鏈條式抽油機的設(shè)計與分析

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抽油機是有桿抽油的地面動力傳動設(shè)備，是構(gòu)成“三抽”系統(tǒng)的主要組成部分。抽油機的產(chǎn)生和使用由來己久，迄今已有百年歷史。應(yīng)用最早，普及最廣的當屬常規(guī)型游梁式抽油機，至今在世界各產(chǎn)油國中仍占絕對優(yōu)勢。結(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用，操作維修方便是其經(jīng)久不衰的根本原因。然而，隨著油田的不斷開發(fā)，要求抽油機具有長沖程、大負荷、能耗低、體積小、重量輕等特點來滿足日益發(fā)展的油田開發(fā)的需要。70年代以來，有桿抽油技術(shù)有了突破性進展，尤其是近十幾年來，科學工作者不斷地開展對抽油機性能的研究工作，在理論和實踐上均有很大發(fā)展。越來越多的新型抽油機相繼研制成功，投入生產(chǎn)，對油田的發(fā)展做出了貢獻。目前，國內(nèi)外至少有近百家廠商公司在專門研究制造新型抽油機。根據(jù)文獻「4」，在用有桿式抽油機主要型式分類如圖1-1所示。 圖1 -1抽油機分類 1.2.1國內(nèi)抽油機發(fā)展現(xiàn)狀及方向 目前，我國抽油機主要制造廠有十幾家，產(chǎn)品主要以游梁式抽油機為主，約占抽油機總數(shù)的98％～99％，有30多種規(guī)格，并已形成了系列 ，基本上滿 足了陸地油田開采的需要。各種新型節(jié)能游梁式抽油機，如前置式抽油機、異相曲柄平衡抽油機、前置式氣平衡抽油機 、配有 CJT型節(jié)能拖動裝置 的常規(guī)抽油機和用窄 V形帶傳動的常規(guī)抽油機等均已在全國各個油田推廣應(yīng)用，井取得了顯著的經(jīng)濟效益 。長沖程 、低沖次的無游梁式抽油機的研制也取得了一些進展，如由勝利油用設(shè)計并與有關(guān)廠家協(xié)作生產(chǎn)的鏈條式長沖程抽油機，已有近千臺在各油田投入使用，在低沖次抽油和抽 稠油方面已初見成效 。此外，桁架結(jié)構(gòu)的滑輪組增距式抽油機、滾筒式長沖程抽油機進入了試用階段；齒輪增距式長沖程抽油機的研制工作也取得 了新的進展．重量輕 、成本低、便于調(diào)速和調(diào) 整沖程的液壓抽 油機，經(jīng)過幾年的研制和工業(yè)性試采油，也積累了一定的經(jīng)驗。其它型式新穎的抽油機，如帶傳動游梁式抽油機、新型搖搖轷抽油機、大輪式游梁抽油機，六連桿游梁式抽油機和斜并抽 油機也正處于開發(fā)和研制過程中。 然而，游梁式抽油機的缺點是不容易實現(xiàn)長沖程、低沖次的要求，因而不能滿足稠油井、深抽井和吉氣井采油作業(yè)的需要。同時，長沖程、低沖次的無游梁式抽油機的性能尚有待完善(如油田正在使用的鏈條式抽油機還存在鏈條壽命短、換 向沖擊載荷大和鋼絲繩易斷、導(dǎo)軌剛度不足容易變形等問題 )，而且品種規(guī)格還很少，不能適應(yīng)當前石油工業(yè)的發(fā)展，液壓抽油機至今仍處在研制階段 。 抽油機的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下四個方面: 1、品種多樣化。 國外相繼研制和陸續(xù)投入使用的各種抽油機多達百余種，僅美國拉夫金公司抽油機的可選機型就多達60余種，而我國目前現(xiàn)場使用的抽油機只有五大類，十幾種規(guī)格，并且.大多數(shù)是在非優(yōu)化工況下運行。隨著科技發(fā)展和現(xiàn)場的實際需要，我國的抽油機品種必將逐步增多，而且采用現(xiàn)代設(shè)計方法(可靠性設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、模擬動態(tài)分析、CAD等)設(shè)計的新型抽油機，必將大有發(fā)展。 2、產(chǎn)品系列化、標準化、通用化，并逐步向A端靠攏。從而為國產(chǎn)抽油機打入國際市場創(chuàng)造有利條件。 3、把節(jié)能技術(shù)的研究作為新型抽油機研制的主攻方向。 抽油機節(jié)能技術(shù)目前主要從以下六個方面入手進行研究: (1)改進結(jié)構(gòu)。無游梁式抽油機的最大優(yōu)點在于沒有笨重的游梁，大大降低了運動系統(tǒng)的慣性負.荷，無游梁抽油機易實現(xiàn)長沖程、相對損失小、有效沖程大。長沖程抽油機的相對沖次較低，大大降低運動系統(tǒng)加速度，不但提高了泵效，還可提高三抽系統(tǒng)的工作壽命。今后，我國十型以下的抽油機將大量采用偏置式；十二、十四型可能將采用前置式；十四型以上將采用無游梁結(jié)構(gòu)。長沖程大排量，重負荷有桿抽油機以及特殊工況抽油機將有相應(yīng)的大發(fā)展。 (2)采用節(jié)能驅(qū)動設(shè)備 ①(CJI)系列節(jié)能驅(qū)動裝置，該裝置是由CH超高轉(zhuǎn)差率電動機和CK型節(jié)能控制箱組成，現(xiàn)已在大慶、華北、遼河、新疆等油田推廣使用近千臺。 ②蘭州電機廠研制的YCH型超高轉(zhuǎn)差率電機。 ③高壓交流異步電動機。 (3)采用節(jié)能控制裝置。如DSC系列抽油機多功能程控裝置、間抽定時控制裝置。 (4)采用節(jié)能元部件。