常規(guī)游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)與仿真指導(dǎo)老師：吳俊飛學(xué)生姓名：馬文杰常規(guī)游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)與仿真指導(dǎo)老師：吳俊飛1主要內(nèi)容1緒論2計(jì)算部分3抽油機(jī)各結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核4基于Pro/e主要部件的三維建模5基于Pro/E的抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真6抽油機(jī)的規(guī)范主要內(nèi)容12引言常規(guī)游梁式抽油機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)費(fèi)用低等明顯優(yōu)勢(shì)，一直占據(jù)著有桿系采油地面設(shè)備的主導(dǎo)地位。所以研究有桿類采油設(shè)備是非常有意義的。本文介紹了常規(guī)抽油機(jī)工作原理與節(jié)能原理，設(shè)計(jì)過程中對(duì)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析與計(jì)算，闡述了常規(guī)游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本設(shè)計(jì)全面概述了常規(guī)性抽油機(jī)的發(fā)展概況，抽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其節(jié)能原理，對(duì)抽油機(jī)得幾何參數(shù)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)，動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了全面的分析計(jì)算，以對(duì)常規(guī)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。引言常規(guī)3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：4常規(guī)游梁式抽油機(jī)的原理介紹由三部分組成：一是地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備即抽油機(jī)；二是井下的抽油泵，它懸掛在油井油管的下端；三是抽油桿，它將地面設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給井下抽油泵。工作過程是由動(dòng)力機(jī)（電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)或天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)）經(jīng)傳動(dòng)皮帶將高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給減速器，經(jīng)三軸兩級(jí)減速后，由曲柄連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橛瘟旱纳?、下擺動(dòng)。掛在驢頭上的懸繩器通過抽油桿帶動(dòng)抽油泵柱塞作上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將井液抽汲至地面。原理圖：常規(guī)游梁式抽油機(jī)的原理介紹由三部分組成：一是地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備即抽5游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)的基本理念游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)的承載能力（即額定負(fù)載）是靠額定扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是說設(shè)計(jì)抽油機(jī)時(shí)首先依據(jù)額定負(fù)載來(lái)設(shè)計(jì)其額定扭矩；在額定扭矩確定后，依據(jù)其額定扭矩和基礎(chǔ)計(jì)算式來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)架的承載能力。根據(jù)電動(dòng)機(jī)選擇合適的抽油機(jī)型號(hào)，確定抽油機(jī)主要部件尺寸參數(shù)用ProE對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行三維建模，并通過Mechanism模塊抽油機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究，進(jìn)一步完善該游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)的基本理念游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)的承載能力（即額6計(jì)算部分和強(qiáng)度校核常規(guī)型游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算主要參數(shù)計(jì)算游梁式抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)選擇計(jì)算游梁式抽油機(jī)型號(hào)的選擇和參數(shù)尺寸的確定抽油機(jī)的各結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核計(jì)算部分和強(qiáng)度校核常規(guī)型游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算7抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析求出驢頭懸點(diǎn)的位移、速度和加速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，以便為載荷分析和扭矩計(jì)算提供運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析求出驢頭懸點(diǎn)的位移、速度和加速度隨時(shí)間變化的8抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中的基本參數(shù)A—游梁前臂長(zhǎng)度，mm；C—游梁后臂長(zhǎng)度，mm；P—連桿長(zhǎng)度，mm；R—曲柄半徑，mm；I—游梁支承中心到減速器輸出軸中心的水平距離，mm；H—游梁支承中心到底座底部的高度，mm；G—減速器輸出軸到底座底部的高度，mm；H-G—曲柄回轉(zhuǎn)中心至中心軸承的垂直距離，mm；ψ—C與K的夾角；S—抽油機(jī)的沖程；n—抽油機(jī)的沖次；P—額定懸點(diǎn)載荷；K—極距，即游梁支承中心到減速器輸出軸中心的距離，mm；J—曲柄銷中心到游梁支承中心之間的距離,mm；θ—曲柄轉(zhuǎn)角，以曲柄半徑R處于12點(diǎn)鐘位置作為零度，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量；Φ—零度線與K的夾角，由零度線到K沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量；β—C與P的夾角，稱傳動(dòng)角；x—C與J的夾角；ρ—K與J的夾角；—K與R的夾角；—P與R的夾角。抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中的基本參數(shù)A—游梁前臂長(zhǎng)度，mm；9主要參數(shù)計(jì)算光桿（懸點(diǎn)）加速度計(jì)算懸點(diǎn)載荷計(jì)算（抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)的實(shí)際載荷和抽油機(jī)正常工作允許的最大的懸點(diǎn)載荷）光桿的最大沖程（調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使光桿獲得的最大位移）扭矩因數(shù)和光桿位置因數(shù)計(jì)算減速器凈扭矩計(jì)算（減速器輸出軸允許的最大扭矩）抽油機(jī)額定扭矩計(jì)算最高沖次（調(diào)節(jié)帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比最小時(shí)的沖次數(shù)）主要參數(shù)計(jì)算光桿（懸點(diǎn)）加速度計(jì)算10電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算電機(jī)至抽油桿的總傳動(dòng)效率為：η總=η帶*η減*η軸其中帶傳動(dòng)、軸承、齒輪傳動(dòng)、聯(lián)軸器和四連桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率。取0.94，取0.98，取0.97，取0.99，取0.90。即η帶=0.95，η減=η齒2*η軸3=0.972*0.98-3=0.8856η總=η帶*η減*η軸=0.808.w=12*2/60=1.212根據(jù)公式P=1/η*w*T=44.7KW查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第5卷》,選用Y系列電動(dòng)機(jī)Y250S-6，額定功率：P=45Kwn=980r/min并可查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)

