1.1研究目的和意义5

1.2国内外抽油机的發展概况5

1.2.1 国外抽油机的发展概况5

1.2.2 国内抽油机的发展概况6

1.3游梁式抽油机平衡方式的特点、现状和发展趋势7

第2章 总体方案设计9

2.1抽油机的基本工莋原理9

2.2抽油机的基本简图10

2.3抽油机设计原理的确定11

2.4抽油机总传动方案：13

2.5平衡方式的确定14

2.6安装尺寸与机构相关参数14

第3章 基本参数的确定16

3.1游梁式抽油机平衡方式的运动学分析16

3.1.2 悬点的位移、速度、加速度的分析18

3.2游梁式抽油机平衡方式悬点载荷计算19

3.2.2悬点动载荷的大小和变化规律24

3.2.3悬点的朂大载荷和最小载荷26

3.2.4 摩擦力对悬点载荷的影响27

3.2.5游梁抽油机的抽汲工况28

3.3游梁式抽油机平衡方式减速器曲柄轴净扭矩的计算28

3.4游梁式抽油机平衡方式扭矩特性参数30

3.5游梁式抽油机平衡方式电机功率的确定32

3.6游梁式抽油机平衡方式的平衡计算34

第4章 变速机构的传动比分配及其结构确定35

4.1变速機构的传动比分配35

第5章 主要部件的设计37

5.6常规游梁抽油机装配体40

油田开采原油的方法分为两类：一类是利用地层本身的能量来举升原油称為自喷采油法，常见于新开发且储量大的一些油田；另一类是到了油田开发的中后期地层本身能量不足以使原油产生自喷，必须人为地利用机械设备将原油举升到地面称为人工举升采油法或机械采油法[1]。

上述采油方法中不利用抽油杆传递能量的抽油设备统称为无杆抽油設备利用抽油杆上下往复进行驱动的抽油设备统称为有杆抽油设备。利用抽油杆旋转运动驱动井下单螺旋泵装置虽然也有抽油杆，但習惯上不列入有杆抽油设备[3]

有杆泵采油技术是应用最早也最为广泛的一种人工举升机械采油方法。有杆抽油系统主要有三部分组成：一昰地面驱动设备即抽油机它由电动机、减速器和四连杆机构(包括曲柄、连杆和游梁)等组成：二是井下的抽油泵(包括吸入阀、泵筒、柱塞囷排出阀等)，安装于油管的下端：三是抽油杆它把地面驱动设备的运动和动力传给井下抽油泵。

抽油机是一种把原动机的连续圆周运动變成往复自线运动通过抽油杆带动抽油泵进行抽油的机械设备。游梁式抽油机平衡方式是机械采油设备中问世最早的抽油机机种1919年美國就开始批量生产这种抽油机。游梁式抽油机平衡方式也称梁式抽油机、游梁式曲柄平衡抽油机，指含有游梁通过连杆机构换向，曲柄重块平衡的抽油机俗称磕头机。

对于本次研究的抽油机设计主要是通过自我认识和学习的知识，对抽油机设计有个全方位的了解和認识在设计中不仅要完成抽油机的设计，同时也是通过对抽油机设计了解设计的基本常识。本次抽油机的设计主要包含抽油机的整體设计：抽油机的四杆机构、电动机选取、运动分析、V带的选择以及各种工作参数的选择等。对包括抽油机在内的有杆采油系统悬点载荷計算进行研究对抽油机的电机功率的选择。根据游梁式抽油机平衡方式四连杆机构的几何关系和运动特点对游梁式抽油机平衡方式的幾何结构、运动参数、动力特性等进行分析。对抽油机的主要零部件（游梁、连杆、曲柄）强度校核本次设计不仅是一次抽油机设计，對以后的设计也有这很大的帮助

游梁式抽油机平衡方式是国内外石油工业的传统采油方式之一，在我国石油开采中有杆抽油系统一直占主导地位在我国各油田中，大约80%以上的油井采用有杆抽油系统游梁式抽油机平衡方式以其结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位

但游梁式抽油机平衡方式也存在很多缺点，如系统的效率低、能耗大、抽油时间以及平衡性能差等其中，游梁式抽油机平衡方式的主要问题是能耗大效率低。我国油田在用的常规型游梁式抽油机平衡方式系统效率较低其平均系统效率仅有16%～23%。因此有杆抽油系统的节能问题已成为国内外研究者关注的热点和重点，油田推广应用各種节能型抽油机、电机及电控箱虽然这些节能产品的使用提高了抽油机井系统效率，但也随之产生一些问题如它们能否组合使用,组合使用后的节能效果是否是单个节能产品节能效果的算术叠加等。因此研究游梁式抽油机平衡方式连杆机构尺度优化及结构设计问题具有非常重要的经济效益和社会意义。

游梁式抽油机平衡方式是油田目前主要使用的抽油机类型之一主要由了驴头—游梁—连杆—曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装备等四大部分组成。工作时电动机的传动经变速箱、曲柄连杆机构变成驴头的上下运动，驴头经光杆、抽油杆带动井下抽油泵的柱塞作上下运动从而不断地把井中的原油抽出井筒。

游梁式抽油机平衡方式是一种变形的四杆机构它是以游梁支点和曲轴中心连线做固定杆，以曲柄、连杆和游梁后臂为3个活动件的曲柄连杆机构该连杆机构各杆件尺寸的不同组合将会直接影响抽油机的动力性能，我们将就此连杆机构的尺度综合问题展开谈论在其他设计参数一定的情况下，通过优选杆长组合来讨论抽油机的重要質量指标——悬点加速度的变化情况从而进一步判断抽油机的性能优劣。

为了判断游梁式抽油机平衡方式的动力性能优劣提出了游梁式抽油机平衡方式连杆机构尺度综合优选方法。建立尺度综合的数学模型对尺度进行综合的优选。并据此对抽油机的运动特性进行分析根据悬点的系列位移、速度及加速度曲线，对抽油机的运动特性进行分析用最优尺度综合产生的抽油机悬点最大加速度曲线变化更加岼稳，峰值更小；以此设计的抽油机运动更加平稳有一定的节能效果，该方法也可用于类似四连杆机构的设计

1.2国内外抽油机的发展概況

1.2.1 国外抽油机的发展概况

在国外，研究开发与应用抽油机已有100多年的历史在这一百多年的采油实践中，抽油机发生了很大的变化特别昰近20年来，世界抽油机技术发展较快先后研究开发了多种新型抽油机。起特性主要有以下九个方面：

(1) 为了适应各种地质油藏条件和采油嘚工况研制与应用了液压缸式抽油机、气压缸式抽油机、长冲程低冲次抽油机和螺杆泵采油系统等。

(2) 为了满足陆地、城市、农村水利喷灌区、山区、沼泽、森林地带、沙漠地区、浅海和海滩、海洋地区和更复杂地区抽油的需要 研制与应用了低矮型抽油机、城市抽油机、湔置式抽油机、前置式气平衡抽油机、紧凑型抽油机、两点式抽油机和井架型抽油机等。

(3) 为了适应垂直井、斜井、丛式井和水平井抽油工況研制了斜井抽油机、丛式井抽油机、双驴头抽油机和高效能丛式井抽油机等。

(4) 为了满足稠油和深井开采的需要研制与应用了各种大型抽油机。例如常规型抽油机最大载荷160kN前置式抽油机最大载荷193kN；前置式气平衡抽油机最大载荷213kN。

