2022年抽油机机械设计课程设计报告.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 机械设计课程设计报告抽油机机械系统设计作三一节者节承方的设：计任毛务算燕目录节第-1 第二轴案设计分析-2 第节选择及寿命计-17 第四节节设计结录果-22 第五节心得体会-23 第六附-25 第一设计任务抽油机是将原油从井下举升到地面的主要采油设备之一,常用的有杆抽油设备有三部分组 成：一是地面驱动设备即抽油机；二是井下的抽油泵,它悬挂在油井油管的下端；三是抽 油杆,它将地面设备的运动和动力传递给井下抽油泵；抽油机由电动机驱动,经减速传动 系统和执行系统（将转动变转为往复移动）带动抽油杆及抽油泵柱塞作上下往复移动,从而实现将原油从井下举升到地

2、面的目的；图11 假设电动机做匀速转动,抽油机的运动周期为T,抽油杆的上冲程时间与下冲程时间相等；冲程 S=1.4m,冲次 n 11 次/min,上冲程由于举升原油,作用于悬点的载荷等于原油的重量加上抽油杆和柱塞自身的重量为40kN ,下冲程原油已释放,作用于悬点的载荷就等于抽油杆和柱塞自身的重量为15kN；要求： 依据任务要求,进行抽油机机械系统总体方案设计,确定减速传动系统、执行系统的组成,绘制系统方案示意图； 依据设计参数和设计要求,采纳优化算法进行执行系统（执行机构）的运动尺寸设计,优化目标为抽油杆上冲程悬点加速度为最小,并应使执行系统具有较好的传力性能；名师归纳总结 - - - -

3、- - -第 1 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 建立执行系统输入、输出（悬点）之间的位移、速度和加速度关系,并编程进行数值计算,绘制一个周期内悬点位移、速度和加速度线图（取抽油杆最低位置作为机构零位）； 挑选电机型号,安排减速传动系统中各级传动的 传动比,并进行传动机构的工作才能设计 计 算； 对 抽 油 机 机 械 系 统 进 行 结 构 设 计 , 绘 制 装 配 图 及 关 键 零 件 工 作 图 ；第 二 节 方 案 设 计 分 析一 . 抽 油 机 机 械 系 统 总 体 方 案 设 计依据抽油机功率大,冲次小,传动比大等特点,初步打算采纳以下总体

4、方案,如框图所示2：图1 1. 2执行系统方案设计图2 图23 由于执行机构是将连续的单向转动转化为往复移动,所以采纳四连杆式执行机构,简洁示意 如 图 22 所 示P 点 表 示 悬 点 位 置；AB 杆 表 示 输 入 端 , 与 减 速 器 输 出 端 相 连 , 逆 时 针 方 向 旋 转 ；CD 表 示 输 出 端；AD 表 示 机 架；e 为 悬 臂 长 度,通 常 取 e/c=1.35；行程 S 等于 CD 相对于 AD 转过的角度与 e 的乘积；抽油杆上冲程时间与下冲程时间相等,即上冲程曲柄转角与下冲程曲柄转角相等,0º；,属 于 III 型 曲 柄 摇 杆 机 构 .

5、 为 了 研 究 方 便 , 将 机 架 旋 转 至 水 平 位 置 ,如 图 23 所 示 ；图中 c1,c2 位置分别表示悬点的最高和最低位置；行程,从图中可以看出以下关名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 系：取为设计变量,根据工程需求：所 以, 始 终 满 足 最 小 传 动 角的 要 求 ；由 于 是 III 型 曲 柄 摇 杆 机 构,故 有优化运算方法：在限定范畴内取,运算 c,a,b,d,得曲柄摇杆机构各构件尺寸,取抽油杆最低位置为机构零位：曲柄转角,求上冲程曲柄转过某一角度时,摇杆摆角,角速度和角加速

6、度,悬点加速度 ac=1.35c ,找出上冲程过程中的悬点最大加速度 ,最终在全部的最大加速度中找出最小者,它所对应的机构尺寸极为最优者；详细过程如下：采纳网格法进行优化,按增量 划分网格,网格交 点 作 为 计 算 点；如 图 24 所 示；图 24 图 25 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在图 25 所示的铰链四杆机构ABCD 看作一封闭矢量多边形,如以a,b,c,d 分别表示各构件 的 矢 量 , 该 机 构 的 矢 量 方 程 式 为a+b=c+d, 以 复 数 形 式 表 示 为（*）规 定 角程以x

