液壓抽油機(jī)設(shè)計(jì)
液壓抽油機(jī)設(shè)計(jì),液壓抽油機(jī)設(shè)計(jì),液壓,抽油機(jī),設(shè)計(jì)
前 言
國(guó)內(nèi)各大油田現(xiàn)以游梁式抽油機(jī)為主流,夾雜著鏈條抽油機(jī)等其他抽油機(jī)作為石油開采設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。游梁式抽油機(jī)因?yàn)橐郧瑝K機(jī)構(gòu)作為工作的主要機(jī)構(gòu),必須配以平衡重塊,而且游梁本身也十分笨重;移動(dòng)不便,制造時(shí)消耗材料較多。鏈條抽油機(jī)相對(duì)于游梁式占地面積相對(duì)小,但是其整體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了安裝與移動(dòng)的不方便。
利用液壓傳動(dòng)的相關(guān)技術(shù)可以獲得較大的輸出力,而且液壓傳動(dòng)有著傳動(dòng)不受地形的條件限制,參數(shù)調(diào)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。隨著近些年來(lái)密封與液壓技術(shù)的進(jìn)步,利用液壓力開采石油作為一種新的方法,正受到各國(guó)的關(guān)注。我國(guó)液壓抽油方法研究的起步較晚,而且中途有一段時(shí)間停滯,故相關(guān)技術(shù)不是很完善,同時(shí)可創(chuàng)新的空間也較大。
液壓抽油機(jī)省去了笨重的平衡重等重物,若設(shè)計(jì)拆裝方便,可用于野外作業(yè)故障的迅速補(bǔ)救,減少因壞損抽油機(jī)不工作耽誤時(shí)間減少產(chǎn)量的弊端;如遇工作要求調(diào)動(dòng),迅速拆裝方便運(yùn)輸,可大大提高機(jī)動(dòng)性;海上作業(yè)平臺(tái)抽油設(shè)備的運(yùn)輸相對(duì)地面大大不便,設(shè)計(jì)輕型才有設(shè)備有利于減輕船舶的運(yùn)輸負(fù)擔(dān);占地面積小,適用于密集井口的開采作業(yè),并且泵站的液壓元件,再回路上稍加調(diào)整可以對(duì)多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)力供給。
因此涉及題目綜合性較強(qiáng),引起本人興趣,故選中該課題作為畢業(yè)設(shè)計(jì),希望給自己所學(xué)知識(shí)有一個(gè)綜合的應(yīng)用的機(jī)會(huì)。
本次設(shè)計(jì)對(duì)個(gè)人學(xué)科知識(shí)要求比較綜合,涉及到液壓傳動(dòng),以及機(jī)械設(shè)計(jì),工程圖學(xué)等幾門專業(yè)知識(shí),而且國(guó)內(nèi)可參考的文獻(xiàn)非常少,缺點(diǎn)難以避免,望老師審閱后批評(píng)指教。
目 錄
前言
1. 緒論……………………………………………………………………………………………1
1.1本課題來(lái)源及研究的目的和意義……………………………………………………… 1
1.2本課題所涉及的問題在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀及分析……………………………………… 1
1.3本課題所涉及的問題在國(guó)外的研究現(xiàn)狀及分析……………………………………… 1
2. 液壓回路的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………2
2.1上行回路與下行回路基本思路的確定………………………………………………… 2
2.2最終回路圖的確定……………………………………………………………………… 3
3. 液壓元件的選用…………………………………………………………………………… 4
3.1液壓缸的選用…………………………………………………………………………… 4
3.2液壓泵的選用…………………………………………………………………………… 6
3.3蓄能器的選用…………………………………………………………………………… 7
3.4液壓回路中各元件對(duì)應(yīng)型號(hào)……………………………………………………………7
4.機(jī)械部分設(shè)計(jì)………………………………………………………………………………7
4.1 塔架部分的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………7
4.2扶正系統(tǒng)………………………………………………………………………………10
4.3液壓缸固定部分……………………………………………………………………… 10
4.4鋼絲固定……………………………………………………………………………… 11
5.安裝與找正……………………………………………………………………………… 12
6.整體效果……………………………………………………………………………… 13
致謝…………………………………………………………………………………………… 14
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 15
12 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
液壓抽油機(jī)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)說(shuō)明書
學(xué)生姓名 高澤睿
學(xué) 號(hào) 8011208112
所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 12-1
指導(dǎo)教師 廖結(jié)安
日 期 2012.5
塔里木大學(xué)教務(wù)處制
液壓抽油機(jī)設(shè)計(jì)
1緒論
1.1本課題來(lái)源及研究的目的和意義
隨著原油儲(chǔ)量日益減少,開采難度的增大,油田對(duì)新型采油方法以及采油設(shè)備的探索及構(gòu)思也在日益更新中。抽油機(jī)作為一種普及的采油設(shè)備,也在不斷的構(gòu)思和日益更新中。液壓抽油機(jī)作為近些年來(lái)迅猛發(fā)展的新型抽油設(shè)備,有著優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)備的強(qiáng)項(xiàng)。
