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攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計
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)外抽油機的發(fā)展概況 5
1.2.1 國外抽油機的發(fā)展概況 5
1.2.2 國內(nèi)抽油機的發(fā)展概況 6
1.3游梁式抽油機的特點、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 7
第2章 總體方案設(shè)計 9
2.1抽油機的基本工作原理 9
2.2抽油機的基本簡圖 10
2.3抽油機設(shè)計原理的確定 11
2.4抽油機總傳動方案： 13
2.5平衡方式的確定 14
2.6安裝尺寸與機構(gòu)相關(guān)參數(shù) 14
第3章 基本參數(shù)的確定 16
3.1游梁式抽油機的運動學(xué)分析 16
3.1.1 幾何尺寸分析[10] 16
3.1.2 懸點的位移、速度、加速度的分析 18
3.2游梁式抽油機懸點載荷計算 19
3.2.2懸點動載荷的大小和變化規(guī)律 24
3.2.3懸點的最大載荷和最小載荷 26
3.2.4 摩擦力對懸點載荷的影響 27
3.2.5游梁抽油機的抽汲工況 28
3.3游梁式抽油機減速器曲柄軸凈扭矩的計算 28
3.4游梁式抽油機扭矩特性參數(shù) 30
3.5游梁式抽油機電機功率的確定 32
3.6游梁式抽油機的平衡計算 34
第4章 變速機構(gòu)的傳動比分配及其結(jié)構(gòu)確定 35
4.1變速機構(gòu)的傳動比分配 35
第5章 主要部件的設(shè)計 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
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，必須人為地利用機械設(shè)備將原油舉升到地面，稱為人工舉升采油法或機械采油法[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)運動驅(qū)動井下單螺旋泵裝置，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)動設(shè)備即抽油機，它由電動機、減速器和四連桿機構(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)動設(shè)備的運動和動力傳給井下抽油泵。
抽油機是一種把原動機的連續(xù)圓周運動變成往復(fù)自線運動，通過抽油桿帶動抽油泵進(jìn)行抽油的機械設(shè)備。游梁式抽油機是機械采油設(shè)備中問世最早的抽油機機種，1919年美國就開始批量生產(chǎn)這種抽油機。游梁式抽油機，也稱梁式抽油機、游梁式曲柄平衡抽油機，指含有游梁，通過連桿機構(gòu)換向，曲柄重塊平衡的抽油機，俗稱磕頭機。
對于本次研究的抽油機設(shè)計，主要是通過自我認(rèn)識和學(xué)習(xí)的知識，對抽油機設(shè)計有個全方位的了解和認(rèn)識，在設(shè)計中不僅要完成抽油機的設(shè)計，同時也是通過對抽油機設(shè)計，了解設(shè)計的基本常識。本次抽油機的設(shè)計，主要包含抽油機的整體設(shè)計：抽油機的四桿機構(gòu)、電動機選取、運動分析、V帶的選擇以及各種工作參數(shù)的選擇等。對包括抽油機在內(nèi)的有桿采油系統(tǒng)懸點載荷計算進(jìn)行研究，對抽油機的電機功率的選擇。根據(jù)游梁式抽油機四連桿機構(gòu)的幾何關(guān)系和運動特點，對游梁式抽油機的幾何結(jié)構(gòu)、運動參數(shù)、動力特性等進(jìn)行分析。對抽油機的主要零部件（游梁、連桿、曲柄）強度校核。本次設(shè)計不僅是一次抽油機設(shè)計，對以后的設(shè)計也有這很大的幫助。
攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計
第1章 選題背景
1.1研究目的和意義
游梁式抽油機是國內(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，在采油機械中占有舉足輕重的地位。
但游梁式抽油機也存在很多缺點，如系統(tǒng)的效率低、能耗大、抽油時間以及平衡性能差等。其中，游梁式抽油機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)注的熱點和重點，油田推廣應(yīng)用各種節(jié)能型抽油機、電機及電控箱，雖然這些節(jié)能產(chǎn)品的使用提高了抽油機井系統(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，研究游梁式抽油機連桿機構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計問題具有非常重要的經(jīng)濟效益和社會意義。
