多功能组合抽油机演示教具

工程训练中心综合实训报告题目多功能组合抽油机模型设计与制作学生姓名袁成龙邵昆周青教学院系机电院机械工程及自动化专业年级2011级6班指导教师尹文锋完成日期2013年10月16日

目录TOC\o"1-3"\h\u102411.多功能组合抽油机演示教具的背景及目的 3230531.1多功能组合抽油机演示教具设计背景 370981.2多功能组合抽油机演示教具设计目的 4300012.多功能组合抽油机演示教具的设计过程 5234282.1前期调研 596882.1.1设计主题和要求分析 537512.1.2命题分析 5321992.1.3查阅资料 5289092.2设计思路 8241492.3方案确定 9266892.4.1抽油机初步三维视图 981972.4.2主要零件的CAD图及pro/e三维视图 10215813多功能组合抽油机演示教具的制作过程 11205223.1材料的选择 11205193.1.1本命题提供材料 11318433.2确定加工工种 1177563.2.1涉及工种：车工、数铣、特种等 118103.3加工制作 12310914.多功能组合抽油机演示教具的成本预算 14230034.1材料直接费用 1464055.多功能组合抽油机演示教具成果 15317005.1实物图 1528213心得体会 175014致谢 181815参考文献 1913852附录 20多功能组合抽油机演示教具的背景及目的1.1多功能组合抽油机演示教具设计背景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面的目的。其工作原理是：电动机将电能转化为旋转运动，再经过减速箱两次减速后，利用四连杆机构将旋转运动转变为直线往复运动，通过驴头、悬绳器、光杆、抽油杆带动深井泵抽油。运动形式的转换过程如下：当曲柄作旋转运动时，驴头弧面以中轴承为圆心，以前臂长为半径的圆弧，而且悬绳器又是用毛辫子与驴头软连接，因此其切点运动规律是垂直直线往复运动。当悬点(抽油杆)处于上冲程时，抽油杆柱带动抽油泵活塞上行，抽油泵的游动阀受阀的自重和油管内液柱压力的作用而关闭，并提升柱塞上部的液体。与此同时柱塞下面的泵筒空间里的压力降低，当其压力低于套管压力时，该空间的液体将顶开油泵固定阀而进入抽油泵活塞上冲程所让开的泵筒空间；当柱塞下行时，油泵的固定阀靠自重下落而关闭，泵筒内的液体受到压缩，在柱塞继续下行过程中，泵内的压力不断增高，当泵内压力增至超过油管内液柱压力时，将顶开抽油泵的游动阀使泵筒内的液体进入油管内。由于抽油泵柱塞在抽油机的带动下，连续做上下往复运动，因而抽油泵的固定阀和游动阀也将交替地关闭与打开，完成抽油泵的抽吸工作循环。概括地说：上冲程时，将柱塞之上的液体排入输油管线，将泵外的液体吸人泵内；下冲程时，将柱塞之下油泵内的液体吸入柱塞之上的油管内。工程训练中心构建了学科交叉、多层次、模块化的实训与工程实践教学体系，为全校大学生开设工程认知、工程基础训练、工程综合训练与综合创新等四个层次教学课程，以本科生培养为主，贯通四年本科教育的全过程。为期两周的学生综合实训是综合型设计与实践训练课程，以机械工程综合设计与综合实训为技术载体，将各个单一工种用产品串接起来，大家得到的不再是孤立的概念，而是具有完整过程的工程概念，在综合设计与综合实训过程中，通过完成本报告可对机械制造整个生产过程和制造技术实习进行一次全面总结。