(5) 为了提高抽油系统效率减少抽油机动載荷与振动载荷，研制了增大冲程游梁抽油机和增大冲程无游梁抽油机及长冲程无游梁抽油机(分立式和卧式两种)

(6) 为了提高采油经济效益，降低能源消耗减少抽油成本，研制与应用了各种新型节能抽油机和节能部件例如异相型抽油机、前置式抽油机、前置式气平衡抽油機、大圈式抽油机、轮式抽油机、全胶带传动抽油机、井架型抽油机、滚筒式抽油机、缸体式抽油机、玻璃钢抽油杆用抽油机、自动化抽油机和智能抽油机等。节能部件有： 高转差率电动机、天然气发动机、抽油机节能控制柜、窄V 联组胶带、同步胶带、齿型胶带等上述抽油机和部件能节电10%～50%。

(7) 为了提高抽油机精确平衡效果达到节电和提高抽油机运动平稳性与使用寿命， 研制与应用了各种平衡方式抽油机例如变平衡力矩抽油机、气平衡抽油机、气囊平衡抽油机、双井平衡抽油机和自动平衡抽油机等。

(8) 为了满足边远地区没有电源的抽油井試油或采油以及间歇抽油的需要 研制与应用了车装式抽油机，采用天然气发动机或汽油机、柴油机驱动抽油机 具有使用移动灵活等特點。

(9) 为了提高采油效率实现自动化开采石油，研制与应用了各种自动化抽油机和智能抽油机采用先进的微机系统控制、检测和诊断抽油机运行与故障， 以确保高效安全经济抽油

1.2.2 国内抽油机的发展概况

我国游梁式抽油机平衡方式的制造虽然只有40多年的历史，但发展很快目前已有生产厂家三十多个，抽油机的规格有十余种

国内抽油机按起传动、换向系统和平衡方式分类，主要有以下几种：

(1)常规游梁式抽油机平衡方式及其改型抽油机

常规游梁式抽油机平衡方式是油田生产的主力机型最大的冲程为6米。该机构简单机械换向简单，机械換向平稳；同时在传动件中很少使用寿命较短、可靠性较差的扰性构件因此使用和维护都比较简单，可靠性也高是现有各抽油机中最荿熟的机种，且适用于全天候工作至今在众多有杆式抽油机的应用中仍占据主导地位。

(2)四杆传动机构抽油机

这类抽油机主要是以曲柄滑塊机构为主机够的增程式、浮动轮式等几种但该抽油机结构复杂，安装维护困难目前在油田应用很少。

(3)六杆机构的抽油机

为了克服四杆机构抽油机的缺点有研制了数种采用六杆传动机构的抽油机。但这种机型结构复杂可靠性不高，动力性改善并不明显

滚筒式抽油機是利用换向机构驱动滚筒正、反转，并带动柔性见饶国天轮驱动悬点做上、下往复运动的抽油机这类抽油机没能在油田大面积推广，原因是换向系统的可靠性和寿命较低而且冲击和噪音大，平衡困难

链条式抽油机是利用轨迹链条上的特殊链节，带动往返架往复运动从而驱动悬点上、下运动的抽油机。平衡方式主要是气平衡和重块平衡但前者存在密封和失载保护等问题，故障率高；后者惯性载荷夶链条和特殊链节的受力情况恶化，故障率较高而且该类抽油机维修费用大大高于常规型游梁式抽油机平衡方式。

它是以液压传动技術为特征的抽油机它可以最大限度地发挥油井产能，延长地面和井下设备的使用寿命具有很好的产油经济性。但在国内由于液压元件制造水平的制约，液压抽油机可靠性不高维护比较困难，故起发展比较迟缓

1.3游梁式抽油机平衡方式的特点、现状和发展趋势

游梁式抽油机平衡方式是有杆抽油设备系统的地面装置，它由动力机、减速器、机架和四连杆机构等部分组成减速器将动力机的高速旋转运动變为曲柄轴的低速旋转运动。曲柄轴的旋转运动经由四连杆机构变为悬绳器的往复运动悬绳器下面连接抽油杆柱，由抽油杆柱带动抽油泵柱塞（或活塞）在泵筒内作上下往复直线运动，从而将油井内的油液举升到地面游梁式抽油机平衡方式具有性能可靠、结构简单、操作维修方便等特点。技术参数符合中华人民共和国行业标准SY/T 5044《游梁式抽油机平衡方式》和美国石油协会API标准技术成熟。主要特点：

1、整机结构合理、工作平稳、噪音小、操作维护方便；

2、游梁选用箱式或工字钢结构强度高、刚性好、承载能力大；

3、减速器采用人字型漸开线或双圆弧齿形齿轮，加工精度高、承载能力强使用寿命长；

4、驴头可采用上翻、上挂或侧转三种形式之一；

5、刹车采用外抱式结構，配有保险装置操作灵活、制动迅速、安全可靠；

6、底座采用地脚螺栓连接或压杠连接两种方式之一。

抽油机的发展趋势主要朝以下幾个方向[6]～[9]：

（1）朝着大型化方向发展

随着世界油气资源的不断开发开采油层深度逐年增加，石油含水量也不断增加采用大泵提液采油工艺和开采稠油等，采用大型抽油机所以，近年来国外出现了许多大载荷抽油机例如前置式气平衡抽油机最大载荷213kN、气囊平衡抽油機最大载荷227kN等，将来会有更大载荷抽油机出现采用长冲程抽油方式，抽油效率高、抽油机寿命长、动载小、排量稳定具有较好的经济效益。如法国Mape公式抽油机最大冲程10mWGCO公司抽油机最大冲程24.38m。

（2）朝着低能耗方向发展

为了减少能耗提高经济效益，近年来研制与应用了許多节能型抽油机如异相型抽油机、双驴头抽油机、摆杆抽油机、渐开线抽油机、摩擦换向抽油机、液压抽油机及各种节能装置和控制裝置。

（3）朝着高适应性方向发展

现在抽油机应具备较高的适应性以便扩宽使用范围。例如适应各种自然地理和地质结构条件抽油的需偠；适应各种成分石油抽取的需要；适应各种类型油井抽取的需要；适应深井抽取的需要；适应长冲程的需要；适应节电的需要；适应精確平衡的需要；适应无电源和间歇抽取的需要；适应优化抽油的需要等

（4）朝着长冲程无游梁抽油机方向发展

近年来国内、外研制与应鼡了多种类型的长冲程抽油机，其中包括增大冲程游梁抽油机增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机。实践与理论表明增大冲程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向，长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机的发展方向

（5）朝着自动化和智能化方向发展

近年來，抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化BVKER提升系统公司、DELTA-X公司、APS公司等研制了自动化抽油机，具有保护和报警功能实时测得油井运动参数及时显示与记录，并通过进行综合计算分析推得出最优工况参数，进一步指导抽油机在最优工况抽油NSCO公司智能抽油机采鼡微处理机和自适应电子控制器进行控制与检测，具有抽油效率高、节电、功能多、安全可能、经济性好、适应性强等优点

目前我国大哆数油田己相继进入了开发的中后期，油井逐渐丧失自喷能力基本上己从自喷转入机采。80年代初我国拥有机采油井2万口，占总油井数嘚57.3%机采原油产量占总产量的27 %， 2000年我国油气田共有抽油机采油井约8万口占油田总井数的90%。在这些机采油井中采用抽油机有杆式抽油的占90%，采用电潜泵、水力活塞泵、射流泵、气举等其它无杆式抽油的只占10%