游梁式抽油機是油田目前主要使用的抽油機類型之一，主要由了驢頭—游梁—連桿—曲柄機構(gòu)、減速箱、動力設(shè)備和輔助裝備等四大部分組成。工作時，電動機的傳動經(jīng)變速箱、曲柄連桿機構(gòu)變成驢頭的上下運動，驢頭經(jīng)光桿、抽油桿帶動井下抽油泵的柱塞作上下運動，從而不斷地把井中的原油抽出井筒。
游梁式抽油機是一種變形的四桿機構(gòu)，它是以游梁支點和曲軸中心連線做固定桿，以曲柄、連桿和游梁后臂為3個活動件的曲柄連桿機構(gòu)，該連桿機構(gòu)各桿件尺寸的不同組合將會直接影響抽油機的動力性能，我們將就此連桿機構(gòu)的尺度綜合問題展開談?wù)摚谄渌O(shè)計參數(shù)一定的情況下，通過優(yōu)選桿長組合來討論抽油機的重要質(zhì)量指標(biāo)——懸點加速度的變化情況，從而進(jìn)一步判斷抽油機的性能優(yōu)劣。
為了判斷游梁式抽油機的動力性能優(yōu)劣，提出了游梁式抽油機連桿機構(gòu)尺度綜合優(yōu)選方法。建立尺度綜合的數(shù)學(xué)模型，對尺度進(jìn)行綜合的優(yōu)選。并據(jù)此對抽油機的運動特性進(jìn)行分析。根據(jù)懸點的系列位移、速度及加速度曲線，對抽油機的運動特性進(jìn)行分析。用最優(yōu)尺度綜合產(chǎn)生的抽油機懸點最大加速度曲線變化更加平穩(wěn)，峰值更小；以此設(shè)計的抽油機運動更加平穩(wěn)，有一定的節(jié)能效果，該方法也可用于類似四連桿機構(gòu)的設(shè)計。
1.2國內(nèi)外抽油機的發(fā)展概況
1.2.1 國外抽油機的發(fā)展概況
在國外，研究開發(fā)與應(yīng)用抽油機已有100多年的歷史。在這一百多年的采油實踐中，抽油機發(fā)生了很大的變化，特別是近20年來，世界抽油機技術(shù)發(fā)展較快，先后研究開發(fā)了多種新型抽油機。起特性主要有以下九個方面：
(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、氣壓缸式抽油機、長沖程低沖次抽油機和螺桿泵采油系統(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、城市抽油機、前置式抽油機、前置式氣平衡抽油機、緊湊型抽油機、兩點式抽油機和井架型抽油機等。
(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、叢式井抽油機、雙驢頭抽油機和高效能叢式井抽油機等。
(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。例如常規(guī)型抽油機最大載荷160kN，前置式抽油機最大載荷193kN；前置式氣平衡抽油機最大載荷213kN。
(5) 為了提高抽油系統(tǒng)效率，減少抽油機動載荷與振動載荷，研制了增大沖程游梁抽油機和增大沖程無游梁抽油機及長沖程無游梁抽油機(分立式和臥式兩種)。
(6) 為了提高采油經(jīng)濟效益，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)能抽油機和節(jié)能部件。例如異相型抽油機、前置式抽油機、前置式氣平衡抽油機、大圈式抽油機、輪式抽油機、全膠帶傳動抽油機、井架型抽油機、滾筒式抽油機、缸體式抽油機、玻璃鋼抽油桿用抽油機、自動化抽油機和智能抽油機等。節(jié)能部件有： 高轉(zhuǎn)差率電動機、天然氣發(fā)動機、抽油機節(jié)能控制柜、窄V 聯(lián)組膠帶、同步膠帶、齒型膠帶等。上述抽油機和部件能節(jié)電10%～50%。
(7) 為了提高抽油機精確平衡效果，達(dá)到節(jié)電和提高抽油機運動平穩(wěn)性與使用壽命， 研制與應(yīng)用了各種平衡方式抽油機。例如變平衡力矩抽油機、氣平衡抽油機、氣囊平衡抽油機、雙井平衡抽油機和自動平衡抽油機等。
(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，采用天然氣發(fā)動機或汽油機、柴油機驅(qū)動抽油機， 具有使用移動靈活等特點。
(9) 為了提高采油效率，實現(xiàn)自動化開采石油，研制與應(yīng)用了各種自動化抽油機和智能抽油機，采用先進(jìn)的微機系統(tǒng)控制、檢測和診斷抽油機運行與故障， 以確保高效安全經(jīng)濟抽油。
1.2.2 國內(nèi)抽油機的發(fā)展概況
我國游梁式抽油機的制造雖然只有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，抽油機的規(guī)格有十余種。
國內(nèi)抽油機按起傳動、換向系統(tǒng)和平衡方式分類，主要有以下幾種：
(1)常規(guī)游梁式抽油機及其改型抽油機
常規(guī)游梁式抽油機是油田生產(chǎn)的主力機型，最大的沖程為6米。該機構(gòu)簡單，機械換向簡單，機械換向平穩(wěn)；同時在傳動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)有各抽油機中最成熟的機種，且適用于全天候工作，至今在眾多有桿式抽油機的應(yīng)用中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。
