游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),游梁式,抽油機(jī),連桿機(jī)構(gòu),尺度,優(yōu)化,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 題 目： 游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu) 尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 院 （系）： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 1 課題的意義 游梁式抽油機(jī)是國內(nèi)外石油工業(yè)的傳統(tǒng)采油方式之一，在我國石油開采中有桿抽油系統(tǒng)一直占主導(dǎo)地位。在我國各油田中，大約80%以上的油井采用有桿抽油系統(tǒng)。游梁式抽油機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、可靠性高、耐久性好、維修方便、適應(yīng)現(xiàn)場工況等優(yōu)點(diǎn)，在采油機(jī)械中占有舉足輕重的地位。 但游梁式抽油機(jī)也存在很多缺點(diǎn)，如系統(tǒng)的效率低、能耗大、抽油時(shí)間以及平衡性能差等。其中，游梁式抽油機(jī)的主要問題是能耗大，效率低。我國油田在用的常規(guī)型游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)效率較低，其平均系統(tǒng)效率僅有16%～23%。因此，有桿抽油系統(tǒng)的節(jié)能問題已成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，油田推廣應(yīng)用各種節(jié)能型抽油機(jī)、電機(jī)及電控箱，雖然這些節(jié)能產(chǎn)品的使用提高了抽油機(jī)井系統(tǒng)效率，但也隨之產(chǎn)生一些問題，如它們能否組合使用,組合使用后的節(jié)能效果是否是單個(gè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果的算術(shù)疊加等。因此，研究游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題具有非常重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。 游梁式抽油機(jī)是一種變形的四桿機(jī)構(gòu)，它是以游梁支點(diǎn)和曲軸中心連線做固定桿，以曲柄、連桿和游梁后臂為3個(gè)活動(dòng)件的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，該連桿機(jī)構(gòu)各桿件尺寸的不同組合將會(huì)直接影響抽油機(jī)的動(dòng)力性能，我們將就此連桿機(jī)構(gòu)的尺度綜合問題展開談?wù)?，在其他設(shè)計(jì)參數(shù)一定的情況下，通過優(yōu)選桿長組合來討論抽油機(jī)的重要質(zhì)量指標(biāo)——懸點(diǎn)加速度的變化情況，從而進(jìn)一步判斷抽油機(jī)的性能優(yōu)劣。 為了判斷游梁式抽油機(jī)的動(dòng)力性能優(yōu)劣，提出了游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度綜合優(yōu)選方法。建立尺度綜合的數(shù)學(xué)模型，對尺度進(jìn)行綜合的優(yōu)選。并據(jù)此對抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。根據(jù)懸點(diǎn)的系列位移、速度及加速度曲線，對抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。用最優(yōu)尺度綜合產(chǎn)生的抽油機(jī)懸點(diǎn)最大加速度曲線變化更加平穩(wěn)，峰值更??；以此設(shè)計(jì)的抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，有一定的節(jié)能效果，該方法也可用于類似四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 2 抽油機(jī)的發(fā)展方向及其節(jié)能技術(shù)的探索 2.1 抽油機(jī)的發(fā)展趨勢主要朝一下幾個(gè)方向： （1）朝著大型化方向發(fā)展 隨著世界油氣資源的不斷開發(fā)，開采油層深度逐年增加，石油含水量也不斷增加，采用大泵提液采油工藝和開采稠油等，采用大型抽油機(jī)。所以，近年來國外出現(xiàn)了許多大載荷抽油機(jī)。例如前置式氣平衡抽油機(jī)最大載荷213kN、氣囊平衡抽油機(jī)最大載荷227kN等，將來會(huì)有更大載荷抽油機(jī)出現(xiàn)。采用長沖程抽油方式，抽油效率高、抽油機(jī)壽命長、動(dòng)載小、排量穩(wěn)定，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。如法國Mape公式抽油機(jī)最大沖程10m，WGCO公司抽油機(jī)最大沖程24.38m。 （2）朝著低能耗方向發(fā)展 為了減少能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，近年來研制與應(yīng)用了許多節(jié)能型抽油機(jī)。如異相型抽油機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)、擺桿抽油機(jī)、漸開線抽油機(jī)、摩擦換向抽油機(jī)、液壓抽油機(jī)及各種節(jié)能裝置和控制裝置。 （3）朝著高適應(yīng)性方向發(fā)展 現(xiàn)在抽油機(jī)應(yīng)具備較高的適應(yīng)性，以便擴(kuò)寬使用范圍。例如適應(yīng)各種自然地理和地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件抽油的需要；適應(yīng)各種成分石油抽取的需要；適應(yīng)各種類型油井抽取的需要；適應(yīng)深井抽取的需要；適應(yīng)長沖程的需要；適應(yīng)節(jié)電的需要；適應(yīng)精確平衡的需要；適應(yīng)無電源和間歇抽取的需要；適應(yīng)優(yōu)化抽油的需要等。 （4）朝著長沖程無游梁抽油機(jī)方向發(fā)展 近年來國內(nèi)、外研制與應(yīng)用了多種類型的長沖程抽油機(jī)，其中包括增大沖程游梁抽油機(jī)，增大沖程無游梁抽油機(jī)和長沖程無游梁抽油機(jī)。