抽油机课程设计-游梁式抽油机第二部分.doc

攀枝花学院学生课程设计（论文）题 目： 游梁式抽油机第二部分 （驴头游梁横梁支架曲柄连杆） 学生姓名： 学 号： 所在院(系)： 专 业： 班 级： 指 导 教 师： 职称： 2013年 1 月 9 日攀枝花学院教务处制课程设计（论文）指导教师成绩评定表题目名称评分项目分值得分评价内涵工作表现20%01学习态度6遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。02科学实践、调研7通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。03课题工作量7按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。能力水平35%04综合运用知识的能力10能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。05应用文献的能力5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。06设计（实验）能力，方案的设计能力5能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。07计算及计算机应用能力5具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。08对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）10具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。成果质量45%09插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度5符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。10设计说明书（论文）质量30综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。11创新10对前人工作有改进或突破，或有独特见解。成绩指导教师评语指导教师签名： 年月日攀枝花学院本科学生课程设计任务书题目15抽油机机械设计1、课程设计的目的本课程设计为学生提供了一个既动手又动脑，自学，查资料，独立实践的机会。将本学期课本上的理论知识和实际有机的结合起来，锻炼学生实际分析问题和解决问题的能力，提高学生综合运用所学知识的能力，装配图、零件图的设计绘图能力。2、课程设计的内容和要求1)、设计原始数据额定功率(kW)冲程(m)冲次(n/min )游梁前臂长度(m)游梁后臂长度(m)额定扭矩MS(kN*m)游梁支撑中心到底座距离(m)曲柄转动轴心到底座直距离(m)曲柄平衡块数曲柄偏置角(度)游梁支撑中心到曲柄转动轴心的水平距离(m)501.5，1.2，0.991.61.446.53.21.5201.282)、要求： (1)完成曲柄摇杆机构的设计及曲柄平衡块、横梁、横梁轴的设计计算；(2)完成游梁与驴头的设计与计算；(3)完成支撑装置及支架的设计与计算。3)、课程设计成果(1)每人需绘总装配图一张或部装图三张；(2)每人需绘零件图二张；(3)编写设计说明书。3、主要参考文献1所学相关课程的教材2机械设计课程设计3机械设计手册4电动机手册5游梁式抽油机设计计算4、课程设计工作进度计划(1)准备阶段（2天）(2)设计计算阶段（3天）(3)绘制总装配图或部装图(4天）(4)绘零件图（3天）(5)编写设计说明书（3天）说明(1) 每组参数由两人完成；(2) 设计内容不可相同；(3) 两人需完成整个抽油机传动系统与传动装置的设计计算以及主要机械装置的设计指导教师（签字）日期年 月 日教研室意见：年 月 日学生（签字）： 接受任务时间：2012 年 12 月 10日注：任务书由指导教师填写。 摘要常规型抽油机，是机械采油设备中问世最早，应用最广泛，结构最简单的设备。抽油机是石油工业中的一项重要组成部分，在抽油机驱动下，带动其他设备运转，实现油井的机械式开采。主要分为游梁式和无梁式两大类。游梁式抽油机主要由发动机、三角带、曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头、悬绳器、支架、撬座、制动系统及平衡重组成。