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攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
目錄
前言 3
第1章 選題背景 5
1.1研究目的和意義 5
1.2國內(nèi)外抽油機(jī)的發(fā)展概況 5
1.2.1 國外抽油機(jī)的發(fā)展概況 5
1.2.2 國內(nèi)抽油機(jī)的發(fā)展概況 6
1.3游梁式抽油機(jī)的特點(diǎn)、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 7
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 9
2.1抽油機(jī)的基本工作原理 9
2.2抽油機(jī)的基本簡圖 10
2.3抽油機(jī)設(shè)計(jì)原理的確定 11
2.4抽油機(jī)總傳動(dòng)方案： 13
2.5平衡方式的確定 14
2.6安裝尺寸與機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù) 14
第3章 基本參數(shù)的確定 16
3.1游梁式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 16
3.1.1 幾何尺寸分析[10] 16
3.1.2 懸點(diǎn)的位移、速度、加速度的分析 18
3.2游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算 19
3.2.2懸點(diǎn)動(dòng)載荷的大小和變化規(guī)律 24
3.2.3懸點(diǎn)的最大載荷和最小載荷 26
3.2.4 摩擦力對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響 27
3.2.5游梁抽油機(jī)的抽汲工況 28
3.3游梁式抽油機(jī)減速器曲柄軸凈扭矩的計(jì)算 28
3.4游梁式抽油機(jī)扭矩特性參數(shù) 30
3.5游梁式抽油機(jī)電機(jī)功率的確定 32
3.6游梁式抽油機(jī)的平衡計(jì)算 34
第4章 變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比分配及其結(jié)構(gòu)確定 35
4.1變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比分配 35
第5章 主要部件的設(shè)計(jì) 37
5.1曲柄 37
5.2 連桿 37
5.3 游梁 38
5.4 驢頭 39
5.5 橫梁 39
5.6常規(guī)游梁抽油機(jī)裝配體 40
參考文獻(xiàn) 41
致謝 42
59
攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
前言
油田開采原油的方法分為兩類：一類是利用地層本身的能量來舉升原油，稱為自噴采油法，常見于新開發(fā)且儲(chǔ)量大的一些油田；另一類是到了油田開發(fā)的中后期，地層本身能量不足以使原油產(chǎn)生自噴，必須人為地利用機(jī)械設(shè)備將原油舉升到地面，稱為人工舉升采油法或機(jī)械采油法[1]。
上述采油方法中不利用抽油桿傳遞能量的抽油設(shè)備統(tǒng)稱為無桿抽油設(shè)備，利用抽油桿上下往復(fù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的抽油設(shè)備統(tǒng)稱為有桿抽油設(shè)備。利用抽油桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)井下單螺旋泵裝置，雖然也有抽油桿，但習(xí)慣上不列入有桿抽油設(shè)備[3]。
有桿泵采油技術(shù)是應(yīng)用最早也最為廣泛的一種人工舉升機(jī)械采油方法。有桿抽油系統(tǒng)主要有三部分組成：一是地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備即抽油機(jī)，它由電動(dòng)機(jī)、減速器和四連桿機(jī)構(gòu)(包括曲柄、連桿和游梁)等組成：二是井下的抽油泵(包括吸入閥、泵筒、柱塞和排出閥等)，安裝于油管的下端：三是抽油桿，它把地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳給井下抽油泵。
抽油機(jī)是一種把原動(dòng)機(jī)的連續(xù)圓周運(yùn)動(dòng)變成往復(fù)自線運(yùn)動(dòng)，通過抽油桿帶動(dòng)抽油泵進(jìn)行抽油的機(jī)械設(shè)備。游梁式抽油機(jī)是機(jī)械采油設(shè)備中問世最早的抽油機(jī)機(jī)種，1919年美國就開始批量生產(chǎn)這種抽油機(jī)。游梁式抽油機(jī)，也稱梁式抽油機(jī)、游梁式曲柄平衡抽油機(jī)，指含有游梁，通過連桿機(jī)構(gòu)換向，曲柄重塊平衡的抽油機(jī)，俗稱磕頭機(jī)。
對(duì)于本次研究的抽油機(jī)設(shè)計(jì)，主要是通過自我認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)的知識(shí)，對(duì)抽油機(jī)設(shè)計(jì)有個(gè)全方位的了解和認(rèn)識(shí)，在設(shè)計(jì)中不僅要完成抽油機(jī)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也是通過對(duì)抽油機(jī)設(shè)計(jì)，了解設(shè)計(jì)的基本常識(shí)。本次抽油機(jī)的設(shè)計(jì)，主要包含抽油機(jī)的整體設(shè)計(jì)：抽油機(jī)的四桿機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)選取、運(yùn)動(dòng)分析、V帶的選擇以及各種工作參數(shù)的選擇等。對(duì)包括抽油機(jī)在內(nèi)的有桿采油系統(tǒng)懸點(diǎn)載荷計(jì)算進(jìn)行研究，對(duì)抽油機(jī)的電機(jī)功率的選擇。根據(jù)游梁式抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)游梁式抽油機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力特性等進(jìn)行分析。對(duì)抽油機(jī)的主要零部件（游梁、連桿、曲柄）強(qiáng)度校核。本次設(shè)計(jì)不僅是一次抽油機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)以后的設(shè)計(jì)也有這很大的幫助。
攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 選題背景
1.1研究目的和意義
游梁式抽油機(jī)是國內(nèi)外石油工業(yè)的傳統(tǒng)采油方式之一，在我國石油開采中有桿抽油系統(tǒng)一直占主導(dǎo)地位。在我國各油田中，大約80%以上的油井采用有桿抽油系統(tǒng)。游梁式抽油機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、可靠性高、耐久性好、維修方便、適應(yīng)現(xiàn)場工況等優(yōu)點(diǎn)，在采油機(jī)械中占有舉足輕重的地位。
但游梁式抽油機(jī)也存在很多缺點(diǎn)，如系統(tǒng)的效率低、能耗大、抽油時(shí)間以及平衡性能差等。其中，游梁式抽油機(jī)的主要問題是能耗大，效率低。我國油田在用的常規(guī)型游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)效率較低，其平均系統(tǒng)效率僅有16%～23%。因此，有桿抽油系統(tǒng)的節(jié)能問題已成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，油田推廣應(yīng)用各種節(jié)能型抽油機(jī)、電機(jī)及電控箱，雖然這些節(jié)能產(chǎn)品的使用提高了抽油機(jī)井系統(tǒng)效率，但也隨之產(chǎn)生一些問題，如它們能否組合使用,組合使用后的節(jié)能效果是否是單個(gè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果的算術(shù)疊加等。因此，研究游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題具有非常重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。
游梁式抽油機(jī)是油田目前主要使用的抽油機(jī)類型之一，主要由了驢頭—游梁—連桿—曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動(dòng)力設(shè)備和輔助裝備等四大部分組成。工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)經(jīng)變速箱、曲柄連桿機(jī)構(gòu)變成驢頭的上下運(yùn)動(dòng)，驢頭經(jīng)光桿、抽油桿帶動(dòng)井下抽油泵的柱塞作上下運(yùn)動(dòng)，從而不斷地把井中的原油抽出井筒。
游梁式抽油機(jī)是一種變形的四桿機(jī)構(gòu)，它是以游梁支點(diǎn)和曲軸中心連線做固定桿，以曲柄、連桿和游梁后臂為3個(gè)活動(dòng)件的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，該連桿機(jī)構(gòu)各桿件尺寸的不同組合將會(huì)直接影響抽油機(jī)的動(dòng)力性能，我們將就此連桿機(jī)構(gòu)的尺度綜合問題展開談?wù)摚谄渌O(shè)計(jì)參數(shù)一定的情況下，通過優(yōu)選桿長組合來討論抽油機(jī)的重要質(zhì)量指標(biāo)——懸點(diǎn)加速度的變化情況，從而進(jìn)一步判斷抽油機(jī)的性能優(yōu)劣。
