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1、本科學(xué)生畢業(yè)論文2013 年 5 月 12 日論文題目：滾筒式抽油機設(shè)計學(xué) 院：機電工程年 級：2009 級專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化姓 名：王成霖學(xué) 號：20096487指導(dǎo)教師：曹立文摘要本文通過對當(dāng)前市場上的各種大小型抽油機進行市場調(diào)研之后，對其技術(shù)水平進行分析，于是根據(jù)設(shè)計題目來源提出了滾筒式抽油機的設(shè)計方案，在這設(shè)計過程中完成的主要工作有如下部分： 根據(jù)大慶石油開采公司的相關(guān)要求，分析了目前市場上多半采用游梁式抽油機和少部分先進的節(jié)能型抽油機的優(yōu)缺點，提出了滾筒式抽油機的設(shè)計方案。并完成滾筒式抽油機相關(guān)參數(shù)的確定。如平衡配重、滾筒電機、導(dǎo)向輪、立柱、工作平臺、平帶等零件的選型設(shè)計

2、和校核。部分零件利用 proe 軟件建立了三維實體模型。 隨著我國工業(yè)化程度的提高和經(jīng)濟的狂飆增長。各種能源問題對于我國的經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)來說越來越急迫，尤其石油的需求量更加迫切。我國一直在尋找新能源的同時，節(jié)約能源是目前有效的措施之一。關(guān)鍵詞 滾筒；滾筒電機；配重；制動器Abstract This article through to the current market of conducting market research aiming at pumping unit, analyzes the technical level, then according to the desi

3、gn of topic source cylinder pumping unit design scheme was proposed, the main work accomplished in the design process has the following parts: According to the relevant requirements of daqing oil company, analyzed the mostly USES the beam pumping unit on the market at present and the advantages and

4、disadvantages of a small group of advanced energy-saving pumping unit, the design scheme of cylinder pumping unit is put forward. The determination of related parameters and completes the roller pumping units. Such as counterweight, roller motor, guide wheel, pillar, work platform, selection of belt

5、 and other parts design and check. Parts using proe software to establish 3 d entity model. Belting along with our country industrialization degree increase and economic growth. All kinds of energy issues for Chinas economic development and national defense construction is more and more urgent, espe

6、cially oil demand is more urgent. Our country has been looking for new energy at the same time, saving energy is currently one of the effective measures.Key words drum; Drum motor; Balance weight; brake 目錄摘要.IABSTRACT.II第一章 前言.11.1 課題提出的背景和意義.11.2 抽油機分類.1 1.3 本課題研究內(nèi)容及現(xiàn)實意義.41.4 本章小結(jié) .5第二章 滾筒式抽油機整體方案設(shè)

7、計.62.1 滾筒式抽油機設(shè)計參數(shù)分析 .62.2 滾筒式抽油機工作原理 .62.3 滾筒式抽油機主要零件設(shè)計 .72.3.1 平衡配重設(shè)計計算及導(dǎo)向鋼絲繩選型.82.3.2 平衡配重及配重微調(diào)塊設(shè)計.82.3.3 平衡配重主體設(shè)計.92.3.4 滾筒電機的選型.92.3.5 傳動帶帶速及滾筒電機轉(zhuǎn)速計算.102.3.6 制動器選型.112.3.7 立柱設(shè)計.122.3.8 懸繩器設(shè)計.122.3.9 鋼絲繩夾選型.122.3.10 導(dǎo)向輪設(shè)計.12 2.4 本章小結(jié).9第三章 滾筒式抽油機懸點載荷分析.103.1 懸點運動特性分析 .103.1.1 懸點處速度特性研究.103.2.2 懸點處

8、位移特性研究.103.2.3 懸點處加速度特性研究.123.2 本章小結(jié) .12第四章 滾筒式抽油機相關(guān)零件校核.134.1 導(dǎo)向輪軸校核.134.2 導(dǎo)向輪內(nèi)角接觸軸承的校核.144.3 本章小結(jié).15結(jié)論.29參考文獻.30致謝.31滾筒式抽油機設(shè)計0前言現(xiàn)階段我國各主要石油開采油田已進入穩(wěn)定開發(fā)期，也就是說利用現(xiàn)有的抽油機實現(xiàn)石油的開采，難以實現(xiàn)先進抽油機的大批量更新，但隨著石油的不斷開采，油井的深度增加，原油的含水量增加及相關(guān)成分更加復(fù)雜，這樣就會給采油帶來極大的困難，開采同量的原油成本增加。所以在這種情況下就必須改進地面抽油機械設(shè)備，也只有改進地面設(shè)備才能更有效的節(jié)省能源，減小抽油成

9、本。針對深油井抽油，要求抽油機能滿足深抽、大排量提液等工藝要求，而且要求其具有高效節(jié)能、維護保養(yǎng)方便、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)參方便、結(jié)實耐用、可靠性強等特點。長沖程、低沖次、直線型抽油機具有減小沖程損失、提高系統(tǒng)效率、延長機、桿、泵的使用壽命、減少故障及提高整機運行質(zhì)量等優(yōu)點。發(fā)展直線型長沖程抽油機對開采稠油、低滲透等油田的“難動用儲量” ，以及沙漠油田深井及超深井的機械開采等，都是具有非常重要的現(xiàn)實意義1。滾筒式抽油機設(shè)計1第 1 章 緒論1.1 課題提出的背景和意義 能源是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的命脈，是國民經(jīng)濟和國家戰(zhàn)略安全的重要保障。石油作為世界一級能源消費中的主導(dǎo)能源，一直是工業(yè)現(xiàn)代化和國家經(jīng)濟發(fā)展的強

