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本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題 目5型齒輪齒條抽油機方案 及機械換向機構(gòu)設(shè)計 學(xué)生姓名： 周晉磊 院 （系）：機械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè)班級： 機械1107班 指導(dǎo)教師： 閆文輝 完成時間： 2015 年3月28日 1 課題的意義 我國油田的采油設(shè)備種類繁多。對于游梁式抽油機，雖其具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、使用方便等優(yōu)點而被廣泛使用，但其能耗較高，實現(xiàn)長沖程時，結(jié)構(gòu)尺寸大。對于鏈條式抽油機，雖其具有機械效率較高、長沖程、低沖次、高效節(jié)能等優(yōu)點，但也存在換向機構(gòu)復(fù)雜、軌跡鏈條和主軸銷容易發(fā)生斷裂、平衡系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性偏低、不適用于重載等問題。對于塔架式數(shù)控抽油機，雖其具有長沖程、高效節(jié)能、大載荷等優(yōu)點，但其工作部件安裝在塔頂，受空間限制，安裝需緊湊，操作和維護不方便。而對于長環(huán)形齒條式抽油機，其具有節(jié)能、工作可靠性高、運行平穩(wěn)、質(zhì)量輕而便于維護等特點，但也存在一些缺點，如：平衡滑塊上而的長環(huán)形齒條加工比較困難;機架距井口太近，修井操作不方便；實現(xiàn)長沖程時，整機高度太高，運輸不方便。 本文針對現(xiàn)有的游梁式抽油機、鏈條式抽油機、塔架式抽油機、長環(huán)形齒條式抽油機的一些缺點，提出一種新型的齒輪齒條式抽油機方案，根據(jù)工藝要求對齒輪齒條式抽油機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定齒輪齒條式抽油機各零部件的尺寸和一些基本參數(shù)，解決現(xiàn)有的游梁式抽油機、鏈條式抽油機、塔架式抽油機、長環(huán)形齒條式抽油機的一些問題。 2 國內(nèi)外抽油機研究現(xiàn)狀 在世界范圍內(nèi)，研究開發(fā)與應(yīng)用抽油機己有100多年的歷史。在這百余年采油實踐中，抽油機發(fā)生了很大變化，特別是近20年來，世界抽油機技術(shù)發(fā)展較快，先后研究開發(fā)了多種新型抽油機。其特點是：增強了抽油機的適應(yīng)性、可靠性、經(jīng)濟性和先進性；改善了抽油性能，降低了抽油機載荷與載荷變化范圍，提高了抽油效率，減少了動力消耗；提高了抽油機平衡效果，改善了抽油機的運動特性、動力特性與平衡特性；增大了抽油機的使用范圍，減小了抽油機體積和質(zhì)量，強化了抽油機自動化與智能化程度。 （一）國外齒輪齒條抽油機研究現(xiàn)狀 目前，世界上生產(chǎn)抽油機的國家主要有美國、俄羅斯、法國、加拿大和羅馬尼亞等。近年來，國外研究開發(fā)了各種新型抽油機，為更經(jīng)濟有效地開采石油做出了卓越貢獻。 (1)美國Lufkin公司生產(chǎn)B, C, M, A等4種系列抽油機,B系列游梁平衡抽油機有8種規(guī)格，懸點最大載荷24-49.4kN，沖程長度0.6-1.2m。C系列曲柄平衡抽油機有64種規(guī)格，懸點最大載荷24-165.5kN，沖程長度0.76-4.2m。 M系列前置式抽油機有46種規(guī)格，懸點最大載荷64.86-193.68kN，沖程長度1.62-5.68m。A系列前置式氣平衡抽油機有26種規(guī)格，懸點最大載荷78.47-213.1kN，沖程長度1.62-6.09m。 (2)法國Mape公司生產(chǎn)12種規(guī)格曲柄平衡游梁抽油機，懸點最大載荷160kN，最大沖程長度4.2m，還生產(chǎn)H系列長沖程液壓驅(qū)動塔架長沖程抽油機，懸點最大載荷199kN，最大沖程長度lOm，最大沖次5min-1。 