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附錄 一種新的檢測液壓油的機(jī)械試驗(yàn)方法應(yīng)用 施密特，克勞斯 產(chǎn)品開發(fā)和機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究所，漢堡技術(shù)大學(xué)，德國 摘 要：本文介紹了在一臺新開發(fā)的試驗(yàn)臺上進(jìn)行一個(gè)摩擦磨損試驗(yàn)，該試驗(yàn)臺開發(fā)于涂漢堡哈爾堡，用于研究液壓油的潤滑性能。開發(fā)這種新的檢測方法的目的是為了更好的表述摩擦學(xué)與流體動力機(jī)械之間的影響與聯(lián)系，采用線接觸研究液壓油的潤滑性能表明，可利用摩擦、磨損和腐蝕試驗(yàn)區(qū)分不同液體的潤滑性能。在不同的試驗(yàn)通過不斷的改進(jìn)試驗(yàn)裝置和開發(fā)測試實(shí)驗(yàn)的全自動控制程序來滿足高重復(fù)性的邊界條件。該試驗(yàn)機(jī)的開發(fā)符合測試程序、形狀結(jié)構(gòu)簡單的要求，可以從各種材料和生產(chǎn)設(shè)備公司生產(chǎn)，現(xiàn)有的這類公司都生產(chǎn)流體動力元件。 關(guān)鍵詞：液壓 流體 潤滑 試驗(yàn) 1.引言： 液壓油的一個(gè)非常重要特點(diǎn)的是它可能使摩擦加載面分離以減少這種連接中的摩擦磨損，試驗(yàn)測試液壓油潤滑性能最可靠的試驗(yàn)是實(shí)地測試，即流體在典型工作條件和典型操作期間下的應(yīng)用。出于多種原因，實(shí)地測試費(fèi)時(shí)而且成本高，以及操作環(huán)境的不同應(yīng)用方法通常也會很大不同，因此實(shí)地測試的結(jié)果往往不具有通用性。這種情況導(dǎo)致流體生產(chǎn)者以及靜壓機(jī)械生產(chǎn)者必須先在測試實(shí)驗(yàn)室測試他們的產(chǎn)品，然后再去做現(xiàn)場試驗(yàn)。應(yīng)當(dāng)清楚地看到，只有當(dāng)他們能夠逼真的模擬出機(jī)器摩擦接觸時(shí)的狀態(tài)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室測試才能起到作用。 漢堡科技大學(xué)的產(chǎn)品開發(fā)和機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究所開發(fā)了新的試驗(yàn)臺和測試方法，用于研究液壓油的潤滑性能[1]，按照DIN51389，今后的這項(xiàng)測試可能代替葉片泵試驗(yàn)[2]。該項(xiàng)目的目的是找到一個(gè)測試方法，盡可能的再現(xiàn)所有摩擦磨損對液壓機(jī)械的影響，通過簡單的測試形式和試驗(yàn)臺的簡單測量，從中獲得力學(xué)參數(shù)。負(fù)載條件下的摩擦系統(tǒng)內(nèi)液壓件（接觸壓力，相對運(yùn)動形式）、速度、析構(gòu)函數(shù)和連接部分的屬性決定了連接區(qū)域的參數(shù)（溫度和幾何構(gòu)造），對摩擦系統(tǒng)的摩擦系數(shù)、臨界載荷和磨損性能產(chǎn)生主要影響。測試方法和試驗(yàn)機(jī)的開發(fā)源自研究項(xiàng)目DGMK514[3]，514-1[4]610[5]的一種系統(tǒng)方法。 2.主要測試儀器的安排 開發(fā)新的測試方法是為了實(shí)現(xiàn)以下目的： ·使定量測試結(jié)果精度高； ·測試樣本簡單，不需要特殊的制造技術(shù)； ·自動化、能耗低、測試液量小和測試時(shí)間短的測試方法。 對液壓件內(nèi)部的摩擦接觸的詳細(xì)分析是對這個(gè)新的測試方法和試驗(yàn)臺詳細(xì)說明的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)方法、順序配置以及實(shí)驗(yàn)的主要發(fā)現(xiàn)如圖1所示。這臺試驗(yàn)臺的配置允許測試線接觸和面接觸。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，線接觸更有趣，能夠產(chǎn)生數(shù)據(jù)區(qū)分不同液壓油的潤滑性能。這也是大多數(shù)的測試只使用線接觸數(shù)據(jù)的原因。 圖1 MPH試驗(yàn)臺-主要測試儀器的安排 液壓油的潤滑性能量化參數(shù)如下： ·PHD,crit 壓力導(dǎo)致材料粘結(jié)掉落（金屬粘結(jié)磨損） ·μEx,average 線接觸的平均摩擦系數(shù) ·Vline 試樣滑塊的磨損量 這些參數(shù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性確定了測試液壓油潤滑性能的優(yōu)劣程度，可分為高，中，低等。而對速度、轉(zhuǎn)矩和壓力等機(jī)械參數(shù)的精確測量、計(jì)算中考慮導(dǎo)向裝置和軸承中可能的摩擦接觸力、精確的方法測量和計(jì)算試樣的磨損體積是取得可靠結(jié)果的根本。 在研究過程中，為了改善測量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，對試驗(yàn)臺做了許多的改進(jìn)。 3.試驗(yàn)條件 為了確定短期和長期測試（短期試驗(yàn)是臨界載荷試驗(yàn)，長期試驗(yàn)是測試摩擦系數(shù)和磨損量）最佳試驗(yàn)條件做了大量的測試工作，這些測試結(jié)果表明，試驗(yàn)的起動過程對測試結(jié)果有重要影響。 3.1起動方法 起動過程通過設(shè)置補(bǔ)償參數(shù)和線接觸中運(yùn)行控制來實(shí)現(xiàn)誤差調(diào)整。而這一起動過程的自動化使得后面的試驗(yàn)誤差有了明顯的改善。 