JY1001 机械原理课程设计抽油机系统设计1.docx

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JY1001机械原理课程设计抽油机系统设计1

机械原理课程设计说明书

设计题目：

抽油机机械系统设计

院系：

XX学院

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

XXXX班

设计者：

XXX

指导老师：

XXX

日期：

20XX年XX月XX日

一、机械原理课程设计概述

1.1机构机械原理课程设计的目的

机械原理课程设计是高等工业学校机械类专业学生第一次较全面的机械运动学和动力学分析与设计的训练，是本课程的一个重要实践环节。

其基本目的在于：

●进一步加深学生所学的理论知识，培养学生独立解决有关本课程实际问题的能力。

●使学生对于机械运动学和动力学的分析设计有一较完整的概念。

●使学生得到拟定运动方案的训练，并具有初步设计选型与组合以及确定传动方案的能力。

●通过课程设计，进一步提高学生运算、绘图、表达、运用计算机和查阅技术资料的能力。

1.2机械原理课程设计的任务

机械原理课程设计的任务是对机械的主体机构（连杆机构、凸轮机构、齿轮机构以及其他机构）进行设计和运动分析、动态静力分析，并根据给定机器的工作要求，在此基础上设计凸轮、齿轮；或对各机构进行运动分析。

要求学生根据设计任务，绘制必要的图纸，编写说明书。

1.3机械原理课程设计的方法

机械原理课程设计的方法大致可分为图解法和解析法两种。

图解法几何概念较清晰、直观；解析法精度较高。

根据教学大纲的要求，本设计主要应用图解法进行设计。

二、设计任务要求

抽油机是将原油从井下举升到地面的主要采油设备之一。

常用的有杆抽油设备由三部分组成：

一是地面驱动设备即抽油机；二是井下的抽油泵，它悬挂在油井油管的下端；三是抽油杆，它将地面设备的运动和动力传递给井下抽油泵。

抽油机由电动机驱动，经减速传动系统和执行系统（将转动变换为往复移动）带动抽油杆及抽油泵柱塞作上下往复移动，从而实现将原油从井下举升到地面的目的。

整体工作原理见图1：

图1

悬点—执行系统与抽油杆的联结点

悬点载荷P（kN）—抽油机工作过程中作用于悬点的载荷

抽油杆冲程S（m）—抽油杆上下往复运动的最大位移

冲次n（次/min）—单位时间内柱塞往复运动的次数

图2

悬点载荷P的静力示功图（图2）——在柱塞上冲程过程中，由于举升原油，作用于悬点的载荷为P1，它等于原油的重量加上抽油杆和柱塞自身的重量；在柱塞下冲程过程中，原油已释放，此时作用于悬点的载荷为P2，它就等于抽油杆和柱塞自身的重量。