增大載荷是本課題研究的目的之一,是在結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn),材料最省得方案下盡可能的增大其工作載荷。傳統(tǒng)的游梁抽油機(jī)雖有大載荷的特點(diǎn),但這種舊型設(shè)備體型笨重,運(yùn)輸和安裝都較為麻煩,尤其是海上平臺(tái)更是不允許過的的大質(zhì)量設(shè)備。能在質(zhì)量最輕和結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)的情況下增大工作載荷,有著方便運(yùn)輸以及滿足海上平臺(tái)開采要求的重要意義。
節(jié)能減排是本課題研究的目的之二。到1995年統(tǒng)計(jì)的游梁抽油機(jī)總數(shù)約為4萬(wàn)臺(tái),但使用期卻沒有超過5年的,如果每年需更換10%的設(shè)備,使用的鋼材金額會(huì)在1.5億元左右。首先不看使用壽命,這種舊型設(shè)備本省的鋼材用量就非常的大。液壓抽油機(jī)工作原理不是曲柄連桿機(jī)構(gòu)或者其變形,工作原理在本身結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)就省去了大量的鋼材,有著改善采油設(shè)備經(jīng)濟(jì)性的重要意義。
此外結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化方便了安裝,同時(shí)也方便了拆卸和運(yùn)輸,即故障診斷更換壞損元件也相對(duì)方便了許多。在工作上迅速的故障診斷與維修有著增加設(shè)備連續(xù)工作時(shí)間的意義。
1.2本課題所涉及的問題在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀及分析
我國(guó)開始研究液壓抽油機(jī)是從60年代開始的。
1966年北京石油學(xué)院提出“液壓泵—液壓缸”結(jié)構(gòu)的抽油機(jī),以液壓缸伸縮來(lái)完成主要工作,同時(shí)用油管做平衡重,并利用其往復(fù)運(yùn)動(dòng)增大沖程。
1987年吉林工業(yè)大學(xué)研制出YCJ-II型液壓抽油機(jī),同樣以液壓缸做驅(qū)動(dòng)。
1992年、1993年蘭州石油機(jī)械研究所、浙江大學(xué)先后以“液壓泵—液壓馬達(dá)”結(jié)構(gòu)研制出新型液壓抽油機(jī)。此后至近幾年來(lái),隨著油田開采的要求,液壓技術(shù)、密封技術(shù)的發(fā)展,液壓元件的成熟,液壓抽油機(jī)業(yè)迅速發(fā)展起來(lái)。
以下對(duì)上述幾種抽油機(jī)作簡(jiǎn)要分析:
YCJ—II型液壓抽油機(jī)直接用液壓缸的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)工作,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,比常規(guī)抽油機(jī)節(jié)能的特點(diǎn)。在遼河油田的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明其在北方冬季野外有可連續(xù)運(yùn)行的能力,其液壓與電氣系統(tǒng)亦是可行的。不足在于:安全保護(hù)措施有所欠缺,對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用不足等。
YCJ12—12—2500型滾筒式液壓抽油機(jī)利用換向閥控制液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn),以齒輪—齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng),同時(shí)采用了機(jī)械平衡方式。在液壓系統(tǒng)上彌補(bǔ)了YCJ—II型的不足,同時(shí)整機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。
功率回收型液壓抽油機(jī)利用了“變量泵—馬達(dá)”這一特殊元件,實(shí)現(xiàn)了“長(zhǎng)沖程,低沖次,大載荷”的特點(diǎn),并有安全保護(hù)功能。最重要的是它通過能量的儲(chǔ)存于轉(zhuǎn)換使功率回收,而且相當(dāng)完全,平衡也是最完美的。
1.3本課題所涉及的問題在國(guó)外的研究現(xiàn)狀及分析
國(guó)外對(duì)于液壓抽油機(jī)的研制起步較早,但由于翻譯過的外文文獻(xiàn)較少,這里只做介紹,不做詳細(xì)分析。
1961年美國(guó)Axelson公司研制出Hydrox長(zhǎng)沖程CB型液壓抽油機(jī),沖程1.2~7.95m,適井深度670~2032m,并在幾個(gè)大油田獲得成功的應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)。
1965年蘇聯(lián)研制出ArH油管平衡式液壓抽油機(jī),可分開調(diào)節(jié)上下沖程的速度,沖程長(zhǎng)度1.625~4.275m。目前,這類產(chǎn)品已形成產(chǎn)品系列。1977年加拿大研制出HEP型液壓抽油機(jī)。沖程10m,最高沖次5.0/min,懸點(diǎn)載荷34.23~195.64KN。
此后仍有不少新型液壓抽油機(jī)產(chǎn)品出現(xiàn),在國(guó)外,液壓抽油機(jī)已形成系列產(chǎn)品走向市場(chǎng),在油田作業(yè)表現(xiàn)出較高的可靠度和采油效益。
2液壓回路的設(shè)計(jì)
2.1上行回路與下行回路基本思路的確定
液壓執(zhí)行元件常用的有液壓馬達(dá)與液壓缸。
對(duì)于抽油機(jī)來(lái)說(shuō),其工作為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),液壓馬達(dá)可配合齒輪齒條機(jī)構(gòu)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程,液壓缸則較短沖程內(nèi)直接實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
