抽油机课程报告抽油机方案设计论文.docx

1、抽油机课程报告抽油机方案设计论文机械原理课程设计报告抽油机方案设计目录：1.设计任务. 32.设计容. 43.方案分析. 4 4.设计目标. 55.设计分析. 66.电机选择. 97.心得与总结 118.附 录. 12一、设计任务：抽油机机械系统设计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主要由三部分组成：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。三部分之间的相互位置关系如图1所示。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与抽油泵柱塞作上下往复移动，从而实现将原油从井下举升

2、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)指单位时间柱塞往复运动的次数。假设悬点载荷P的静力示功图如图2所示。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。图1 抽油机系统示意图 图2 静力示功图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

3、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)单位时间柱塞往复运动的次数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。油井工况为：上冲程时间下冲程时间冲程S(m)冲次n(次/min)悬点载荷P(N)8T/157T/151.612二、设计容：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

4、速度关系，并编程进行数值计算，绘制一个周期悬点位移、速度和加速度线图(取抽油杆最低位置作为机构零位)。4. 选择电动机型号，分配减速传动系统中各级传动的传动比，并进行传动机构的工作能力设计计算。5. 编写机械设计课程设计报告。三、方案分析：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。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。这里选用带传动加上齿轮二级减速。执行系统方案设计：输入连续单向转动；输出往复移动输入、输出周期一样，输入转1圈的时间有急回。常见可行执行方案

5、有很多种，这里选用“四连杆式抽油机”机构。四、设计目标：以上冲程悬点加速度为最小进行优化，即摇杆CD顺时针方向摆动过程中的max最小，由此确定a、b、c、d。五、设计分析：执行系统设计分析：一周期运动循环图 设计要求抽油杆上冲程时间为8T/15，下冲程时间为7T/15，则可推得上冲程曲柄转角为192，下冲程曲柄转角为168。找出曲柄摇杆机构摇杆的两个极限位置。CD顺时针摆动C1C2，上冲程 ( 正行程 ) ， P1 ，=192，慢行程，B1 B2；CD逆时针摆动C2C1，下冲程 ( 反行程 ) ， P2 ，=168，快行程，B2 B1。 = 。曲柄转向应为逆时针，型曲柄摇杆机构 a2 + d

6、2 b2 + c2设计约束：(1) 极位夹角（2）行程要求通常取e/c=1.35 S = e =1.35c(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。型曲柄摇杆机构的设计：若以为设计变量，因S=1.35c，则当取定时，可得c。根据c、作图，根据作圆，其半径为r。各式表明四杆长度均为和的函数max=180（90/2）90/2取和为设计变量根据工程需要：优化计算：.在限定围取、，计算c、a、d、b，得曲柄摇杆机构各构件尺寸；.判断最小传动角；.取抽油杆最低位置作为机构零位：曲柄转角=0，悬点位移S=0，求上冲程曲柄转过

7、某一角度时摇杆摆角、角速度和角加速度（可按步长0.5循环计算）；.找出上冲程过程中的最大值max。对于II型四杆机构，已知杆长为a,b,c,d，原动件a的转角与等角速度为(,n 为执行机构的输入速度). 从动件位置分析（如图所示），为AD杆的角度机构的封闭矢量方程式为：（1.1）欧拉公式展开令方程实虚部相等（1.2）消去得，（1.3）其中又因为代入（1.3）得关于的一元二次方程式，解得（1.4）B构件角位移可求得 （1.5）速度分析对机构的矢量方程式求导数得（1.6）将上式两边分别乘以或得或（1.7）（1.8）加速度分析将（1.6）式对时间求导得（1.9）对上式两边同乘或得或应用网格法编程计算

8、可得（具体程序见附录）a=0.5584，b=1.5135, c=1.5090,d=2.2817则e=1.6/0.7854=2.0372六、电机选择：Matlab分析，悬点最大速度在上冲程且max=0.4872rad/s，则max=0.9926m/s。根据工况初采用展开式二级圆柱齿轮减速，联合V型带传动减速，选用三相笼型异步电机，封闭式结构，电压380VY型由电机至抽油杆的总传动效率为：其中，分别为带传动、轴承、齿轮传动、联轴器和四连杆执行机构的传动效率。取0.94 3，取0.98 7，取0.97，取0.99，取0.91。预选滚子轴承，8级斜齿圆柱齿轮，考虑到载荷较大且有一定冲击，两轴线同轴度对

