3743 液壓抽油機設(shè)計

3743 液壓抽油機設(shè)計,液壓,抽油機,設(shè)計 1液壓抽油機設(shè)計1 緒論1.1 本課題來源及研究的目的和意義隨著原油儲量日益減少，開采難度的增大，油田對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。液壓抽油機作為近些年來迅猛發(fā)展的新型抽油設(shè)備，有著優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)備的強項。增大載荷是本課題研究的目的之一，是在結(jié)構(gòu)最簡，材料最省得方案下盡可能的增大其工作載荷。傳統(tǒng)的游梁抽油機雖有大載荷的特點，但這種舊型設(shè)備體型笨重，運輸和安裝都較為麻煩，尤其是海上平臺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)最簡的情況下增大工作載荷，有著方便運輸以及滿足海上平臺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)計的游梁抽油機總數(shù)約為 4 萬臺，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。液壓抽油機工作原理不是曲柄連桿機構(gòu)或者其變形，工作原理在本身結(jié)構(gòu)上的改進就省去了大量的鋼材，有著改善采油設(shè)備經(jīng)濟性的重要意義。此外結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化方便了安裝，同時也方便了拆卸和運輸，即故障診斷更換壞損元件也相對方便了許多。在工作上迅速的故障診斷與維修有著增加設(shè)備連續(xù)工作時間的意義。1.2 本課題所涉及的問題在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀及分析我國開始研究液壓抽油機是從 60 年代開始的。1966 年北京石油學院提出“液壓泵—液壓缸”結(jié)構(gòu)的抽油機，以液壓缸伸縮來完成主要工作，同時用油管做平衡重，并利用其往復運動增大沖程。1987 年吉林工業(yè)大學研制出 YCJ-II 型液壓抽油機，同樣以液壓缸做驅(qū)動。1992 年、1993 年蘭州石油機械研究所、浙江大學先后以“液壓泵—液壓馬達”結(jié)構(gòu)研制出新型液壓抽油機。此后至近幾年來，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，液壓抽油機業(yè)迅速發(fā)展起來。以下對上述幾種抽油機作簡要分析：YCJ—II 型液壓抽油機直接用液壓缸的直線往復運動工作，具有結(jié)構(gòu)簡單，比常規(guī)抽油機節(jié)能的特點。在遼河油田的實驗說明其在北方冬季野外有可連續(xù)運行的能力，其液壓與電氣系統(tǒng)亦是可行的。不足在于：安全保護措施有所欠缺，對機電一體化技術(shù)應用不足等。YCJ12—12—2500 型滾筒式液壓抽油機利用換向閥控制液壓馬達的正反轉(zhuǎn)，以齒輪—齒條機構(gòu)實現(xiàn)往復運動，同時采用了機械平衡方式。在液壓系統(tǒng)上彌補了 YCJ—II 型的不足，同時整機平穩(wěn)運行。功率回收型液壓抽油機利用了“變量泵—馬達”這一特殊元件，實現(xiàn)了“長沖程，低沖次，大載荷”的特點，并有安全保護功能。最重要的是它通過能量的儲存于轉(zhuǎn)換使功率回收，而且相當完全，平衡也是最完美的。1.3 本課題所涉及的問題在國外的研究現(xiàn)狀及分析國外對于液壓抽油機的研制起步較早，但由于翻譯過的外文文獻較少，這里只做介紹，不做詳細分析。1961 年美國 Axelson 公司研制出 Hydrox 長沖程 CB 型液壓抽油機，沖程 1.2~7.95m，適井深度 670~2032m，并在幾個大油田獲得成功的應用性實驗。1965 年蘇聯(lián)研制出 ArH 油管平衡式液壓抽油機，可分開調(diào)節(jié)上下沖程的速度，沖程長度 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2抽油機。沖程 10m，最高沖次 5.0/min，懸點載荷 34.23~195.64KN。此后仍有不少新型液壓抽油機產(chǎn)品出現(xiàn)，在國外，液壓抽油機已形成系列產(chǎn)品走向市場，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與液壓缸。對于抽油機來說，其工作為直線往復運動，液壓馬達可配合齒輪齒條機構(gòu)做直線往復運動實現(xiàn)長沖程，液壓缸則較短沖程內(nèi)直接實現(xiàn)直線往復運動。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時的力大于收縮時的力之這一特點，機械結(jié)構(gòu)上決定以液壓缸那個伸長為上行沖程，液壓缸收縮為下行沖程，液壓回路與之對應分別為上行回路和下行回路。思路上參照參考文獻[1]，由于懸點始終受到向下的重力，故考慮將下行回路時懸點下降的重力勢能回收，在上行回路時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能的蓄能器同液壓泵同時向液壓缸供油，提升懸點?；钊麠U前端排除的油液直接回油箱，以減少阻力，減輕液壓泵的負擔。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，提升懸點需要 1MPa。