因沖程為3m,故選液壓缸為執(zhí)行元件。
為充分利用液壓缸伸長(zhǎng)時(shí)的力大于收縮時(shí)的力之這一特點(diǎn),機(jī)械結(jié)構(gòu)上決定以液壓缸那個(gè)伸長(zhǎng)為上行沖程,液壓缸收縮為下行沖程,液壓回路與之對(duì)應(yīng)分別為上行回路和下行回路。
思路上參照參考文獻(xiàn)[1],由于懸點(diǎn)始終受到向下的重力,故考慮將下行回路時(shí)懸點(diǎn)下降的重力勢(shì)能回收,在上行回路時(shí)釋放幫助液壓缸的提升,減少液壓泵的排量。
圖1 上行回路
如圖,上行回路的思路基本如此,由已經(jīng)在下行回路中回收了重力勢(shì)能的蓄能器同液壓泵同時(shí)向液壓缸供油,提升懸點(diǎn)。活塞桿前端排除的油液直接回油箱,以減少阻力,減輕液壓泵的負(fù)擔(dān)。
此處,蓄能器的出口壓力必須大于等于液壓泵的出口壓力,否則將是液壓泵同時(shí)向蓄能器和液壓缸供油,適得其反。蓄能其出口壓力大小大約是選點(diǎn)最大載荷除以活塞面積,數(shù)值可暫設(shè)為液壓泵2MPa,蓄能器最低出口壓力1.5Mpa,提升懸點(diǎn)需要1MPa。
下行回路應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的回收利用,故液壓缸排除的油液暫定為全部回收到蓄能器內(nèi),而液壓泵也同時(shí)推動(dòng)活塞桿下行,,即蓄能器回收了重力勢(shì)能與液壓泵輸出的能量,避免了帶動(dòng)液壓泵的電機(jī)頻繁停轉(zhuǎn)啟動(dòng)導(dǎo)致先圈內(nèi)電流變化引起的發(fā)熱等對(duì)電動(dòng)機(jī)的不利損害,或者液壓泵直接卸載導(dǎo)致的能量浪費(fèi)。
圖2 下行回路
如此,得到了上行回路與下行回路的雛形,接下來(lái)應(yīng)添加元件,解決控制問題,以及其他可能出現(xiàn)的問題。
在上行回路中,上行回路中,壓力設(shè)定為提前文已經(jīng)提到,并作為后期計(jì)算選取元件的重要指導(dǎo)。在下行回路,由于選點(diǎn)載荷依然較大,活塞桿的下落即使無(wú)液壓泵供油也會(huì)自行發(fā)生,其速度有可能超過液壓泵供油的速度,導(dǎo)致液壓缸成為動(dòng)力元件,液壓泵成為執(zhí)行元件,即懸點(diǎn)拉著液壓泵和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn),導(dǎo)致其作負(fù)功,故有必要在液壓泵的出口設(shè)置單向裝置,必須避免選點(diǎn)拉著泵轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象,所以需要在泵的出口處加一個(gè)溢流閥。
另外為防止壓力過大損壞蓄能器,而不選取過大容積的蓄能器,故在蓄能器的出口加一個(gè)溢流閥引導(dǎo)超出蓄能器設(shè)定最大壓力的有也回油箱。
圖3 修改后的下行回路
稍作改動(dòng)后如上圖所示。
回路之間的切換,即液壓缸走向的變化,由行程開關(guān)檢測(cè),電磁換向閥控制,回路中若需要其他的換向閥,盡量統(tǒng)一使用一套行程開關(guān)以減少不必要的元件。
2.2最終回路圖的確定
在草紙上設(shè)計(jì)了4種方式的回路,經(jīng)FluidSIM液壓設(shè)計(jì)輔助軟件進(jìn)行仿真后,留下最后一套方案定稿。
圖4 FluidSIM中的液壓回路
左圖為檢測(cè)上行回路,右圖為檢測(cè)下行回路,經(jīng)軟件檢測(cè)表明,該回路設(shè)計(jì)合理,并滿足使用要求,箭頭方向?yàn)橐簤河妥呦颉?
由于軟件內(nèi)元件庫(kù)的元件如蓄能器,液壓泵(該軟件中以泵站形式表示)的圖樣不能更改,故將繪制的液壓回路圖帖于正文中,如下圖所示。
圖5 最終確定的液壓回路
三個(gè)換向閥均在左位時(shí)為上行回路,均在右位時(shí)切換至下行回路。
3液壓元件的選用
3.1液壓缸的選用:
本次設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)液壓缸做驅(qū)動(dòng)元件。
首先保證沖程為3米,即液壓缸行程為3000mm,油手冊(cè)活塞行程系列(GB/T 2349—1980)第三系列。
液壓缸可以上拉或者上推形式帶動(dòng)懸點(diǎn)上下動(dòng)作,故以兩種方法,確定液壓缸需用行程,求出數(shù)據(jù)作對(duì)比以選優(yōu)劣。
根據(jù)用途,選擇冶金設(shè)備用UY型液壓缸。
按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(液壓傳動(dòng))》表20-6-4選取工作方式,均以最長(zhǎng)行程為宗旨,以頭部法蘭式(TF)固定方式進(jìn)行計(jì)算。
上推:一段剛性固定,一段自由方式。
由,,,得出:
上拉:一段鉸接,剛性導(dǎo)向,一段剛性固定方式。
由,,,得出:
其中等尺寸在手冊(cè)表20-6-38,表20-6-41中查得。
D,d,p三個(gè)參數(shù)在表20-6-37中選取,分別以兩種方式計(jì)算在對(duì)應(yīng)情況下的液壓缸需用行程S,得下列兩表。
以上推方式的液壓缸許用行程:
p
D/d
10
12.5
16
21
25
40/28
0.2513
0.1883
0.1264
0.0665
0.0321
50/36
0.4015
0.3183
0.2364
0.1571
0.1117
63/45
0.5478
0.4446
0.3430
0.2448
0.1884
80/56
0.7265
0.6006
0.4768
0.3569
0.2882
100/70
0.9306
0.7733
0.6185
0.4686
0.3828
12590
1.3433
1.1352
0.9304
0.7323
0.6188
140/100
1.4729
1.2435
1.0179
0.7995
0.6743
160/110
1.5406
1.2977
1.0588
0.8276
0.6950
180/125
1.8007
1.5219
1.2477
0.9823
0.8301
200/140
2.0713
1.7565
1.4469
1.1473
0.9755
220/160
2.5499
2.1762
1.8085
1.4528
1.2488
250/180
2.8076
