抽油机机械系统设计分析及结构设计.docx
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抽油机机械系统设计分析及结构设计
成人高等教育
毕业设计（论文）
题目抽油机机械系统设计分析及结构设计
学生
联系电话
指导教师
教学站点
专业
完成日期
成人高等教育毕业设计（论文）任务书
论文题目
抽油机机械系统设计分析及结构设计
学生姓名
袁北林
教学站
西安联合学院
专业班级
机电专1028121（联合）
内
容
与
要
求
1、坚持理论联系实际
2、立论要科学，观点要创新
3、论据要翔实，论证要充分
4、字数不低于8000字
设计（论文）起止时间
2011年5月1日至2011年6月20日
指导教师签名
学生签名
成人高等教育专科毕业设计（论文）审查意见表
学生姓名
黄天佑
教学站点
西安联合学院
专业、班级
机电专1028121（联合）
论文题目
抽油机机械系统设计分析及结构设计
序号
评审项目
指标
分值
评分
1
工作态度
对待工作严肃认真，学习态度端正。
2
2
能够正确处理工学矛盾，按照要求按时完成各阶段工作任务。
2
1.5
2
工作能力与水平
能够综合和正确利用各种途径收集信息，获取新知识。
1
1
能够应用基础理论与专业知识，独立分析和解决实际问题。
1
0.5
毕业设计（论文）所得结论具有应用或参考价值。
1
1
基本具备独立从事本专业工作的能力。
1
1
3
论文质量
论文条理清晰，结构严谨；文笔流畅，语言通顺。
2
1.5
方法科学、论证充分；专业名词术语使用准确。
2
1.5
设计类计算正确，工艺可行，设计图纸质量高，标准使用规范。
4
工作量
论文正文字数达到8000及以上。
不足8000字的，每少500字扣2分。
8
8
5
论文格式
论文正文字体字号使用正确，图表标注规范。
3
2
论文排版、打印、装订符合《西安石油大学继续教育学院毕业设计（论文）撰写规范》的要求。
6
5
6
创新
工作中有创新意识；对前人工作有改进、突破，或有独特见解。
1
1
是否同意参加评阅（填写同意或者不同意）:
同意
总分
30
26
说明
有下列情况之一的毕业设计（论文）不得参加评阅：
1、毕业设计（论文）选题或内容与所学专业不相符的；2、毕业设计（论文）因1/2以上内容与他人论文或文献资料相同，被认定为雷同的；3、正文字数不足6000字的。
评语：
本论文是在参阅了一定量的文献以及具有一定基础数据的基础上提出的，因而该论文方案的设计据有一定的理论与实践基础，结论也较合理。
在论文中能够应用所学专业理论知识，同时也做到了理论联系实际，具有了一定的专业能力。
论文格式也比较合理，是一篇合格的毕业论文。
指导教师：
年月日
成人高等教育专科毕业设计（论文）评阅意见表
学生姓名
黄天佑
教学站点
西安联合学院
专业、班级
机电专1028121（联合）
论文题目
气动转位系统电磁阀设计
序号
评审项目
指标
满分
评分
1
选题
毕业设计（论文）选题难易程度适中，具有实际或理论意义。
5
2
论文质量
毕业设计（论文）能反映学生对所学的基础理论与专业知识进行综合运用的能力。
5
条理清晰，结构严谨；文笔流畅，语言通顺。
5
方法科学，论证充分；专业名词术语准确。
5
设计类计算正确，工艺可行，设计图纸质量高，标准使用规范。
3
工作量
完成任务书规定的内容。
论文正文字数达到8000及以上。
不足8000字的，每少500字扣5分。
20
4
规范化
论文正文字体字号使用正确，图表标注规范。
10
论文排版、打印、装订符合《西安石油大学继续教育学院毕业设计（论文）撰写规范》的要求。
15
5
创新
对前人工作有改进、突破，或有独特见解
5
总分
70
说明
有下列情况之一的毕业设计（论文）按“0”分记：
