直线电机井下驱动采油装置设计.docx

毕业设计1论文）题目：直线电机井下驱动采油装置设计院系:机械工程系学科专业：机电一体化学生：指导教师：2010年10月题目：直线电机井下驱动采油装置设计摘要目前各油田的抽油设备为常规游梁式抽油机，其存在的主要问题是能耗大、效率低。游梁式抽油机附件多，依靠改良结构，不能使其系统效率有质的提高，因为每增加一个环节就必然会增加一份附加损耗。而直线电机抽油机采用直线电机驱动，舍弃了大局部变速传动环节,将传统的旋转驱动变为直线往复驱动，使直线电机抽油机具有更加完善的运动性能、动力性能和平衡性能。直线电机抽油机在我国乃至世界都属于新兴技术，研究设计这种抽油机有着特殊的意义。通过优化直线电机抽油机根本运行参数，可以降低悬点最大载荷及最大载荷与最小载荷差值，使直线电机运行更加平稳。通过提高直线电机抽油机的工作效率，减少电机内部的各种损耗，到达节能的目的。本文首先概述了国内外抽油机的类型、开展情况及存在的主要问题，并阐述了直线电机的开展历程、根本结构、工作原理及发趋势和研究现状。随后对各种类型的直线电机的性能进行比拟，最终选用了圆筒型永磁同步直线电机作为动力系统来驱动抽油机。通过研究圆筒型永磁同步直线电机的特殊结构和等效电路，提出用于抽油机的直线电机的主要参数设计，得出用于具体工况下圆筒型永磁同步直线电机的主要参数，确定其尺寸及结构，再对电机进行磁路计算，以及性能计算。本文的研究对于此类电机、抽油机的研究具有一定的学术意义及应用价值。关键词：直线电机，节能，永磁，抽油TIT1.E:THE1.INEARMOTORDRIVENUNDERGROUNDOileguipmentdesignabstractAtpresenttheoilfieldpumpingequipmentfortheconventionalbeampumpingunit,themainproblemisthatitsenergyconsumption,lowefficiency.Multi-beampumpingunitattachment,relyingonimprovedstructure,nottoimprovethequalityofthesystemefficiency,becauseeachadditionalstepofanadditionallossisboundtoincrease.The1inearmotor1inearmotor-drivenpumpingunit,abandoningmostofthevariab1espeedtransmissionlinks,theconventionalrotarydriveintolinearreciprocatingdrive,sothatamoreperfect1inearmotorpumpingsportsperformance,dynamicperformanceandbalanceperformance.1.inearmotorpumpinginourcountryandtheworldareallemergingtechnologies,researchanddesignsuchapumpingunithasaspecialsignificance.Basic1inearmotorpumpingbyoptimizingoperatingparameters,canreducethesuspensionpoint,themaximumloadandmaximumloadandminimumloadofdifference,sothat1inearmotorrunmoresmoothly.Byincreasingthepumpingefficiencyof1inearmotorstoreducemotorofthevariouslosses,saveenergy.Thispaperout1inesthetypeofpumpingathomeandabroad,thedevelopmentsituationandexistingprob1ems,andexplainsthedevelopmentprocessofalinearmotor,thebasicstructure,workingprincipleandhairtrendsandthecurrentresearch.Thenvarioustypesof1inearmotorstocomparetheperformanceofthefinalselectionofthecylindricalpermanentmagnetsynchronous1inearmotorasthepowersystemtodrivethepumpingunit.Bystudyingthecylindricalpermanentmagnetsynchronous1inearmotorofthespecialstructureandequivalentcircuitisproposedforthepumpingofthemainparametersof1inearmotordesignedforspecificoperatingconditionsobtainedcylindricalpermanentmagnetsynchronous1inearmotorprimaryparameters,determinethesizeandstructure,thenthemotormagneticcircuitcalculations,andperformancecalculations.Theresearchforthistypemotor,pumpingunitofacertainacademicsignificanceandvalue.KEYWORDS:1inearmotor,energysaving,permanentmagnet,pumpingunit目录第1章前言1§1.1国内外无游梁式抽油机的开展现状I§1 .2主要的无游梁式抽油机6§ 1 2.1链条抽油机6§ 2 .2.2液压抽油机8§ 3 2.3直线电机抽油机8§1.3直线电机的应用及开展概况10§1.3.1探索实验时代10§1.3.2工业应用时代13§1.3.3实用商品时代14§1.3.4中国直线电机的研制历史与开展15第2章直线电机驱动的根本原理19§2.1直线驱动装置与直线系统概述19§2.2直线电机的根本结构22§2.3直线电机的根本工作原理25§2.4直线电机作为井下动力系统的优势26§2.5潜油式直线电机抽油机的原理28 2 2.6本章小结29第3章直线电机的设计29 3 .1直线电机的设计29§3.1.1井下电机的特殊性29§3.1.2潜油电机时同步与异步电机的比拟31§3.1.3直线感应电机32§3.1.4直线同步电机33§3.1.5直线直流电机34§3.1.6圆筒型永磁直线同步电机35§3.2永磁材料主要性能参数36§3.2.1稀土永磁直线电机的特点39§3.2.2稀土永磁在直线电机中的应用39§3.3.4参数计算51§3.3.5性能计算53结论59参考文献61致谢63第1章前言§1.1国内外无游梁式抽油机的开展现状随着采油设备的深入研究，抽油油机在最初的雏形上有了长足的开展。传统的游梁式抽油机以适应野外恶劣工作环境等明显优势，区别于其它众多类型的抽油机，而且以其结构简单、易损件少、坚实耐用、可靠性强、操作简便、维修方便、维护费用低等特点，一直占据有杆泵采油地面设备的主导地位。游梁式抽油机是最古老、应用最广泛的一种型式，工作可靠、坚实，使用和维修方便，并且在常规型根底上开展了多种型式。常规型游梁式抽油机其工作过程为：用电机带动减速机，减速机带动皮带轮，皮带轮带动曲柄连杆将旋转运动变成驴头悬点的往复运动，依靠抽油杆和光杆传递运动，带动井下抽油泵柱塞提上放下，而将油带出地面进入输油管道中或储油罐中，完成抽油过程。抽油机工作时，在上、下冲程中，电动机所承受的载荷相差很大。上冲程时，驴头悬点静载荷主要是抽油泵柱塞以上的液柱重量与抽油杆重量之和，提起这局部重量电机需要作很大的功；而下冲程时，液柱重量转移到固定阀和油管上，驴头仅承受抽油杆柱的重量，电机不仅无需做功，反而由于抽油杆自重下落，使电机处于发电机状态。因此，在上、下冲程中，电机的负载极不均匀，加上悬点运动速度和加速度的变化，更加剧了这种不均匀性。结果使抽油机振动加剧，电机、减速箱、抽油泵等效率降低，寿命缩短，抽油杆断裂现象增加，能耗过多。游梁式抽油机以其特别能适应野外恶劣的工作环境等明显优势，区别于其它众多类型的抽油机。常规型游梁式抽油机更是以其结构简单、易损件少、坚实耐用、可靠性强、操作简单、维修方便、维护费用低等特点，一直占据有杆采油地面设备的主导地位。但是，游梁式抽油机还是存在许多需解决的问题。由于游梁式抽油机自身结构的原因，它仍存在着一些问题。(1)传动效率低皮带传动的功率损失。一般以弯曲功率损失和滑动损失为主，可以用以下公式计算1=毡卫XlOT(1-1)1r30。P2vft=-×103(1-2)E1A式中：A为皮带面积，。为皮带包角,rad;&为皮带纵向弯曲弹性模量，MPa；El为皮带拉伸弹性模量，Mpa;F为皮带拉力，N；I为皮带截面惯性矩，mn4;n为转速，rmin；M为皮带绕轮弯曲损失功率，kW；Ag为皮带弹性滑动损失功率，kW;r为皮带轮半径，mm;V为皮带轮转速，m/sO由公式(1-1)和公式(1-2)可以看出为减少皮带轮损失，应减小皮带的纵向弯曲模量和截面惯性矩，并增加皮带的拉伸弹性模量。上个世纪70年代以来，对皮带做了大量改良，创造出窄V带、多楔带、同步带等，传动效率由83%提高到94%。据资料，由于管理等方面的原因，大量抽油机皮带传动效率在85%左右。减速箱传动功率损失。轴承传动损失加上齿轮的损失，减速箱总传动损失约为9%左右。四连杆结构轴承损失，钢丝绳变形损失一般统计约为3%。以上三个方面的能量损失造成游梁式抽油机能量损失达30%左右。(2)游梁式抽油机增大冲程，减速箱扭矩成比例增大，需要更换更大更重的减速箱；又因受游梁摆角限制四连杆尺寸必然增大，引起抽油机外形尺寸和总机重量大幅度增加。(3)游梁式抽油机的四连杆机构使得驴头悬点的运动规律类似简谐运动，其最高速度和最低速度较匀速运动的速度差得多，所以加速度较匀速运动也大得多，造成惯性载荷大，使抽油机承受载荷过大，缩短了抽油机的使用寿命。随着井深和产量的不断增加，同时随着油井开采复杂条件的经常出现(如高粘、多蜡、多砂、多气、水淹和强腐蚀性等条件)，传统游梁式抽油机的许多问题明显地显现出来。主要是抽油机的能耗高、重量大和难以实现长冲程、低冲次抽油，在生产中抽油杆的事故增多、抽油泵的排量降低等。为了克服这些缺点，国内外各厂家先后研制出了前置式抽油机、异相曲柄抽油机，空气平衡抽油机等，虽然克服了常规抽油机的一些缺点，但是没有脱离传统抽油机利用四连杆机构将旋转运动转变为往复直线运动的传动方式。上个世纪70年代以来，各种形式的无游梁抽油机应运而生，它的优点是不用四连杆机构将旋转运动转变为往复直线运动，其运动规律除上下死点有短时间加减速运动外，大局部时间是匀速运动，使惯性载荷大幅度下降，抽油机性能得到较大改善。无游梁抽油机容易实现长冲程，而长冲程抽油机冲次较低，大大降低了运动系统的加速度，惯性载荷小，如：链条抽油机、皮带抽油机等。它们同样存在一些问题，如结构复杂、运动件多、本钱高，特别是大多数采用软连接，摆动轮直径不能过大、使钢丝绳（链条）使