2.3913
1.9819
1.5856
1.3585
280/200
3.1309
2.6721
2.2207
1.7839
1.5336
320/220
3.2812
2.7954
2.3176
1.8551
1.5901
360/250
3.9044
3.3469
2.7983
2.2675
1.9633
400/280
4.5155
3.8861
3.2668
2.6675
2.3240
表1 以上推方式的液壓缸許用行程
以上拉方式的液壓缸許用行程:
p
D/d
10
12.5
16
21
25
40/28
0.2040
0.1788
0.1541
0.1301
0.1163
50/36
0.2767
0.2434
0.2107
0.1790
0.1608
63/45
0.3481
0.3068
0.2662
0.2269
0.2044
80/56
0.4304
0.3800
0.3305
0.2826
0.2551
100/70
0.5403
0.4773
0.4154
0.3555
0.3211
12590
0.7257
0.6425
0.5606
0.4813
0.4359
140/100
0.7992
0.7074
0.6171
0.5298
0.4797
160/110
0.8442
0.7471
0.6515
0.5590
0.5060
180/125
0.9723
0.8608
0.7511
0.6449
0.5841
200/140
1.1015
0.9756
0.8518
0.7319
0.6632
220/160
1.3170
1.1675
1.0204
0.8781
0.7965
250/180
1.4635
1.2970
1.1333
0.9748
0.8839
280/200
1.6168
1.4333
1.2528
1.0781
0.9779
320/220
1.7085
1.5142
1.3230
1.1380
1.0320
360/250
1.9749
1.7518
1.5324
1.3201
1.1984
400/280
2.2403
1.9885
1.7408
1.5011
1.3637
表2 以上拉方式的液壓缸許用行程
經(jīng)對(duì)比,選取以上推方式,缸徑280,桿徑200,在10Mpa下工作,許用行程為3.1309米的液壓缸,型號(hào)為UY TF 11 280X3000—10。
沖次為每分鐘6次,即周期為T=10s,行程h=3m,則有平均速度
懸點(diǎn)最大載荷為80kN,即上升行程負(fù)重80kN。
回程落下負(fù)重按以下公式計(jì)算:(參照參考文獻(xiàn)[1])
式中——抽油桿的落下負(fù)載
——抽油桿重力
——活塞桿以及鋼絲接頭等零件重力
——運(yùn)動(dòng)部件的慣性力
——各密封處摩擦阻力
——井下油柱液阻力
其中除去活塞桿等重力=9.02kN,其余參數(shù)直接引用文獻(xiàn)[1]中數(shù)據(jù),得=48.93kN。
3.2液壓泵的選用
已知液壓缸活塞面積615.75,桿端承壓面積301.6,周期T=10s,液壓缸的機(jī)械效率和容積效率手冊(cè)上未能查到,故取。
上升沖程,蓄能器與液壓泵同時(shí)向液壓缸注油,下降沖程,只有液壓泵向液壓缸供油。故在一個(gè)周期內(nèi),液壓缸內(nèi)進(jìn)入的液壓油體積為活塞腔最大容積與活塞桿腔最大容積之和。該體積為:(615.75300)+ (301.06300)=275043
,
允許上下沖程速度不等,但要/周期不變,有
設(shè)泵的輸出速率為X,蓄能器輸出體積為Y,又有,。
考慮到可以使用多個(gè)蓄能器并聯(lián)使用,并通過調(diào)整蓄能器工作容量時(shí)限要求,故暫設(shè)蓄能器可放出上升行程所需油液的三分之一,即蓄能器實(shí)際工作排量為。則下行回路中回收部分油液,當(dāng)壓力過大時(shí),由溢流閥排出。
解得,,X=21346.8。
則每分鐘流量為1280808,取泵轉(zhuǎn)速(電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3000r/min),容積效率0.92,得泵的排量為464ml/r,故選取A7V500型柱塞泵。
3.3蓄能器的選用
下降沖程時(shí)回收油液,液壓缸內(nèi)油液全部進(jìn)入蓄能器,當(dāng)蓄能器壓力一定時(shí),由溢流閥回油箱。
在下降沖程,重力與液壓泵對(duì)活塞的力同時(shí)作用,將油液送入蓄能器;上升沖程時(shí)懸點(diǎn)重力相對(duì)液壓泵與蓄能器的輸出為阻力。
分別計(jì)算在上升和下降沖程,就懸點(diǎn)外力對(duì)活塞面的作用力:
,
即為保障在上升沖程時(shí),蓄能器輸出油液,其出口壓力最小為。
由于蓄能器在此作“輔助油源”,則充氣壓力,并取指數(shù)K=1.4。
要求釋放油液V=61575mL。
由公式。
先設(shè),算得,故可選用NXQ1-L150/10LR型氣囊蓄能器。
考慮到釋放油液的速率,需在4.23s內(nèi)將61575mL油液全部放出,此處改為4個(gè)40L的小蓄能器,型號(hào)NXQ1-L150/10LR,用三個(gè)三通并行連接。
此處出口的溢流閥選用DT02B20,最小壓力設(shè)定為1.3MPa,在液壓泵出口處同樣安裝一個(gè)該型號(hào)的溢流閥,防止下行回路中液壓泵做負(fù)功最小壓力設(shè)定為0.8MPa。
3.4液壓回路中各元件對(duì)應(yīng)型號(hào)
元件
型號(hào)
件數(shù)
備注
液壓泵
A7V500
1
配3000r/min電動(dòng)機(jī)
液壓缸
UY TF 11 280X3000—10
1
蓄能器
NXQ1-L150/10LR
4
溢流閥
DT02B20
1
蓄能器出口壓力調(diào)至1.3MPa,液壓泵出口壓力調(diào)至0.8MPa
三位四通電磁換向閥
4WE10N10/OFW200-50-N
1
二位三通電磁換向閥
3WE10B10/OFW200-50-N
1
二位二通電磁換向閥
3WE10B10/OFW200-50-N
1
手冊(cè)總未查到相關(guān)產(chǎn)品,故用三通閥堵住一通作為二通閥用
表3 液壓元件清單
4機(jī)械部分設(shè)計(jì)
4.1 塔架部分的設(shè)計(jì)
塔架可由建筑塔吊的部件改造而來(lái),使用Q235角鋼焊接成型。
整體塔架的各個(gè)部分均用Q235型鋼焊接而成。
對(duì)塔吊塔架進(jìn)行測(cè)繪,得到實(shí)體圖后進(jìn)行有限元應(yīng)力分析,如下圖