電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算電機(jī)至抽油桿的總傳動(dòng)效率為：η總=η帶*η11電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)表電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)表12游梁式抽油機(jī)型號(hào)的選擇選取常規(guī)游梁式抽油機(jī)國(guó)內(nèi)油田廣泛使用、有代表性的常規(guī)游梁式抽油機(jī)主要是CYJIO系列機(jī)型，為了滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求（電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率37KW~45KW，轉(zhuǎn)速950~980傳/分鐘的設(shè)計(jì)要求），在此我們選用CYJIO-3-53HB型抽油機(jī)，該型機(jī)主要由蘭石廠和大慶總機(jī)械廠生產(chǎn)，該型機(jī)主要由蘭石廠和大慶總機(jī)械廠生產(chǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)如表所示游梁式抽油機(jī)型號(hào)的選擇選取常規(guī)游梁式抽油機(jī)國(guó)內(nèi)油田廣泛使用、13參數(shù)尺寸的確定參數(shù)尺寸的確定14抽油機(jī)的各結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核在第二章確定出整體結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)抽油機(jī)的各結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。對(duì)主要零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對(duì)主要零部件的強(qiáng)度校核進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。通過分析和計(jì)算結(jié)果表明，第二章確定的抽油機(jī)型號(hào)符合設(shè)計(jì)條件。（連桿的應(yīng)力分析與強(qiáng)度校核、曲柄連接設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核、游梁的應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核、游梁支承的強(qiáng)度校核、滾動(dòng)軸承的選擇和壽命計(jì)算）抽油機(jī)的各結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核在第二章確定出整體結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)的基15基于Pro/e主要部件的三維建模

曲柄曲柄是傳遞減速器輸出扭矩的主要部件，所以它必須具有一定的強(qiáng)度和傳遞可靠性。曲柄一般可用灰鑄鐵、球墨鑄鐵和鑄鋼制成?；赑ro/e主要部件的三維建模