液壓驅(qū)動塔架長沖程抽油機的主要特點：采用液壓配重，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于液壓缸特殊結(jié)構(gòu)和蓄能器回路的配合使用，在平衡液壓抽油機的大部分重量時，不需要另外加配重，消除了使用機械配重所引起的增加機械結(jié)構(gòu)受力和抽油機的體積等缺點，可減少抽油機的體積、質(zhì)量和在油田中的占地面積、能適應(yīng)灘涂、海上平臺和山區(qū)等條惡劣地區(qū)的抽油作業(yè)；能夠降低裝機功率，液壓抽油機負載作下沖程時，與液壓缸相接的蓄能器回路中的蓄能器吸收閉式回路中消耗的大部分能量和下沖程載荷的大部分能，作上沖程時，儲存在蓄能器中的能量補充負載上行所需的能量，減少變頻閉式回所需要提供的能量，這樣能夠大幅度地降低液壓抽油機的裝機功率，節(jié)能效率高，減小液壓泵站體積，液壓缸上半部分的兩腔通過雙向液壓鎖與矢量變頻電機驅(qū)動的雙向液壓構(gòu)成矢量變頻容積調(diào)速閉式系統(tǒng)，利用了變頻容積調(diào)速節(jié)能效率高和閉式油路節(jié)省液油的優(yōu)點，同時可以大大減少液壓泵站的體積;蓄能器體積小，載重量大，在系統(tǒng)中由液壓缸的特殊結(jié)構(gòu)，只要合理選擇液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和閉式油路及蓄能器回路的壓力級，可使蓄能器回路中的蓄能回路中的蓄能器的體積較小，在工程中更容易實現(xiàn)，并且占地面積也相應(yīng)減少，更符合工程實際要求;操作更加安全平穩(wěn)，在閉式油路中采用雙向液壓鎖可以使液壓抽油機的停靠更加平穩(wěn)迅速，增加了系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性和安全性。 (3)美國Weatherford公司生產(chǎn)的長沖程Rotaflex抽油機。Rotaflex鏈條驅(qū)動的抽油機是一種全新結(jié)構(gòu)的高性能有桿抽油設(shè)備，該機可以滿足大泵深抽、大泵排液、長沖程一低沖次抽稠采油工藝中高含水量油井加深泵大排量的需求，是一種高效節(jié)能經(jīng)濟性好的機種。 長沖程低沖次抽油機能增加抽油桿和井下泵壽命。通過增加沖程長度和減少沖次，降低了油管和桿柱接箍的磨損。Rotaflex抽油機的獨特設(shè)計減少了對扭矩的需要，可使用小減速箱。減少了原動機的循環(huán)負荷，提高了系統(tǒng)總效率，允許使用小功率電動機，能量消耗大大降低。Rotaflex抽油機比常規(guī)抽油機操作和維修更安全。這種獨特的抽油機突破了傳統(tǒng)有桿泵系統(tǒng)在排量和深度上所不能達到的界限。 (4)美國Maranatha Industries公司研制的Pneulift氣動抽油機，它不需外部能源，利用套管作為動力源，就可平穩(wěn)地舉升原油，用于富含氣的油井中可顯著降低采油成本。自動化和智能化抽油機也是今后抽油機的一個發(fā)展方向。目前比較先進的有美國Baker,Delta,APS和NSCO等公司生產(chǎn)的自動化和智能化抽油機。 （二）國內(nèi)齒輪齒條抽油機研究現(xiàn)狀 國內(nèi)生產(chǎn)廠家主要研制的新型抽油機有滾筒式抽油機，鏈條式抽油，液壓式抽油機永磁直線電機驅(qū)動抽油機等。 (1)大慶采油四廠與大慶市鑫馳機械制造有限公司聯(lián)合研制的新型直驅(qū)長沖程節(jié)能抽油機。 其結(jié)構(gòu)特點是：驅(qū)動與傳動系統(tǒng)均置于支架頂部，屬于無游梁式塔架結(jié)構(gòu)長沖程抽機；采用變頻器控制電動機正反轉(zhuǎn)，電動機經(jīng)擺線針輪減速器直接驅(qū)動懸點滾筒與配滾筒；采用多排鋼絲繩膠帶作為懸點懸?guī)Ш团渲貞規(guī)В瑧尹c懸?guī)c配重懸?guī)г谕S滾筒上對稱布置，配重直接平衡懸點載荷。由于該機采用了變頻器控制電機正反轉(zhuǎn)的自動控制系，因此可以實現(xiàn)沖程、沖次在額定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，具有調(diào)參方便的優(yōu)點，同時可以據(jù)采出液的物質(zhì)特點合理分配上下沖程時間，實現(xiàn)上慢下快或上快下慢的懸點運動速控制模式，因此該機應(yīng)用于稠油或聚驅(qū)油井的舉升具有明顯的優(yōu)點。