(2)四桿傳動機構(gòu)抽油機
這類抽油機主要是以曲柄滑塊機構(gòu)為主機夠的增程式、浮動輪式等幾種。但該抽油機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝維護(hù)困難，目前在油田應(yīng)用很少。
(3)六桿機構(gòu)的抽油機
為了克服四桿機構(gòu)抽油機的缺點，有研制了數(shù)種采用六桿傳動機構(gòu)的抽油機。但這種機型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性不高，動力性改善并不明顯。
(4) 滾筒式抽油機
滾筒式抽油機是利用換向機構(gòu)驅(qū)動滾筒正、反轉(zhuǎn)，并帶動柔性見饒國天輪驅(qū)動懸點做上、下往復(fù)運動的抽油機。這類抽油機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
鏈條式抽油機是利用軌跡鏈條上的特殊鏈節(jié)，帶動往返架往復(fù)運動，從而驅(qū)動懸點上、下運動的抽油機。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。而且該類抽油機維修費用大大高于常規(guī)型游梁式抽油機。
(6)液壓式抽油機
它是以液壓傳動技術(shù)為特征的抽油機。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)濟性。但在國內(nèi)，由于液壓元件制造水平的制約，液壓抽油機可靠性不高，維護(hù)比較困難，故起發(fā)展比較遲緩。
1.3游梁式抽油機的特點、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
游梁式抽油機是有桿抽油設(shè)備系統(tǒng)的地面裝置，它由動力機、減速器、機架和四連桿機構(gòu)等部分組成。減速器將動力機的高速旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榍S的低速旋轉(zhuǎn)運動。曲柄軸的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)由四連桿機構(gòu)變?yōu)閼依K器的往復(fù)運動。懸繩器下面連接抽油桿柱，由抽油桿柱帶動抽油泵柱塞（或活塞），在泵筒內(nèi)作上下往復(fù)直線運動，從而將油井內(nèi)的油液舉升到地面。游梁式抽油機具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、操作維修方便等特點。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》和美國石油協(xié)會API標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)成熟。主要特點：
1、整機結(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，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)，配有保險裝置，操作靈活、制動迅速、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。
抽油機的發(fā)展趨勢主要朝以下幾個方向[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。所以，近年來國外出現(xiàn)了許多大載荷抽油機。例如前置式氣平衡抽油機最大載荷213kN、氣囊平衡抽油機最大載荷227kN等，將來會有更大載荷抽油機出現(xiàn)。采用長沖程抽油方式，抽油效率高、抽油機壽命長、動載小、排量穩(wěn)定，具有較好的經(jīng)濟效益。如法國Mape公式抽油機最大沖程10m，WGCO公司抽油機最大沖程24.38m。
（2）朝著低能耗方向發(fā)展
為了減少能耗，提高經(jīng)濟效益，近年來研制與應(yīng)用了許多節(jié)能型抽油機。如異相型抽油機、雙驢頭抽油機、擺桿抽油機、漸開線抽油機、摩擦換向抽油機、液壓抽油機及各種節(jié)能裝置和控制裝置。
（3）朝著高適應(yīng)性方向發(fā)展
現(xiàn)在抽油機應(yīng)具備較高的適應(yīng)性，以便擴寬使用范圍。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，其中包括增大沖程游梁抽油機，增大沖程無游梁抽油機和長沖程無游梁抽油機。實踐與理論表明，增大沖程無游梁抽油機是增大沖程抽油機的發(fā)展方向，長沖程無游梁抽油機是長沖程抽油機的發(fā)展方向。
（5）朝著自動化和智能化方向發(fā)展