為了判斷游梁式抽油機(jī)的動(dòng)力性能優(yōu)劣，提出了游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度綜合優(yōu)選方法。建立尺度綜合的數(shù)學(xué)模型，對(duì)尺度進(jìn)行綜合的優(yōu)選。并據(jù)此對(duì)抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。根據(jù)懸點(diǎn)的系列位移、速度及加速度曲線，對(duì)抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。用最優(yōu)尺度綜合產(chǎn)生的抽油機(jī)懸點(diǎn)最大加速度曲線變化更加平穩(wěn)，峰值更??；以此設(shè)計(jì)的抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，有一定的節(jié)能效果，該方法也可用于類似四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
1.2國內(nèi)外抽油機(jī)的發(fā)展概況
1.2.1 國外抽油機(jī)的發(fā)展概況
在國外，研究開發(fā)與應(yīng)用抽油機(jī)已有100多年的歷史。在這一百多年的采油實(shí)踐中，抽油機(jī)發(fā)生了很大的變化，特別是近20年來，世界抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展較快，先后研究開發(fā)了多種新型抽油機(jī)。起特性主要有以下九個(gè)方面：
(1) 為了適應(yīng)各種地質(zhì)油藏條件和采油的工況，研制與應(yīng)用了液壓缸式抽油機(jī)、氣壓缸式抽油機(jī)、長沖程低沖次抽油機(jī)和螺桿泵采油系統(tǒng)等。
(2) 為了滿足陸地、城市、農(nóng)村水利噴灌區(qū)、山區(qū)、沼澤、森林地帶、沙漠地區(qū)、淺海和海灘、海洋地區(qū)和更復(fù)雜地區(qū)抽油的需要， 研制與應(yīng)用了低矮型抽油機(jī)、城市抽油機(jī)、前置式抽油機(jī)、前置式氣平衡抽油機(jī)、緊湊型抽油機(jī)、兩點(diǎn)式抽油機(jī)和井架型抽油機(jī)等。
(3) 為了適應(yīng)垂直井、斜井、叢式井和水平井抽油工況，研制了斜井抽油機(jī)、叢式井抽油機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)和高效能叢式井抽油機(jī)等。
(4) 為了滿足稠油和深井開采的需要，研制與應(yīng)用了各種大型抽油機(jī)。例如常規(guī)型抽油機(jī)最大載荷160kN，前置式抽油機(jī)最大載荷193kN；前置式氣平衡抽油機(jī)最大載荷213kN。
(5) 為了提高抽油系統(tǒng)效率，減少抽油機(jī)動(dòng)載荷與振動(dòng)載荷，研制了增大沖程游梁抽油機(jī)和增大沖程無游梁抽油機(jī)及長沖程無游梁抽油機(jī)(分立式和臥式兩種)。
(6) 為了提高采油經(jīng)濟(jì)效益，降低能源消耗，減少抽油成本，研制與應(yīng)用了各種新型節(jié)能抽油機(jī)和節(jié)能部件。例如異相型抽油機(jī)、前置式抽油機(jī)、前置式氣平衡抽油機(jī)、大圈式抽油機(jī)、輪式抽油機(jī)、全膠帶傳動(dòng)抽油機(jī)、井架型抽油機(jī)、滾筒式抽油機(jī)、缸體式抽油機(jī)、玻璃鋼抽油桿用抽油機(jī)、自動(dòng)化抽油機(jī)和智能抽油機(jī)等。節(jié)能部件有： 高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)節(jié)能控制柜、窄V 聯(lián)組膠帶、同步膠帶、齒型膠帶等。上述抽油機(jī)和部件能節(jié)電10%～50%。
(7) 為了提高抽油機(jī)精確平衡效果，達(dá)到節(jié)電和提高抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與使用壽命， 研制與應(yīng)用了各種平衡方式抽油機(jī)。例如變平衡力矩抽油機(jī)、氣平衡抽油機(jī)、氣囊平衡抽油機(jī)、雙井平衡抽油機(jī)和自動(dòng)平衡抽油機(jī)等。
(8) 為了滿足邊遠(yuǎn)地區(qū)沒有電源的抽油井試油或采油以及間歇抽油的需要， 研制與應(yīng)用了車裝式抽油機(jī)，采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)或汽油機(jī)、柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)， 具有使用移動(dòng)靈活等特點(diǎn)。
(9) 為了提高采油效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化開采石油，研制與應(yīng)用了各種自動(dòng)化抽油機(jī)和智能抽油機(jī)，采用先進(jìn)的微機(jī)系統(tǒng)控制、檢測和診斷抽油機(jī)運(yùn)行與故障， 以確保高效安全經(jīng)濟(jì)抽油。
1.2.2 國內(nèi)抽油機(jī)的發(fā)展概況
我國游梁式抽油機(jī)的制造雖然只有40多年的歷史，但發(fā)展很快。目前已有生產(chǎn)廠家三十多個(gè)，抽油機(jī)的規(guī)格有十余種。
國內(nèi)抽油機(jī)按起傳動(dòng)、換向系統(tǒng)和平衡方式分類，主要有以下幾種：
(1)常規(guī)游梁式抽油機(jī)及其改型抽油機(jī)
常規(guī)游梁式抽油機(jī)是油田生產(chǎn)的主力機(jī)型，最大的沖程為6米。該機(jī)構(gòu)簡單，機(jī)械換向簡單，機(jī)械換向平穩(wěn)；同時(shí)在傳動(dòng)件中很少使用壽命較短、可靠性較差的擾性構(gòu)件，因此使用和維護(hù)都比較簡單，可靠性也高，是現(xiàn)有各抽油機(jī)中最成熟的機(jī)種，且適用于全天候工作，至今在眾多有桿式抽油機(jī)的應(yīng)用中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。
(2)四桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)抽油機(jī)
這類抽油機(jī)主要是以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為主機(jī)夠的增程式、浮動(dòng)輪式等幾種。但該抽油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝維護(hù)困難，目前在油田應(yīng)用很少。
(3)六桿機(jī)構(gòu)的抽油機(jī)
為了克服四桿機(jī)構(gòu)抽油機(jī)的缺點(diǎn)，有研制了數(shù)種采用六桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的抽油機(jī)。但這種機(jī)型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性不高，動(dòng)力性改善并不明顯。
(4) 滾筒式抽油機(jī)
滾筒式抽油機(jī)是利用換向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滾筒正、反轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)柔性見饒國天輪驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)做上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的抽油機(jī)。這類抽油機(jī)沒能在油田大面積推廣，原因是換向系統(tǒng)的可靠性和壽命較低，而且沖擊和噪音大，平衡困難。
(5)鏈條式抽油機(jī)
鏈條式抽油機(jī)是利用軌跡鏈條上的特殊鏈節(jié)，帶動(dòng)往返架往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)上、下運(yùn)動(dòng)的抽油機(jī)。平衡方式主要是氣平衡和重塊平衡。但前者存在密封和失載保護(hù)等問題，故障率高；后者慣性載荷大，鏈條和特殊鏈節(jié)的受力情況惡化，故障率較高。而且該類抽油機(jī)維修費(fèi)用大大高于常規(guī)型游梁式抽油機(jī)。
(6)液壓式抽油機(jī)
它是以液壓傳動(dòng)技術(shù)為特征的抽油機(jī)。它可以最大限度地發(fā)揮油井產(chǎn)能，延長地面和井下設(shè)備的使用壽命，具有很好的產(chǎn)油經(jīng)濟(jì)性。但在國內(nèi)，由于液壓元件制造水平的制約，液壓抽油機(jī)可靠性不高，維護(hù)比較困難，故起發(fā)展比較遲緩。
1.3游梁式抽油機(jī)的特點(diǎn)、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
游梁式抽油機(jī)是有桿抽油設(shè)備系統(tǒng)的地面裝置，它由動(dòng)力機(jī)、減速器、機(jī)架和四連桿機(jī)構(gòu)等部分組成。減速器將動(dòng)力機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲柄軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)由四連桿機(jī)構(gòu)變?yōu)閼依K器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。懸繩器下面連接抽油桿柱，由抽油桿柱帶動(dòng)抽油泵柱塞（或活塞），在泵筒內(nèi)作上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而將油井內(nèi)的油液舉升到地面。游梁式抽油機(jī)具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、操作維修方便等特點(diǎn)。技術(shù)參數(shù)符合中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5044《游梁式抽油機(jī)》和美國石油協(xié)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)成熟。主要特點(diǎn)：