3.2短期試驗(yàn) 短期試驗(yàn)是用來尋找滑動接觸到開始磨損材料從自然到磨損的臨界壓力PHD,crit，作用在活塞上的壓力產(chǎn)生的臨界壓力使得摩擦接觸時(shí)起潤滑作用的潤滑膜消失，混合摩擦變?yōu)楣腆w摩擦。圖2顯示了一個(gè)典型的短期測試的參數(shù)隨時(shí)間改變情況。 圖2 短期測試參數(shù)的典型變化 3.3長期試驗(yàn) 長期試驗(yàn)是用來尋找線接觸具體工作流體摩擦系數(shù)和試樣滑塊的損失量。所有試驗(yàn)的摩擦接觸的負(fù)載都是恒定的，這里的負(fù)載是指作用在活塞上的平均壓力，從而使得孔測試中作用于偏心軸和滑動器線接觸上的力恒定。圖3顯示了一個(gè)典型的長期測試的參數(shù)隨時(shí)間改變情況。 圖3 長期測試參數(shù)的典型變化 4.COMPLETET系列試驗(yàn)結(jié)果 該項(xiàng)目對HL類、HLP類和HEES合成酯類礦物油進(jìn)行了測試，試驗(yàn)還把測試對象擴(kuò)大到以多級機(jī)油和齒輪油為主的礦產(chǎn)和酯類?，F(xiàn)已完成測試階段的主要任務(wù)是找出這些類型油液的不同潤滑性能，因?yàn)樗鼈兛赡艽碇煌愋?。最重要的一點(diǎn)是相同的流體多次測試結(jié)果要在一個(gè)狹窄的變換范圍，可查看平均值小偏離。本文介紹了有關(guān)6種不同類型液壓油的測試結(jié)果，其中一種HEES型，三種HLP型和兩種HL類型。所有油液都有抗腐蝕和老化添加劑，在HEES類和HLP類添加了不同濃度的EP、AW添加劑。 圖4中的表格提供一個(gè)典型測試的范圍絕對值。重要的是要看到，三次試驗(yàn)得出的臨界壓力和平均摩擦系數(shù)或多或少接近平均值，而相同精度條件，相同油液下不同試驗(yàn)試樣的體積損失顯示較大偏差。它也可以看出，臨界載荷、平均摩擦系數(shù)和體積損失之間有一定的對應(yīng)關(guān)系。另一方面，該表顯示，比較流體相對潤滑能力并不是很容易的，因?yàn)榇罅康脑囼?yàn)結(jié)果都必須考慮進(jìn)去。因此，不同的產(chǎn)生了不同的比較方式，這也顯示在圖4，如圖所示基于測試結(jié)果的等距介紹，數(shù)字橢球代表不同流體測量值，所有值以HF-1類油液作為參考基準(zhǔn)。 圖4 試驗(yàn)結(jié)果的絕對值和等距表示 圖5顯示了圖4三維圖可以清楚的看到用MPH試驗(yàn)臺測試不但能夠區(qū)分不同類別的油液而且同類的中的不同油液也能區(qū)分。 圖5 結(jié)果參數(shù)的三維圖顯示（見圖4）的結(jié)果參數(shù) 結(jié)論 通過MPH項(xiàng)目大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，MPH試驗(yàn)臺完全有測試區(qū)分液壓油的潤滑性能的能力，隨著試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)改進(jìn)和全自動控制的發(fā)展，試驗(yàn)臺測試結(jié)果的重復(fù)性有所改善，通過最近試驗(yàn)臺的試驗(yàn)可以看出，摩擦系數(shù)和臨界壓力值平均偏差不超過±10％，試樣磨損量偏差范圍為最大量的±15％，這可通過更準(zhǔn)確的測量技術(shù)來減少[6][7]。測試結(jié)果的重復(fù)性是MPH項(xiàng)目的要點(diǎn)，已取得的精確度可以用于其他用來測試液壓油試驗(yàn)的比較標(biāo)準(zhǔn)。在葉片泵試驗(yàn)也就是FZG試驗(yàn)[8]中沒有確定試運(yùn)行的最低數(shù)量，測試結(jié)果中也沒有精確要求。根據(jù)這兩項(xiàng)測試的標(biāo)準(zhǔn)流體分類只有一個(gè)試運(yùn)行是必要的，這導(dǎo)致的結(jié)論是，假設(shè)至少每流體進(jìn)行三次試運(yùn)行，MPH試驗(yàn)臺測試能比其他測試提供更好的可靠數(shù)據(jù)。 參考文獻(xiàn) [1] Kessler, M., Entwicklung eines Testverfahrens zur mechanischen Prufung von Hydraulikflussigkeiten, Dissertation, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 1, Nr. 335, 2000. [2] DIN 51389, Mechanische Prufung von Hydraulikflussigkeiten in der Flugelzellenpumpe, Deutsches Institut fur Normung e.V., Beuth Verlag Berlin, 1982. [3] Kessler, M., Feldmann, D.G., Mechanische Prufung von Hydraulikflussigkeiten, DGMK Forschungsbericht 514, Hamburg, Juli 1999. [4] Kessler, M., Feldmann, D.G., Mechanische Prufung von Hydraulikflussigkeiten II, DGMK Forschungsbericht 514-1, Hamburg, Sept. 2001. [5] Schmidt, J.; Feldmann, D.G.; Padgurskas, Mechanische Prufung von Hydraulikflussigkeiten, DGMK Forschungsbericht 610, Hamburg, 2006. [6] Feldmann, D.G., Padgurskas, J., Analysis of the Lubrication Capabilities of Hydraulic Fluids using a Test Method with Line Contact, Engineering Materials & Tribology 2004, Riga, 23.