液压抽油机毕业设计.docx
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液压抽油机毕业设计
第1章液压传动的发展概况和应用
1.1液压传动的发展概况
液压传动和气压传动称为流体传动,是据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理发展起来的一门新兴技术,是工农业生产中广为应用的一门技术。
当今,流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。
20世纪50年代我国的液压工业才开始,液压元件初用于锻压和机床设备上。
六十年代有了进一步的发展,渗透到了各个工业部门,在工程机械、冶金、机床、汽车等工业中得到广泛的应用。
如今的液压系统技术向着高压、高速、高效率、高集成等方向发展。
同时,新元件的应用、计算机的仿真和优化等工作,也取得了卓有的成效。
工程机械主要的配套件有动力元件、传动元件、液压元件及电器元件等。
内燃式柴油发动机是目前工程机械动力元件基本上都采用的;传动分为机械传动、液力机械传动等。
液力机械传动时现在最普遍使用的。
液压元件主要有泵、缸、密封件和液压附件等。
当前,我国的液压件也已从低压到高压形成系列。
我国机械工业引进并吸收新技术的基础上,进行研究,获得了符合国际标准的液压产品。
并进一步的优化自己的产业结构,得到性能更好符合国际标准的产品。
国外的工程机械主要配套件的特点是生产历史悠久、技术成熟、生产集中度高、品牌效应突出。
主机和配套件是互相影响、互相促进的。
当下,国外工程机械配套件的发展形势较好。
最近,这些年国外的工程机械有一种趋势,就是:
主机的制造企业逐步向组装企业方向发展,配套件由供应商提供。
美国的凯斯、卡特彼勒,瑞典的沃尔沃等是世界上实力最强的主机制造企业,其配套件的配套能力也是非常强的,数量上也是逐年大幅的增长,配套件主由零部件制造企业来提供。
在科技大爆炸的今天,计算机技术、网络技术、通信技术等现代信息技术对人类的生产生活产生了前所未有的影响。
这也为今后制造业的发展,设计方法与制造技术模式的改变指明了方向,为数字化的设计资源与制造资源的远程共享,提高产品效率奠定了基础。
目前,在液压领域中,特别是中小企业在进行液压传动系统的设计时,存在零部件种类繁多、系统集成复杂、参考资料缺乏等一系列困难,而远程设计服务可以解决这些问题。
1.2液压传动的特点及在机械行业中的应用
1、液压传动的优点:
(1)单位功率的重量轻,即在相同功率输出的条件下,体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、动态特性好。
(2)可实现较大范围的无级调速。
(3)工作平稳、冲击小、能快速的启动、制动和频繁换向。
(4)获得很大的力和转矩容易。
(5)操作方便,调节简单,易于实现自动化。
(6)易于实现过载保护,安全性好。
(7)液压元件以实现了标准化、系列化和通用化,便于液压系统的设计、制造和使用。
2、液压系统的缺点:
(1)液压系统中存在着泄漏、油液的可压缩性等,这些都影响运动的传递的准确性,不宜用于对传动比要求精确地场合。
(2)液压油对温度敏感,因此它的性能会随温度的变化而改变。
因此,不宜用于问短变化范围大的场合。
(3)工作过程中存在多的能量损失,液压传动的效率不高,不宜用于远距离传送。
(4)液压元件的制造精度要求较高,制造成本大,故液压系统的故障较难诊断排除。
3液压系统在机械行业中的应用:
工程机械——装载机、推土机等。
汽车工业——平板车、高空作业等。
机床工业——车床铣、床刨、床磨等。
冶金机械——轧钢机控制系统、电炉控制系统等。
起重运输机械——起重机、装卸机械等。
