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沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題 目 名 稱：API偏置抽油機設(shè)計
題 目 類 別：工程設(shè)計
院 （系）：機運學(xué)院
專 業(yè) 班 級：
學(xué) 生 姓 名：張建
指 導(dǎo) 教 師：張福/教授
開題報告日期： 4月12日
API偏置抽油機設(shè)計：RM912D-427-144
1、 題目來源
本題目來源于湖北省教育廳重點研究計劃項目“API系列偏置抽油機模塊化設(shè)計”研究項目的一部分。
2、研究目的和意義
本項目的研究目標(biāo)為：確定44種API系列偏置抽油機的機構(gòu)尺寸，對其進行模塊化分，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出44種API系列偏置抽油機的生產(chǎn)圖樣。本設(shè)計完成其中一個設(shè)計的內(nèi)容。
本項目的研究意義： 近幾年來，隨著油田開采技術(shù)的不斷發(fā)展，對抽油機也提出了更高的要求，即深泵掛，大行程，節(jié)省能源。常規(guī)抽油機不具備上述技術(shù)要求，必須尋找新的替代產(chǎn)品。針對此問題提出了:API系列抽油機，該抽油機是指按照美國石油學(xué)會APISPEC11E《抽油機規(guī)范》設(shè)計、制造的系列常規(guī)及便置游梁式抽油機。它是在常規(guī)型游梁抽油機的基礎(chǔ)上研制而成的，整機具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便生產(chǎn)成本低及節(jié)能效果好的優(yōu)點。
常軌型抽油機受到四桿機構(gòu)的限制，游梁擺角不能過大，導(dǎo)致整機質(zhì)量偏重，體積偏大。偏置式游梁抽油機是在常規(guī)型抽油機的基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化四連桿機構(gòu)的幾何尺寸，優(yōu)化了平衡重的夾角，改變了平衡重的相位角而產(chǎn)生的一種新型的抽油機。通過平衡重在曲柄軸上產(chǎn)生的扭矩與懸點負(fù)載在曲柄軸上產(chǎn)生的扭矩相平衡，使抽油機運轉(zhuǎn)時峰值扭矩和峰值電流都有較大幅度的降低，從而達到節(jié)能的目的。
其特點是：①游梁采用短前臂、大擺角結(jié)構(gòu)，既能滿足沖程長度要求，又可減小游粱截面面積．節(jié)省原材料。②該機在上沖程時連桿與游梁呈90工作，受力狀態(tài)好，在上沖程時．曲柄轉(zhuǎn)角大，動載小，峰值扭短小。③采用偏置型平衡結(jié)構(gòu)．高效節(jié)能。
偏置式游梁抽油機滿足了現(xiàn)在油田的發(fā)展需求和當(dāng)代所提倡的節(jié)能型產(chǎn)品的發(fā)展要求，提高了開采效率，降低了損耗同時節(jié)約了成本，為企業(yè)創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟效益，因此它有廣闊的發(fā)展前景
3、閱讀的主要參考文獻及資料名稱
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4、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向
4.1國內(nèi)現(xiàn)狀：
抽油機是有桿采油系統(tǒng)的地面裝置，主要分游梁式抽油機及無游梁式抽油機兩大類。無游梁式及各類節(jié)能型抽油機，大多具有沖程長、重量輕、能耗低等特點，但在可靠性及對野外環(huán)境的適應(yīng)性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及游梁式抽油機。API SPEC11E《抽油機規(guī)范》是美國石油學(xué)會制定的抽油機標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)較為科學(xué)地規(guī)定了44種偏置式抽油機的基本參數(shù)?？梢詽M足世界不同地區(qū)的需要。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)美國石油學(xué)會多年的研究成果，對抽油機的設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝乃至外觀進行了詳細(xì)的規(guī)定。世界上許多國家將該標(biāo)準(zhǔn)作為抽油機生產(chǎn)、訂貨的依據(jù)。
前蘇聯(lián)、羅馬尼亞等國家各自制定了標(biāo)準(zhǔn)，但非常接近。
我國根據(jù)自己的國情，結(jié)合個國標(biāo)準(zhǔn)的長處，制定了自己的抽油機標(biāo)準(zhǔn)。由于歷史的原因，國內(nèi)個廠家的抽油機在外觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計上更接近前蘇聯(lián)的抽油機。