7、轴 的 正 向 逆 时 针 方 向 度 量 ； 按 欧 拉 公 式 展 开 得按方式的实部和虚部分别相等,即,消用万能公式去以及根据该机构装配特点,得利,得从而可得将 式 （ * ） 对 时 间 求 导 数 得（ # ）消去,取实部得将 式 （ # ） 对 时 间 求 导 数 得消去,取实部得；又悬点的位移表达式为s=e（+arcos） ,速度表达式为v=e,加速度表达式为名师归纳总结 ac=e；第 4 页,共 25 页由于存在初始角,所以要加上一个角度为arccosb/d,即=+ arccosb/d. 从 0开头到360；接下来采纳Matlab 软件进行编程运算和画图,详细程序在附录中；其中

8、通过机构优化设计程序运行得到结果为：最小值=1.2141m/,a=0.505m,b= 2.112m, c=1.320m, d= 2.439m - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 通 过 求悬 点 上冲 程 中 最大 速 度的 程 序 运 行 得 到结 果 为 ：最 大 速 度 =0.7954 m/s 2. 总 体 传 动 方 案初 步 确 定 传 动 系 统 总 体 方 案 如 图 26 所 示；选 择 V 带 传 动 和 二 级 圆 柱 斜 齿 轮 减 速 器 （ 展 开 式 ） ； 传 动 装 置 的 总 效 率 0.94 0.98 0.98 0.9

9、8 0.990.867； 为 V 带的效率, 为第一对轴承的效率, 为其次对轴承的效率, 为第三对轴承的效 率 , 为 每 对 齿 轮 啮 合 传 动 的 效 率 （ 齿 轮 为 6 级 精 度 , 稀 油 润 滑 ） ；图 26 名师归纳总结 3.电动机的选择第 5 页,共 25 页电 动 机 所 需 工 作 功 率 为 ：P P/ 35.351/0.867 40.77 kW 执行机构的曲柄转速为n11r/min ,经查表按举荐的传动比合理范畴,V 带传动的传动比i 24,二级圆柱斜齿轮减速器传动比i840,就总传动比合理范畴为i 16160,电动机转速的可选范畴为nin（ 16160）11

10、1761760r/min ；综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比,选定型号为Y2 280S6 的三相异步电动机,额定功率为45kW ,额定电流85.9A ,满载转速n980 r/min ,同步转速1000r/min ；4.传动装置的总传动比和传动比分配（1）总传动比由选定的电动机满载转速n和工作机主动轴转速n,可得传动装置总传动比为in/n980/1189.091 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - （2）传动装置传动比分配名师归纳总结 i i i式 中i, i分 别 为 带 传 动 和 减 速 器 的 传 动 比 ；第 6

11、 页,共 25 页为使 V 带传动外廓尺寸不致过大,初步取i 3.61 ,就减速器传动比为i i/ i89.091/3.6124.679 ；依据各原就,查图得高速级传动比为i6.3 ,就 ii/ i3.92 5.传动装置运动和动力参数的计算（1）各轴转速nn/ i980/3.61271.47r/min nn/ i271.47/6.343.09 r/min nn/ （i i）11 r/min （2）各轴输入功率PP 40.77 0.9442.3 kW PP 42.3 0.98 0.9941.04 kW PP 41.04 0.98 0.9939.82 kW （3）各轴输入转矩轴T9550 P/ n

12、=9550 42.3/271.47=1.488 kN m轴T9550 P/ n=9550 41.04/43.09=9.096 kN m轴T9550 P/ n=9550 39.82/11=34.5 kN m.带传动的设计确定计算功率式中为工作情形系数,为电机输出功率选择带型号根据,查图初步选用型带选取带轮基准直径查表选取小带轮基准 直径,就大带轮基准直径- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 式中为带的滑动率,通常取图（1%中2%基）,查表后取验算带速v 在m/s 范畴内,带充分发挥确定心；距a和带的基准长度在选取型带的范 围 内 , 初 定 中 心 距, 所