近年來，抽油機技術(shù)發(fā)展的顯著標(biāo)志是自動化和智能化。BVKER提升系統(tǒng)公司、DELTA-X公司、APS公司等研制了自動化抽油機，具有保護(hù)和報警功能，實時測得油井運動參數(shù)及時顯示與記錄，并通過進(jìn)行綜合計算分析，推得出最優(yōu)工況參數(shù)，進(jìn)一步指導(dǎo)抽油機在最優(yōu)工況抽油。NSCO公司智能抽油機采用微處理機和自適應(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)濟性好、適應(yīng)性強等優(yōu)點。
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)入機采。80年代初，我國擁有機采油井2萬口，占總油井?dāng)?shù)的57.3%，機采原油產(chǎn)量占總產(chǎn)量的27 %， 2000年我國油氣田共有抽油機采油井約8萬口，占油田總井?dāng)?shù)的90%。在這些機采油井中，采用抽油機有桿式抽油的占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，抽油機將朝著節(jié)能降耗并具有自動化、智能化、長沖程、大載荷、精確平衡等方向發(fā)展。
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第2章 總體方案設(shè)計
2.1抽油機的基本工作原理
抽油機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)動設(shè)備即抽油機；
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)備的運動和動力傳遞給井下抽油泵。
抽油機主要是由電動機驅(qū)動，經(jīng)減速傳動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)（將轉(zhuǎn)動變換為往復(fù)移動）帶動抽油桿及抽油泵柱塞作上下往復(fù)移動，從而實現(xiàn)從井下把原油抽取到地面的目的。
抽油機的基本工作原理圖如下：
圖2-1抽油機的基本工作原理圖
當(dāng)懸點（抽油桿）在上沖程的時候，抽油桿柱將帶動油栗活塞向上，油泵的游動閥（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，同時提升柱塞上部的液體。此時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，這個空間的液體會把油泵固定閥（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，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，就將頂開油泵的游動閥使泵筒內(nèi)的液體進(jìn)入油管內(nèi)。由于油泵柱塞在抽油的帶動下，連續(xù)做上下往復(fù)運動，因而油泵的固定閥和游動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，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，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)始地工作時候，原油就將被源源不斷的采出。
2.2抽油機的基本簡圖
電動機由皮帶和減數(shù)器帶動曲柄作勻速圓周運動，曲柄則通過連桿帶動四連桿機構(gòu)的游梁以支架上中央軸承為支點，做上下的擺動，使得帶動游梁前端的驢頭懸點連接抽油桿柱、油泵柱塞做上下往復(fù)直線運動，實現(xiàn)機械采油。
抽油機設(shè)計的基本原理圖如下：
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-電動機。
圖2-2抽油機的基本簡圖
抽油機整體動力傳動順序確定為：由電動機（14）轉(zhuǎn)速通過V帶（13）帶動減速箱（11）減速后，由四連桿機構(gòu)(曲柄(10)、連桿(8)、橫梁(7)、游梁(5))把減速箱輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橛瘟后H頭(4)的往復(fù)運動。用驢頭(4)帶動抽油桿做上下往復(fù)的直線運動。?????????????????????
2.3抽油機設(shè)計原理的確定
目前，常規(guī)的游梁抽油機一般都采用的是四桿機構(gòu)原理?，F(xiàn)在國內(nèi)外游梁式抽油機使用的四桿機構(gòu)的循環(huán)主要有三種：對稱循環(huán)、近似對稱循環(huán)和非對稱循環(huán)。采用近似對稱循環(huán)四桿機構(gòu)。
游梁式抽油機四桿機構(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點表示懸點位置；
AB桿表示輸入端，與減速器輸出端相連，逆時針方向旋轉(zhuǎn)；
CD表示輸出端；
AD 表示機架；
e 為懸臂長度，通常取e/c=1.35；
行程S等于CD相對于AD轉(zhuǎn)過的角度與e的乘積。
選擇近似對稱循環(huán)四桿機構(gòu)它主要的參考參數(shù)范圍如下：
