抽油機(jī)開題報(bào)告5型齒輪齒條抽油機(jī)方案及機(jī)械換向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).doc

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題 目5型齒輪齒條抽油機(jī)方案 及機(jī)械換向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 周晉磊 院 （系）：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)械1107班 指導(dǎo)教師： 閆文輝 完成時(shí)間： 2015 年3月28日 1 課題的意義 我國(guó)油田的采油設(shè)備種類繁多。對(duì)于游梁式抽油機(jī)，雖其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，但其能耗較高，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸大。對(duì)于鏈條式抽油機(jī)，雖其具有機(jī)械效率較高、長(zhǎng)沖程、低沖次、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，但也存在換向機(jī)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(duì)于塔架式數(shù)控抽油機(jī)，雖其具有長(zhǎng)沖程、高效節(jié)能、大載荷等優(yōu)點(diǎn)，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(hù)不方便。而對(duì)于長(zhǎng)環(huán)形齒條式抽油機(jī)，其具有節(jié)能、工作可靠性高、運(yùn)行平穩(wěn)、質(zhì)量輕而便于維護(hù)等特點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)，如：平衡滑塊上而的長(zhǎng)環(huán)形齒條加工比較困難;機(jī)架距井口太近，修井操作不方便；實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程時(shí)，整機(jī)高度太高，運(yùn)輸不方便。 本文針對(duì)現(xiàn)有的游梁式抽油機(jī)、鏈條式抽油機(jī)、塔架式抽油機(jī)、長(zhǎng)環(huán)形齒條式抽油機(jī)的一些缺點(diǎn)，提出一種新型的齒輪齒條式抽油機(jī)方案，根據(jù)工藝要求對(duì)齒輪齒條式抽油機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定齒輪齒條式抽油機(jī)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(jī)、鏈條式抽油機(jī)、塔架式抽油機(jī)、長(zhǎng)環(huán)形齒條式抽油機(jī)的一些問題。2 國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)研究現(xiàn)狀在世界范圍內(nèi)，研究開發(fā)與應(yīng)用抽油機(jī)己有100多年的歷史。在這百余年采油實(shí)踐中，抽油機(jī)發(fā)生了很大變化，特別是近20年來(lái)，世界抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展較快，先后研究開發(fā)了多種新型抽油機(jī)。其特點(diǎn)是：增強(qiáng)了抽油機(jī)的適應(yīng)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性；改善了抽油性能，降低了抽油機(jī)載荷與載荷變化范圍，提高了抽油效率，減少了動(dòng)力消耗；提高了抽油機(jī)平衡效果，改善了抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性與平衡特性；增大了抽油機(jī)的使用范圍，減小了抽油機(jī)體積和質(zhì)量，強(qiáng)化了抽油機(jī)自動(dòng)化與智能化程度。（一）國(guó)外齒輪齒條抽油機(jī)研究現(xiàn)狀目前，世界上生產(chǎn)抽油機(jī)的國(guó)家主要有美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、加拿大和羅馬尼亞等。近年來(lái)，國(guó)外研究開發(fā)了各種新型抽油機(jī)，為更經(jīng)濟(jì)有效地開采石油做出了卓越貢獻(xiàn)。(1)美國(guó)Lufkin公司生產(chǎn)B, C, M, A等4種系列抽油機(jī),B系列游梁平衡抽油機(jī)有8種規(guī)格，懸點(diǎn)最大載荷24-49.4kN，沖程長(zhǎng)度0.6-1.2m。C系列曲柄平衡抽油機(jī)有64種規(guī)格，懸點(diǎn)最大載荷24-165.5kN，沖程長(zhǎng)度0.76-4.2m。 M系列前置式抽油機(jī)有46種規(guī)格，懸點(diǎn)最大載荷64.86-193.68kN，沖程長(zhǎng)度1.62-5.68m。A系列前置式氣平衡抽油機(jī)有26種規(guī)格，懸點(diǎn)最大載荷78.47-213.1kN，沖程長(zhǎng)度1.62-6.09m。(2)法國(guó)Mape公司生產(chǎn)12種規(guī)格曲柄平衡游梁抽油機(jī)，懸點(diǎn)最大載荷160kN，最大沖程長(zhǎng)度4.2m，還生產(chǎn)H系列長(zhǎng)沖程液壓驅(qū)動(dòng)塔架長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，懸點(diǎn)最大載荷199kN，最大沖程長(zhǎng)度lOm，最大沖次5min-1。液壓驅(qū)動(dòng)塔架長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的主要特點(diǎn)：采用液壓配重，簡(jiǎn)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(jī)的大部分重量時(shí)，不需要另外加配重，消除了使用機(jī)械配重所引起的增加機(jī)械結(jié)構(gòu)受力和抽油機(jī)的體積等缺點(diǎn)，可減少抽油機(jī)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(tái)和山區(qū)等條惡劣地區(qū)的抽油作業(yè)；能夠降低裝機(jī)功率，液壓抽油機(jī)負(fù)載作下沖程時(shí)，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(shí)，儲(chǔ)存在蓄能器中的能量補(bǔ)充負(fù)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(jī)的裝機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，同時(shí)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(jí)，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(shí)現(xiàn)，并且占地面積也相應(yīng)減少，更符合工程實(shí)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(jī)的?？扛悠椒€(wěn)迅速，增加了系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性和安全性。(3)美國(guó)Weatherford公司生產(chǎn)的長(zhǎng)沖程Rotaflex抽油機(jī)。Rotaflex鏈條驅(qū)動(dòng)的抽油機(jī)是一種全新結(jié)構(gòu)的高性能有桿抽油設(shè)備，該機(jī)可以滿足大泵深抽、大泵排液、長(zhǎng)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(jì)性好的機(jī)種。長(zhǎng)沖程低沖次抽油機(jī)能增加抽油桿和井下泵壽命。