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),游梁式,抽油機(jī),連桿機(jī)構(gòu),尺度,優(yōu)化,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 題 目： 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) 學(xué)生姓名： 院 （系）： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 1 課題的意義 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)?，在其他設(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)，峰值更小；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)。 2 抽油機(jī)的發(fā)展方向及其節(jié)能技術(shù)的探索 2.1 抽油機(jī)的發(fā)展趨勢主要朝一下幾個(gè)方向： （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)。 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。 2.2 抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)及發(fā)展情況 抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)目前主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究： （1）采用節(jié)能驅(qū)動(dòng)設(shè)備 這種方法是從研究電機(jī)的特性入手，研究開發(fā)新型的電動(dòng)機(jī)，使之與采油井井況相匹配，進(jìn)而達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)的母的，即采用高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)差率8%~13%）和超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)代替常規(guī)轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)差率小于5%）。美國Baldor電器公司生產(chǎn)的高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)可提高功率因數(shù)74%，節(jié)電22.7%；在國內(nèi)，超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)有功節(jié)電率為10.56%，綜合節(jié)電率為17.42%；還有采用同步電機(jī)、變頻器等，但因造價(jià)高，難以推廣；另外，還有采用節(jié)能配電箱來實(shí)現(xiàn)節(jié)電的。 （2）采用節(jié)能控制裝置 如DSC系列抽油機(jī)多功能程控裝置、間抽定時(shí)控制裝置。 （3）采用節(jié)能元部件 如窄V型帶帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)等。 （4）改進(jìn)平衡方式 如采用氣動(dòng)平衡或天平平衡等。 （5）改進(jìn)“三抽”系統(tǒng)部件 有采用抽油機(jī)導(dǎo)向器、空心抽油機(jī)、減振式懸繩器等部件，都可提高三抽系統(tǒng)的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的。 （6）采用高效節(jié)能泵 提高泵效，即降低了百米噸豪，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 （7）改進(jìn)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu) 這種方法主要是通過對(duì)抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改變抽油機(jī)平衡方式來改變抽油機(jī)曲柄軸凈扭矩曲線的形狀和大小，減少負(fù)扭矩，使扭矩波動(dòng)平緩，從而減小抽油機(jī)的周期載荷系數(shù)，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的。例如：美國CMI公司研究開發(fā)TORQM-ASTER異相型抽油機(jī)，其最大扭矩減小60%，節(jié)電15%~35%；美國Lufilin公司開發(fā)的MARX-2型前置式抽油機(jī)，平均節(jié)電36.8%；自20世紀(jì)80年代中后期我國油田使用最多的節(jié)能型抽油機(jī)是偏置式節(jié)能抽油機(jī)，該機(jī)系統(tǒng)效率提高3.68%，電耗下降14.87%；1991年由華北油田采油一廠開發(fā)的雙驢頭節(jié)能抽油機(jī)與常規(guī)機(jī)相比，該機(jī)的系統(tǒng)效率提高了8.22%，電耗下降24.5%。 本課題正符合抽油機(jī)的發(fā)展趨勢，通過對(duì)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)，達(dá)到降低配置，節(jié)省能耗目的。 3 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容 本論文設(shè)計(jì)需要解決的重點(diǎn)問題就是如何對(duì)游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整個(gè)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)合理，并能夠相應(yīng)地降低能耗。 主要包括： （1）認(rèn)真查閱、收集資料，深刻理解論文所要設(shè)計(jì)的內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上完成開題報(bào)告； （2）分析目前常規(guī)游梁式抽油機(jī)的缺點(diǎn)，提出連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化方案。建立尺度綜合優(yōu)選數(shù)學(xué)模型，并給出求解算法； （3）根據(jù)提供的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)尺度優(yōu)化結(jié)果，都一種抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，得到懸點(diǎn)速度、加速度的公式，計(jì)算抽油機(jī)懸點(diǎn)動(dòng)載荷，根據(jù)研究結(jié)果說明該方法的優(yōu)越性； （4）設(shè)計(jì)該抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)主要零部件的性能進(jìn)行校核； （5）畫出裝配圖及零件圖，設(shè)計(jì)圖紙量不得少于3張0號(hào)圖； （6）按照畢業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，完成設(shè)計(jì)說明書（論文）的撰寫工作，要求設(shè)計(jì)說明書總量大于2萬字，并用計(jì)算機(jī)打??