10、大動力。改革開放以來，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，特別是 2000 年以后，隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化速度的加快，石油消費量逐年增長。根據(jù)國際能源署（IEA）預(yù)測，未來二十年，我國石油消費需求將繼續(xù)保持快速增長趨勢，2030 年預(yù)計將達到 1200 萬桶/天，石油供需矛盾將會隨著時間的推移不斷加劇。表 1-1 中分別列出了 2007 年世界前十位原油消費國的消費量和世界前十位原油產(chǎn)出國的產(chǎn)量，從表中可以看出，我國的原油消費量排在世界第二位，為 757 萬桶/天，而原油產(chǎn)出量只有 371 萬桶/天，遠遠不能滿足消費需求，需滾筒式抽油機設(shè)計2要進口的石油數(shù)量已超過石油消費量的一半。產(chǎn)生這種情況的原因，一方面是我

11、國處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的關(guān)鍵時期和我國的粗放型經(jīng)濟發(fā)展方式，石油需求量大；另一方面是我國油田采用的石油開采方法和加工工藝相對落后，制約了原油產(chǎn)量的增長2。 目前，我國采油設(shè)備大多一游梁式抽油機為主，游梁式抽油機效率很低，造價高，能耗高，維修保養(yǎng)不便，難以滿足國家提出的增效，節(jié)能，減排，降耗的戰(zhàn)略國策。并且，由于游梁式抽油機本身的造型結(jié)構(gòu)受限，其本身難以實現(xiàn)大沖程低沖次（通過這方式可有效提高抽油機的抽油效率）。針對我國各種復(fù)雜類型的油田，僅靠游梁式抽油機難以提高抽油效率，減少生產(chǎn)成本。所以，研制一款造價低，性能穩(wěn)定，堅久耐用，便于維護，抽油效率高的大沖程低沖次抽油機是現(xiàn)在市場的迫切所需。1

12、.2 抽油機分類我國現(xiàn)階段大部分油田的采油設(shè)備以游梁式抽油機為主， 少部分為無桿抽油機，按有桿和無桿分類，抽油機分為有桿抽油機（主要為各種游梁式抽油機）；無桿抽油機（典型機型為皮帶抽油機，直線電機抽油機，液壓抽油機等等）；以下為有桿和無桿抽油機典型機型：(1).游梁式抽油機滾筒式抽油機設(shè)計3圖 1-1 雙驢頭游梁式抽油機 游梁式抽油機其結(jié)構(gòu)大致分為：游梁式抽油機從結(jié)構(gòu)形式上分為常規(guī)型，前置型，異相型，雙驢頭型；平衡方式上分為游梁平衡，曲柄平衡，復(fù)合平衡，氣動平衡；驢頭結(jié)構(gòu)形式上分為上翻式，側(cè)轉(zhuǎn)式，上掛式，低頭式；齒輪減速器傳動型式為分流式人字圓柱齒輪傳動，齒形可分為點嚙合雙圓弧，漸開線齒形；底

13、座的固定方式分為壓杠固定，地腳螺栓固定；動力機型式可采用電動機或內(nèi)燃機。(2) 液壓抽油機 圖 1-2 液壓抽油機液壓抽油機的結(jié)構(gòu)簡單，易于維護保養(yǎng)，并且可以承受很大的沖擊載荷，能夠適應(yīng)我國復(fù)雜的油田類型。液壓抽油機還具有拆卸方面，機體輕等特點。相對于游梁式抽油機，液壓抽油機具有以下優(yōu)點：1）沖程長度和沖次易于調(diào)節(jié)，適于在長沖程、低沖次條件下工作。長沖 程、低沖次有利于減少抽油桿彈性變形引起的沖程損失、提高抽油泵 的充滿系數(shù)；延長抽油泵和抽油桿的使用壽命；減少抽油桿載荷的脈 動系數(shù)。2）對大載荷適應(yīng)能力強，可滿足井深、稠油井開采的要求。3）體積小、重量輕、移動方便，特別適合于山區(qū)、沼澤、灘涂等

14、地區(qū)油井的抽 滾筒式抽油機設(shè)計4油工作。4）易于實現(xiàn)過載保護和因抽油桿斷脫等失載時的停機功能。5）效率高，節(jié)能效果顯著4；(3) 皮帶抽油機 圖 1-3 皮帶抽油機 主要結(jié)構(gòu)特點：改四連桿機構(gòu)為往返架系統(tǒng)減少力臂長度，減少了輸入功率。較大的鏈輪直徑，減少了加速度，使運行平穩(wěn)，減少了慣性負荷。主要性能特點：可進行大泵深下，小泵深抽。泵效高。該機沖程長、慢沖次、沖程損失小，泵的充滿系數(shù)高。工況好。因為該機均速運轉(zhuǎn)，其加速度很小，沖次又慢，換向平衡，所以機、桿、泵的慣性載荷、振動載荷減小，可減小桿、管的磨損，延長油井的免修期。節(jié)能節(jié)電?？倷C效率高。因抽油機節(jié)能節(jié)電，泵效高，機械磨損小，性能價格比高等

15、，所以總機效率高4。（4） 復(fù)式永磁電機抽油機 復(fù)式永磁電機抽油機為單管塔式結(jié)構(gòu)，由立柱支撐的復(fù)式永磁電機直接驅(qū)動負載，采用特制專用皮帶傳動，通過專用變頻控制系統(tǒng)在規(guī)定范圍內(nèi)對抽油機沖程和沖次實現(xiàn)無極可調(diào)。以懸掛配重物進行重力平衡。立柱底座以基礎(chǔ)地腳螺栓固定。其特點為： 1） 、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、占地面積小。滾筒式抽油機設(shè)計5 2） 、節(jié)電明顯，與常規(guī)游梁式抽油機相比，有功節(jié)電率大于50%。 3） 、采用了航天捆綁技術(shù)，通過前導(dǎo)輪與井口側(cè)皮帶的位置變換，利用 圖 1-4 復(fù)式永磁電機抽油機 電機自動提升轉(zhuǎn)向和鎖定，實現(xiàn)修井讓位。 4） 、操作簡便，維護工作量小。 5） 、可實現(xiàn)長沖程低沖次，適