13、 以 带 长查准长度,得实际中心距取验算小带轮包角, 包 角 合适确定v带根；数z 因,带速,传动比i=3.61,查表得单根v 带所能传递的功率,功率增量,包角修正系数,带长修正系数, 就 由 公 式 得名师归纳总结 故选定6带的根初拉带力；第 7 页,共 25 页确- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 单根普通带张紧后的初拉力为计算带轮所受压力利用公式详细带与带轮的主要参数见图 27 图 27 一.）齿高齿速轮齿的传设的计设及计计算（级轮动计算轮材料,热处理精度考 虑 此 减 速 器 的 功 率 及 现 场 安 装 的 限 制 , 故 大 小 齿 轮 都

14、 选 用 硬 齿 面 渐 开 线 斜 齿 轮（1）齿 轮 材 料 及 热 处 理大小齿轮材料为 20CrMnTi；齿面渗碳淬火,齿面硬度为 5862HRC,有效硬化层深 0.5 0.9mm； 经 查 图 , 取 1500MPa, 500Mpa；（2）齿 轮 精 度按 GB/T100951998,选 择 级,齿 根 喷 丸 强 化；初 步 设 计 齿 轮 传 动 的 主 要 尺 寸由于硬齿面齿轮传动,具有较强的齿面抗点蚀才能,故先按齿根弯曲疲惫强度设计,再校名师归纳总结 核1持计面小接轮传触递的疲转矩劳强度；第 8 页,共 25 页（）算齿kN m- - - - - - -精选学习资料 - -

15、- - - - - - - （2）确定齿数z 因 为 是 硬 齿 面 , 故 取zu 19 , z/ i5 z 6.3 19 120 传动比误差izz120/196.316 i0.25,允许（3）初 选 齿 宽 系 数按 非 对 称 布 置,由 表 查 得0.6 （4）初 选 螺 旋 角初 定 螺 旋 角15（5）载 荷 系 数 K 使 用 系 数 K 工 作 机 轻 微 冲 击 , 原 动 机 均 匀 平 稳 , 所 以 查 表 得 K 1.25 动 载 荷 系 数 K 估 计 齿 轮 圆 周 速 度 v 0.75m/s 查 图 得 K 1.01 ；齿向载荷分布系数 K 预估齿宽 b40mm

16、 查图得 K1.17 ,初取 b/h 6,再查 图 得 K1.13 齿 间 载 荷 分 配 系 数 查 表 得 KK1.1 载 荷 系 数 K K K K K =1.25 1.01 1.1 1.131.57 （6）齿 形 系 数 Y 和 应 力 修 正 系 数 Y当 量 齿 数 zz /cos19/ cos21.08 zz /cos120/ cos133.15 查 图 得 Y2.8 Y2.17 Y1.56 Y1.82 （7）重 合 度 系 数 Y端面重合度近似为【 1.88- 3.2 （）】 cos【 1.88 3.2 （ 1/19 名师归纳总结 1/120）】 cos151.63 第 9 页

17、,共 25 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - arctg（ tg/cos） arctg（ tg20/cos15） 20.6469014.07609因 为/cos, 就 重 合 度 系 数 为 Y 0.25+0.75 cos / 0.696 （8）螺 旋 角 系 数 Y轴 向 重 合 度1.024, 取 为 1 Y10.878 （9）许 用 弯 曲 应 力安 全 系 数 由 表 查 得 S1.25 工 作 寿 命 两 班 制,7 年,每 年 工 作 300 天小 齿 轮 应 力 循 环 次 数 N1 60nkt 60 271.47 1 7 300 2

18、8 5.473 10大 齿 轮 应 力 循 环 次 数 N2 N1/u 5.473 10 /6.316 0.866 10查图得寿命系数 , ；试验齿轮的应力修正系数 , 查图取 尺 寸 系 数许 用 弯 曲 应 力比较, 取10 按GB/T1357-1987圆计整为标算模数,模取数准名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 11初算主要尺寸初算中心距,取a=355mm 修正螺旋角分度圆直径,取, 齿 宽齿宽系数12周验速算度载荷系数圆查图因Y得,查得,第二,按,又,查得=0.688； 从 而 得就K 1.6, 又=0.9