随着时代的发展，对环保节能要求的不断提高，在理论与实践相结合的基础之上，目前国内外抽油机的总的发展趋势是向着超大载荷，长冲程，低冲次，精确平衡，自动化，智能化，节能化，高适应性，无游梁长冲程方向发展。本设计主要根据抽油机的四杆机构（曲柄连杆横梁游梁）的工作原理。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、悬绳器、支架、撬座、制动系统及平衡重等组成。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柄两翼平衡重可根据需要而调整。 本文介绍了常规抽油机工作原理与节能原理，以及设计过程中对抽油机运动学和动力学分析与计算，阐述了这种设备的运动规律。游梁式抽油机驴头的悬点载荷标志抽油机的工作能力的重要参数之一，而看它是否节能，其技术指标是抽油机的电动机实耗功率的大小及减速器的工作状态。关键词：常规型抽油机；悬点载荷；结构；设计计算 目录第1章 绪论-9第2章 驴头 -11第3章 游梁-13第4章 横梁 -17第5章 曲柄装置和连杆装置 -18第6章 支架和支架轴-26结论 -31参考文献 -31 第一章 绪论 1.1游梁式抽油机的介绍 电动机通过皮带和减数器带动曲柄作匀速圆周运动，曲柄通过连杆带动四连杆机构的游梁以支架上中央轴承为支点，做上下摆动，带动游梁前端的驴头悬点连接抽油杆柱、油泵柱塞做上下往复直线运动，实现机械采油。 当悬点（抽油杆）上冲程时，抽油杆柱带动油泵活塞上行，油泵的游动阀（排出阀）受阀自重和油管内液柱压力的作用而关闭，并提升柱塞上部的液体。与此同时柱塞下面的泵筒空间内里的压力降低，当其压力低于套管压力时，该空间的液体将顶开油泵固定阀（吸入阀）而进入抽油泵活塞上冲程所让开的泵筒空间；当柱塞下行时，油泵的固定阀靠自重下落而关闭，泵筒内的液体受到压缩，在柱塞继续下行过程中，泵内的压力不断增高，当泵内压力增至超过油管内液柱压力时，将顶开油泵的游动阀是泵筒内的液体进入油管内。由于油泵柱塞在抽油机的带动下，连续做上下往复运动，因而油泵的固定阀和游动阀也将交替地关闭与打开，完成抽油泵的抽吸工作循环。概括地说：柱塞上行时，将柱塞之上的液体排入输油管线，将泵外的液体吸入泵内；柱塞下行时，将柱塞之下油泵内的液体吸入柱塞之上的油管内。这样周而复始地工作时，原油就源源不断地被采出。图1 工作原理图1.2节能机理作为一种采油设备是否节能可从两个方面表现出来，即在相同工况下，工作电耗的大小及产生液量的多少，用电动机驱动的抽油机，其输入的电能大 部分转化位举生液体的机械功，其余部分则消耗于热损失和摩擦损失。异相机与常规机相比，在相同工况下，如果忽略产液量增加的因素，他们举升液体所做的机械功是相等的。因此，是否节能则取决于热损失和摩擦损失的大小。对于有杆泵系统来说，热损失即使电动机平衡电流的函数，同时也是电流波动量的函数。热损失的大小可通过一个周期载荷系数CLF来反映它可用下是来表达： 1-1 式中：I1In曲柄在位置1，2，3.,n处时电动机的瞬时电流，A ;n电流测量的次数。 由式1-1可以看出，电流的均方根值愈大愈接近平均电流值，CLF愈小 ，热损失也愈小；反之；电流值均方根之愈大；CLF愈大，热损失也愈大 ，因为Tn就是电动机负载，Tn与I成正比例关系，所以Tn波动愈大，电流的均方根值也愈大；Tn波动愈小，电流的均方根之愈接近平均电流值。异相机的热损失小于常规机，这说明了使用异相机时，有杆泵系统的地面效率比使用常规机要高。有杆泵系统的井下效率是通过光杆功率PRHP来反映的，可用下式表达： 1-2 式中：HPh举升液体所需功率，称 “谁功率”；KW HPf克服井下摩擦阻力等损失的动力，称“摩擦功率”；KW 如前所述，在相同工况下，异相机和常规机相的HPh是相等的，但前者的HPf小于后者，因此，异相机的PRHP小于常规机，所以他的井下效率也较高。有杆泵系统中，电动机实耗动力Px可按下式计算，即： 1-3 式中：从电动机到悬点之间的地面传动效率；在相同工况下，异相机的PRHP和CLF均小于常规机，而且当两种机型配用同一类型的电动机及传动带时，二者之间的差别也很小，由此可见，使用异相机市教委省电的，其节电率e可由下式算出，即： 1-4 式中：RXC常规抽油机的实耗动力，KW； RXC异相机的实耗动力，KW； 综合近几年国内文献中关于异相机大致可概括为：大偏置角异相机，e=20%30%,小偏置角异相机，e=10%20%。