1、整機(jī)結(jié)構(gòu)合理、工作平穩(wěn)、噪音小、操作維護(hù)方便；
2、游梁選用箱式或工字鋼結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高、剛性好、承載能力大；
3、減速器采用人字型漸開線或雙圓弧齒形齒輪，加工精度高、承載能力強(qiáng)，使用壽命長；
4、驢頭可采用上翻、上掛或側(cè)轉(zhuǎn)三種形式之一；
5、剎車采用外抱式結(jié)構(gòu)，配有保險(xiǎn)裝置，操作靈活、制動(dòng)迅速、安全可靠；
6、底座采用地腳螺栓連接或壓杠連接兩種方式之一。
抽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要朝以下幾個(gè)方向[6]～[9]：
（1）朝著大型化方向發(fā)展
隨著世界油氣資源的不斷開發(fā)，開采油層深度逐年增加，石油含水量也不斷增加，采用大泵提液采油工藝和開采稠油等，采用大型抽油機(jī)。所以，近年來國外出現(xiàn)了許多大載荷抽油機(jī)。例如前置式氣平衡抽油機(jī)最大載荷213kN、氣囊平衡抽油機(jī)最大載荷227kN等，將來會(huì)有更大載荷抽油機(jī)出現(xiàn)。采用長沖程抽油方式，抽油效率高、抽油機(jī)壽命長、動(dòng)載小、排量穩(wěn)定，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。如法國Mape公式抽油機(jī)最大沖程10m，WGCO公司抽油機(jī)最大沖程24.38m。
（2）朝著低能耗方向發(fā)展
為了減少能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，近年來研制與應(yīng)用了許多節(jié)能型抽油機(jī)。如異相型抽油機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)、擺桿抽油機(jī)、漸開線抽油機(jī)、摩擦換向抽油機(jī)、液壓抽油機(jī)及各種節(jié)能裝置和控制裝置。
（3）朝著高適應(yīng)性方向發(fā)展
現(xiàn)在抽油機(jī)應(yīng)具備較高的適應(yīng)性，以便擴(kuò)寬使用范圍。例如適應(yīng)各種自然地理和地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件抽油的需要；適應(yīng)各種成分石油抽取的需要；適應(yīng)各種類型油井抽取的需要；適應(yīng)深井抽取的需要；適應(yīng)長沖程的需要；適應(yīng)節(jié)電的需要；適應(yīng)精確平衡的需要；適應(yīng)無電源和間歇抽取的需要；適應(yīng)優(yōu)化抽油的需要等。
（4）朝著長沖程無游梁抽油機(jī)方向發(fā)展
近年來國內(nèi)、外研制與應(yīng)用了多種類型的長沖程抽油機(jī)，其中包括增大沖程游梁抽油機(jī)，增大沖程無游梁抽油機(jī)和長沖程無游梁抽油機(jī)。實(shí)踐與理論表明，增大沖程無游梁抽油機(jī)是增大沖程抽油機(jī)的發(fā)展方向，長沖程無游梁抽油機(jī)是長沖程抽油機(jī)的發(fā)展方向。
（5）朝著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展
近年來，抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的顯著標(biāo)志是自動(dòng)化和智能化。BVKER提升系統(tǒng)公司、DELTA-X公司、APS公司等研制了自動(dòng)化抽油機(jī)，具有保護(hù)和報(bào)警功能，實(shí)時(shí)測得油井運(yùn)動(dòng)參數(shù)及時(shí)顯示與記錄，并通過進(jìn)行綜合計(jì)算分析，推得出最優(yōu)工況參數(shù)，進(jìn)一步指導(dǎo)抽油機(jī)在最優(yōu)工況抽油。NSCO公司智能抽油機(jī)采用微處理機(jī)和自適應(yīng)電子控制器進(jìn)行控制與檢測，具有抽油效率高、節(jié)電、功能多、安全可能、經(jīng)濟(jì)性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
目前我國大多數(shù)油田己相繼進(jìn)入了開發(fā)的中后期，油井逐漸喪失自噴能力，基本上己從自噴轉(zhuǎn)入機(jī)采。80年代初，我國擁有機(jī)采油井2萬口，占總油井?dāng)?shù)的57.3%，機(jī)采原油產(chǎn)量占總產(chǎn)量的27 %， 2000年我國油氣田共有抽油機(jī)采油井約8萬口，占油田總井?dāng)?shù)的90%。在這些機(jī)采油井中，采用抽油機(jī)有桿式抽油的占90%，采用電潛泵、水力活塞泵、射流泵、氣舉等其它無桿式抽油的只占10%。
總而言之，抽油機(jī)將朝著節(jié)能降耗并具有自動(dòng)化、智能化、長沖程、大載荷、精確平衡等方向發(fā)展。
攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1抽油機(jī)的基本工作原理
抽油機(jī)是從井下舉把原油抽取到地面的主要采油設(shè)備之一。經(jīng)常用到的有桿抽油設(shè)備一般由三部分組成：
一是地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備即抽油機(jī)；
二是井下的抽油泵，它懸掛在油井油管的下端；
三是抽油桿，它將地面設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給井下抽油泵。
抽油機(jī)主要是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)減速傳動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)（將轉(zhuǎn)動(dòng)變換為往復(fù)移動(dòng)）帶動(dòng)抽油桿及抽油泵柱塞作上下往復(fù)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)從井下把原油抽取到地面的目的。
抽油機(jī)的基本工作原理圖如下：
圖2-1抽油機(jī)的基本工作原理圖
當(dāng)懸點(diǎn)（抽油桿）在上沖程的時(shí)候，抽油桿柱將帶動(dòng)油栗活塞向上，油泵的游動(dòng)閥（排出閥）受到閥自重和油管內(nèi)液柱壓力的作用從而關(guān)閉，同時(shí)提升柱塞上部的液體。此時(shí)柱塞下面的泵筒空間內(nèi)里的壓力降低了，當(dāng)它的壓力比套管壓力小時(shí)，這個(gè)空間的液體會(huì)把油泵固定閥（吸入閥）頂開而進(jìn)入抽油泵活塞上沖程所讓開的泵筒空間；當(dāng)柱塞向下時(shí)，油泵的固定閥靠著自身重量下落而關(guān)閉，泵筒內(nèi)的液體被壓縮，在柱塞繼續(xù)向下行進(jìn)的過程中，泵內(nèi)的壓力在不斷增加，當(dāng)泵內(nèi)壓力比油管內(nèi)液柱壓力高時(shí)，就將頂開油泵的游動(dòng)閥使泵筒內(nèi)的液體進(jìn)入油管內(nèi)。由于油泵柱塞在抽油的帶動(dòng)下，連續(xù)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因而油泵的固定閥和游動(dòng)閥也將交替完成抽油泵的抽吸工作循環(huán)。概括地說：柱塞上行時(shí)，將柱塞之上的液體排入輸油管線，將泵外的液體吸入泵內(nèi)；柱塞下行時(shí)，將柱塞之 下油泵內(nèi)的液體吸入柱塞之上的油管內(nèi)。這樣周而復(fù)始地工作時(shí)候，原油就將被源源不斷的采出。
2.2抽油機(jī)的基本簡圖
電動(dòng)機(jī)由皮帶和減數(shù)器帶動(dòng)曲柄作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，曲柄則通過連桿帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)的游梁以支架上中央軸承為支點(diǎn)，做上下的擺動(dòng)，使得帶動(dòng)游梁前端的驢頭懸點(diǎn)連接抽油桿柱、油泵柱塞做上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械采油。
抽油機(jī)設(shè)計(jì)的基本原理圖如下：
1-底座；2-支架；3-懸繩器；4-驢頭；5-游梁；6-橫梁抽承座；7-橫梁；8-連桿；
9-曲柄銷裝置；10-曲柄裝置；11-減速器；12-皮帶輪；13-V帶；14-電動(dòng)機(jī)。
圖2-2抽油機(jī)的基本簡圖
抽油機(jī)整體動(dòng)力傳動(dòng)順序確定為：由電動(dòng)機(jī)（14）轉(zhuǎn)速通過V帶（13）帶動(dòng)減速箱（11）減速后，由四連桿機(jī)構(gòu)(曲柄(10)、連桿(8)、橫梁(7)、游梁(5))把減速箱輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橛瘟后H頭(4)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。用驢頭(4)帶動(dòng)抽油桿做上下往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)。?????????????????????