铸造机械——加料机、压铸机等。
第2章液压传动的工作原理和组成
液压传动是以液体为工作介质来传递动力(能量)的,它又分为液压传动和液力传动两种形式。
液压传动中心户要是以液体压力能来进行传递动力的,液力传动主要是以液体动能来传递动力。
液压系统是利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能,g经各种控制阀、管路和液压执行元件将液体的压力能转换成为机械能,来驱动工作机构,实现直线往复运动和会回转运动。
油箱液压泵溢流阀、节流阀、换向阀、液压缸及连接这些元件的油管、接头等组成了驱动机床工作台的液压系统。
2.1工作原理
液油在电动机驱动液压泵的作用下经滤油器从油箱中被吸出,加油后的液油由泵的进油口输入管路。
再经开停阀节流阀换向阀进入液压缸,推动活塞而使工作台左右移动。
液压缸里的油液经换向阀和回油管排回油箱。
节流阀用来调节工作台的移动速度。
调大节流阀,进入液压缸的油量增多,工作台的移动速度就增大;调小节流阀,进入液压缸的油量就减少,工作台的移动速度减少。
故速度是由油量决定的,液压系统的原理图见图2。
2.2液压系统的基本组成
(1)动力元件:
液压缸——将原动机输入的机械能转换为压力能,向系统提供压力介质。
(2)执行元件:
液压缸——直线运动,输出力、位移;液压马达——回转运动,输出转矩
转速。
执行元件是将介质的压力能转换为机械能的能量输出装置。
(3)控制元件:
压力、方向、流量控制的元件。
用来控制液压系统所需的压力、流量、方向和工作性能,以保证执行元件实现各种不同的工作要求。
(4)辅助元件:
油箱、管路、压力表等。
它们对保证液压系统可靠和稳定工作具有非常重要的作用。
(5)工作介质:
液压油。
是传递能量的介质。
第3章液压系统工况分析
3.1运动分析、负载分析、负载计算
绘制动力滑台的工作循环图,如图1-1(a)所示。
(a)
(b)
图表1(b)(c)
快进
工进
快退
3.2液压缸的确定
3.2.1液压缸工作负载的计算
(1)工作负载:
(2)摩擦阻力:
静摩擦阻力
动摩擦阻力
(3)惯性阻力动力滑台起动加速,反向起动加速和快退减速制动的加速度的绝对值相等,即△v=0.1m/s,△t=0.2m/s,故惯性阻力为:
根据以上的计算,可得到液压缸各阶段的各各动作负载,见表1所示,并绘制负载循环图,如图1-c所示。
表1液压缸各阶段工作负载计算
工况
计算公式
液压缸负载/N
液压缸推力F/N
起动
2000
2222
加速
+
1500
1667
快进
1000
1111
工进
F=
+
13000
14444
反向起动
F=
2000
2222
加速
F=
+
1500
1667
快退
F=
1000
1111
制动
F=
-
500
556
注:
液压缸的机械效率取
=0.9
3.2.2确定缸的内径和活塞杆的直径
参见课本资料,初选液压缸的工作压力为p1=25×105Pa。
液压缸的面积由A=计算,按机床要求选用A1=2A2的差动连接液压缸,液压缸回油腔的被压取
,并初步选定快进、快退时回油压力损失
。
液压缸的内径为:
圆整取标准直径D=95mm,为实现快进与快退速度相等,采用液压缸差动连接,则d=0.707D,即d=0.707
95=67.165mm,圆整取标准直径d=71mm。
液压缸实际有效面积计算
无杆腔面积
有杆腔面积
3.2.3计算液压缸在工作循环中各个阶段的压力、流量和功率的实际值
结果见表3所示。
表3液压缸各工况所需压力、流量和功率
工况
负载F/N
回油腔压力p2(△p2)/(105Pa)
进油腔压力p1/(105Pa)
输入流量q/(L/min)
输入功率P/kW
计算公式
快进
启动
2222
5.6
___
___
p1=(F+△p2A2)/(A1-A2)