（1）傳動角：最大傳動角和最小近似對稱于，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）懸點下死點時曲柄初始角：
（7）各桿長之間相對時間限制：，， ， ，若，可取，若 。
由于最大沖程，所以各個桿長之間存在以下關(guān)系：
由于本設(shè)計的最大沖程，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)中心到游梁支點的距離）m；
2.4抽油機總傳動方案：
常用傳動機構(gòu)的一般布置原則：
（1）帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、緩沖吸振能力強、價格低廉等特點，宜布置在高速級。
（2）鏈傳動運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，有沖擊，宜布置在低速級。
我們可以根據(jù)抽油機抽油桿的上下往返直線運動特征、沖程次數(shù)、沖程大小、懸點最大負(fù)荷、安裝件等要求和抽油機工作原理，可分析出游梁式抽油機的運動系統(tǒng)方案有三大組成部分：
1.動力部分即電動機；
2.傳動部分，采用V帶傳動的多級減速器；
3.執(zhí)行部分，類似于一種變形的四連桿機構(gòu)。
由于抽油機功率大，沖次小，傳動比大等特點，決定采用以下總體方案，如框圖所示：
初步的設(shè)計傳動方案選擇如圖2-5：
圖2-5傳動方案
根據(jù)游梁式抽油機的工作要求和特點：
抽油機長期在野外工作，且為24小時連續(xù)運轉(zhuǎn)；
抽油機要求運動平穩(wěn)、使用壽命長、效率高等。
最終選擇的傳動方案二級圓柱斜齒輪減速器。
選擇V帶傳動和二級圓柱斜齒輪減速器（展開式）。傳動裝置的總效率ηα
ηα＝η1η2η3η4η＝0.94×0.98×0.98×0.98×0.992＝0.867；
η1為V帶的效率，η2為第一對軸承的效率，η3為第二對軸承的效率，η4為第三對軸承的效率，η5為每對齒輪嚙合傳動的效率（齒輪為6級精度，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。
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。這種平衡方式減少了游梁平衡引起的抽油機擺動，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：在一臺抽油機上同時使用游梁平衡和曲柄平衡。特點：小范圍調(diào)整時，可以調(diào)整游梁平衡：大范圍調(diào)整時，則調(diào)整曲柄平衡。這種平衡方式適用于中深井。
4．氣動平衡：利用氣體的可壓縮性來儲存和釋放能量達(dá)到平衡的目的，可用于10噸以上重型抽油機。這種平衡方式減少了抽油機的動負(fù)荷及震動，但其裝置精度要求高，加工復(fù)雜。
由于本抽油機是短沖程、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)游梁式抽油機零部件關(guān)系框圖如圖2-6：
圖2-6常規(guī)游梁式抽油機零部件關(guān)系框圖
第3章 基本參數(shù)的確定
3.1游梁式抽油機的運動學(xué)分析
游梁式抽油機的運動學(xué)分析的目的：對應(yīng)于抽油機某一曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，求出驢頭及各鉸接點的位移、速度和加速度隨時間或曲柄旋轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，為進(jìn)行載荷、扭矩等的動力學(xué)分析和計算提供數(shù)據(jù)。
3.1.1 幾何尺寸分析[10]
圖3-1 抽油機運動機構(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；
——懸點處于下死點位置時，游梁后臂和基桿之間的夾角；
——懸點處于上死點位置時，游梁后臂和基桿之間的夾角；
3.1.2 懸點的位移、速度、加速度的分析
從上圖還可以看出，，對應(yīng)任一時的懸點位移Si(以下死點作為況的起始點)為：
Si=A·δi=A·（－φ） （式3-12）
式中：
Ａ——游梁前臂長度；
δi——對應(yīng)任一時的游梁位置與懸點處于下死點時游梁位置的夾角。
懸點沖程為：
Ｓ＝Ａ·δ＝Ａ·（－） （式3-13）
式中：
δ——對應(yīng)于懸點處于上、下兩死點位置時游梁兩位置的夾角。
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）
將上式兩邊對時間求導(dǎo)可的：
（式3-16）
或
（式3-17）
令方程兩邊實部和虛部對應(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動的角速度、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 －曲柄的轉(zhuǎn)速，r/min
將上式對時間t求導(dǎo)，可的連桿及游梁運動的角加速度、為：
（式3-25）
（式3-26）
式中 =－ω ?。剑?