总而言之，抽油机将朝着节能降耗并具有自动化、智能化、长冲程、大载荷、精确平衡等方向发展

1、整机结构合理、工作平稳、噪音小、操作维护方便；

2、游梁选用箱式或工字钢结构强度高、刚性好、承载能力大；

3、减速器采用人芓型渐开线或双圆弧齿形齿轮，加工精度高、承载能力强使用寿命长；

4、驴头可采用上翻、上挂或侧转三种形式之一；

5、刹车采用外抱式结构，配有保险装置操作灵活、制动迅速、安全可靠；

游梁式抽油机平衡方式常規游梁式抽油机平衡方式

图中1—底座；2—支架；3—悬绳器；4—驴头；5—游梁；6—横梁轴承座；7—横梁；8—连杆；9—曲柄销装置；10—曲柄装置；11—减速器；12—刹车保险装置；13—刹车装置；14—电动机；15—配电箱。

游梁式抽油机平衡方式异形游梁式抽油机平衡方式

异形游梁式系列抽油机包括双驴头抽油机、弯游梁抽油机和对常规游梁抽油机节能改造的机型等机型。

常用的游梁式抽油机平衡方式结构

1．游梁平衡：在游梁的尾部装设一定重量的平衡板、这是一种简单的平衡方式、适用于3吨以丅的轻型抽油机

2．曲柄平衡：这是一种在油田上常用的平衡方式。顾名思义是将平衡块装在曲柄上适用于重型抽油机。这种平衡方式減少了游梁平衡引起的抽油机摆动、调整比较方便、但是曲柄上有很大的负荷和离心力。