圖6 中部塔架零件校核應(yīng)力分析
經(jīng)分析,最大應(yīng)力僅有8.63Mpa,而且應(yīng)力分布較為均勻,即材料、零件在安全范圍內(nèi),可以使用。
以下焊接零件同樣進(jìn)行分析。
圖7 底部塔架零件校核應(yīng)力分析
下部分支架應(yīng)力也遠(yuǎn)小于Q235角鋼的屈服強(qiáng)度極限。
與水泥臺(tái)地腳螺栓連接的底座部分,通過有限元分析,得知需進(jìn)行加強(qiáng)部分的焊接設(shè)計(jì),以盡量減小應(yīng)力。
圖8 底座零件校核應(yīng)力分析
左圖為初始設(shè)計(jì)未有加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)力分布情況,如右圖,加強(qiáng)后應(yīng)力分布情況得以明顯改善,最大應(yīng)力明顯降低。
4.2扶正系統(tǒng)
為保證液壓缸與水平地面的垂直度,防止在工作時(shí)因傾斜角度過大,隨工作時(shí)間的增長(zhǎng)產(chǎn)生偏磨損傷,故設(shè)計(jì)此系統(tǒng)。
由于塔架各零件均為焊接件,故加工精度不做過高要求,但誤差不會(huì)太大,故設(shè)計(jì)以下微調(diào)的方法,幫助液壓缸剛體扶正,即加工誤差在裝配中的補(bǔ)償。
圖9 扶正系統(tǒng)示意
在塔架頂端的平面設(shè)置四個(gè)下端為粗牙螺紋連接,上端為短銷定位兼連接的螺栓類零件,意義在于通過調(diào)動(dòng)4個(gè)零件的高度。調(diào)整固定液壓缸水平面相對(duì)于地面的平行程度,來(lái)保證液壓缸與水平地面的垂直程度。
圖10 定位銷零件校核應(yīng)力分析
由該零件承受載荷情況,選用40Mn鍛鋼。
圖11 配合定位銷的零件校核應(yīng)力分析
與之連接的兩個(gè)零件,由Q235角鋼與40Mn鍛鋼焊接而成,為保證相關(guān)形狀公差,制造過程為先焊接,再加工孔。由于焊接件形狀復(fù)雜,應(yīng)力分布情況也較為復(fù)雜,但仍未超出235Mpa的屈服強(qiáng)度極限。
4.3液壓缸固定部分
連接頂部法蘭與頂部部件底面的四根無(wú)縫鋼管焊接而成的連桿,其應(yīng)力也在安全范圍。
圖12 頂部連桿零件校核應(yīng)力分析
連接四根連桿的底部零件,由100*100的工字鋼焊接而成,制造時(shí)焊接上加強(qiáng)筋,其應(yīng)力情況如下。
圖13 頂部蓋板零件校核應(yīng)力分析
頂部法蘭直接連接液壓缸缸體,受力最為直接,其應(yīng)力也較大。
圖14 頂部法蘭零件校核應(yīng)力分析
在兩個(gè)臺(tái)階之間添加了R5的圓角之后,應(yīng)力情況改善如下,值得一提的是,R10的圓角時(shí),最大應(yīng)力反而變大了。
圖15 倒R5圓角后應(yīng)力改善情況
4.4鋼絲固定
圖16 頂部鋼絲固定零件
以銷軸配合于活塞桿前端,兩邊張開并打孔,穿入鋼絲。
5安裝與找正
安裝時(shí)首先在井口附近砌水泥臺(tái),盡量保證水平,然后劃線安裝地腳螺栓。待水泥凝固后,將最下端的支座安裝上,此階段需靈活處理與井口的關(guān)系,以方便接下來(lái)的塔架加高,水泥臺(tái)劃線必須注意,井口的抽油桿出口應(yīng)在中心,誤差不允許過大。
圖17 底座的固定
圖18 井口裝置與劃線位置
隨后支起2層塔架,安裝至扶正裝置,即圖9所示位置零件即可,隨后在地面安裝塔架上部分,但不安裝液壓缸。
圖19 上部分安裝情況
其目的在于,質(zhì)量尚輕,安裝拆卸較為方便。將該部件安裝于塔架上,利用法蘭盤的8個(gè)螺孔和工程線、重錘等建筑用垂直度測(cè)量設(shè)備,通過調(diào)整4個(gè)螺栓的高度,保證重錘線與井口抽油桿出口在同一直線上,螺栓上端類似銷軸,但與之配合的孔侑足夠大的間隙,
圖20 扶正裝置原理幾何解析
即如上圖所示,較大的配合間隙可以調(diào)整三角形頂點(diǎn)相對(duì)于中心垂線的位置,如次可避免因鋼絲繩拉動(dòng)方向不與地面垂直,導(dǎo)致塔架在水平方向上受力,使之整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。該誤差來(lái)自于地面水泥臺(tái)的水平程度以及機(jī)械加工時(shí)塔架自身的傾斜,但誤差不會(huì)太大,否則塔架產(chǎn)品不合格或者水泥臺(tái)需要重新搭建。
此后卸下上端的部件,安裝液壓缸,再次將上端的部件安裝于塔架上。此時(shí)圖20位置上的三角形頂點(diǎn)與抽油桿共線。法蘭盤上用于安裝螺栓的孔也是較為松動(dòng),為的是在安裝液壓缸時(shí),調(diào)整螺栓松緊,使液壓缸軸線與抽油桿垂直,放置在工作時(shí)徑向受力,造成偏磨。
因?yàn)橹亓?,以及懸點(diǎn)載荷,調(diào)整好后的系統(tǒng)不易再變動(dòng),因此在安裝時(shí)確定可行后,直到下次拆裝都不用再調(diào)整該系統(tǒng)。
6整體效果
圖21 整體效果圖
液壓元件均放置于旁邊的泵站中。
致 謝
首先感謝指導(dǎo)老師廖結(jié)安老師提出這樣一個(gè)綜合性較強(qiáng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題,并在設(shè)計(jì)過程中給予監(jiān)督與指導(dǎo)。另外同樣感謝任課老師兼班主任李宜峰老師在液壓回路設(shè)計(jì)上給予的指導(dǎo)和批評(píng),以及在大學(xué)四年中各位授課老師對(duì)本人知識(shí)的傳授。同時(shí)也感謝同樣在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)們與本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)上問題的交流探討。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科生在大學(xué)本科階段的最后一次設(shè)計(jì),是對(duì)專業(yè)知識(shí)技能綜合應(yīng)用的考驗(yàn),本人并不是優(yōu)等生,但是此次設(shè)計(jì)是盡全力完成的。相信老師們?cè)趯忛啴厴I(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)也是在尋求一種慰藉:“4年的授課總算有成效,沒有白費(fèi)”,希望老師能在本篇設(shè)計(jì)中找到這種感覺,因?yàn)榫湍壳岸砸粋€(gè)畢業(yè)生能報(bào)答老師的僅此而已。如果設(shè)計(jì)欠佳,希望老師們對(duì)本片設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤及缺點(diǎn)嚴(yán)厲批評(píng),學(xué)生會(huì)將此教導(dǎo)作為本科最后的授課,謹(jǐn)記終生。