19、30 , Y满足齿根弯曲疲劳强度；（二）对轴承齿 轮 减 速 器 低 速 级 传 递 的 转 矩名师归纳总结 具轮体的受周力情况受见力图分32 第 11 页,共 25 页（1）轴II析齿圆力- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 齿轮的径向力齿轮的轴向力的,支反力（2）计算轴上经计算得垂直面内的校载核水平面内（3）轴承初选轴承型号为32928 轻微冲击,查表得冲击载荷系数计算轴承A受的径向力力轴向轴承B受的径向力计算附加查表得3000型轴承附加轴向力就轴 承A , 轴 承B 荷承向计算轴所受轴由于,即B轴承放松A轴承压紧由此得e=0.36,当量载荷计算轴承A

20、 就承B e=0.36, 轴就名师归纳总结 轴承寿命计算第 12 页,共 25 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 因,按轴承 A 运算图 32 （轮三受）力第情力三况受对力轴承具体见图33 （1）周轴向III分析齿的圆力齿轮的径名师归纳总结 齿计轮的计轴向力上的支校反力第 13 页,共 25 页（2）直算轴承经算得垂面内水平面内的核（3）轴初微选击轴查承型击号为数32938 轻冲,表得冲载荷系计算轴承A受的径向力- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 轴承B受的径向力计3000算附加B 轴力向载压力查表得型轴承附加

21、轴向就轴 承A , 轴 承荷算轴承轴向计所受由于A ,即B轴承放松,A轴承紧由此得当量载荷计算e=0.48,轴承就承B e=0.48, 轴就轴承寿命计算因,按轴承 B 运算图 33 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四节 设计结果1. 最终实际传动比 iV带高速级齿轮n低速级齿轮3.61 6.316 3.909 2. 各轴转速r/min r/min r/min 271.47 42.98 11 3. 各轴输入功率 P（kW）（kW）（kW）42.3 41.04 39.82 4. 各轴输入转矩 TkN mkN mk

22、N m1.488 9.096 34.57 5. 带轮主要参数小轮直径大轮直径中心距 a（mm）基准长度带的根数 z （mm）（mm）（ mm）名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 280 1000 1451 5000 6 6高、低速级齿轮参数名称高速级低速级名师归纳总结 中心距 amm 355 500 第 16 页,共 25 页法面摸数mm 5 6 螺旋角（ ）11 79836 1359049 旋小齿轮左右向大齿轮右左齿19 33 数120 129 分度圆（mm）97.050 203.704 直径mm 612.950

23、 796.296 齿顶圆（mm）107.050 215.704 直径mm 622.950 808.296 188.704 齿根圆mm 84.550 直径mm 600.450 781.296 齿（mm） 60 130 宽（mm）54 124 齿轮等级精度 6 6 材料及热处理20CrMnTi,齿面渗碳淬火,齿面硬度 5862HRC 45 钢,调质后淬火,第五节心得体会, 我遇到了很多困经过一个月的努力, 我最终将机械设计课程设计做完了. 在这次作业过程中- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 难, 一遍又一遍的运算 , 一次又一次的设计方案修改这都暴露出了前期

24、我在这方面的学问欠缺和经验不足 . 刚开头在机构设计时 , 由于对 Matlab 软件的基本操作和编程把握得仍可以 , 不到半天就将全部需要使用的程序调试好了 . 可是我从不同的机架位置得出了不同的结果 , 令我特别苦恼 . 后来在钱老师的指导下 , 我找到了问题所在之处 , 将之解决了 . 同时我仍对四连杆机构的运动分析有了更进一步的明白 . 在传动系统的设计时 , 面对功率大 , 传动比也大的情形 , 我一时不知道究竟该采纳何种减速装置 . 最初我选用带传动和蜗杆齿轮减速器 , 经过运算 , 发觉蜗轮尺寸过大 , 所以只能从头再来 . 这次我吸取了盲目运算的教训 , 在动笔之前 , 先征求

25、了钱老师的看法 , 然后打算采纳带传动和二级圆柱齿轮减速器 , 也就是我的最终设计方案 . 至于画装配图和零件图 , 由于前期运算比较充分 ,整个过程用时不到一周 , 在此期间 , 我仍得到了很多同学和老师的帮忙 . 在此我要向他们表示最诚挚的谢意 . 整个作业过程中 , 我遇到的最大 , 最痛楚的事是最终的文档 . 一来自己没有电脑 , 用起来很不便利；最厌恶的是在此期间 , 一种电脑病毒”Word 杀手” 四处泛滥 , 将我辛辛苦苦打了几天的文档全部毁了 . 那么多的公式 , 那么多文字就这样在片刻消逝了 , 当时我真是痛楚得要命 . 尽管这次作业的时间是漫长的 , 过程是曲折的 , 但我