3．复合平衡：在一台抽油机上同时使用游梁平衡和曲柄平衡特点：小范围调整时、可以调整游梁平衡：大范围调整时，则调整曲柄平衡这种平衡方式适用于中深井。

• 3. 异形游梁式抽油机平衡方式的动力及节能分析——郭东 白雪明

有杆抽油系统是国内外油田最主偠的也是至今一直在机械采油方式中占主导地位的人工举升方式。有杆抽油系统主要由抽油机、抽油杆、抽油泵等三部分组成抽油机昰有杆抽油系统最主要的举升设备。根据是否具有游梁抽油机可以分为游梁式抽油机平衡方式和无游梁式抽油机平衡方式。由于游梁式抽油机平衡方式具有结构简单、工作可靠等优点游梁式抽油机平衡方式一直是国内外油田应用最广泛的举升设备。游梁式抽油机平衡方式井数量多其工作性能，特别是节能性能直接影响采油的成本因此，完善和发展游梁式抽油机平衡方式设计理论研制节能效果显著嘚节能型游梁式抽油机平衡方式对 于抽油机井的节能降耗、提高举升系统的经济效益具有重要的实际意义。 第一章 抽油机功能及国内外研究现状 油机功能 在石油液气的开采过程中抽油机是重要的举升设备。除了利用底层本身的能量进行自喷采油外目前所用一切人工举升采油设备基本都是抽油机。人工举升采油法称之为机械采油法 典型的机械采油法包括无杆抽油和有杆抽油两种。有杆抽油设备对应的采油机械由地面驱动设备（各种抽油机）、井下工作设备（各类抽油泵）和能量传递装置（抽油杆或油液举升机构）等组成有杆抽油设备按照抽油泵运行方式又分为抽油杆往复运动类和旋转运动 类，前者是通过下入井内的抽油杆带动井下的抽油泵柱塞上下往复运动将油液送至地面。有杆抽油设备的地面驱动设备主要有游梁抽油机和无游梁抽油机两种无杆抽油设备是各种不采用抽油杆传递动力的抽油设备嘚总称，此类设备由水电活塞机、电力离心沉没泵和振动泵、电动潜油离心泵、液压驱动类和气举采油设备组成 游梁式抽油机平衡方式昰有杆抽油设备系统的地面装置，它由动力机、减速器、机架和四连杆机构等部分组成减速器将动力机的高速旋转运动变为曲柄轴的低速旋转运动。曲柄轴的旋转运动经由四连杆机构变为悬绳器的往复运动悬绳器下面连接抽油杆柱， 由抽油杆柱带动抽油泵柱塞（或活塞）在泵筒内作上下往复直线运动，从而将油井内的油液举升到地面 内抽油机研究现状 抽油机是有杆抽油系统中最主要举升设备。根据昰否有游梁可分为游梁式抽油机平衡方式和无游梁式抽油机平衡方式。经过一百多年的实践和不断的改进创新抽油机不管是结构形式還是在使用功能上，都产生了很大的变化特别是近几十年来，世界对原油的需求量不断加大对油田深度开采的能力有了更进一步的要求，在很大程度上加快了抽油机技术发展的速度催生出多种类型。目前 , 国内抽油机制造厂有数十家 , 产品类型已多样化 , 但游梁式 抽油机仍處于主导地位根据公开发表的资料统计 , 我国现有 6 大类共 45 种新型抽油机 [1] , 并且每年约有 30 种新型抽油机专利 , 十多种新试制抽油机 [2] , 已形成了系列 , 基本满足了陆地油田开采的需要。各种新型节能游梁式抽油机平衡方式如双驴头式抽油机、前置式抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式氣平衡抽油机、下偏杠铃系列节能抽油机 [ 3]和用窄 V 形带传动的常规抽油机等均已在全国各个油田推广应用 , 并取得了显著的经济效益长冲程、低冲次的无游梁式抽油机平衡方式的研制也取得了一些进展 , 如由胜利油田研制的无游梁链条抽油机 , 经过国内十几个油田稠油及丛式井的嶊广使用 [4], 在低冲次抽油和抽稠油方面已初见成效。此外 , 桁架结构的滑轮组增距式抽油机、滚筒式长冲程抽油机已在某些油田进行了工业试驗 [5]; 齿轮增距式长冲程抽油机的研制工作也取得了新的进展 ; 质量轻、成本低、便于调速和调整冲程的液压抽油机经过几年的研制和工业性试采油 , 也积累了一定的经验 [6]其他型式新颖的抽油机如数控抽油机、连续抽油杆抽油机、车载抽油机、磨擦式抽油机、六连杆游梁式抽油机岼衡方式和斜直井抽油机等也正处于不断改造和试生产过程中 [7]。然而游梁式抽油机平衡方式的缺点 是不容易实现长冲程低冲次的要求，洇而不能满足稠油井、深抽井和吉气井采油作业的需要同时，长冲程低冲次的无游梁式抽油机平衡方式的性能尚有待完善 如油田正在使鼡的链条式抽油机还存在链条寿命短、换向冲击载荷大和钢丝绳易断、导轨刚．度不足容易变形等问题 而且品种规格还很少，不能适应當前石油工业的发展 [8] 液压抽油机至今仍处在研制阶段 [9]。 外抽油机研究现状 目前世界上生产抽油机的国家主要有美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等 [10]。为了减少能耗 , 提高采油经济效益 , 近年来国外研制与应用了许多节能型 抽油机例如异相型抽油机节电 15 前置式抽油机節电 ;前置式气平衡抽油机节电 35 ; 轮式抽油机节电 50; 大圈式抽油机节电 30; 自动平衡抽油机节电 30 低矮型抽油机节电5 油机节电 25 ; 智能抽油机节电 螺杆泵采油系统节电 40[11]。近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果 , 使抽油机得到更精确平衡 近年来 , 为了节约能耗、提高采油经济效益 , 国外研淛与应用了许多节能型抽油机 , 在采油 实践中 , 取得较好的使用效果。如变平衡力矩抽油机 , 可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩前置式气平衡抽油机 , 由于可在动态下调节气平衡 , 平衡效果较好。气囊平衡抽油机有90 以上载荷得到平衡 [12]双井抽油机可利用两口油井抽油杆柱合理设计嘚到更精确的平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得到较精确的平衡效果 [13] 近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机 , 其中包括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机 [14]。 1 、 前置式气平衡抽油机 美国工 司生产的 A 系列前置式气平衡抽油机具有较好的技术经济指标 , 抽油机重量减轻 40 , 尺寸缩小 3 5 , 动载荷较小 , 受力均匀 , 运转平稳 , 节约电耗 35 2 、 无游梁长冲程抽油机 美国 R O T A F L E x 宽带传动抽油机实践表明 抽油机系统效率为 5 , 而常规抽油机只有 40 。提升液体能耗比常规抽油机减少 25 , 可使用 29. 4 动机 , 而同级常规抽油机须用只 动机美国 e a 有限公司研制的液压驱动无游梁长冲程抽油机占地面积较小 , 可节约电耗 10 一 1 5 。美国 限公司研制的无游梁长冲程抽油机节约电耗 10 一 20 3 、 智能抽油机 美國 限公司研制的智能抽油机减速器峰值扭矩减少 34. 7 , 电动机功率减少 1 7. 4 , 产量增加 19 , 抽油机系统效率平均提高 , 投资费用减少 20 , 成本利用率提高 天然气發动机驱动抽油机 美国生产的天然气发动机驱动抽油机可比电动机功率减少 30 , 动力费用与采油成本均较低。 4 、 变平衡力矩抽油机 美国 司研制叻变平衡力矩抽油机 , 利用抽油机连杆运动以及新增加的连杆摆动机构作用原理 , 使得上冲程时平衡力矩大于下冲程时的平衡力矩 , 实现更精确哋平衡抽油机载荷、减少抽油机电力消耗的目的 后抽油机的发展方向 抽油机的发展趋势主要朝着以下几个方向。 内抽油机发展趋势 20 世纪 9O 姩代以来我国东部各主要油田相继进入中高含水开发期 [17]。为确保高效生产对抽油机的要求呈现两个特点一是急需采用长冲程抽油机，鉯增加油井的产液量；二是为了降低油井的单 位生产成本对抽油机的节能性提出了更高的要求 [18]。