2.3抽油機(jī)設(shè)計(jì)原理的確定
目前，常規(guī)的游梁抽油機(jī)一般都采用的是四桿機(jī)構(gòu)原理?，F(xiàn)在國內(nèi)外游梁式抽油機(jī)使用的四桿機(jī)構(gòu)的循環(huán)主要有三種：對(duì)稱循環(huán)、近似對(duì)稱循環(huán)和非對(duì)稱循環(huán)。采用近似對(duì)稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)。
游梁式抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)簡單示意如圖2-3和原理圖2-4：
圖2-3 簡單示意圖
圖2-4 原理圖
P點(diǎn)表示懸點(diǎn)位置；
AB桿表示輸入端，與減速器輸出端相連，逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；
CD表示輸出端；
AD 表示機(jī)架；
e 為懸臂長度，通常取e/c=1.35；
行程S等于CD相對(duì)于AD轉(zhuǎn)過的角度與e的乘積。
選擇近似對(duì)稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)它主要的參考參數(shù)范圍如下：
（1）傳動(dòng)角：最大傳動(dòng)角和最小近似對(duì)稱于，故 ，。
（2）極位夾角：
（3）游梁最大擺角：
（4）基桿傾斜角:可取 H-G=
（5）
（6）懸點(diǎn)下死點(diǎn)時(shí)曲柄初始角：
（7）各桿長之間相對(duì)時(shí)間限制：，， ， ，若，可取，若 。
由于最大沖程，所以各個(gè)桿長之間存在以下關(guān)系：
由于本設(shè)計(jì)的最大沖程，所以，在此取并且取，則其他桿長為：
此外，
式中：R——曲柄半徑，m；
——游梁后臂長度，m;
——游梁前臂長度，m;
——連桿長度，m；
J——基桿長度（從曲柄旋轉(zhuǎn)中心到游梁支點(diǎn)的距離）m；
2.4抽油機(jī)總傳動(dòng)方案：
常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般布置原則：
（1）帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、緩沖吸振能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，宜布置在高速級(jí)。
（2）鏈傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，有沖擊，宜布置在低速級(jí)。
我們可以根據(jù)抽油機(jī)抽油桿的上下往返直線運(yùn)動(dòng)特征、沖程次數(shù)、沖程大小、懸點(diǎn)最大負(fù)荷、安裝件等要求和抽油機(jī)工作原理，可分析出游梁式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案有三大組成部分：
1.動(dòng)力部分即電動(dòng)機(jī)；
2.傳動(dòng)部分，采用V帶傳動(dòng)的多級(jí)減速器；
3.執(zhí)行部分，類似于一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)。
由于抽油機(jī)功率大，沖次小，傳動(dòng)比大等特點(diǎn)，決定采用以下總體方案，如框圖所示：
初步的設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案選擇如圖2-5：
圖2-5傳動(dòng)方案
根據(jù)游梁式抽油機(jī)的工作要求和特點(diǎn)：
抽油機(jī)長期在野外工作，且為24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；
抽油機(jī)要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、使用壽命長、效率高等。
最終選擇的傳動(dòng)方案二級(jí)圓柱斜齒輪減速器。
選擇V帶傳動(dòng)和二級(jí)圓柱斜齒輪減速器（展開式）。傳動(dòng)裝置的總效率ηα
ηα＝η1η2η3η4η＝0.94×0.98×0.98×0.98×0.992＝0.867；
η1為V帶的效率，η2為第一對(duì)軸承的效率，η3為第二對(duì)軸承的效率，η4為第三對(duì)軸承的效率，η5為每對(duì)齒輪嚙合傳動(dòng)的效率（齒輪為6級(jí)精度，稀油潤滑）。
2.5平衡方式的確定
目前，國內(nèi)外采用的機(jī)械平衡方式主要有：曲柄平衡、游梁平衡和復(fù)合平衡。
1．游梁平衡：在游梁的尾部裝設(shè)一定重量的平衡板，這是一種簡單的平衡方式，適用于3噸以下的輕型抽油機(jī)。
2．曲柄平衡：這是一種在油田上常用的平衡方式。顧名思義是將平衡塊裝在曲柄上，適用于重型抽油機(jī)。這種平衡方式減少了游梁平衡引起的抽油機(jī)擺動(dòng)，調(diào)整比較方便，但是，曲柄上有很大的負(fù)荷和離心力。
3．復(fù)合平衡：在一臺(tái)抽油機(jī)上同時(shí)使用游梁平衡和曲柄平衡。特點(diǎn)：小范圍調(diào)整時(shí)，可以調(diào)整游梁平衡：大范圍調(diào)整時(shí)，則調(diào)整曲柄平衡。這種平衡方式適用于中深井。
4．氣動(dòng)平衡：利用氣體的可壓縮性來儲(chǔ)存和釋放能量達(dá)到平衡的目的，可用于10噸以上重型抽油機(jī)。這種平衡方式減少了抽油機(jī)的動(dòng)負(fù)荷及震動(dòng)，但其裝置精度要求高，加工復(fù)雜。
由于本抽油機(jī)是短沖程、變沖次的工況要求，所以采用曲柄平衡。而曲柄平衡較游梁平衡來說，調(diào)整更加方便。
2.6安裝尺寸與機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)
（1）游梁支撐到底座的高度2～6m
（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程速度比系數(shù)1.2
（3）減速器輸出軸中心到底座的高度0.6m
（4）曲柄半徑：0.5～1.2m
常規(guī)游梁式抽油機(jī)零部件關(guān)系框圖如圖2-6：
圖2-6常規(guī)游梁式抽油機(jī)零部件關(guān)系框圖
第3章 基本參數(shù)的確定
3.1游梁式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
游梁式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的目的：對(duì)應(yīng)于抽油機(jī)某一曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，求出驢頭及各鉸接點(diǎn)的位移、速度和加速度隨時(shí)間或曲柄旋轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，為進(jìn)行載荷、扭矩等的動(dòng)力學(xué)分析和計(jì)算提供數(shù)據(jù)。
3.1.1 幾何尺寸分析[10]
圖3-1 抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖
從圖3-1可的如下關(guān)系
（式3-1）
（式3-2）
（式3-3）
在三角形ＡＯＯ１和ＡＢＯ１中分別運(yùn)用余弦定理和正弦定理可得：
（式3-4）
（式3-5）
（式3-6）
（式3-7）
（式3-8）
式中：
——曲柄轉(zhuǎn)角，以曲柄處于鉛垂向上作為零度，沿順時(shí)針方向度量；
——各桿件的參考角，各角均從基桿ＯＯ１算起，并且沿逆時(shí)針方向取正值；
Ｒ曲柄半徑；
Ｐ——連桿長度；
Ｃ——游梁后臂長度；