9、系统有一定影响，可考虑用齿轮联轴器。则则电动机所需工作功率根据手册推荐的传动比合理围，取V带传动的传动比为，二级圆柱齿轮减速器传动比，则总传动比的合理围为，故电机转速可选围为Nd=ia*n=(16160)14=2242240r/min符合这一围的同步转速有750，1000，1500 r/min考虑速度太小的电机价格、体积、重量等因素，不宜选取比较后综合考虑，选定960r/min的电动机。确定传动装置的总传动比和分配传动比分配传动比，初选V带，以致其外廓尺寸不致过大， 则减速器传动比为 则展开式齿轮减速器，查手册,取高速级，则计算传动装置的运动和动力参数将传动装置各轴由高速至低速依次定为I、II

10、、III轴以与为相邻两轴间的传动比为相邻两轴间的传动效率为各轴的输入功率（kW）为各轴的输入转矩（kW）为各轴的转速（r/min）则各轴转速：I轴II轴III轴曲柄转轴各轴输入功率：I轴II轴III轴 曲柄转轴各轴输入转矩：电机输出转矩I轴II轴III轴曲柄转轴七、心得与总结：十几天的机械原理课程设计结束了。从开始直到设计基本完成，我有许多感想。我深切的感觉到，在这次设计中也暴露出我们的许多薄弱环节，很多学过的知识不能灵活应用，在这次作业后才渐渐掌握，以前学过的东西自己并不是都掌握了，很多知识都已很模糊，经过这次设计又回忆起来了。做作业的期间用到的手工制图又得到了巩固，SOLIDWORKS画图

11、软件也在不断练习中进一步深入，学会了如何去应用工程手册。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要与时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。八、附录1优化设计程序%找出最优的四杆杆长syms Q1 Q2 P1; % Q1为，Q2为，P1为曲柄转角P=0:0.5*pi/180:192*pi/180;Qu1=45*pi/180:0.1*pi/180:55*pi/180;xm=inf;for i=1:length(Qu1); Q1=Qu1(i); Qu2=5*pi/180:0.1*pi/180:(pi/2-pi/9-Q1/2-5*pi/180)

12、; for j=1:length(Qu2); Q2=Qu2(j); c=1.6/1.35/Q1; a=c*sin(Q1/2)*(sin(Q2+pi/15)-sin(Q2)/sin(pi/15); b=c*sin(Q1/2)*(sin(Q2+pi/15)+sin(Q2)/sin(pi/15); r=c*sin(Q1/2)/sin(pi/15); g=(c*sin(pi/15+Q1/2)/sin(pi/15); d=sqrt(r2+g2-2*r*g*cos(2*Q2+pi/15); m=pi-acos(b2+c2-(a+d)2)/2/b/c); if m40*pi/180; %判断传动角条件 x=

13、0; for k=1:length(P); P1=P(k); P4=acos(d2+(a+b)2-c2)/2/d/(a+b); A=d*cos(P4)-a*cos(P1); B=d*sin(P4)-a*sin(P1); D=(A2+B2+c2-b2)/(-2)/c; P3=2*atan(B+sqrt(A2+B2-D2)/(A-D); P2=atan(b-c*sin(P3)/(A-c*cos(P3); w1=2*12*pi/60; w3=w1*a*sin(P1-P2)/c/sin(P2-P3); w2=w1*a*sin(P1-P3)/b/sin(P3-P2); x3=(-b*w22-a*w12*

14、cos(P1-P2)-c*w32*cos(P3-P2)/c/sin(P3-P2); if abs(x3)x; x=abs(x3); %求出该种情况的最大角速度 end; end; if xxm; %找出最优方案 xm=x; %最大加速度 n1=Q1; % n2=Q2; % end; end; end;end;%运行结束后，输入a,b,c,d表达式即可求解c=1.6/1.35/n1a=c*sin(n1/2)*(sin(n2+pi/15)-sin(n2)/sin(pi/15)b=c*sin(n1/2)*(sin(n2+pi/15)+sin(n2)/sin(pi/15)r=c*sin(n1/2)/s

15、in(pi/15);g=(c*sin(pi/15+n1/2)/sin(pi/15);d=sqrt(r2+g2-2*r*g*cos(2*n2+pi/15)%运行结果为c=1.5090 a=0.5584 b=1.5135 d=2.28172.绘出位移、速度、加速度图%建立fun.m文件function PP3=fun(P1) %代替a=0.5584;b=1.5135;c=1.5090;d=2.2817;e=2.0372;P4=acos(d2+(a+b)2-c2)/2/d/(a+b);A=d*cos(P4)-a*cos(P1);B=d*sin(P4)-a*sin(P1);D=(A2+B2+c2-b2