但应指出的是上述数据均为理论计算结果，在实际使用过程中，由于总宗宗因素的影响，e一般达不到上述指标的上限值。因此作为一个应用课题的研究，还是应以现场实验中实测得的节电率为准。有关专家比较一致人为的是在现阶段，把异相机的节电率定为e10%15%市教委合适的，对于10型和10型以上的异相机壳去上限值e=15%。 在K.E布郎教授主编的升举法采油工艺一书中讨论了游梁式抽油机的几何外形对泵行程的影响，指出：游梁式抽油机的几何外形及动力学设计，对其扭矩载荷，结构载荷，抽有杆载荷以及井下泵的 排量有重大影响。模拟计算结果表明，前置抽油机与常规机相比，在相同工况下，前者的活塞有效行程增大5%,产量提高5%。异相机可增加产液量的原因有以下两点：(1) 在上冲程即将结束时，异相机的光杆加速度明显比常规机要大，所以他有较大的惯性超冲程。又因为异相机上冲程运行时间长，抽油杆感和活塞的运行速度比常规机要低，所以由摩擦阻力产生的冲程损失也较小，故使用异相机时，活塞的有效行程较大。(2) 因异相机上冲程运行时间较长，则固定法开启的时间也较长；同时，上冲程中活塞的运行速度较小，股友也进入泵筒的阻力减小，压差增大。考虑到使用异相机是漏失量将会增大，因此，增加的排液量大于漏失量增大而减小的排液量，则表明油井增产。经计算，只要漏失量小于50%，增加的漏失量均小于上述两项增量之和。所以，多次现场实验证明，使用异相机都有一定增产效果，而增产率却因具体情况的不同而有较大的差异。 第2章 驴头 2.1设计原始数据悬点最大负载：30KN冲次：9次/分冲程：1.5 1.2 0.9m 2.2主要参数 悬点载荷：抽油机驴头悬点的实际载荷。 额定悬点载荷：抽油机正常工作允许的最大的悬点载荷。 光杆的最大冲程：调节抽油机的冲程调节机构使光杆获得的最大位移。 最高冲次：调节带传动的传动比最小时的冲次数。 减速器的扭矩：减速器输出轴允许的最大扭矩。 2.3.驴头的结构设计 驴头是用来将游梁前端的往复圆弧运动变为抽油机的垂直往复运动。为了保证在一定冲程长度下，将圆弧运动变为垂直运动，圆弧面长度应为： S狐=(1.21.3)Smax式中，Smax-驴头悬点（挂抽油杆处）的最大冲程长度。6 P5 给定数据：最大冲程长度Smax=1.5m.取S弧=1.2Smax=1.21.5m=1.8m. 游梁的摆角1设计为55。由摆角1和驴头的圆弧面长度 S狐可求得弧面半径R。 S狐=1RR= S狐/1=1.8m/55=1.875m.给定数据：游梁前臂长度L1=1.6m.驴头宽度LAB=R-L1=1.875m-1.6m=0.275m.驴头用厚为20mm的钢板焊接而成，并用螺纹连接。并且考虑到经济性，节约资源与成本，驴头上留有5个小孔，小孔的直径为90mm。钢板的标准及名称GB/T3274-1988.碳素结构钢和低合金结构热扎厚钢板和钢带。（7 P3-83,表3-1-37，常用钢板，钢带的标准摘要。）为了便于驴头与游梁的链接，在驴头的腹部上下各焊接一块钢板。板长0.275m,高为0.35m,宽为2mm。每块钢板上均有5个螺栓孔。如图2所示。 图2 驴头两钢板间留有30mm的索道，在索道的上方焊接一个钢丝绳悬挂点，钢丝绳悬挂点选用的是低合金结构钢Q420(7 P3-21.表3-1-8，低合金钢的化学成分和力学性能。)将低合金钢加工成直径为20mm，长度为30mm的外螺纹结构，再将其焊接在驴头的索道上。2.31悬点载荷G的计算由减速器部分计算得到减速器的输出扭矩T=10.118 KN.m。T=G.R-减速器输出端到驴头悬点的总效率。R-驴头的弧面半径。查表1-1-3 常用零件的传递效率。8 P15 得齿式联轴器传递效率1=0.99滚动轴承传递效率2=0.99滑动轴承传递效率3=0.97销连接的传递效率4=0.95总效率=12223420.992 0.992 0.97 0.95=0.84.悬点载荷G=T/R=10.118KN.m0.841.875m=4.53KN.2.3.2钢丝绳的选择根据悬点载荷G=4.53KN来选择钢丝绳的规格。查表1-25（9 P27 ) 619,637类钢丝绳纤维芯。得钢丝绳的公称直径为13mm。单位长度质量是0.63Kg/m。因为悬绳器距底座的距离要大于1.8m，支架的的总高为3.2m。