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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。
成人高等教育毕业设计（论文）题目抽油机机械系统设计分析及结构设计学生联系电话指导教师教学站点专业完成日期成人高等教育毕业设计（论文）任务书论文题目抽油机机械系统设计分析及结构设计学生姓名袁北林教学站西安联合学院专业班级机电专1028121（联合）内容与要求1、坚持理论联系实际2、立论要科学，观点要创新3、论据要翔实，论证要充分4、字数不低于8000字设计（论文）起止时间2011年5月1日至2011年6月20日指导教师签名学生签名成人高等教育专科毕业设计（论文）审查意见表学生姓名黄天佑教学站点西安联合学院专业、班级机电专1028121（联合）论文题目抽油机机械系统设计分析及结构设计序号评审项目指标分值评分1 工作态度对待工作严肃认真，学习态度端正。
2 2能够正确处理工学矛盾，按照要求按时完成各阶段工作任务。
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1 1能够应用基础理论与专业知识，独立分析和解决实际问题。
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1 1 是否同意参加评阅（填写同意或者不同意）: 同意总分30 26说明有下列情况之一的毕业设计（论文）不得参加评阅：1、毕业设计（论文）选题或内容与所学专业不相符的；2、毕业设计（论文）因1/2以上内容与他人论文或文献资料相同，被认定为雷同的；3、正文字数不足6000字的。
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目录一、设计题目 (1)二、系统总体方案的确 (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：（b）方案为整体布局最小，传动平稳，而且可以实现m c R 35604.1)2sin(sin ==ψθ，其中m c 5.1=； θsin 221R L C C =R L C AC L C C AC 2sin sin 21121==∠θR C AC L AC 2sin 222=∠其中，由于032][=α，则：02133775.242][=-=∠ψαA C C002173917.148)2][(180=-+-=∠ψαθC AC⎩⎨⎧==+==-1052667.11176882.121AC AC L a b L a b 解得：m a 1437893.0=，m b 2614775.1=；m b a c c b a d 410937.1]sin[)(2)(22=+-++=α七、 机构运动分析：1.数学模型 如图所示，取以A 点为原点、x 轴与AD 线一致的直角坐标系，标出向量和转角，由封闭向量多边形ABCD 可得1.35604R m =01224.33775C C A ∠=012148.73917AC C ∠=m a 1437893.0= m b 2614775.1=1.410937d m =122()()(/2)22122''"i i i AB BC BC l e l e l e ϕπϕπϕπϕϕϕ+++++33()(/2)233'"i i DC DC l e l e ϕπϕπϕϕ++=+实部和虚部分别相等可得22112222'cos 'cos "sin AB BC BC l l l ϕϕϕϕϕϕ++ 23333'cos "sin DC DC l l ϕϕϕϕ=+22112222'sin 'sin "cos AB BC BC l l l ϕϕϕϕϕϕ--+ 23333'sin "cos DC DC l l ϕϕϕϕ=-+解得2221122332332'cos()''cos()"sin AB BC DC DC l l l l ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ-+--=-（）222113232332'cos()'cos()'2"sin()AB BC DC BC l l l l ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ-+--=-2.框图设计3.程序和计算结果Visual C++ 程序#include "stdio.h"332.3697410231.481.044P d C mm n ≥==Ⅱ332.264171.06 1.069843.421.894P d C mm n ≥=⨯=Ⅲ 中间轴各轴段设计：1.各段轴的直径轴段1为轴承径，其直径应符合轴承内径标准，且31.4d mm ≥Ⅱ，由此选定35d mm =1。
第一章绪论1.1 选题的目的和意义随着油田的开发，我国大多数油田已进入开发的后期，逐渐丧失自喷能力，需要从自喷转向机采，而目前，我国开采石油耗电指标与国外先进水平相比，还有很大差距，我国抽油机的运行效率特别低，平均效率仅为25.96%，而国外平均水平为 30.05%，年节能潜力可达几十亿千瓦时,尽管研制和应用了一些节能抽油机，但是由于使用数量不多，其总耗电量还是很大的，近年来，我国研制的新型抽油机，几乎都具有高效节能特点，目前，在用的抽油机系统效率一般在20%~30%之间，因此，开展新型抽油机，替换常规机型是大势所趋，随着油田的不断开发，地层能量逐渐消耗，为了保证原油的稳产、高产，机械采油己经成为广泛采用的一种方法。