q=(A1-A2)v1
P=p1q×10-3
加速
1667
8.4
___
快速
1111
23.7
23.7
0.33
工进
14444
23.1
0.2
0.0077
p1=(F+p2A2)/A1
q=A1v2
P=p1q×10-3
快退
启动
2222
7.1
___
___
p1=(F+p2A1)/A1
q=A2v2
P=p1q×10-3
加速
1667
21.1
___
___
快退
1111
19.4
0.075
0.024
制动
556
17.6
___
___
第4章拟定液压系统图
4.1选择液压泵型式和液压回路
由工况图可知,系统循环主要由低压大流量和高压小流量两个阶段顺序组成。
从提高系统的效率考虑,选用限压式变量叶片泵或双联叶片泵较好。
将两者进行比较(见表2)故选用双联叶片泵较好。
表2
双联叶片泵
限压式变量叶片泵
1.流量突变时,液压冲击取决于溢流阀的性能,一般冲击较小
1.流量突变时,定子反应滞后,液压冲击大
2内部径向力平衡,压力平衡,噪声小,工作性能较好。
2.内部径向力不平衡,轴承较大,压力波动及噪声较大,工作平衡性差
3.须配有溢流阀、卸载阀组,系统较复杂
3.系统较简单
4.有溢流损失,系统效率较低,温升较高
4.无溢流损失,系统效率较高,温升较低
4.2选择液压回路和液压系统的合成
1、
(1)调速回路的选择
由工况图可知,该液压系统功率较小,工作负载变化不大,故可选用节流调速方式。
由于钻孔属连续切削且是正负载,故采用进口节流调速较好。
为防止工件钻通时工作负载突然消失而引起前冲现象,在回油路上加背压阀(见图3-a)。
(2)快速运动回路与速度换接回路的选择
采用液压缸差动连接实现了快进和快退速度相等。
在快进转工进是,系统流量变化较大,故选用行程阀,使其速度换接平稳。
从工进转快退时,回路中通过的流量很大,为保证换向平稳,选用电液换向阀的换接回路,换向阀为三位五通阀(见图3-b)。
(3)压力控制回路的选择
由于采用双泵供油,故用液控顺序阀实现低压大流量泵的卸荷,用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。
为方便观察压力,在液压泵的出口处,背压阀和液压缸无杆腔进口处设置测压点(见图3-c)。
2、液压系统的合成
在选定的基本回路的基础上,综合考虑多种因素得到完整的液压系统,如图所示。
(1)在液压换向回路中串入一个单向阀6,将工进时的进油路、回油路隔断。
可解决滑台工进时进油路、回油路连通而无压力的问题。
(2)在回油路上串入一个液控顺序阀7,以防止油液在快进阶段返回油箱,可解决滑台快速前进时,回油路接通油箱而液压缸无差动连接问题。
(3)在电液换向阀的出口处增设一个单向阀13,可防止机床停止时系统中的油液流回油箱,引起空气进入系统影响滑台运动平稳性的问题。
(4)在调速阀出口处增设一个压力继电器,可使系统自动发出快速退回信号。
(5)设置一个多点压力计开关口12,可方便观察和调整系统压力。
电磁铁和行程阀动作顺序见表4
电磁铁和行程阀动作顺序表4
工况元件
1YA
2YA
行程阀
压力继电器
快进
+
-
-
-
工进
+
-
+
+
快退
-
+
+
-
停止
-
-
-
-
图3a双联叶片泵b三位五通电液换向阀c用行程阀控制的换接回路
第5章液压元件的选择
5.1选择液压泵和电机
5.1.1确定液压泵的工作压力、流量
(1)液压泵的工作压力
已确定液压缸的最大工作压力为2.5MPa。
在调速阀进口节流调速回路中,工进是进油管路较复杂,取进油路上的压力损失
30×105Pa,则小流量泵的最高工作压力为P
=(25+30)×105Pa=55×105Pa。
