抽油机搭接.docx
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抽油机搭接
抽油机搭接
汽13班：
孙信马骁赵季维
一.工程背景
二.设计要求和相关数据、图像
三.替代机构
四.实验中遇到的主要问题
五.解决问题的思路
六.实验小结
一．工程背景
从地层中开采石油的方法可分为两大类：
一类是利用地层本身的能量来举升原油，称为自喷采油法；另一类是由于地层本身能量不足，必须人为地用机械设备给井内液体补充能量，才能将原油举升到地面，称为人工举升采油法或者机械采油法，目前有各种各样的人工举升采油法：
凡是不利用抽油杆柱传递能量的抽油设备统称为无杆抽油设备，凡是利用抽油杆柱上下往复运动进行驱动的抽油设备统称为有杆抽油设备。
利用抽油杆柱旋转运动驱动的井下单螺杆抽油泵装置虽然也有抽油杆，但是在习惯上不列入有杆抽油设备。
有杆抽油方法是应用最早也是最为广泛的一种人工举升采油法，早在石油工业问世时，就开始采用这一方法进行采油。
随着技术的不断发展，有杆抽油设备也不断完善。
目前，在各种人工举升采油方法中，有杆抽油仍居首要地位。
有杆抽油设备有三部分组成：
一是地面驱动设备即抽油机，目前应用最广泛的是游梁式抽油机；二是井下的抽油泵，它是挂在油管的下端；三是抽油杆柱，它把地面设备的运动和动力传给井下抽油泵。
抽油杆柱设计
抽油杆柱设计经历了几乎与石油工业同样长的历史，随着科学技术的进步，抽油杆柱设计方法与整个石油工业一起进入了新的发展时期，开始进入了较准确、优化设计阶段。
在有杆抽油系统中，抽油机通过抽油杆柱使井下抽油泵随之往复运动。
从功能的观点理解，在抽吸系统中，抽油机是通过抽油杆柱将地面能量传递给井下抽油泵，使抽油泵进行工作。
根据振动理论分析，可以认为：
地面交变的激振力通过抽油杆柱使井下抽油泵随之产生周期振动响应。
在工作中，抽油杆柱受地面与井下的循环载荷作用。
面前，在抽油杆柱设计的研究与应用中，通常将抽油杆柱的工作状态作为复杂的周期振动响应分析。
抽油机为什么要加平衡装置？
抽油机的工作特点是承受一个交变载荷。
上升冲程时候，抽油机的驴头承受作用在活塞截面的液注重量和抽油杆在液注中的重量和摩擦、惯性、振动等负荷：
下降冲程时，抽油机的驴头只承受抽油杆在液注中的重量。
上下冲程的负荷差别非常大，抽油杆无法正常工作，电机也容易烧化。
为消除上述弊病，必须采用平衡装置将上下冲程的负荷差异将小，使设备正常运转。
平衡块装在抽油机游梁尾部或者曲柄上，帮助克服驴头上的负荷：
在下冲程时，电机使平衡块向上运动，储存能量。
在平衡块的作用下，可以减小抽油机上下冲程的负荷差别。
抽油机的平衡方式有四种：
游梁平衡、曲柄平衡、复合平衡、气动平衡。
游梁平衡是指在游梁的尾部装设一定重量的平衡块达到平衡。
这是一种简单的平衡方式，适用于3吨以下的轻型抽油机；曲柄平衡是将平衡块加在曲柄上。
适用于10吨以上重型抽油机，这种平衡方式减少了游梁平衡引起的抽油摆动，调整比较方便。
但是，曲柄上有很大的负荷和离心力：
复合平衡是指在一台抽油机上同时使用游梁平衡和曲柄平衡，其特点是：
小范围内调整时，可调整游离平衡块，大范围内调整时，则调整曲柄平衡块。
这种平衡方式适用于中深井；气动平衡是指利用气体的可压缩性来储存和释放能量的方法达到平衡的目的。
可用于10吨以上重型抽油机，这种平衡方式减少了抽油机的动负荷及震动，但其装置精度要求较高，加工比较麻烦。
由于平衡装置的计算问题要涉及到机构运动学和很多的工程实际情形，下面的计算过程省略了对平衡装置的讨论
二． 设计要求和相关数据、图像
运动参数设计要求和有关数据：
我们设计的机构的大小是真实机构尺寸的1／200，在实际场合中，该机构的运动参数设计要求为：
1． 冲程（m）：
2.5m
2． 悬置点最大负荷：
60KN
3． 冲次（次／分）：
10
4． 外形尺寸：
5.5m（长）*4.5m（高）
5． 抽油机工作平稳，速度绝对值应小于2m/s。
6． 加速度绝对值应小于3m/s2。
机构选型设计
常见的抽油机的结构如下图所示：
我们在设计过程中取的尺寸是真实尺寸的1／200，将上图的原动力装置及减速装置用一对相互啮合的齿轮代替，其中小齿轮为运动件，大齿轮为从动件，通过这对齿轮装置将电动机的高速转动转化为大齿轮的低速转动，具体的尺寸可以根据实际电机的转速来确定，实验过程中我们选用了齿数为20和60的一对齿轮，直径分别为50mm和150mm，他们的传动比为3：
