東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要抽油機是指能把流體從地下抽出的裝置。曲柄的旋轉(zhuǎn)運動被改變成被固定在曲柄的一端的連桿臂的一雙靈活的機構(gòu)的往復(fù)運動并且曲柄的另一端通過這樣的連接繞過多個滾筒延伸，然后垂直向下朝向井頭。靈活的機構(gòu)在其另一端以一定裝置被連接到到光桿。靈活的機構(gòu)和光桿，基于在同一垂直平面，因此，真正的垂直往復(fù)運動便傳遞給光桿。靈活的機構(gòu)包括非金屬肩帶，有相當?shù)膶挾?，以提供穩(wěn)定的運動。多年來，油從地表下方的一個領(lǐng)域以抽油機的方式被抽出，這種方式是由抽油機的往復(fù)光桿連接到由鉆具操作的潛水泵來實現(xiàn)的。不同類型的抽油機都是合適的，本發(fā)明涉及到一個抽油機以便于合理地應(yīng)用在操作一個泵去把液體從地下抽到地表的領(lǐng)域，如石油，是低于地表的領(lǐng)域并且由于抽油機的低姿態(tài)尤其在具有中心支點的噴灌系統(tǒng)領(lǐng)域中抽油機是很有效的。關(guān)鍵詞：抽油機；曲柄；機構(gòu)AbstractA pumping unit for pumping fluids from a location beneath the surface of a field.The rotary motion of a crankarm is changed to a reciprocating motion of a pair of flexible members by pitman arms pivotally secured at one end to the crankarm and at the other end to the flexible members which extend from such connection over a plurality of rollers and then vertically downward toward the well head.The flexible members are connected at their other ends to means connected to the polished rod.Portions of the flexible members and the polished rod lie in the same vertical plane so that true vertical reciprocating movement is imparted to the polished rod.The flexible members comprise non-metallic straps having a substantial width to provide stability of movement. For many years, oil from beneath the surface of a field has been pumped by means of a pumping unit .which reciprocates a polished rod connected to a drill string to operate a submerged pump. This invention relates to a pumping unit suitable for use in a field for operating a pump to remove fluids, such as oil, from beneath the surface of the field and is particularly useful in fields having center pivot sprin-kler irrigation systems because of the low profile of the pumping unit.Keywords: pumping unit；a crankarm；members第1章 概述1.1抽油機概述1.1.1抽油機的一般知識抽油機是有桿抽油的地面動力傳動設(shè)備，是構(gòu)成“三抽”系統(tǒng)的主要組成部分。抽油機的產(chǎn)生和運用由來已久，迄今已有百年歷史。應(yīng)用最早·普及最廣的屬常規(guī)型游梁式抽油機，至今在世界各產(chǎn)油國中仍占絕對優(yōu)勢.結(jié)構(gòu)簡單、可拿咐用、操作維修方便是其經(jīng)久不衰的恨本原因。然而，隨著油田的不斷開發(fā)，要求抽油機具有長沖程、大負荷、能耗低、體積小、重量輕等性能特點來滿足日益發(fā)展的油田開發(fā)的需要。70年代以來，有桿抽油技術(shù)有了突破性進展，各種新型的抽油機相繼研制成功，投入生產(chǎn)。目前，國外至少有30家公司，國內(nèi)至少有20家廠、院、校、所，在專門研究制造新型抽油機。1.1.2 抽油機的分類抽油機主要分游梁式油油機和無梁式抽油機兩大類。游梁式抽油機的具體分類如下:按結(jié)構(gòu)型式可分為;常規(guī)型、前置型、偏置型、斜井式、低矮式活動式;按減速器傳動方式可分為:齒輪式、鏈條式、皮帶式、行星輪式;按驢頭結(jié)構(gòu)可分為:上翻式、側(cè)轉(zhuǎn)式、分裝式、整體式、旋轉(zhuǎn)式、大輪式、雙驢頭式、異驢頭式;按平衡方式可分為:游梁平衡Y，曲柄平衡B,復(fù)合平衡F、天平平衡T,液力平衡、氣動平衡、差動平衡;按驅(qū)動方式可分:普通異步電機驅(qū)動、多速異步電機驅(qū)動、變壓異步電機驅(qū)動，大轉(zhuǎn)差率電機驅(qū)動。超過轉(zhuǎn)差率電機驅(qū)動、天然氣發(fā)動機驅(qū)動、柴油機驅(qū)動。 