實(shí)踐與理論表明，增大沖程無游梁抽油機(jī)是增大沖程抽油機(jī)的發(fā)展方向，長沖程無游梁抽油機(jī)是長沖程抽油機(jī)的發(fā)展方向。 （5）朝著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展 近年來，抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的顯著標(biāo)志是自動(dòng)化和智能化。BVKER提升系統(tǒng)公司、DELTA-X公司、APS公司等研制了自動(dòng)化抽油機(jī)，具有保護(hù)和報(bào)警功能，實(shí)時(shí)測得油井運(yùn)動(dòng)參數(shù)及時(shí)顯示與記錄，并通過進(jìn)行綜合計(jì)算分析，推得出最優(yōu)工況參數(shù)，進(jìn)一步指導(dǎo)抽油機(jī)在最優(yōu)工況抽油。NSCO公司智能抽油機(jī)采用微處理機(jī)和自適應(yīng)電子控制器進(jìn)行控制與檢測，具有抽油效率高、節(jié)電、功能多、安全可能、經(jīng)濟(jì)性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 總而言之，抽油機(jī)將朝著節(jié)能降耗并具有自動(dòng)化、智能化、長沖程、大載荷、精確平衡等方向發(fā)展。 2.2 抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)及發(fā)展情況 抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)目前主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究： （1）采用節(jié)能驅(qū)動(dòng)設(shè)備 這種方法是從研究電機(jī)的特性入手，研究開發(fā)新型的電動(dòng)機(jī)，使之與采油井井況相匹配，進(jìn)而達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)的母的，即采用高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)差率8%~13%）和超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)代替常規(guī)轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)差率小于5%）。美國Baldor電器公司生產(chǎn)的高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)可提高功率因數(shù)74%，節(jié)電22.7%；在國內(nèi)，超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)有功節(jié)電率為10.56%，綜合節(jié)電率為17.42%；還有采用同步電機(jī)、變頻器等，但因造價(jià)高，難以推廣；另外，還有采用節(jié)能配電箱來實(shí)現(xiàn)節(jié)電的。 （2）采用節(jié)能控制裝置 如DSC系列抽油機(jī)多功能程控裝置、間抽定時(shí)控制裝置。 （3）采用節(jié)能元部件 如窄V型帶帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)等。 （4）改進(jìn)平衡方式 如采用氣動(dòng)平衡或天平平衡等。 （5）改進(jìn)“三抽”系統(tǒng)部件 有采用抽油機(jī)導(dǎo)向器、空心抽油機(jī)、減振式懸繩器等部件，都可提高三抽系統(tǒng)的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的。 （6）采用高效節(jié)能泵 提高泵效，即降低了百米噸豪，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 （7）改進(jìn)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu) 這種方法主要是通過對抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改變抽油機(jī)平衡方式來改變抽油機(jī)曲柄軸凈扭矩曲線的形狀和大小，減少負(fù)扭矩，使扭矩波動(dòng)平緩，從而減小抽油機(jī)的周期載荷系數(shù)，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的。例如：美國CMI公司研究開發(fā)TORQM-ASTER異相型抽油機(jī)，其最大扭矩減小60%，節(jié)電15%~35%；美國Lufilin公司開發(fā)的MARX-2型前置式抽油機(jī)，平均節(jié)電36.8%；自20世紀(jì)80年代中后期我國油田使用最多的節(jié)能型抽油機(jī)是偏置式節(jié)能抽油機(jī)，該機(jī)系統(tǒng)效率提高3.68%，電耗下降14.87%；1991年由華北油田采油一廠開發(fā)的雙驢頭節(jié)能抽油機(jī)與常規(guī)機(jī)相比，該機(jī)的系統(tǒng)效率提高了8.22%，電耗下降24.5%。 本課題正符合抽油機(jī)的發(fā)展趨勢，通過對游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到降低配置，節(jié)省能耗目的。 3 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容 本論文設(shè)計(jì)需要解決的重點(diǎn)問題就是如何對游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整個(gè)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)合理，并能夠相應(yīng)地降低能耗。 主要包括： （1）認(rèn)真查閱、收集資料，深刻理解論文所要設(shè)計(jì)的內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上完成開題報(bào)告； （2）分析目前常規(guī)游梁式抽油機(jī)的缺點(diǎn)，提出連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化方案。