國際貿(mào)易中抽油機需求地區(qū)一般是工業(yè)較不發(fā)達的地區(qū)，它們沒有本國的抽油機標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)抽油機進口國如印尼、阿根廷、印度以及敘利亞、埃及等中東國家，均以API標(biāo)準(zhǔn)作為其訂貨的依據(jù)。在國際抽油機市場中，API抽油機占主導(dǎo)地位。
美國拉夫金公司是生產(chǎn)API抽油機的典型代表。拉夫金公司具有一百年的歷史，該公司產(chǎn)品80%以上為按API標(biāo)準(zhǔn)制造的常規(guī)游梁式抽油機。其產(chǎn)品質(zhì)量好，使用壽命長，銷售網(wǎng)點遍布各地，是國際抽油機市場中強有力的競爭對手。
在國內(nèi)，對抽油機進行模塊化設(shè)計和制造還是空白。我國抽油機是在國標(biāo)規(guī)范下由各廠自行設(shè)計和仿制，雖然發(fā)展了很多機型，但品種雜亂，同一型號的抽油機，其尺寸和結(jié)構(gòu)各廠也不相同（即使同一廠的產(chǎn)品也各有不同），企業(yè)生產(chǎn)成本居高不下，難以形成合理的生產(chǎn)規(guī)模，同時，由于品種雜，互換性差，給油田使用單位的生產(chǎn)和管理帶來極大不便。
基于此，為了更好地滿足國內(nèi)抽油機制造廠家的要求，按照API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，設(shè)計出全套的偏置抽油機圖樣，就顯得更為重要。
4.2國外現(xiàn)狀：
抽油機是油田采油生產(chǎn)中常用的地面舉升設(shè)備，是采油井在自噴能力消失后，采用人工方式將油舉升到地面的設(shè)備。從抽油機總的發(fā)展趨勢看仍以游梁抽油機為主，同時向多樣化、超大載荷、長沖程；自動化、智能化；節(jié)能、無油梁長沖程方向發(fā)展。
在抽油機的制造方面，世界上已有100多家公司，主要集中在美國、俄羅斯、法國、加拿大、和羅馬尼亞等國家，其中美國抽油機品種齊全，技術(shù)水平先進，質(zhì)量較好，應(yīng)用范圍廣泛。目前世界上抽油機最大的下泵深度達，在美國Reno油田上使用。俄羅斯的抽油機下泵深度為。美國Lufkina公司制造的A系列前置式氣平衡抽油機最大載荷為。國外抽油機的制造企業(yè)也逐步向大公司靠攏，采用統(tǒng)一的技術(shù)生產(chǎn)，多種形式的無梁長沖程的抽油機的發(fā)展已日趨完善，抽油機自動化控制也被廣泛使用，各種節(jié)能機型得到普遍推廣，游梁式抽油機產(chǎn)品的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化程度日益提高。
（1）自動化、智能化抽油機
抽油機自動化、智能化控制技術(shù)的發(fā)展是近幾年來抽油機技術(shù)進步的一個顯著特點，是成熟技術(shù)和高新技術(shù)集成化應(yīng)用的具體體現(xiàn)。自動化抽油機具有實時測得油井運行參數(shù)，及時顯示個記錄并且通過計算機進行綜合計算與分析功能，推薦最優(yōu)工況參數(shù)、進一步指導(dǎo)抽油機以最優(yōu)工況進行抽油的特點而成為最具有發(fā)展前景的抽油機。目前世界上比較先進的有美國Baker、Delta-x、 APS和Nsco等公司生產(chǎn)的自動化抽油機。
美國的Delta-x公司研制了世界上第一臺智能型抽油機，效率高，動力消耗少，自動化程度高，與常規(guī)抽油機相比，具有以下特點：
①結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小。
②是一種無游梁長沖程抽油機，最大沖程長度大12.19m，沖程可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)。
③該抽油機具有防抽空和防液擊的功能；節(jié)能效果好，電動機消耗功率可減少10%到30%。
④沖次較低，運行較平穩(wěn)，動載荷較小，可減輕抽油機各種零件的機械磨損，提高抽油機的使用壽命。
⑤微處理機和電子控制器具有診斷功能，還配有示功器和數(shù)字顯示以及數(shù)字傳輸機構(gòu)，可將信息輸入數(shù)據(jù)庫。此外微機還有記憶功能，記錄抽油機的抽汲情況，分析流動譜，以便對油田和油井及時做出決策，提高抽油機效率，降低采油成本，取得更好的抽油經(jīng)濟效益。
美國的Baker公司開發(fā)的自動化抽油機具有多種保護功能，一旦某些運行參數(shù)超過允許值時，會自動報警停車。此外還配有泵抽空控制器，確保安全可靠的進行抽油。
（2）節(jié)能型抽油機
油田機械采油中，使用抽油機的油井占總數(shù)的82.1%，由于抽油機井的系統(tǒng)效率較低大量的能量（70%以上）在傳遞過程中損失掉，因此，國內(nèi)外都在致力于發(fā)展節(jié)能型抽油機。國外在節(jié)能型抽油機研制方面投入較大，研制和應(yīng)用了許多新型節(jié)能型抽油機，在采油實踐中，達到了節(jié)能、提高采油經(jīng)濟效益的目的。比較典型的有：低矮型抽油機、前置式抽油機、前置式氣平衡抽油機、無游梁長沖程抽油機、輪式抽油機及偏置型抽油機等，其中美國在節(jié)能抽油機方面走在前列。
