JY02机械原理课程设计抽油烟机系统设计

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：
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11524323=-⨯-⨯=--=h l n P P n F 。

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
1/
2
V=
2
1
/t
t=8T/15/7T/15=1.4286
由θ=180 (K-1)/(K+1)可得θ =
12。

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： a 2 + d 2 > b 2 + c 2
在设计连杆执行机构是要考虑到设计约束： (1) 极位夹角：
12=θ
θcos ))((2)()(])2/sin(2[2222
21a b a b a b b a c l c c -+--++=ψ=
(2)行程要求：
查手册有通常取e/c=1.35。

所以S = e ψ=1.35c ψ (3)最小传动角要求：
402)(cos 1802
221min ≥+-+-=-bc
d a c b γ
(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=1.35c ψ ，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
)
2cos(2sin /]sin ))[sin(2/sin(sin /]sin ))[sin(2/sin(sin )2/sin()sin()sin(sin sin )2/sin(sin 2sin sin sin /)]2/sin([sin /)2sin(222122
!θβθβθβψθβθβψθψθβθβθ
θψββθθ
ψθθ
ψ+-+==++=-+=+=+=+===
-=+===rg g r l d c b c a ac l
a b l c l a b l c l g c r AD c c AC clc AC OD
各式表明四杆长度均为Ψ和β的函数：
2/90)2/90(180max ψθψψθβ--=----= 所以取Ψ和β为设计变量。

根据工程需要：
]
52/90,5[],[]
55,45[],[max min max min
---=∈=∈ϕθβββψψψ
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(30/1πωn =,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s m v /7980.0max =。

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：423221***ηηηηη=
其中1η、2η、3η以及4η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KW Fv P d 4276
.010007980.010********≈⨯⨯⨯==η 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4~20=i ，二级圆柱齿轮减速器传动比40~82=i ，则总传动比的合理范围为160~16=a i ，故电机转速可选范围为1760~17611)160~16(=⨯=*=n i n a d 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：10011
1100===
n n i m a 分配传动比，初选皮带传动40=i ，则有254
1000===i i i a 有机械手册查的齿轮减速器的高速级28.61=i ，则二级减速器传动比为98.328
.62512≈==i i i 。

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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