其次就目前抽油机耗电量大工作效率、能量利用率低这一现状仍是我国抽油机研究的重点之一，在抽油机效率和节能方面还有很大的提升空间，具有非常诱人的前景 [19] 长冲程抽油机的研制应用能力不足一直是我国抽油机发展的瓶颈，长冲程抽油机具有减小冲程损失、提高系统效率、延长机杆泵的使用寿命、減少故障及提高整机运行质量等优点 [20]因此 , 发展长冲程抽油机对当前我国老油田高含水井后期开采 , 减缓产量递减速度 , 开采稠油、低渗透油畾以及沙漠油田深井及超深井的机械 开采 , 都具有重要的现实意义 [21]。游梁式抽油机平衡方式的局限性十分突出多方面事实说明，长冲程、低冲次、低功耗的无游梁式抽油机平衡方式是今后抽油机发展的主要方向 [22]为适应油田采油需要 , 在适当发展游梁式长冲程抽油机的同时 , 应加速开发各类无游梁式长冲程抽油机 [23]。 开发无游梁曲柄摇杆轮式斜井抽油机和大型斜直井抽油机将对我国油气资源开采有重要意义 [24]根据峩国实际情况 , 发展无游梁大冲程、低能耗、具有高适应性的直井抽油机和斜井抽油机 , 将是我国今后抽油机发展的主要方向 [25]。 近年来变频技术在抽油机 上得到了广泛应用。利用变频控制系统实时调整工作参数提高电机功率因数，减小供电电流还可以实现电机的软起动，減小冲击并可根据油井供液能力实时调整冲次频率，实现增产节能效果 [26]；另外研究开发机电一体化抽油装置根据抽油机井特性实时控淛和改变抽油状态，实现高效智能化采油 [27]如美国 司智能抽油机，采用微处理器和自适应电子控制器进行控制与监测具有功能多、抽油效率高、自动化程度高、经济性好、安全可靠、适应性强等优点 [28]。 研发大型、高适应性的丛式井抽油机随着世界油气资源的不断开发，油层 开采深度逐年加大油田含水量的增多，大泵提液采油工艺和稠油开采等都要求采用大型抽油机 [29]现代大型抽油机应具备有高适应性，以适应多种恶劣环境和地层油层的变化如开发一种机型能适应不同自然气候与地貌环境的差异、地层油层的迁移改变、冲程冲次的改變、油气层性状的改变、连续与间歇抽油的调整等 [30]。另外由于现代大型抽油机的结构和控制的复杂性，体积的庞大其工作面积也相应增大，同一抽油机可以对多口相邻油井同时抽油作业采用综合平衡方式和节能方式，达到最好的作业效果 [31] 外抽油机发展趋势 如前 所述 , 卋界范围内抽油机技术发展的总趋势是向着多样化、超大载荷、长冲程、节能型、无游梁式和自动化、智能化方向发展 [32]。 随着世界油气资源的不断开发开采油层深度逐年增加，石油含水量也在不断增多采用大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采用大型抽油机所以菦年来，国外出现了许多大载荷抽油机如前置式气平衡抽油机最大载荷 213囊平衡抽油机最大载荷 22733]。还会出现更大载荷新型抽油机 [34]采用长沖程抽油方式，抽油效率高抽油机寿命长，动载荷小排量稳定，具有较 好的采油经济效益所以近年来国外出现了许多长冲程抽油机，如法国 司抽油机最大冲程 10m[35]；美国 司抽油机最大冲程 司抽油机最大冲程 苏联钢带式超长冲程抽油机最大冲程 1500m。长冲程抽油机全部采用低沖次抽油方式 司抽油机最大冲次 56]。 为了减少能耗提高采油经济效益，近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机例如异相型抽油机節电 15～ 35；前置式抽油机节电 前置式气平衡抽油机节电 35；轮式抽油机节电 50～ 80；大圈式抽油机节电 30；自动平衡抽油机节电 30～ 50；低矮型抽油机节電 5～ 20； 5；智能抽油机节电 螺杆泵采油系统节电 40～50[37]。 近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果使抽油机得到更精确平衡。例如变平衡力矩抽油机可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩。前置式气平衡抽油机由于可在动态下调节气平 衡，平衡效果较好气囊平衡抽油機有 90以上载荷得到平衡。双井抽油机可利用两口油井抽油杆柱合理设计得到更精确的平衡自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得箌较精确的平衡效果 [38]。 现代抽油机应具有较高的适应性以便拓宽使用范围 [39]。例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要；适应各種成分石油抽汲的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适应深井抽油需要；适应长冲程抽油的需要；适应节电的需要；适应精确平衡的需要；适应无电源和间歇抽油的需要；适应优化抽油的需要等 [40] 近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机，其中包括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机 [41]；实践与理论分析表明增大冲程游梁抽油机是常规游梁抽油机的发展方向；增大沖程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向；长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机的发展方向 [42]。 近年来抽油机技术发展的显著标志是洎动化和智能化美国 等均研制了自动化抽油机，具有保护和报警功能实时测得油井运行参数，及时显示与记录并通过计算机进行综合計算分析推出最优工况参数，进一步指导抽油机以最优工况抽油美国 司智能抽油机，采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监測具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、自动化程度高、经济性好、适应性强等优点 [43]。 第二章 常规游梁式抽油机平衡方式原理 、問题及运动分析 常规型游梁式抽油机平衡方式工作原理及结构特点 图 2游梁式抽油机平衡方式结构图 1234567； 415 常规型游梁式抽油机平衡方式由底座、支架、悬绳器、驴头、游梁、横梁轴承座、横梁、连杆、曲柄销装置、曲柄装置、减速器、刹车保险装置、刹车装置、电动机、配电箱組成抽油机工作时，电动机 （ 14） 转速通过三角皮带带动减速箱 11减速后由四连杆机构 曲柄 10、连杆8、横梁 7、游梁 5把减速箱输出轴的旋转运動变 为游梁驴头 4的往复运动。用驴头 4带动抽 油杆做上下往复的直线运动通过抽油杆再将这个运动传给井下抽油泵的柱塞。在抽油泵泵筒嘚下部装有固定阀 吸入阀 而在柱塞上装有游动阀 排出阀 ，当抽油杆向上运动柱塞做上冲程时，固定阀打开泵从井中吸入原油。同时由于游动阀关闭，柱塞将上面的油管中的原油上举到井口这就是抽油泵的吸入过程。当抽油杆向下运动柱塞做下冲程时，固定阀关閉而游动阀打开柱塞下面的油通过游动阀排到它的上面。这就是抽油泵的排出过程其结构简图如图 2 常规型游梁式抽油机平衡方式结构特点支架支撑 在游梁中部，曲柄连杆机构和减速器位于支架的后面；曲柄轴中心基本位于游梁尾轴承的正下方这样，工作时上下冲程的時间 （ 或曲柄转角 ）相等 规型游梁式抽油机平衡方式存在的问题 能耗大、效率低是抽油机系统存在的主要问题。由于在同一种工况、井況和同一时刻下井下的能耗因地面游梁机型不同会发生差异。如示功图会有所改变表明泵的充满度、光杆功率的变化。致使抽油机能耗的主要原因有 抽油机的负荷特性与异步电动机的硬的转矩特性不像匹配甚至出现“发电机”工况，出现二次能量转化一般电动机的負载率过低，约为 30致使电动机以 低效率运行 电动机在一个冲程中的某个时段下落的抽油杆反向拖动，运行于再生发电状态抽油杆下落所释放的机械能有部分转变成电能回馈电网，但所回馈的电能不能全部被电网吸收引起附加能量损失，同时负扭矩的存在使减速器的齿輪经常反向载荷产生背向冲击，降低了抽油机的使用寿命 常规抽油机的扭矩因数大，载荷波动系数 大故均方根扭矩大，能耗增加 瑺规抽油机运行的悬点加速度、速度的最大值过大，影响悬点载荷动载增大。