大流量液压泵只在快速时向液压缸供油,由工况图可知,液压缸快退时的进油路比较简单,取其压力损失为4×105Pa,则大流量泵的最高工作压力为Pp2=(19.4×105+4×105)=23.5×105Pa。
(2)液压泵的流量
由工况图可知,进入液压缸的最大流量在快进时,其值为23.7L/min,最小流量在快退时,其值为0.075L/min,若取系统泄漏系数k=1.2,则液压泵最大流量为
=1.2×23.7L/min=28.44L/min
由于溢流阀的最小稳定流量为3L/min,工进时的流量为0.2L/min,所以小流量泵的流量最小应为3.2L/min。
5.1.2液压泵的确定
根据以上计算数据,查阅产品目录,选用相近规格YYB-AA36/6B型双联叶片泵。
液压泵电动机功率为:
由工况图可知,液压缸的最大输出功率出现在快进工况,其值为0.33kW。
此时,泵的输出压力应为=8.4×105Pa,流量为=(36+6)L/min=42L/min。
取泵的总效率ηp=0.75,则电动机所需功率计算为
/
有上述计算,可选额定功率为1.1kW的标准型号的电动机。
5.2辅助元件的选择
根据系统的工作压力和通过阀的实际流量就可选择各个阀类元件和辅助元件,其型号可查阅有关液压手册。
液压泵选定后,液压缸在各个阶段的进出流量与原定值不同,需重新计算,见表5。
表5
快进
工进
快退
输入流量/(L/min)
排出流量/(L/min)
运动速度/(L/min)
5.3确定管道尺寸
由于本液压系统的液压缸为差动连接时,油管通油量较大,其实际流量q约为75.28L/min=1.255×10-3m3/s,取允许流速v=3m/s。
主压力油管根据公式计算:
d=
圆整后取d=20mm。
5.4确定油箱容积
按经验公式V=(5~7)
,选取油箱容积为:
第6章液压系统的性能验
6.1管路系统压力损失验算
由于有同类型液压系统的压力损失值可以参考,故一般不必验算压力损失值。
下面以工进时的管路压力损失为例计算如下:
已知:
进油管、回油管长约为l=5m,油管内径d=20mm,压力有的密度为9000kg/m3,工作温度下的运动粘度=46m3/s。
选用L-HM32全损耗系统用油,考虑最低温度为15℃,右路总的局部阻力系数为
=7.2。
6.1.1判断液流类型
利用下式计算出雷诺数
为层流。
6.1.2沿程压力损失
利用公式分别算出进、回油压力损失,然后相加即得到总的沿程损失。
沿程压力损失
△P1=75×5×9000×46×46/1304×20×2=0.058Mpa
局部压力损失
工进时总的沿程损失为
6.2液压系统的发热与温升验算
本机床的工作时间主要是工进工况,为简化计算,主要考虑工进时的发热
故按工进工况验算系统温升。
液压系统的发热量:
H=P1(1-η)=0.33×(1-0.9×0.75)KW=0.11KW
散热量:
K取145
当系统达到热平衡时即H=H0
℃=14.5℃
最高温度为△t+15℃=44℃<100℃,故不需采用相应的散热措施。
。
第一章抽油机机械系统设计
机械举升采油方式是目前大庆油田的最主要的、也是应用最为广泛的是采油方式。
在机械举升工艺中,抽油机—深井泵采油是应用井数最多的举升工艺。
在本章节中,重点介绍抽油机—深井泵采油的基础理论、技术发展、测试技术以及节能新技术的应用。
第一节抽油机—深井泵抽油装置及基础理论计算
抽油机—深井泵采油方式,简称为抽油机采油方式。
本节介绍的主内容是抽油机装置的构成,抽油机技术的发展以及抽油机举升工艺的基础理论。
一、抽油机—深井泵抽油装置
抽油机—深井泵抽油装置是指由抽油机、抽油杆、深井泵组成的抽油系统。
它借助于抽油机曲柄连杆机构的运动,将动力机(一般为电动机)的旋转运动转变为光杆的上下往复运动,用抽油杆带动深井泵柱塞进行抽油。
(一)抽油机
抽油机是抽油机—深井泵抽油系统中的主要地面设备。