（3）無游梁長沖程抽油機
隨著采油工藝的發(fā)展，長沖程的抽油機得到研制和應(yīng)用。長沖程抽油方式可以提高抽油泵的泵效10%到25%，如美國加福尼亞洲的一口油井將沖程改為沖程,日產(chǎn)量從提高到。目前長沖程抽油機已形成三大類：即增大沖程游梁抽油機、增大沖程無游梁抽油機和無游梁長沖程抽油機。
（4）大載荷抽油機
隨著個油田油氣資源的不斷開發(fā)，油層深度逐年增加，含水量也不斷增加，大泵提液采油工藝采用大型抽油機。
美國Lufkin公司生產(chǎn)C系列常規(guī)游梁抽油機最大載，M系列為；A系列為。
法國MaPe公司H系列液壓驅(qū)動無游梁長沖程抽油機最大載荷為199kN。
蘇聯(lián)最大載荷為，最大泵深度。
加拿大最大氣囊平衡抽油機在大載荷。
（5）特種抽油機
①連續(xù)抽油桿抽油機
在國外連續(xù)抽油桿抽油機的研究和應(yīng)用，已經(jīng)有多年的歷史，并進行了油田試驗。原蘇聯(lián)設(shè)計的鋼帶式連續(xù)桿抽油機是一種無游梁抽油機，在其滾筒上繞有細(xì)廠的鋼帶，鋼帶的一端固定在滾筒上，而另一端直接連接在井下具有特殊結(jié)構(gòu)的抽油泵塞上。鋼帶在滾筒上卷繞和退繞使柱塞以一定的速度和運動范圍進行。上、下沖程的換向通過動力機的反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。該機沖程一般很長，一般40到。
② ROTAFLEX型皮帶抽油機
ROTAFLEX型皮帶抽油機是美國HLGHLAND公司專利產(chǎn)品。它是以一種純機械傳動的鏈條-皮帶抽油機，特別適合有桿泵的大排量深井提液，小泵提軸稠油開發(fā)。
4.3發(fā)展趨勢：
節(jié)能、增產(chǎn)、耐用，是抽油機技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。人類面對資源環(huán)境壓力，問題已不是當(dāng)初的可以抽油就行的使用理念，更不以圖的結(jié)構(gòu)簡單就好。同其它機械一樣，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，原材料和工藝技術(shù)的進步，抽油機也應(yīng)該與時俱進的創(chuàng)新。
4.4主攻方向：
要達到節(jié)能、增產(chǎn)、耐用這三重目標(biāo)，必須面對機、電、井，從系統(tǒng)工程的角度研究實現(xiàn)方案，任何單一的改良，都很難取得實質(zhì)性的進步。抽油機從表象看似一個很簡單的粗笨機械，其實不然，它涉及機械原理、力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)、流體學(xué)的經(jīng)典理論原理。它不光是實現(xiàn)自身的機械運動，更多的是關(guān)聯(lián)著地下油液的滲透特性和活塞泵的充滿度。它風(fēng)吹、日曬、雨淋，是使用條件最苛刻的一種機械。它不僅只關(guān)聯(lián)自身的機械效率，而且更關(guān)聯(lián)油泵的充油效率。
5、主要研究內(nèi)容、需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路
本項目的研究內(nèi)容為：
1）、詳細(xì)推導(dǎo)偏置抽油機四連桿機構(gòu)的在不同位置時的幾何關(guān)系、運動速度、加速度公式；
2）、詳細(xì)推導(dǎo)常規(guī)抽油機的承載機構(gòu)受力計算公式、扭矩計算公式、扭矩因素及光桿位置因素計算公式 、平衡計算公式、電動機功率計算公式；
3）、在沖程(S)為，沖次數(shù)(n)為，泵徑(D)為 的工作工況下，計算該抽油機的幾何參數(shù)、運動參數(shù)、動力參數(shù)，并對抽油機的工作扭矩、平衡扭矩、凈扭矩、泵掛深度、理論日產(chǎn)量、實際日產(chǎn)量、有效沖程長度、電動機功率、扭矩因素、光桿位置因素進行計算，并上機計算；
4）、完成抽油機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對主要承載零件進行校核計算，對皮帶傳動裝置進行必要地設(shè)計；
（2）畢業(yè)設(shè)計(論文)的目標(biāo)及具體要求
1）、抽油機總圖一張
2）、游梁總成圖、驢頭總成圖、曲柄平衡裝置總成、連桿總成、支架總成、底座總圖、橫梁總圖各一張
3）、零件圖若干張
本項目的研究難點是：
API系列偏置抽油機各個部件摸的劃分，如何減少模塊的數(shù)量將是最重要的問題？從而減少抽油機制作過程中的工況。
本項目的創(chuàng)新點：
創(chuàng)新點在于首次將模塊化設(shè)計技術(shù)用于API偏置抽油機的設(shè)計。不僅大幅度地提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量、減少制造工裝的數(shù)量；同時，降低產(chǎn)品的設(shè)計周期和成本。對于其他系列產(chǎn)品的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。