-24. Sept. 2004. [7] Schmidt, J., Feldmann, D.G., Padgurskas, J., Application of a new test procedure for mechanical testing of hydraulic fluids, 5. International Fluid Power Conference, Vol. 2, p.269-280, Aachen, 20.-22. March 2006. [8] DIN 51354, FZG-Zahnrad-Verspannungs-Prufmaschine, Deutsches Institut fur Normung e.V., Beuth Verlag Berlin, 1990 11 前言 目前，采油方式有自噴采油法和機(jī)械采油法。在機(jī)械采油法中，有桿抽油系統(tǒng)是國內(nèi) 外油田最主要的，也是至今一直在機(jī)械采油方式中占絕對主導(dǎo)地位的人工舉升方式。有桿 抽油系統(tǒng)主要由抽油機(jī)、抽油桿、抽油泵等三部分組成，抽油機(jī)是有桿抽油系統(tǒng)最主要的 升舉設(shè)備。根據(jù)是否具有游梁，抽油機(jī)可以劃分為游梁式抽油機(jī)和無游梁式抽油機(jī)。而常 規(guī)游梁抽油機(jī)自誕生以來，歷經(jīng)百年使用，經(jīng)歷了各種工況和各種地域油田生產(chǎn)的考驗(yàn)， 經(jīng)久不衰。目前仍在國內(nèi)外普通使用。常規(guī)游梁式抽油機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、耐用、操作簡便、 維護(hù)費(fèi)用低等明顯優(yōu)勢，而區(qū)別于其他眾多拍油機(jī)類型，一直占據(jù)著有桿系采油地面設(shè)備 的主導(dǎo)地位。 游梁式抽油機(jī)的主體結(jié)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)驢頭和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)相對于支架的位 置，游梁式抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)形式可以劃分為常規(guī)型和前置式兩種；根據(jù)平衡方式的不同，游 梁式抽油機(jī)可以劃分為曲柄平衡、游梁平衡和復(fù)合平衡。 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)主要由發(fā)動機(jī)、三角皮帶、曲柄、連桿、橫梁、游梁、驢頭、懸 繩器、支架、撬座、制動系統(tǒng)及平衡重等組成。 發(fā)動機(jī)安裝在撬座上，其安裝位置有兩種，一種是將發(fā)動機(jī)置于整體尾部，另一種是 將發(fā)動機(jī)放在支架下面。 減速箱為二級齒輪傳動減速箱，傳動比為 30 左右．齒輪型式一般小功率用斜齒，大功 率用人字齒。近年來推廣使用點(diǎn)嚙合雙圓弧人字齒。 曲柄一端與減速器輸出軸固結(jié)，另一端與連桿鉸接． 連桿與橫梁常見有兩種型式：小型抽油機(jī)多為組焊結(jié)構(gòu)，靠改變后臂長度來調(diào)節(jié)沖 程．大型抽油機(jī)多為整體機(jī)構(gòu)，靠改變曲柄與連桿鉸接位置來調(diào)爺沖程。 游梁由型鋼組焊而成，也有用大型工字鋼整體制造。 驢頭由鋼板組焊而成，有上翻式、側(cè)轉(zhuǎn)式、拆繼式幾種形式。 平衡重為金屬塊。小型抽油機(jī)多裝于游梁尾部，大型抽油機(jī)多裝于曲柄兩翼．平衡重 可根據(jù)需要而調(diào)整。 本設(shè)計(jì)將對常規(guī)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，以達(dá)到對常規(guī)游梁式抽油機(jī)的優(yōu)化設(shè) 計(jì)的目的。 1 目錄 1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 ............................................................................................................................................1 1.1 課題內(nèi)容 .........................................................................................................................................1 1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容: ........................................................................................................................................1 2 總體方案的設(shè)計(jì) ....................................................................................................................................2 2.1 抽油機(jī)設(shè)計(jì)原理的確定 .................................................................................................................2 2.2 桿長尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 .....................................................................................................................3 2.4 安裝尺寸與機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù) .............................................................................................................3 2.5 常規(guī)游梁式抽油機(jī)零部件關(guān)系 .....................................................................................................3 3 游梁抽油機(jī)基本參數(shù)的確定 ................................................................................................................4 3.1 游梁抽油機(jī)的運(yùn)動分析 .................................................................................................................4 3.2 游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算 .........................................................................................................7 3.3 游梁式抽油機(jī)減速箱曲柄軸扭矩計(jì)算 .......................................................................................10 3.4 游梁抽油機(jī)的抽汲工況 ...............................................................................................................12 3.5 游梁式抽油機(jī)的電動機(jī)選擇計(jì)算 ...............................................................................................13 4 常規(guī)游梁是抽油機(jī)的平衡計(jì)算 ..........................................................................................................14 5 變速機(jī)構(gòu)的傳動比分配及其結(jié)構(gòu)確定 ..............................................................................................14 5.1 變速機(jī)構(gòu)的傳動比分配 ...............................................................................................................14 6 主要部件的設(shè)計(jì) ..................................................................................................................................15 6.1 曲柄 ...............................................................................................................................................15 6.2 游梁 ...............................................................................................................................................16 6.3 驢頭 ...............................................................................................................................................17 6.4 橫梁 ...............................................................................................................................................18 6.5 常規(guī)游梁抽油機(jī)裝配體 ...............................................................................................................18 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................................19 致謝 .........................................................................................................................................................20 2 1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 1.1 課題內(nèi)容 （1）主要參數(shù)：型號：CYJ3—2.1—13HB （2）最大載荷：30KN （3）沖程長度： 1.4，1.7，2.1（單位：m） （4）沖程次數(shù)：6，9，12 （單位： ）1min? 1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容: （1）總體方案設(shè)計(jì)（總體尺寸，四桿機(jī)構(gòu)） ； （2）運(yùn)動分析（計(jì)算位移、速度、加速度） ； （3）動力分析及平衡計(jì)算； （4）主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算； （5）電機(jī)選擇與油井匹配參數(shù)的確定； 2 總體方案的設(shè)計(jì) 2.1 抽油機(jī)設(shè)計(jì)原理的確定 目前，常規(guī)式游梁抽油機(jī)采用的是四桿機(jī)構(gòu)原理。國內(nèi)外使用的游梁式抽油機(jī)四桿機(jī) 構(gòu)的循環(huán)主要有一下三種：對稱循環(huán)、近似對稱循環(huán)和非對稱循環(huán)。在此我們采用近似對 稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)。 圖 2-1 游梁式抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)原理圖 近似對稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)主要參數(shù)參考范圍： （1）傳動角 ： 最大傳動角 和最小 近似對稱于 ，故?max?in?90 ， 。??50~4max???35~0min? （2）極位夾角 ：??4? （3）游梁最大擺角 ：??6max? （4）基桿傾斜角 : 可取 H-G=??2~32IJ? 3 （5） 5-0??下上 ? （6）懸點(diǎn)下死點(diǎn)時(shí)曲柄初始角 ：??5~4一 般 小 于 （7）各桿長之間相對時(shí)間限制： ， ，3.02.?JR85.07.?JL ， ，若 ，可取 ，若.04.?JL后 .L0.1后前 mS2.4ax 8.1.后前 。mS6~2.max?.25.?后前 2.2 桿長尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 由于最大沖程 ，所以各個(gè)桿長之間存在以下關(guān)系： S3max? 由于本設(shè)計(jì)的最大沖程 ，所以，在此取 并且取mS1.2ax? 。小 5.0,4.,3125.??cba ，則其他桿長為：mR8.0?maLcRbL 1.235.6.1084..????小后前后 此外， )(430.8.22J ?????后 式中：R——曲柄半徑，m； ——游梁后臂長度，m;后L ——游梁前臂長度，m;前 ——連桿長度，m；L J——基桿長度（從曲柄旋轉(zhuǎn)中心到游梁支點(diǎn)的距離）m； 2.3 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。由于本 5.0~4..3.4.1~?后 后前小 LRcbL 4 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。 2.4 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 3~6m （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 2.5 常規(guī)游梁式抽油機(jī)零部件關(guān)系 常規(guī)游梁式抽油機(jī)零部件關(guān)系框圖如圖 2-2： 圖 2-2 常規(guī)游梁式抽油機(jī)零部件關(guān)系框圖 3 游梁抽油機(jī)基本參數(shù)的確定 3.1 游梁抽油機(jī)的運(yùn)動分析 將四桿機(jī)構(gòu)簡化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)時(shí)，作懸點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律計(jì)算。其簡化圖如下 5 圖 3-1 懸點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律簡化圖 當(dāng) 時(shí)，游梁與連桿的連接點(diǎn)處于上死點(diǎn) ，相對應(yīng)的懸點(diǎn) C 處于下死點(diǎn)；當(dāng)?0?? 1B 時(shí)，B 處于上死點(diǎn) ,相對應(yīng)的懸點(diǎn) C 處于上死點(diǎn) ?182BmRLO.18.0.21 ???? B 點(diǎn)的沖程長度 SB62? 