無游梁式抽油機，因其機理不同，結(jié)構(gòu)各異，尚無確定的分類方法和準則，一般可分為:低矮式:其特點是整機低矮;滾筒式(沉入式):其特征是無曲柄連桿機構(gòu)，以紋車滾簡為主體，其上纏繞柔性件，一端懸掛桿泵，一端懸掛平衡重.懸繩器和平衡重均沉沒于地下，故這種抽油機又稱沉入式或鼠洞式抽油機; 塔架式;其特點是具有高聳的立架，類似鉆機井架。塔架高度與沖程長度相諧; 常規(guī)式:其特點是具有帶傳動、減速器的曲柄連桿機構(gòu)，以實現(xiàn)懸點的往復(fù)直線運動及換向; 缸式抽油機:其特點是以壓力油缸或氣動柱塞來驅(qū)動桿系上下往復(fù)運動; 增程式(又稱增距式):其特點是具倍升機構(gòu)，以實現(xiàn)懸點沖程的放大;鏈條式:其特點是以鏈條傳動來傳遞動力;皮帶式:其特點是以皮帶傳動來傳遞動力;繩索式:其特點是以鋼絲繩來傳遞動力;此外，還有許多其它型式的無游梁抽油機。1.2 國內(nèi)外抽油機的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1國內(nèi)外游梁式抽油機的技術(shù)現(xiàn)狀抽油機的產(chǎn)生和使用由來巳久，迄今已有百年歷史。應(yīng)用最早，普及最廣的應(yīng)屬游梁式抽油機.早在120年前就誕生了，目前，在世界各個產(chǎn)油國仍在大面積地廣泛應(yīng)用。美國擁有40萬臺，我國擁有2. 7萬臺，前蘇聯(lián)擁有9萬臺，一百多年來，游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)和原理沒有實質(zhì)性變化.結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、可靠性高、耐久性好，操作維修方便，是其百年經(jīng)久不衰的很本原因。 1、美國美國生產(chǎn)抽油機的公司有十幾家，品種復(fù)雜、型式繁多，其中以技術(shù)先進、實力雄厚的拉夫金（得克薩斯州）公司為權(quán)威。常規(guī)型游梁式抽油機按API標準制造。1988年第15版API Spec11E中規(guī)定了常規(guī)型游梁式抽油機系列有7種型號，懸點載荷9214kN，沖程0.47. 6m,減速器扭矩0. 737105. 32kNm，其中以懸點負荷25 165kN，沖程0. 71 3. 66m的抽油機居多。規(guī)格最大的是3648一470一300型抽油機，懸點負荷213kN,沖程7. 62m,減速器扭矩420. 4kNm。減速器大多采用漸開線人字齒輪傳動，中間沒有退刀槽.也有少數(shù)采用螺旋齒輪傳動、鏈條傳動和皮帶傳動。采用寬翼工字鋼游梁，強度高，重量輕。拉夫金公司采用W2499寬冀工字鋼游梁，重680kg。前置式抽油機主要由拉夫金公司生產(chǎn)，該公司生產(chǎn)的馬克型前置式抽油機，共有八個系列46個品種。拉夫金公司還生產(chǎn)前置式氣平衡抽油機，該機比同級常規(guī)抽油機外形尺寸小35%,整機重量輕40%.該機共有26種規(guī)格，懸點負荷48. 47213. 19kN，沖程1.376. 1m，平衡氣壓力1. 052. 87MPa,偏置式抽油機主要由CMl公司生產(chǎn)。共有九種規(guī)格，減速器扭矩7. 9126. 1kNm。偏置式抽油機又稱異向曲柄抽油機，或稱后置式抽油機，或稱托馬斯特(TM)抽油機，簡稱TM抽油機。這種抽油機的技術(shù)經(jīng)濟指標優(yōu)越，深受用戶歡迎。1986年已進入API標準。該機特點在于連桿與游梁之間夾角始終為90,曲柄轉(zhuǎn)角上沖程為192。下沖程為168,慣性負荷小，峰值扭矩小，比同級常規(guī)抽油機小60%,該機游梁支架與減速器座底直接連接，改善了整體受力。此外，美國還有許多家公司生產(chǎn)和研制各種新型的游梁式抽細機。2、加拿大加拿大抽油機主要生產(chǎn)廠商是雷姆斯有限公司，該公司主要生產(chǎn)常規(guī)式、前置式、偏置式游梁抽油機之外，此外，還有其它公司生產(chǎn)各種新型游梁式抽油機。3、法國法國抽油機主要生產(chǎn)廠商是瑪普公司，除生產(chǎn)各種游梁式抽油機外，還生產(chǎn)各種無游梁式抽油機。4、前蘇聯(lián)前蘇聯(lián)抽油機按IDCT標準生產(chǎn)，以新系列游梁式推油機共有9個系列22種型號，減速器共有10種型號。懸點負荷10200種。沖程0.456m,減速器扭矩1 120kNm。平衡方式全部采用復(fù)合平衡或曲柄平衡重型采用氣動平衡。為縮小尺寸，減輕重量，近年來將曲柄半徑與驢頭擺動半徑比從0.4增大到0. 6。抽油機主要生產(chǎn)廠家是伊甲巴依油礦設(shè)備廠。5、羅馬尼亞羅馬尼亞抽油機生產(chǎn)廠家主要是火山工廠。這家工廠共生產(chǎn)兩種系列產(chǎn)品。國內(nèi)系列共22種規(guī)格，懸點載荷30193kN.沖程1.25m,減速器有8種規(guī)格，扭矩5100kNm。6、中國我國的抽油機制造業(yè)已有40年歷史，經(jīng)過了進口修配、仿制試制、設(shè)計研制三個階段。50年代以進口為主，修配為輔。6070年代在仿制的基礎(chǔ)上進行試制，1975年制訂國產(chǎn)抽油機基本型式與參數(shù),1980年制訂抽油機結(jié)構(gòu)尺寸和技術(shù)條件。從此開始自行設(shè)計，研究制造國產(chǎn)抽油機，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，不僅滿足自給.而且還部分出口，目前，我國已有蘭州石油機械廠、蘭州通用石油機械廠、寶雞石油機械廠、第二石油機械廠、第三石油機械廠、第四石油機械廠、江漢石油機械廠、撫順石油機械廠、華東管道機修廠、大慶總機廠、玉門總機廠、大港總機廠等30多家抽油機制造廠，年生產(chǎn)抽油機上萬臺，并有2項產(chǎn)品獲國家銀質(zhì)獎,14項產(chǎn)品獲部獎稱號。