機采用了變頻器控電動機正反轉(zhuǎn)的直接驅(qū)動與傳動方案，因此具有傳動結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高，高效節(jié)等優(yōu)點。 (2)中國石油天然氣集團公司研發(fā)的智能化抽油機。 智能化抽油機主要的性能特點:抽油機的沖程、沖次無級調(diào)節(jié)；定期自檢、自診斷、自動排除故障；易實現(xiàn)長沖程；采用蝸桿傳動移位裝置、滿足作業(yè)需求，且不需任何起吊設(shè)備。采用相互獨立的電液剎車、手動剎車，使系統(tǒng)運行安全可靠；用鋼絲芯寬皮帶代替鋼絲繩可減小鋼絲繩的磨損，使用壽命高，行程開關(guān)控制抽油機在設(shè)計的行程范圍內(nèi)安全運行圈。 (3)北京航天林泉石油裝備有限公司研究設(shè)計的復(fù)式永磁電機抽油機。 復(fù)式永磁電機抽油機，為塔式結(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)無級可調(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。此抽油機的特點：主要部件是復(fù)式永磁電機和變頻控制裝置，與常規(guī)游梁式抽油機相比，省去了減速、換向等復(fù)雜的機械系統(tǒng)，因此，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，占地面積??；由于具有國際先進水平的復(fù)式永磁電機和先進的變頻控制技術(shù)相結(jié)合，采用端部配重平衡，平衡效果好，因此，本抽油機節(jié)電效果顯著，與常規(guī)游梁式抽油機相比，有功節(jié)電率大于50%；此抽油機的操作通過控制箱面板的旋鈕調(diào)節(jié)復(fù)式永磁電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)抽油機的沖次及沖程;通過改變配重箱中的配重來調(diào)節(jié)抽油機的平衡?，F(xiàn)場維護工作量小，大大降低了采油工人的勞動強度。復(fù)式永磁電機抽油機可實現(xiàn)長沖程、低沖次抽汲，適用于稠油井、大泵強采井和深井的原油開采。抽油機的最大沖程為8m，相應(yīng)的最大沖次為3 min-1，并在規(guī)定的范圍內(nèi)，提高泵效，增加產(chǎn)液量，延長檢泵周期提高抽油桿和抽油泵的使用壽命，降低原油生產(chǎn)的綜合成本。 （4)山東東營王勝青等人的專利齒輪齒條式抽油機。 齒輪齒條式抽油機主要由機架、齒輪、齒條、滑輪、配重往返架及控制器幾大部分組成，其特征是配重往返架處安裝有電機、減速器與剎車制動器及導(dǎo)輪，配重往返架安裝在齒條導(dǎo)軌處，一條整體的鋼絲繩通過滑輪、懸繩器與光桿相連，減速器的輸出齒輪與安裝在機架處的齒條導(dǎo)軌嚙合，電機經(jīng)隨行電纜與控制器相連，滑輪安裝在機架處。其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊而合理，傳動效率高，承載能力強，可靠度大，使用壽命長，制造安裝也較容易，使用、維修方便，是現(xiàn)有抽油機的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 此外，還有變平衡力矩抽油機、氣囊平衡抽油機、自動平衡抽油機、輪式移動平衡抽 油機、直線往復(fù)式抽油機等多種類型。 3 畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容 （1）翻譯15000字的專業(yè)英文資料； （2）綜述國內(nèi)外抽油機的發(fā)展現(xiàn)狀； （3）完成齒輪齒條式抽油機總體方案設(shè)計； （4）進行抽油機機構(gòu)設(shè)計； （5完成抽油機換向方式對比分析； （6）完成25000~30000字的論文正文； （7）完成合計三張零號圖幅的設(shè)計圖紙。 4 所采用的方法手段及步驟 本次設(shè)計為齒輪齒條式抽油機連桿機構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計的步驟方法如下： （1）認真查閱、收集資料，做到深刻的理解本次論文所要設(shè)計的內(nèi)容； （2）首先了解齒輪齒條式抽油機的工作原理、結(jié)構(gòu)特點，分析目前常規(guī)抽油機的缺點，提出交流電機驅(qū)動齒輪齒條式抽油機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。