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16
附錄1
故障診斷
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),即具有廣泛的工藝適應(yīng)性、優(yōu)良的控制性能和較低廉的成本,在各個(gè)領(lǐng)域中獲得愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。但由于客觀上元、輔件質(zhì)量不穩(wěn)定和主觀上使用、維護(hù)不當(dāng),且系統(tǒng)中各元件和工作液體都是在封閉油路內(nèi)工作,不象機(jī)械設(shè)備那樣直觀,也不象電氣設(shè)備那樣可利用各種檢測(cè)儀器方便地測(cè)量各種參數(shù),液壓設(shè)備中,僅靠有限幾個(gè)壓力表、流量計(jì)等來(lái)指示系統(tǒng)某些部位的工作參數(shù),其他參數(shù)難以測(cè)量,而且一般故障根源有許多種可能,這給液壓系統(tǒng)故障診斷帶來(lái)一定困難。
在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),由于受生產(chǎn)計(jì)劃和技術(shù)條件的制約,要求故障診斷人員準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便和高效地診斷出液壓設(shè)備的故障;要求維修人員利用現(xiàn)有的信息和現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)條件,盡可能減少拆裝工作量,節(jié)省維修工時(shí)和費(fèi)用,用最簡(jiǎn)便的技術(shù)手段,在盡可能短的時(shí)間內(nèi),準(zhǔn)確地找出故障部位和發(fā)生故障的原因并加以修理,使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行,并力求今后不再發(fā)生同樣故障。
液壓系統(tǒng)故障診斷的一般原則
正確分析故障是排除故障的前提,系統(tǒng)故障大部分并非突然發(fā)生,發(fā)生前總有預(yù)兆,當(dāng)預(yù)兆發(fā)展到一定程度即產(chǎn)生故障。引起故障的原因是多種多樣的,并無(wú)固定規(guī)律可尋。統(tǒng)計(jì)表明,液壓系統(tǒng)發(fā)生的故障約90%是由于使用管理不善所致為了快速、準(zhǔn)確、方便地診斷故障,必須充分認(rèn)識(shí)液壓故障的特征和規(guī)律,這是故障診斷的基礎(chǔ)。
以下原則在故障診斷中值得遵循
(1)首先判明液壓系統(tǒng)的工作條件和外圍環(huán)境是否正常需首先搞清是設(shè)備機(jī)械部分或電器控制部分故障,還是液壓系統(tǒng)本身的故障,同時(shí)查清液壓系統(tǒng)的各種條件是否符合正常運(yùn)行的要求。
(2)區(qū)域判斷根據(jù)故障現(xiàn)象和特征確定與該故障有關(guān)的區(qū)域,逐步縮小發(fā)生故障的范圍,檢測(cè)此區(qū)域內(nèi)的元件情況,分析發(fā)生原因,最終找出故障的具體所在。
(3)掌握故障種類進(jìn)行綜合分析根據(jù)故障最終的現(xiàn)象,逐步深入找出多種直接的或間接的可能原因,為避免盲目性,必須根據(jù)系統(tǒng)基本原理,進(jìn)行綜合分析、邏輯判斷,減少懷疑對(duì)象逐步逼近,最終找出故障部位。
(4)驗(yàn)證可能故障原因時(shí),一般從最可能的故障原因或最易檢驗(yàn)的地方開始,這樣可減少裝拆工作量,提高診斷速度。
(5)故障診斷是建立在運(yùn)行記錄及某些系統(tǒng)參數(shù)基礎(chǔ)之上的。建立系統(tǒng)運(yùn)行記錄,這是預(yù)防、發(fā)現(xiàn)和處理故障的科學(xué)依據(jù);建立設(shè)備運(yùn)行故障分析表,它是使用經(jīng)驗(yàn)的高度概括總結(jié),有助于對(duì)故障現(xiàn)象迅速做出判斷;具備一定檢測(cè)手段,可對(duì)故障做出準(zhǔn)確的定量分析。
故障診斷方法
日常查找液壓系統(tǒng)故障的傳統(tǒng)方法是邏輯分析逐步逼近斷。
基本思路是綜合分析、條件判斷。即維修人員通過觀察、聽、觸摸和簡(jiǎn)單的測(cè)試以及對(duì)液壓系統(tǒng)的理解,憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷故障發(fā)生的原因。當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),故障根源有許多種可能。采用邏輯代數(shù)方法,將可能故障原因列表,然后根據(jù)先易后難原則逐一進(jìn)行邏輯判斷,逐項(xiàng)逼近,最終找出故障原因和引起故障的具體條件。
故障診斷過程中要求維修人員具有液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)和較強(qiáng)的分析能力,方可保證診斷的效率和準(zhǔn)確性。但診斷過程較繁瑣,須經(jīng)過大量的檢查,驗(yàn)證工作,而且只能是定性地分析,診斷的故障原因不夠準(zhǔn)確。為減少系統(tǒng)故障檢測(cè)的盲目性和經(jīng)驗(yàn)性以及拆裝工作量,傳統(tǒng)的故障診斷方法已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的要求。隨著液壓系統(tǒng)向大型化、連續(xù)生產(chǎn)、自動(dòng)控制方向發(fā)展,又出現(xiàn)了多種現(xiàn)代故障診斷方法。如鐵譜技斷,可從油液中分離出來(lái)的各種磨粒的數(shù)量、形狀、尺寸、成分以及分布規(guī)律等情況,及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷出系統(tǒng)中元件的磨損部位、形式、程度等。而且可對(duì)液壓油進(jìn)行定量的污染分析和評(píng)價(jià),做到在線檢測(cè)和故障預(yù)防。