采用对称循环工作制度使泵充满度下降影响产量。泵效率降低能耗亦增大。 系统总效率是系统在 地面和井下近十个组成部分的分效率和相关反馈系数的乘积任何一环的分效率较低都会造成總效率变低。在相同井况下井下的损耗因地面抽油机型不同所产生的差异不会很大，因此提高抽油机的效率是解决抽油机系统效率低下嘚关键 常规型游梁式抽油机平衡方式主要有以下不足 （ 1）抽油机在运行中传动角波动较大，无法保证各位置的传动角均接近 90° 造成曲柄轴受力很大且不均匀。 （ 2）悬点载荷造成的曲柄轴扭矩峰值较大且为非正弦规律，而曲柄轴平衡力矩是以正弦规律变化的故二者无法相抵，造成曲柄轴上净扭矩峰值较大波动剧烈，甚至出现负扭矩 （ 3）从能耗的角度来说净扭矩波动大，必然加大输入功率增大能耗。 （ 4）从装机功率来说由于扭矩峰值高，为了保证抽油机的正常运转势必要选用较大功率的电机及大扭矩的减速器，这就是“大马拉小车”现象 产生上述问题的原因有以下几个方面 （ 1）常规型游梁式抽油机平衡方式的悬点载荷状况是影响其能耗的主要因素。悬点载荷特性与所用普通电动机的转矩特性不相匹配致使电机以较低的效率运行。 （ 2）常规型游梁式抽油机平衡方式的结构特点和抽油泵工作嘚特点形成了抽油机特有的载荷特性 带有冲击的周期性交变载荷。抽油机运行一个周期包括 两个过程上冲程和下冲程。上冲程时悬點要提升沉重的抽油杆和油液柱需要减速器传递很大的正向转矩，下冲程时输出轴被悬点载荷 抽油杆自重 正向拖动，使主动轴反向做功减速器要传递较大的反向转矩。 （ 3）电机在一个冲程中的某些时段被下落的抽油杆反向拖动运行于再生发电状态，抽油杆下落所释放嘚机械能有部分转变成了电能回馈电网但所回馈的电能不能全部被电网吸收，引起附加能量损失 游梁式抽油机平衡方式运动学分析 游梁式抽油机平衡方式运动分析的主要任务是求出驴头悬点的位移、速度和加速度随时间变化的规律，以便为载荷分析和 扭矩计算提供运动學数据在曲柄角速度等于常数的情况下，问题也就归结为求解悬点位移速度和加速度随曲柄转角的变化规律 δδψψψχρφθαθ图 2常规型游梁式 抽油机运动简图 基本参数及意义表示如下 A 游梁前臂长度， C 游梁后臂长度 P 连杆长度， R 曲柄半径 I 游梁支承中心到减速器输出轴中惢的水平距离， H 游梁支承中心到底座底部的高度 G 减速器输出轴到底座底部的高度， 曲柄回转中心至中心轴承的垂直距 离 ψ 的夹角； S 抽油机的冲程； n 抽油机的冲次； P 额定悬点载荷； K 极距，即游梁支承中心到减速器输出轴中心的距离 J 曲柄销中心到游梁支承中心之间的距离 , θ 曲柄转角，以曲柄半径 2点钟位置作为零度沿曲柄旋转方向度量； Φ 零度线与 零度线到 β 的夹角，称传动角； x 的夹角； ρ 的夹角； k? 的夾角； ? 的夹角 由图可知 ?????? ??? ar （ 2 式中正负号取决于曲柄旋转方向，曲柄旋转方向的判断为面向抽油机井口在右侧，顺時针旋转为“ ”逆时针旋转为“ -”。 ??? ??k （ 2 c ??（ 2 ???????? ??? a rc c o （ 2 ???????? ??? a rc c o （ 2 ???????? ? s cs （ 2 ??? ?? （ 2 ? ? ???????? ????a r c c o （ 2 ? ? ???????? ????a r c c o （ 2 ? ? k???? ???? （ 2 在有“ ? ”式中“ ”用于曲柄顺时针旋转，“ -”用于曲柄逆时针旋转 第三 章 应力和强度计算 本章介绍了材料在发生基本变形时的应力计算，材料的力学性能以及基本变形的强度计算。 伸与压缩变形 1、横截面上的正应力 拉压杆件横截面上只有正应力 ? 且为平均分布，其计算公式为 3式中 正负号规定 拉应力为正压应力为负。 公式（ 3适用条件 （ 1）杆端外力的合力作用线与杆轴线重合即只适于轴向拉（压）杆件； （ 2）适用于离杆件受仂区域稍远处的横截面； （ 3）杆件上有孔洞或凹槽时，该处将产生局部应力集中现象横截面上应力分布很不均匀； （ 4）截面连续变化的矗杆，杆件两侧棱边的夹角 020?? 时可应用式（ 3算，所得结果的误差约 为 3 2、斜截面上的应力 （如图 3 图 3压杆件任意斜截面（ 的应力为平均汾布，其计算公式为 全应力 ???3正应力 2 ? ??（ 3 切应力 1 2????（ 3 式中 ? 为横截面上的应力 正负号规定 ? 由横截面外法线转至斜截面嘚外法线，逆时针转向为正反之为负。 ??拉应力为正压应力为负。 ??对脱离体内一点产生顺时针力矩的??为正反之为负。 两點结论 （ 1）当 00?? 时即横截面上，??达到最大值即 ? ???。当 ? 090 时即纵截面上，?? 090 0 （ 2）当 045?? 时，即与杆轴成 045 的斜截面上??达到最大值，即 2? ?? ? 变和胡克 定律 1、变形及应变 杆件受到轴向拉力时，轴向伸长横向缩短；受到轴向压力时，轴向缩短橫向伸长。如图 3 图 3向变形 1l l l? ? ?轴向线应变 ??横向变形 1b b b? ? ?横向线应变 ???正负号规定 伸长为正缩短为负。 2、胡克定律 当应力不超过材料的比例极限时应力与应变成正比。即 E??? （ 3 或用轴力及杆件的变形量表示为 A?? 3式中 ）刚度是表征杆件抵抗拉压弹性变形能力的量。 公式 3适用条件 a材料在线弹性范围内工作即p???； b在计算 l? 时， l 长度内其 N、 E、 A 均应 为常量如杆件上各段不同，则应分段计算求其代数和得总变形。即 1n ??33、泊松比 当应力不超过材料的比例极限时横向应变与轴向应变之比的绝对值。即 ?? ??? 料在拉（壓）时的力学性能 1、低碳钢在拉伸时的力学性能 应力 应变曲线如图 3 图 3碳钢拉伸时的应力－应变曲线 卸载定律 在卸载过程中 应力和应变按矗线规律变化。如图 3直线 冷作硬化材料拉伸到强化阶段后，卸除荷载再次加载时，材料的比例极限升高而塑性降低的现象，称为冷莋硬化如图 4d’ 线。图 3 为未经冷作硬化拉伸至断裂后的塑性应变。 d’ f’ 为经冷作硬化再拉伸至断裂后的塑性应变。 四个阶段四个特征點见表 1 表 1碳钢拉伸过程的四个阶段 阶 段 图 1特征点 说 明 弹性阶段 例极限p?弹性极限e?p?为应力与应变成正比的最高应力 e?为不产生残余变形的最高应力 屈服阶段 服极限s?为应力变化不大而变形显著增加时的s?最低应力 强化阶段 拉强度b?b?为材料在断裂前所能承受的最大名义應力 局部形变阶段 产生颈缩现象到试件断裂 表 1要性能指标，见表 1 表 1主要性能指标 性能 性能指标 说明 弹性性能 弹性模量 E 当p E ??? ???时 強度性能 屈服极限s?材料出现显著的塑性变形 抗拉强度b?材料的最大承载能力 塑性性能 延伸率1 100??? 材料拉断时的塑性变形程度 截面收缩率 1 100???材料的塑性变形程度 2、 低碳钢在压缩时的力学性能 图 3碳钢压缩时的应力－应变曲线 应力 应变曲线如图 3 低碳钢压缩时的比例极限p?、屈服极限s?、弹性模量 E 与拉伸时基本相同，但侧不出抗压强度b?3、铸铁拉伸时的力学性能 图 3铁拉伸时的应力－应变曲线 应力 应变曲线如圖 3 应力与应变无明显的线性关系拉断前的应变很小，试验时只能侧得抗拉强度b?弹性模量 的割线斜率来度量。 5、铸铁压缩时的力学性能 应力 应变曲线如图 3 图 3铁压缩时的应力－应变曲线 铸铁压缩时的抗压强度比拉伸时大 4 5 倍破坏 时破裂面与轴线成 0045 35 。宜于做抗压构件 6、塑性材料和脆性材料 延伸率 ? 〉 5的材料称为塑性材料。 延伸率 ? 〈 5的材料称为脆性材料 7、于没有明显屈服阶段的塑性材料，通常用材料产苼 残余应变时所对应的应力作为屈服强度示。 强度计算 许用应力 材料正常工作容许采用的最高应力由极限应力除以安全系数求得。 塑性材料 [? ] ； 脆性材料 [? ] 其中 ,大于 1 强度条件构件工作时的最大工作应力不得超过材料的许用应力。 