游梁式抽油机主要由游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、动力设备、辅助设备等四大部份组成。
工作时,动力机将高速旋转动动通过皮带和减速箱传给曲柄轴,带动曲柄轴做低速旋转运动,曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下往摆动,挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆作上下往复动动。
游梁式抽油机按照结构主要分为两大类:
即普通式游梁式抽油机和前置式游梁式抽油机。
随着抽油机制造技术的不断发展进步,自20世纪90年代后,陆续开发了不同形式的以节能为目的的抽油机,节能抽油机仍然属于普通式游梁式抽油机结构。
关于节能型抽油机的结构特点,将在节能技术中加以介绍。
普通式游梁式抽油机和前置式游梁式抽油机两者的主要组成部分相同,只是游梁与连杆的连接位置不同。
普通抽油机一般采用机械平衡,而前置式抽油机最初多采用气动平衡,但由于技术上的不完善,后来使用机械平衡的方法,目前在我厂使用的前置式抽油机均为机械平衡。
前置式抽油机上冲程曲柄转角为195º,下冲程曲柄转角165º,使得上冲程较下冲程慢。
我国已制定了游梁式抽油机系列标准,其型号表示方法如下:
CYJ10–3–53HB
F---复合平衡
平衡方式代号Y---游梁平衡
B---曲柄平衡
Q---气动平衡
减速箱形式代号:
H为点啮合双圆弧齿轮;渐开线人字齿轮省略
减速箱曲柄轴最大允许扭矩,KN.m
光杆最大冲程m
悬点最大载荷10KN
CYJ-常规型
游梁式抽油机系列代号CYJQ-前置型
CYJY-偏置型
(二)抽油泵
抽油泵是抽油机—深井泵抽油系统中的井下设备。
由于它的工作环境复杂,条件恶劣,而且它工作的好坏直接关系到油井的产量,因而应满足以下一般要求:
(1)结构简单,强度高,质量好。
连接部分密封可靠;
(2)制造材料耐磨,抗腐蚀性好,使用寿命长;
(3)规格能满足排量要求,适应性强;
(4)便于起下。
抽油泵主要由工作筒、柱塞及固定凡尔、游动凡尔组成。
按照抽油泵在油管中的固定方式分为杆式泵和管式泵。
在我厂主要应用管式泵。
我国已制定了抽油泵系列标准,其型号表示方法如下:
CYB38RHAM4.5-1.5-0.6
加长短节长度m
柱塞长度m
泵筒长度m
定位部件形式:
C-皮碗式;M-机械式
定位部位:
A-定筒式、顶部定位
B-定筒式、底部定位
T-动筒式、顶部定位
泵筒形式:
H-金属柱塞厚壁筒
L-金属柱塞组合泵筒
W-金属柱塞薄壁筒
S-软柱塞薄壁筒
P-软柱塞厚壁筒
抽油泵形式:
R-杆式泵;T-管式泵
公称直径mm
抽油泵代号
抽油泵柱塞和泵筒配合分为三个等级,其间隙值见下表
间隙等级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
直径上的间隙(μm)
20~70
>70~120
>120~170
抽油泵的等级与试压时的漏失量有关,管式泵不同等级漏失量推荐值见下表:
公称直径
(mm)
试验压力
(MPa)
间隙等级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
最大漏失量(L/min)
32
10
105
451
1196
38
125
535
1421
44
145
620
1645
56
184
789
2094
57
187
803
2131
70
230
986
2617
83
272
1169
3103
95
312
1338
3552
(三)抽油杆
我国生产的抽油杆从级别上分有C、D、K三种级别。
C级抽油杆用于轻、中型负荷的抽油机井;D级抽油杆用于中、重负荷的抽油机井;K级抽油杆用于轻、中负荷有腐蚀性的抽油机井。