下行回路應實現(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)，而液壓泵也同時推動活塞桿下行， ，即蓄能器回收了重力勢能與液壓泵輸出的能量，避免了帶動液壓泵的電機頻繁停轉(zhuǎn)啟動導致先圈內(nèi)電流變化引起的發(fā)熱等對電動機的不利損害，或者液壓泵直接卸載導致的能量浪費。3圖 2 下行回路如此，得到了上行回路與下行回路的雛形，接下來應添加元件，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，并作為后期計算選取元件的重要指導。在下行回路，由于選點載荷依然較大，活塞桿的下落即使無液壓泵供油也會自行發(fā)生，其速度有可能超過液壓泵供油的速度，導致液壓缸成為動力元件，液壓泵成為執(zhí)行元件，即懸點拉著液壓泵和電動機轉(zhuǎn)，導致其作負功，故有必要在液壓泵的出口設(shè)置單向裝置，必須避免選點拉著泵轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象，所以需要在泵的出口處加一個溢流閥。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溢流閥引導超出蓄能器設(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后如上圖所示?；芈分g的切換，即液壓缸走向的變化，由行程開關(guān)檢測，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)計了 4 種方式的回路，經(jīng) FluidSIM 液壓設(shè)計輔助軟件進行仿真后，留下最后一套方案定稿。4圖 4 FluidSIM 中的液壓回路左圖為檢測上行回路，右圖為檢測下行回路，經(jīng)軟件檢測表明，該回路設(shè)計合理，并滿足使用要求，箭頭方向為液壓油走向。由于軟件內(nèi)元件庫的元件如蓄能器，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換向閥均在左位時為上行回路，均在右位時切換至下行回路。3 液壓元件的選用3.1 液壓缸的選用：本次設(shè)計選用標準液壓缸做驅(qū)動元件。首先保證沖程為 3 米，即液壓缸行程為 3000mm，油手冊活塞行程系列（ GB/T 2349—51980）第三系列。液壓缸可以上拉或者上推形式帶動懸點上下動作，故以兩種方法，確定液壓缸需用行程，求出數(shù)據(jù)作對比以選優(yōu)劣。根據(jù)用途，選擇冶金設(shè)備用 UY 型液壓缸。按《機械設(shè)計手冊（液壓傳動） 》表 20-6-4 選取工作方式，均以最長行程為宗旨，以頭部法蘭式（TF）固定方式進行計算。上推：一段剛性固定，一段自由方式。由 ， ， ，得出：pDdLk24.19?1LS??2k 12.96LpDdS??上拉：一段鉸接，剛性導向，一段剛性固定方式。由 ， ， ，得出：k2.1k 128.34其中 等尺寸在手冊表 20-6-38，表 20-6-41 中查得。1LD，d，p 三個參數(shù)在表 20-6-37 中選取，分別以兩種方式計算在對應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：10 12．5 16 21 2540/28 0.2513 0.1883 0.1264 0.0665 0.032150/36 0.4015 0.3183 0.2364 0.1571 0.111763/45 0.5478 0.4446 0.3430 0.2448 0.188480/56 0.7265 0.6006 0.4768 0.3569 0.2882100/70 0.9306 0.7733 0.6185 0.4686 0.382812590 1.3433 1.1352 0.9304 0.7323 0.6188140/100 1.4729 1.2435 1.0179 0.7995 0.6743160/110 1.5406 1.2977 1.0588 0.8276 0.6950180/125 1.8007 1.5219 1.2477 0.9823 0.8301200/140 2.0713 1.7565 1.4469 1.1473 0.9755220/160 2.5499 2.1762 1.8085 1.4528 1.2488250/180 2.8076 2.3913 1.9819 1.5856 1.3585280/200 3.1309 2.6721 2.2207 1.7839 1.5336320/220 3.2812 2.7954 2.3176 1.8551 1.5901360/250 3.9044 3.3469 2.7983 2.2675 1.9633400/280 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：10 12．