如窄V型帶傳動和同步帶傳動等。 (5)改進平衡方式，如采用氣動平衡或天平平衡等。 (6)改進三抽系統(tǒng)部件。如采用抽油桿導(dǎo)向器、空心抽油桿、減振式懸繩器等部件，都可提高三抽系統(tǒng)工作效率，達到節(jié)能目的。 總之，近年來抽油機節(jié)能技術(shù)的研究己成為科技攻關(guān)的方向。 4、由于抽油機常年荒野作業(yè)，在惡劣的環(huán)境下連續(xù)運轉(zhuǎn)，因此，進一步提高抽油機的產(chǎn)品質(zhì)量，把提高工作的可靠性、耐用性與良好的工作性能并重來進行研制，是抽油機發(fā)展的重要方向。并且應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、操作維護方便。 總而言之，抽油機將朝著自動化、智能化、長沖程、大載荷、精確平衡方式、節(jié)能降耗，提高適應(yīng)性等方向發(fā)展。 1.2.2 國外抽油機的發(fā)展及技術(shù)發(fā)展 國外抽油機主要以液壓抽油機為主。國外液壓抽油機的研制起步較早，到50～60年代，隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓抽油機的機構(gòu)和液壓系統(tǒng)得到了較好的優(yōu)化改進，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了各種形式的性能優(yōu)良的液壓抽油機，1961年美國Axelson公司研制成功了Hydrox長沖程CB型液壓抽油機，其沖程長度為1.2～7.95m，適用井深為670～2032m，并在美國幾大油田獲得了成功的應(yīng)用性試驗；1965年前蘇聯(lián)國立石油機械制造科學院研制成功了ArH型油管平衡式液壓抽油機，并在哈迪仁石油管理局的兩口井深為700～1100m的井中進行了工業(yè)性運行，經(jīng)過一年半的試用后，證明了該機重量輕、易安裝、性能可靠，此后該機便投入了小批量生產(chǎn)和使用；1977年加拿大Canadian Formost Ltd。研制成功了一種技術(shù)較先進的HEP型液壓抽油機，該機的最大特點是上下沖程的速度可以分開調(diào)節(jié)，該機的沖程長度為1.625～4.267m，在加拿大埃爾波塔省冷湖地區(qū)成功地進行了小批量試驗，目前該型液壓抽油機已形成產(chǎn)品系列；法國Mape公司研制成功了Mape型長沖程液壓抽油機，其最大沖程長度為10m，最高沖次為5min，懸點最大載荷為34.23～195.64KN，目前Mape型液壓抽油機已有6種規(guī)格的產(chǎn)品。美國WGCO公司研制成功的整體低矮型長沖程液壓抽油機更具特點，滾筒由兩組馬達交替驅(qū)動事先柔性滯后滾筒的正反向旋轉(zhuǎn)，該機配備的功率為147KW，最大沖程次數(shù)為3min，該機的液壓系統(tǒng)和其他部分的易損件可以滿足40 000h的使用壽命要求。此外，加拿大Curtis Hoover Inc。也相繼研制成功了低機架型和高機架型兩種型式的液壓抽油機，該型液壓抽油機的最大懸點載荷為222.26KN，最大沖程長度為5.08m，最大沖程次數(shù)可達12min。 國外抽油機發(fā)展方向： 1.朝著大型化方向：1）大載荷抽油機 2）長沖程抽油機 3）低沖次抽油機 2.長沖程無游梁方向：臥式和立式無游梁長沖程抽油機 3.精確平衡方向：1）變平衡力矩抽油機 2)前置式氣平衡抽油機 3）氣囊平衡抽油機 4）雙井平衡抽油機 5）自動平衡抽油機 4.高適應(yīng)性方向：1）適應(yīng)各種自然條件 2）適應(yīng)各種石油 3）適應(yīng)各種類型油井抽汲 4）適應(yīng)深井抽油 5）適應(yīng)長沖程抽油 6）適應(yīng)節(jié)約動力消耗 7）適應(yīng)精確平衡抽油機 8）適應(yīng)無電源和間歇抽油 9）適應(yīng)優(yōu)化抽油 5.自動化和智能化方向：1）美國Baker公司自動化抽油機 2)美國Delta-X公司自動化抽油機 3）美國APS公司自動化抽油機 4）美國NSCO公司智能抽油機 6.節(jié)約耗能方向：1）異相型抽油機 2）前置式抽油機 3）前置式氣平衡抽油機 4）輪式抽油機 5）大圈式抽油機 6）自動平衡抽油機 7）低矮型抽油機 8）無游梁長沖程抽油機 9）智能抽油機 10）螺桿泵采油系統(tǒng) 11）超高轉(zhuǎn)差率電動機驅(qū)動抽油機 12）天然氣發(fā)動機驅(qū)動抽油機 13）新型膠帶傳動抽油機 1.3 設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計優(yōu)點 本設(shè)計所要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有鏈條抽油機技術(shù)中的不足，提供一種復(fù)合天輪式鏈條抽油機，其結(jié)構(gòu)緊湊，工作時安全可靠，平衡性好，節(jié)能效果顯著。本設(shè)計利用曲柄滑塊機構(gòu)，通過鏈條傳動再通過，復(fù)合天輪，通過鏈輪和滾輪的直徑比，使行程加倍的原理，改進鏈條式抽油機的設(shè)計使沖程增加。從而達到整機結(jié)構(gòu)合理、懸點載荷大、沖刺少、沖程長、懸點加速度變化小，慣性載荷小，運行平穩(wěn)，減速器額定扭矩小和易于安裝。