假设电动机作匀速转动，抽油杆（或执行系统）的运动周期为T。

选择油井工况为：

表1.油井工况

上冲程时间

下冲程时间

冲程S（m）

冲次n（次/min）

悬点载荷P（KN）

8T/15

7T/15

1.1

11

1.根据任务要求，进行抽油机机械系统总体方案设计，确定减速传动系统、执行系统的组成，绘制系统方案示意图；

2.根据设计参数和设计要求，采用优化算法进行执行系统（执行机构）的运动尺寸设计，优化目标为抽油杆上冲程悬点加速度为最小，并应使执行系统具有较好的传力性能；

3.建立执行系统输入、输出（悬点）之间的位移、速度和加速度关系，并编程进行数值计算，绘制一个周期内悬点位移、速度和加速度线图（取抽油杆最低位置作为机构零位）；

4.机构静态分析，通过建立机构仿真模型，并给系统加力。

编制程序，打印外加力曲线，并求出最大平衡力矩和功率；

5.编写设计说明书一份，应包括设计任务，设计参数以及设计过程。

根据任务要求，进行抽油机机械系统总体方案设计，确定执行系统和减速系统的组成。

三、执行机构的选择和比较

抽油机作为一种将原油从井下举升到地面的主要采油设备，常用的有杆抽油设备由三部分组成：

一是地面驱动设备即抽油机；二是井下的抽油泵，它悬挂在油井油管的下端；三是抽油杆，它将地面设备的运动和动力传递给井下抽油泵。

因此在保证其能够正常工作的同时，还必须保证整个抽油机具有很高的传动性能以及比较精确的运动。

所以在设计整个抽油机系统时，对执行机构的选择尤为关键。

执行机构的选择不仅要保证其有确定的运动以及良好的运动性能，而且要尽可能的减少系统的额外功。

并且为了满足设计需要，在设计时应满足：

输入—连续单向转动

输出—往复移动

输入、输出周期相同，输入转一圈的时间有急回。

我们在设计和选择执行机构的过程中，设计了三种执行机构的方案，并针对每个机构的优缺点做出了一定的评价。

综合考虑了各个优缺点，选择了最终的执行机构方案。

3.1方案一

方案一原理图见图3

图3

在此方案中，我们使用凸轮转动时的位移的不同，使连杆上下摆动，达到既定的设计要求。

优点：

整个执行机构设计复杂性低，符合简明的设计理念；机构采用凸轮的转动来带动抽油杆的摆动；整个机构的机械效率高，所做的额外功小。

缺点：

有计算可得到此机构的自由度为2，这说明了此机构没有准确的运动；机构中使用了凸轮和连杆接触。

点和面的接触使机构易磨损，会缩短机器的寿命。

3.2方案二

方案二原理图见图4。

图4

在此方案中，我们使用凸轮转动时的位移的不同，使连杆上下摆动，用固定的滑块确定竖直杆的运动方向。

可计算自由度

。

优点：

整个执行机构设计复杂性低，符合简明的设计理念；机构具有确定的运动，保证了抽油机的正常工作。

缺点：

机构中使用了凸轮和连杆接触。

点和面的接触使机构易磨损，会缩短机器的寿命；机构中使用的构件和铰链数多，大大减小了机械效率。

3.3方案三

方案三机构原理图见图5。

图5

在此方案中，我们使用简单的曲柄摇杆机构来作为执行机构，设计简单，有确定的运动，并且较前两种方案有更高的机械效率，因为在机构中构件数较少。

所以在执行机构的选择中，我们综合各个方案的优缺点而选择方案三。

四、主要机构设计

4.1设计分析

根据以上我们选择的方案，我们选用“四连杆（常规）式抽油机”机构。

机构原理图见图6。

在此机构中，我们在保证其具有正常运动时，还要使机构不会存在能量浪费的情况，所以，在设计时，我们在保证输入、输出周期相同时，还要求输入转一圈的时间有急回。

整个机构的简化图见图7。

图6

图7

设计要求抽油杆上冲程时间为8T/15，下冲程时间为7T/15，则可求得行程速比系数：

K=V

/

=

=8T/15/7T/15=1.4286

由θ=180

（K-1）/（K+1）可得θ=

。

在原有的基础上作出四杆机构运动分析图见图8：

图8

则由此可找出曲柄摇杆机构摇杆的两个极限位置：

CD顺时针摆动——C1→C2，上冲程（正行程），P1，

=192°，慢行程，B1→B2；

CD逆时针摆动——C2→C1，下冲程（反行程），P2，

=168°，快行程，B2→B1。

曲柄转向应为逆时针，则有：

   a2+d2>b2+c2 

在设计连杆执行机构是要考虑到设计约束：

（1）   极位夹角：

（2）行程要求：

查手册有通常取e/c=1.35。

所以S=eψ=1.35cψ

（3）最小传动角要求：

（4）其他约束

整转副由极位夹角保证。

各杆长大于0。

其中极位夹角约束和行程约束为等式约束，其他为不等式约束。

4.2基本设计

若以ψ为设计变量，因S=1.35cψ，则当取定ψ时，可得c。

根据c、ψ作图，根据θ作圆η，其半径为r。

图形见图9。

图9

各式表明四杆长度均为Ψ和β的函数：

所以取Ψ和β为设计变量。

根据工程需要：

4.3优化计算

①.在限定范围内取ψ、β，计算杆a、b、c、d的尺寸；

②.判断最小传动角；

③.取抽油杆最低位置作为机构零位：

曲柄转角β=0，悬点位移S=0，求上冲程曲柄转过某一角度时摇杆摆角、角速度和角加速度α3（可按步长0.1°循环计算）；

④.保证抽油杆上冲程悬点加速度最小，并应使机构有较好的传动性能。

对于四杆机构，已知杆长为a,b,c,d，原动件a的转角

及等角速度为

（

n为执行机构的输入速度），通过matlab编程可优化求得：

c=1037.5，a=383.9，b=1040.5，d=1568.7

五、机构运动分析

由以上计算结果，经过matlab进行编程计算、绘图可得到在一个周期内的位移与ψ之间的关系图、速度与ψ之间的关系图以及加速度与ψ之间的关系图，分别见下图：

图10

图11

图12

六、原动机的选择

经matlab分析可得到机构在一个周期之内的最大速度

。

考虑到该系统的功率大，且总传动比大。

减速传动系统方案很多，以齿轮减速器减速最为常见且设计简单，有时可以综合带传动的平稳传动特点来设计减速系统。

在这里我选用带传动加上齿轮二级减速。

由电机至抽油杆总的传动效率为：

其中

、

、

以及

分别表示带传动、轴承、齿轮传动和连杆执行机构传动的传动效率。

分别取值为0.94、0.98、0.97、0.90。

则整体机构的效率为：

0.76

。

则电动机所需工作功率

综上所述：

电机的选定：

三相异步电机

额定功率：

42KW

转速：

1100r/rad

七、传动机构的选择与比较

考虑到该系统的功率大，且总传动比大。

减速传动系统方案很多，以齿轮减速器减速最为常见且设计简单，有时可以综合带传动的平稳传动特点来设计减速系统。

在这里我选用带传动加上齿轮二级减速。

根据手册推荐的传动比合理范围，取V带传动的传动比为

，二级圆柱齿轮减速器传动比

，则总传动比的合理范围为

，故电机转速可选范围为

r/min。

故初选择电机转速为1100r/min。

确定装置的总传动比以及分配传动比：

分配传动比，初选皮带传动

，则有

有机械手册查的齿轮减速器的高速级

，则二级减速器传动比为

。

综合以上的计算可以得到：

减速系统的选定：

齿轮二级减速加皮带传动，传动比：

3.98

八、机构循环图

根据以上执行机构，曲曲柄为定标件。

当柱塞在整个油泵最低处时，取曲柄转角为0°。

当完成一个周期运动时，取曲柄转角位360°。

由此可画的工作循环图见图14

图14

九、设计总结与心得体会

我们的设计在整体上来说还是比较合理的，虽然在一些地方存在着一些瑕疵。

经过这次的机械原理课程设计，我们巩固了课本的知识，并在原有的基础上深化了所学的知识，对一些机构的理解得到了大大提高。

在这次的设计过后明白了，以前学习的东西并不是都掌握了，很多的知识在学习之后都不能够很好的运用到实际中去，经过这次的设计让我对机械原理的学习有了一个新的方向。

总的来说，这次的设计让我们学到了很多的东西，很有意义。

十、参考文献

【1】许毓潮等.《机械设计与制造工艺简明手册》，中国电力出版社，1998

【2】孙桓．《机械原理》，高等教育出版社，1959

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