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机械设计课程设计报告_抽油机机械系统设计

更新时间:2007-10-20:  来源:毕业论文
机械设计课程设计报告-抽油机机械系统设计|机械设计课程设计

目录
第一节 设计任务------(1)
第二节 方案设计分析----(2)
第三节 轴承的选择及寿命计算--(17)
第四节 设计结果----(22)
第五节 心得体会--(23)
第六节 附录----(25)

第一节 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有三部分组成: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(将转动变转为往复移动)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。

 

图1-1

假设电动机做匀速转动,抽油机的运动周期为T,抽油杆的上冲程时间与下冲程时间相等。冲程S=1.4m,冲次n=11次/min,上冲程由于举升原油,作用于悬点的载荷等于原油的重量加上抽油杆和柱塞自身的重量为40kN,下冲程原油已释放,作用于悬点的载荷就等于抽油杆和柱塞自身的重量为15kN。
要求:
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 选择电机型号,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 对抽油机机械系统进行结构设计,绘制装配图及关键零件工作图。

第二节   方案设计分析
一.抽油机机械系统总体方案设计
  根据抽油机功率大,冲次小,传动比大等特点,初步决定采用以下总体方案,如框图所示:

 

图2-1

1. 执行系统方案设计

 

图2-2                  图2-3

由于执行机构是将连续的单向转动转化为往复移动,所以采用四连杆式执行机构,简单示意如图2-2所示
P点表示悬点位置;
AB杆表示输入端,与减速器输出端相连,逆时针方向旋转;
CD表示输出端;
AD 表示机架;
e 为悬臂长度,通常取e/c=1.35;
行程S等于CD相对于AD转过的角度与e的乘积。                                                              

抽油杆上冲程时间与下冲程时间相等,即上冲程曲柄转角与下冲程曲柄转角相等,θ=0º,属于III型曲柄摇杆机构 .

为了研究方便,将机架旋转至水平位置, 如图 2—3所示。
图中c1,c2位置分别表示悬点的最高和最低位置。行程,从图中可以看出以下关系:

为设计变量,根据工程需求:

所以,始终满足最小传动角的要求。

由于是III型曲柄摇杆机构,故有

优化计算方法:在限定范围内取,计算c,a,b,d,得曲柄摇杆机构各构件尺寸,取抽油杆最低位置为机构零位:曲柄转角,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,悬点加速度ac=1.35c,找出上冲程过程中的悬点最大加速度,最后在所有的最大加速度中找出最小者,它所对应的机构尺寸极为最优者。具体过程如下:采用网格法进行优化,按增量划分网格,网格交点作为计算点。如图2—4所示。

 

图2—4                                图2—5

在图2—5所示的铰链四杆机构ABCD看作一封闭矢量多边形,若以a,b,c,d分别表示各构件的矢量,该机构的矢量方程式为a+b=c+d,以复数形式表示为

                  (*)

规定角以x轴的正向逆时针方向度量。按欧拉公式展开得

按方程式的实部和虚部分别相等,即

 , 

消去

利用万能公式,以及根据该机构装配特点,得

从而可得

将式(*)对时间求导数得                   (#)

消去,取实部得

将式(#)对时间求导数得

消去,取实部得。又悬点的位移表达式为s=e(+arcos),速度表达式为v=e,加速度表达式为ac=e

由于存在初始角,所以要加上一个角度为arccos(b/d),即=+ arccos(b/d). 从0°开始到360°。

接下来采用Matlab软件进行编程计算和画图,具体程序在附录中。其中通过⑵机构优化设计程序运行得到结果为:

最小值=1.2141m/,a=0.505m,b= 2.112m, c=1.320m, d= 2.439m

通过⑺求悬点上冲程中最大速度的程序运行得到结果为:

最大速度 =0.7954 m/s

 

2. 总体传动方案

初步确定传动系统总体方案如图2—6所示。

选择V带传动和二级圆柱斜齿轮减速器(展开式)。传动装置的总效率η

η=ηηηηη=0.94×0.98×0.98×0.98×0.99=0.867;

η为V带的效率,η为第一对轴承的效率,η为第二对轴承的效率,η为第三对轴承的效率,η为每对齿轮啮合传动的效率(齿轮为6级精度,稀油润滑)。

 

图2—6

3.电动机的选择

电动机所需工作功率为: P=P=35.351/0.867=40.77 kW

执行机构的曲柄转速为n=11r/min,经查表按推荐的传动比合理范围,V带传动的传动比i=2~4,二级圆柱斜齿轮减速器传动比i=8~40,则总传动比合理范围为i=16~160,电动机转速的可选范围为n=i×n=(16~160)×11=176~1760r/min。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比,选定型号为Y2—280S—6的三相异步电动机,额定功率为45kW,额定电流85.9A,满载转速n=980 r/min,同步转速1000r/min。

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