机械原理机械设计(油田抽油机)
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设计题目——油田抽油机
1. 机器的用途及功能要求
抽油机是一种采油机械，主要用于当油井不能自喷或自喷能力不能满足采油需要时，从地下抽取石油。图1是游梁式抽油机的工作原理图。工作时，抽油机的执行机构通过钢丝绳牵引抽油杆，带动活塞上、下往复运动。当活塞上移（上冲程）时，抽油泵泵体下部形成负压，使得排出阀关闭，吸入阀打开，油液被吸入泵体内；当活塞下移（下冲程）时，泵体下部压力增大，使得吸入阀关闭，排出阀打开，泵体内的石油被压入活塞体内。在活塞不断往复运动的过程中，油液从活塞体内进入抽油泵上部的油管，最后从井口排入集油管线（图1a）。
抽油机在一个运动循环中所受的生产阻力变化很大。在上冲程中，生产阻力不仅包括抽油杆和活塞以上环形液柱的重量，而且还包括抽油杆和环形液柱的惯性动载荷（悬点E承受了最大载荷）；而在下冲程时，抽油杆在其自重作用下克服浮力下行，生产阻力为零。此外，执行机构的总惯性力和总惯性力矩也不平衡。这些因素使抽油机在工作过程中产生有害振动，同时造成其速度波动，影响抽油杆和抽油泵的正常工作，影响抽油机的工作寿命。因此，必须对抽油机进行动平衡。
2. 设计要求和原始数据
设计以电动机为原动机的抽油机。
⑴ 抽油机结构简单，加工容易，便于维护，受力好，效率高，执行机构的许用压力角[α]≤40°；
⑵ 执行机构具有急回性能，行程速比系数1＜k≤1.15；
⑶ 抽油杆的冲程长度可调；
⑷ 采用曲柄平衡方式对抽油机进行动平衡，平衡重G 作用于B点（图1b）；
3. 设计内容
⑴ 确定总体设计方案，包括传动系统中各传动的类型、传动路线、总传动比和传动比分配；
⑵ 选择执行机构的型式，确定各构件尺寸，计算机构自由度；
⑶ 用电算法作执行机构的运动分析，求出在一个运动循环中，步长为π/36弧度的抽油杆的位置、速度和加速度，以及抽油杆在一个运动循环中的平均速度Vm、最大速度Vmax、最小速度Vmin和速度不均匀系数δv（此处所说速度均指速度的大小）；
⑷ 求出原动机所需工作功率Pd，选择电动机；
⑸ 对传动系统中各级传动进行工作能力计算；
⑹ 进行减速器的结构设计。
4. 提交的设计结果
⑴ 抽油机的总体设计方案，包括完整的传动路线图和按比例绘制的总体方案布局图，要表达清楚原动机、传动装置及执行机构的空间位置关系，并注出总体方案长、宽、高的尺寸；（2号图纸）
⑵ 按比例绘制的执行机构（铰链四杆机构）的极限位置图（注明极位夹角θ），抽油杆的位置、速度和加速度线图（三者均从下极限位置开始，并标明比例尺）；（2号图纸）
⑶ 减速器装配图一张；（1：1，0号图纸）
⑷ 减速器零件工作图若干张；（1：1）
⑸ 设计计算说明书，内容包括：
* 设计题目、要求和原始数据；
* 分析执行机构和传动系统的优缺点；
* 执行机构的运动设计（运动分析和求最大驱动力矩Mmax），包括数学模型、程序框图及文本、计算过程和结果（步长取π/6，结果以表格形式给出）；
* 原动机的选择和传动比的分配过程，各轴的运动和动力参数的计算过程和结果；
* 各级传动工作能力计算过程；
机械原理机械设计 课程设计计算说明书
设计题目 油田抽油机
天津大学 机械工程 学院
机械设计制造及自动化专业 1 班级
设 计 人 李 廷 江
指导教师 陈树昌、王多
2006年 01月 08日
目 录
一、 设计题目………………………………………………………….1
二、 系统总体方案的确定…………………………………………….1
三、 设计原始数据……………………………………………………2
四、 电动机的选择……………………………………………………3
五、 传动比的分配……………………………………………………4
六、 执行机构尺寸计算………………………………………………5