基于人工智能的專家診斷系斷,它通過計(jì)算機(jī)模仿在某一領(lǐng)域內(nèi)有經(jīng)驗(yàn)專家解決問題的方法。將故障現(xiàn)象通過人機(jī)接口輸入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的現(xiàn)象以及知識(shí)庫(kù)中的知識(shí),可推算出引起故障的原因,然后通過人機(jī)接口輸出該原因,并提出維修方案或預(yù)防措施。這些方法給液壓系統(tǒng)故障診斷帶來(lái)廣闊的前景,給液壓系統(tǒng)故障診斷自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。但這些方法大都需要昂貴的檢測(cè)設(shè)備和復(fù)雜的傳感控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng),有些方法研究起來(lái)有一定困難,一般情況下不適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)推廣使用。下面介紹一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的液壓系統(tǒng)故障診斷方法。
基于參數(shù)測(cè)量的故障診斷系統(tǒng)
一個(gè)液壓系統(tǒng)工作是否正常,關(guān)鍵取決于兩個(gè)主要工作參數(shù)即壓力和流量是否處于正常的工作狀態(tài),以及系統(tǒng)溫度和執(zhí)行器速度等參數(shù)的正常與否。液壓系統(tǒng)的故障現(xiàn)象是各種各樣的,故障原因也是多種因素的綜合。同一因素可能造成不同的故障現(xiàn)象,而同一故障又可能對(duì)應(yīng)著多種不同原因。例如:油液的污染可能造成液壓系統(tǒng)壓力、流量或方向等各方面的故障,這給液壓系統(tǒng)故障診斷帶來(lái)極大困難。
參數(shù)測(cè)量法診斷故障的思路是這樣的,任何液壓系統(tǒng)工作正常時(shí),系統(tǒng)參數(shù)都工作在設(shè)計(jì)和設(shè)定值附近,工作中如果這些參數(shù)偏離了預(yù)定值,則系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)故障或有可能出現(xiàn)故障。即液壓系統(tǒng)產(chǎn)生故障的實(shí)質(zhì)就是系統(tǒng)工作參數(shù)的異常變化。因此當(dāng)液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),必然是系統(tǒng)中某個(gè)元件或某些元件有故障,進(jìn)一步可斷定回路中某一點(diǎn)或某幾點(diǎn)的參數(shù)已偏離了預(yù)定值。這說(shuō)明如果液壓回路中某點(diǎn)的工作參數(shù)不正常,則系統(tǒng)已發(fā)生了故障或可能發(fā)生了故障,需維修人員馬上進(jìn)行處理。這樣在參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)上,再結(jié)合邏輯分析法,即可快速、準(zhǔn)確地找出故障所在。參數(shù)測(cè)量法不僅可以診斷系統(tǒng)故障,而且還能預(yù)報(bào)可能發(fā)生的故障,并且這種預(yù)報(bào)和診斷都是定量的,大大提高了診斷的速度和準(zhǔn)確性。這種檢測(cè)為直接測(cè)量,檢測(cè)速度快,誤差小,檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單,便于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)推廣使用。適合于任何液壓系統(tǒng)的檢測(cè)。測(cè)量時(shí),既不需停機(jī),又不損壞液壓系統(tǒng),幾乎可以對(duì)系統(tǒng)中任何部位進(jìn)行檢測(cè),不但可診斷已有故障,而且可進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)潛在故障。
附錄2
Fault diagnosis
Hydraulic driving system because of its unique advantages, that is, has wide adaptability, good process control performance and relatively low cost, get more and more widely used in various fields. But because objectively yuan, auxiliary parts quality is not stable, and the subjective improper use, maintenance, and the components and working fluid in the system are within the closed oil circuit work, not as intuitive as machinery and equipment, also don't like electric equipment, can use various instrumentation easily measure various parameters, hydraulic equipment, only by a few to indicate that the system pressure gauge, such as some parts of the working parameters, other parameters are difficult to measure, and generally there are many possible fault source, which brings certain difficulty for the hydraulic system fault diagnosis.