這種抽油機還具有以下特點：（1）換向結(jié)構(gòu)簡單可靠。采用曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)換向，滑塊向下運動為抽油機的上行程，滑塊的向上運動為抽油機的下行程；（2）長沖程 、低沖次。沖程是滑塊移動的距離乘以滾輪和鏈輪的直徑比；（3）節(jié)能。采用滑塊和曲柄平衡的方式，能達到最佳的平衡效果。 抽油機的工作指標包括懸點載荷、沖程、沖次、減速器扭矩、單井機口產(chǎn)量等技術(shù)參數(shù)。隨著油田的不斷開發(fā)，油井含水不斷增大，泵掛深度不斷不增加，動液面不斷下降，勢必引起懸點負荷增大，同時引起減速器扭矩的增大，泵徑、沖程沖次也要根據(jù)工況的變化而經(jīng)常調(diào)節(jié)。抽油機常年的連續(xù)運轉(zhuǎn)，工況復(fù)雜多變，再加上無人護理監(jiān)管不便，因此要求其工作必須可靠。對于油礦設(shè)備來說，可靠性是非常重要的技術(shù)指標，抽油機發(fā)生故障將會造成停產(chǎn)待修、油井破壞等重大事故和嚴重的經(jīng)濟損失。加上游梁式抽油機改進設(shè)計有很多不利因素，針對上述實際情況，本次設(shè)計鏈條式抽油機改進方案是符合實際需求的。 本設(shè)計與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點： 1、結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠，本設(shè)計中采用的機械傳動結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟，容易實現(xiàn)。 2、平衡重直接附加在滑塊上，使平衡重儲存的能量能完全的用于平衡負載,平衡效果很好。 3、采用大天輪和小鏈輪，可實現(xiàn)長沖程。 4、高效節(jié)能。比普通鏈傳動抽油機節(jié)能40%左右；和現(xiàn)有的雙驢頭抽油機、下偏杠鈴式抽油機、彎游梁式抽油機等節(jié)能型抽油機相比，節(jié)能15%左右。 第二章 總體方案設(shè)計 2.1新型抽油機的參數(shù)確定 1、泵徑根據(jù)排量要求及油田生產(chǎn)情況，可取泵徑為宜。 2、沖程在選定泵徑的前提下，應(yīng)盡量選用長筒泵，因為沖程長不僅可以提高排液量，而且泵效一般也會明顯提高，盡管如此，沖程受機械制造能力及采液量的實際需要的限制也不能太長，本機選擇沖程為3m。 3、沖次在初步選定泵徑，沖程3m的情況下，綜合考慮沖次與理論排液量、扭矩和加速度等因素的關(guān)系，選擇本機最大沖次為，理論排量為193/d。 2.2方案確定 為解決抽油機技術(shù)問題，本設(shè)計采用的技術(shù)方案是：一種復(fù)合天輪式鏈條抽油機，包括電動機、與所述電動機相連接并受其驅(qū)動的皮帶傳動機構(gòu)、連接在所述皮帶傳動機構(gòu)的輸出軸上的減速器、連接在所述減速器的輸出軸上并由該減速器帶動轉(zhuǎn)動的曲柄、連接在曲柄上的連桿以及機架，所述機架上安裝有可供滑塊滑動的導(dǎo)軌、天輪和下鏈輪固定架，所述天輪上設(shè)置有鋼繩，通過鋼繩連接繩桿連接器以及安裝在所述繩桿連接器上的抽油桿，其特征在于：所述滑塊和連桿鉸接，滑塊的上端和鏈條一端連接，滑塊的下端和鏈條的另一端連接，所述鏈條繞在上鏈輪和下鏈輪上并相互嚙合，所述下鏈輪鉸接在下鏈輪固定架上，所述上鏈輪和天輪同軸連接。通過連桿的運動驅(qū)動滑塊在導(dǎo)軌上滑動，連接在滑塊上的鏈條隨滑塊一起運動，通過鏈條與上鏈輪和下鏈輪的嚙合傳動驅(qū)動上鏈輪轉(zhuǎn)動，上鏈輪帶動天輪轉(zhuǎn)動，繼而帶動抽油桿作上下往復(fù)運動。 1.所述導(dǎo)軌為滑動導(dǎo)軌或滾動導(dǎo)軌。2.所述上鏈輪的直徑小于天輪的直徑。 3.所述滑塊采用滑塊或滾輪結(jié)構(gòu)。4.所述滑塊的下端設(shè)置有平衡重。 本設(shè)計為復(fù)合天輪式鏈條抽油機，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，其爆炸圖如圖2-2所示。本設(shè)計包括電動機1、皮帶傳動機構(gòu)2、減速器3、曲柄5、連桿6、下鏈輪7、鏈條10、上鏈輪12、機架17、天輪11、鋼繩13和抽油桿16，其中，電動機1的輸出軸與皮帶傳動機構(gòu)2的輸入軸通過連接鍵相連接，皮帶傳動機構(gòu)2的大帶輪與減速器3的輸入軸通過連接鍵相連接，減速器3的輸出軸4上通過連接鍵連接有曲柄5，曲柄5能隨減速器3的輸出軸4同步轉(zhuǎn)動。其中，減速器3為三級齒輪減速箱。 在本設(shè)計中，在曲柄5的上端通過銷軸和連桿6的下端連接，曲柄5的下端通過 18 4 8 14 10 177 16 15 13 111 9 12 6 5 3 1 2 圖2- 1設(shè)計方案圖 7 附圖標記說明 1—電動機 2—皮帶傳動機構(gòu) 3—減速器 4—減速器輸出軸 5—曲柄 6—連桿 7—下鏈輪 8—滑塊 9—導(dǎo)軌 10—鏈條 11—天輪 12—上鏈輪 13—鋼繩 14—平衡重 15—繩桿連接器 16—抽油桿 17—機架 18—下鏈輪固定架 滾輪 下軸 下軸承端蓋 上軸 鏈輪 底座 電動機 皮帶 減速器 曲柄 下壓板 連桿 滑塊 滑槽 梯子 塔架 鏈條 上壓板 軸承 上軸承端蓋 圖2-2爆炸圖 連接鍵連接在減速器3的輸出軸4上。 