1。
为了将大齿轮的运动传给下一级，我们将一根长为60mm的杆件固定在大齿轮上，一端固定在大齿轮的圆心上，再在另一端上面接下一连杆，该杆尺寸为150mm。
接下来主要是安装上图中的横连杆了，首先要确定横连杆的中间支点的坐标，以大齿轮的圆心为坐标原点，考虑到该支点过高将导致在运转过程中横连杆过多的上扬，导致机构整体高度过高，给抽油工作带来困难，支点过低可能给后面的抽油部分的布局带来困难，因此选取支点的坐标显得十分重要，经过几次试安装和比较，我们选择的支点坐标为（160mm，240mm），横连杆的长度为：
左半部分长为220mm，右半部分长为245mm，由于没有足够长的连杆我们将两根较长的连杆接成一体了，可是安装好该横连杆以后发现抽油部分的杆件不够长，需要将横连杆的输出端的高度再降低，但这样做以后整个机构会显得比较矮小，我们仿效上图中右半部分的弯头结构，决定在搭接机构横连杆的左半部分竖直方向固结一根有类似作用的连杆，使它与横连杆成约900夹角，该竖直杆的长度为78mm，可是由于安装的螺钉比连杆孔径要小一些，要将其固定安装，则导致了它们的夹角不再是900了，经测量大致为950。
最后的任务就是安装抽油部分装置了，我们用滑块的上下滑动代替了真实机构中的抽油运动，用一根长为150mm的连杆代替上图中的钢索，因此就必须为滑块的运动在竖直方向安装一条导轨，该导轨的长度应该大于滑块的行程。
由于该机构对滑块的移动速度和加速度要求比较严格，该抽油部分必须安装在横连杆右端的正下方，由此可以确定该导轨的水平方向坐标了，我们在安装的时候取的是x=400mm，这样安装工作基本结束，整个机构的简图如下图所示：
尺度综合及运动分析
下面的两个图为抽油滑块处于上下极限位置时的情况，由图上可以直接读出滑块的位移为122.44mm，极位夹角为60。
因此可以计算出抽油机实体的行程为：
急回特性为：
理论数据
因此该机构的急回特性并不明显，与设计要求的工作平稳相符合，下面是用Matlab程序计算出的抽油机实体的工作一周期内行程、速度以及加速度随时间的变化情况表（其中抽油机的工作周期为6s，即满足条件：
冲次（次／分）――10）：
时间（s）
位移（m）
速度（m/s）
加速度（m2/s）
0.0600
2.4800
-1.2629
-0.6214
0.1200
2.5546
-1.2238
-0.6795
0.1800
2.6268
-1.1816
-0.7242
0.2400
2.6964
-1.1371
-0.7569
0.3000
2.7632
-1.0910
-0.7792
0.3600
2.8273
-1.0438
-0.8260
0.4200
2.8885
-0.9960
-0.8332
0.4800
2.9468
-0.9481
-0.8341
0.5400
3.0022
-0.9002
-0.8300
0.6000
3.0548
-0.8526
-0.8222
0.6600
3.1046
-0.8056
-0.8119
0.7200
3.1515
-0.7591
-0.8000
0.7800
3.1957
-0.7133
-0.7873
0.8400
3.2371
-0.6682
-0.7745
0.9000
3.2759
-0.6237
-0.7624
0.9600
3.3120
-0.5797
-0.7514
1.0200
3.3454
-0.5362
-0.7421
1.0800
3.3763
-0.4930
-0.7347
1.1400
3.4046
-0.4501
-0.7296
1.2000
3.4303
-0.4073
-0.7271
1.2600
3.4535
-0.3644
-0.7274
1.3200
3.4741
-0.3213
-0.7309
1.3800
3.4920
-0.2777
-0.7375
1.4400
3.5074
-0.2335
-0.7475
1.5000
3.5200
-0.1885
-0.7609
1.5600
3.5300
-0.1425
-0.7779
1.6200
3.5371
-0.0953