以项目为目标，采用的教学方法由“以教师为中心”转变为“以学生为中心”，教师起到引导的作用，有效地培养了学生的工程意识和创新意识。通过本环节的实训，结合生产实际，并能够综合运用所学的基本理论与技能，完成对专业知识的深入理解。培养学生独立分析问题和解决问题的能力及工程实践的能力。此次学生综合实训课程的基本要求是：（1）能综合运用机械制造工艺学及相关专业课程，独立地分析和解决机械加工工艺问题；（2）能初步具备设计一个一般复杂程度作品的工艺规程的能力。（3）能根据设计作品的技术要求，运用设计的基本原理和方法，学会拟订设计方案，完成其结构设计；（4）能结合金工实习中学到的实践知识，进一步巩固机械工程实践课程的基本操作技能训练，完成夹具的生产加工及装配。1.2多功能组合抽油机演示教具设计目的相关专业老师在课堂讲授抽油机的不同类型和工作原理时，单纯的PPT和动态电子图片无法完全再现抽油机工作状态，为加强学生对地面驱动设备——抽油机的了解，结合本次综合实训课题和“魔法课堂”竞赛的要求，我们小组现对抽油机的设计制作进行深入探讨，并付诸实践。将抽油机的多种存在形式和工作状态进行结合，使抽油机模型可演示多种工作模式。并充分利用两周的综合培训时间，锻炼我们学生的自主学习能力。2.多功能组合抽油机演示教具的设计过程2.1前期调研2.1.1设计主题和要求分析主题功能要求：1简化常规游梁抽油机结构，抽取常规游梁抽油机主要运动机构，制作抽油机模型。抽油机模型由电动机驱动，能够做抽油运动。对常规游梁抽油机的驴头部分做变结构设计，使常规游梁抽油机变为可旋转驴头抽油机。对常规游梁抽油机的支架部分做变结构设计，使后置常规游梁抽油机变为前置游梁抽油机4.对常规游梁抽油机的游梁尾部做变结构设计，使常规游梁抽油机变为调径变矩游梁抽油机。5.对常规游梁抽油机的曲柄部分做变结构设计，使常规游梁抽油机变为异相曲柄游梁抽油机。6.对常规游梁抽油机的游梁部分做变结构设计，使四杆常规游梁抽油机变为多杆游梁抽油机。2.1.2命题分析命题基本要求1.每组同学均需完成常规游梁抽油机的驴头、游梁、曲柄、轴的图纸；2.各分组同学完成局部变结构关键部件的设计及图纸；3.各分组同学完成局部变结构游梁抽油机的模型制作。抽油机的驴头部分加设滑轮，使常规游梁抽油机变为倍冲程游梁抽油机。要求分析：1.在不影响抽油机工作的前提下，尽量使结构简易化。2.对现有抽油机做部分改良，使其具有更好的工艺性能3.均需完成常规游梁抽油机的驴头、游梁、曲柄、轴的图纸2.1.3查阅资料查阅资料的途径有：通过在工程训练中心网站上下载工程训练综合能力竞赛往届抽油机资料压缩包和相关视频展示上网查阅抽油机机构及运动原理，确定最佳方案。通过工程训练中心网站上的工种介绍视频及书本知识，确定抽油机模型制作所需的工种及材料。4、通过网络、书本及现场操作，学习并掌握各工种的加工方法，确定具体的加工方案。5、对往届学生作品的深入研究。6、在尹文锋老师的带领下，来到实习基地，实地考察，深层次了解抽油机工作状态。2.1.4现有抽油机存在形式及优缺点分析（1）常规游梁式抽油机常规游梁式抽油机是油田使用历史最悠久，使用数量最多的一种抽油机。该机采用具有对称循环四杆机构或近似对称循环四杆机构，结构简单，运行可靠，操作维护方便，但长冲程时平衡效果差，效率低，能耗大，不符合节能要求，基本停止了生产。（2）前置式抽油机前置式抽油机平衡后的理论净扭矩曲线是一条比较均匀的接近水平的直线，因此其运行平稳，减速箱齿轮基本无反向负荷，连杆、游梁不易疲劳损坏，机械磨损小，噪声比常规式抽油机低，整机寿命长。