Ｋ——基桿長度；
Ａ——游梁前臂長度；
Ｉ——基桿的水平投影；
——ＢＯ１與ＡＯ１線的夾角；
——ＯＯ１與ＡＯ１線的夾角；
由上圖還可的到如下關(guān)系：
φ＝χ＋β （式3-9）
（式3-10）
（式3-11）
式中：
φ——ＢＯ１與ＯＯ１線的夾角；
——懸點(diǎn)處于下死點(diǎn)位置時(shí)，游梁后臂和基桿之間的夾角；
——懸點(diǎn)處于上死點(diǎn)位置時(shí)，游梁后臂和基桿之間的夾角；
3.1.2 懸點(diǎn)的位移、速度、加速度的分析
從上圖還可以看出，，對(duì)應(yīng)任一時(shí)的懸點(diǎn)位移Si(以下死點(diǎn)作為況的起始點(diǎn))為：
Si=A·δi=A·（－φ） （式3-12）
式中：
Ａ——游梁前臂長度；
δi——對(duì)應(yīng)任一時(shí)的游梁位置與懸點(diǎn)處于下死點(diǎn)時(shí)游梁位置的夾角。
懸點(diǎn)沖程為：
Ｓ＝Ａ·δ＝Ａ·（－） （式3-13）
式中：
δ——對(duì)應(yīng)于懸點(diǎn)處于上、下兩死點(diǎn)位置時(shí)游梁兩位置的夾角。
圖3-1中各矢量有如下關(guān)系：
(式3-14）
上述矢量方程用復(fù)變量可表示為：
（式3-15）
將上式兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可的：
（式3-16）
或
（式3-17）
令方程兩邊實(shí)部和虛部對(duì)應(yīng)相等，則可的如下方程組：
（式3-18）
（式3-19）
求解上述聯(lián)立方程，可求得連桿及游梁運(yùn)動(dòng)的角速度、為：
（式3-20）
（式3-21）
由于=－ω，所以連桿和游梁的角速度為：
（式3-22）
（式3-23）
式中－曲柄旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s
（式3-24）
式中?。霓D(zhuǎn)速，r/min
將上式對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可的連桿及游梁運(yùn)動(dòng)的角加速度、為：
（式3-25）
（式3-26）
式中 =－ω ＝－
當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，＝０，則、為
（式3-27）
（式3-28）
當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則懸點(diǎn)速度ＶＣ及加速度αＣ可有下式計(jì)算
ＶＣ＝·Ａ （式3-29）
αＣ＝·Ａ （式3-30）
3.2游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算
當(dāng)游梁式抽油機(jī)通過抽油桿的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)井下抽油泵工作時(shí)，在抽油機(jī)的驢頭懸點(diǎn)上作用有下列幾類載荷：
(1)靜載荷 包括抽油桿自重以及油管內(nèi)外的液體靜壓作用于抽油泵柱塞上的液柱靜載荷。
(2)動(dòng)載荷 由于抽油桿柱和油管內(nèi)的液體作非勻速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的抽油桿柱動(dòng)載荷以及作用于抽油泵柱塞上的液柱動(dòng)載荷。
(3)各種摩擦阻力產(chǎn)生的載荷 包括光桿和盤根盒間的摩擦力、抽油桿和油液間的摩擦力、抽油桿(尤其是接箍)和油管間的摩擦力、油液在桿管所形成的環(huán)形空間中的流動(dòng)阻力、油液通過泵閥和柱塞內(nèi)孔的局部水力阻力，還有柱塞和泵筒之間的摩擦阻力。
圖3-2抽油機(jī)有桿泵運(yùn)動(dòng)1個(gè)周期內(nèi)的4個(gè)階段
1—抽油桿; 2—油管; 3—泵筒
有桿泵的具體運(yùn)行過程：
1.電機(jī)提供動(dòng)力給齒輪箱。齒輪箱降低輸出角速度同時(shí)提高輸出轉(zhuǎn)矩。
2.曲柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)配重塊。曲柄是通過聯(lián)接桿連接游梁的，游梁提升和沉降活塞。驢頭在最低位置的時(shí)候，標(biāo)志著下沖程的止點(diǎn)?？梢宰⒁獾角瓦B接桿此時(shí)在一條直線上。
3.上沖程提升驢頭和活塞，隨之油背舉升。在上止點(diǎn)，所有的鉸鏈在一條直線。這種幾種結(jié)構(gòu)局限了連接桿的長度。
4.活塞和球閥。球閥是液體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)開閉的。 上沖程中，動(dòng)閥關(guān)閉靜閥開啟。活塞上部的和內(nèi)部的液體從套管中被提升出去，同時(shí)外部液體補(bǔ)充進(jìn)來。下沖程，動(dòng)閥開啟閥法關(guān)閉。液體流入活塞而且沒有液體回流油井。
3.2.1懸點(diǎn)靜載荷的大小和變化規(guī)律
分別對(duì)上沖程、下沖程、下死點(diǎn)和上死點(diǎn)進(jìn)行分析（如下圖3-3）
(l)上沖程
當(dāng)懸點(diǎn)從下死點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖3-3a所示，游動(dòng)閥在柱塞上部油柱壓力作用下關(guān)閉，而固定閥在柱塞下面泵筒內(nèi)、外壓力差作用下打開。由于游動(dòng)閥關(guān)閉，使懸點(diǎn)承受抽油桿柱自重P桿和柱塞上油柱重P油，這兩個(gè)載荷的作用方向都是向下的。同時(shí)，由于固定閥打開，使油管外一定沉沒度的油柱對(duì)柱塞下表面產(chǎn)生方向向上的壓力P壓。因此，上沖程時(shí)，懸點(diǎn)的靜載荷尺P靜上為：
（式3-31）
式中
—抽油桿材料的密度，kg/m3 ；
—原油的密度，kg/m3 ；
—抽油桿橫截面面積，m2
F—泵柱塞截面積，m2；
L—抽油桿長度或下泵深度，m；
—泵的沉沒度，米；
(2)下沖程
當(dāng)懸點(diǎn)從上死點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖3-3b所示，游動(dòng)閥由于柱塞上、下壓力差打開，而固定閥在泵筒內(nèi)、外壓力差作用下關(guān)閉。前者使懸點(diǎn)只承受抽油桿柱在油中重量P‘桿。而固定閥關(guān)閉，使油柱重量移到固定閥和油管上·這樣，下沖程時(shí)懸點(diǎn)的靜載荷P靜下為：
（式3-32）
上沖程 下沖程
圖3-3 懸點(diǎn)載荷作用圖
(3)下死點(diǎn)(從下沖程到上沖程的轉(zhuǎn)折點(diǎn))
此時(shí)，對(duì)抽油桿柱或油管柱來說，載荷都發(fā)生了變化：
1)對(duì)抽油桿柱來說，在這一瞬間懸點(diǎn)載荷發(fā)生了變化，由下沖程的P靜下變到上沖程的P靜上，增加了一個(gè)載荷ΔP=P靜上－P靜下＝P‘油 (油柱重)，載荷增加就使抽油桿伸長，伸長的大小λ桿等于：
（式3-33）
式中?。牛摰膹椥阅Ａ?，等于2.1×1011N/m2(或Pa)
在伸長變形完畢以后，載荷△P才全部加到抽油桿或懸點(diǎn)上。實(shí)際上，在抽油桿柱受載伸長的過程中，驢頭已開始上沖程。當(dāng)懸點(diǎn)往上走了一個(gè)距離λ桿時(shí)，由于同時(shí)產(chǎn)生的抽油桿柱伸長的結(jié)果，使柱塞還在原地不動(dòng)，就是柱塞對(duì)泵筒沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而不抽油，如圖3-4c所示。