； （7）完成外文資料翻譯，要求不少于15000個(gè)印刷符號(hào)。 4 所采用的方法手段及步驟 本次設(shè)計(jì)為游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的步驟方法如下： （1）認(rèn)真查閱、收集資料，做到深刻的理解本次論文所要設(shè)計(jì)的內(nèi)容； （2）首先了解游梁式抽油機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析目前常規(guī)游梁式抽油機(jī)的缺點(diǎn)，提出連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化方案。建立尺度綜合優(yōu)選數(shù)學(xué)模型，并給出求解算法； （3）根據(jù)提供的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)尺度優(yōu)化結(jié)果，通過游梁平衡式抽油機(jī)傳動(dòng)原理的分析，推導(dǎo)懸點(diǎn)速度、加速度等參數(shù)和抽油機(jī)其它參數(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程； （4）確定懸點(diǎn)的動(dòng)載荷、靜載荷，減速箱曲柄軸扭矩的計(jì)算； （5）對(duì)抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)主要零部件的性能進(jìn)行校核； （6）對(duì)抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)； （7）對(duì)游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （8）對(duì)抽油機(jī)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （9）繪制游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的裝配圖； （10）繪制主要零部件的零件圖。 5 階段進(jìn)度計(jì)劃 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間為2011年2月24日至2011年6月6日，結(jié)合導(dǎo)師的要求和自身的實(shí)際情況，決定以下設(shè)計(jì)進(jìn)度： 第一階段： 1周- 3周 熟悉論文題目，查找資料，完成開題報(bào)告和英文翻譯； 第二階段： 4周-10周 推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、抽油機(jī)結(jié)構(gòu)各零部件結(jié)構(gòu)及研究連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方案； 第三階段： 11周-14周 繪制圖紙，撰寫論文； 第四階段： 15周-16周 準(zhǔn)備答辯。 參考文獻(xiàn) [1] 張學(xué)魯.游梁式抽油機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M] .北京：石油工業(yè)出版社，2001. [2] 黃世清，周傳喜.豎游梁塔架式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析[J].石油天然氣學(xué)報(bào).2009，（1）：155-157. [3] 孫恒，陳作模.，葛文杰.機(jī)械原理[M]. 7版.北京：高等教育出版社，2007. [4] 張自學(xué)，兆文清，王鋼.國內(nèi)外新型抽油機(jī)[J].北京：石油工業(yè)出版社，1994：55-59. [5] 崔旭明，高桐，閔志繽，陳平，雪松.基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化和復(fù)合平衡的常規(guī)游梁抽油機(jī)節(jié)能改造[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，32 (5)：118-120. [6] 張曉玲，于海迎.抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].石油和化工節(jié)能.2007(2)：4-6 [7] 鐘平，等.抽油機(jī)井高效節(jié)能技術(shù)[J].國外油田工程.2002，2：32-35. [8] 鄔亦炯.游梁式抽油機(jī)曲柄軸扭矩計(jì)算公式剖析[J].石油機(jī)械，1994，22(5)： 35-42. [9] 華劍，李傳梁.隨動(dòng)復(fù)合游梁平衡抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].石油礦場機(jī)械，2009，38(4)：13-15. [10] 王常斌，陳濤平，王江，李慶紅.游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算[J].大慶石油學(xué)報(bào)，1998，22(1)：23-25. [11] 紀(jì)名剛，濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)(第八版)[M].北京：高等教育出版社，2006. [12] 萬邦烈.采油機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：石油工業(yè)出版社，1988. [13] 張連山.我國抽油機(jī)的發(fā)展趨勢[J].北京：石油工業(yè)出版社，1996，6：41-44. [14] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003. [15] 李繼志，陳榮振.石油鉆采機(jī)械概論[M].中國石油大學(xué)出版社，2006. [16] 鄔亦炯，劉卓鈞.抽油機(jī)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994. [17] 張建軍，李向齊，石慧寧.游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：石油工業(yè)出版社， 2005. [18] 奕慶德.常規(guī)型抽油機(jī)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械，1995，23(3)：6-9. [19] 薄濤.中國液壓抽油機(jī)的發(fā)展概括與技術(shù)水平[J].鉆采工藝，2002，25（2）：60-62. [20] J.A.McGeough. Advanved Methods of Machining. London New York Chapman &Hal，1988. [21] Orlov P. Fundamentalsof Machine Design. Moscow：Mir Pub.，1987. 