16、用于稠油井、大泵強采井和深井的原油開采。6)、采用了航天消震防抖技術(shù)，僅用了一簡單結(jié)構(gòu)，就消除了皮帶在大 風(fēng)下的振幅和抖動現(xiàn)象。 7)、除了以上提到的這幾種典型抽油機外，還有很多如鏈條式抽油機，摩 擦換向抽油機，卷筒式抽油機等等在我國油田上也得到應(yīng)用。1.3 本課題研究內(nèi)容及現(xiàn)實意義隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，我國對石油的需求量越來越大，單靠進口難以滿足需求，并且由于國際形勢的復(fù)雜化，我國不可能一直依賴進口外國石油來滿足當(dāng)前對石油的需求。所以，我國油田開發(fā)也的更加深入，這樣就要求石油開采設(shè)備更加先進，從而降低生產(chǎn)成本，增加出油量來滿足我國對石油的需求?，F(xiàn)在市場上多采用游梁式抽油機，其能耗大，由于本身

17、的結(jié)構(gòu)限制，滾筒式抽油機設(shè)計6無法實現(xiàn)大沖程（長沖程油機的節(jié)電效率一般在10% 到40%之間32） ，低沖次，高載荷抽油。無法滿足我國油田多樣化的需求。國內(nèi)工作者從未停止過對抽油機的改進，就如本文前面提到的各種先進抽油機，但各有特色，如直線電機抽油機其抽油能耗大，導(dǎo)致采油成本高，卷筒式抽油機其換向沖擊載荷大，這樣極大減少了抽油機的使用壽命。這些比較先進的抽油機各具特色，但都沒有完全有效解決我國油田開采所遇到的問題。所以，針對這種情況本文提出了滾筒式抽油機研發(fā)的目標(biāo)。本文需要完成的主要內(nèi)容如下：(1) 確定滾筒式抽油機的工作原理及整體設(shè)計方案。(2) 通過計算確定滾筒電機及完成滾筒式抽油機主要零

18、件的設(shè)計。(3) 完成對滾筒式抽油機關(guān)鍵零件的校核。(4) 完成對滾筒式抽油機立柱的穩(wěn)定性分析。1.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了現(xiàn)階段市場上各種抽油機，并分析了我國目前所面臨的抽油機設(shè)備大多還以游梁式抽油機為主的問題。通過課題研究背景提出了開發(fā)滾筒式抽油機的目標(biāo)及主要完成內(nèi)容。 滾筒式抽油機設(shè)計7第二章 滾筒式抽油機整體設(shè)計根據(jù)大慶石油開采公司的要求，確定滾筒式抽油機設(shè)計參數(shù)和研發(fā)目標(biāo)，確定其工作原理和制定滾筒式抽油機的工作方案。然后對滾筒式抽油機主要機構(gòu)和主要零件進行選型計算及強度校核。2.1 滾筒式抽油機設(shè)計參數(shù)分析根據(jù)給定的條件設(shè)計參數(shù)要求如（2-1）表2-1 滾筒式抽油機基本參數(shù)針對我

19、國現(xiàn)在對“大沖程，低沖次”的低能耗抽油機迫切需求。某某公司提出了滾筒式抽油機的設(shè)計參數(shù)如上表2-1中，有設(shè)計參數(shù)可以看出滾筒式抽油機能夠滿足現(xiàn)階段我國對抽油機“大沖程，低沖次”的要求。2.2 滾筒式抽油機工作原理滾筒式抽油機由電機滾筒，滾筒內(nèi)部行星減速器，JZ 系列節(jié)能電磁鐵鼓式制動器（河南省焦作市焦作制動器公司生產(chǎn)） ，導(dǎo)向鋼絲繩，立柱，導(dǎo)向輪，機架平臺，平衡配重，傳動皮帶等主要機構(gòu)組成。滾筒式抽油機的工作原理：抽油機通過電控箱控制滾筒電機的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，滾筒上左右兩側(cè)的帶輪驅(qū)動傳動帶，傳動帶一頭經(jīng)過導(dǎo)向輪與平衡配重相連，另一頭經(jīng)由導(dǎo)向輪與光桿相連，由滾筒電機的正轉(zhuǎn)驅(qū)動傳動帶帶動光桿向上運動

20、，與此同時配重一頭向下運動，相反當(dāng)滾筒電機反向運動驅(qū)動傳動帶帶動平衡配重向上運動，同時光桿一頭向下運動。滾筒電機持續(xù)進行正反轉(zhuǎn)動，抽油光桿連續(xù)不斷做直線往復(fù)運動。最終完成抽油動作。抽油機名稱額定懸點載荷kN最大沖程m沖次min-1工作環(huán)境溫度范圍滾筒式抽油機10084-40-40滾筒式抽油機設(shè)計8通過滾筒式抽油機的設(shè)計方案和工作原理，在設(shè)計繪制滾筒式抽油機裝配圖的過程中確定了其結(jié)構(gòu)，其整體工作方案如圖2-1所示：2.3 滾筒式抽油機主要零件設(shè)計2.3.1 平衡配重及導(dǎo)向鋼絲繩選型平衡配重導(dǎo)向鋼絲繩作用是引導(dǎo)平衡配重上下做直線運動，防止平衡配重左右前后來回晃動，導(dǎo)致傳動不平穩(wěn)，增加傳動帶的磨損，

21、減少其使用壽命。同時， 1基座； 2控制柜； 3立柱； 4扶梯； 5懸繩器； 6傳動帶； 7導(dǎo)向輪； 8圍欄； 9制動器；10滾筒電機；11導(dǎo)向鋼絲繩；12配重；圖2-1 滾筒式抽油機結(jié)構(gòu)配重往復(fù)上下運動不平穩(wěn)將導(dǎo)致滾筒電機的使用壽命降低。由于導(dǎo)向鋼絲繩主滾筒式抽油機設(shè)計9要承受平衡配重的左右前后來回晃動的慣性載荷，一般情況下其載荷較小，所以直接選型。查閱中國機械設(shè)計大典表281-2 鋼絲繩的主要用途推薦表(摘自 GB/T 8918-1996)5，選?。浩н\輸機及索道牽引纜車線接觸鋼絲繩：619S；直徑為16mm 的鋼絲繩。2.3.2 平衡配重及配重微調(diào)塊設(shè)計滾筒式抽油機平衡配重的作用是減少