16、)/(-2)/c;P3=2*atan(B+sqrt(A2+B2-D2)/(A-D);PP3=(pi-acos(c2+(b+a)2-d2)/2/c/(b+a)-P3)*e;P2=atan(b-c*sin(P3)/(A-c*cos(P3);w1=2*12*pi/60;w3=w1*a*sin(P1-P2)/c/sin(P2-P3);ww3=-w3*e;w2=w1*a*sin(P1-P3)/b/sin(P3-P2);x3=(-b*w22-a*w12*cos(P1-P2)-c*w32*cos(P3-P2)/c/sin(P3-P2);xx3=-x3*e;%在主程序中运行fplot(fun,0,2*pi)如

17、图位移图若将“代替”行替换为function ww3=fun(P1)则运行fplot(fun,0,2*pi)后， 速度图若将“代替”行替换为function xx3=fun(P1)则运行fplot(fun,0,2*pi)后， 加速度图3.数值打印程序如下：P1=0:5*pi/180:2*pi;s=P1; %存放位移v=P1; %存放速度x=P1; %存放加速度a=0.5584;b=1.5135;c=1.5090;d=2.2817;e=2.0372;for i=1:length(P1);P4=acos(d2+(a+b)2-c2)/2/d/(a+b);A=d*cos(P4)-a*cos(P1(i)

18、;B=d*sin(P4)-a*sin(P1(i);D=(A2+B2+c2-b2)/(-2)/c;P3=2*atan(B+sqrt(A2+B2-D2)/(A-D);PP3=(pi-acos(c2+(b+a)2-d2)/2/c/(b+a)-P3)*e;s(i)=PP3;P2=atan(b-c*sin(P3)/(A-c*cos(P3);w1=2*12*pi/60;w3=w1*a*sin(P1(i)-P2)/c/sin(P2-P3);ww3=-w3*e;v(i)=ww3;w2=w1*a*sin(P1(i)-P3)/b/sin(P3-P2);x3=(-b*w22-a*w12*cos(P1(i)-P2)-

19、c*w32*cos(P3-P2)/c/sin(P3-P2);xx3=-x3*e;x(i)=xx3;end;s位移v速度x加速度运行j=0:5:360;j;s;v;x后即可得下面表格数据角度(。)位移m速度m/s加速度m/s2角度(。)位移m速度m/s加速度m/s200.0000-0.02601.65491851.59520.0888-0.921250.00410.05861.66631901.5995-0.0186-1.0188100.01630.14331.65831951.5990-0.1278-1.0950150.03660.22741.63012001.5931-0.2369-1.14

20、38200.06490.30981.58122051.5814-0.3440-1.1611250.10070.38971.51252101.5634-0.4472-1.1452300.14370.46611.42552151.5389-0.5444-1.0976350.19300.53821.32302201.5076-0.6337-1.0224400.24790.60551.20842251.4695-0.7137-0.9257450.30750.66751.08562301.4250-0.7833-0.8143500.37080.72370.95872351.3744-0.8420-0.6

21、946550.43680.77430.83202401.3182-0.8899-0.5718600.50460.81910.70912451.2573-0.9271-0.4496650.57320.85840.59332501.1923-0.9545-0.3302700.64180.89230.48702551.1239-0.9726-0.2146750.70980.92110.39212601.0530-0.9822-0.1031800.77660.94500.30972650.9803-0.98400.0048850.84160.96410.24002700.9064-0.97860.10

22、96900.90470.97830.18302750.5320-0.96670.2122950.96530.98780.13782800.7576-0.94860.31311001.02360.99230.10322850.6839-0.92490.41311051.07920.99160.07752900.6114-0.89570.51261100.13210.98540.05852950.5405-0.86130.61191150.18230.97330.04383000.4718-0.82200.71131201.22990.95520.03053050.4059-0.77790.810

23、61251.27480.93050.01563100.3431-0.72920.90971301.31700.8991-0.00383150.2840-0.67601.00801351.36560.8606-0.03083200.2291-0.61841.10481401.39340.8149-0.06803250.1789-0.55661.19911451.42770.7618-0.11763300.1339-0.49071.28971501.45930.7013-0.18123350.0946-0.42091.37511551.48820.6334-0.25943400.0615-0.34

24、761.45351601.51420.5583-0.35173450.0351-0.27091.52291651.53720.4763-0.45653500.0158-0.19141.58111701.55710.3876-0.57093550.0040-0.10961.62581751.57360.2930-0.69033600-0.02601.65491801.58640.1931-0.80934参考资料：1、机械原理 高等教育 桓等 主编 （第七版）20062、机械原理课程设计 科学，王淑仁主编 20063、机械原理课程设计手册 高等教育，邹慧君主编 20074、其它机械原理课程设计书籍和有关机械方案设计手册