2)對(duì)油管柱來說，下沖程時(shí)，由于游動(dòng)閥打開和固定閥關(guān)閉，油柱重P‘油壓在固定閥上，即壓在泵筒和油管的下部。而當(dāng)轉(zhuǎn)到上沖程時(shí)，游動(dòng)閥關(guān)閉，整個(gè)油柱重量都由柱塞和抽油桿柱承擔(dān)，而油管柱上就沒有這個(gè)載荷作用。因此，在抽油桿柱加載的同時(shí)油管柱卻卸載。卸載引起油管長度的縮短，并且一直到縮短變形完畢以后，油管柱的載荷才全部卸掉。油管柱的縮短的大小λ管等于：
（式3-34）
式中 ——油管管壁的橫截面面積，m2；
這樣一來，雖然懸點(diǎn)帶著柱塞一起往上走，但是由于油管柱的縮短，使油管柱的下端也跟著柱塞往上走，柱塞對(duì)泵筒還是沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，還不能抽油(如圖3-3d所示)。一直到懸點(diǎn)走完一段距離等于λ管以后，柱塞才開始抽油。
上面所進(jìn)行的分析表明：懸點(diǎn)從下死點(diǎn)到上死點(diǎn)雖然走了沖程長度Ｓ，但是由于抽油桿柱和油管柱的靜變形結(jié)果，使抽油泵柱塞的有效長度S效，要比Ｓ小。所以
（式3-35）
而靜變形λ的大小等于
（式3-36）
式中 稱為變形分配系數(shù)，一般可?。?６～０.９。
(a) (b) (c) (d) (f)
圖3-4 抽油桿柱和油管柱變形過程圖解
(4)上死點(diǎn)(從上沖程到下沖程的轉(zhuǎn)折點(diǎn))
它和下死點(diǎn)的情況恰恰相反。這時(shí)，對(duì)抽油桿柱說，靜載荷由上沖程的P靜上，變到下沖程的P靜下，減少了油柱重P‘油，抽油桿因而縮短λ桿。因此，當(dāng)懸點(diǎn)往下走了λ桿時(shí)，由于抽油桿柱的縮短，柱塞在井下原地不動(dòng)，它對(duì)泵筒不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而不能排油。而對(duì)油管柱來說，因?yàn)榧虞dP‘油而伸長了λ管，油管(或泵筒)好象跟著柱塞往下走。因此，在懸點(diǎn)再走完λ管以前，柱塞和泵筒還不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也不會(huì)排油。因此，在排油過程中，柱塞的有效沖程長度S效比懸點(diǎn)最大沖程長度S減少了一個(gè)同樣的靜變形入值。
現(xiàn)在把上、下沖程中懸點(diǎn)靜載荷隨它的位移變化規(guī)律利用圖形來表示(圖3-5)，這種圖形稱為靜力示功圖。圖中AB斜線表示懸點(diǎn)上沖程開始時(shí)載荷由柱塞傳遞到懸點(diǎn)的過程。EB線相當(dāng)于柱塞和泵筒沒有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)懸點(diǎn)上行時(shí)的距離，即EB= λ。當(dāng)全部載荷作用到懸點(diǎn)以后，靜載荷就不再變化而成水平線BC，到達(dá)上死點(diǎn)C為止。CD線表示抽油桿柱的卸載過程。卸載完畢后，懸點(diǎn)又以一個(gè)不變的靜載荷向下運(yùn)動(dòng)，成為水平線DA而回到下死點(diǎn)A。這種靜力示功圖，只有在淺井，而且抽油機(jī)沖次較低時(shí)才能用動(dòng)力儀測得。
圖3-5靜力示功圖
圖3-5表明，在上、下沖程內(nèi)，懸點(diǎn)靜載荷隨懸點(diǎn)位移的變化規(guī)律是一個(gè)平行四邊形ABCD。
3.2.2懸點(diǎn)動(dòng)載荷的大小和變化規(guī)律
在井較深、抽油機(jī)沖程次數(shù)較大的情況下，必須考慮動(dòng)載荷的影響。動(dòng)載荷是由慣性載荷和振動(dòng)載荷兩部分組成。為簡化起見，本文只討論慣性載荷。
慣性載荷包括抽油桿柱和油柱兩部分，即P桿慣和P油慣。如果忽略抽油桿和油柱的彈性影響，可以認(rèn)為，抽油桿柱以及油柱各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和懸點(diǎn)完全一致。所以，P桿慣和P油慣的大小和懸點(diǎn)加速度ac大小成正比，而作用方向和后者相反。
（式3-37）
（式3-38）
式中：ε——考慮油管過流斷面擴(kuò)大引起油柱加速度降低的系數(shù)(見圖3-6)，其大小為：
（式3-39）
式中的F管 表示油管過流斷面的面積，它和上式中采用的符號(hào)f 管是不同的，后者表示油管管壁的截面積。
圖3-6 油管過流斷面擴(kuò)大圖
1)慣性載荷對(duì)懸點(diǎn)總載荷的影響
上沖程時(shí)，柱塞(或抽油桿)帶著油柱運(yùn)動(dòng)，所以沖程的慣性載荷P慣上等于：
（式3-40）
式中 m一表示油柱慣性載荷與抽油桿柱慣性載荷的比值。利用上式可得
（式3-41）
下沖程時(shí)，柱塞(或抽油桿)不帶油柱運(yùn)動(dòng)，所以下沖程的慣性載荷P慣下等于：
（式3-42）
考慮了慣性載荷作用以后，懸點(diǎn)的總載荷為：
上沖程：
下沖程：
這樣，示功圖就由平行四邊形ABCD(靜力示功圖)變成扭曲的四邊形A' B' C' D'，這種示功圖，稱為動(dòng)力示功圖，如圖3-7所示。
圖3-7 動(dòng)力示功圖
從圖中可以看出，懸點(diǎn)的最大載荷Pmax發(fā)生在上沖程靜變形期結(jié)束后一瞬間，如圖中的B`點(diǎn)。最大載荷Pmax等于靜載荷加上動(dòng)載荷(絕對(duì)值)；懸點(diǎn)的最小載荷Pmin。發(fā)生在下沖程靜變形期結(jié)束后一瞬間，如圖中的D`點(diǎn)。其大小等于靜載荷減去動(dòng)載荷(絕對(duì)值)。
3.2.3懸點(diǎn)的最大載荷和最小載荷
懸點(diǎn)的最大載荷和最小載荷，特別是最大載荷是正確設(shè)計(jì)和選擇抽油機(jī)和抽油桿以及確定電動(dòng)機(jī)功率的主要依據(jù)之一，所以目前有很多計(jì)算公式，有些先從理論上來推導(dǎo)，在引如實(shí)驗(yàn)校正系數(shù)，有些是純粹的經(jīng)驗(yàn)公式；有些只考慮慣性載荷，而另一些除了考慮慣性載荷外還考慮振動(dòng)載荷的影響。在慣性載荷方面，有些考慮了柱塞上的油柱的慣性，有些則略去了油柱的的慣性。但是，應(yīng)特別指出的是，在所有的計(jì)算公式中都沒有考慮摩擦力的影響。
在實(shí)際計(jì)算，可通過下式進(jìn)行計(jì)算懸點(diǎn)的最大載荷和最小載荷：
（式3-43）
3.2.4 摩擦力對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響
定性分析表明，摩擦力增加了懸點(diǎn)的最大載荷，減少了懸點(diǎn)的最小載荷，加大載荷的變化幅度與不平衡性以及擴(kuò)大了示功圖面積，這不但給抽油機(jī)的上作帶來了很不利的影響，而且使電機(jī)功率消耗大大增加。對(duì)于低粘度井液的油井，液體摩擦力(抽油桿柱和油柱間，油柱和油管間，油流通過泵游動(dòng)閥的摩擦力均為液體摩擦力)的數(shù)值小，只有100～200N，完全.丁以忽略不計(jì)，但是，當(dāng)油井中原油的粘度很大，從0.1 Pa·S到l0Pa·S時(shí)，抽油桿和油柱間或油柱和油管間的液體摩擦力有時(shí)可達(dá)10000N～20000N，對(duì)懸點(diǎn)載荷影響很大。特別是在下沖程時(shí)，和抽油桿運(yùn)動(dòng)方向相反的液體摩擦力如果在數(shù)值上超過抽油桿柱在油中重量，就會(huì)產(chǎn)生驢頭懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)大大超前抽油桿運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，也就是驢頭往下走時(shí)，抽油桿還沒有往下走。(甚至驢頭己走到下死點(diǎn)，抽油桿都不運(yùn)動(dòng)，遼河油田曾出現(xiàn)類似現(xiàn)象)這樣，當(dāng)抽油桿和泵柱塞還沒有達(dá)到下死點(diǎn)時(shí)驢頭就開始上沖程。其結(jié)果是一方面縮短了柱塞的有效沖程長度，降低了抽油泵排量，另一方面山于上沖程時(shí)油柱重力和摩擦力突然加到抽油機(jī)驢頭上，造成沖擊載荷，影響抽油機(jī)的使用壽命。所以在粘油井抽油時(shí)，應(yīng)該采取措施避免下沖程時(shí)驢頭超前油桿運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，如向油井中注熱稀油或地層水，增加油管自徑，采用加重抽油桿等方法，此外，非常重要的方法就是采用加大沖程長度、降低沖次（2～3次/分）的抽汲方式，因此，在稠油區(qū)的遼河油田，長沖程，低沖次的鏈條抽油機(jī)得到了推廣應(yīng)用。