機架17通過螺栓連接可供滑塊8滑動的導(dǎo)軌9，且滑塊8設(shè)置在導(dǎo)軌9里并沿導(dǎo)軌9滑動。導(dǎo)軌9為滑動導(dǎo)軌或滾動導(dǎo)軌?；瑝K8通過銷軸和連桿6的上端連接。 鏈條10的兩端分別和滑塊的上下端連接，并同時與上鏈輪12和下鏈輪7相嚙合，形成鏈傳動系統(tǒng)。 天輪11通過支架、螺栓和機架17連接，天輪11軸通過連接鍵和天輪11及上鏈輪12連接，實現(xiàn)繞天輪11軸同步轉(zhuǎn)動。 下鏈輪7通過銷軸連接在下鏈輪固定架19上 本設(shè)計的工作過程是：電動機1通過皮帶傳動機構(gòu)2將動力傳動到減速器3的輸入軸，經(jīng)減速器3的減速后，減速器3的輸出軸4帶動曲柄5轉(zhuǎn)動；曲柄5帶動連桿6作平面運動，連桿6上端的滑塊8在導(dǎo)軌9上作上下往復(fù)運動，繼而帶動鏈條10隨滑塊8一起作上下往復(fù)運動，通過鏈條10與上鏈輪12和下鏈輪7的嚙合，從而驅(qū)動上鏈輪12轉(zhuǎn)動，上鏈輪12通過連接鍵驅(qū)動天輪11軸轉(zhuǎn)動，天輪11軸通過連接鍵驅(qū)動天輪11轉(zhuǎn)動，天輪11上的鋼繩13帶動繩桿連接器15和抽油桿16作上下往復(fù)運動。 2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計特點 本設(shè)計主要結(jié)構(gòu)特點： 1.采用雙曲柄連桿機構(gòu)，更好的保證了機構(gòu)的穩(wěn)定安全性。 2.采用復(fù)合天輪結(jié)構(gòu)，它主要起兩方面的作用。一是使設(shè)計的結(jié)構(gòu)緊湊。二是通過兩個輪的直徑比，可以很方便的調(diào)節(jié)沖程的大小。 3.通過鏈條帶動滑塊來傳遞運動，使運動平穩(wěn)。 第三章 抽油機的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 3.1 選擇電動機 根據(jù)經(jīng)驗公式油井計算載荷P=C×H×S×SF××10 [3-1 ] 式中 H——液體有效舉升高度，m； S——光桿沖程，m； ——井液密度，t/m； C——取決于泵徑的系數(shù)，可查表6-13，或由公式 C=2.332×10D； [3-2 ] SF——取決于沖次的系數(shù)，見表6-14； D——泵徑，mm； 在本設(shè)計中，取H=1500m、S=3m、=0.9t/m、D=55mm，查表得，油管直徑為66mm、抽油桿為19mm、=1.569、=1,212、=0.986，由公式[3-2 ]得C=2.332×10×55=0.705 利用公式可求得P=34834，根據(jù)計算的P應(yīng)使超高轉(zhuǎn)差率電動機的負荷能力見表6-11（p）略大于油井負荷P，并盡可能選用較低的轉(zhuǎn)矩型式。所以最終確定電動機型號為：YCCH150-6 中低MLM，滿荷電流I=39.6A,滿載容量為26.1KVA，負荷能力為39000。 同步轉(zhuǎn)速n=1000r/min,額定轉(zhuǎn)速n=857r/min 電動機平均轉(zhuǎn)速n= n- 效率77.4%，功率因數(shù)0.85 所以，電動機的額定功率30KW，額定電壓380V，額定電流65.8A，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩3.7KN/m，重量342Kg 3.2 帶、減速器的選擇 帶傳動是一種撓性傳動。基本組成零件為帶輪（包括主動輪和從動輪）和傳動帶，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉和緩沖吸震等特點。本次設(shè)計是把電機的轉(zhuǎn)速通過一定的傳動比傳給減速器，實現(xiàn)電機與減速器通過帶間接連接在一起。已知電機型號YCCH150-6 ，n=857r∕min，滿載轉(zhuǎn)速=730 r∕min，=30kw，設(shè)計抽油機的沖次i=7次∕min。 3.2.1 V帶的設(shè)計 1.傳動比的確定 查表得帶的傳動比一般為2~ 5，本次設(shè)計取i=3； 2. 皮帶的確定 （1）確定計算功率 計算功率P是根據(jù)傳遞的功率P和帶的工作條件而確定的 = [3-3] 式中：— 計算功率， — 工作情況系數(shù) — 所需傳遞的額定功率，如電動機的額定功率或名義的負載功率， 查表得=1.6 則電動機的計算功率= =1.6 （2）選擇V帶的型號 根據(jù)計算功率P和小帶輪轉(zhuǎn)速n選擇V帶的型號為C型 帶型 節(jié)寬b 頂寬b 高度h 楔角θ C 19 22 13.5 40 o 3.確定帶輪的基準直徑d并驗算帶速v 1）初選小帶輪的基準直徑d 根據(jù)V帶的帶型，查表得初選小帶輪的直徑為d=200mm，則大帶輪的直徑 d=id=3×200=600mm 2）驗算帶速v v===7.6m∕s 查表得符合推薦值5~25m∕s范圍，故合適。 4.確定中心距a，并選擇V帶的基準長度L 1）根據(jù)帶傳動總體尺寸的限制條件或要求的中心距， 結(jié)合式0.7（d+ d）≤a≤（d+ d） [3-4] 則代入數(shù)據(jù)有560mm≤a≤1600mm 初取a=1000mm 2）計算相應(yīng)的帶長L。 