5 16 21 2540/28 0.2040 0.1788 0.1541 0.1301 0.116350/36 0.2767 0.2434 0.2107 0.1790 0.160863/45 0.3481 0.3068 0.2662 0.2269 0.2044pD/dpD/d680/56 0.4304 0.3800 0.3305 0.2826 0.2551100/70 0.5403 0.4773 0.4154 0.3555 0.321112590 0.7257 0.6425 0.5606 0.4813 0.4359140/100 0.7992 0.7074 0.6171 0.5298 0.4797160/110 0.8442 0.7471 0.6515 0.5590 0.5060180/125 0.9723 0.8608 0.7511 0.6449 0.5841200/140 1.1015 0.9756 0.8518 0.7319 0.6632220/160 1.3170 1.1675 1.0204 0.8781 0.7965250/180 1.4635 1.2970 1.1333 0.9748 0.8839280/200 1.6168 1.4333 1.2528 1.0781 0.9779320/220 1.7085 1.5142 1.3230 1.1380 1.0320360/250 1.9749 1.7518 1.5324 1.3201 1.1984400/280 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 smv/6.0Th2?工懸點最大載荷為 80kN，即上升行程負重 80kN?；爻搪湎仑撝匕匆韵鹿接嬎悖海▍⒄諈⒖嘉墨I[1]） cbaG21F--F?落式中 ——抽油桿的落下負載落——抽油桿重力G1——活塞桿以及鋼絲接頭等零件重力2F——運動部件的慣性力a——各密封處摩擦阻力b——井下油柱液阻力cF其中除去活塞桿等重力 =9.02kN，其余參數(shù)直接引用文獻[1]中數(shù)據(jù)，得G2F=48.93kN。落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2cm2cm械效率和容積效率手冊上未能查到，故取 。95.0?v?上升沖程，蓄能器與液壓泵同時向液壓缸注油，下降沖程，只有液壓泵向液壓缸供油。7故在一個周期內(nèi)，液壓缸內(nèi)進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： (615.75 300 )+ (301.06 300 )=275043?TV2cm?2cm?3cm，318475上 39018下允許上下沖程速度不等，但要/周期不變，有 stT10??下上設(shè)泵的輸出速率為 X ，蓄能器輸出體積為 Y ，又有 ，scm/3 3cm上上 VY???tX。下下 V??tX考慮到可以使用多個蓄能器并聯(lián)使用，并通過調(diào)整蓄能器工作容量時限要求，故暫設(shè)蓄能器可放出上升行程所需油液的三分之一，即蓄能器實際工作排量為 。3cm6157?W則下行回路中回收部分油液，當壓力過大時，由溢流閥排出。解得 ， ，X=21346.8 。4.23s?上t7s.5下t scm/3則每分鐘流量為 1280808 ，取泵轉(zhuǎn)速（電動機轉(zhuǎn)速 3000r/min） ，容積效率in/3c0.92，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回收油液，液壓缸內(nèi)油液全部進入蓄能器，當蓄能器壓力一定時，由溢流閥回油箱。在下降沖程，重力與液壓泵對活塞的力同時作用，將油液送入蓄能器；上升沖程時懸點重力相對液壓泵與蓄能器的輸出為阻力。分別計算在上升和下降沖程，就懸點外力對活塞面的作用力：，MPa3.175.680p2?cmk上 MPa8.075.619348p2?cmk下即為保障在上升沖程時，蓄能器輸出油液，其出口壓力最小為 。ap3.12由于蓄能器在此作“輔助油源” ，則充氣壓力 ，并Pp7806..02???取指數(shù) K=1.4。要求釋放油液 V=61575mL。由公式 。])1()3./[()78.01(65])1()/[()1( 4.44.200 pppVKK ?????先設(shè) ，算得 ，故可選用 NXQ1-L150/10LR 型氣囊蓄能器。MPap71 267.3cm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 40L的小蓄能器，型號 NXQ1-L150/10LR，用三個三通并行連接。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8裝一個該型號的溢流閥，防止下行回路中液壓泵做負功最小壓力設(shè)定為 0.8MPa。3.4 液壓回路中各元件對應型號元件 型號 件數(shù) 備注液壓泵 A7V500 1 配 3000r/min 電動機液壓缸 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 機械部分設(shè)計4.1 塔架部分的設(shè)計塔架可由建筑塔吊的部件改造而來，使用 Q235 角鋼焊接成型。整體塔架的各個部分均用 Q235 型鋼焊接而成。對塔吊塔架進行測繪，得到實體圖后進行有限元應力分析，如下圖圖 6 中部塔架零件校核應力分析經(jīng)分析，最大應力僅有 8.63Mpa，而且應力分布較為均勻，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行分析。9圖 7 底部塔架零件校核應力分析下部分支架應力也遠小于 Q235 角鋼的屈服強度極限。與水泥臺地腳螺栓連接的底座部分，通過有限元分析，得知需進行加強部分的焊接設(shè)計，以盡量減小應力。圖 8 底座零件校核應力分析左圖為初始設(shè)計未有加強筋設(shè)計時的應力分布情況，如右圖，加強后應力分布情況得以明顯改善，最大應力明顯降低。4.2 扶正系統(tǒng)為保證液壓缸與水平地面的垂直度，防止在工作時因傾斜角度過大，隨工作時間的增長產(chǎn)生偏磨損傷，故設(shè)計此系統(tǒng)。