在叢式井(上自、下斜)和斜井中抽油時(shí)，山抽油桿接箍和油管間，柱塞和泵筒間產(chǎn)生的半干摩擦力，將達(dá)到很大的數(shù)值，也應(yīng)采取相應(yīng)的措施。
為了提高機(jī)泵系統(tǒng)效率，口前，從克服和減少摩擦力方面，采取的措施有：
(1)采用連續(xù)抽油桿(抽油桿之間沒有接箍的單根抽油桿)。減少液體摩擦力。
(2)采用滾輪接箍。減少半干摩擦力。
(3)采用調(diào)心石墨盤根盒。減少半干摩擦力。
(4)用光桿聯(lián)接懸繩器和井下抽油桿。減少井口的半干摩擦力。
(5)采用玻璃纖維抽油桿(連續(xù)抽油桿的一種)。旨在減輕抽油桿重量，減少液體摩擦力。
3.2.5游梁抽油機(jī)的抽汲工況
表3-1沖程長度和沖數(shù)的極值
抽汲工況
沖程長度
沖程次數(shù)
最大值
最小值
最大值
最小值
正常
1.2
2.4
5
15
長沖程
2.7
6.0
5
15
短沖程
0.3
1.2
5
15
高沖次
0.9
2.4
15
25
底沖次
0.3
1.5
2
5
目前，國內(nèi)外游梁式抽油機(jī)的抽汲工況主要分為五種：正常的、長沖程、短沖程、高沖數(shù)的、低沖數(shù)的，五種工況的沖程長度和沖數(shù)的極值見表3-1。
在我國油田上絕大多數(shù)都采用正常的抽汲工況，但在我國東部主要油田都處于油田開發(fā)中后期，油田含水量上升，因此目前長沖程抽汲工況增加，所以目前國內(nèi)外抽油機(jī)采用的正常抽汲工況和短沖程抽汲工況還能夠滿足不同抽油井的實(shí)際要求。綜上所述，我們?cè)诖舜卧O(shè)計(jì)中還是以正常的為依據(jù)。
3.3游梁式抽油機(jī)減速器曲柄軸凈扭矩的計(jì)算
減速器扭矩指的是游梁式抽油機(jī)在減速器輸出軸(也稱曲柄軸)上實(shí)際產(chǎn)生的扭矩。其大小和懸點(diǎn)載荷、沖程長度、抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)桿長比值以及抽油機(jī)的平衡狀況有關(guān)?，F(xiàn)以曲柄平衡的游梁式抽油機(jī)為例來推導(dǎo)曲柄軸扭矩的一般計(jì)算公式(見下圖所示)。按照習(xí)慣，當(dāng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)施加于輸出軸上的扭矩方向與曲柄軸的旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)(主動(dòng)力矩)，扭矩為負(fù)值;相反時(shí)，扭矩為正值(阻力矩)。
為了使懸點(diǎn)以一定的載荷P和一定的抽汲方式(S和n)工作，減速箱曲柄軸就需要給出一定的扭矩，因此減速箱曲柄軸扭矩是游梁式抽油機(jī)的基本參數(shù)之一。實(shí)踐證明：減速箱曲柄軸扭矩大小和懸點(diǎn)載荷、各桿件長度的比值和抽油機(jī)的平衡情況有密切的關(guān)系。它的合理確定對(duì)減速箱的設(shè)計(jì)、電動(dòng)機(jī)功率的選擇和抽油設(shè)備的正常工作有非常重要的意義。
下面就來討論減速箱曲柄軸扭矩的大小和變化規(guī)律。
減速箱曲柄軸扭矩Tn等于曲柄半徑R和作用在曲柄銷的切線力T的乘積
（式3-44）
在工作過程中，曲柄半徑R是不變的，所以減速箱曲柄軸扭矩Tn的變化規(guī)律和切線力T的變化規(guī)律是一樣的。為了計(jì)算Tn值，必須首先求出T值。
下面以曲柄平衡的抽油機(jī)(圖2-2)為例進(jìn)行計(jì)算。在曲柄銷處的作用力有切線力T，連桿作用力P連，曲柄平衡重折合力Q曲，曲柄軸軸承沿曲柄的反作用力P柄以及曲柄平衡重質(zhì)量造成的離心力Q離(Q離=)。
對(duì)曲柄軸中心O作力矩平衡方程式：
（式3-45）
移項(xiàng)整理的
（式3-46）
從上式可見，為了計(jì)算T值，需要先求出P連值，應(yīng)將游梁上各作用力對(duì)游梁支點(diǎn)O1作力矩平衡方程式。
在游梁上的作用力有懸點(diǎn)載荷P，連桿作用力P連，以及由驢頭、游梁、橫梁和連桿組件的重力，折合到驢頭懸點(diǎn)處的折合力B(稱為結(jié)構(gòu)不平衡重力)。，游梁支點(diǎn)O1的反作用力R平和R垂。
現(xiàn)在對(duì)游梁支點(diǎn)O1作力矩平衡方程式：
（式3-47）
圖3-8 抽油機(jī)受力示意圖
移項(xiàng)得：
（式3-48）
所以
（式3-49）
因此減速箱曲柄軸扭矩Tn為：
（式3-50）
式中：
只取決于抽油機(jī)的幾何尺寸和曲柄轉(zhuǎn)角，其意義為單位懸點(diǎn)載荷在曲柄上所產(chǎn)生的扭矩，將其稱為扭矩因數(shù)，用表示：
（式3-51）
為曲柄自重及曲柄平衡重在曲柄上所產(chǎn)生的扭矩，稱之為曲柄平衡扭矩。
3.4游梁式抽油機(jī)扭矩特性參數(shù)
可以用一組數(shù)據(jù)來描述游梁式抽油機(jī)減速器的扭矩特性，稱為扭矩特性參數(shù)。主要的扭矩特性參數(shù)有以下幾個(gè):平均扭矩；最大扭矩；最小扭矩；均方根扭矩和周期載荷系數(shù)。
(1).平均扭矩
曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周中的平均扭矩可以用下式求得:
其中，-等分區(qū)間數(shù); -瞬時(shí)扭矩值。
由于曲柄平衡扭矩在曲柄旋轉(zhuǎn)一周中的平均值為零，所以它對(duì)平均扭矩不發(fā)生絲毫影響，也就是說，曲柄平衡抽油機(jī)的減速器平均扭矩與抽油機(jī)的平衡程度無關(guān)，是一個(gè)不變量(當(dāng)抽油機(jī)工況一定時(shí))。
不論是上沖程還是下沖程，其起始狀態(tài)和終了狀態(tài)的速度均為零，因擺動(dòng)體的慣性所產(chǎn)生的慣性扭矩在一個(gè)沖程內(nèi)的平均扭矩亦必然等到于零，所以曲柄軸的平均扭矩與慣性扭矩?zé)o關(guān)。這樣，曲柄軸的平均扭矩可用下列式計(jì)算:
(2). 最大扭矩
曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周中凈扭矩的最大值稱為最大扭矩。與平均扭矩幾不同，最大扭矩一般發(fā)生在上沖程或下沖程的中部。但由于載荷扭矩變化規(guī)律的復(fù)雜性，最大扭矩也可能發(fā)生在沖程的其它任一位置上。沒有一般的分析表達(dá)式可以計(jì)算各種不同平衡程度下的及其所處的曲柄轉(zhuǎn)角，只能根據(jù)數(shù)據(jù)表或凈扭矩曲線確定。是一個(gè)很重要的扭矩特性參數(shù)。無論是進(jìn)行游梁式抽油機(jī)選型，還是在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行診斷都要用到這個(gè)參數(shù)。
(3). 最小扭矩
曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周中凈扭矩的最小值稱為最小扭矩。它同樣既受載荷扭矩的影響，也受到平衡扭矩的影響。在許多情況下，往往小于零。小于零的凈扭矩稱為負(fù)扭矩。負(fù)扭矩一般出現(xiàn)在沖程的末尾。的數(shù)值及其發(fā)生時(shí)的曲柄轉(zhuǎn)角也只能根據(jù)數(shù)據(jù)表或凈扭矩曲線來確定。