22、滾筒電機在抽油作業(yè)過程中的載荷差，因為在抽油過程中當(dāng)滾筒電機轉(zhuǎn)動提起光桿向上運動的時負荷最大，下降過程中靠光桿自重向下運動，滾筒電機的負荷最小，增加平衡配重后，在提起光桿向上運動時平衡配重通過自身的重量抵消掉懸點載荷一部分，另一部分就靠滾筒電機來做功。當(dāng)光桿向下運動時配重同樣利用自身重量抵消掉一部分載荷，這樣滾筒電機在上下做功的過程中所承受負荷平穩(wěn)，增加在抽油作業(yè)中的使用壽命。并且使用配重還降低滾筒電機能耗。滾筒式抽油機在作業(yè)過程中，當(dāng)光桿向上運動時，懸點載荷約等于抽油桿重量和抽油管內(nèi)液面以上的油柱重量之和，光桿向下運動時，懸點載荷約等于抽油桿重量，滾筒式抽油機額定懸點載荷為100kN,下沖程

23、懸點載荷約為上沖程的一半，為50kN，則平衡配重重量可按公式（2-3）計算20： P配重= （ 2-2PPminmax3）上式中，Pmax為滾筒式抽油機上沖程懸點載荷，kN； Pmin為滾筒式抽油機下沖程懸點載荷，kN；把設(shè)計參數(shù)帶入公式（2-3）中，可得： P配重=75kN250100配重微調(diào)塊配合配重主體使用，根據(jù)計算配重理論自身重量值。通過加減配重微調(diào)塊來調(diào)節(jié)平衡配重的自身重量，從而達到理論設(shè)計值。如下圖（2-1）所示： 配重微調(diào)塊體積計算：滾筒式抽油機設(shè)計10 V100=12.8210-3Kg/m3m7800100 由配重主體微調(diào)塊槽可得：L100=1m; H100=0.4m; 由體積

24、公式：V=LHB （2-3） 根據(jù)公式（2-3）可得B： B=HLV把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式： B=0.032m；HLV0.3182.12上式中，V100為微調(diào)塊體積，m3； B為微調(diào)塊的板厚度，m； L為微調(diào)塊寬，m； H為微調(diào)塊高，m； 為鐵的密度，7800Kg/m3。圖（2-1）配重微調(diào)塊由上式可計算的質(zhì)量為100Kg 的微調(diào)塊的體積和板厚，同理，通過計算可得50Kg 微調(diào)塊的體積和板厚和30Kg 微調(diào)塊的體積和板厚;其分別為： L50=1m; H50=0.4m; B50=0.01m; L30=1m; H30=0.4m; B30=0.013m;滾筒式抽油機設(shè)計11配重微調(diào)塊對表面的粗糙度要求不

25、高，所以可以通過鑄造的方法加工。2.3.3 平衡配重主體設(shè)計根據(jù)額定懸點載荷，由 P配重=75kN，可計算得配重自身質(zhì)量： 250100F=mg （2-4） m=V （2-5） 帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可得： m=7500Kg; V=0.9615m3;上式中， g 為重力加速度，10kN/m； m 為配重的整體質(zhì)量，Kg； 為鐵的密度，7800Kg/m3。平衡配重主體如下圖（2-2）所示： 圖（2-2）配重主體2.3.4 滾筒電機選型滾筒電機是抽油機的核心零件，是整個機器的動力置，在選型過程中必須考慮到電機的能耗問題，電機購買成本問題，工作效率問題，滾筒電機的動力參數(shù)和設(shè)計要求參數(shù)的匹配問題及使用壽命等等

26、。所以，選擇合適的滾筒電機滾筒式抽油機設(shè)計12對滾筒式抽油機的設(shè)計尤為重要。 根據(jù)設(shè)計參數(shù)，L沖程=8; C沖次=4; P懸點載荷=100kN; M載荷=F載荷R電機外徑 （2-5）帶入相關(guān)數(shù)據(jù)：M載荷=F載荷R=（100-75）0.3=7500N.m上式中，M載荷為滾筒電機扭矩，N.m； F載荷為懸點載荷與配重的自重差，kN； R滾筒外徑為滾筒電機外徑，600mm。 P滾筒電機= (2-6)602LC)(iFF P電機=26.67kW602LC)(iFF 60284)75100kNkN （ 上式中，P 滾筒電機為滾筒電機功率，kW； F 為懸點載荷，kN; Fi 為平衡配重自重，kN；2.3

27、.5 計算傳動皮帶帶速及電機轉(zhuǎn)速 根據(jù)給定的設(shè)計參數(shù)，可得： V帶=1.07m/s602LC60284 W=3.292rad/srv3 . 007. 1 n=0.57r/s2w3.142292. 3 上式中，V 為傳動帶帶速，m/s； W 為滾筒電機角速度，rad/s； n 為滾筒電機的轉(zhuǎn)速，r/s。由以上計算可以得選取電機的型號，但由于滾筒式抽油機所用的電機為滾筒電機較為特殊。只有在專門開發(fā)生產(chǎn)電機公司才可以買到滾筒電機。所以，根據(jù)設(shè)計參數(shù)所計算得的電機參數(shù)并不能直接選取電機型號。得經(jīng)過和生產(chǎn)廠家協(xié)滾筒式抽油機設(shè)計13調(diào)，盡可能選取生產(chǎn)廠家現(xiàn)有的型號或定做（成本較高一般不采取該辦法） 。在設(shè)