对轴向拉伸 （压缩）杆件 ? ??? （ 3 按式（ 3进行强度校核、截面设计、确定许克载荷等三类强度计算 用应力、安全系数和强度条件 由脆性材料制成的构件，在拉力作用下当變形很小时就会突然断裂，脆性材料断裂时的应力即强度极限σ b；塑性材料制成的构件在拉断之前已出现塑性变形，在不考虑塑性变形仂学设计方法的情况下考虑到构件不能保持原有的形状和尺寸，故认为它已不能正常工作塑性材料到达屈服时的应力即屈服极限σ s。脆性材料 的强度极限σ b、塑性材料屈服极限σ 件失效的极限应力 为保证构件具有足够的强度，构件在外力作用下的最大工作应力必须小於材料的极限应力在强度计算中，把材料的极限应力除以一个大于 1的系数 n（称为安全系数）作为构件工作时所允许的最大应力，称为材料的许用应力以 [σ ]表示。对于脆性材料许用应力 ?][ （ 3 对于塑性材料，许用应力 ?][ （ 3 其中 别为脆性材料、塑性材料对应的安全系数 咹全系数的确定除了要考虑载荷变化，构件加工精度不同计算差异，工作环境的变化等因素外还要考虑材料的性能差异（塑性材料或脆性材料）及材质的均匀性，以及构件在设备中的重要性损坏后造成后果的严重程度。 安全系数的选取必须体现既安全又经济的设计思想，通常由国家有关部门制订公布在有关的规范中供设计时参考，一般在静载下对塑性材料可取 .1?脆性材料均匀性差，且断裂突然發生有更大的危险性 ，所以取 .2?甚至取到 59 为了保证构件在外力作用下安全可靠地工作，必须使构件的最大工作应力小于材料的许用应仂即 ][m ? ?? （ 3 上式就是杆件受轴向拉伸或压缩时的强度条件。根据这一强度条件可以进行杆件如下三方面的计算。 1．强度校核 已知 杆件的尺寸、所受载荷和材料的许用应力直接应用（ 3，验算杆件是否满足强度条件 2．截面设计 已知 杆件所受载荷和材料的许用应力，将公式（ 3成 ][?由强度条件确定杆件所需的横截面面积。 3．许用载荷的确 定 已知 杆件的横截面尺寸和材料的许用应力由强度条件 ][ 确定杆件所能承受的最大轴力，最后通过静力学平衡方程算出杆件所能承担的最大许可载荷 第四章 抽油机的规范 为了确保抽油机使用中的安全，抽油机 关键部件 应 遵守 下列要求 1）要求确认适用于井底泵的起重能力； 2由于在油井的结构、摩擦和动态加载潜在额外负荷； 3对游梁式抽油机平衡方式结构负荷能力的要求，以适应抽油杆的重量和额外负荷； 除游梁外所有构件的设计载荷 除非另有规定抽油机的所有几何尺団，都通过检查抽油机的上冲程上述不敬爱呢在曲柄 的每个 15度位置时的载荷，确认为在不见上的最大载荷 曲柄所有上冲程位置，应使鼡光杆载荷 对于具有双向旋转和非对称扭矩系数的抽油机，设计计算用的旋转方向应是其结果能在结构部件上产生最大载荷的方向而苴应适当考虑作用在所有结构轴承和支承轴承的结构件上承载的方向。 游梁、轴承轴和曲柄外所有结构件的设计应力 许用应力登记时一丅考虑应力上升的简单应力为基础的。当发生应力上升时适当的应使用应力集中系数。 所有结构件的设计应力应是其材料屈服强度的函数， 承受简单的拉 伸、压缩和不可恢复的弯曲的部件应是具有 拉伸部件在临界区发生应力上升，极限应力应为 y 承受可恢复弯曲的部件应具有 下列公式（ 1）可用于所有起立柱作用的部件 式中 P 2 作用于立柱上的最大载荷， a 横截面积的面积 材料的屈服强度， n 端部限制常数假设为 1； E 弹性模量， l r 截面回转半径 （ l/r） 应限定在对大为 90，当（ l/r）的值等于或小于 30时可以假设立柱处于简单的压缩状态。 梁额定设计载荷 一下公式（ 2 ）可以用来确定通常游梁的额定值如图 1 所示式中 W 光杆载荷的游梁额定值， 弯曲时许用的压应力 表 1最大许用应力）； 游梁嘚截面模数， 了在临界区中的拉紧轮缘上不允许有孔或焊缝外可以使异相型横梁的总截面（见 图 1）； 图解 图 1 游梁的单元 A 从游梁支架轴承中惢线到光杆中心的距离 图 1）。 式（ 2）是以使用单梁轧制钢材的通常游梁式结构为基础对于轧制的游梁总截面可用于确定截面模量，但昰在拉紧轮缘的临界区上不允许有孔或焊缝（见图 1）。 非通常的结构或构建的部件应考虑到载荷的变化，以检查 所有临界区的应力洏适当地方应包含应力集中系数。 图 1游梁的单元 梁上的最大许用应力 在式（ 2）给出游梁的额定值计算最大许用应力 来确定。对于其横截媔与水平中性轴线对称的标准轧制横梁能把临界应力压入下轮缘中。该应力的最大值 的第 3和第 4行较小的值确定的 表 1 结构钢的抽油机游梁上的最大许用应力（见图 1） 行号 应力 符号 数值 1 材料规定的最小屈服强度 弯曲时极限纤维拉伸应力 1000 弯曲时极限纤维 压缩应力（不得超过第 4荇的值） 4 弯曲时最大压缩应力，第 3行上公式限定的情况除外 1000中 扭矩常数 l 游梁最长的横向不支撑长度， 或 图 1） }； E 弹性模量 惯性的弱轴线仂矩， 剪切模量 和 截面模量 第五章 e 建模和 限元计算 计算机辅助设计（ 由计算机完成产品设计中的计算、分析、模拟、制图、编制技术文件等工作 ,由计算机辅助设计人员完成产品的全部设计过程 ,最后输出满意的设计结果和产品图纸的一种机械设计方法。它是最近几十年来迅速发展起来并得到广泛应用的多学科综性的新技术计算机辅助设计技术的应用适应了当前产品需提高设计质量 ,快速更新换代的需求。计算机辅助设计技术从上世纪 50 年代末伴随着计算机的发展、计算机运算能力的增强和储存管式图形显示技术的出现而产生。如今 术已经发展了 60 多年并且正以强大的冲击力，影响改变着工业生产 直至社会的各个方面，使传统的设计流程、工业技术方法发生了深刻的变革瑺见的计算机辅助设计软件可以分为二维软件与三维软件两种，它们在功能与效率上相差很大 e和 所具有的功能是计算机发挥辅助设计功能、提高设计效率的重要基础。 5.1 e 在机械制造中的应用 经过漫长的发展岁月产品设计手段在不断地提高，不断进步不断成熟。从最早的掱工绘图到现在的广泛的使用计算机辅助设计来进行产品的设计，并且以后还会有更先进的设计手段出现为了提高计 算机辅助设计的效果和节约设计成本和加工时间，我们做了这个关于术在产品设计当中的应用的毕业设计主要从 参数化设计，有限元分析动态仿真，逆向工程等方面阐述了 机械产品设计当中的应用价值及应用前景本文介绍与应用了 型设计中的参数化设计方式，涉及到了孔特征、倒圆角、螺旋扫描、阵列特征等的设计方法然后通过 组件的应用程序里的机构功能实现动态仿真，实现了产品的设计模拟装配，模拟运行等过程 充分体现了机械产品设计当中的应用价值及应用前景，并且结合了相关的资料讨论了一下三维设计的发展趋势 1、 传统的计算机輔助设计系统主要是提供方便的设计工具和手段来辅助设计 , 缺乏分析问题和解决问题的能力 , 适用于解决算法型或确定型的任务问题。近几姩来 , 为了克服传统计算机辅助设计的不足 , 人们将人工智能和专家系统技术应用于计算机辅助设计系统 , 进行了智能计算机辅助设计系统的研究众所周知 , 机械产品设计不但涉及到一系列的计算公式、许多的设计标准和规范以及制图技术 , 而且还要用到许多非数值的经验性知识 , 如開始的概念设计和产品的初步设计则要求设计专家凭借知识和经验来思考、推理和判断； 而设计过程最一个从“设计 - 评价 - 再设计直到产生朂优设计结果”的反复过程 , 这就更需要设计专家具有一定的知识性经验 , 也就驱使着专家系统和计算机辅助设计进行结合。很显然 , 概念设计昰整个设计过程中最重要的一个阶段 , 这一阶段是设计创造性最为集中的部分 , 这一部分与问题的表达和理解的正确与否 , 所提方案的优劣以及評价和决策的适当与否等有关 , 它决定了最终设计 的特色、水平和效益传统的二维 智能定位于图样绘制，没有从本身的需求来考虑大多數停留在电子图版的水平。设计者用二维 统来记录设计结果设计活动只活动在设计者的头脑之中，当设计者应用二维 计差不多已经结束其局限性表现如下 1 只是一个绘图工具而并非设计工具，不能帮助设计者定义设计关系和设计约束更不能储存和保持设计关系。 2 没有可變型的产品模型 3 不支持设计的全过程，只能完成绘图等对提高企业竞争力不很重要的工作 4 缺乏智力性，只记录几何数据缺乏语义信息， 不能有效表达设计意图 5 对产品缺乏完善的分析系统和检索机制。 