當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動時，＝０，則、為
（式3-27）
（式3-28）
當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動時，則懸點速度ＶＣ及加速度αＣ可有下式計算
ＶＣ＝·Ａ （式3-29）
αＣ＝·Ａ （式3-30）
3.2游梁式抽油機懸點載荷計算
當(dāng)游梁式抽油機通過抽油桿的上下往復(fù)運動帶動井下抽油泵工作時，在抽油機的驢頭懸點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)動載荷 由于抽油桿柱和油管內(nèi)的液體作非勻速運動而產(chǎn)生的抽油桿柱動載荷以及作用于抽油泵柱塞上的液柱動載荷。
(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抽油機有桿泵運動1個周期內(nèi)的4個階段
1—抽油桿; 2—油管; 3—泵筒
有桿泵的具體運行過程：
1.電機提供動力給齒輪箱。齒輪箱降低輸出角速度同時提高輸出轉(zhuǎn)矩。
2.曲柄逆時針轉(zhuǎn)動同時帶動配重塊。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候，標(biāo)志著下沖程的止點?？梢宰⒁獾角瓦B接桿此時在一條直線上。
3.上沖程提升驢頭和活塞，隨之油背舉升。在上止點，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。球閥是液體流動驅(qū)動開閉的。 上沖程中，動閥關(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，同時外部液體補充進(jìn)來。下沖程，動閥開啟閥法關(guān)閉。液體流入活塞而且沒有液體回流油井。
3.2.1懸點靜載荷的大小和變化規(guī)律
分別對上沖程、下沖程、下死點和上死點進(jìn)行分析（如下圖3-3）
(l)上沖程
當(dāng)懸點從下死點向上運動時，如圖3-3a所示，游動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。由于游動閥關(guān)閉，使懸點承受抽油桿柱自重P桿和柱塞上油柱重P油，這兩個載荷的作用方向都是向下的。同時，由于固定閥打開，使油管外一定沉沒度的油柱對柱塞下表面產(chǎn)生方向向上的壓力P壓。因此，上沖程時，懸點的靜載荷尺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)懸點從上死點向下運動時，如圖3-3b所示，游動閥由于柱塞上、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，下沖程時懸點的靜載荷P靜下為：
（式3-32）
上沖程 下沖程
圖3-3 懸點載荷作用圖
(3)下死點(從下沖程到上沖程的轉(zhuǎn)折點)
此時，對抽油桿柱或油管柱來說，載荷都發(fā)生了變化：
1)對抽油桿柱來說，在這一瞬間懸點載荷發(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 Ｅ－鋼的彈性模量，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上。實際上，在抽油桿柱受載伸長的過程中，驢頭已開始上沖程。當(dāng)懸點往上走了一個距離λ桿時，由于同時產(chǎn)生的抽油桿柱伸長的結(jié)果，使柱塞還在原地不動，就是柱塞對泵筒沒有相對運動，因而不抽油，如圖3-4c所示。
2)對油管柱來說，下沖程時，由于游動閥打開和固定閥關(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，游動閥關(guān)閉，整個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載荷作用。因此，在抽油桿柱加載的同時油管柱卻卸載。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，柱塞對泵筒還是沒有相對運動，還不能抽油(如圖3-3d所示)。一直到懸點走完一段距離等于λ管以后，柱塞才開始抽油。
上面所進(jìn)行的分析表明：懸點從下死點到上死點雖然走了沖程長度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(從上沖程到下沖程的轉(zhuǎn)折點)
它和下死點的情況恰恰相反。這時，對抽油桿柱說，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)懸點往下走了λ桿時，由于抽油桿柱的縮短，柱塞在井下原地不動，它對泵筒不產(chǎn)生相對運動，因而不能排油。而對油管柱來說，因為加載P‘油而伸長了λ管，油管(或泵筒)好象跟著柱塞往下走。因此，在懸點再走完λ管以前，柱塞和泵筒還不能產(chǎn)生相對運動，也不會排油。因此，在排油過程中，柱塞的有效沖程長度S效比懸點最大沖程長度S減少了一個同樣的靜變形入值。
現(xiàn)在把上、下沖程中懸點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斜線表示懸點上沖程開始時載荷由柱塞傳遞到懸點的過程。EB線相當(dāng)于柱塞和泵筒沒有發(fā)生相對運動時懸點上行時的距離，即EB= λ。當(dāng)全部載荷作用到懸點以后，靜載荷就不再變化而成水平線BC，到達(dá)上死點C為止。CD線表示抽油桿柱的卸載過程。卸載完畢后，懸點又以一個不變的靜載荷向下運動，成為水平線DA而回到下死點A。這種靜力示功圖，只有在淺井，而且抽油機沖次較低時才能用動力儀測得。
圖3-5靜力示功圖
圖3-5表明，在上、下沖程內(nèi)，懸點靜載荷隨懸點位移的變化規(guī)律是一個平行四邊形ABCD。
3.2.2懸點動載荷的大小和變化規(guī)律