28、計的過程中通過多家公司對比選型，根據(jù)現(xiàn)有的滾筒電機型號，不能滿足設(shè)計要求，所以，最終和廠家協(xié)商選型，可生產(chǎn)制造外徑為600mm。額定功率為30kW，電機兩頭可以通過連接附帶小帶輪（滾筒電機轉(zhuǎn)速控制有限，通過附帶小帶輪可以降低傳動帶的速度，以達到設(shè)計要求） ，最終與淄博赫發(fā)機械有限公司協(xié)調(diào)選定額定扭矩為190.9N.m。滾筒電機參數(shù)如下表（2-2）所示： 表（2-2）滾筒電機參數(shù)2.3.6 制動系統(tǒng)選型制動器在滾筒式抽油機中的作用是制動滾筒電機，在抽油機工作的過程中，不可避免會有要求及停的情況，所以滾筒式抽油機必須配備制動器，通過對滾筒電機的選型，由電機的參數(shù)選取制動器型號（焦作制動器有限公司生

29、產(chǎn)制造） ，如下表（2-3）中所示： 表（2-3）JZ 系列節(jié)能電磁鐵鼓式制動器性能參數(shù)型號型號參數(shù)制動輪徑mm退距mm重量Kg啟動電流A維持電流A制動力矩N.mJZ-6006001.034580.0605000JZ 系列節(jié)能電磁鐵鼓式制動器其工作原理是：在制動器沒有工作之前，制動器的制動片與滾筒電機的制動部位距離外徑 1mm。并不影響滾筒電機的正常轉(zhuǎn)動，制動器的拉力桿與電磁鐵之間有一定的距離。中間有回位彈簧，當(dāng)需要緊急停車時，節(jié)能電磁鐵鼓式制動器通入電流，電磁鐵產(chǎn)生強力的磁性。把制動拉力桿吸附到電磁鐵上，使兩個制動片之間的距離向內(nèi)收縮減小，與滾筒電機的外徑產(chǎn)生強大的摩擦力而實現(xiàn)制動。當(dāng)需要解

30、除制動時，斷開電流電磁鐵的強磁額定電壓額定功率額定扭矩外徑線速度范圍環(huán)境溫度380V30kW190.9N.m 0.8m/s4.0m/s-4040滾筒式抽油機設(shè)計14性消失，由回位彈簧的推力把制動桿推回原位，從而解除制動。JZ 系列節(jié)能電磁鐵鼓式制動器如下圖（2-3）所示： 圖（2-3）JZ 系列節(jié)能電磁鐵鼓式制動器2.3.7 鋼筒立柱支架現(xiàn)在市場上無桿抽油機的支架大多為桁架式和立柱式，但不論是桁架還是立柱式都必須滿足抽油機的使用要求。本文中設(shè)計的滾筒式抽油機采用立柱式支架，在立柱的選取中必須滿足設(shè)計尺寸要求，因為滾筒式抽油機為“長沖程，低沖次”型抽油機。所以立柱有較大的空間尺寸要求，同時要求立

31、柱有很好的剛度和穩(wěn)定性，這樣才能承受各種不確定的載荷，才能滿足抽油系統(tǒng)的定位要求。立柱確定采用螺旋鋼管（江蘇豐厚鋼圖（2-4）立柱法蘭連接管有限公司生產(chǎn)制造） 。滾筒式抽油機的整體高度為： H整體=L沖程+S+B式中：H整體為滾筒式抽油機的整體高度，m； L沖程為設(shè)計要求沖程長度，m；滾筒式抽油機設(shè)計15 B 為機架平臺高度，m。立柱兩端均采用連接法蘭，一頭與機架平臺通過螺栓連接，一頭與地基連接，為了增加立柱的穩(wěn)定性，在兩頭法蘭連接處分別焊接加強板筋。如圖（2-4）所示。2.3.8 懸繩器和導(dǎo)向鋼絲繩夾設(shè)計懸繩器是把抽油光桿和傳動帶連接在一起裝置，懸繩器在滾筒式抽油機中所起的作用很特殊，抽油光

32、桿就是經(jīng)過懸繩器夾持而進行上下運動，所以要求懸繩器必須具有緩沖作用，強有力的夾持作用，自動調(diào)心作用等。這樣才能保證抽油光桿不受其他橫向載荷和不會脫落而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。懸繩器的結(jié)構(gòu)如圖（2-5）：1鋼筒；2底座板；3調(diào)心球頭底座板；4緊定螺釘；5調(diào)心球頭座； 6調(diào)心球頭壓蓋；7光桿夾持器；8夾緊螺栓；9定位套；10橡膠彈簧導(dǎo)套；11橡膠彈簧；12導(dǎo)套底板；13調(diào)心球頭；圖（2-5）懸繩器 滾筒式抽油機設(shè)計162.3.9 鋼絲繩夾選型滾筒式抽油機的導(dǎo)向鋼絲繩的作用是給平衡配重上下運動起導(dǎo)向，阻止平衡配重前后來回晃動，使配重上下來回平穩(wěn)運動，減小抽油機的運動波動載荷。鋼絲繩夾固定導(dǎo)向鋼絲繩的上下兩頭連

33、接，其現(xiàn)在已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)件，在相關(guān)的機械設(shè)計手冊里可以查到。通過查閱中國機械設(shè)計大典表28.1-27可得鋼絲繩為右捻6股，公稱尺寸為16mm，夾座材料為 KTH350-10的鋼絲繩夾：繩夾20-6KTH GB/T5976-1986;其外型如圖（2-6）所示：1螺母；2鋼絲繩；3U 型螺栓；4夾座；圖（2-6） 鋼絲繩夾2.3.10 導(dǎo)向輪設(shè)計導(dǎo)向輪在滾筒式抽油機中起著導(dǎo)向支撐傳動帶的運動，導(dǎo)向輪承受很大的載荷，并且經(jīng)過導(dǎo)向輪在機架平臺左右來回移動調(diào)節(jié)懸繩器與抽油機光桿中心對齊。導(dǎo)向輪材料為冷軋鋼板，導(dǎo)向輪主體用20mm 的冷軋鋼板與中心厚20mm鋼筒焊接，鋼筒兩端通過車床擴兩個軸承孔安放支撐軸承及