本項目的技術(shù)關(guān)鍵：
其關(guān)鍵在于API系列偏置抽油機四桿機構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計以及虛擬制造技術(shù)在抽油機設(shè)計中的應(yīng)用。系列四桿機構(gòu)尺寸的確定直接決定了模塊分割的合理性以及模塊數(shù)量的多少。虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用成功與否則決定了產(chǎn)品設(shè)計周期能否真正減少以及設(shè)計輸出能否直接有效地用于生產(chǎn)。
6、完成畢業(yè)設(shè)計所必須具備的工作條件及解決辦法
工具書：
《采油機械設(shè)計計算》萬邦烈著
《機械設(shè)計手冊》 石油工業(yè)出版社
SY/T5044—2000《游梁式抽油機》技術(shù)規(guī)范
計算機輔助設(shè)計軟件：
機械autoCAD、InterCAD、ANSYS靜力學(xué)分析軟件及PRO/E三維造型軟件等
7、工作的主要階段、進度與時間安排
畢業(yè)設(shè)計起止時間：
2007年3月25日~2007年6月15日
2007年3月26 日--2007年4月1 日：外文資料翻譯
2007年4月2 日--2007年4月8 日：偏置抽油機設(shè)計計算
2007年4月9 日--2007年4月15日：撰寫畢業(yè)論文開題報告及文獻綜述報告
2007年4月16 日--2007年5月27日：完成圖紙
2007年5月27 日--2007年6月15日：寫論文
8、指導(dǎo)教師審查意見
Θ
β度
δ度
α度
aAt
Tw
TF
Tr
Tn
0
86.0943
22.25894
198.3532
2.2874
-97.8808
-0.52427
-23.4534
-74.4274
15
81.36504
23.14429
179.5017
2.565494
2.322285
0.017373
15.69115
-13.3689
30
78.36475
22.1232
160.4727
2.536429
76.31343
0.572239
53.76634
22.54708
45
77.33651
19.27608
141.5898
2.086584
136.8725
1.065186
88.17745
48.69508
60
78.37098
14.94291
123.2835
1.309059
171.303
1.426441
116.5794
54.72362
75
81.37696
9.645581
105.9845
0.504808
180.9404
1.624283
137.0367
43.90371
90
86.111
3.932195
89.99754
-0.0259
176.8559
1.673821
148.1551
28.70074
105
92.24385
-1.75552
75.43507
-0.1677
168.3865
1.617124
149.177
19.20943
120
99.42169
-7.12842
62.23241
0.017452
158.8891
1.497137
140.0328
18.85634
135
107.2968
-12.0235
50.20483
0.395181
148.0046
1.342908
121.3455
26.65905
150
115.5252
-16.3479
39.1012
0.829455
133.9843
1.166028
94.38877
39.59551
165
123.7348
-20.0192
28.63199
1.187285
114.1479
0.961045
60.99958
53.14836
180
131.4654
-22.906
18.46809
1.301121
84.58479
0.704842
23.45336
61.13142
195
138.0808
-24.766
8.215851
0.94871
41.42641
0.356523
-15.6912
57.11756
210
142.7068
-25.2052
-2.60488
0.032755
-18.9825
-0.12499
-53.7664
34.78385
225
144.3957
-23.7742
-14.4927
-0.94863
-97.914
-0.71618
-88.1775
-9.7365
240
142.6968
-20.3068
-27.7318
-1.20112
-169.937
-1.27947
-116.579
-53.3573
255
138.0632
-15.1624
-42.2286
-0.79914
-233.058
-1.67635
-137.037
-96.021
270
131.4432
-8.99031
-57.6841
-0.25724
-277.118
-1.88009
-148.155
-128.963
285