1、毕业设计（论文）审查成绩单中的审查成绩栏内为“取消”字样的；2、毕业设计（论文）选题或内容与所学专业不符的；3、毕业设计（论文）因1/2以上内容与他人论文或文献资料相同，被认定为雷同的；4、正文字数不足6000字的。
评语：
评阅人：
年月日
抽油机机械系统设计分析及结构设计
摘要：
针对目前常规游梁式抽油机能耗大的现状，提出一种新型新型曳引节能抽油机。
新型曳引节能抽油机以机架为载体，采用外转子稀土永磁同步电机为动力，由变频控制器提供变频后的低频电流供给外转子稀土永磁同步电机，使电机在超低转速下输出大扭矩。
通过改变电流的频率可以改变电机的转速；改变电流的方向可以改变电机的转向。
电机直接驱动安装在两侧的曳引轮，依靠正压力和摩擦力带动钢丝绳及动滑轮悬点载荷和配重作往复运动，进而带动抽油杆和抽油泵采油。
在本文中，首先对新型曳引节能抽油机进行了运动学和动力学分析，得到了悬点速度、加速度和载荷的计算公式，并设计了新型曳引节能抽油机的整体结构。
由于使用了高效的永磁同步电动机，减少了电机损耗，也提高了系统的总体效率。
最后对新型曳引节能抽油机的零部件进行了设计，并绘制了装配图和零件图。
关键词：
新型抽油机；曳引；节能；结构设计
Kinematicanalysisofanewtractoroilpumpandstructuraldesign
朗读
显示对应的拉丁字符的拼音
字典
Abstract:
Inviewofthepresentregularbeampumpingunitofthestatusoflargeenergyconsumption,andputforwardtoanewkindofnewtractionenergysavingpumpingunit.Newtractionenergysavingpumpingunitregardsframeasthecarrier,usingexteriorrotorrareearthpermanentmagnetsynchronousmotor,whichpoweredbyfrequencyconversioncontroller,thelowfrequencycurrentprovidesfrequencysupplyofrareearthpermanentmagnetsynchronousmotorrotor,producingmotorinultra-lowratetorqueoutput.Changingthecurrentfrequencycanchangethemotorrate,thedirectionoftheelectriccurrentcanbechangedtoturnmoteraround.Directdrivemotorisinstalledintheside'stractivesheave,relyingonthepositivepressureandfrictiondrivesteelwire,andDongHuaLunsuspendedpointloadandbalance,andthenmakereciprocatingmovementdrivensuckerrodandpumpoilproduction.
Inthispaper,regardtonewtractionenergy-savingbeampumpingunitkinematicsanddynamicsanalysis,wecangetsuspendedpointvelocity,accelerationandloadformula.Finally,wedesignedanewtractionofoverallstructuretotheenergysavingpumpingunit.Byusingefficientpermanentmagnetsynchronousmotor,itcanreducelossofmotor,andimprovesthesystemoverallefficiency.Finally,thenewtractoroilpumppartsweredesigned,andmappedtheassemblyandpartdrawings