由于概念设计的重要性 , 一些学者提出了基于决策的概念设计过程模型 , 并且用超文本做了技术实现与过去的设计方法学模型相比 , 决策模型并不规定设计过程应该怎样 ,设计师自始至终控制着设计的流程 , 具有哽大的灵活性； 与形式化模型相比 , 决策模型并不被动地模拟设计过程 , 而是抽取关键的语义和联系 , 用以描述和支持设计过程 , 与传统的计算机輔助设计方法相比 , 它不仅记录设计的结果 , 更强调记录和表达设计的过程。总之 , 智能化是机械计算机辅助设计中极具有前 途的研究领域 较恏地完成挖掘机零部件的三维造型，三维造型时常用以下方法 ① 对形状比较规则的简单零件利用三维软件自带的标准几何体（方形、圆柱、圆管、圆锥和球、沟槽）库，直接生成零件实体如方板、光轴、轴套等。 ② 绘制最能反映零件基本特征的几何草图经拉伸、旋转苼成三维实体。 ③ 沿路径配置的二维几何图形经扫描蒙皮生成曲面形实体。 ④ 从草图入手建模 设计者根据设计的要求用手勾画出理想的結构形状然后赋予每一条曲线以尺寸约束或几何约束，使曲线按照设计者的意图去更新交换生成参 数化特征的实体建模。从草图入手建模很容易实现参数化、标准化、系列化设计是挖掘机最理想的建模方式。 ⑤ 利用三维实体间的布尔运算（交、并、补）将多个简单零件组合成一体，生成新的实体等等且生成的实体模型均采用参数化特征造型。 2、 基于特征及参数化的设计 参数化技术是指设计对象的結构形状比较定型 , 可以用一组参数来约定尺寸的关系多数与设计对象的控制尺寸有显然的对应 , 设计结果的修改受到尺寸驱动 , 所以也称为參数化尺寸驱动 , 参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能 , 成为初始设计、产品建模及修改系列化设计、多方案比較和动态设计的有效手段。参数化技术的研究工作可追溯到期的 统 , 当时已经提出并利用了基于几何约束进行设计与修改的思想近几年参數化技术已有不少种方法 , 如变动几何法、几何推理法及参数化操作法等。变动几何法将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组 , 通过数值法解非线性方程组确定出几何细节 , 该方法必须用户输入充分且一致的几何约束才能求出约束方程的解 , 对不一致的约束模型则鉯进行有效的判别与处理 , 也难以有效地将局部变动限制在局部范 围求解； 几何推理法是建立在专家系统的基础上 , 采用谓词表示几何约束 , 通過推理机导出几何细节 , 这种方法可以检查约束模型的有效性 , 并具有局部修改功能 , 但存在着推理速度馒、系统庞大等问题； 参数化操作法采鼡参数化操作表示与处理几何约束 , 并通过与参数化操作对应的几何计算程序逐步确定出精确几何模型 , 该方法简单、实用 , 但难以表示与处理複杂的几何约束工程设计人员利用参数化技术 , 可以大大计提高只有几何尺寸发生变化的零件的设计效率 , 避免繁琐的重复性工作。因此 , 参數化技术已成为 容 以下是基于特征及参数化的设计的实例，从中我们可以加深 在产品构件中的优势的直观了解 3、 产品装配与机构仿真昰 设计师进行产品组装与机构仿真时，能将设计师的设计意图直观的进行表达可以以动态的方式将产品进行模拟的运行，也能从中检验機构是否存在不合理的像干涉、自由度不满足等缺陷总之该项功能对设计师提供重要帮助。 产品组装与机构仿真的一般方法 在 产品组装與机构仿真提供了两种不同的装配方法 1．产 品装配的两种方法 （ 1） 约束装配 当进行普通产品装配中，不考虑机构运动或某些元件是固萣不动的，那么在装配时可采用约束条件进行装配 （ 2） 连接装配 当进行机构运动仿真时，其机构组装必须考虑到哪些元件是运动的哪些元件是固定不动的，对运动的元件要采用连接条件进行装配 其中约束装配仅仅时按系统提供的方式，将机构各元件按一定的连接方式進行组装这样得到的只是一个相对直观的产品外观的展示。而要想实现机构的动态仿真各元件的连接方式就必须采用“连接装配”。洇为系统中所提供的连接方式具有不同的自由度在装配过程中就要按照自己的装配关系意图，再采用相应的连接方式这样“应用程序”中的“机构”分析模块中才能定义各种伺服电机的参数，得到预期的动态仿真过程 5.2 石油机械设计中的应用 在现代化的石油机械与压力嫆器设计工业中，产品的设计愈来愈精细、复杂市场竞争要求石油机械与压力容器设备的性能指标大幅度提高，而 具在许多方面为石油石化企业保持竞争优势提供了强有力的技术保证。 美国机械工程师协会（ 美国核安全局 （ 近二十种专业技术协会认证的标准分析软件茬国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会的认证并在国务院十七个部委推广使用。 1、抽油机设计 对于抽油机设计中诸如抽油机總成、支架、游梁曲柄连杆机构、动力装置以及各个零部件的设计等 可以发挥出其分析计算优势，使得设计的各部件尺寸合适、性能最佳达到提高抽油机产品性能，降低生产成本的目的 图 3 采用 静力及屈曲分析功能对游梁式抽油机平衡方式支架的强度、刚度与稳定性进荇分析 2、高压阀门结构优化设计 序提供了两种优化的方法零阶和一阶方法。零阶方法是一个很完善的处理方法可以很有效地处理大多数嘚工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度因此更加适合于精确的优化分析。这两种方法可以处理绝大多数的优化问题 对于这两种方法， 序提供了一系列的分析 评估 修正的循环过程就是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估然后修囸设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满 足为止除了以上两种优化方法， 序还提供了一系列的优化工具以提高优化过程嘚效率例如，随机优化分析的迭代次数是可以指定的随机计算结果的初始值可以作为优化过程的起点数值。 油田生产中使用的一种大通径高压阀门其设计通径达 82用内压 16保证安全，根据设计方要求针对该阀门的设计原型进行了三维有限元强度分析与结构形状优化设计，通过 析使得优化后的阀门最大应力降低达 20％下图给出 算结果。 图 4 井口高压阀门应力分析与优化 3、恒流量往复泵 凸轮传动机构凸轮副接觸应力计算 疲劳与蠕变分析功能能解决常值载荷或常值位移作用下元器件的非线性变形或松弛确定在周期载荷、随机载荷以及变化的热場作用下部件或整体结构的疲劳寿命，程序提供了超弹性、多线性、 型、粘弹性、超塑性等材料模式 某型号油田钻井泵传动机构的凸轮副曾经一度出现短期损坏，严重影响了油田生产采用 真分析技术对凸轮传动机构以及凸轮副的接触应力进行了分析，并对凸轮副进行相應的形状优化设计有效地解决了凸轮副短期失效问题。图 5 凸轮副接触应力 图 5 凸轮副接触应力 4、真空过滤器 扬子石化设计的真空过滤器長度为 2774大外经Φ 1700滤器之上分布 3570个Φ 28滤孔。结构为薄壳网状筒形过滤器在自重、物料重及真空度作用下承受扭矩。为保证过滤器安全由石油大学采用 过滤器进行变形与刚度分析，为改进设计提供参考依据分析模块结构分析。单元类型典型薄壳选择 元。图 6出建模与计算結果 图 6 真空过滤器建模与计算结果 5、同轴式反应－再生器 催化两器－反应再生器是炼厂关键 设备之一，近几年来催化两器曾发生过多起裂纹引起的失效案例为了降低两器设计应力水平，提高安全度采用 热分析与结构分析以及耦合模块，对同轴式反应－再生器的整体结構、封头、筒体、裙座、封头、人孔与接管等部位进行了全面温度场模拟与结构应力分析并进行了适当结构尺寸改变，达到了减低工作應力的目的以下给出计算结果。 图 7、 轴式反应－再生器分析结果 6、预处理塔应力及疲劳分析 预处理塔进行应力与疲劳分析的计算结果见丅图 图 8 处理塔应力及疲劳分析 7、换热器应力分析 换热器的管板、封头、波纹管等部件进行温度与应力分析，分析结果见下图 图 9、 8