蘭石、蘭通、寶石、江漢石油機械廠(原江漢總機廠)、第四石油機械廠、第二石油機械廠等廠家先后獲得API商標使用許可證，抽油機出口美國，從而使國產(chǎn)抽油機打入國際市場，躋身于世界先進行列。蘭石廠是我國生產(chǎn)抽油機的主要廠家，按國內(nèi)技術(shù)生產(chǎn)的常規(guī)游梁式抽油機，共11種規(guī)格，懸點負荷80160kN，沖程35. 5m,減速器扭矩37105kNm,按AP1標準生產(chǎn)的常規(guī)型抽油機，共43種規(guī)格，懸點負荷34. 47165. 56kN，沖程0.914. 88m,減速器扭矩5. 53126kNm。蘭石廠和寶石廠是我國生產(chǎn)前置式抽油機批量最大的廠家，目前已生產(chǎn)該機500多臺。蘭石廠生產(chǎn)的pCYJ12-3. 6-a6 HB型前置式抽油機，懸點載荷120kn，沖程3. 6m ,減速器扭矩56kNm寶石廠生產(chǎn)的CYJQ16一6一105B型前置式抽油機，懸點負荷160kN，沖程6m減速器扭矩105kNm。1.2.國內(nèi)外游梁式抽油機的發(fā)展趨勢1.3 設(shè)計目的隨著油田逐漸進入開發(fā)的中后期，油井含水比不斷上升，動液面不斷下降，油井出現(xiàn)水淹甚至強水淹現(xiàn)象。而新區(qū)開發(fā)也有不斷增大產(chǎn)層深度的趨勢，這就使機采油井的泵掛深度不斷增加。為保證油井產(chǎn)量要加大抽油機的懸點負荷，從而導(dǎo)致抽油桿彈性變形加重，造成嚴重的沖程損失。補償方法則依賴于加大抽油機的沖程長度，對于高含水井、稠油井、深抽井等更需要加大抽油機的懸點載荷和沖程長度。然而，游梁式抽油機，尤其是常規(guī)型抽油機由于其自身的特點，其重量隨沖程長度近似地呈直線關(guān)系增加。實際上，當懸點最大沖程長度超過4.5m時，游梁式抽油機就顯得非常笨重，操作不方便，難以實現(xiàn)長沖程和大負荷。因此游梁式抽油機的沖程長度一般不超過6m。無游梁抽油機的最大優(yōu)點在于沒有笨重的游梁，大大降低運動系統(tǒng)的慣量，從而降低運動系統(tǒng)慣性負荷，無游梁抽油機容易實現(xiàn)長沖程，相對損失小。長沖程抽油機的相對沖次較低，大大降低運動系統(tǒng)加速度不但可提高泵效，還可提高三抽系統(tǒng)的工作壽命。無游梁抽油機在實現(xiàn)長沖程、大排量、重負荷的同時，還有體積小、重量輕、動載小、耗能低等一系列特點.長沖程、大排量、重負荷有桿抽油是我國機采發(fā)展的主要方向。為了滿足長沖程、低沖次的工藝要求，改善抽油設(shè)備的工作條件降低成本70年代以來，各種型式的無游梁式抽油機應(yīng)運而生，相繼問世，使有桿式機械采油技術(shù)有了突破性進展。1.4 設(shè)計要求1.雙驢頭節(jié)能抽油機的沖程為2-3米，抽油機的下泵深度為1400-1600米。2.方案可行；參數(shù)計算正確；結(jié)構(gòu)合理；滿足強要求；設(shè)計的雙驢頭節(jié)能抽油機能滿足基本功能并符合設(shè)計規(guī)范。1.5 抽油機的工況條件及技術(shù)經(jīng)濟評估1.5.1抽油機的工況條件抽油機一年四季全天候野外作業(yè)，承受風吹、日曬、雨淋、雪壓。新的油田又多發(fā)現(xiàn)在沙漠、荒原、沼澤、凍地、淺海灘、深海，地處邊遠，渺無人煙。抽油機所承受的負荷為周期性交變負荷，連續(xù)運轉(zhuǎn)，無人監(jiān)護。所以說抽油機的工作條件十分惡劣。抽油機一年四季全天候野外作業(yè)，承受風吹、日曬、雨淋、雪壓。新的油田又多發(fā)現(xiàn)在沙漠、荒原、沼澤、凍地、淺海灘、深海，地處邊遠，渺無人煙。抽油機所承受的負荷為周期性交變負荷，連續(xù)運轉(zhuǎn)，無人監(jiān)護。所以說抽油機的工作條件十分惡劣。1.5.2抽油機的技術(shù)經(jīng)濟評估惡劣的工況條件，對抽油機提出以下技術(shù)要求:1、良好的可靠性抽油機常年連續(xù)運轉(zhuǎn)，工況復(fù)雜多變，加之無人監(jiān)護，管理不便，因而要求其工作必須可靠.對于油礦設(shè)備來說?？煽啃允亲钪匾募夹g(shù)指標，抽油機發(fā)生故障將會造成停產(chǎn)待修、油井破壞等重大事故和嚴重經(jīng)濟損失。2、良好的襯久性 抽油機效用壽命(或稱設(shè)計壽命，或稱服役期)是抽油機設(shè)計水平、制遣質(zhì)量、管理水平的綜合反映.提高產(chǎn)品壽命，正是抽油機技術(shù)進步的主攻目標。3、良好的二作性能 抽油機的工作性能指標.包括懸點負荷、沖程、沖次、減速器扭矩、單井井口產(chǎn)量等技術(shù)參數(shù).隨著油田不斷開發(fā)，抽井含水比不斷增大，泵掛深度不斷增加，動液面不斷下降，勢必引起懸點負荷增大，同時引起減速器扭矩的增大。泵徑、沖程、沖次也要恨據(jù)抽極工況的變化而經(jīng)常調(diào)節(jié)。抽油機應(yīng)該滿足抽采工藝的要求，應(yīng)能適應(yīng)抽汲參數(shù)的變化。4、結(jié)構(gòu)簡單，易拐件少，操作維修方便 結(jié)構(gòu)簡單，勢必故障率低;易損件少，必然可靠耐久。游梁式抽油機歷久不衰的根本原因就在于此。目前，我國抽油機的軸承和曲柄銷壽命均不長，尚待得到根本解決。操作維修方便是油田現(xiàn)場最關(guān)心的技術(shù)，此項技術(shù)還必關(guān)系到產(chǎn)品市場的競爭。5、能源消耗低，材料消耗低我國擁有抽油機2. 7萬臺，以平均每臺重15t計，則總重量為40多萬t,每臺以7萬元價，則總資產(chǎn)近20億元。如果，每臺抽油機能降低一點材料消耗，則整個經(jīng)濟效益是十分可觀的。一臺抽油機平均每年耗電幾十萬度，2.7萬臺抽油機，每年共耗電300多億度，其電耗居油田第二位，僅次于注水（注水占油田總電耗40%，抽油機占25%），如果，每臺抽油機能節(jié)省一點能源消耗，則整個經(jīng)濟效益是相當驚人的。