Keywords:
NewTypeOilPumpingUnit;EtherDrag;EnergyConservation;StructuralDesign
1绪论
1.1本文研究意义
常规游梁式抽油机自诞生以来，历经百年使用，经历了各种工况和各种地域油田的考验，经久不衰。
目前仍在国内外油田普遍使用。
常规机以其结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。
但是由于常规游梁式抽油机的结构特征，决定了它平衡效果差，曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩、载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。
它耗能高，操作调整难度大，很难保持最佳工作状态，早在40年前石油界就呼唤新型抽油机替代它。
游梁式抽油机四连杆结构的运动方式，决定了它的平衡方式，不可能回收利用光杆下落的重力功，储存能量，解决机构运动“跟踪平衡”问题，所以负荷大、能耗高，机械效率低。
在采油成本中，抽油机电费占30％左右，年耗电量占油田总耗电量的20～30％，为油田电耗的第二位，仅次于注水。
为实现节能减排，提高抽油机生产的经济性，本文提出了一种新型曳引节能抽油机方案，该抽油机是由外转子稀土永磁同步电机、井架装置、旋转移动装置、平衡装置、电器控制柜防盗装置构成，该型抽油机删减了传统抽油机的减速箱、曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头等机构，利用外转子壳电机作为带轮直接带动柔性索带进行抽油，具有节能、环保、高效、自动控制、低成本等显著特点。
它的工作原理是利用低转速大力矩电机外转子的转动直接带动抽油杆采油，它的正反转是由变频器和可控硅按照预先人为设定的时间间隔自动控制的。
由于该项目抽油机删除了大量附属机构，因此，结构特别简单、运输非常方便，机械效率特别高、节电、节约钢材、降低制造成本，从而达到减小动力配置、节约能源的目的。
新型曳引节能抽油机节能、减排、高效、经济，特别适合长冲程、低冲次油井稠油的采吸，能够显著提高生产的经济性。
1.2国内外抽油机研究现状及发展趋势
在油田上，最常见的就是抽油机，“抽油机的结构是否可靠”、“运行是否稳定”、“操作是否方便”都影响着油田采油的顺利进行。
如今，国内外的抽油机研究现状、发展趋势是怎样的？
1.2.1国内外抽油机研究现状
目前，世界上生产抽油机的国家主要有:
美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等。
全世界生产抽油设备的公司有300多家，其中生产抽油机的公司有150多家。
美国生产的抽油机品种最多，技术最先进，应用范围最广泛。
其中包括液压抽油机、梅普长冲程抽油机、柔性件传动抽油机等等。
我国抽油机制造业已经有50多年历史，经过了进口修配、仿制试制、设计研制三个阶段。
50年代以前以进口为主，修配为辅。
60-70年代在仿制的基础上进行试制。
1975年制定国产抽油机的基本型式和参数，1981年制定了抽油机结构尺寸及技术条件，从此开始自行设计，研究制造国产抽油机，逐渐实现国产化，不仅满足自给，而且还部分出口。