L≈2a+（d+ d）+ [3-5] L≈2a+（d+ d）+=3296mm 查表得取L=3150mm 3）計算中心距a及其變動范圍。 傳動的實際中心距近似為 a≈a+ [3-6] a≈a+ =927mm 考慮到帶輪的計算誤差、帶長誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產(chǎn)生的補充張緊的需要，給出中心距的變動范圍 a =a-0.015L a=a+0.03L [3-7] 得：a=879.75mm a=1021.5mm （4）驗算小帶輪上的包角 由于小帶輪上的包角小于大帶輪上的包角，小帶輪上的總摩擦力相應(yīng)的小于大帶輪上的總摩擦力。因此，打滑只能在小帶輪上發(fā)生。為了提高帶傳動的工作能力應(yīng)是 180-（d-d）90 [3-8] 代數(shù)可得=155.28 滿足條件 合格。 （5）V帶根數(shù)z的確定 z== [3-9] 查表得=3.8kw， =0.65kw, =0.88, =0.97 則根數(shù)z==6.3 取z=6根 （6）確定帶的初拉力F （）=500+ [3-10] 查表得=0.3 得（）=500+qv=502N 對于新安裝的V帶，初拉力應(yīng)為1.5() 運轉(zhuǎn)后的V帶為1.3() 。 （7）計算傳動帶的壓軸力 =2 [3-11] 式中，為小帶輪的包角。 得 ：F=26502=5884.4 3.2.2 V帶輪的設(shè)計 1.帶輪材料的選擇 選用的帶輪材料為HT200（鑄鐵）； 2.帶輪的結(jié)構(gòu)形式的確定 V帶輪由輪緣、輪輻、輪轂組成 小帶輪: 腹板式 大帶輪：輪輻式 3.V帶輪輪槽 工作表面的粗糙度為3.2 3.2.3 減速器的選擇 1.確定傳動比 電動機轉(zhuǎn)速n=750r／min 滿載轉(zhuǎn)速n=710 r／min ==81.180 2.減速器的計算功率 P=kP=1.5=67.5kw 其中：K為工況系數(shù)，查表得K=1.5 查表得,載荷狀態(tài)為Q，經(jīng)常為額定負荷 K=0.63 名義功率P===107KW 查表得，選用a=450mm ，減速器的許用功率P=45=47.5 減速器型號為：QJS-D450-80-ⅡPWJB∕T8905.2-1999 其中：QJ-------起重機減速器； S---------結(jié)構(gòu)形式為三級； D450------名義中心矩（輸出級）； 80-------公稱傳動比； Ⅱ-------裝配形式； P--------輸出軸端型式； W-------安裝型式； JB∕T8905.2-1999-------標準號。 3.3 載荷計算 3.3.1 懸點最大載荷 根據(jù)沖程、沖次及其結(jié)構(gòu)其懸點最大載荷W=30KN。 所以，鋼繩的最大拉力為30，從而，鋼繩的承載能力≥30。 懸點的最小載荷，根據(jù)經(jīng)驗值取=0.8 ， 所以，平衡鏈條的拉力為F= = =27 3.3.2 鏈條抽油機的載荷分析 1.動載荷（產(chǎn)生原因：抽油桿柱及液柱運動所產(chǎn)生的載荷） 1）與整體有關(guān)的動載荷W大小 a,方向與相反 2）震動載荷用W表示； 注：W（W）發(fā)生于上、下沖程的靜變形結(jié)束的一瞬間 R主動鏈輪（即下鏈輪的直徑） ﹤一﹥ 懸點靜載荷 A.抽油桿柱自重：=L [3-12] = 式中 ——第級抽油桿柱每米自重，KN/m； ——第級桿柱長度與總長之比值。 為抽油桿在液體中的自重。=（1- ） [3-13] =（1-0.127） 式中 ——井液密度，t/m； ——抽油桿密度，對鋼抽油桿，=7.85 t/m。 B.作用于柱塞的液柱載荷： =g（L-h） [3-14] =g 式中 ——柱塞面積，m； g——重力加速度，g=9.81m/s； h——泵的沉沒深度，m； H——油井動液面深度，m。 C. 懸點靜載荷 上沖程懸點靜載荷； 下沖程懸點靜載荷； =+ = [3-15] 假定上下沖程中套壓和回壓保持穩(wěn)定，則靜載荷可以用下公式計算： =++（）- [3-16] =- 式中 ——井口回壓，； ——套管壓力，； ——光桿面積，。 D.伸長或縮短的變形量為： = = [3-17] = [3-18] 式中 ——抽油桿柱靜變形，； —— 抽油桿截面積，； E —— 抽油桿鋼材彈性模量，2.12×10KN/m； ——抽油桿彈性常數(shù)，（KN），可查表得。 靜變形量為：= [3-19] = = 式中 ——油管柱靜變形，m； ——油管截面積，m； ——油管彈性常數(shù)，（KN），見表2-4。 總的靜變形量：=+ [3-20] =（+）L = 式中 為變形分配系數(shù)，= = 。 