七、 机构运动分析……………………………………………………6
八、 V带设计………………………………………………………..15
九、 传动装置的运动和动力参数…………………………………..17
十、 齿轮的传动计算………………………………………………..18
十一、 减速器机体的尺寸设计……………………………………31
十二、 轴的设计……………………………………………………32
十三、 键的选择及强度较核………………………………………33
十四、 轴承寿命计算及静强度……………………………………35
十五、 轴的强度较核………………………………………………37
十六、 参考文献……………………………………………………41
计 算 及 说 明 主 要 结 果 计 算 及 说 明 主 要 结 果
一、 设计题目：油田抽油机
二、 系统总体方案的确定：
系统总体方案：电动机→传动系统→执行机构；
初选三种传动方案，如下：
(a)二级圆柱齿轮传动
(b)为涡轮涡杆减速器
(c)为二级圆柱圆锥减速器
系统方案总体评价：
计 算 及 说 明 主 要 结 果
（b）方案为整体布局最小，传动平稳，而且可以实现较大的传动比，但是抽油机要求长时间的工作，由于涡杆传动效率低，功率损失大，很不经济。图c方案布局比较小，但是圆锥齿轮加工较困难，特别的是大直径，大模数的锥轮，所以一般不采用。图a布局一般，传动效率好，加工比较方便，且适合长期的工作环境。
最终方案确定：电动机→传动系统→执行机构（如下图）
三、 设计原始数据：
每日抽油量()Qt 12．3
冲程()hm 0．4
摇杆长度()CDLm 1．5
计 算 及 说 明 主 要 结 果
EDCDLL 1
许用压力角[]()度 32
行程速比系数K 1．08
平衡重Gkg 840
泵筒和活塞的直径()Dm 0．038
下泵深度()Lm 300
抽
油
杆 直径()dm ()qkgm 不同直径抽油杆连接长度()lm
10.019d 12.350q 1150l
20.022d 23.316q 2150l
四、 电动机的选择：
1． 每日抽油量Q的计算：
)(3602kgnhDQ
其中，
mD038.0,kgtQ3103.123.12,
mh4.0,3860mkg；
则min894.21rn，那么min894.21radAB；
2． 抽油机最大负荷maxF的计算：
))(17901(21maxkNhnFFFs
式中，1F为液柱质量负荷：
)(10008.9)4(21kNLDF
其中，L为抽油杆的总长度（单位：m），等于下井深度300m；
计 算 及 说 明 主 要 结 果
kNLDF8675.210008.9)4(21
sF为抽油杆质量负荷：
)(10008.9)(2211kNlqlqFs
其中，1q、2q和1l、2l分别为不同直径抽油杆的每米长质量及连接长度，由原始数据查取；
mkgq350.21，mkgq136.32，mll15021；
)(0644.810008.9)(2211kNlqlqFs
则，)(7957.11)17901(21maxkNhnFFFs
3． 电动机所需功率dP：
))(1055.9(6maxkWnTPd
式中，为传动装置的总效率，n为曲柄轴转速)min(r，maxT为曲柄轴上的最大转矩)(mmN，可由下式计算：
)(24.0maxmaxmmNhFT
代入数据可得：
)(94365624.0maxmaxmmNhFT
又知，V带传动效率96.01，轴承传动效率985.02，齿轮传动效率97.03，联轴器传动效率99.04，则
传动装置总效率：84177.0423421
那么，6max(9.5510)2.58358()dPTnkW
综上，选择电动机6132SY，额定功率kW3，额定转速min1000r；
min894.21rn
12.8675FkN
8.0644()sFkN