所以，悬绳器的长度取1.2m。钢丝绳需要通过钢丝绳夹使其套在悬挂点上。查表1.28 （9 P30) 钢丝绳夹得使用方法（摘自GB/T5976-1986），得钢丝绳的公称直径d=13mm4，R12，均应滚压加工。查表8.10曲柄销轴与曲柄销轴锥套的配合尺寸（一） （12 P39) 得曲柄销轴的结构尺寸 D=75mm D1=60mm D2=60mm d=M482 L=250mm L1=55mm L2=90mm L3=45mm L4=6mm L5=70mm H=18.5mm b=10mm B=60mm57曲柄销轴轴承型号的选择查表E.1 游梁式抽油机用轴承 （12 P55)得 曲柄销轴轴承型号22312查表6-2-77调心滚子轴承 （13 P6-143)得基本尺寸d=60mm D=130mm B=46mm 58曲柄销锥套的设计 在曲柄销的锥面套有曲柄销锥套，曲柄销锥套的结构如图15 所示，其中，D和D1的公差分别按n6和H8选用。(12 P41) 图15 曲柄销锥套查表B.11曲柄销轴与曲柄销轴锥套的配合尺寸（一）得 D=70mm D1=60mm L=85mm b=10mm图16曲柄销的结构示意59曲柄连接设计强度校核 CYJY8337HB型抽油机曲柄连接图所示，已知曲柄销材料为：，曲柄销锥面大端直径：，曲柄销锥度：，采用螺纹，锥套材料为：号钢，锥套材料为：号钢，锥套外径：，材料的弹性模量： ，泊松比：，曲柄销与锥套的实际配合长度：，曲柄销悬臂长：。 强度校核：(1) 求截面的最大弯矩M： 4-3 其中:， 此时: (2) 求最小结合压力： 取得： 取， (3) 求螺纹预紧力： 4-4 式中：，为锥角。 (4) 求拧紧力矩T： (5) 校核螺纹根部的静强度： 采用螺纹，螺纹小径，材料为，抗拉强度为，根据资料2，取，则有： 显然螺纹根部强度足够。 第6章 支架和支架轴 支架由角钢组焊而成。支架下端与底座连接。支架配有梯子，供安装和检修使用。支架可根据用户要求提供塔式构架。三角支架或三点式支架。本抽油机的设计选用三角式。61支架轴的结构设计 支架轴是用来连接游梁与支架。支架轴的结构设计如图17所示，其中D和D1分别按h11和n6选用。 （12 P39) 图17 支架轴的结构查表B.7游梁与支架轴的安装尺寸 （12 P38） 得D=90mm D1=110mm D2=125mm L=400mm L1=52mm L2=90mm L345mm L4=350mm62支架心轴轴承的选择查表E.1 游梁式抽油机用轴承 （12 P55)得 曲柄销轴轴承型号NJ22E查表6-2-77圆柱滚子轴承 （13 P6-304)得基本尺寸d=110mm D=200mm B=38mm 63支架轴承座的设计 支架轴承座的安装尺寸如图18所示。 图18支架轴与支架的安装图查表B.3支架轴与支架的安装尺寸（12 P32 ) 得H=180mm D=200mm L=320mm B=255mm d=22mm64游梁支承的强度校核 轴的主要功能是支承旋转零件、传递力矩、力和运动。本设计的游梁支承轴主要功能是支承旋转零件。轴的主要材料是经过轧制或锻造而成的优质中碳钢和合金钢。其中最常用的是经调质处理的45号钢；不重要的或受力较小的轴，也可用Q235A制造。对于受载较大的轴的尺寸和重量受到限制，或需要提高轴颈的耐磨性以及处于高温、低温、腐蚀等条件下工作的轴，可采用合金钢，所以只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不经济的。球墨铸铁和一些高强度铸铁，由于它们铸造性能好，减振性能也好，应力集中敏感性能，适应于制造外形复杂的轴，如曲轴、凸轮等。为了提高轴的强度和耐磨性，可对轴进行热处理或化学处理，以及表面强化处理等。本设计中的游梁支承轴选用45号钢，调质处理，HBS为217255。轴的强度计算：(1) 轴的结构(2) 受力分析图19受力分析图 水平面受力分析:图20水平面受力图 对水平面受力分析所得弯矩图：图21弯矩图 垂直面内受力分析图22垂直面内受力图 对应垂直面内受力分析的弯矩： 图23对应垂直面内受力的弯矩图 合成弯矩图：图24合成弯矩图(3) 作弯矩图： 水平弯矩图，垂直弯矩图，合成弯矩图。 水平面最大弯矩： 垂直面最大弯矩： 合成最大弯矩：(4) 强度校核： 从合成弯矩图可知截面A、B处载荷最大，可能是危险截面，下面校核这个截面。 故轴的