目前，抽油機單位千瓦的重量和單位產(chǎn)量的能耗，越來越引起有識之士的重視。第2章 整體設(shè)計及基本參數(shù)的確定2.1整體結(jié)構(gòu)的確定一、結(jié)構(gòu)特點該曲柄連桿式無游梁抽油機的電動機、三角帶、減速箱、連桿、橫梁與普通游梁式抽油機基木相同。該機取消了游梁。支架頂部裝有滑輪，柔性件繞過滑輪，一端與橫梁連接。另一端與光桿連接。支架由工字鋼焊成，下端與底座鉸接，可調(diào)螺桿能將支架移向一側(cè)，以便修井作業(yè)。曲柄是一鑄鐵件，要求有一定的強度和剛度。曲柄上加工有齒條，借助搖把齒輪，可以調(diào)節(jié)平衡塊在曲柄上的位置，以求得最佳平衡工況，調(diào)節(jié)后除應(yīng)緊固其固定螺絲外，必須在曲柄和平衡塊間安裝保險鎖塊。曲柄銷子和曲柄間也是過盈配合，在銷子頭上用一螺母固定死銷子和曲柄，在曲柄上有3-5個圓柱孔，用以改變沖程長度。底座是支撐抽油機的主要構(gòu)件，俗稱底盤。底座采用型鋼或鋼板組焊而成，要有足夠的強度和剛度。在抽油機安裝時，用緊固件把底座固定在專門的混凝土基礎(chǔ)上。底座與混凝土基礎(chǔ)緊固的方式很多，常用的有地腳螺絲緊固和壓杠緊固。壓杠緊固方式比較便于抽油機的安裝和調(diào)整校正，但對抽油機固定的牢固程度欠佳，且容易被拆卸和破壞；地腳螺絲緊固方式緊固牢靠程度高，且不易被人為地拆卸和破壞，但在安裝和調(diào)整找正時，比較麻煩。二、工作原理電動機輸出動力，經(jīng)三角帶和減速箱減速.由曲柄傳給連桿，經(jīng)過連桿換向傳給橫梁，再經(jīng)柔性件傳給懸點、光桿、抽油桿，最后變?yōu)榫卤弥纳舷峦鶑?fù)運動。三、性能特點該型抽油機與游梁式抽油機相比具有結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、動力性能優(yōu)越、應(yīng)用范圍寬、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點，但其懸點沖程長度為曲柄半徑的兩倍（即S=2R，R為曲柄半徑），當懸點沖程長度大于3m時，曲柄裝置就顯得過于笨重，因此，這種結(jié)構(gòu)的曲柄連桿式無游梁抽油機只適用于中短沖程，以懸點沖程長度不大于2.5m為宜。該機是一種曲柄連桿換向的無游梁抽油機，該機的結(jié)構(gòu)及原理如圖所示。2.2抽油機沖程和沖次的確定懸點從下死點到上死點雖然走了沖程長度S,但是由于抽油桿和油管柱的靜變形結(jié)果，使抽油泵柱塞的有效沖程長度要比S小，所以=S- 而靜變形的大小等于=+=+ =（1+） =式中= 稱為變形分配系數(shù)，一般可取0.60.9。下泵深度L=1500m動液面h=1000m,S=2.5m井下液體密度=880kg/柱塞以上每米液柱重21.24N/m。=21.24(1500-1000)=10.62kN 桿的直徑取=22mm,= E=2.1= =0.2m=0.33m根據(jù)大慶地區(qū)的實際情況：一般考慮產(chǎn)液量為每天20噸以上，查閱異形游梁抽油機 不同參數(shù)下泵的理論排量初步確定S=2.5m，n=5r/min，泵徑=56mm 活塞面積 =24.63 按這種數(shù)據(jù)其理論產(chǎn)液量一個沖程抽液量一天產(chǎn)液量=4.7=33.8kg=33.8噸基本滿足大慶地區(qū)要求2.3懸點載荷計算懸點的最大載荷發(fā)生在上沖程靜變形結(jié)束后一瞬間，最大載荷等于靜載荷加上動載荷（慣性載荷和振動載荷），懸點的最小載荷發(fā)生在下沖程靜變形期結(jié)束后一瞬間。最小載荷等于靜載荷減去動載荷作為實際計算，現(xiàn)將國內(nèi)外所用的一些比較簡便的公式列在下面，僅供參考。公式1 公式2 公式3公式4 公式5公式1可用于一般井深及低沖數(shù)油井。公式2、3和5都是把懸點運動規(guī)律簡化為簡諧運動。公式4只考慮了抽油桿產(chǎn)生的慣性載荷，公式2和公式5同時考慮了抽油桿柱和液柱的慣性載荷?？紤]到摩擦力的影響，公式2和公式1中的液柱載荷采用（即作用在活塞整個截面面積上的液柱載荷），而公式5中采用（即作用在活塞環(huán)形面積F-上的液柱載荷）。曾對我國某油田的6口抽油井的懸點載荷用電阻應(yīng)變儀進行了準確的實際測量，并且用上述5個公式進行了計算。得出結(jié)論用公式2計算的結(jié)果接近于上述6口井的實際測量結(jié)果，而公式1的計算結(jié)果普遍較高，公式3和公式4普遍偏低。故選擇采用公式2來計算懸點最大和最小載荷根據(jù)大慶地區(qū)的實際情況：下泵深度L=1500m,沖次n=5，泵徑取d=56mm,抽油桿直徑=22mm,井下液體密度=880kg/,動液面h=1000m,S=2.5m直徑22mm抽油桿在空氣中質(zhì)量為30.1N/m，泵徑為56mm，油管直徑取73mm,在液體密度為880kg/的情況下，柱塞以上每米液柱重21.24N/m。=（+）（1+S/1790）=(+)（1+S/1790）=30.11500+21.24(1500-1000)(1+2.5/1790)=57.717KN =(1- S/1790)=30.1 1500(1-2.5 /1790)=43.826KN2.4抽油機減速箱曲柄軸最大扭矩計算 如果已經(jīng)經(jīng)過計算或?qū)崪y繪出減速器曲柄軸扭矩曲線，便可通過曲線直接差的扭矩的最大值。雖然利用扭矩曲線確定最大扭矩是目前應(yīng)用的較準確的方法，但繪制扭矩曲線比較復(fù)雜，因此在一般的計算中多采用直接計算的方法。 =0.4S/2=0.457.722.5/2=0.457.7172.5/2=24.11KNm第3章抽油機運動分析及基本尺寸確定3.1 抽油機的運動分析如圖1所示，建立坐標系，設(shè)S為懸點位移。B點為繩輪中心，D點為曲柄與連桿鉸接點，O點為曲柄回轉(zhuǎn)中心，E，C點為鋼絲繩與繩輪的to點，A點過O點的水平線與過B點的鉛垂線的交點。