在井較深、抽油機沖程次數(shù)較大的情況下，必須考慮動載荷的影響。動載荷是由慣性載荷和振動載荷兩部分組成。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的運動規(guī)律和懸點完全一致。所以，P桿慣和P油慣的大小和懸點加速度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 油管過流斷面擴大圖
1)慣性載荷對懸點總載荷的影響
上沖程時，柱塞(或抽油桿)帶著油柱運動，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，柱塞(或抽油桿)不帶油柱運動，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，稱為動力示功圖，如圖3-7所示。
圖3-7 動力示功圖
從圖中可以看出，懸點的最大載荷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。最大載荷Pmax等于靜載荷加上動載荷(絕對值)；懸點的最小載荷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。其大小等于靜載荷減去動載荷(絕對值)。
3.2.3懸點的最大載荷和最小載荷
懸點的最大載荷和最小載荷，特別是最大載荷是正確設(shè)計和選擇抽油機和抽油桿以及確定電動機功率的主要依據(jù)之一，所以目前有很多計算公式，有些先從理論上來推導(dǎo)，在引如實驗校正系數(shù)，有些是純粹的經(jīng)驗公式；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，在所有的計算公式中都沒有考慮摩擦力的影響。
在實際計算，可通過下式進(jìn)行計算懸點的最大載荷和最小載荷：
（式3-43）
3.2.4 摩擦力對懸點載荷的影響
定性分析表明，摩擦力增加了懸點的最大載荷，減少了懸點的最小載荷，加大載荷的變化幅度與不平衡性以及擴大了示功圖面積，這不但給抽油機的上作帶來了很不利的影響，而且使電機功率消耗大大增加。對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，但是，當(dāng)油井中原油的粘度很大，從0.1 Pa·S到l0Pa·S時，抽油桿和油柱間或油柱和油管間的液體摩擦力有時可達(dá)10000N～20000N，對懸點載荷影響很大。特別是在下沖程時，和抽油桿運動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，就會產(chǎn)生驢頭懸點運動大大超前抽油桿運動的現(xiàn)象，也就是驢頭往下走時，抽油桿還沒有往下走。(甚至驢頭己走到下死點，抽油桿都不運動，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)到下死點時驢頭就開始上沖程。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油柱重力和摩擦力突然加到抽油機驢頭上，造成沖擊載荷，影響抽油機的使用壽命。所以在粘油井抽油時，應(yīng)該采取措施避免下沖程時驢頭超前油桿運動的現(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得到了推廣應(yīng)用。
在叢式井(上自、下斜)和斜井中抽油時，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際要求。綜上所述，我們在此次設(shè)計中還是以正常的為依據(jù)。
3.3游梁式抽油機減速器曲柄軸凈扭矩的計算
減速器扭矩指的是游梁式抽油機在減速器輸出軸(也稱曲柄軸)上實際產(chǎn)生的扭矩。其大小和懸點載荷、沖程長度、抽油機四桿機構(gòu)桿長比值以及抽油機的平衡狀況有關(guān)?，F(xiàn)以曲柄平衡的游梁式抽油機為例來推導(dǎo)曲柄軸扭矩的一般計算公式(見下圖所示)。按照習(xí)慣，當(dāng)曲柄連桿機構(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(主動力矩)，扭矩為負(fù)值;相反時，扭矩為正值(阻力矩)。
為了使懸點以一定的載荷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的基本參數(shù)之一。實踐證明：減速箱曲柄軸扭矩大小和懸點載荷、各桿件長度的比值和抽油機的平衡情況有密切的關(guān)系。它的合理確定對減速箱的設(shè)計、電動機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。為了計算Tn值，必須首先求出T值。
下面以曲柄平衡的抽油機(圖2-2)為例進(jìn)行計算。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=)。
對曲柄軸中心O作力矩平衡方程式：
（式3-45）
移項整理的
（式3-46）
從上式可見，為了計算T值，需要先求出P連值，應(yīng)將游梁上各作用力對游梁支點O1作力矩平衡方程式。
在游梁上的作用力有懸點載荷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，折合到驢頭懸點處的折合力B(稱為結(jié)構(gòu)不平衡重力)。，游梁支點O1的反作用力R平和R垂。
現(xiàn)在對游梁支點O1作力矩平衡方程式：
（式3-47）
圖3-8 抽油機受力示意圖
移項得：
（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：