-0.7983
1.6800
3.5414
-0.0468
-0.8221
1.7400
3.5427
0.0034
-0.8490
1.8000
3.5409
0.0552
-0.8789
1.8600
3.5360
0.1088
-0.9113
1.9200
3.5278
0.1644
-0.9456
1.9800
3.5163
0.2220
-0.9811
2.0400
3.5012
0.2816
-1.0169
2.1000
3.4824
0.3432
-1.0518
2.1600
3.4599
0.4066
-1.0847
2.2200
3.4336
0.4717
-1.1142
2.2800
3.4033
0.5381
-1.1388
2.3400
3.3690
0.6055
-1.1571
2.4000
3.3306
0.6735
-1.1675
2.4600
3.2882
0.7416
-1.1687
2.5200
3.2417
0.8092
-1.1598
2.5800
3.1911
0.8758
-1.1398
2.6400
3.1366
0.9405
-1.1083
2.7000
3.0783
1.0029
-1.0651
2.7600
3.0163
1.0623
-1.0105
2.8200
2.9509
1.1181
-0.9451
2.8800
2.8822
1.1698
-0.8697
2.9400
2.8106
1.2167
-0.7852
3.0000
2.7363
1.2586
-0.6528
3.0600
2.6597
1.2950
-0.5584
3.1200
2.5810
1.3255
-0.4589
3.1800
2.5007
1.3500
-0.3555
3.2400
2.4192
1.3681
-0.2488
3.3000
2.3367
1.3798
-0.1397
3.3600
2.2537
1.3848
-0.0287
3.4200
2.1706
1.3832
0.0835
3.4800
2.0879
1.3748
0.1964
3.5400
2.0058
1.3596
0.3096
3.6000
1.9249
1.3376
0.4225
3.6600
1.8454
1.3089
0.5347
3.7200
1.7679
1.2735
0.6459
3.7800
1.6927
1.2315
0.7555
3.8400
1.6203
1.1829
0.8633
3.9000
1.5509
1.1279
0.9687
3.9600
1.4851
1.0667
1.0714
4.0200
1.4230
0.9994
1.1710
4.0800
1.3652
0.9262
1.2671
4.1400
1.3120
0.8474
1.3592
4.2000
1.2637
0.7632
1.4470
4.2600
1.2205
0.6739
1.5298
4.3200
1.1829
0.5798
1.6071
4.3800
1.1510
0.4812
1.6783
4.4400
1.1252
0.3785
1.7425
4.5000
1.1057
0.2722
1.7990
4.5600
1.0926
0.1628
1.8465
4.6200
1.0862
0.0508
1.8840
4.6800
1.0866
-0.0630
1.9100
4.7400
1.0938
-0.1781
1.9231
4.8000
1.1079
-0.2935
1.9216
4.8600
1.1290
-0.4084
1.9041
4.9200
1.1569
-0.5217
1.8691
4.9800
1.1915
-0.6323
1.8154
5.0400
1.2327
-0.7391
1.7422
5.1000
1.2801
-0.8410
1.6492
5.1600
1.3335
-0.9367
1.5369
5.2200
1.3924
-1.0250
1.4062
5.2800
1.4563
-1.1051
1.2591
5.3400
1.5248
-1.1759
1.0984
5.4000
1.5972
-1.2367
0.9273
5.4600