34、密封圈。兩端通過螺栓把端蓋連接在導(dǎo)向輪主體上。具體結(jié)構(gòu)在這里就不詳細介紹如圖（2-7）所示：滾筒式抽油機設(shè)計171螺栓；2導(dǎo)向輪軸；3摩擦面；4擋板；5導(dǎo)向輪主體；6密封圈；7軸承；圖（2-7） 導(dǎo)向輪2.4 本章小結(jié)本章根據(jù)滾筒式抽油機整體工作方案，詳細介紹了滾筒式抽油機的關(guān)鍵機構(gòu)零件的整體設(shè)計計算及相關(guān)的三維實體圖和二維圖。各關(guān)鍵機構(gòu)零件在滾筒式抽油機中的相關(guān)作用。滾筒式抽油機設(shè)計18第三章 滾筒式抽油機懸點載荷分析在這章當(dāng)中，我著重研究和分析滾筒式抽油機的懸點載荷的運動特性，位移特性和加速度特性。通過分析懸點載荷的這三個特性可以更好的研究滾筒式抽油機的能耗特性，沖擊載荷特性等等。3.1

35、滾筒式抽油機的懸點運動特性分析本文設(shè)計的滾筒式抽油機的懸點載荷為100kN，而懸點載荷的運動特性可以轉(zhuǎn)化為研究傳動帶的運動性質(zhì)，因為傳動帶的加速度，速度及位移與懸點的基本相同(在傳動帶與摩擦帶輪之間打滑的特殊情況下有所不同） 。傳動帶在摩擦帶輪上走過的距離與懸點走過的位移相等。我們把滾筒電機加減速的運動看成是勻變速運動過程，同時，把上下沖程的時間定為是等時的。加減速運動的時間基本占一個沖程工作設(shè)計的1/5【3】。在這種情況下，滾筒式抽油機在一個沖程的范圍內(nèi)懸點運動速度和加速度的變化如圖3-1所示【3-27】：滾筒式抽油機設(shè)計19 圖 3-1 懸點速度和加速度曲線在圖中分析可以的到這樣的結(jié)論，在

36、滾筒式抽油機采油的上沖程時，懸點速度由零勻加速到額定速度，再勻速運動一段時間，速度由最高開始勻減速到停止（滾筒電機開始反轉(zhuǎn)） ，滾筒式抽油機開始進行下沖程，而下沖程的運動特性剛好和上沖程相反，懸點速度由零勻加速到最大，并保持勻速運動一段時間，然后勻減速到停止（滾筒電機開始正轉(zhuǎn)） 。通過研究滾筒式抽油機的懸點運動特性可以得出這樣的結(jié)論：滾筒式抽油機在采油的過程中的慣性沖擊載荷相對平穩(wěn)，且載荷小，這樣有利于滾筒電機的使用壽命和降低滾筒電機的制動能耗。3.1.1 懸點處速度特性研究 設(shè)計的滾筒式抽油機在采油工作過程中的懸點運動速度基本上等同于摩擦帶輪帶動的傳動帶線速度，可以通過計算傳動帶帶速得到懸點

37、運動速度： V傳動帶=V懸點=1.07m/s602LC W滾筒=3.292rad/srv3 . 007. 1上式中，V傳動帶為傳動帶的線速度，m/s； V懸點為懸點的運動速度，m/s； W滾筒為滾筒電機外徑的角速度，rad/s。滾筒式抽油機設(shè)計20在整體設(shè)計過程中，把懸點的運動看著是勻速運動，便于設(shè)計計算。在研究懸點的運動規(guī)律時，必須把懸點的三個運動狀態(tài)嚴(yán)格細分，有利于更好研究滾筒式抽油機的采油特性，滾筒電機的電氣控制及能耗問題。3.1.2 懸點位移特性研究 滾筒式抽油機懸點位移是懸點運動速度的積分27，即： S(t)= (3-1)dttvt)(0定滾筒式抽油機上沖程開始時懸點位移為零，可得滾

38、筒式抽油機在一個沖程范圍內(nèi)的懸點位移變化規(guī)律3如公式（3-2）所示，由下面推導(dǎo)出的懸點部分時間段位移公式可根據(jù)任意時間計算出對應(yīng)懸點運動的位移，在通過懸點運動的位移量和時間量求出懸點加速度的變化量，進而為進一步研究懸點運動特性更加數(shù)據(jù)化，更加方便準(zhǔn)確。通過深入研究懸點的運動特性，找到懸點處最為節(jié)能的運動變化規(guī)律，可以更好的控制滾筒電機的運動來滿足懸點的這種運動規(guī)律，以達到滾筒式抽油機在采油過程中實現(xiàn)節(jié)能，提高抽油效率和降低抽油成本。 （3-43.2322322111121tt.60nr2tt.)60(tnr60nr2tt.).(60nr60nrtt0.60nr)(ttttttttttttS2）

39、3.1.3 懸點加速度特性研究滾筒式抽油機懸點加速度是懸點運動速度的微分，即：滾筒式抽油機設(shè)計21 (3-3)()()(tdvdta根據(jù)公式(3-3)對懸點速度進行微分，可以得到滾筒式抽油機任意時刻懸點加速度的變化規(guī)律如式（3-4）所示;(3-4)5432165217611,.60tnr2,.0,0.60tnr2)(tttttttttttttttttta通過式（3-4）式，帶入相關(guān)的數(shù)據(jù)可計算得確定的加速度值，在滾筒式抽油機采油上快下慢的情況下，假設(shè)上沖程時間為17s，下沖程時間12s,滾筒式抽油機的換向時間忽略不計的情況下，在抽油機懸點速度，加速度如表3-1所示：表3-1 滾筒式抽油機運動特

