机械设计综合课程设计
(指导书)
西华大学机械工程学院
机械基础教学部
第1章设计任务书
1、设计题目
常规游梁式抽油机机械系统设计
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主要由三部分组成：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 抽油机系统示意图
2、原始数据
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，抽油杆上
指执行系统与抽油杆的联结点，悬点载荷P（kN）指抽油机工作过程中作用于悬点的载荷；抽油杆冲程S（m）指抽油杆上下往复运动的最大位移；冲次n（次/min）指单位时间内柱塞往复运动的次数。
假设悬点载荷P的静力示功图如图2所示。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。
图2 静力示功图
3、设计任务
（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，进行执行系统（执行机构）的运动尺寸设计，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）选择电动机型号，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。
（6）编写设计报告一份。设计说明书应包括以下内容：1）摘要；2）概述：抽油机发展概述；3）简述方案设计思路及讨论、改进；4）执行机构设计步骤或
分析计算过程；5）传动系统设计计算；6）对所设计的结果分析讨论；7）感想与建议；8）参考文献10-15篇。
4、提交的设计资料
（1）1号图1张：包括工作执行机构运动简图、位移图、速度图、加速度图；（2）0号图1张：减速器装配图；
（3）3号图2张：减速器重要零件图（输出轴及大齿轮）；
（4）设计计算说明书1份（30页以上）。
第2章系统方案设计
有杆式抽油机主要分为以下几类：
第1代抽油机：保持游梁和曲柄主体结构的抽油机；
第2代抽油机：以无游梁或者塔架长冲程为主体结构的抽油机;
第3代抽油机：以抽油、作业、侧试一体化，一次投资少等特
点的多功能无游梁抽油机。
常规游梁式抽油机如图3所示。系统包括：原动机、传动系统、执行机构等组成。常规游梁式抽油机的执行系统一般采用曲柄摇杆机构。原动机一般采用交流异步电动机。传动系统一般采用带传动、齿轮传动组成多级传动系统。
图3 常规游梁式抽油机
系统减速箱一般多采用三轴二级齿轮减速，同时也起到支撑曲柄平衡块的作用。所采用的齿轮按齿形不同分为：斜齿轮、人字形齿轮。按齿合形式不同分为：圆弧形齿轮、渐开线齿轮。
图4 抽油机减速箱
第3章执行系统设计
常规游梁式抽油机的执行系统一般采用曲柄摇杆机构如图5所示。
图5 抽油机执行系统
机构综合依据悬点载荷P、抽油杆冲程S和冲次n是抽油机工作的三个重要参数。
图6 曲柄摇杆机构
机构运动基本要求：单向连续转动→往复摆动的变换；应具有急回特性；机构运动应灵活、轻巧；设计时取l 1=1.08m ，l 2=0.81m ，且取e/c=4/3，摇杆（游梁）摆角为50°。
（1）行程速比系数
抽油杆上冲程时间为8T/15，下冲程时间为7T/15，则可推得行程速比系数：
78
//2112=
==
t t t t K ψψ （1）
由此可得到四杆机构的极位夹角：
16819212)1/()1(18021===+-=ϕϕθ；其中：K K （2）
（2）冲程要求
据抽油机设计资料可知，通常取e/c=1.35。但前述给定，这里取e/c=4/3。由此可得
S = e ψ =4c ψ/3 （3）
假设选定给定冲程S=1.3m ，并取摇杆（游梁）摆角为50°，则根据式（3）可以确定悬臂e 和四杆机构摇杆c 的长度。即
e = S/ψ （4） c =3S/4ψ （5）
（3）各构件尺寸
现在根据冲程要求确定摇杆长度c 、摆角ψ之后，我们再根据行程速比系数进行机构其他尺寸的设计。
机构设计原理：根据“机械原理”教材中按机构行程速比系数设计机构，如图7所示。
图7 曲柄摇杆机构设计原理图
以c 、ψ及θ作圆η，其半径为r 。“机械原理”教材作出圆η，其中保证
θ221=∠OC C ，θ为机构的极位夹角。显然，圆上任意点M ，θ=∠21M C C 。
若取l 1=1.08m ，l 2=0.81m ，则机架AD 的长度d 根据图6可以确定，进而以点D 为圆心在圆η可以确定点A 。显然A 就为机构的另外一个固定铰链点。
在图7中，a AB =1，a b AC -=1，a b AC +=2。因此有
r
2/)(21AC AC b += （6） 2/)(12AC AC a -= （7）
上述可按作图法求出机构尺寸a 、b 。综合可得到机构尺寸a 、b 、c 、d 、e 。 也可采用解析法求解。具体如下： 1）在D OC 2∆中，根据正弦定理有
θψsin /)2/sin(c r = （8）
θψθsin /)2/sin(+==c l g O D （9）
2）在OAD ∆中，根据余弦定理有
)2cos(2222
2θβ+-+==rg g r l d AD （10）
由此可以推出
()[]
θβ--+=
rg d g r
2/)(arccos 2
1222
（11） 3）在21C AC ∆中，根据正弦定理有
θ
ψβθ
βsin )
2/sin(sin 2sin sin 2
11c l a b l C C AC =
=-= （12）
θ
ψθβθ
θβsin )
2/sin()sin(2sin )sin(2
11+=
+=+=c l a b l C C AC （13）
由此推出
θβ
θβψsin sin )sin()
2/sin(-+=c a （14）
θ
β
θβψsin sin )sin()
2/sin(++=c b （15）
