JY02机械原理课程设计抽油烟机系统设计.docx
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JY02机械原理课程设计抽油烟机系统设计
机械原理课程设计说明书
设计题目:
抽油机机械系统设计
设计者:
指导教师:
2010年5月24日
目录
1、设计任务············································
(1)
2、执行机构的选择与比较································
(2)
3、主要机构设计········································(4)
4、机构运动分析········································(8)
5、原动机的选择········································(9)
6、传动机构的选择与比较································(9)
7、机构循环图·········································(10)
8、设计心得与体会·····································(10)
9、参考文献···········································(11)
10、机构简图··········································(11)
一、设计任务
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。
整体工作原理见图1:
图1
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
图2
悬点载荷P的静力示功图(图2)——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。
选择油井工况为:
表1.油井工况
上冲程时间
下冲程时间
冲程S(m)
冲次n(次/min)
悬点载荷P(KN)
8T/15
7T/15
1.1
11
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.机构静态分析,通过建立机构仿真模型,并给系统加力。
编制程序,打印外加力曲线,并求出最大平衡力矩和功率;
5.编写设计说明书一份,应包括设计任务,设计参数以及设计过程。
根据任务要求,进行抽油机机械系统总体方案设计,确定执行系统和减速系统的组成。
二、执行机构的选择和比较
抽油机作为一种将原油从井下举升到地面的主要采油设备,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。
因此在保证其能够正常工作的同时,还必须保证整个抽油机具有很高的传动性能以及比较精确的运动。
所以在设计整个抽油机系统时,对执行机构的选择尤为关键。
执行机构的选择不仅要保证其有确定的运动以及良好的运动性能,而且要尽可能的减少系统的额外功。
并且为了满足设计需要,在设计时应满足:
输入—连续单向转动
输出—往复移动
输入、输出周期相同,输入转一圈的时间有急回。
我们在设计和选择执行机构的过程中,设计了三种执行机构的方案,并针对每个机构的优缺点做出了一定的评价。
综合考虑了各个优缺点,选择了最终的执行机构方案。
方案一:
方案一原理图见图3
图3
在此方案中,我们使用凸轮转动时的位移的不同,使连杆上下摆动,达到既定的设计要求。
优点:
整个执行机构设计复杂性低,符合简明的设计理念;机构采用凸轮的转动来带动抽油杆的摆动;整个机构的机械效率高,所做的额外功小。
缺点:
有计算可得到此机构的自由度为2,这说明了此机构没有准确的运动;机构中使用了凸轮和连杆接触。
点和面的接触使机构易磨损,会缩短机器的寿命。
方案二:
方案二原理图见图4。
图4
在此方案中,我们使用凸轮转动时的位移的不同,使连杆上下摆动,用固定的滑块确定竖直杆的运动方向。
可计算自由度
。
优点:
整个执行机构设计复杂性低,符合简明的设计理念;机构具有确定的运动,保证了抽油机的正常工作。
缺点:
机构中使用了凸轮和连杆接触。
点和面的接触使机构易磨损,会缩短机器的寿命;机构中使用的构件和铰链数多,大大减小了机械效率。
方案三:
方案三机构原理图见图5。
图5
在此方案中,我们使用简单的曲柄摇杆机构来作为执行机构,设计简单,有确定的运动,并且较前两种方案有更高的机械效率,因为在机构中构件数较少。
所以在执行机构的选择中,我们综合各个方案的优缺点而选择方案三。
三、主要机构设计
㈠设计分析
根据以上我们选择的方案,我们选用“四连杆(常规)式抽油机”机构。
机构原理图见图6。
在此机构中,我们在保证其具有正常运动时,还要使机构不会存在能量浪费的情况,所以,在设计时,我们在保证输入、输出周期相同时,还要求输入转一圈的时间有急回。
整个机构的简化图见图7。
图6
图7
设计要求抽油杆上冲程时间为8T/15,下冲程时间为7T/15,则可求得行程速比系数:
K=V
/
=
=8T/15/7T/15=1.4286
由θ=180
(K-1)/(K+1)可得θ=
。
在原有的基础上作出四杆机构运动分析图见图8:
图8
则由此可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。
曲柄转向应为逆时针,则有:
a2+d2>b2+c2
在设计连杆执行机构是要考虑到设计约束:
(1) 极位夹角:
(2)行程要求:
查手册有通常取e/c=1.35。
所以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。
各杆长大于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。
㈡基本设计
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。
图形见图9。
图4
各式表明四杆长度均为Ψ和β的函数:
所以取Ψ和β为设计变量。
根据工程需要:
㈢优化计算
①.在限定范围内取ψ、β,计算杆a、b、c、d的尺寸;
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0.1°循环计算);
④.保证抽油杆上冲程悬点加速度最小,并应使机构有较好的传动性能。
对于四杆机构,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),通过matlab编程可优化求得:
c=1037.5,a=383.9,b=1040.5,d=1568.7
四、机构运动分析
由以上计算结果,经过matlab进行编程计算、绘图可得到在一个周期内的位移与ψ之间的关系图、速度与ψ之间的关系图以及加速度与ψ之间的关系图,分别见下图:
图10
图11
图12
五、原动机的选择
经matlab分析可得到机构在一个周期之内的最大速度
。
考虑到该系统的功率大,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。
由电机至抽油杆总的传动效率为:
其中
、
、
以及
分别表示带传动、轴承、齿轮传动和连杆执行机构传动的传动效率。
分别取值为0.94、0.98、0.97、0.90。
则整体机构的效率为:
0.76
。
则电动机所需工作功率
综上所述:
电机的选定:
三相异步电机
额定功率:
42KW
转速:
1100r/rad
六、传动机构的选择与比较
考虑到该系统的功率大,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。
根据手册推荐的传动比合理范围,取V带传动的传动比为
,二级圆柱齿轮减速器传动比
,则总传动比的合理范围为
,故电机转速可选范围为
r/min。
故初选择电机转速为1100r/min。
确定装置的总传动比以及分配传动比:
分配传动比,初选皮带传动
,则有
有机械手册查的齿轮减速器的高速级
,则二级减速器传动比为
。
综合以上的计算可以得到:
减速系统的选定:
齿轮二级减速加皮带传动,传动比:
3.98
七、机构循环图
根据以上执行机构,曲曲柄为定标件。
当柱塞在整个油泵最低处时,取曲柄转角为0°。
当完成一个周期运动时,取曲柄转角位360°。
由此可画的工作循环图见图14
图14
八、设计总结与心得体会
我们的设计在整体上来说还是比较合理的,虽然在一些地方存在着一些瑕疵。
经过这次的机械原理课程设计,我们巩固了课本的知识,并在原有的基础上深化了所学的知识,对一些机构的理解得到了大大提高。
在这次的设计过后明白了,以前学习的东西并不是都掌握了,很多的知识在学习之后都不能够很好的运用到实际中去,经过这次的设计让我对机械原理的学习有了一个新的方向。
总的来说,这次的设计让我们学到了很多的东西,很有意义。
九、参考文献
【1】许毓潮等.《机械设计与制造工艺简明手册》,中国电力出版社,1998
【2】孙桓.《机械原理》,高等教育出版社,1959
十、机构简图
机构简图见图纸。
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店名:
九重天衣阁
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