如图10-4所示。图4-1 驴头草图的创建图4-2生成驴头的主体结构图4-3 拉伸生成导向槽并镜像另一侧导向槽图4-4 建立两个基准面并生成矩形槽阵列驴头是形状不规则的部件，非常适合用草图进行建模，用草图构建大轮廓后，采用拉伸操作，其他细节结构可以用特征操作来完成。4.3 抽油机横梁的建模根据横梁的特点，选择特征建模。步骤如下：1）新建一个部件文件，名称为hengliang.prt.单位为毫米。选择命令进入建模模块。2）选择长方体命令和凸垫命令，创建横梁主体，如图4-5所示。3）选择倒角命令对肋板两侧倒角，在肋板中间基准面上创建草图，如图4-6所示。4）在另一垂直的基准面上创建草图，拉伸实体使4-6拉伸的实体与横梁主体相接，如图4-7所示。5）选择镜像命令生成如图4-8实体。6）利用凸台命令依照建立基准参考生成凸垫与凸台，如图4-9.7）镜像实体完成横梁的建模，如图4-10所示。图4-5 利用凸垫命令创建横梁主体图4-6 在基准面上创建草图并拉伸图4-7 创建草图并拉伸求和图4-8 镜像实体图4-9 利用凸垫与凸台命令在基准面上创建轴肩图4-10 镜像生成横梁横梁的建模过程中，多次用到草图命令，拉伸成实体。横梁是对称结构实体，可以用镜像命令来简化建模过程。4.4 抽油机的装配建模在单个部件创建完成后，还需要进行装配，并在此基础上分析设备的结构是否合理，如果各部件在尺寸上存在冲突，在装配中可以及时发现，同时返回到部件建模中对应部件的尺寸进行修改。1）进行底座的装配，如图4-11、4-12、4-13所示。2）新建名为dizuo.assm的文件，选择【开始】【装配】，进入装配模块，点击【添加组件】命令。3）添加底座肋板，指定装配类型，分别用接触命令依次将八个肋板装配在底座侧板上。4）选择添加组件命令，将另一侧侧板依照对齐装配，装配在肋板上，完成底座的装配。图4-11 以底座侧板为绝对原点添加组件图4-12 肋板以通过约束方式添加组件，依次用接触对齐装配图4-13 以通过约束的方式添加侧板组件采用接触对齐装配5）进行曲柄的装配如图4-14、4-15、4-16所示。1. 新建名为qubing.assm的文件夹，选择【开始】【装配】，进入装配模块，点击【添加组件】命令。2. 曲柄组件由曲柄、曲柄销、曲柄销锥套、垫片、螺母、轴承组成，以曲柄为绝对原点添加组件。3. 依次按通过约束添加组件，以同轴和对齐命令完成曲柄销锥套的装配，以同轴和对齐命令完成曲柄销的装配，以同轴和接触命令完成轴承的装配，以同轴和接触命令完成垫片和螺母的装配。图4-14 以曲柄体为绝对原点添加组件图4-15 依次用同轴和对齐命令完成装配曲柄销和轴承图4-16 装配垫片和螺母 6）进行游梁组件的装配，如图4-17、4-18、4-19、4-20所示。1. 新建名为youliang.assm的文件，选择【开始】【装配】，进入装配模块，点击【添加组件】命令。2. 以游梁臂为绝对原点添加组件。3. 依次通过约束添加驴头、轴承座、轴承、心轴、横梁组件，以接触和对齐命令装配驴头，以接触和中心命令完成轴承座的装配，分别以同轴和接触对齐命令完成轴承、螺栓、螺母的装配，最后用同轴和同心完成轴的装配。图4-17 接触对齐完成驴头的装配图4-18 轴承座、轴承、心轴、螺栓螺母的装配图4-19 横梁的装配图表 4-20 横梁组件的装配图8）进行支架的装配1. 新建名为zhijia.assm的文件，选择【开始】【装配】，进入装配模块，点击【添加组件】命令。2. 以支架为绝对原点添加组件，依次通过约束装配支架轴承座、轴承、支架心轴和螺栓螺母。图4-21 支架轴承座的装配 图4-22 心轴、两个轴承的装配9）进行底座、电机、支架、皮带、减速器及其底座、曲柄的装配，如图4-24所示。1. 新建名为dizuozongti.assm的文件，选择【开始】【装配】，进入装配模块，点击【添加组件】命令。2. 以底座作为绝对原点添加组件，依次装配减速器底座、减速器、电机、皮带轮和支架组件。3. 进行曲柄组件的装配，利用镜像命令装配另一侧曲柄组件。图表4-24 各组件的装配10）进行游梁组件和连杆组件的装配，完成抽油机的总装配图，如图4-25所示。1. 新建chouyouji.assm的文件，选择【开始】【装配】，进入装配模块，点击【添加组件】命令。2. 利用同轴和中心命令完成横梁组件的装配。3. 利用移动组件命令，转动横梁和曲柄，便于连杆的装配。图表 4-25 抽油机总装图4.5 抽油机的运动仿真抽油机的运动仿真过程只做抽油机各组件之间的运动仿真，而电动机输出转矩通过皮带传动再到减速器这一系列的运动不作仿真，现将电动机到减速器看做不动的整体，将抽油机的运动简化为一个由游梁、横梁连杆、曲柄、底座组成的四杆机构，直接在曲柄的回转轴上施加一个恒定的驱动，进行运动仿真。1）打开chouyouji.assm.prt文件。选择【开始】【运动仿真】命令启动运动仿真模块。2）设工作层为第51层，将所有运动对象放在同一层。3）新建一个运动仿真，选择运动分析环境为动态，机构运动副向导取消（不使用系统自动生成的连杆和运动副），单击连杆图标定义连杆。由于驴头、游梁以及横梁轴承座之间没有相对运动，所以可以将驴头、游梁和横梁轴承座、轴承、心轴设为一个连杆。同样把支架组件、底座、减速器、减速器底座、电动机、皮带轮定义为一个固定连杆。把横梁、连杆组件、曲柄轴承、曲柄销定义为一个连杆。同样定义曲柄为动力杆。这样整套的抽油机系统可以简化成一个类似的四连杆机构。如图4-26所示。定义完连杆后，单击取消按钮退出栏杆定义，可见运动导航器中定义了四个连杆，其中L002是接地的。同时也定义了一个运动副，是L002与地之间的固定副。图4-26定义分析环境图4-27定义连杆图4-28定义好四个连杆4）单击图标定义运动副。在机构中，L001和L002之间由一个固定旋转副相连，L001和L004之间也是固定的旋转副，其他连杆之间都是相对运动，因此都是旋转副。在定义第一连杆时，总是选择运动副的原点，这样在识别第一连杆的同时，可以正确的设置运动副的原点和方向，如图4-27所示。图4-29定义运动副5）编辑L004的运动驱动，使曲柄以一个恒定的速度做匀速旋转运动。选择运动导航器中的运动副L004，单击右键选择编辑命令，弹出L004的运动副对话框，选择驱动类型选项。驱动类型选择“恒定”，设置初始位移为0，初始速度为10，初始加速度为0.设置完成后，单击确定按钮，则运动副L004为带恒定驱动的旋转副。图标变为带动力的旋转副，如图11-3所示。图4-30定义好的四个旋转副创建解算方案。单击运动工具条中的解算方案图标，系统弹出解算方案对话框，如图11-4所示，解算方案选择“常规”型，分析类型选Kinematics/Dynamics，设时间为50秒为100步。重力方向系统已自动判断，并在图中高