只取決于抽油機的幾何尺寸和曲柄轉(zhuǎn)角，其意義為單位懸點載荷在曲柄上所產(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: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，所以它對平均扭矩不發(fā)生絲毫影響，也就是說，曲柄平衡抽油機的減速器平均扭矩與抽油機的平衡程度無關(guān)，是一個不變量(當(dāng)抽油機工況一定時)。
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，因擺動體的慣性所產(chǎn)生的慣性扭矩在一個沖程內(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算:
(2). 最大扭矩
曲柄轉(zhuǎn)動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。是一個很重要的扭矩特性參數(shù)。無論是進(jìn)行游梁式抽油機選型，還是在運轉(zhuǎn)過程中對抽油機進(jìn)行診斷都要用到這個參數(shù)。
(3). 最小扭矩
曲柄轉(zhuǎn)動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，即能量不是由電動機向曲柄軸傳輸，而是由曲柄軸向電動機傳輸，使電動機處于發(fā)電運行狀態(tài)。負(fù)扭矩一方面使電動機的平均效率和功率因數(shù)降低，另一方面使齒輪傳動產(chǎn)生沖擊載荷，所以，在設(shè)計和使用抽油機時，應(yīng)力求加大，避免或減小負(fù)扭矩(絕對值)。
(4). 均方根扭矩和周期載荷系數(shù)
當(dāng)假定電動機的電流與其軸上扭矩成正比關(guān)系時，用均方根扭矩代替變化的實際扭矩作用于電動機軸上，可保持電動機的發(fā)熱狀態(tài)相同。所以，均方根扭矩是選擇電機額定功率的依據(jù)，是一個重要的扭矩參數(shù)。影響Tmax的各種因素如平衡扭矩、抽油機機構(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的周期載荷系數(shù)。
亦是表示抽油機減速器扭矩變化均勻程度的一個參數(shù)。越接近于1，表示扭矩變化越均勻。油井工況、抽汲參數(shù)、抽油機四連桿機構(gòu)的幾何關(guān)系以及平衡程度等都會影響的大小。
3.5游梁式抽油機電機功率的確定
游梁式抽油機裝置的特點
（1）負(fù)荷是脈動的，而且變化大；
（2）啟動困難，要求有大的啟動轉(zhuǎn)矩；
（3）所用的電動機功率不太大，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，要求電動機維護(hù)簡單、工作可靠。
結(jié)合工作特點及工況，在此選擇?Y?系列的三相異步封閉式鼠籠型電動機。抽油機設(shè)計時，由于懸點最大載荷，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）
由于抽油機抽汲工況的差別，上式確定的減速器輸出軸功率是個極限，一般情況下達(dá)不到，這樣配電機，電機功率肯定偏大，具體使用時，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，配用電機功率可用下式確定：
（式3-53）
電動機額定功率的確定：
電動機功率與傳遞到減速箱從動軸（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;
——電動機的額定功率，kW;
n——曲柄軸轉(zhuǎn)數(shù)（懸點沖數(shù)）;
——傳動效率；
——皮帶傳動效率；
——減速箱傳動效率。
表3-2 一般抽油機電動機選用表
抽油機懸點載荷
KN
抽油機光桿最大沖程
m
減速器額定扭轉(zhuǎn)矩
KN.m
電動機額定功率
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，將電動機的額定功率?P額范圍確定在?P?額=7.5~15kW。
電動機轉(zhuǎn)速的確定：
一般抽油機選用的減速箱傳動比為28~?39?，帶傳動的傳動比為?，一般i=?4 ~ 5?。這是抽油機沖數(shù)按最大沖數(shù)9 r/min計算。則電動機的轉(zhuǎn)速為：?n電=9×（4~5）×（28~39）=1008~1755r/min
選用?Y160L-8?
3.6游梁式抽油機的平衡計算
下沖程時，驢頭懸點向下走完沖程長度S，游梁的后臂提高，把能力儲存起來。
游梁部件自重抬高的距離為，儲存能量為，曲柄平衡重抬高的距離為，儲存的能量為，曲柄自重抬高的距離為，儲存的能量為。所以平衡裝置儲存能量Q為
（式3-55）
第4章 變速機構(gòu)的傳動比分配及其結(jié)構(gòu)確定?
4.1變速機構(gòu)的傳動比分配
電動機型號Y160L-8，其功率為?P=11KW，轉(zhuǎn)速為?N=730 r/min則電動機輸出扭矩M電=9550P/n=9550×11/730=143.90411?
減速箱參數(shù)：
Z1=30 ，主動齒輪軸齒數(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，電動機皮帶輪?
d?皮2=334，電動機皮帶輪
d皮3=224，電動機皮帶輪?
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（電動機配有三個皮帶輪，減速器主動軸上裝有一個大皮帶輪，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，減速箱被動輸出扭矩
M1=5.59 KN.m
M2=7.654 KN. m
M3=10.616 KN. m
計算結(jié)果表明，其最大值輸出扭矩低于?26kN.m。因此，在設(shè)計該機時，選用?Y132M-4電動機，計算結(jié)果其最大輸出扭矩?M max?=10.616?KN.m。
該機的沖次分別為：?
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)