a1為AO的長度 , h為AB的長度，S1為圓弧EC的長度與直線CD長度之和，S0為位移初始值。S1=其中: ,為D點坐標。，為B點坐標。R為繩輪半徑，r為曲柄長度，為圓弧EC對應(yīng)的圓心角。設(shè)曲柄在鉛垂位置時：S1= =0-曲柄順時針轉(zhuǎn)動時它與鉛垂線DO的夾角。則=而=+=+=+所以S1=+= S1- S= + S0=+S0上式即為懸點位移公式。表示了S隨變化的規(guī)律。用解析法求導(dǎo)，計算速度和加速度理論上可行。但對上式表示的懸點位移，求導(dǎo)非常麻煩，而且得到的公式也難于應(yīng)用。所以，我們利用數(shù)值微分方法求速度二和加速度a0=- /(2 ),= -2+/ 至此，我們可以得到位移速度、加速度隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律。稱之為類速度、類加速度。設(shè)曲柄以常速轉(zhuǎn)動，則懸點速度，v=/=(/)(/)=(/)=懸點加度:a=/=(/)(/)=(/)=3.2抽油機的懸點運動規(guī)律一、懸點靜載荷的分析及變化規(guī)律 抽油桿柱自重 : 在上下沖程過程中，抽油桿柱的重力始終作用于游梁式抽油機驢頭懸點上，它是一個不變載荷。油管內(nèi)柱塞上的液柱重 和油管外液柱對柱塞下端 的壓力 ：油管內(nèi)柱塞上的液柱重和油管外液柱對柱塞下端的壓力與抽油泵的工作狀態(tài)有關(guān)。下沖程時，由于游動閥是開啟的，而固定閥是關(guān)閉的，若不計井液流經(jīng)游動閥的阻力，則上述二項載荷均不作用于懸點上。上沖程時，由于游動閥是關(guān)閉的，而固定閥是開啟的，此時這兩項載荷作用在懸點上，其大小可用下式計算 ： 懸點靜載荷的大小及變化規(guī)律 ：上沖程時下沖程時在上述懸點靜載荷的計算中，沒有考慮井口回壓及套壓的影響，在實際生產(chǎn)中若此二項壓力較大，則必須對上述靜載荷計算公式進行修正。靜力示功圖二、懸點動載荷的大小及變化規(guī)律 抽油桿柱動載荷： 在忽略抽油桿柱的彈性影響時，抽油桿柱被視為一個剛體，此時抽油桿柱的運動與驢頭懸點是同步的，則抽油桿柱動載荷可由下式計算 液柱動載荷： 若忽略抽油桿柱的彈性和井液的可壓縮性，在抽油泵柱塞與油管直徑相同的情況下液柱的運動也是與懸點同步的，但實際上柱塞直徑與油管直徑是不同的，這樣就使得液柱運動速度和加速度與懸點處不同，為此引入加速度修正系數(shù)。液柱動載荷可由下式計算 上沖程時懸點動載荷為： 下沖程時懸點的動載荷為： 動力示功圖第4章 抽油機部件的設(shè)計4.1 電動機和減速器的選擇電動機所需功率=N/(9.55)(KW)式中，為傳動裝置的總效率，N為曲柄軸轉(zhuǎn)速（r/min）,為曲柄軸最大扭矩（N m）又知，V帶傳動效率=0.96，軸承傳動效率=0.985，齒輪傳動效率=0.97，聯(lián)軸器傳動效率=0.99，則傳動裝置總效率：=0.84177=0.4S/2=0.457.7172.5/2=24.11KNm那么，=N/(9.55)=24.115/9.550.84177=14.996KW故取電動機Y200L-8，額定功率15KW，額定轉(zhuǎn)速730r/min.減速器傳動比31 中心距750mm 扭矩26KNm4.2鋼絲繩的選用和設(shè)計抽油機中所使用的鋼絲繩，主要用來傳遞動力或承擔懸吊重物（如懸點載荷）。當然也有平時不受力，只有在某種特殊條件（如故障時）下才受力的。在曲柄連桿式無游梁抽油機中鋼絲繩所受的力主要是拉力，在鋼絲繩選用時，主要根據(jù)其所要受的力來選擇鋼絲繩的規(guī)格和型號。1.鋼絲繩的最大許用載荷 =T/n式中-鋼絲繩許用的最大靜拉力，N； T-鋼絲繩的破斷拉力，N； n-安全系數(shù)，一般取68。2.鋼絲繩破斷載荷的估算 T=式中-鋼絲間載荷不均勻系數(shù)，一般取=0.80.85； -鋼絲的強度等級，MPa; -鋼絲繩的鋼絲根數(shù)； d鋼絲直徑，mm。鋼絲繩的破斷載荷也可用下式進行估算： T=0.5式中 D鋼絲繩的公稱直徑， mm。按照上式計算出來的鋼絲繩最大許用拉力，必須大于或等于鋼絲繩工作時的實際拉力。鋼絲繩規(guī)格和型號的選取，要根據(jù)鋼絲繩工作條件和上述計算的進行。在曲柄連桿式無游梁抽油機設(shè)計中繩輪上的鋼絲繩初選4根，所受總載荷為， =57.72KN所以 =4安全系數(shù)n=8由上式進一步得D=15.19 mm4.3連桿的設(shè)計連桿結(jié)構(gòu)一般都是空心的，一般用無縫鋼管制成，兩端焊有連接頭。正常工作時，上端連接頭和橫梁無轉(zhuǎn)動，用銷子相連，為過盈配合。下端連接頭和曲柄用曲柄銷子連接，在連桿銷處安有滾動軸承此圖為實地參觀大慶地區(qū)抽油機拍的連桿照片此圖為設(shè)計的連桿空心結(jié)構(gòu)4.4 繩輪的設(shè)計曲柄連桿式無游梁抽油機沒有驢頭和游梁，鋼絲繩穿過繩輪和抽油桿連接來傳遞動力，因此要求繩輪有較高的承受強度的能力。可以仿齒輪來設(shè)計繩輪，如下圖所示。4.5繩輪軸承的設(shè)計4.5.1軸的概述及軸設(shè)計的主要內(nèi)容1.軸的概述軸是組成機器的主要零件之一。一切作回轉(zhuǎn)運動的的傳動零件（例如齒輪、蝸輪等），都必須安裝在軸上才能進行運動及動力傳遞。因此軸的主要功能是支撐回轉(zhuǎn)零件及傳遞運動和動力。2.軸設(shè)計的主要內(nèi)容軸的設(shè)計也和其他零件的設(shè)計相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力計算兩個方面內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是軸設(shè)計中重要的內(nèi)容。軸的工作能力計算是指軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這是只需對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求高的軸（如車床主軸）和受力大的細長軸，還應(yīng)進行剛度計算，以防止工作時產(chǎn)生過大的彈性形變。