通過增加沖程長(zhǎng)度和減少?zèng)_次，降低了油管和桿柱接箍的磨損。Rotaflex抽油機(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)減少了對(duì)扭矩的需要，可使用小減速箱。減少了原動(dòng)機(jī)的循環(huán)負(fù)荷，提高了系統(tǒng)總效率，允許使用小功率電動(dòng)機(jī)，能量消耗大大降低。Rotaflex抽油機(jī)比常規(guī)抽油機(jī)操作和維修更安全。這種獨(dú)特的抽油機(jī)突破了傳統(tǒng)有桿泵系統(tǒng)在排量和深度上所不能達(dá)到的界限。(4)美國(guó)Maranatha Industries公司研制的Pneulift氣動(dòng)抽油機(jī)，它不需外部能源，利用套管作為動(dòng)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(dòng)化和智能化抽油機(jī)也是今后抽油機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向。目前比較先進(jìn)的有美國(guó)Baker,Delta,APS和NSCO等公司生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化抽油機(jī)。（二）國(guó)內(nèi)齒輪齒條抽油機(jī)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家主要研制的新型抽油機(jī)有滾筒式抽油機(jī)，鏈條式抽油，液壓式抽油機(jī)永磁直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)等。(1)大慶采油四廠與大慶市鑫馳機(jī)械制造有限公司聯(lián)合研制的新型直驅(qū)長(zhǎng)沖程節(jié)能抽油機(jī)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)均置于支架頂部，屬于無(wú)游梁式塔架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)沖程抽機(jī)；采用變頻器控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)擺線針輪減速器直接驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)滾筒與配滾筒；采用多排鋼絲繩膠帶作為懸點(diǎn)懸?guī)Ш团渲貞規(guī)?，懸點(diǎn)懸?guī)c配重懸?guī)г谕S滾筒上對(duì)稱布置，配重直接平衡懸點(diǎn)載荷。由于該機(jī)采用了變頻器控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的自動(dòng)控制系，因此可以實(shí)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(diǎn)，同時(shí)可以據(jù)采出液的物質(zhì)特點(diǎn)合理分配上下沖程時(shí)間，實(shí)現(xiàn)上慢下快或上快下慢的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速控制模式，因此該機(jī)應(yīng)用于稠油或聚驅(qū)油井的舉升具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)采用了變頻器控電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的直接驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)方案，因此具有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高，高效節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。(2)中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司研發(fā)的智能化抽油機(jī)。智能化抽油機(jī)主要的性能特點(diǎn):抽油機(jī)的沖程、沖次無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；定期自檢、自診斷、自動(dòng)排除故障；易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程；采用蝸桿傳動(dòng)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(dú)立的電液剎車、手動(dòng)剎車，使系統(tǒng)運(yùn)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(jī)在設(shè)計(jì)的行程范圍內(nèi)安全運(yùn)行圈。(3)北京航天林泉石油裝備有限公司研究設(shè)計(jì)的復(fù)式永磁電機(jī)抽油機(jī)。復(fù)式永磁電機(jī)抽油機(jī)，為塔式結(jié)構(gòu)，由立柱支撐的復(fù)式永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，采用特制專用皮帶傳動(dòng)，通過專用變頻控制系統(tǒng)在規(guī)定范圍內(nèi)對(duì)抽油機(jī)沖程和沖次實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)可調(diào)，以懸掛配重物進(jìn)行重力平衡，立柱底座以基礎(chǔ)地腳螺栓固定。此抽油機(jī)的特點(diǎn)：主要部件是復(fù)式永磁電機(jī)和變頻控制裝置，與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，省去了減速、換向等復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，因此，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，占地面積小；由于具有國(guó)際先進(jìn)水平的復(fù)式永磁電機(jī)和先進(jìn)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(jī)節(jié)電效果顯著，與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，有功節(jié)電率大于50%；此抽油機(jī)的操作通過控制箱面板的旋鈕調(diào)節(jié)復(fù)式永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖次及沖程;通過改變配重箱中的配重來(lái)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡?，F(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量小，大大降低了采油工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。復(fù)式永磁電機(jī)抽油機(jī)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程、低沖次抽汲，適用于稠油井、大泵強(qiáng)采井和深井的原油開采。抽油機(jī)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(zhǎng)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(yíng)王勝青等人的專利齒輪齒條式抽油機(jī)。齒輪齒條式抽油機(jī)主要由機(jī)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(jī)、減速器與剎車制動(dòng)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(jī)架處的齒條導(dǎo)軌嚙合，電機(jī)經(jīng)隨行電纜與控制器相連，滑輪安裝在機(jī)架處。