机械设计课程设计

设计任务：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。

       

 

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。

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。油井工况为：

上冲程时间	下冲程时间	冲程S(m)	冲次n(次/min)	悬点载荷P(N)
8T/15	7T/15	1.3	14

 

设计内容：

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. 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. 编写机械设计课程设计报告。

 

方案分析：

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。

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。

执行系统方案设计：

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1圈的时间有急回。

常见可行执行方案有很多种，我选用“四连杆（常规）式抽油机”机构。

 

设计目标：

   以上冲程悬点加速度为最小进行优化，即摇杆CD顺时针方向摆动过程中的α_3max最小，由此确定a、b、c、d。

 

设计分析：

执行系统设计分析：

 

设计要求抽油杆上冲程时间为8T/15，下冲程时间为7T/15，则可推得上冲程曲柄转角为192°，下冲程曲柄转角为168°。

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。

   θ = 。

曲柄转向应为逆时针，Ⅱ型曲柄摇杆机构

    a² + d ² > b² + c²

设计约束：

(1)    极位夹角

　　　

（2）行程要求

通常取e/c=1.35           S = eψ =1.35cψ

(3)最小传动角要求

(4) 其他约束

整转副由极位夹角保证。各杆长>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。

 

Ⅱ型曲柄摇杆机构的设计：

 

若以ψ为设计变量，因S=1.35cψ ，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。

各式表明四杆长度均为Ψ和β的函数

∴取Ψ和β为设计变量

根据工程需要：

 

优化计算：

①.在限定范围内取ψ、β，计算c、a、d、b，得曲柄摇杆机构各构件尺寸；

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0.5°循环计算）；

④.找出上冲程过程中的最大值α_3max。

对于II型四杆机构，已知杆长为a,b,c,d，原动件a的转角及等角速度为(,n 为执行机构的输入速度)

⑴.   从动件位置分析（如图所示），为AD杆的角度

机构的封闭矢量方程式为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1.1）

欧拉公式展开

令方程实虚部相等

　　　　　　　　　　　　　（1.2）

消去得，　　　　　　　　　　　　　（1.3）

其中　

又因为　

代入（1.3）得关于的一元二次方程式，解得

　　　　　　　　　　　　　　　（1.4）

B构件角位移可求得　　　　　　　　　　（1.5）

⑵．速度分析

对机构的矢量方程式求导数得

　　　　　　　　　　　　　　　　（1.6）

将上式两边分别乘以或得

或　　　　　　　（1.7）＆（1.8）

⑶加速度分析

将（1.6）式对时间求导得

　　　　　　　　　　（1.9）

对上式两边同乘或得

或

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