根據(jù)油管直徑62mm，查表可得，=11.7×10 m、油管流通面積 =30.2×10 m、=4.14×10（KN）、 = = [3-21] = = = [3-22] 查表得=0.961×10（KN） 本設(shè)計參數(shù)D=55mm、L=1500m、H=1300m、=0.91t/m、油管直徑為62mm 下端不錨定，抽油桿柱為25×22mm，光桿沖程為S=3mm 查表可知： =4.09×10 、=3.14×10 =+ =0.4×4.09×10+0.6×3.14×10 =3.52×10KN/m =L=3.52×10×1500=52.8KN =（1-0.127） =(1-0.127×0.91t/m) =46.7 查表2-3差得 =24.63×10 m =g =0.91×9.81×1300×24.63×10 m =28.58KN 上沖程靜載荷 : =+ =46.7+28.58 =75.28 下沖程靜載荷 ： ==46.7KN 查表2-2得 =0.961×10（KN） =1.241×10（KN） =+ =0.4×0.961×10+0.6×1.241×10 =1.129×10（KN） 查表2-4得 =4.14×10（KN） =L=1.129×10×28.58×1500 =0.484m =L=4.14×10×28.58×1500 =0.1775m =+=0.484+0.1775 =0.662m =-=3-0.662 =2.34m 圖3-1靜力示功圖 ﹤二﹥ 懸點動載荷分析（不考慮彈性震動） 1.抽油桿柱動載荷 忽略抽油桿柱的彈性，將其視為一集中質(zhì)量，則抽油桿柱動載荷就等于桿柱質(zhì)量乘以懸點加速度。 = [3-23] 2.液柱動載荷 忽略液體的可壓縮性，則液柱動載荷就等于液柱質(zhì)量乘以液柱運動的加速度。但是要注意：由于油管內(nèi)徑和抽油泵直徑不同，故桿管環(huán)形空間內(nèi)的速度和加速度也就不等于抽油泵柱塞的運動速度和加速度（忽略抽油桿柱彈性時，柱塞速度和加速度等于選點速度和加速度），為此，引入加速度修正系數(shù)。 = [3-24] = 式中 ——用油管內(nèi)徑計算的流通面積，m，見表2-4； ——作用于柱塞環(huán)形面積上的液柱質(zhì)量，KN。 = 3.動載荷 上沖程時的懸點動載荷等于抽油桿柱動載荷與液柱動載荷之和。 = =（） [3-25] 下沖程時，液體向上運動的速度和加速度很小，其動載荷可忽略不計。 == [3-26] 曲柄滑塊的運動分析： 圖像曲線依次代表位移s，速度v，加速度a。 滑塊加速度的求解 圖3-2速度、加速度、位移關(guān)系 設(shè)=R/L = R+H=L = + =+ == S= =-L -H = V= =-Ld = =- =- a= = + - = + + 其中為曲柄的角加速度 =0 懸點加速度a=3 a=3 p（）+3 p+ R 根據(jù)上面已知公式求解動載荷： 1.抽油桿柱動載荷 = =52.8KN 2. 動載荷 = L=1500m、H=1300m、=24.63×10 m、=3.8×10 m、 =30.2×10 m = = = =0.789 3.上沖程 = =（） =(52.8+0.78927.95) =74.85 下沖程： == =52.8 ﹤?cè)儜尹c的最大、最小載荷 懸點最大載荷是合理選擇抽油機的主要依據(jù)之一；懸點最小載荷也影響到整個抽油系統(tǒng)能否正常工作；和一起影響到抽油桿柱的應(yīng)力幅，影響到減速器輸出軸的最大扭矩及電動機的功率。所以，準確計算懸點最大和最小載荷是個十分重要的問題。 計算公式依據(jù)美國石油學會公式： =+（/） [3-27] =-（/） 上述公式中，是將抽油桿柱拉伸一個光桿沖程所需的載荷（KN）。 = /、/是無因數(shù)系數(shù)，其大小取決于抽油系統(tǒng)的兩個無因次系數(shù)N/N和F/,可查表。無因次系數(shù)N/N是抽油系統(tǒng)實際沖數(shù)和基于抽油桿柱一階自振頻率算出的沖數(shù)之比；無因次系數(shù)F/是抽油桿柱靜變形和光桿沖程之比。 = = =177 N/N= = =0.141 == =0.161 查表得：/=0.16 、/=0.02 又 =46.7KN =46.7KN + 0.16177=75.02KN =46.7KN –0.02177=43.16KN 3.4鏈條選擇 該處上下鏈輪采用等同的材料、尺寸，鏈傳動的作用是傳遞運動。 懸點載荷 =75.02KN 、=43.16KN 故應(yīng)使鋼絲繩的抗拉受力=75.02KN，即=75.02KN 故由=0知， = =3=375.02KN=225.06KN 查機械設(shè)計課本得： 取單排鏈，ISO型號為32B，節(jié)距p=50.8mm、滾子直徑=29.21mm、內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬=30.99mm、銷軸直徑=17.81mm、內(nèi)鏈板高度=42.29mm、排距=58.55mm。 圖3-3齒形參數(shù) 設(shè)定鏈輪齒數(shù)為25. 鏈輪齒寬=21.59mm。選擇材料40Cr，應(yīng)用淬火處理。 分度圓直徑：= =405.3mm； 齒頂圓直徑：=+ =423.6mm； ==439.59mm； 齒根圓直徑： ==405.3-29.21=376.09mm； 齒 高： =10.759mm； =18.7706mm； 確定的最大軸凸緣直徑 = = 357.4mm 天輪直徑：分度圓直徑=3405.3mm=1215.9mm1220mm 根據(jù)機械設(shè)計課本，在設(shè)計時，若中心距不受其他條件限制，一般可取，最大取。有張緊裝置或托板時，可大于80；若中心距不能調(diào)整，30. 本設(shè)計中心距 鏈條長度： = =6000mm 從而，鏈條節(jié)數(shù)= = =118節(jié) 鏈輪和鏈條相比,鏈輪的強度高,使用壽命較長,所以鏈傳動的失效,主要是鏈條的失效,其主要失效形式是: (1) 鏈條疲勞破壞(2) 鏈條鉸鏈的磨損(3) 鏈條鉸鏈膠合。 (1) 鏈條疲勞破壞 鏈條各元件在變應(yīng)力作用下,經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù),鏈板發(fā)生疲勞斷裂,滾子,套筒表面出現(xiàn)疲勞點蝕和疲勞裂紋.在正常潤滑條件下,鏈板的疲勞強度是決定鏈傳動承載能力的主要因素. (2) 鏈條鉸鏈的磨損 鏈條在工作過程中，鉸鏈的銷軸與套筒間不僅承受較大的壓力，而且還有相對轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致鉸鏈磨損，其結(jié)果使鏈節(jié)距增大，鏈條總長度增大，從而使鏈的松動垂度發(fā)生變化，同時增大了運動的不均勻性和動載荷，引起跳齒。. (3) 鏈條鉸鏈膠合. 在潤滑不當或鏈輪轉(zhuǎn)速過高時,鏈條鉸鏈的銷軸和套筒的工作表面會因潤滑油膜破壞,在高溫,高壓下直接接觸導(dǎo)致兩表面粘結(jié),相對運動使粘結(jié)部位撕開,形成表面撕開而損壞,稱為膠合.因而要限制鏈傳動的極限轉(zhuǎn)速. 鏈輪：單排鏈齒寬=0.95 齒側(cè)側(cè)角 =6.604mm； 齒側(cè)半徑 =50.8mm； 齒全寬 =（）+ （為排數(shù)） =29.44mm 平衡重的質(zhì)量求解：最大懸點載荷 最小懸點載荷 則極限受力差==31.86KN 根據(jù) =9.558 3.5平衡重的計算 平衡塊的重量：最大懸點載荷 最小懸點載荷 極限受力差==31.86 根據(jù) =95.58 平衡塊質(zhì)量： 3.6軸和鍵的選擇校核 設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)如圖，要求軸的直徑，先求軸傳遞的功率。路徑如下： 從 電動機V帶減速器曲柄連桿滑塊 電動機初始功率為30，查機械手冊可知，V帶的傳輸效率為0.96，曲柄和連桿的效率是0.96和0.90；減速器是選用三級減速器，所以其傳動效率為0.98. 所以，傳遞到軸的功率=30 =22.497 選擇軸材料為45號鋼 根據(jù)軸的強度校核計算，扭轉(zhuǎn)強度條件計算公式 = 式中：——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，； T——軸所受的扭矩，； ——軸的抗扭截面系數(shù)，； 圖3-4軸1 圖3-5彎矩受力圖 彎矩=13.99 =22.27 -129-+=0 圖3-6扭矩受力圖 - 校核：=== =222.7 查表：45鋼的=355 =200 = =131.96 軸是安全的。 圖3-7軸2 圖3-8彎矩受力圖 -F =92.3 圖3-9扭矩受力圖 =151.4 軸是安全的。 ﹤二﹥根據(jù)機械設(shè)計課本鍵的章節(jié)，所以選擇鍵按照軸的直徑選擇，最終確定鍵的尺寸為 和，其長度按照軸長確定。 3.7曲柄和連桿的選擇校核 圖3-10曲柄、連桿長度關(guān)系 求得：連桿長、 曲柄長、偏偏置距離 圖3-11滑塊向上運動時受力分析 = =55.4（壓應(yīng)力） = =79.4（拉應(yīng)力） 圖3-12下沖時受力 取 = 選擇材料灰鑄鐵 HT100 400 2 2D31.8 取 壓應(yīng)力 ，所以當曲柄滑塊機構(gòu)在規(guī)定的平面中運動時，兩端視為是鉸支的。 連桿受到的軸向壓力 查表知： 綜上所述，取 圖3-13曲柄連桿運動示意圖 曲柄1勻速運動作用于1上的慣性力矩為0。 動態(tài)靜力分析： 由整個構(gòu)件組的力平衡條件可知，上下沖程的滑塊極限加速度出現(xiàn)的位置，連桿分別受到最大拉力及壓力。 由 動態(tài)靜力分析方程 可得曲柄的最大壓力 曲柄上作用有轉(zhuǎn)矩 = =35.52 圖3-14扭矩圖 =118.4 曲柄受剪，受彎曲應(yīng)力。 圖3-15彎矩圖 校核： 剪切應(yīng)力 選材料灰口鑄鐵，查表得： 求得： 綜上 取 3.8滑塊的運動分析 1.當滑塊在最低點時， （方向垂直于曲柄） （方向豎直向上） 由此，可推出： 也即連桿AB角速度與曲柄OA的角速度成比例關(guān)系。 速度關(guān)系式： = + 0 ? 畫速度多邊形。 加速度分析： （曲柄勻速時，自由法向加速度，） （方向豎直向上） = + + ? ？ 圖3-12圖解法求加速度 在圖中9mm= 所以，根據(jù)圖解法求得： 3.當滑塊在最高點時， （方向垂直于OA） 速度關(guān)系： = + 0 ? 加速度關(guān)系：= + + ? ？ 同樣根據(jù)圖解法可求得：=0.295 第四章 抽油機部分零部件的UG三維建模 4.1 UG的簡介 Unigraphics（簡稱UG），是EDS公司開發(fā)的一個產(chǎn)品工程解決方案，是全球主流CAD系統(tǒng)，是計算機輔助設(shè)計、輔助制造、輔助工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（CAD/CAM/CAE/PDM）一體化的軟件系統(tǒng)之一。UG提供了一種基于過程的產(chǎn)品設(shè)計環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計到加工真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，從而優(yōu)化了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計與制造。