對于高速運轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進行振動穩(wěn)定性計算，以防止發(fā)生共振而破壞。3.軸的材料的選擇軸的材料主要是碳鋼和合金鋼，鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。合金鋼比碳鋼具有更高的力學(xué)性能和更好的淬火性能，因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質(zhì)量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。本設(shè)計軸的載荷中等，故選用45鋼進行設(shè)計計算。4.5.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。軸的結(jié)構(gòu)主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式；軸上安裝的零件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸連接的方法；載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標準的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計時，必須針對不同的情況進行具體分析。但是，不論何種具體條件，軸的結(jié)構(gòu)都應(yīng)滿足：軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應(yīng)便于拆裝和調(diào)整；軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。下面是軸結(jié)構(gòu)設(shè)計中要解決的幾個主要問題。1.擬定軸上零件的裝配方案擬定軸上零件的方案是進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，他決定著軸的基本形式。所謂裝備方案，就是預(yù)定出軸上主要零件的裝配方向、順序和相互聯(lián)系。擬定裝配方案時，一般應(yīng)考慮幾個方案，進行分析比較與選擇。2.軸上零件的定位為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運動，軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)的要求外，都必須進行周向和周向定位，以保證其準確的工作位置。軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、軸端擋圈、抽成端蓋和圓螺母等來保證的。周向定位的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。常用的周向定位零件有鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過盈配合等，其中緊定螺釘制用在傳力不大之處。3.各軸段直徑和長度的確定零件在軸上的定位和裝拆方案確定后，軸的形狀便大體確定。各軸段所需的直徑與軸上的載荷大小有關(guān)。初步確定的直徑時，通常還不知道支反力的作用點，不能決定彎矩的大小與分布情況，因而還不能按軸所受的具體載荷及其引起的反應(yīng)力來確定軸的直徑。但在進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，通常以求得軸所受的扭矩。因此，可按軸所受的扭矩初步估算軸所需的直徑。將初步求出的直徑作為承受扭矩的軸段的最小直徑,然后再按軸上零件的裝配方案和定位要求，從處起逐一確定各段軸的直徑。在實際設(shè)計中，軸的直徑亦可憑設(shè)計者的經(jīng)驗取定，或參考同類型機器用類比的方法確定。有配合要求的軸段，應(yīng)盡量采用標準直徑。安裝標準件（如滾動軸承、聯(lián)軸器、密封圈等）部位的軸頸，應(yīng)取為相應(yīng)的標準值及所選配合公差。確定各軸段長度時，應(yīng)盡可能是結(jié)構(gòu)緊湊，同時還要保證零件所需的裝配或調(diào)整空間。軸的各段長度主要是根據(jù)各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相鄰零件間必要的空隙來確定的。為了保證軸向定位可靠，與齒輪和聯(lián)軸器等零件相配合的軸段長度一般應(yīng)比輪轂常度短23mm。4.提高軸的強度的常見措施軸和軸上零件的結(jié)構(gòu)，工藝以及軸上零件的安裝布置等對軸的強度有很大影響，所以應(yīng)在這些方面進行充分考慮，以利提高軸的承載能力，減少軸的尺寸和機械質(zhì)量，降低制造成本。1. 合理布置軸上零件以減少軸的載荷2. 改進軸上零件的結(jié)構(gòu)以減小軸的載荷3. 改進軸的結(jié)構(gòu)以減小應(yīng)力集中的影響4. 改進軸的表面質(zhì)量以提高軸的疲勞強度5.軸的結(jié)構(gòu)工藝性軸的結(jié)構(gòu)工藝性是指軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于加工和裝配軸上的零件，并且生產(chǎn)率提高，成本降低。一般的說，軸的結(jié)構(gòu)越簡單，工藝性越好。因此，在滿足使用要求前提下，軸的形式盡量簡化。為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應(yīng)制出45°的倒角；需要磨削加工的軸段，應(yīng)留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應(yīng)留有退刀槽。