目前，我国已经有兰州石油机械厂、兰州通用石油机械厂、宝鸡石油机械厂、第二石油机械厂、第三石油机械厂、第四石油机械厂、江汉石油机械厂、抚顺石油机械厂、大庆总机厂、玉门总机厂、大港总机厂等30多家抽油机制造厂。
兰石、兰通等石油机械厂先后获得I商标使用许可证，抽油机出口美国，从而使抽油机打入国际市场，跻身于世界先进行列。
我国无游梁式抽油机研制起步较晚，但是近年来发展较快。
1.2.2国内外抽油机发展趋势
我国抽油机技术起步较晚，特别是近年来我国各主力油田要求的大负荷、长冲程、低冲次的抽油机的研究工作才刚刚开始。
为了满足油田的需要，各抽油机制造厂和科研部门纷纷进行节能型抽油机的研制工作，出现了大量的新型抽油机。
国外各大石油公司研究开发了各种新型抽油机，为更经济有效地开采石油做出了卓越贡献。
在新型抽油机中，长冲程抽油机品种最多，占有更大的比例，具有较好的抽油性能、提高石油产量、降低采油成本、提高经济效益等优点。
根据技术发展预测结果，在今后很长一段时期内，长冲程抽油机仍将是世界抽油机发展的主流和方向，长冲程抽油机将会有更大的发展。
抽油机的发展趋势主要朝以下几个方向：
（1）品种多样化
国外相继研制和陆续投入使用的各种抽油机多达百余种，我国目前现场使用的抽油机只有五大类，规格不过十几种。
随着科学技术发展和现场实际需要，我国三抽品种将逐渐增多，新型品种将相继诞生，尤其结构简单，个小体轻的大吨位长冲程的新型无游梁式抽油机，定会有以大发展。
（2）产品系列化、标准化、通用化
前苏联、美国、罗马尼亚等国“三化”工作获得一定技术成果,但我国的抽油机尚不够瞄准世界先进水平,向API靠近。
统一国产抽油机标准，是发展我国抽油机技术的当务之急。
（3）使用科学化
美国拉夫金公司抽油机可选型号有60余种。
而我国可选型号只有十几种。
现场在用的抽油机，大多数是在非优化工况下运转，电机功率、减速器扭矩、悬点负荷、平衡扭矩、冲程、冲次等主要技术参数，未能实现最合理分配，因此，抽油机的优化技术、诊断技术、监控技术、管理技术将有待于进步发展。
（4）特殊工况抽油机研制
随着我国石油工业发展战略西部转移，沙漠抽油机、浅海滩涂抽油机、深井及超深抽油机、丛式井及斜井抽油机，将相应得到发展
（5）结构型式的改进
有关专家指出，今后在我国10型以下的抽油机将大量采用偏置结构，12型、14型抽油机将采用前置结构。
14型以上抽油机将采用无游梁式抽油机，现有常规抽油机亦应进一步设计优化技术改造，长冲程抽油机将是今后抽油机发展方向。
（6）推广无游梁式抽油机
长冲程、大排量、重负荷有杆抽油是我国机采发展的主要方向，80年代以来，各种无梁式抽油机相继问世并投入使用，标志着我国有杆抽油机技术的发展有一个很高的提高。
相关专家指出，今后我国12型以上抽油机将采用无梁式抽油机。
无梁式在实现长冲程、大排量、重负荷的同时，还有体积小、重量轻、动载小、耗能低等一系列特点。
（7）节能技术的研究
近几年来，抽油机节能技术越来越引起人们的重视，除改进机采工作制度之外，在节能优化设计和节能技术改造方面，有许多工作可做，实施节能技术措施，推广节能技术将进一步发展。
如采取甚高转差率电动机，采用节能监控装置，采用节能传动件和节能部件改进结构形式和改进平衡形式。
本课题正符合国内外研究趋势，通过改变常规游梁抽油机的平衡形式和结构形式，达到降低配置，节省能耗目的。
1.3研究内容及方法步骤
本论文设计需要解决的重点问题就是如何设计新型曳引节能抽油机的结构，使整个抽油机的结构合理，并能够相应地降低能耗。
主要包括：
（1）认真查阅、收集资料，深刻理解论文所要设计的内容，在此基础上完成开题报告；
（2）分析目前常规游梁式抽油机的缺点，提出新型曳引节能抽油机的总体结构设计方案；
（3）根据提供的原始数据，并查阅相关资料，对抽油机运动学及动力学进行分析，得到悬点速度、加速度的公式，计算抽油机悬点动载荷，根据研究结果说明该抽油机的优越性；