取 B 點(diǎn)的位移零點(diǎn)，向下為位移的正方向，則任意曲柄轉(zhuǎn)角 時(shí) B 點(diǎn)的位移 為： ?BS 由三角形 OAD 可得：OBLRO????11 ???? ?????22sin1sin1co)(4.08 )]cos1()cos1[()cos1()cos1( 0.28.??????????而 正 弦 定 理中 得 知 ，由式 中則 LLLLBROABRSD 所以， )]([????RSB 按二項(xiàng)式定理展開 ??22sin1sin1?? 6 B 點(diǎn)位移 S ???22 sin16.0)cos1(8.0sin)co1( ??????RB 1.2806.12:)2cos(in.0i256.10)2s(]in.0)co1[05. s(86.2]in2)cos1[ )]sin1(()2cos( )2sin.0(i48.1)in(si /56.02222 ??????????????? ? RLSRLaLvRLSavRaaBv Brdd cCC cCBt 后前后前后前后 前 后前 為移懸 點(diǎn) 沖 程 長 度 （ 最 大 位 ）（ 和 加 速 度速 度懸 點(diǎn) 的 位 移 為點(diǎn) 的 加 速 度 點(diǎn) 速 度， 則?????????????? 為了確定懸點(diǎn)最大加速度 ，可對 對 求導(dǎo)，并令其等于零，求得 取得極maxcc?maxc 值時(shí)的 角及對應(yīng)的及加速度值? )(0sin41)(0sin]co[i2sini21 方 程 二，方 程 一則 后前 后前 ?????????LRdc 當(dāng) ，上面方程二無解，在此情況下，按方程一可得加速度極值在41?? 處，即上，下死點(diǎn)處。?80?? 7 94.0)4.01(256.)1(39.2)4.0(561.)(max2in2max2??????????????SRLSRL后前后前 當(dāng) 懸點(diǎn)在 也取得極值，對此不時(shí)41?? )4(cos)(cos-11 ????????及 再討論。 3.2 游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算 （一）懸點(diǎn)靜載荷的計(jì)算 在此，我們對上死點(diǎn)、下死點(diǎn)、上沖程和下沖程四種情況進(jìn)行計(jì)算。 （1）上沖程 在此過程中，游動閥在柱塞上部油柱壓力的作用下關(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，使得懸點(diǎn)承受抽油桿自重 和柱塞上油柱重 ，桿F油F 這兩個(gè)載荷方向都是向下。同時(shí)，因?yàn)楣潭ㄩy打開，使得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 。所以，此過程中，懸點(diǎn)靜載荷 等于：壓F靜 上壓油桿靜 上 ???'' )()-(gh-LAg油桿 油沉油桿桿 沉油桿油桿桿 PLA?? ——抽油桿材料的密度，kg/m ;桿?3 ——原油的密度, kg/m ;油 A ——抽油桿橫截面面積, m ;桿 2 A——泵柱塞橫截面面積, m ; L——抽油桿長度或下泵深度,m; 8 h ——泵的沉沒度, m;沉 ——油井中動液面以上（即 L-L 段液柱） ，斷面積等于柱塞面積的油柱重，N.'油P沉 （2）下沖程 游動閥由于柱塞上下壓力差而打開，而固定閥在泵筒內(nèi)外壓力差作用下關(guān)閉。游動閥 打開，使懸點(diǎn)只承受抽油桿柱在有中重力 。固定閥關(guān)閉，使得油柱重力移到固定閥和'桿F 油管上。此時(shí)，其靜載荷 為靜 下 '桿靜 下F? （3）下死點(diǎn) 這時(shí)，油桿和連桿的載荷都發(fā)生了變化。 油桿在這一瞬間，其載荷發(fā)生了變化，變化量 ，載荷增減，'油靜 下靜 上 FF??? 使得抽油桿拉長，其伸長量 等于：桿?桿油桿桿 EAL'? E——鋼材的彈性模量， ).(10.22mNPaE或?? 油管在這一瞬時(shí)載荷也發(fā)生了變化，使得油管縮短，其油管柱縮短量 等于：管?管油管 EALF'? ——油管管壁的橫截面積管A 這樣一來，雖然懸點(diǎn)帶著柱塞一起往上移動，但是由于油管柱的縮短，使油管柱的下 端也跟著柱塞往上移動，柱塞對泵筒還是沒有相對運(yùn)動，即還不能抽油，一直到懸點(diǎn)經(jīng)過 一段距離等于 以后，柱塞才開始抽油。管? 經(jīng)過上述分析，懸點(diǎn)從下死點(diǎn)到上死點(diǎn)雖然走過了沖程長度 S，但是因抽油桿柱和油 管柱的靜力變形結(jié)果，使得抽油泵柱塞的有效沖程長度 要比 S 小，所以效???S效 靜變形 的大小等于：? 9 ???桿 管桿桿油 管油桿油 管桿???)1('''AELP 稱為變形分配系數(shù)，一般可取 0.6~0.9。管桿A??1? （4）上死點(diǎn) 上死點(diǎn)的情況恰與下死點(diǎn)相反。在此不做深入計(jì)算。 經(jīng)過分析計(jì)算，在上、下沖程內(nèi)，懸點(diǎn)靜載荷隨著懸點(diǎn)位移的變化規(guī)律是一個(gè)平行四 邊形 ABCD。 圖 3-2 靜力示功圖 （二）懸點(diǎn)動載荷的大小和變化規(guī)律 在井較深，抽油機(jī)沖數(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的。 （1）慣性載荷 慣性載荷包括抽油桿和油柱兩部分，即 F 和 F ，如果略去抽油桿柱和油柱的彈桿 慣 油 慣 性影響，可以認(rèn)為，抽油桿柱以及油柱各點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律和懸點(diǎn)完全一致，所以 F 和 F桿 慣 的大小和懸點(diǎn)加速度 a 大小成正比，而作用方向和后者相反。油 慣 c F =桿 慣 cag桿 10 F =油 慣 ??cag油 ——考慮油管過流斷面擴(kuò)大引起油柱加速度降低的系數(shù)? 1??