1.6730
-1.2870
0.7497
5.5200
1.7515
-1.3266
0.5697
5.5800
1.8320
-1.3554
0.3915
5.6400
1.9139
-1.3737
0.2189
5.7000
1.9966
-1.3819
0.0554
5.7600
2.0795
-1.3806
-0.0959
5.8200
2.1621
-1.3706
-0.2331
5.8800
2.2439
-1.3529
-0.3545
5.9400
2.3243
-1.3284
-0.4597
6.0000
2.4032
-1.2981
-0.5484
将上面的数据用更加直观的图形可以表示如下：
由上面的数据和图表可以看出：
这与从图上读的数据相符合，同时也基本满足抽油机的行程条件。
速度和加速度的变化范围也较小，设计要求抽油机工作平稳，速度绝对值应小于2m/s，加速度绝对值应小于3m/s2，这在抽油机的设计要求范围之内，因此我们设计的抽油机的运动特性能很好的满足设计要求。
当把驴头放在右方时，结构改变为同实物一致时，我们可以同样计算出滑块的位移、速度以及加速度的数据以及画出他们随时间变化的曲线，结果如下：
时间（s）
位移（m）
速度（m/s）
加速度（m2/s）
0.0600
2.6157
-0.6652
0.0600
0.1200
2.6884
-0.7188
0.1200
0.1800
2.7585
-0.7590
0.1800
0.2400
2.8259
-0.7876
0.2400
0.3000
2.8904
-0.8374
0.3000
0.3600
2.9521
-0.8485
0.3600
0.4200
3.0108
-0.8521
0.4200
0.4800
3.0665
-0.8498
0.4800
0.5400
3.1194
-0.8430
0.5400
0.6000
3.1693
-0.8328
0.6000
0.6600
3.2163
-0.8204
0.6600
0.7200
3.2605
-0.8068
0.7200
0.7800
3.3018
-0.7926
0.7800
0.8400
3.3404
-0.7787
0.8400
0.9000
3.3763
-0.7656
0.9000
0.9600
3.4095
-0.7537
0.9600
1.0200
3.4401
-0.7436
1.0200
1.0800
3.4680
-0.7355
1.0800
1.1400
3.4934
-0.7298
1.1400
1.2000
3.5161
-0.7266
1.2000
1.2600
3.5363
-0.7262
1.2600
1.3200
3.5539
-0.7287
1.3200
1.3800
3.5689
-0.7343
1.3800
1.4400
3.5813
-0.7429
1.4400
1.5000
3.5910
-0.7547
1.5000
1.5600
3.5980
-0.7696
1.5600
1.6200
3.6022
-0.7875
1.6200
1.6800
3.6036
-0.8084
1.6800
1.7400
3.6020
-0.8319
1.7400
1.8000
3.5975
-0.8577
1.8000
1.8600
3.5899
-0.8854
1.8600
1.9200
3.5791
-0.9145
1.9200
1.9800
3.5651
-0.9442
1.9800
2.0400
3.5476
-0.9737
2.0400
2.1000
3.5267
-1.0020
2.1000
2.1600
3.5022
-1.0281
2.1600
2.2200
3.4741
-1.0508
2.2200
2.2800
3.4423
-1.0689
2.2800
2.3400
3.4066
-1.0812
2.3400
2.4000
3.3672
-1.0864
2.4000
2.4600
3.3240
-1.0835
2.4600
2.5200
3.2770
-1.0716
2.5200
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