前置式抽油机可配置较小功率的电动机，节能效果显著。与常规式抽油机相比，具有体积小、重量轻、节省钢材的优点。常规游梁式抽油机前置式抽油机（3）偏置式抽油机偏置式抽油机又称异相曲柄平衡式抽油机，特点是平衡块中心线相对于曲柄中心偏转一个角度，这种机型国外60年代发展起来并得到API的承认。试验表明，经优化设计的偏置式抽油机节电可达20％。该种抽油机的曲柄销与曲柄轴孔中心连线对于曲柄自身的轴线有一个偏置角，并且当悬点位于上、下死点时，连杆间存在一个极位夹角，这种结构形式使得平衡块扭矩曲线的相位提前，从而使得净扭矩曲线比较平坦，而且可在一定程度上消除负扭矩，因而使电动机电流波动减小，能量损失减少，抽油机地面效率提高。（4）下偏杠铃抽油机下偏杠铃游梁复合平衡抽油机是在原常规游梁抽油机的游梁尾端，利用变矩原理增加简单的下偏杠铃所形成的一种新型节能抽油机。该机继承和保留了原常规游梁式抽油机的全部优点，这种类型可用于新机制造，又可用于现场在用的常规抽油机(含偏置机)的节能改造，其改造技术是目前最简单易行的，节能效果也较明显。（5）双驴头游梁式抽油机该石油抽油机是将常规机游梁与横梁的铰链连接，改为变径圆弧的后驴头、钢丝绳与横梁之间的软连接，构成变参数四杆机构来传递运动和扭矩，增加游梁摆角，冲程提高20％～70。由于采用变径圆弧的游梁后臂，使其实现负载大时平衡力矩大，负载小时平衡力矩小的工作状态。从而使减速器输出扭矩波动小，达到加强平衡，降低能耗的目的。这种机型是目前除常规机以外发展最迅速的机型。通过改变抽油机扭矩因数的变化规律来加强平衡效果，达到节能目的。它是以常规机为基础模型，对其四杆机构进行了关键性的技术变革，采用了特殊曲线型的游梁后臂、游梁与横梁之间采用柔性连接结构，以得到摇杆（游梁后臂）长度、连杆长度随曲柄转角的变化而变化的特殊四杆机构，即"变参数四杆机构"，形成了一种能适应采油实际工况的新型动力传动的抽油机主结构。该机工作时，依靠其游梁后臂有效长度的有规律变化实现负载大时平衡力矩大，负载小时平衡力矩小的工作状态，从而加强抽油机的平衡效果，实现节能意图。（6）调径变矩系列节能抽油机游梁实现偏置平衡，结构新颖。调整简单易行。驴头上死点时配重箱接近地面。很容易加减配重箱中小平衡块。平衡性好，针对载荷峰值位置精确调整平衡。调冲程时将游梁与支架锁住，改变了过去调冲程作业安全性差、劳动强度大并需吊车等辅助作业的现状。中小型机采用后置式结构，大型机采用前置式结构。双驴头游梁式抽油机调径变矩系列节能抽油机2.2设计思路原理要求：抽油机是油田广泛应用的传统抽油设备，通常由普通交流异步电动机直接拖动。其曲柄带以配重平衡块带动抽油杆，驱动井下抽油泵做固定周期的上下往复运动，把井下的油送到地面。游梁式抽油机的工作原理是：电动机将电能转化为旋转运动，再经过减速箱两次减速后，利用四连杆机构将旋转运动转变为直线往复运动，通过驴头、悬绳器、光杆、抽油杆带动深井泵抽油。运动形式的转换过程如下：当曲柄作旋转运动时，驴头弧面以中轴承为圆心，以前臂长为半径的圆弧，而且悬绳器又是用毛辫子与驴头软连接，因此其切点运动规律是垂直直线往复运动。抽油机改良部位;驴头改变受力方向设置，将驴头的侧面设计成弧面，其弧面周长=驴头的轴长。保证将曲柄摇杆运动转换为抽油杆的上下往复运动。在以上面的实地考察和资料收集，整理思路，我们决定抽油机的改进方面包括如下为了让抽油机模型更多的模拟多个抽油方式，我们组决定对抽油机有如下改善：1.驴头的组合：驴头可拆卸，以实现前置与后置抽油机的更改。