由于塔架各零件均為焊接件，故加工精度不做過高要求，但誤差不會太大，故設(shè)計以下微調(diào)的方法，幫助液壓缸剛體扶正，即加工誤差在裝配中的補償。10圖 9 扶正系統(tǒng)示意在塔架頂端的平面設(shè)置四個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 4 個零件的高度。調(diào)整固定液壓缸水平面相對于地面的平行程度，來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力分析與之連接的兩個零件，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。由于焊接件形狀復雜，應力分布情況也較為復雜，但仍未超出 235Mpa 的屈服強度極限。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縫鋼管焊接而成的連桿，其應力也在安全范圍。11圖 12 頂部連桿零件校核應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，制造時焊接上加強筋，其應力情況如下。圖 13 頂部蓋板零件校核應力分析頂部法蘭直接連接液壓缸缸體，受力最為直接，其應力也較大。圖 14 頂部法蘭零件校核應力分析在兩個臺階之間添加了 R5 的圓角之后，應力情況改善如下，值得一提的是，R10 的圓角時，最大應力反而變大了。12圖 15 倒 R5 圓角后應力改善情況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 安裝與找正安裝時首先在井口附近砌水泥臺，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，以方便接下來的塔架加高，水泥臺劃線必須注意，井口的抽油桿出口應在中心，誤差不允許過大。13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 個螺孔和工程線、重錘等建筑用垂直度測量設(shè)備，通過調(diào)整 4 個螺栓的高度，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)整三角形頂點相對于中心垂線的位置，如次可14避免因鋼絲繩拉動方向不與地面垂直，導致塔架在水平方向上受力，使之整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。該誤差來自于地面水泥臺的水平程度以及機械加工時塔架自身的傾斜，但誤差不會太大，否則塔架產(chǎn)品不合格或者水泥臺需要重新搭建。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。此時圖 20 位置上的三角形頂點與抽油桿共線。法蘭盤上用于安裝螺栓的孔也是較為松動，為的是在安裝液壓缸時，調(diào)整螺栓松緊，使液壓缸軸線與抽油桿垂直，放置在工作時徑向受力，造成偏磨。因為重力，以及懸點載荷，調(diào)整好后的系統(tǒng)不易再變動，因此在安裝時確定可行后，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 謝首先感謝指導老師廖結(jié)安老師提出這樣一個綜合性較強的畢業(yè)設(shè)計課題，并在設(shè)計過程中給予監(jiān)督與指導。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)計上給予的指導和批評，以及在大學四年中各位授課老師對本人知識的傳授。同時也感謝同樣在做畢業(yè)設(shè)計的同學們與本人在畢業(yè)設(shè)計上問題的交流探討。畢業(yè)設(shè)計是本科生在大學本科階段的最后一次設(shè)計，是對專業(yè)知識技能綜合應用的考驗，本人并不是優(yōu)等生，但是此次設(shè)計是盡全力完成的。相信老師們在審閱畢業(yè)設(shè)計的同時也是在尋求一種慰藉：“4 年的授課總算有成效，沒有白費” ，希望老師能在本篇設(shè)計中找到這種感覺，因為就目前而言一個畢業(yè)生能報答老師的僅此而已。如果設(shè)計欠佳，希望老師們對本片設(shè)計的錯誤及缺點嚴厲批評，學生會將此教導作為本科最后的授課，謹記終生。15參考文獻[1]陳春安,陳鐵民.YCH —II 型液壓抽油機的研制..石油機械,1988 年,16 卷(11 期).[2] 孔昭瑞.國內(nèi)抽油機的發(fā)展趨向[J].石油機械，1995,23(2):49 54.[3] 薄濤.中國液壓抽油機的發(fā)展概況與技術(shù)水平[J]. 鉆采工藝 2002, 25(2):60-62.[4] 荀昊.國外液壓抽油機的發(fā)展概況與技術(shù)水平[J]. 新強石油科技 2001，11（1）：62-63.[5] 張彥延 ,潘紅政,金文倩,李高升,張作龍.液壓技術(shù)在抽油設(shè)備上的應用[J].石油機械,2000,28 (4):49-50.[6]張連山.國外抽油機的技術(shù)發(fā)展.石油機械,1999,(27):54 -56 .[7]張連山.2010 年世界新型抽油機技術(shù)發(fā)展預測[J]. 鉆采工藝編輯部， 1999 年.[8]陳春安,陳鐵民.YCH-II 型液壓抽油機的研制 ,石油機械 1988,11[9]許福玲,陳堯明.液壓與氣壓傳動.第三版.北京,機械工業(yè)出版社 ,2008 年.16[10]大連理工大學工程圖學教研室.機械制圖.第六版.北京 ,高等教育出版社,2007 年.[11]成大先.機械設(shè)計手冊(液壓傳動卷 ).北京:化學工業(yè)出版社,2004 年.