123.7103
-2.39992
-73.8342
0.215623
-297.996
-1.92627
-149.177
-148.819
300
115.5
4.129812
-90.5223
0.62533
-297.765
-1.84914
-140.033
-157.733
315
107.2722
10.20903
-107.679
1.01975
-278.452
-1.66617
-121.346
-157.106
330
99.39863
15.48478
-125.284
1.433614
-239.891
-1.38255
-94.3888
-145.503
345
92.22343
19.61248
-143.339
1.871353
-180.179
-0.99947
-60.9996
-119.179
360
86.0943
22.25894
-161.829
2.2874
-97.8808
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-74.4274
Θ
W’
FL
Fx
Fy
Fr
γ
0
186.701
271.9846
85.3935
518.755
525.7364
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15
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30
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197.91
35.8523
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45
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366.6404
0.059718
60
120.0912
178.2157
10.15505
341.8265
341.9774
0.029699
75
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315.5161
0.008845
90
105.66
153.9216
-0.0066
297.5076
297.5076
-2.2E-05
105
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292.3711
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120
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135
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0.048552
150
114.9066
184.9701
29.34058
335.1992
336.4809
0.087309
165
118.7748
207.4193
48.99501
358.6935
362.0242
0.135753
180
120.0054
232.5047
73.79161
380.1051
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0.19175
195
116.1957
252.4267
99.67352
390.2191
402.7478
0.250082
210
151.8759
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167.61
540.0063
565.4201
0.300957
225
136.7175
340.6868
173.2205
500.348
529.4841
0.333286
240
132.8176
317.9844
170.0466
476.5228
505.9543
0.342763
255
139.0266
301.9221
163.724
471.3597
498.9845
0.334307
270
147.3967
285.4767
152.9272
467.8591
492.2183
0.315919
285
154.7005
270.0804
140.106
463.7167
484.4202
0.293416
300
161.0288
259.1607
127.8891
462.7735
480.1197
0.269624
315
167.121
254.2776
117.1038
467.7467
482.1829
0.245315
330
173.5135
255.567
107.3
479.602
491.4584
0.220103
345
180.2748
262.1885
97.28006
497.6503
507.0692
0.193044
360
186.701
271.9847
85.39349
333.1289
343.8996
0.250935
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