我国有机采油井 5 万多口，占油井总数的80%左右，抽油机井的耗电量占总耗电量的四分之一，由于抽油机井的系统效率较低，大量的能量(70%以上)在传递过程中损失掉，如果将抽油机井的系统效率提高 5%，年节电 20×10e8 千瓦时，这不仅可节约大量资金，而且，还可以缓解油田电力紧张状况。
当今世界，资源日益匮乏，“节能减排”已成为已成为一个不可忽视的方面，也是为了人类的继续生存而思考的，“节能减排”将成为永远不变的一个主题。
而我国广泛使用的游梁式抽油机虽然结构简单、操作方便和可靠耐用，但机械效率和采油综合效率低、平衡度差、耗电量过高、机体过重和冲程的长度受到限制等不易克服的缺点。
1.2 链条式抽油机的发展现状抽油机的产生和使用已有一百多年的历史。
应用最多，使用最广的属游梁式抽油机。
目前在世界产油国仍在大量使用。
美国拥有40万台，我国拥有近三万台，一百多年来，游梁式抽油机的结构和原理没有实质性的变化。
我国抽油机制造业已有50年的历史，经过进口修配、仿制试制、设计研制三个阶段。
近几年我国的链条式抽油机发展比较快，但游梁式抽油机还占有主要地位，根据国情，我国现在应该改造优良式抽油机，研发新型节能抽油机。
1 引言石油化工行业是国民经济发展的基础行业，同时也是耗能大户。
目前，我国石油化工行业中抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在3500MW，每年耗电量逾百亿kW·h。
抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96％，而国外平均水平为30.05％，年节能潜力可达几十亿kW·h。
我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，大部分油田要靠注水压油入井，再用抽油机把油从地层中提升上来。
以水换油或者以电换油是我国油田的现实，因而，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能。
多年来，各采油厂一直在抽油机节能的问题上下功夫，近几年的实践证明，变频调速是最理想的高效调速节电技术。
在油田生产中，应用变频技术，一是改造“大马拉小车”设备，适应变工况运行，二是生产工艺自动化的需要，作为闭环系统中理想的执行器。
因为油田生产的特殊性，选用变频器常重点考虑操作简单化，运行的安全性、可靠性、经济性，出现故障后系统处理的灵活性。
变频技术的发展日新月异，在油田生产中也由过去的简单应用发展到系统集成，自动控制。
所以，我们面临的问题是怎样做到变频、电机、负载整个系统应用最优化，节电效益最大化。
2 抽油机介绍及相关功能需求抽油机(俗称叩头机)是石油开采中的必备设备。
一般，每个原油生产井都至少使用一台抽油机，将深藏在地下(或海水中)的石油通过抽油管抽出。
图1给出了抽油机的结构图。
抽油机的每个工作循环可分为上提抽油杆，下放抽油杆，从上提抽油杆转换为下放抽油杆，从下放抽油杆转换为上提抽油杆四个阶段。
图1 抽油机结构图图1中: 1—底座; 2—支架;3—悬绳器; 4—驴头;5—游梁; 6—横梁轴承座;7—横梁; 8—连杆;9—曲柄销装置; 10—曲柄装置;11—减速器; 12—刹车保险装置;13—刹车装置;14—电动机;15—配电箱。
抽油机的负荷电流曲线如图2所示。
1绪论1.1 研究意义游梁式抽油机是国内外石油工业的传统采油方式之一，在我国石油开采中有杆抽油系统一直占主导地位。
在我国各油田中，大约80%以上的油井采用有杆抽油系统。
游梁式抽油机以其结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。
但游梁式抽油机也存在很多缺点，如系统的效率低、能耗大、抽油时间以及平衡性能差等。
其中，游梁式抽油机的主要问题是能耗大，效率低。
我国油田在用的常规型游梁式抽油机系统效率较低，其平均系统效率仅有16%～23%。
因此，有杆抽油系统的节能问题已成为国内外研究者关注的热点和重点，油田推广应用各种节能型抽油机、电机及电控箱，虽然这些节能产品的使用提高了抽油机井系统效率，但也随之产生一些问题，如它们能否组合使用,组合使用后的节能效果是否是单个节能产品节能效果的算术叠加等。
因此，研究游梁式抽油机连杆机构尺度优化及结构设计问题具有非常重要的经济效益和社会意义。
游梁式抽油机是一种变形的四杆机构，它是以游梁支点和曲轴中心连线做固定杆，以曲柄、连杆和游梁后臂为3个活动件的曲柄连杆机构，该连杆机构各杆件尺寸的不同组合将会直接影响抽油机的动力性能，我们将就此连杆机构的尺度综合问题展开谈论，在其他设计参数一定的情况下，通过优选杆长组合来讨论抽油机的重要质量指标——悬点加速度的变化情况，从而进一步判断抽油机的性能优劣。
1.2 国内外抽油机现状、发展方向及节能技术1.2.1 抽油机主要存在的问题游梁式抽油机—有杆抽油泵系统的总效率在国内一般地区评价只有12%到23%。
先进地区至今不到30%。
美国的常规抽油机系统效率较高，但也仅有46%。
系统效率低下，能耗大，耗电就多，以此，节能成为有杆抽油系统的一个急需解决的问题。
此外，随着老油田油井的注水开发，油田已经开始进入高含水采油期。
不断提高产液量，以液保油，这是注水开采油田保证原油稳产的必要趋势。