他們的尺寸可參看標準或手冊。4.5.3 軸的設(shè)計計算可得軸的直徑設(shè)計公式 （4-24）查表我所設(shè)計的軸材料選擇45鋼取得=107前文算到P=15KW n=5r/min所以： （4-25）又因為截面上有一個鍵槽故d1.05=162.09mm取=170mm =188mm 鍵槽處直徑d=180mm 根據(jù)上述各標準確定最終確定軸軸強度校核部分。4.6 V帶的設(shè)計 初步選取4根V帶，由電動機型號Y200L-8，額定功率15KW，額定轉(zhuǎn)速730r/min.減速器傳動比31，單根V帶的計算功率是根據(jù)傳遞的功率P和帶的工作條件而確定的 式中-計算功率，kW;-工作情況系數(shù)；P-所需傳遞額定功率，P=15kW；查閱機械設(shè)計手冊 V帶的設(shè)計取1.3 V帶的=1.315= 19.5kW.已知小帶輪轉(zhuǎn)速730r/min，V帶計算功率6kW.查閱普通V帶選型圖選C型帶， 帶型4ZV15J-5380.小帶輪直徑=200mm.大帶輪直徑 =4.71200=942mm.帶傳動的中心距 8002284帶速=7.64m/s第5章 主要零部件校核曲柄連桿式無游梁式抽油機零件主要包括:曲柄、曲柄銷、連桿、繩輪、繩輪軸承、支架等。 曲柄連桿式無游梁式抽油機的支架屬于空間鋼架結(jié)構(gòu)，可用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進行內(nèi)力分析和強度計算；在已知個軸承支反力后，軸承的壽命校核比較容易；軸的強度計算也不算太大。 通過對曲柄的受力分析及減速器扭矩的計算，可確定作用于減速箱有關(guān)零件上的外負荷，通過對零件的受力分析便可確定其內(nèi)力，并進行強度計算。下面僅就抽油機連桿、軸承、曲柄銷等主要零件的強度計算進行研究。 曲柄連桿式無游梁式抽油機的主要零件都承受交變載荷的作用，因此其強度計算包括靜強度和疲勞強度計算兩部分。 當進行靜強度計算時，假定抽油泵柱塞瞬時卡住（如在柱塞和泵筒間落入砂粒，即砂卡）而抽油機繼續(xù)工作，那么在懸點處產(chǎn)生的最大載荷有可能超過工作時懸點的最大允許載荷。短時間作用在懸點的最大載荷為=式中-懸點短時間作用的最大載荷，在計算抽油機零件靜強度時，懸點計算負荷P取為；-考慮到柱塞瞬時卡住時懸點載荷的增加倍數(shù)，=1.5-2.0。當進行疲勞強度計算時，由于決定疲勞強度的不是最大應(yīng)力的大小，而是應(yīng)力幅值，故在疲勞輕度計算時，懸點計算負荷P不能取為常數(shù)，而必須用懸點示功圖確定懸點瞬時計算負荷P。由于在抽油機使用范圍內(nèi)，不同的下泵深度和不同的抽汲參數(shù)直接影響抽油機懸點的大小及示功圖的形狀，因此也直接影響抽油機零件的應(yīng)力狀態(tài)。因此當確定抽油機零件的應(yīng)力以進行疲勞強度計算時，應(yīng)該討論在該型抽油機使用范圍內(nèi)的三種下泵深度情況-最小的、最大的和平均的下泵深度。一般可考慮一下兩種抽汲工況：(1)在給定的最小下泵深度條件下，用最大的沖程長度和最大的沖數(shù)以及盡可能小的泵徑抽汲所需的產(chǎn)量；(2)在給定的最大或平均下泵深度條件下，用最大的沖程長度，盡可能小的沖數(shù)和泵徑抽汲所需的產(chǎn)量；在利用以上兩種抽汲工況確定的懸點示功圖時，還應(yīng)遵循以下基本原則：調(diào)節(jié)下泵深度及沉沒度等參數(shù)，使抽油機工作時的的懸點最大載荷（即示功圖上的載最大值）達到抽油機懸點的最大允許負荷。5.1繩輪軸承的強度校核軸的設(shè)計通常都是在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后進行校核計算，計算準則是滿足軸的強度或剛度要求，必要時還應(yīng)校核軸的震動穩(wěn)定性。按扭轉(zhuǎn)強度條件計算，通常用這種方法初步估算軸頸。 （4-23）式中：扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，Mpa； T軸所受的扭矩，N·mm； 軸的抗扭截面系數(shù)，； n軸的轉(zhuǎn)速，r/min； P軸傳遞的功率，kW； d計算截面處軸的直徑，mm； 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，Mpa；已知軸的最小直徑d=170mm,軸傳遞的功率P=15KW，軸的速度n=5r/min.材料為45鋼，取=40MPa。故滿足強度要求。5.2連桿的強度校核計算抽油機連桿質(zhì)量較輕，其運動產(chǎn)生的慣性力及慣性力矩較小。如果忽略連桿運動產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩，則可認為連桿為二力桿。連桿采用45鋼材料制成，安全系數(shù)=1.3，, =353，所以45鋼的工作應(yīng)力=/=270由于有2個連桿在考慮砂卡的條件下，任一邊的連桿所受力為F=/2=257.72/2=57.72KN, 取2.0故滿足強度要求。5.3曲柄銷強度計算曲柄銷是曲柄連桿式無游梁式抽油機的關(guān)鍵零件，也是抽油機易損件之一。在抽油機工作過程中，經(jīng)常發(fā)生曲柄銷損壞現(xiàn)象，給油田生產(chǎn)造成很大損失。導(dǎo)致曲柄銷損壞的原因有多種，除少數(shù)是因為材料本身缺陷或原始裂紋引起的破壞外，大多數(shù)屬于疲勞破壞。曲柄銷的材料選用45鋼，=40曲柄銷受力和連桿受力情況相同，都忽略各零件重力.故滿足強度要求。5.4橫梁的強度校核計算橫梁的結(jié)構(gòu)分為兩種：一種是將橫梁及連桿制造在一起，其特點是連接件很少，結(jié)構(gòu)簡單，用在小型抽油機上，它由改變后臂長度來調(diào)節(jié)沖程長度。