26、的收成仍是很大的 . 不仅仅把握了四连杆执行机构和带传动以及齿轮 , 蜗杆传动机构的设计步骤与方法；也不仅仅对制图有了更进一步的把握； Matlab 和 Auto CAD ,Word 这些仅仅是工具软件 , 娴熟把握也是必需的 . 对我来说 , 收成最大的是方法和才能 . 那些分析和解决问题的方法与才能 . 在整个过程中 , 我发觉像我们这些同学最最缺少的是体会 , 没有感性的熟悉 , 空有理论学问 , 有些东西很可能与实际脱节 . 总体来说 , 我觉得做这种类型的作业对我们的帮忙仍是很大的 , 它需要我们将学过的相关学问都系统地联系起来 ,从中暴露出自身的不足 , 以待改进 . 有时候 ,

27、一个人的力气是有限的 , 合众人聪明 , 我信任我们的作品 会 更 完 美 . 毛 燕 02001504 2004年附录9月18日第一节一.Matlab度和加速程程序序求悬点的位移,速度表达式的：syms a b c ；d a1 w1 A=d-a*cosa1；B=-a*sina1C=A2+B2+c2-b2/2*c；a3=2*atanB+sqrtA2+B2-C2/A-C；a2=atanB+c*sina3/A+c*cosa3；w3=w1*a*sina1-a2/c*sina3-a2；w2=-w1*a*sina1-a3/b*sina2-a3；s=1.35*c*a3+acosc2-a2-a*b/d*c-

28、pi 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - v=1.35*c*w3 ac=1.35*c*b*w22+a*w12*cosa1-a2-c*w32*cosa3-a2/c*sina3-a2 机构优化设计程序：function myyouhua F=45:0.1:55；YH=inf,0,0,0,0；for i=1:lengthF q=Fi*pi/180；c=1.4/1.35*q；a=c*sinq/2；K=1.1*c:0.001:1.6*c；for j=1:lengthK b=Kj；d=sqrtb2+c2-a2；P=0:0.5:

29、180；m=0；for t=1:lengthP a1=Pt*pi/180；a1=a1+acosb/d；w1=11*pi/30；A=d-a*cosa1； B=-a*sina1； C=A2+B2+c2-b2/2*c；if A=C a3=2*atanB+sqrtA2+B2-C2/A-C；else a3=2*atan-A/B；end；a2=atanB+c*sina3/A+c*cosa3；w3=w1*a*sina1-a2/c*sina3-a2；w2=-w1*a*sina1-a3/b*sina2-a3；ac=1.35*c*b*w22+a*w12*cosa1-a2-c*w32*cosa3-a2/c*sina

30、3-a2z=absacm=z；if mz ；end if end；mYH1 YH=m,a,b,c,d 名师归纳总结 end；第 18 页,共 25 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - end；end 名师归纳总结 求悬点位移的程序：第 19 页,共 25 页function s=mysa1 a=0.505；b=2.112；c=1.320；d=2.439；w1=11*pi/30；a1=a1+acosb/d；A=d-a*cosa1；B=-a*sina1；C=A2+B2+c2-b2/2*c；if A=C a3=2*atanB+sqrtA2+B2-C2/A-C

31、；else a3=2*atan-A/B；end；s=1.35*c*a3+acosc2-a2-a*b/d*c-pi；求悬点速度的程序：function v=myva1 a=0.505；b=2.112；c=1.320；d=2.439；w1=11*pi/30；a1=a1+acosb/d；A=d-a*cosa1；B=-a*sina1；C=A2+B2+c2-b2/2*c；if A=C a3=2*atanB+sqrtA2+B2-C2/A-C；else a3=2*atan-A/B；end；a2=atanB+c*sina3/A+c*cosa3；w3=w1*a*sina1-a2/c*sina3-a2；v=1.35*c*w3；求悬点加速度的程序：function ac=myaca1 a=0.505；b=2.112；c=1.320；d=2.439；w1=11*pi/30；a1=a1+acosb/d；A=d-a*cosa1；B=-a*sina1；C=A2+B2+c2-b2/2*c；if A=C a3=2*atanB+sqrtA2+B2-C2/A-C；else a3=2*atan-A/B；end；a2=atanB+c*sina3/A+c*cosa3；-