（4）设计曳引节能抽油机的机械结构，对主要零部件的性能进行校核；
（5）画出装配图及零件图。
本次设计为新型曳引节能抽油机运动学分析及结构设计，设计的步骤方法如下：
（1）首先了解常规游梁式抽油机的工作原理、结构特点，并进行新型曳引节能抽油机结构方案设计；
（2）通过对新型曳引节能抽油机传动原理的分析，推导悬点速度、加速度等参数和抽油机其它参数的运动学方程；
（3）确定悬点的动载荷、静载荷，选择电动机；
（4）对传动系统进行结构设计；
（5）对新型曳引节能抽油机进行结构设计；
（6）对抽油机零部件进行结构设计；
（7）绘制新型曳引节能抽油机的装配图；
（8）绘制主要零部件的零件图。
1.4创新点
新型曳引节能抽油机取消了四连杆机构、带传动及减速箱（减速箱、曲柄销及带传动等部件是游梁式抽油机的易损件及故障多发部件），使主体结构更趋于简单，而且质量轻、占地面积小、调参方便、易于操作。
动力系统采用了外转子稀土永磁同步电机，该电机驱动抽油机可减少转换机构,提高整机的系统效率,同时为加大冲程、提高抽油机的生产能力、减轻重型抽油机的重量提供了良好条件。
本文设计了：
（1）设计了新型曳引节能抽油机的结构；
（2）对新型曳引节能抽油机进行运动学、动力学分析；
（3）对新型曳引节能抽油机零部件进行结构设计。
1.5研究进度
这次毕业设计的时间为2011年2月21日至2011年6月3日，结合导师的要求和自身的实际情况，决定以下设计进度：
第一阶段：
1周-3周熟悉论文题目，查找资料，完成开题报告和英文翻译；
第二阶段：
4周-10周推导运动学方程，设计传动系统结构、抽油机结构及各零部件结构；
第三阶段：
11周-14周绘制图纸，撰写论文；
第四阶段：
15周-16周准备答辩。
2新型曳引节能抽油机工作原理及结构特点
2.1常规型游梁式抽油机工作原理及结构特点
图2-1常规型游梁式抽油机图片
图2-2常规型游梁式抽油机结构简图
1-底座；2-支架；3-悬绳器；4-驴头；5-游梁；6-横梁轴承座；7-横梁；8-连杆；9-曲柄销装置；10-曲柄装置；11-减速器；12-刹保险装置；13-刹车装置；14-电动机；15-配电箱。
常规型游梁式抽油机由底座、支架、悬绳器、驴头、游梁、横梁轴承座、横梁、连杆、曲柄销装置、曲柄装置、减速器、刹车保险装置、刹车装置、电动机、配电箱组成。
抽油机工作时，电动机（14）转速通过三角皮带带动减速箱（11）减速后，由四连杆机构（曲柄（10）、连杆（8）、横梁（7）、游梁（5））把减速箱输出轴的旋转运动变为游梁驴头（4）的往复运动。
用驴头（4）带动抽油杆做上下往复的直线运动。
通过抽油杆再将这个运动传给井下抽油泵的柱塞。
在抽油泵泵筒的下部装有固定阀（吸入阀），而在柱塞上装有游动阀（排出阀），当抽油杆向上运动，柱塞做上冲程时，固定阀打开，泵从井中吸入原油。
同时，由于游动阀关闭，柱塞将上面的油管中的原油上举到井口，这就是抽油泵的吸入过程。
当抽油杆向下运动，柱塞做下冲程时，固定阀关闭而游动阀打开，柱塞下面的油通过游动阀排到它的上面。
这就是抽油泵的排出过程。
其结构简图如图2.2。
常规型游梁式抽油机结构特点：
支架支撑在游梁中部，曲柄连杆机构和减速器位于支架的后面；曲柄轴中心基本位于游梁尾轴承的正下方。
这样，工作时上下冲程的时间（或曲柄转角）相等。
2.2新型曳引节能抽油机工作原理
由于常规游梁式抽油机受四连杆机构和减速机的限制，存在平衡效果差、惯性载荷大、传动效率低、能耗大等弊端。
新型无齿轮曳引式抽油机采用全新的工作原理，在变频控制方面采用多项高新技术，改变了传统抽油机的运动机理，是一种新型无游梁曳引式抽油机。
新型曳引节能抽油机的结构如图2-3所示。
新型曳引节能抽油机的工作原理：