40、性分析上沖程下沖程狀態(tài)加速勻速減速加速勻速減速t(s)0-22-1515-1717-1919-2727-29v(m/s)0.1t20.4t-0.43.4t-0.1t2-22.96-0.15(t-17)16.8-0.6t0.15t2-8.7ta(m/s2)0.20-0.2-0.300.3由上表可以得到，滾筒式抽油機懸點載荷為100kN，沖次為4的情況下，其懸點速度和加速度可以表示如下：3.2 本章小結(jié) 本章主要介紹了滾筒式抽油機的懸點處的運動特性，研究懸點處的載荷特性進而可以了解到滾筒式抽油機的慣性沖擊載荷。通過這章對懸點載荷運動特性研究可知，滾筒抽油機的慣性載荷比游梁式抽油機小得多，能耗低，運

41、動平穩(wěn)等諸多優(yōu)點。smv/6 . 0max2maxmax/3 . 026 . 0smtva滾筒式抽油機設(shè)計22第四章 滾筒式抽油機的相關(guān)零件校核4.1 導(dǎo)向輪軸的校核傳動帶經(jīng)傳動輪施加給導(dǎo)向輪軸一徑向載荷，由于滾筒式抽油機的懸點載荷較大，經(jīng)由導(dǎo)向輪傳遞到導(dǎo)向輪軸的徑向力較大。所以，需要對其進行彎矩校核。在校核時以懸點載荷的一半作為導(dǎo)向輪軸的承受載荷進行校核，如圖（4-1）可以確定導(dǎo)向輪軸所受彎矩最大處滾筒式抽油機設(shè)計23圖（4-1）導(dǎo)向輪軸受力分析簡圖在軸的中間，由（4-1）式得： （4-LFM21RB1）上式中，M 為導(dǎo)向輪軸承受的彎矩，N.mm; FRB為導(dǎo)向輪軸受的支反力，N； L 為導(dǎo)

42、向輪軸兩頭距離固定坐中心的長度，mm。帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可得： M=2510345=1125103N.mm由式（4-2）可計算的導(dǎo)向輪軸的抗彎截面系數(shù)為： W=d3 （4-3212）上式中，W 為導(dǎo)向輪軸的抗彎截面系數(shù)，mm3； d 為導(dǎo)向輪軸的直徑，mm。在設(shè)計的零件圖中查得導(dǎo)向輪軸的直徑為40mm，把數(shù)據(jù)帶入（4-2）中可得： W=3.14403=6280mm3321滾筒式抽油機設(shè)計24根據(jù)式（4-3）求出最大彎曲正應(yīng)力后，再根據(jù)彎曲的強度條件如式（4-4）可得： ca=179.14MPa （4-WMmax628010112533） max= （4-WMmax4）上式中， max為最大彎曲正應(yīng)力

43、，MPa ； Mmax為最大彎矩，N.mm; 為材料的許用彎曲應(yīng)力，MPa 。通過查袖珍機械設(shè)計師手冊表10-2 軸的常用材料及力學(xué)性可得經(jīng)過正火處理的45號鋼的許用應(yīng)力為196MPa。把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入（4-4）式中，可得：max=179.14MPa =196MPa 。由校核可知導(dǎo)向輪軸滿足設(shè)計使用要求，并且有一定的過載使用裕度。4.2 導(dǎo)向輪內(nèi)角接觸球軸承的校核導(dǎo)向輪承載傳動帶的導(dǎo)向作用，所受載荷較大，所以內(nèi)部用一對角接觸軸承支撐，在設(shè)計過程中選取的軸承型號為6308深溝球軸承。我們?nèi)?dǎo)向輪內(nèi)軸承的軸向載荷為8000N，深溝球軸承的 e 值最大為0.44，因為此軸承的徑向力遠大于軸向力?？傻茫?/p>

44、 =0.033e=0.44 （4-raFF5）上式中，F(xiàn)a為軸承的軸向載荷，N； Fr為軸承的徑向載荷，N。通過查閱機械設(shè)計手冊 ，可得導(dǎo)向輪內(nèi)軸承的當(dāng)量動載荷 P 的計算公式為：滾筒式抽油機設(shè)計25 P=fp（XFr+YFa） (4-6)通過查閱機械設(shè)計手冊可得 Y=0,X=1,因為滾筒式抽油機在采油過程中有較大的慣性沖擊。Fp=1.21.8，取 Fp=1.2，把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式 (4-6)中，可得： P=fp（XFr+YFa）=1.2（125000+08000）=30000N根據(jù)軸承的壽命計算公式如式(4-7)可得： Lh= (4-7)n60106PC上式中， 為指數(shù)。對于球軸承 =3； L

45、h為軸承的使用壽命時間，h; C 為軸承所承受的最大載荷,N； n 為滾筒電機的轉(zhuǎn)速,rad/min。把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式 (4-7)中計算導(dǎo)向輪內(nèi)6308軸承的使用壽命可得： Lh=18134hn60106PC34.2601063330000100000通過上式計算校核可知，導(dǎo)向輪內(nèi)使用6308號軸承滿足設(shè)計要求，因為滾筒式抽油機采油的工作環(huán)境較為惡劣，而且灰塵較大，所以滾筒式抽油機在采油過程中導(dǎo)向輪內(nèi)使用的6308號軸承采用密封油潤滑的方式進行潤滑。4.3 本章小結(jié) 本章主要選取導(dǎo)向輪的導(dǎo)向輪軸及內(nèi)部軸承兩個零件進行校核，導(dǎo)向輪軸在設(shè)計過程中為了提高設(shè)計效率而初步選取的軸徑。沒有經(jīng)過校核計算，