大庆油田使用的抽油杆为C级和D级抽油杆。
由于各个抽油杆生产厂家采取的加工工艺不一,使用的加工材料不一,抽油杆的机械性能也各不相同。
二、抽油泵的工作原理
(一)泵的抽汲过程
1、上冲程
抽油杆带动柱塞向上运动,柱塞上的游动凡尔受管柱内液柱的压力而关闭。
此时泵内压力降低,固定凡尔在环形空间液柱压力与泵内压力之差(即沉没压力)的作用下而打开。
如果油管内已充满液体,在井口将排相当于柱塞冲程长度的一段液体,同时泵内吸入液体。
造成泵吸入液体的条件是泵内压力低于沉没压力。
2、下冲程
抽油杆带动柱塞向下运动,固定凡尔立即关闭,泵内压力升高到大于柱塞以上液柱压力时,游动凡尔打开,柱塞下部的液体通过游动凡尔进入柱塞上部,使泵排出液体。
所以下冲程是泵向油管排液的过程,条件是泵内压力高于柱塞以上液柱压力。
(二)泵的理论排量
泵的工作过程由三个基本环节组成,即:
柱塞在泵内让出容积、井内液体进泵内和从泵内排出液体。
理想情况下,柱塞上、下冲程进入和排出的液体体积都等于柱塞让出的体积V。
式中:
fp-柱塞面积,
,m2
s-光杆冲程m
D-泵径m
每分钟排量Vm
每日排量:
三、抽油机悬点载荷的计算
抽油在不同抽汲参数下工作时,悬点所承受的载荷是选择抽油设备及分析设备工作状况的重要依据。
为此了解悬点承受哪些载荷和怎样计算这些载荷是十分必要的。
(一)悬点承受的载荷
1、静载荷
(1)抽油杆柱载荷
驴头带动抽油杆运动过程中,抽油杆柱的载荷始终作用于驴头上。
但在下冲程时,游动几尔打开,油管内液体的浮力作用于抽油杆柱上,所以,下冲程中作用在悬点上的抽油杆柱的重力减去液体的浮力,即它在液体中的重力作用在悬点上的载荷。
而在上冲程中,游动凡尔关闭,抽油杆柱不受油管内液体浮力的影响,所以上冲程中作用在悬点上的抽油杆柱的载荷是抽油杆在空气中的重力。
上冲程作用在悬点上的抽油杆柱的载荷:
式中:
Wr-抽油杆在空气中的重力,N;
g-重力加速度,m/s2;
fp-抽油杆截面积,m2;
ρs-抽油杆材料(钢)的密度,ρs=7850Kg/m3;
L-抽油杆长度m;
qr-每米抽油杆的质量,Kg/m。
下冲程作用在悬点上的抽油杆柱的载荷:
式中:
Wr‘-抽油杆在空气中的重力,N;
ρl-液体的密度,kg/m3。
为了便于计算,我们在表中列出不同直径抽油杆在空气中的每米重量。
直径d(m)
截面积(cm2)
空气中每米抽油杆重量(Kg/m)
16
19
22
25
2.00
2.85
3.80
3.91
1.64
2.30
3.07
3.17
(2)作用在柱塞上的液柱载荷
在上冲程时,由于游动凡尔关闭,液柱载荷作用在柱塞上;而下冲程时,由于游动凡尔打开,液柱载荷作用在油管上,因而悬点只在上冲程承受液柱载荷。
(3)沉没压力对悬点载荷的影响
上冲程时,在沉没度压力的作用下,井内液体克服泵的入口设备的阻力进入泵内,此时液流所具有的压力称吸入压力,此压力作用在柱塞底部产生向上的载荷:
式中:
Pi-吸入压力pi作用在柱塞底部产生的载荷N
pi-吸入压力Pa
fp-柱塞截面积m2
pn-沉没压力Pa
Δpi-液流通过泵固定凡尔产生的压力降Pa
而在下冲程时,吸入阀(固定凡尔)关闭,沉没压力对悬点载荷没有影响。
其中,Δpi的确定比较复杂,计算公式如下:
式中:
vf-液体通过固定凡尔阀孔的流速,m/s;
fp-柱塞截面积,m2;
f0-固定凡尔阀孔截面积,m2;
vp-柱塞运动速度,m/s;
ξ-由实验确定的阀流量系数。
对于标准型阀可查图。
但在查图之前需计算雷诺数NRe:
式中:
d0-固定凡尔阀孔径,m;
vf-液流速度,m/s;
ν-液体运动粘度,m2
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