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊而合理，傳動(dòng)效率高，承載能力強(qiáng)，可靠度大，使用壽命長(zhǎng)，制造安裝也較容易，使用、維修方便，是現(xiàn)有抽油機(jī)的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 此外，還有變平衡力矩抽油機(jī)、氣囊平衡抽油機(jī)、自動(dòng)平衡抽油機(jī)、輪式移動(dòng)平衡抽 油機(jī)、直線往復(fù)式抽油機(jī)等多種類型。3 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(guó)內(nèi)外抽油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀；（3）完成齒輪齒條式抽油機(jī)總體方案設(shè)計(jì)；（4）進(jìn)行抽油機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；（5完成抽油機(jī)換向方式對(duì)比分析；（6）完成2500030000字的論文正文；（7）完成合計(jì)三張零號(hào)圖幅的設(shè)計(jì)圖紙。4 所采用的方法手段及步驟本次設(shè)計(jì)為齒輪齒條式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的步驟方法如下：（1）認(rèn)真查閱、收集資料，做到深刻的理解本次論文所要設(shè)計(jì)的內(nèi)容；（2）首先了解齒輪齒條式抽油機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析目前常規(guī)抽油機(jī)的缺點(diǎn)，提出交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條式抽油機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)傳動(dòng)原理的分析，優(yōu)選位移、懸點(diǎn)速度、加速度等參數(shù)和抽油機(jī)其它參數(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；（4）確定懸點(diǎn)的動(dòng)載荷、靜載荷，減速箱曲柄軸扭矩的計(jì)算；（5）對(duì)抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)主要零部件的性能進(jìn)行校核；（6）對(duì)抽油機(jī)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（7）繪制交流電驅(qū)動(dòng)齒輪齒條式抽油機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的裝配圖；（8）繪制主要零部件的零件圖。5 階段進(jìn)度計(jì)劃這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)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(shí)際情況，決定以下設(shè)計(jì)進(jìn)度：(1)12周，借閱相關(guān)書籍文件，了解設(shè)計(jì)內(nèi)容。(2)34周，完成開題報(bào)告和英文翻譯。(3)56周，完成總體方案設(shè)計(jì)及對(duì)比。(4)79周，進(jìn)行齒輪齒條抽油機(jī)各部件設(shè)計(jì)計(jì)算及零件圖的繪制。(5)1011周，完成絞車零件圖及裝配圖的繪制及修改。(6)1213周，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，撰寫論文。(7)1415周，提交老師評(píng)閱。(8)16周，完成答辯。參考文獻(xiàn)1萬(wàn)邦烈采油機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算M北京：石油工業(yè)出版社，1994。2孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)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(guó)內(nèi)外新型抽油機(jī)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(jī)節(jié)能改造5 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，32(5)：118-120。6張曉玲，于海迎.抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)J.石油和化工節(jié)能.2007(2)： 4-6。7鐘平.抽油機(jī)井高效節(jié)能技術(shù)J.國(guó)外油田工程.2002（2）：32-35。8紀(jì)名剛，濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)(第八版)M.北京：高等教育出版社，2006。9萬(wàn)邦烈.采油機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算M.北京：石油工業(yè)出版社，1988。10張連山.我國(guó)抽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)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(jī)的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J.機(jī)床與液壓， 2010,38(10):12-13。12奕慶德.常規(guī)型抽油機(jī)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)J.石油機(jī)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(jī)械概論M.中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006。15鄔亦炯，劉卓鈞.抽油機(jī)M.北京：石油工業(yè)出版社，1994。16顧心怪，周煥波，崔煥勇，等.長(zhǎng)環(huán)形齒條抽油機(jī)的研制及應(yīng)用田J.石油機(jī)械，2009(5):38-40。17孔昭瑞.國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)的發(fā)展趨向J.石油機(jī)械，1995 (23): 49-54。18王勝青.齒輪齒條式抽油機(jī)Pl.中國(guó):200410024189.4. 2005-2-23。19 Lekia, S D Evans. A Coupled Rod and Fluid Dynamic Model for Predicting the Behavior of Sucker-rod Pumping Systems-Part2: Parametric Study and Demonstration of Model CapabilitiesJ. SPE. 30169, 1995。20 F Pellicano, F Vestroni. Nonlinear Dynamics and Bifurcations of an Axially Moving BeamJ. Journal of Vibration and Acoustics. 2000, 15(1): 50-51。21 M C Coy, J N Podio, A L Collier, etal. Beam Pump Balancing Based on Motor Power UtilizationJ. SPE. 29533, 1995。22 Ian C Evans. Harmonic Mitigation for AC Variable Frequency Pump DrivesJ. World Pumps. 2003(2):24-28。15 Weatherford, Inc. Reciprocating Rod-fift SystemJ. Pumping Units. 2009 (22): 72-75。指導(dǎo)教師意見：指導(dǎo)教師意見：指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日