新型曳引节能抽油机是以机架为载体，改变了过去抽油杆由三相交流异步电动机转经四连杆机构和减速机变为直线运动的方法，通过低速大转矩永磁同步电动机直接驱动负载，取消减速机，将低速大转矩永磁同步电动机的旋转运动直接转化为抽油杆的直线往复运动，由变频控制器提供变频后的低频电流供给外转子稀土永磁同步电机，实施运行控制和换向控制，电机直接驱动安装在电机两侧的曳引轮、钢丝绳从电机的曳引轮上绕过，前端通过导轮、动滑轮与悬点载荷连接，后端与动滑轮平衡块连接，电机得电后带动外转子及曳引轮一起运转，同时带动钢丝绳及悬点载荷、平衡块上下相对运动，当平衡块到达上止点或下止点时，与固定在那里的位置传感器相接触，传感器将转向信号传输到控制系统，控制系统迅速发出减速、停车、反向送电的指令，使电机减速、停车、反向运转，如此循环，抽油机带动抽油杆和抽油泵抽吸原油。
运转时安装在外转子电机轴端的速度传感器随时采集电机的运转速度，当速度超过或低于规定速度时，可及时通过变频器控制频率的增减使电机始终在允许范围内运转。
新型曳引节能抽油机正常抽油工作时,电机通过驱动绳绕过曳引轮和滑轮,带动悬绳器及抽油杆上下运动,完成抽油过程。
图2-3抽油机、抽油杆和抽油泵的相互位置关系
抽油机由电动机驱动，经减速传动系统和执行系统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。
悬点载荷P、抽油杆冲程S和冲次n是抽油机工作的三个重要参数。
悬点指执行系统与抽油杆的联结点，悬点载荷P（kN）指抽油机工作过程中作用于悬点的载荷；抽油杆冲程S（m）指抽油杆上下往复运动的最大位移；冲次n（次/min）指单位时间内柱塞往复运动的次数。
图2-4新型曳引节能抽油机电机运动加速示意图
按静载荷计算其工作原理如下：
上行程：
①光杆载荷=抽油杆重量+液柱载荷
②平衡重=抽油杆重量+半个液注的载荷，靠自重下行做功
③此时动子下行拉力只有半个液柱载荷
下行程：
①光杆载荷=抽油杆重量，靠自重下行做功
②钢丝绳拉动平衡箱上行
③钢丝绳拉力仍是半个液柱载荷
在上下死点附近增加较小的动载荷及惯性载荷，直线电机如此往复运动，带动深井泵抽油
2.3新型曳引节能抽油机结构特点
新型曳引节能抽油机主要由机架及移动系统、动力系统、牵引系统、控制系统、配重平衡系统、安全系统等组成，如图2-5。
图2-5新型曳引节能抽油机结构简图
1-悬绳器；2-钢丝绳；3-导轮；4-稀土永磁同步电机；5-动滑轮；6-配重；7-机架；8-控制系统；9-安全制动系统；10-机座
2.3.1动力系统
动力系统是低速大转矩外转子稀土永磁同步电机。
近年来永磁材料在研究开发上取得了重大进展，这样永磁同步电动机有了迅速的发展。
不仅小功率的永磁同步电动机品种繁多，而且容量较大的、百千瓦级的永磁同步电动机也开始生产。
外转子稀土永磁同步电机由外转子、内定子、电机轴、电机座等构成。
该电机的结构型式正好与传统电机的定子和转子相反，是将外转子稀土永磁同步电机的定子绕组固定在电机轴上，并将电机轴两端固定在机座E，永磁磁钢（性能良好的钕铁硼永磁材料）安装在外转子内壁上，在定子与外转子之间安装轴承和端盖。
其工作原理是当定子线圈通以交流电时，在定子与转子之间的气隙产生一个旋转磁场，由于定子固定不动，根据作用力与反作用力相等原理，即F—F7，外转子在旋转磁场作用下产生旋转，形成输出力矩。
根据n=60×f／P，若改变电机的电流频率f，便可以控制电机转速n；若改变供电电流的方向，便可使电机反转。
因此，该电机在控制系统作用下不仅可以正、反转，而且可以超低速运转，输出力矩，无需中间传动机构——减速机便可带动抽油杆、抽油泵抽油。
图2.3为外转子电机外形。
图2-6外转子稀土永
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