桿管桿桿管 桿 aAE? （1）慣性載荷對懸點(diǎn)總載荷的影響 上沖程時(shí)，柱塞（或抽油桿）帶著油桿運(yùn)動，所以上沖程的慣性載荷 F 為：慣 上 F =F慣 上 cagmF桿桿 慣桿 慣油 慣油 慣桿 慣 ）（）（ ????11 m——表示油柱慣性載荷與抽油桿柱慣載荷的比值，利用式可得 m= 1 -)( 2?????桿管桿桿油桿管桿桿桿 桿油桿油桿 慣油 慣 ）（ ALgAP??? (三)懸點(diǎn)的最大載荷和最小載荷 懸點(diǎn)的最大載荷 F 和最小載荷 F ，特別是最大載荷 F ，特別是最大載荷 Fmaxminmax 是正確設(shè)計(jì)和選擇抽油機(jī)和抽油桿以及確定電動機(jī)功率的主要依據(jù)之一。max ）（桿 油桿 1790-))((2'max''aSnP?? 3.3 游梁式抽油機(jī)減速箱曲柄軸扭矩計(jì)算 對計(jì)算時(shí)采用的符號作如下解釋 F——懸點(diǎn)載荷，N; ——曲柄平衡塊重力，N ；平G ——曲柄平衡塊到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離，m ；曲R ——曲柄自重，N；曲 ——曲柄重心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離，m;曲r ——連桿所受的拉力，N；LF 11 T——連桿力 在曲柄切像上的分力，沿曲柄旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)檎?，m;LP M——減速箱曲柄軸輸出扭矩，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，N.m. 為了便于分析，將曲柄平衡塊重力 及曲柄自重 折算至曲柄銷處，這種折算要平G曲 保證折算前后對曲柄旋轉(zhuǎn)中心的力矩不變，折算后的等效載荷用 來表示。eG 首先取游梁為研究對象，將諸力對游梁旋轉(zhuǎn)中心取力矩可得連桿力 為：LP11sin39756.20sin??????后前LF 則連桿力 在曲柄切向上的分力 T 為；LP11sin3975is??????后前LF 取曲柄為研究對象，為提升油井內(nèi)的抽油桿柱和油柱，減速箱曲柄軸輸出扭矩 M,曲柄 平衡塊重力與曲柄自重的等效載荷 所產(chǎn)生的扭矩共同克服切向力 T 所產(chǎn)生的扭矩，由曲eQ 柄平衡條件； Rsin(2??TRMeG0)??? M= ??sinsi1RLFe?后前 = ?iin39751e 上式中的第一項(xiàng)表示是懸點(diǎn)載荷 F 在曲柄上所產(chǎn)生的扭矩，稱為油井負(fù)荷扭矩； Fsin1??RLMP后前? 式中的 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1sin??RL后前 ? 曲柄上所產(chǎn)生的扭矩，將其稱之為扭矩因數(shù)，用 表示；TF 12 1sin??RLTF后前? 式中的 為曲柄自重及曲柄平衡重在曲柄軸上所產(chǎn)生的扭矩，稱之為曲柄平衡扭?sinRGe 轉(zhuǎn)，用 表示；cM?sinsimaxcecMRG? 式中 ——曲柄最大平衡處扭矩，即曲柄處于水平位置（ ）時(shí)曲柄自maxC ??2709和? 重及曲柄平衡重對曲柄軸所產(chǎn)生的扭矩。 B 為抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)不平衡重，其值等于連桿與曲柄銷脫開時(shí)，為了保持游梁處于水平 位置而需要加在光桿上的力。此力向下時(shí) B 取正值，向上時(shí)取負(fù)值。B 值可以實(shí)測，也可 以根據(jù)抽油機(jī)部件的重力計(jì)算。 對曲柄平衡抽油機(jī)可得如下公式； ?sjinMPTFCmax)(?? 扭矩因數(shù)； ?Cv 最大扭矩我們可以用勒瑪柴諾夫經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 )(236.0minaxmaxSM??? S——懸點(diǎn)的沖程長度，m ； ——曲柄的最大扭矩，N.m；ax ——懸點(diǎn)的最大載荷，N ；P ——懸點(diǎn)的最小載荷，N ；min 3.4 游梁抽油機(jī)的抽汲工況 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 表 3-1 沖程長度和沖數(shù)的極值 沖程長度 沖程次數(shù)抽汲工況 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 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 13 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，我們在 此次設(shè)計(jì)中還是以正常的為依據(jù)。 3.5 游梁式抽油機(jī)的電動機(jī)選擇計(jì)算 游梁式抽油機(jī)裝置的特點(diǎn) （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(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機(jī)。 電動機(jī)額定功率的確定： 電動機(jī)功率與傳遞到減速箱從動軸（曲柄軸）上扭矩關(guān)系式為： 21950??nPM額 式中 M——傳到曲柄軸上的扭矩，N*m; ——電動機(jī)的額定功率，kW;額P n——曲柄軸轉(zhuǎn)數(shù)（懸點(diǎn)沖數(shù)）; ——傳動效率；? ——皮帶傳動效率；1 ——減速箱傳動效率。2 則電動機(jī)額定功率計(jì)算公式為： ?950MnP?額 然而，一般抽油機(jī)電動機(jī)按此表選用： 表 3-2 一般抽油機(jī)電動機(jī)選用表 14 根據(jù)上表，將電動機(jī)的額定功率 范圍確定在 =5.5~7.5kW。