46、并且導(dǎo)向輪所受載荷大，有較大的沖擊慣性，所以在使用前為了安全必須對導(dǎo)向輪軸進行校核計算。通過校核計算導(dǎo)向輪軸滿足使用要求，并有一定的過載使用裕度。 對于6308號軸承，主要校核其使用壽命，通過校核計算導(dǎo)向輪內(nèi)軸承滿足使用要求。滾筒式抽油機設(shè)計26結(jié)論本文通過對現(xiàn)階段我國油田開采地面機械抽油機進行調(diào)研分析，極其對抽油機在將來發(fā)展趨勢的展望。目前我國采油設(shè)備還以游梁式抽油機為主，其他抽油機在市場上占有很少了份額。通過課題設(shè)計的來源，并結(jié)合當(dāng)前我國抽油機的使用情況，研發(fā)了滾筒式抽油機。通過對設(shè)計出的滾筒式抽油機進行研究分析可以得到如下結(jié)論：1、滾筒式抽油機采用平衡配重方式進行重力平衡，優(yōu)于游梁式抽油

47、機的有桿機構(gòu)平衡方式。2、滾筒式抽油機通過控制滾筒電機的正反轉(zhuǎn)經(jīng)摩擦輪驅(qū)動傳動帶實現(xiàn)抽油桿的上下采油運動。通過傳動帶可以減小采油過程中的沖擊載荷。3、滾筒式抽油機采油過程特點為“長沖程，低沖次” 。這樣可以極大提高采油效率，降低能耗。4、通過分析滾筒式抽油機的懸點運動特性，懸點的加速度平穩(wěn)過度，所以采油過程沖擊小，增加滾筒電機的使用壽命及較低能耗。滾筒式抽油機有別于現(xiàn)在市場上的其它抽油機，其具有“大沖程，低沖次”的特點，采油效率高，能耗低，結(jié)構(gòu)相對簡單等最多優(yōu)點。 但滾筒式抽油機還有如下待開展工作：1、滾筒式抽油機的懸點運動特性的細化研究。2、滾筒式抽油機的采油可靠性分析。3、滾筒式抽油機量化

48、生產(chǎn)。滾筒式抽油機明顯優(yōu)于現(xiàn)在我國市場上應(yīng)用的諸多抽油機，但也有不足的地方，期望在產(chǎn)品更新的過程中得以改進。滾筒式抽油機設(shè)計27參考文獻1 劉玲燕，直線型牽引式抽油機的設(shè)計與研究C.中國文獻總庫，2012.032 李云峰，新型抽油機的創(chuàng)新設(shè)計與分析C.中國文獻總庫，2010.033 李小丹，永磁直線電機驅(qū)動抽油機設(shè)計與計算C.中國文獻總庫，2007.034 閆明強，卷筒式抽油機設(shè)計研究C.中國文獻總庫，2011.055 周曉明，由小存.簡析皮帶抽油機在河口區(qū)的應(yīng)用J.內(nèi)蒙古石油化工.2008.056 催旭明，楊海濤.變徑天輪式節(jié)能抽油機J.油氣田地面工程，2005，25（12）7 鄒振春，游梁

49、式抽油機節(jié)能技術(shù)及最新進展J.承德石油高等?？茖W(xué)報，2005，078 濮良貴, 紀(jì)名剛. 機械設(shè)計M. 北京: 高等教育出版社, 1999: 101-132.9 孟憲源.現(xiàn)代機構(gòu)手冊:上冊，下冊M.北京:機械工業(yè)出版社,1994.10 徐灝.機械設(shè)計手冊M.第三卷.北京:機械工業(yè)出版社,1992.11 楊廷力.機械系統(tǒng)基本理論M.北京:機械工業(yè)出版社,1996.12 牧野洋.自動機械機構(gòu)學(xué)M. 胡茂松,譯.北京:科學(xué)出版社,1980.13 于俊等.機械設(shè)計M.2 版. 北京:高等教育出版社,1986.14 吳宗澤.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1988.15 成大先.機械設(shè)計手冊

50、(第四版 第四卷). 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2002.16 席偉光, 楊光, 李波. 機械設(shè)計課程設(shè)計. 北京: 高等教育出版社, 2003.17 徐錦康. 機械設(shè)計. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2001.18 任金泉. 機械設(shè)計課程設(shè)計. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2003.19 王宗榮. 工程圖學(xué). 北京: 機械工業(yè)出版社, 2001.20 朱孝錄. 中國機械設(shè)計大典(第四卷). 南昌: 江西科學(xué)技術(shù)出版社, 2002.21 宋昭祥. 機械制造基礎(chǔ). 北京: 高等教育出版社, 1998. 22 陸玉, 何在洲, 佟延偉. 機械設(shè)計課程設(shè)計(第三版). 北京: 機械工業(yè)出版社, 200

51、0.23 龔桂義. 機械設(shè)計課程設(shè)計圖冊(第三版). 北京: 高等教育出版社, 1989. 滾筒式抽油機設(shè)計28致謝 本文是在我的導(dǎo)師曹立文教授的悉心指導(dǎo)下完成的。曹老師在學(xué)術(shù)上認真嚴(yán)謹(jǐn)、一絲不茍的精神讓我受益終身，在工作上兢兢業(yè)業(yè)、精益求精的作風(fēng)是我不斷學(xué)習(xí)的榜樣。曹老師不僅在學(xué)習(xí)上給予了我熱情無私的幫助，毫無保留的指導(dǎo)，在生活中，他那富有活力、熱愛生活的生活態(tài)度也深深地感染了我，傳授給了我積極向上的生活理念。值此論文完成之際，向我的恩師致以最誠摯的感謝和最崇高的敬意！同時，在大學(xué)四年學(xué)習(xí)期間，也得到了學(xué)校各位老師和同學(xué)們的幫助，感謝曾經(jīng)給我?guī)椭娜藗?！此外，還要感謝多年來一直支持我的學(xué)業(yè)、默默奉獻的父母和親人，感謝他們的關(guān)愛和鼓勵。滾筒式抽油機設(shè)計29 滾筒式抽油機設(shè)計30