建立尺度綜合優(yōu)選數(shù)學(xué)模型，并給出求解算法； （3）根據(jù)提供的原始數(shù)據(jù)，通過抽油機傳動原理的分析，優(yōu)選位移、懸點速度、加速度等參數(shù)和抽油機其它參數(shù)的運動學(xué)方程； （4）確定懸點的動載荷、靜載荷，減速箱曲柄軸扭矩的計算； （5）對抽油機的機械結(jié)構(gòu)，對主要零部件的性能進行校核； （6）對抽油機零部件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計； （7）繪制交流電驅(qū)動齒輪齒條式抽油機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的裝配圖； （8）繪制主要零部件的零件圖。 5 階段進度計劃 這次畢業(yè)設(shè)計的時間為2015年3月9日至2015年6月19日，結(jié)合導(dǎo)師的要求和自身的實際情況，決定以下設(shè)計進度： (1)1—2周，借閱相關(guān)書籍文件，了解設(shè)計內(nèi)容。 (2)3—4周，完成開題報告和英文翻譯。 (3)5—6周，完成總體方案設(shè)計及對比。 (4)7—9周，進行齒輪齒條抽油機各部件設(shè)計計算及零件圖的繪制。 (5)10—11周，完成絞車零件圖及裝配圖的繪制及修改。 (6)12—13周，達到設(shè)計要求，撰寫論文。 (7)14—15周，提交老師評閱。 (8)16周，完成答辯。 參考文獻 [1] 萬邦烈．采油機械的設(shè)計計算[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1994。 [2] 孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2007。 [3]張自學(xué)，兆文清，王鋼.國內(nèi)外新型抽油機[J].北京：石油工業(yè)出版社，1994：55-59。 [4] 崔旭明，高桐，閔志繽等.基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化和復(fù)合平衡的常規(guī)游梁抽油機節(jié)能改造[5] 大慶石油學(xué)院學(xué)報，2008，32(5)：118-120。 [6] 張曉玲，于海迎.抽油機的節(jié)能技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].石油和化工節(jié)能.2007(2)： 4-6。 [7] 鐘平.抽油機井高效節(jié)能技術(shù)[J].國外油田工程.2002（2）：32-35。 [8]紀名剛，濮良貴.機械設(shè)計(第八版)[M].北京：高等教育出版社，2006。 [9]萬邦烈.采油機械的設(shè)計計算[M].北京：石油工業(yè)出版社，1988。 [10]張連山.我國抽油機的發(fā)展趨勢[J].北京：石油工業(yè)出版社，1996，6：41-44。 [11]周煥波，崔煥勇，劉永海.一種新型抽油機的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機床與液壓， 2010,38(10):12-13。 [12]奕慶德.常規(guī)型抽油機尺寸參數(shù)設(shè)計[J].石油機械，1995 23(3)：6-9。 [13]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003。 [14]李繼志，陳榮振.石油鉆采機械概論[M].中國石油大學(xué)出版社，2006。 [15]鄔亦炯，劉卓鈞.抽油機[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994。 [16]顧心怪，周煥波，崔煥勇，等.長環(huán)形齒條抽油機的研制及應(yīng)用田[J].石油機 械，2009(5):38-40。 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