額P額 電動機(jī)轉(zhuǎn)速的確定 一般抽油機(jī)選用的減速箱傳動比為 ,帶傳動的傳動比為 ，一般39~28?i 721??di 。這是抽油機(jī)沖數(shù)按最大沖數(shù) 12r/min 計(jì)算。則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為：5~41?i 2340r/min~139285~41???）（）（電n 我們在這選用 Y132M-4 4 常規(guī)游梁是抽油機(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后游LlR2游后游 G2LlR ，儲存的能量為 ，曲柄自重抬高的距離為 ，儲存的能量為 。所以曲R2平曲 G曲r曲曲 Gr2 平衡裝置儲存能量 Q 為?])2[(1'' 曲曲后前油桿曲平 rGRLBFRG?? 15 5 變速機(jī)構(gòu)的傳動比分配及其結(jié)構(gòu)確定 5.1 變速機(jī)構(gòu)的傳動比分配 電動機(jī)型號 Y160L-8，其功率為 P=7.5 轉(zhuǎn)速為 N=720 則電動機(jī)輸出扭矩. =99.47967205950?npM電 減速箱參數(shù) ，主動齒輪軸齒數(shù)301?Z .斜齒輪齒數(shù)72 ，中間齒輪軸齒數(shù)43 ，人字齒輪齒數(shù)16?Z ，電動機(jī)皮帶輪皮d ，電動機(jī)皮帶輪342皮 ，電動機(jī)皮帶輪?皮 ，減速器大皮帶輪86大 皮d 減速器比： 29.75??sfi 皮帶輪速比（電動機(jī)配有三個(gè)皮帶輪，減速器主動軸上裝有一個(gè)大皮帶輪，故有三種 速比） 抽油機(jī)的總速比 892.571?總i462總 .03總i 在每一種速比下，減速箱被動輸出扭矩。 85714.3i629.1?皮皮皮imkNM.61.0547.932? 16 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 電動機(jī)，計(jì)算結(jié)果其最大輸出扭矩 ?maxM 該機(jī)的沖次分別為： 6714.0/2982.5/31??n 6 主要部件的設(shè)計(jì) 6.1 曲柄 曲柄是傳遞減速器輸出扭矩的主要部件，所以它必須具有一定的強(qiáng)度和傳動可靠性。 曲柄一般可用灰鑄鐵、球墨鑄鐵和鑄鋼制成。在曲柄平衡的抽油機(jī)上，兩件曲柄共同承受 的抽油機(jī)的全部載荷，因此要求曲柄有很高的承載能力，同時(shí)為了調(diào)整方便和安全，曲柄 上沒有導(dǎo)軌、擋塊、刻度線，可以根據(jù)抽油機(jī)工作條件調(diào)整平衡塊位置，使抽油機(jī)保持平 衡。擋塊可在緊固的情況下，防止平衡塊不致落下而發(fā)生事故。 此次，在一系列要求下， 用 QT700-2 制成大尺寸常規(guī)普通型曲柄。如圖 6-1. 6.1 連桿 每臺抽油機(jī)有兩根連桿，它是傳遞力矩的主要受力桿件，其主件可用管材，也可用其 他型材如工字鋼、槽鋼等。但一般多用厚壁無縫鋼管制成，在無縫鋼管的兩管端沒有上、 下接頭，上、下接頭通過焊接與無縫鋼管連接在一起。上接頭通過連接銷與橫梁連接在一 起，下接頭通過兩個(gè)螺栓與軸承盒連接在一起，從而完成力矩的傳遞。因此，對于上下接 頭與鋼管的焊縫是否能達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度而滿足使用要求就顯得尤為重要。如果兩根連桿中 有一根連桿失效，抽油機(jī)變成單臂傳動，很有可能被拉翻，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故。焊 縫作為整個(gè)連桿的薄弱環(huán)節(jié)，都會引起設(shè)計(jì)人員高度重視，一般在設(shè)計(jì)中對焊縫的形式， 焊接工藝條件，要求以及檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)都提出較高的要求和明確的規(guī)定。同時(shí)為了保證 兩側(cè)連桿傳動平穩(wěn)和傳遞力矩的均衡一致，兩連桿的工作長度必須完全一致，即達(dá)到一定 的尺寸公差要求，這一要求通常用專用工藝裝備來保證。 所以，選用直徑為 80 的熱軋圓鋼為主件，而上下接頭均用 QT700-2 鑄成。如圖 6-2 圖 6-1 曲柄 17 圖 6-2 連桿 6.2 游梁 游梁是抽油機(jī)的主要承載部件，承擔(dān)著抽油機(jī)的全部工作載荷，因此必須要有足夠的 強(qiáng)度和一定的剛度。 選用工字鋼為主要部件，經(jīng)過鋼板加強(qiáng)后制成。其工字鋼選材為 。見圖 6-3198-T70/GB2356.140—AQ??? 6.3 驢頭 驢頭用來將游梁前端的往復(fù)圓弧運(yùn)動變?yōu)槌橛蜅U的垂直直線往復(fù)運(yùn)動，驢頭的圓弧半 徑 R 應(yīng)等于前臂長度 ，為了保證在一定沖程長度下，將圓弧運(yùn)動變?yōu)閼尹c(diǎn)的直線運(yùn)動，前L 驢頭的圓弧面長度應(yīng)為： max)3.1~2.(SS?弧 為驢頭懸點(diǎn)的最大沖程。驢頭采用腹板式結(jié)構(gòu)焊接而成，并應(yīng)用側(cè)翻讓位結(jié)構(gòu)進(jìn)行max 整修時(shí)的讓位。詳見圖 6-4。 18 圖 6-3 游梁 圖 6-4 驢頭 6.4 橫梁 橫梁用 HT200 鑄造而成，詳見圖 6-5 19 圖 6-5 橫梁 6.5 常規(guī)游梁抽油機(jī)裝配體 20 參考文獻(xiàn) [1] 楊永昌、職黎光、賈逢軍，等. 游梁式抽油機(jī)全臺效率測試研究[J]. 石油礦場機(jī)械， 1996,25(5)：2-5. 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