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)，根據(jù)尺度優(yōu)化結(jié)果，都一種抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，得到懸點(diǎn)速度、加速度的公式，計(jì)算抽油機(jī)懸點(diǎn)動(dòng)載荷，根據(jù)研究結(jié)果說明該方法的優(yōu)越性； （4）設(shè)計(jì)該抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對主要零部件的性能進(jìn)行校核； （5）畫出裝配圖及零件圖，設(shè)計(jì)圖紙量不得少于3張0號圖； （6）按照畢業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，完成設(shè)計(jì)說明書（論文）的撰寫工作，要求設(shè)計(jì)說明書總量大于2萬字，并用計(jì)算機(jī)打??； （7）完成外文資料翻譯，要求不少于15000個(gè)印刷符號。 4 所采用的方法手段及步驟 本次設(shè)計(jì)為游梁式抽油機(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）首先了解游梁式抽油機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析目前常規(guī)游梁式抽油機(jī)的缺點(diǎn)，提出連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化方案。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)，根據(jù)尺度優(yōu)化結(jié)果，通過游梁平衡式抽油機(jī)傳動(dòng)原理的分析，推導(dǎo)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）對抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對主要零部件的性能進(jìn)行校核； （6）對抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)； （7）對游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （8）對抽油機(jī)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （9）繪制游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的裝配圖； （10）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2011年2月24日至2011年6月6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： 第一階段： 1周- 3周 熟悉論文題目，查找資料，完成開題報(bào)告和英文翻譯； 第二階段： 4周-10周 推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、抽油機(jī)結(jié)構(gòu)各零部件結(jié)構(gòu)及研究連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方案； 第三階段： 11周-14周 繪制圖紙，撰寫論文； 第四階段： 15周-16周 準(zhǔn)備答辯。 參考文獻(xiàn) [1] 張學(xué)魯.游梁式抽油機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M] .北京：石油工業(yè)出版社，2001. [2] 黃世清，周傳喜.豎游梁塔架式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析[J].石油天然氣學(xué)報(bào).2009，（1）：155-157. [3] 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. [4] 張自學(xué)，兆文清，王鋼.國內(nèi)外新型抽油機(jī)[J].北京：石油工業(yè)出版社，1994：55-59. [5] 崔旭明，高桐，閔志繽，陳平，雪松.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[J].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[J].石油和化工節(jié)能.2007(2)：4-6 [7] 鐘平，等.抽油機(jī)井高效節(jié)能技術(shù)[J].國外油田工程.2002，2：32-35. [8] 鄔亦炯.游梁式抽油機(jī)曲柄軸扭矩計(jì)算公式剖析[J].石油機(jī)械，1994，22(5)： 35-42. [9] 華劍，李傳梁.隨動(dòng)復(fù)合游梁平衡抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].石油礦場機(jī)械，2009，38(4)：13-15. [10] 王常斌，陳濤平，王江，李慶紅.游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算[J].大慶石油學(xué)報(bào)，1998，22(1)：23-25. [11] 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. [12] 萬邦烈.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. [13] 張連山.我國抽油機(jī)的發(fā)展趨勢[J].北京：石油工業(yè)出版社，1996，6：41-44. [14] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003. [15] 李繼志，陳榮振.石油鉆采機(jī)械概論[M].中國石油大學(xué)出版社，2006. [16] 鄔亦炯，劉卓鈞.抽油機(jī)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994. [17] 張建軍，李向齊，石慧寧.游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：石油工業(yè)出版社， 2005. [18] 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. [19] 薄濤.中國液壓抽油機(jī)的發(fā)展概括與技術(shù)水平[J].鉆采工藝，2002，25（2）：60-62. [20] J.A.McGeough. Advanved Methods of Machining. London New York Chapman &Hal，1988. [21] Orlov P. Fundamentalsof Machine Design. Moscow：Mir Pub.，1987. 指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 6