指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 6 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 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) 摘 要：為了提高游梁式抽油機(jī)的動(dòng)力性能，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。首先，對(duì)常規(guī)游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行闡述，從而提出對(duì)游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化的方案。其次，建立尺度綜合的數(shù)學(xué)模型，對(duì)尺度進(jìn)行綜合優(yōu)選，并據(jù)此對(duì)抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。用最優(yōu)尺度綜合方法設(shè)計(jì)的抽油機(jī)懸點(diǎn)最大加速度曲線變化更加平穩(wěn)，峰值更小。然后，對(duì)游梁式抽油機(jī)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，計(jì)算出懸點(diǎn)載荷。最后，設(shè)計(jì)游梁式抽油機(jī)的主要零部件結(jié)構(gòu)，并繪制裝配圖和零件圖。 通過和尺度優(yōu)化前常規(guī)游梁式抽油機(jī)比較，懸點(diǎn)加速度減少了18.3%，懸點(diǎn)最大載荷減少了9.08%。表明以此設(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)。 關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；連桿機(jī)構(gòu)；尺度優(yōu)化；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) The optimization of linkage scale and the structural design of beam pumping unit Abstract: In order to improve the dynamic performance of the beam pumping unit, the linkage scale integrated optimal method for the beam pumping unit is proposed. Firstly, the overall structure, performance and advantages or disadvantages of the conventional beam pumping unit are described. And the beam pumping unit linkage scale optimization is introduced. Secondly, the mathematical model of the scale integrated for the beam pumping unit is established, which optimizes the scale of the pumping unit. In addition, the kinematics of the beam pumping unit is analyzed according to the results above. By using the optimal scale integrated method, the ariation of the acceleration of the suspended point for the beam pumping unit is smaller. Next, the dynamics of the beam pumping unit is analyzed and the load of suspended point for the beam pumping unit is calculated. Finally, the main parts of the structure of the beam pumping unit are designed and the assembly and part drawings are drawn. Compared with conventional beam pumping unit of the same model, the polished acceleration decreases of 16.4%, and the maximum polished rod load reduction of 9.08%. It shows that the running of the pumping unit is more stable and it can achieve a certain energy-saving effect. This method can also be used for a similar four-bar linkage design. Keywords: Beam pumping unit; Linkage; Scale optimization; Structure design 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 1 緒論 1 1.1 研究意義 1 1.2 國內(nèi)外抽油機(jī)現(xiàn)狀、發(fā)展方向及節(jié)能技術(shù) 1 1.2.1 抽油機(jī)主要存在的問題 1 1.2.2 抽油機(jī)的發(fā)展方向 2 1.2.3 抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)及發(fā)展情況 3 1.3 本文研究內(nèi)容及方法步驟 4 1.4 創(chuàng)新點(diǎn) 5 2 游梁式抽油機(jī)工作原理及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 6 2.1 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 6 2.2 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)存在的問題 7 2.3 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 8 2.3.1 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)的幾何關(guān)系分析 8 2.3.2 懸點(diǎn)的位移 10 2.3.3 懸點(diǎn)的速度 11 2.3.4 懸點(diǎn)的加速度 12 2.3.5 懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)計(jì)算分析 13 3 游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度綜合優(yōu)選方法 16 3.1 尺度綜合數(shù)學(xué)模型的建立 16 3.2 尺度綜合優(yōu)選過程 17 3.3 對(duì)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果分析 20 3.4 