2.游梁上添加平衡块：通过添加可移动平衡块，可了解实际加重平衡物在不同位置对冲程调节的影响。3.船型横梁的设计：其横梁和连接杆连接点在同一水平线上，增加连杆和横梁的刚性，改善连接销轴的工作条件。4.曲柄和平衡块的成对使用：改善抽油机往复运动中死点位置的越过5.连杆的可伸缩性设计：通过销钉连接在平衡块的不同位置，改变四杆机构的长度关系，可研究曲柄转动的不同。齿轮带动减速设计采用外啮合齿轮减速。模数是设计和制造齿轮的基本参数。为了设计和制造方便，已经将模数标准化。模数的标准值见表查表本组采用m=1z1=30Z2=40分度圆α=20°传动比i1=n1/n2=z2/z1=0.75小齿轮为主动轮，大齿轮为带动伦，主要起减速的作用皮带轮为一级减速d1=20d2=30传动比i2=0.67；传动比i=0.75*0.67=0.5。电动机转速为15r/min。2.3方案确定鉴于以上分析，方案确定如下：1皮带轮d1=20mm和d2=30mm。2齿顶圆确定直径为42mm和32mm的齿轮，材料为有机玻璃。3四杆机构杆件连接中的连杆为长度140mm厚为4mm的有机玻璃。4平衡块的最大长度为98mm，最大宽度120mm,厚度为4mm的有机玻璃。5横梁采用长度为120mm,高度为35mm的船型结构，材料为有机玻璃。6游梁的长度为220mm，厚度为8mm的有机玻璃。7驴头为可拆卸的，材质为有机玻璃。8横杆为150mm直径为5mm的铝棒。9底板为360*220，厚度为8mm的有机玻璃。10其余连接销钉和轴承均为铝制品。2.4.1抽油机初步三维视图2.4.2主要零件的CAD图及pro/e三维视图3多功能组合抽油机演示教具的制作过程3.1材料的选择3.1.1本命题提供材料有机玻璃板铝板铝棒聚丙烯棒料等。根据查阅的资料、历年比赛中各参赛队的作品实物图及我校以往参赛队的加工经验，现拟定：抽油机地板8mm有机玻璃机架4mm有机玻璃横梁8mm有机玻璃游梁8mm*2有机玻璃四杆机构4mm有机玻璃驴头4mm*2有机玻璃齿轮采用4mm有机玻璃横杆采用10mm直径铝棒连接杆采用直径为10mm的铝棒皮带轮采用直径为30mm铝棒下表为提供材料序号名称规格备注1有机玻璃板厚度：5mm、8mm、10mm2铝板厚度：3mm、5mm、8mm3铝棒直径：Ø10、Ø25、Ø354聚丙烯棒料Ø365轴承内径*外径*厚度：Ø4*Ø12*4;Ø2*Ø5*4Ø3*Ø8*4;Ø5*Ø14*56关节轴承内径：M37重物导杆Ø48重物支撑杆Ø103.2确定加工工种3.2.1涉及工种：车工、数铣、特种等根据为期两天的专业技能培训，及通过工程训练中心网站上所包含的相关工种介绍信息，以及相关书籍的查阅，现确定此次多功能组合抽油机演示教具加工需要包含以下工种：雕铣机加工底板、支架、游梁、横梁、平衡块，四杆机构，游梁，驴头2、普车加工连接杆、销钉3、钳工负责打磨各零件坯4、数控铣床加工皮带轮及部分零件打孔。3.3加工制作零件图纸设计精雕加工有机玻璃零件零件组装（1）零件组装（2）已经确定了多功能组合抽油机演示教具设计方案并绘制出了相应的CAD加工图纸和pro/e实体模型，并根据老师所给的材料及实际所需的加工工种，我们小组开始了具体的加工过程。并对各工种进行了具体分工配合（结合上学期综合实训教学）：工种提升：邵昆、袁成龙（特种加工）、周青（车工）袁成龙（铣车）(1)邵昆负责雕铣加工底板、支架、游梁、横梁、平衡块，四杆机构，游梁，驴头(2)周青负责加工连接杆、销钉(3)袁成龙负责数控铣床加工皮带轮及部分零件打孔。