UG面向過程驅(qū)動的技術(shù)是虛擬產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，在面向過程驅(qū)動技術(shù)的環(huán)境中，用戶的全部產(chǎn)品及其精確的數(shù)據(jù)模型能夠在產(chǎn)品開發(fā)全過程的各個環(huán)節(jié)保持相關(guān)，從而有效地實現(xiàn)了并行工程。 該軟件不僅具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和生成工程圖等設(shè)計功能，而且在設(shè)計過程中可進行有限元分析、機構(gòu)運動分析、動力學分析和仿真模擬，從而提高了設(shè)計的可靠性。同時，可采用建立的三維模型直接生成數(shù)控代碼用于產(chǎn)品的加工。 UG是新一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，它可以通過過程變更來驅(qū)動產(chǎn)品革新。UG獨特之處是其知識管理基礎(chǔ)，它使得工程專業(yè)人員能夠推動革新以創(chuàng)造出更大的利潤。UG可以管理生產(chǎn)和系統(tǒng)性能知識，根據(jù)已知準則來確認每一設(shè)計決策。 UG建立在為客戶提供無與倫比的解決方案的成功經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，這些解決方案可以全面地改善設(shè)計過程的效率，削減成本，并縮短產(chǎn)品進入市場的時間。通過再一次將注意力集中于跨越整個產(chǎn)品生命周期的技術(shù)創(chuàng)新。 UG的成功已經(jīng)得到了充分的證實。這些目標使得UG通過無可匹敵的全范圍產(chǎn)品檢驗應(yīng)用和過程自動化工具，把產(chǎn)品制造早期的從概念到生產(chǎn)的過程都集成到一個實現(xiàn)數(shù)字化管理和協(xié)同的框架中。自從UG推出以來，在航空航天、汽車、通用機械、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械以及其他高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機械設(shè)計、模具設(shè)計、加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 該軟件具有以下特點： （l）具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，真正實現(xiàn)了CAID、CAD、CAE和CAM等模塊之間無數(shù)據(jù)交換的自由切換，并且可實施并行工程。 （2）采用復(fù)合建模技術(shù)，將實體建模、曲面建模、線框建模、顯示幾何建模與參數(shù)化建模等建模技術(shù)融于一體。 （3）采用基于特征的建模和編輯方法作為實體造型的基礎(chǔ)，形象直觀，類似于工程師傳統(tǒng)的設(shè)計方法，并能采用參數(shù)驅(qū)動。 （4）曲面設(shè)計采用非均勻有理B樣條作為基礎(chǔ)，可用多種方法生成復(fù)雜曲面。 （5）二維圖功能強大，可方便地從三維實體模型直接生成二維工程圖，可以按照ISO標準和國標生成各種剖視圖、標注尺寸、形位公差和漢字說明等。 （6）以Parasolid為實體建模核心，目前許多著名CAD/CAE/CAM軟件均以此作為實體造型的基礎(chǔ)。 （7）提供了界面良好的應(yīng)用開發(fā)工具，并能通過高級語言接口，使UG的圖形功能與高級語言的計算功能緊密結(jié)合，便于用戶開發(fā)專用CAD系統(tǒng)。 （8）具有良好的用戶界面，絕大多數(shù)功能都可通過圖標實現(xiàn)；進行對象操作時，具有自動推理功能；在每個操作步驟中，都有相應(yīng)的提示信息，便于用戶做出正確的選擇。 4.2抽油機部分部件模型的建立 因為在本設(shè)計中很少涉及小件的裝配，所以，在這里我簡要的介紹些一下我的設(shè)計中部分零件的建模過程。 1.滾輪的建模。 圖4-1 滾輪的草圖 首先，先建一個如上草圖，利用拉伸命令逐步做出實體框架，接著，再建一個鍵槽草圖如圖4-2，在實體上建立鍵槽，即得滾輪的三維實體。 圖4-2鍵槽草圖 圖4-3滾輪的三維建模 2.小帶輪的建模 首先，根據(jù)所需帶數(shù)和減速器輸入軸尺寸，定好小帶輪尺寸，建立草圖，如圖4-6所示。對草圖回轉(zhuǎn)，接著進行必要的倒角和倒圓命令，得到小帶輪的三維實體。 圖4-6小帶輪草圖 圖4-7小帶輪的三維建模 3.鏈輪的建模 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)，首先畫一個圓柱，接著在上面長相應(yīng)的凸臺，接著在上面建立鍵槽，最后進行倒角。 圖4-8軸的三維建模 4.鏈輪的建模 首先，建立一個徑向草圖，對其回轉(zhuǎn)得到鏈輪外形，接著，再在軸向上建立齒形草圖，對其拉伸并和外形求差；接著依次對實體拉伸求差，再畫鍵槽草圖，拉伸求差；倒圓后得到鏈輪的三維實體。 圖4-9鏈輪外形草圖 圖4-10齒形草