負(fù)扭矩的存在意味著能量傳遞發(fā)生倒流，即能量不是由電動(dòng)機(jī)向曲柄軸傳輸，而是由曲柄軸向電動(dòng)機(jī)傳輸，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。負(fù)扭矩一方面使電動(dòng)機(jī)的平均效率和功率因數(shù)降低，另一方面使齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生沖擊載荷，所以，在設(shè)計(jì)和使用抽油機(jī)時(shí)，應(yīng)力求加大，避免或減小負(fù)扭矩(絕對(duì)值)。
(4). 均方根扭矩和周期載荷系數(shù)
當(dāng)假定電動(dòng)機(jī)的電流與其軸上扭矩成正比關(guān)系時(shí)，用均方根扭矩代替變化的實(shí)際扭矩作用于電動(dòng)機(jī)軸上，可保持電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱狀態(tài)相同。所以，均方根扭矩是選擇電機(jī)額定功率的依據(jù)，是一個(gè)重要的扭矩參數(shù)。影響Tmax的各種因素如平衡扭矩、抽油機(jī)機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系以及油井工況等都同樣影響。均方根扭矩與平均扭矩之比稱為抽油機(jī)的周期載荷系數(shù)。
亦是表示抽油機(jī)減速器扭矩變化均勻程度的一個(gè)參數(shù)。越接近于1，表示扭矩變化越均勻。油井工況、抽汲參數(shù)、抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系以及平衡程度等都會(huì)影響的大小。
3.5游梁式抽油機(jī)電機(jī)功率的確定
游梁式抽油機(jī)裝置的特點(diǎn)
（1）負(fù)荷是脈動(dòng)的，而且變化大；
（2）啟動(dòng)困難，要求有大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；
（3）所用的電動(dòng)機(jī)功率不太大，一般不超過?40kW，小的只有幾千瓦，但總的數(shù)量大；
（4）在露天工作，要求電動(dòng)機(jī)維護(hù)簡單、工作可靠。
結(jié)合工作特點(diǎn)及工況，在此選擇?Y?系列的三相異步封閉式鼠籠型電動(dòng)機(jī)。抽油機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，由于懸點(diǎn)最大載荷，最大沖程，最高沖次均己確定下來，即已知了Pmax、Smax、nmax ，可求出減速器最大輸出扭矩Mmax，然后確定減速器輸出軸的最大軸功率Nmax：
（式3-52）
由于抽油機(jī)抽汲工況的差別，上式確定的減速器輸出軸功率是個(gè)極限，一般情況下達(dá)不到，這樣配電機(jī)，電機(jī)功率肯定偏大，具體使用時(shí)，大馬拉小車，造成不合理現(xiàn)象，因此還需考慮功率系數(shù)，一般取K=0.6～0.8，這樣，配用電機(jī)功率可用下式確定：
（式3-53）
電動(dòng)機(jī)額定功率的確定：
電動(dòng)機(jī)功率與傳遞到減速箱從動(dòng)軸（曲柄軸）上扭矩關(guān)系式為：
（式3-54）
式中 M——傳到曲柄軸上的扭矩，N*m;
——電動(dòng)機(jī)的額定功率，kW;
n——曲柄軸轉(zhuǎn)數(shù)（懸點(diǎn)沖數(shù)）;
——傳動(dòng)效率；
——皮帶傳動(dòng)效率；
——減速箱傳動(dòng)效率。
表3-2 一般抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)選用表
抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷
KN
抽油機(jī)光桿最大沖程
m
減速器額定扭轉(zhuǎn)矩
KN.m
電動(dòng)機(jī)額定功率
KW
20
0.6
2.8
4
30
1.2-2.1
6.5-13
5.5-7.5
50
1.5-3
9-18
7.5-15
60
1.8-3
13-18
15-18.5
80
2.5
26
18.5-22
100
2.1-3
18-37
18.5-30
110
3-4.2
37-53
22-37
120
3-4.8
48-53
22-45
130
3-5
53-73
30-45
140
3.6-5.4
73
37-75
160
4.8-6
105
90
180
4.8-6
106
90以上
根據(jù)表?3-2，將電動(dòng)機(jī)的額定功率?P額范圍確定在?P?額=7.5~15kW。
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的確定：
一般抽油機(jī)選用的減速箱傳動(dòng)比為28~?39?，帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為?，一般i=?4 ~ 5?。這是抽油機(jī)沖數(shù)按最大沖數(shù)9 r/min計(jì)算。則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：?n電=9×（4~5）×（28~39）=1008~1755r/min
選用?Y160L-8?
3.6游梁式抽油機(jī)的平衡計(jì)算
下沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)向下走完沖程長度S，游梁的后臂提高，把能力儲(chǔ)存起來。
游梁部件自重抬高的距離為，儲(chǔ)存能量為，曲柄平衡重抬高的距離為，儲(chǔ)存的能量為，曲柄自重抬高的距離為，儲(chǔ)存的能量為。所以平衡裝置儲(chǔ)存能量Q為
（式3-55）
第4章 變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比分配及其結(jié)構(gòu)確定?
4.1變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比分配
電動(dòng)機(jī)型號(hào)Y160L-8，其功率為?P=11KW，轉(zhuǎn)速為?N=730 r/min則電動(dòng)機(jī)輸出扭矩M電=9550P/n=9550×11/730=143.90411?
減速箱參數(shù)：
Z1=30 ，主動(dòng)齒輪軸齒數(shù)?
Z2=170? .斜齒輪齒數(shù)?
Z3=24? ，中間齒輪軸齒數(shù)?
Z4=126? ，人字齒輪齒數(shù)?
d皮1=444，電動(dòng)機(jī)皮帶輪?
d?皮2=334，電動(dòng)機(jī)皮帶輪
d皮3=224，電動(dòng)機(jī)皮帶輪?
d大皮=864，減速器大皮帶輪
減速器比： i=is?×if?=29.75?
皮帶輪速比（電動(dòng)機(jī)配有三個(gè)皮帶輪，減速器主動(dòng)軸上裝有一個(gè)大皮帶輪，故有三種速比
i皮1=1.94595
i皮2=2.58683
i皮3=3.85714
抽油機(jī)的總速比?
i總1=57.892?
i總2=76.9448
i總3=106.7174
在每一種速比下，減速箱被動(dòng)輸出扭矩
M1=5.59 KN.m
M2=7.654 KN. m
M3=10.616 KN. m
計(jì)算結(jié)果表明，其最大值輸出扭矩低于?26kN.m。因此，在設(shè)計(jì)該機(jī)時(shí)，選用?Y132M-4電動(dòng)機(jī)，計(jì)算結(jié)果其最大輸出扭矩?M max?=10.616?KN.m。
該機(jī)的沖次分別為：?
n1=?730/57.892= 12
n2=?730/76.9448=9
n3=?730/106.7174=6
第5章 主要部件的設(shè)