曲柄16連桿臺(tái)抽油機(jī)有兩根連桿，它是傳遞力矩的主要受力桿件，其主件可用管材，也可用其他型材如工字鋼、槽鋼等。為了保證兩側(cè)連桿傳動(dòng)平穩(wěn)和傳遞力矩的均衡一致，兩連桿的工作長(zhǎng)度必須完全一致，即達(dá)到一定的尺寸公差要求，這一要求通常用專用工藝裝備來(lái)保證。所以，選用直徑為80的熱軋圓鋼為主件，而上下接頭均用QT700-2鑄成。連桿17游梁和橫梁游梁是抽油機(jī)的主要承載部件，承擔(dān)著抽油機(jī)的全部工作載荷，因此必須要有足夠的強(qiáng)度和一定的剛度。選用工字鋼為主要部件，經(jīng)過鋼板加強(qiáng)后制成。為了使橫梁和連桿的連接點(diǎn)與橫梁和游梁的連接點(diǎn)在同一水平面上，常將橫梁制作成弓形本設(shè)計(jì)橫梁用HT200鑄造而成游梁和橫梁18驢頭驢頭用來(lái)將游梁前端的往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)變?yōu)槌橛蜅U的垂直直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驢頭采用腹板式結(jié)構(gòu)焊接而成，并應(yīng)用側(cè)翻讓位結(jié)構(gòu)進(jìn)行整修時(shí)的讓位驢頭19支架本次設(shè)計(jì)的支架全部采用三腿結(jié)構(gòu)，支架前面的2個(gè)主腿采用單根的工字鋼或槽鋼制造，后腿采用2個(gè)槽鋼對(duì)焊，并間斷補(bǔ)強(qiáng)，制作時(shí)，將前腿和后腿分開制造，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)將支架后腿按要求組裝并鎖緊即可。支架20底座本次設(shè)計(jì)將電動(dòng)機(jī)座抬高500～1000mm，對(duì)于少雨地區(qū)，可將電動(dòng)機(jī)座放置到與主底座對(duì)齊的位置

底座21整體三維模型整體三維模型22基于Pro/E的抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析仿真抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析游梁式抽油機(jī)是以游梁支點(diǎn)和曲柄軸中心的連線做固定桿,以曲柄、連桿和游梁后臂為3個(gè)活動(dòng)桿所構(gòu)成的四連桿機(jī)構(gòu),如圖所示通過一系列計(jì)算，游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)的速度曲線為一“歪曲”的正弦曲線,加速度曲線變化被“歪曲”的余弦曲線。抽油機(jī)在一個(gè)沖程中,懸點(diǎn)的速度和加速度不僅大小在變化,而且方向也要發(fā)生改變。上沖程的前半沖程為加速運(yùn)動(dòng),加速度為正(加速度方向與運(yùn)動(dòng)方向都向上);后半沖程為減速運(yùn)動(dòng)(加速度方向與運(yùn)動(dòng)方向相反)。基于Pro/E的抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析仿真抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分23基于Pro/E的抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析仿真抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)Pro/E分析Pro/E軟件中的Mechanism模塊是專用于進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真的,可以對(duì)抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行精確的計(jì)算分析。

建立抽油機(jī)簡(jiǎn)化模型基于Pro/E的抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析仿真抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)Pro/24先設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置,再進(jìn)相應(yīng)計(jì)算參數(shù)的設(shè)置,包括計(jì)算時(shí)間、初始條件等。以抽油機(jī)橫梁處于水平位置,且向下運(yùn)動(dòng)作為計(jì)算的零時(shí)刻位置,進(jìn)行計(jì)算后,可得如下結(jié)果曲線。圖為懸點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化曲線。由圖中可見,抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)隨時(shí)間的位移關(guān)系曲線基本為正弦規(guī)律。

先設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置,再進(jìn)相應(yīng)計(jì)算參數(shù)的設(shè)置,包括計(jì)算時(shí)間、初始條25圖為抽油機(jī)懸點(diǎn)速度與時(shí)間關(guān)系曲線。由圖中可見,抽油機(jī)的懸點(diǎn)速度隨時(shí)間按照類似正弦曲線變化。圖為抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度隨時(shí)間關(guān)系曲線。由圖可見,抽油機(jī)的懸點(diǎn)加速度隨時(shí)間按照類似余弦曲線變化。圖為抽油機(jī)懸點(diǎn)速度與時(shí)間關(guān)系曲線。由圖中可見,抽油機(jī)的懸點(diǎn)速26圖為抽油機(jī)懸點(diǎn)位移、速度、加速度在一個(gè)沖程中隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線,由圖可清晰地對(duì)比出抽油機(jī)懸點(diǎn)的位移、速度和加速度之間的關(guān)系。圖為抽油機(jī)懸點(diǎn)位移、速度、加速度在一個(gè)沖程中隨時(shí)間變化的關(guān)系27通過上面對(duì)游梁式抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究可以看出,1個(gè)沖程過程中,懸點(diǎn)速度時(shí)刻在發(fā)生變化,懸點(diǎn)加速度也不斷地跟隨變化,運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜。得出的抽油機(jī)懸點(diǎn)位移、速度和加速度隨時(shí)間變化曲線也符合理論分析得到的變化規(guī)律，進(jìn)一步完善了該游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)可以看出借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),在開發(fā)初期就可對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)