这种开采特点要求抽油机的冲程越长越好，使得在役的常规型游梁式抽油机型偏小，在一定程度上已经不能满足长冲程、低冲次生产的要求。
新型四杆机构设计由于常规的四杆机结构存在着一些参数上的问题，造成了其在使用性能以及使用功能上难以发挥出全力。
随着机械自动化生产要求日益变高，对于四杆结构要求也将变得越来越高，文章针对新型四杆机结构设计进行研究，从参数设计、模型分析实现对常规四杆机结构改造与研究。
标签：四杆机结构；参数设计；动力学特性随着我国自动化技术研究不断深入，对于四杆机结构的设计与研究变得更加广泛，但是在控制参数方面却存在着严重的不足。
即使不断优化结构参数，也仅能够确保在部分的时间内四杆机结构具有良好的控制特性，其他时间段内则可能出现失控问题，因此文章基于对四杆机结构参数设置控制进行分析和研究，提出了相应的四杆机结构改进措施。
1 四杆机结构设计研究发展现状参数设计作为四杆机构设计重要思想，其在设计中属于一种新兴的CAD设计方法。
设计过程中可以实现对生产产品进行全生命周期计算辅助设计，可以有效的促进产品的革新速度。
然后通过用户友好界面来改善结构参数，以便完成四杆机结构的参数设计[1]。
参数化设计在绘图、机械装配、图库参数生产等均可以实现参数化，建立起相应的参数化图库。
随着先进机械产品生产技术的引进，对于检测设备、设计方法等要求更高，从根本上提升了机械设备的生产能力。
传统的设计还存在着计算、结构优化、工程绘图等操作，在实际的参数化的时候，必须要将几何图形元素精确坐标尺寸。
实际生产制造过程中由于产品之间存在着很多相同、相似的零部件，设计时通过修改已经拥有的图形来实现参数化设计。
但是传统的设计绘图系统之中，缺乏相应的参数设计功能，而且在进行图形尺寸处理的时候，往往还会引起图形发生很大的变化。
很多不同的产品模型进行设计和造型，都无法支持产品相应的设计工作，使得产品的设计费用变得相对较高，设计的时间相对较长，不能够实现快速现代化市场需求。
采用参数化模型，不断调整参数使得几何形状、参数控制等来实现产品的精确造型，新型的四杆机结构与传统的设计造型进行比较，其最大的不同之处就是在于产品的精确制造。
学校代码：
毕业设计编号：
黄冈职业技术学院
机电学院
毕业设计报告
课题名称基于四杆机构的油田抽油机结构设计作者张浩
专业机电一体化技术
班级学号201003011806
指导教师潘纹老师
2012 年11 月
目录
摘要：‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（3）
一设计任务‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（4）二方案设计分析‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（5）
1.执行方案设计‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（5）
2.连杆机构的组成和分类:‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（6）
3.连杆机构常见的基本形式‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（7）4．铰链四杆机构基本类型的判别‥‥‥‥‥‥‥‥‥（7）5.判断此设计机构的类型‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（9）6此机构的基本运动原理‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（10）三数据设计与计算‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（10）四压力角的测量‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（12）五设计心得‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（14）六参考文献‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（15）
附：设计图纸
开题报告
设计任务书
摘要：
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。
本设计主要关于抽油机由电动机驱动，经减速传动系统通过四杆机构系统（将转动变换为往复移动的原理），带动抽油杆及抽油泵柱塞作上下往复移动，从而现将原油从井下举升到地面的目的。
一设计任务
参照油田抽油机实物，运用四杆机构原理设计一个油田抽油机仿真模型。
基本任务和要求：
（1）原理设计、性能设计、结构设计
（2）按比例画出该设计的机构简图
（3）装备图的绘制
（4）该机构的操作使用方法
（5）设计过程中的心得体会
二方案分析设计
1.执行方案设计
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，简单示意如下图所示
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
悬点载荷P的静力示功图——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。