(4)在大家将所负责的零件加工完成之后，即开始在车间进行组装。装配过程由三人共同完成我们先将小部件如齿轮，横梁与平衡块，四杆机构组合好，再在底板的基础上进行装配，防止出现重复拆卸的问题。多功能组合抽油机演示教具的成本预算4.1材料直接费用序号名称材料毛坯类型尺寸单价1齿轮有机玻璃板材厚度5mm250元/平方米2底板有机玻璃板材厚度8mm320元/平方米3支架有机玻璃板材厚度5mm250元/平方米4横梁有机玻璃板材厚度8mm300元/平方米5游梁有机玻璃板材厚度8mm300元/平方米6驴头有机玻璃板材厚度4mm250元/平方米7四杆机构有机玻璃板材厚度4mm250元/平方米8平衡块有机玻璃板材厚度4mm300元/平方米9横杆铝棒棒料直径10mm18元/米10连杆铝棒棒料直径10mm18元/米11平衡块2铸铁棒料3010元/米12销钉铝棒棒料直径10mm18元/米13轴承内径4外径12厚度42元/个5.多功能组合抽油机演示教具成果5.1实物图5.2实物功能课堂演示中老师可根据需要向学生演示前置驴头抽油机，后置驴头抽油机的转换，分析不同点，可以调节游梁上边横梁上的平衡块的位置，控制重物力矩对驴头往复运动的影响。同时可以调节连杆与平衡块的连接位置，控制四杆机构力和运动的传递。5.3实物缺点分析1.加工制作存在误差，部分零件活动灵活性欠缺2.表面光洁度不够，主要是有机玻璃上的胶清洗未干净3.实习过程时间紧促，零件安装出现瑕疵4.驴头如果设计成可自转的将会更加改善抽油机性能。心得体会为期两周的学生综合实训是综合型设计与实践训练课程，以机械工程综合设计与综合实训为技术载体，让我们学生将各个单一工种用产品串接起来，大家得到的不再是孤立的概念，而是具有完整过程的工程概念，在综合设计与综合实训过程中，通过完成本报告可对机械制造整个生产过程和制造技术实习进行一次全面总结。以项目为目标，采用的教学方法由“以教师为中心”转变为“以学生为中心”，教师起到引导的作用，有效地培养了学生的工程意识和创新意识。通过本环节的实训，结合生产实际，并能够综合运用所学的基本理论与技能，完成对专业知识的深入理解。培养学生独立分析问题和解决问题的能力及工程实践的能力。在两个星期的实际操作过程中，从大家开始讨论设计思路和用意，进一步设计各个零件，这个期间感觉到这方面的知识的严重缺乏，尹老师对我们的的专业知识传授和下来我们查阅各种有关资料，终于在脑海里大概成型了我们的抽油机模型，但在接下来的AUTOCAD和pro/e软件操作中发现我们的绘图能力有待提高，绘图的繁琐和枯燥锻炼了我们的意志和耐心，也增强了我们的机械精神，也就是能够沉静下来，严谨的学术要求。三个人一组，每个人负责的工种不一样，但担负的责任确实相同的。因为最终的结果是由每个人做出的成果累积的而成的。我们采取一个人为主，另外两个为辅的方式方法，通过工种之间的相互交叉，相互配合是我们得以完成目标任务的关键。这样不仅提高了工作的效率，而且促进了组员之间的关系，增进了这两个周我们的生活是非常规律的，车间，明志楼，教室，每次爬过那个天桥，累得气喘吁吁的时候，就想着这是一次多么难得的机会，让模型从我们的思想中雕刻出来，新鲜而特别。在这里，要特别感谢带队老师尹文锋老师，在这次综合实训中，其实我们是四个人一组，因为每天老师比我们先到，和我们一样关心我们的进度和成果，教会我们绘图技巧，加工技巧，为我们提供许多的资料，所以这次实训我们组还有我们可敬的尹文锋老师，同时要感谢精雕加工的老师们，从一开始的邯郸学步，再到后