JY02机械原理课程设计抽油烟机系统设计.doc

机械原理课程设计说明书

设计题目：抽油机机械系统设计

设计者：
指导教师：
2010年5月24日
目录
1、设计任务············································(1)
2、执行机构的选择与比较································(2)
3、主要机构设计········································(4)
4、机构运动分析········································(8)
5、原动机的选择········································(9)
6、传动机构的选择与比较································(9)
7、机构循环图·········································(10)
8、设计心得与体会·····································(10)
9、参考文献···········································(11)
10、机构简图··········································(11)

一、设计任务
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。
二、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。

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。

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。
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。
三、主要机构设计
㈠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θ180(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 + d 2 > 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。
㈡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4

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：

㈢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
四、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

五、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
六、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
七、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
八、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。
九、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
十、机构简图
机构简图见图纸。

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