另一種結(jié)構(gòu)是單獨橫梁，一般用于大型抽油機中，它由改變曲柄和連桿的連接點位置來調(diào)節(jié)沖程長度。橫梁的制造方法有三種:一是用型鋼直接制成，二是焊接，三是鑄造。為了使橫梁和連桿的連接點與橫梁和鋼絲繩的連接點在同一水平線上，往往將橫梁作成弓形，這樣就增加了抽油機四連桿在工作中的剛性，改善連桿和橫梁連接銷子的工作條件，我設(shè)計的是用工字鋼焊接而成，工字鋼截面尺寸如下圖工字鋼材料采用Q235，許用的切應(yīng)力=30MPa。=57.72kN, =16mm, =240mm。 .滿足強度要求。與上圖的軸配合的軸承d=170,D=310,B=52,r=4, =216, =264。深溝球軸承主要承受徑向載荷，也可同時承受小的軸向載荷。當量摩擦系數(shù)最小。當高轉(zhuǎn)速時，可用來承受純軸向載荷，大量生產(chǎn)，價格最低。軸承代號6234。軸承壽命繩輪和軸承自身重力G=15KN=245KN，P=（即懸點最大載荷）+G=72.72KNn=5r/min.=1.28h=14.6年.4.3 鍵的選擇與校核4.3.1鍵連接的概述鍵是一種標準零件，通常用來實現(xiàn)軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還能實現(xiàn)零件的軸向固定或軸向滑動的導(dǎo)向。4.3.2 鍵的選擇與鍵連接的強度計算1.鍵的選擇鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵的類型根據(jù)鍵連接的結(jié)構(gòu)特點、使用要求和工作條件來選擇的；鍵的尺寸則按符合標準規(guī)格和強度要求來取定。 這里我們選用的是平鍵連接，鍵的兩側(cè)是工作面，工作時，靠鍵同鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵的上表面和輪轂的鍵槽底面間則留有間隙。平鍵連接具有結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、對中性較好等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。圖4-3鍵與鍵槽的剖面尺寸查表機械設(shè)計手冊，根據(jù)軸頸選取鍵的尺寸為b=40 mm h=22mm。2.鍵連接的強度計算平鍵連接傳遞扭矩時，主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴重的過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進行強度校核計算。假定載荷在鍵的工作平面上均勻分布，普通平鍵連接的強度條件： （4-26） 式中 T傳遞的轉(zhuǎn)矩,N·m； k鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，此處h為鍵槽的高度，mm； l鍵的工作長度，mm,圓頭平鍵l=L-b,平頭平鍵l=L,這里L為鍵的公稱長度，mm；b為鍵的寬度，mm； d軸的直徑，mm； 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用應(yīng)力，Mpak=0.5h=0.5 22=11mml=L-b=150-40=110mmd=180mm 滿足條件，故鍵合格。此圖為繩輪軸承部分部件圖，。4.平衡重平衡重是鑄鐵件，由于曲柄連桿式無游梁抽油機上下沖程的載荷很不均勻，上沖程時，鋼絲繩需提起抽油桿柱和油柱，而下沖程時，抽油桿依靠自重就可以下落，這樣就使發(fā)動機做功極不均勻。為了使上、下沖程發(fā)動機做功均勻，采用了平衡重的結(jié)構(gòu)。曲柄連桿式無游梁抽油機平衡重分兩種：一種是和V形曲柄相配合的扇形結(jié)構(gòu)，采用這種曲柄的話，曲柄的不同轉(zhuǎn)向（順時針或逆時針）就不會影響減速箱曲柄軸扭矩的變化規(guī)律；另一種是為偏心重結(jié)構(gòu)。偏心重結(jié)構(gòu)制造容易，但調(diào)整較困難，而扇形結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)較方便，當需將偏心塊調(diào)到某位置時，可將曲柄旋轉(zhuǎn)，使要調(diào)整的位置在最下方，松開固緊螺釘后，扇形平衡重沿導(dǎo)軌自動落到要調(diào)的位置。為了調(diào)整方便及安全，在兩種曲柄上都有導(dǎo)軌及擋塊，固緊螺釘即使松開，也不會使偏心重落下。8.鋼絲繩六. 參考文獻 1.董世民抽油機設(shè)計計算及計算機實現(xiàn)M.北京：石油工業(yè)出版社，19942.萬邦烈.采油機械的設(shè)計計算M.北京：石油工業(yè)出版社，19883.萬仁付.采油技術(shù)手冊 M北京：石油工業(yè)出版社，2004.4黃秀華，韓志昌，丁建國，李德富，崔曉華.游梁式抽油機M.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001年8月.5.張自清.國內(nèi)外新型抽油機M. 北京：石油工業(yè)出版社，1994年.6董世民,姚春冬.變矩式曲柄連桿無游梁抽油機設(shè)計J石油機械,1994年第22卷第9期.7. 張曉玲,于海迎抽油機的節(jié)能技術(shù)及其發(fā)展趨勢J. 石油和化工節(jié)能,2007年第2期. 8. 胡緒南.抽油機減速器和潤滑系統(tǒng)滲漏原因及改進J. 江漢石油科技,2008年3月第18卷第1期.9. 邊兵兵. 抽油機井系統(tǒng)效率低原因分析及治理措施N工程技術(shù)，2010年1月.10 . 曹芳，張明禮防竊節(jié)電抽油機新技術(shù)J. 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