At the scene of the production, due to the restriction of the production plan and technical conditions, the required fault diagnosis is accurate, simple and efficient fault diagnosis of hydraulic equipment; For maintenance personnel use of existing information and the scene of the technical conditions, as far as possible reduce the mounting workload, save time and cost of maintenance, with the most simple technology, in the shortest possible time, accurately find out the cause of the failure positions and failure and repair, make the system back to normal operation, and strive to the same failure will not happen in the future.
The general principles of the hydraulic system fault diagnosis
Correct analysis of the fault is the precondition of troubleshooting, most system failure, not sudden, before always have omen, when developing to a certain extent the failure omen. The cause of failure is various, there is no fixed rule can be found. Statistics show that the fault of hydraulic system of about 90% is caused due to poor management in order to conveniently, quickly and accurately diagnose faults, must fully recognize the characteristics and law of hydraulic fault, which is the basis of fault diagnosis.
The following principles in the fault diagnosis is worth following
(1) the first identifies the working conditions of the hydraulic system and the peripheral environment is normal need to first find out the mechanical parts of the equipment or the electric controlling part failure, or the fault of hydraulic system itself, at the same time find out whether the various conditions of hydraulic system in line with the requirements of normal operation.
(2) the judgment according to the fault phenomenon and the characteristics of certain areas related to the fault zone, gradually narrowing the scope of the failure detection element in this area, analysis of the causes, finally find out the specific fault.
(3) master fault types according to the phenomenon of failure in the end, make a comprehensive analysis step by step further to find the possible causes of a variety of directly or indirectly, to avoid blindness, must be based on the basic principle of the system, carries on the comprehensive analysis, logic, reduce suspicion gradually approaching, finally find out the fault position.
(4) validation may be the cause of the problem, from the most likely the cause of the problem or the most easily inspection place, so can reduce the workload, installation to improve diagnostic rate.
(5) fault diagnosis is based on the operation records and some system parameters. Set up a system running records, this is the scientific basis for the prevention, detection and troubleshooting; Set up equipment operation fault analysis table, it is the use of the height of the experience summarization, helps to quickly judge the problem; Have a certain detection means, can make a accurate quantitative analysis of the fault.
Fault diagnosis methods
Daily for hydraulic system fault is the traditional way of logic analysis approach.
The basic idea is comprehensive analysis, the condition judgment. The maintenance personnel by watching, listening, touching, and simple test and the understanding of the hydraulic system, from experience to determine the cause of the failure. When the hydraulic system failure, there are many possible fault source. Using logic algebra method, may be the cause of the problem list, and then one by one according to "after the first difficult logic, item by item, approximation, finally find out the cause of the problem and cause of failure of the specific conditions.
For maintenance personnel in the process of fault diagnosis has a basic knowledge of hydraulic system and strong analytical ability, can guarantee the diagnosis efficiency and accuracy. But the diagnosis process trival, must pass a large number of inspection, validation, and can only be qualitatively analyzed, the diagnosis of the cause of the problem is not enough accurate. To reduce the blindness of system fault detection and empirical and disassembling workload, the traditional fault diagnosis method has far cannot satisfy the requirements of modern hydraulic system. As the hydraulic system to develop in the direction of large-scale, continuous production, automatic control, appeared a variety of modern fault diagnosis method. Such as iron spectrum technology, can be separated from the oil of various grinding grain quantity, shape, size, composition and distribution rule, and so on and so forth, timely, accurately judge the degree of wear parts of the system components, form, etc. But also to the hydraulic oil pollution of quantitative analysis and evaluation, the online detection and fault prevention.
Based on artificial intelligence expert diagnosis system is broken, it through the computer imitation in there were experienced experts in the field of the method to solve the problem. Input fault phenomenon through the man-machine interface to computer, the phenomenon of computer according to the input as well as the knowledge in knowledge base, the causes of failure can be calculated, and then through the man-machine interface and output the reasons, and maintenance plans or preventive measures are put forward. Hydraulic system fault diagnosis method for such broad prospects, has laid a solid foundation of hydraulic system fault diagnosis automation. But most of these methods need expensive testing equipment and sophisticated sensing control system and computer processing system, some methods have some difficult, under normal circumstances is not suitable for field use. Here is a simple and practical method of hydraulic system fault diagnosis.
The fault diagnosis system based on parameter measurement
A hydraulic system work is normal, the key depends on two main working parameters namely whether the pressure and flow rate is in normal working condition, as well as the system parameters such as temperature and speed of actuator is normal or not. Hydraulic system failure phenomenon is various, the cause of the problem is also a combination of many kinds of factors. The same factors may lead to different fault phenomena, and the same fault may correspond to a variety of different reasons. For example: oil pollution may cause hydraulic system pressure, the flow or direction and so on various aspects of fault, which brings great difficulties to the hydraulic system fault diagnosis.
Method for measuring the parameters of the thinking of troubleshooting is that any of the hydraulic system working properly, the system parameters in the design and near the set value, the work if these parameters deviated from the target value, then the system will fail or likely to fail. The essence of a hydraulic system failure is the system working parameters changes. So when the hydraulic system failure occurs, is a certain element or some element has a fault in the system, further can be concluded that a point or some parameters in circuit has deviated from the target value. This shows that if the working parameters of hydraulic loop some point is not normal, then the system fault or failure may have happened to have occurred, to maintenance personnel immediately for processing. So on the basis of parameter measurement, and then combined with logic analysis, can quickly and accurately find the malfunction. Parameter measurement method can not only fault diagnosis system, but also can forecast the possibility of failure, and the prediction and diagnosis are quantitative, greatly improving the speed and accuracy of diagnosis. The test for direct measurement, detection speed, small error, detection equipment is simple, easy to use at the scene of the production. Suitable for any hydraulic system. Measurement, without downtime, and no damage to the hydraulic system, can almost any part of system testing, not only can diagnose has fault, and online monitoring, forecast the potential fault can be performed.
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