2.连杆机构的组成和分类:
（1）组成
连杆机构是用转动副和移动副将构件相互连接而成的机构,以实现运动变换和动力传递。
（2）按构件间相对运动的性质不同可分为
空间连杆机构----各构件间的相对运动不在同一平面
平面连杆机构----各构件间的相对运动均在同一平面或相互平行的平面内
铰链四杆机构
如图所示：
AD----
AB、CD----
BC----
概念：
1.曲柄——能作整周旋转的杆件。
2.摇杆——不能作整周旋转的杆件，即只能作摆动。
3.连杆机构常见的基本形式
为了更好的掌握四杆机构的工作原理，按其工作原理大致分为：
•曲柄摇杆机构，两连架杆中一个为曲柄一个为摇杆的铰链四杆机构。
•双曲柄机构，两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构。
其特点是当主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一般做不等速转动。
在双曲柄机构中，如果两对
边构件长度相等且平行，则成为平行四边形机构。
这种机构的传动特点是主动曲柄和从动曲柄均以相同的角速度转动，而连杆做平动。
•双摇杆机构，双摇杆机构是两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构。
4．铰链四杆机构基本类型的判别
1 当a+d≤c+b时： a为最短杆；d为最长杆
与最短杆相邻的杆AD固定，此时为：曲柄摇杆机构最短杆AB固定，此时为：双曲柄机构。
小结：
1.最长杆和最短杆之和小于等于其余两杆之和时：•与最短杆相邻的杆固定，此时为曲柄摇杆机构。
•最短杆固定，此时为双曲柄机构。
•与最短杆相对的杆固定，此时为双摇杆机构。
2.最长杆和最短杆之和大于其余两杆之和时：•无论哪根杆固定都为双摇杆机构。
5.判断此设计机构的类型
如下图所示，d=x2+y2=22+42;
∵a2+d2>b2+c2
∴此机构为曲柄摇杆机构。
6．此机构运动原理：
主动轴曲柄AB 以A 为圆心AB 长为半径做逆时针圆周运动，通过连架杆CB 的作用，带动摇杆CD 做往复摆动。
三．数据设计与计算
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。
参考某油田的工作需要设额定悬点载荷120（KN ） 最大冲程2.5（M ） 可知抽油杆行程为2.5m
为方便设计计算
1. 设抽油杆拉索工作弧为60°，则延伸杆长为：
3601
2.5 2.39602DE m π
=⨯⨯=
设从动件连架杆2CD m =；工作摆角相对水平线为30± 。
（图2-29）
2. 设该机构无行程速度变化，可将主动轴A 置于C 点正下方4m 处； 设主动杆AB 长为R ,连杆BC 长为L 。
（图2-29）
3. 经实测（或计算）： m AC 51=；m AC 32=
由: 1L R AC += ①
2L R A C -= ②
得： m L 4= ；m R 1=
图2-29 图2-30
五．压力角的测量
测量得压力角e=20°
测量得压力角e=15°
测量得压力角e=38°
由以上可知在运动过程中压力角e始终小于40°，所以该结构符合设计要求。
设计心得
经过一个多月的努力，我终于将机械设计课程设计做完了。
在这次作业过程
中，我遇到了许多困难，一次又一次的设计方案修改暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足，也暴露出其他许多薄弱环节，很多学过的知识不能灵活应用，在这次作业后才渐渐掌握，以前学过的东西自己并不是都掌握了，很多知识都已很模糊，经过这次设计又回忆起来了。
刚开始在机构设计时，由于没见过实物，令我非常苦恼。
后来在老师的指导下,我找到了一些相关方面的图片资料,将之解决了。
同时我还对四连杆机构的运动分析有了更进一步的了解。
至于画装配图和零件图，由于前期在指导老师帮助下，计算减轻了难度也完成的比较充分，整个过程比较顺利。
在此期间，我还得到了许多同学和老师的帮助。
在此我要向他们表示最诚挚的谢意。
这次毕业设计中也使得我和同学的关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家一起讨论商量，听听不同的看法让我更好的完成设计。
尽管这次作业的时间是漫长的,过程是曲折的,但我的收获还是很大的.不仅仅掌握了四连杆执行机构，Auto CAD ,Word这些工具软件也在不断练习中进一步得到了巩固。
对我来说，收获最大的是方法和能力。
那些分析和解决问题的方法与能力。
在整个过程中，我发现像我们这些学生最最缺少的是经验，没有感性的认识，空有理论知识，有些东西很可能与实际脱节。
总体来说，我觉得做这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识都系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进。
有时候，一个人的力量是有限的，合众人智慧，才能更好的完成设计。
参考文献
《机械设计基础》徐春艳主编北京理工大学出版社2006年
8月
《机械设计》吴克坚于晓红钱瑞明主编高等教育出版社2003年3月第一版
《机械设计课程设计》卢颂峰王大康主编北京工业大学出版社1993年第一版
《Auto CAD 实例教程》丘志惠等北京机械工业出版社2002年5月。