游梁式抽油機(jī)進(jìn)行三維虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì) 27 4 游梁式抽油機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析 30 4.1 游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷分析 30 4.1.1 懸點(diǎn)靜載荷的大小和變化規(guī)律 31 4.1.2 基本參數(shù)的擬定計(jì)算 34 4.1.3 懸點(diǎn)動(dòng)載荷的大小和變化規(guī)律 35 4.1.4 懸點(diǎn)載荷參數(shù)計(jì)算及曲線 38 4.2 減速箱曲柄軸扭矩計(jì)算 40 5 游梁式抽油機(jī)的主要零部件設(shè)計(jì) 42 5.1 游梁式抽油機(jī)受力分析 42 5.2 減速器的選擇 43 5.2.1 減速器曲柄軸的最大允許扭矩的計(jì)算及減速器的選定 43 5.2.2 減速器的潤滑與密封 44 5.3 電動(dòng)機(jī)的確定 46 5.4 V帶的確定與大帶輪的設(shè)計(jì) 47 5.4.1 V帶的確定 47 5.4.2 大帶輪的設(shè)計(jì) 49 5.5 游梁的設(shè)計(jì) 50 5.5.1 游梁的材料選擇和參數(shù)設(shè)計(jì) 50 5.5.2 靜強(qiáng)度校核 50 5.6 連桿的設(shè)計(jì) 51 5.6.1 選材 51 5.6.2 校核 51 5.7 中央軸承的校核 53 5.7.1 中央軸承的校核 53 5.7.2 軸承使用的注意事項(xiàng) 54 5.8 曲柄銷的強(qiáng)度校核 55 5.8.1 防止曲柄銷配合松動(dòng)的措施 55 5.8.2 曲柄銷材料的選擇 55 5.8.3 曲柄銷的校核 55 5.9 其他主要零部件設(shè)計(jì) 57 5.9.1 支架與底座 57 5.9.2 游梁和平衡塊 57 5.9.3 剎車裝置及剎車安全裝置 57 5.9.4 懸繩器及光桿卡具 58 5.9.5 驢頭 58 5.9.6 曲柄與曲柄銷裝置 59 6 結(jié)論 60 參考文獻(xiàn) 61 致謝 62 附錄A 基于Matlab的尺度優(yōu)化前懸點(diǎn)參數(shù)計(jì)算程序 63 附錄B 基于Matlab的抽油機(jī)尺度優(yōu)化計(jì)算程序 65 附錄C 基于Matlab的尺度優(yōu)化后懸點(diǎn)參數(shù)計(jì)算程序 67 附錄D 基于Matlab的尺度優(yōu)化前懸點(diǎn)速度、加速度和優(yōu)化后的對(duì)比計(jì)算程序 69 76 1 緒論 1.1 研究意義 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)?，在其他設(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)現(xiàn)狀、發(fā)展方向及節(jié)能技術(shù) 1.2.1 抽油機(jī)主要存在的問題 游梁式抽油機(jī)—有桿抽油泵系統(tǒng)的總效率在國內(nèi)一般地區(qū)評(píng)價(jià)只有12%到23%。先進(jìn)地區(qū)至今不到30%。美國的常規(guī)抽油機(jī)系統(tǒng)效率較高，但也僅有46%。系統(tǒng)效率低下，能耗大，耗電就多，以此，節(jié)能成為有桿抽油系統(tǒng)的一個(gè)急需解決的問題。此外，隨著老油田油井的注水開發(fā)，油田已經(jīng)開始進(jìn)入高含水采油期。不斷提高產(chǎn)液量，以液保油，這是注水開采油田保證原油穩(wěn)產(chǎn)的必要趨勢。這種開采特點(diǎn)要求抽油機(jī)的沖程越長越好，使得在役的常規(guī)型游梁式抽油機(jī)型偏小，在一定程度上已經(jīng)不能滿足長沖程、低沖次生產(chǎn)的要求。 系統(tǒng)效率低的原因 究其原因，有桿抽油系統(tǒng)由電機(jī)地面?zhèn)鲃?dòng)設(shè)備及井下抽油設(shè)備組成，系統(tǒng)效率是各部分效率的連乘積，任何一環(huán)的效率低，都會(huì)失蹤效率變低，因此要提高抽油機(jī)系統(tǒng)效率的總效率實(shí)現(xiàn)節(jié)能是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。 能耗大的主要原因 由于在同一工況、井況和同一時(shí)刻下，井下的能耗因地面游梁機(jī)型不同而會(huì)發(fā)生充滿度、光桿功率的變化。致使抽油機(jī)能耗大的主要原因有： （1）抽油機(jī)的負(fù)荷特性與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性不匹配，甚至出現(xiàn)“發(fā)動(dòng)機(jī)”工況，出現(xiàn)二次能量轉(zhuǎn)化。一般電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率過低，約為30%。致使電動(dòng)機(jī)以較低的效率運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)在一個(gè)沖程中的某個(gè)時(shí)段下落的抽油桿返鄉(xiāng)拖動(dòng)，運(yùn)行于再生發(fā)電狀態(tài)，抽油桿下落鎖釋放的機(jī)械能有部分轉(zhuǎn)變成了電能回饋電網(wǎng)，但鎖回饋的電能不能全部被電網(wǎng)吸收，引起附加能量損失，同時(shí)負(fù)扭矩的存在使減速器的齒輪經(jīng)常收反向載荷，產(chǎn)生背向沖擊，降低了抽油機(jī)的使用壽命。 （2）常規(guī)抽油機(jī)的扭矩因數(shù)大，載荷波動(dòng)系數(shù)CLF也大，故均方根扭矩大，能耗增加。 （3）常規(guī)抽油機(jī)運(yùn)行的懸點(diǎn)加速度，速度最大值過大，影響懸點(diǎn)載荷，動(dòng)載荷增大。采用對(duì)稱循環(huán)工作制使充滿度下降，影響產(chǎn)量，泵效率降低，能耗也增大。 1.2.2 抽油機(jī)的發(fā)展方向 抽油機(jī)的發(fā)展趨勢主要朝著以下幾個(gè)方向： （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)。 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。 1.2.3 抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)及發(fā)展情況 抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)目前主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究： （1）采用節(jié)能驅(qū)動(dòng)設(shè)備 這種方法是從研究電機(jī)的特性入手，研究開發(fā)新型的電動(dòng)機(jī)，使之與采油井井況相匹配，進(jìn)而達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)的母的，即采用高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)差率8%~13%）和超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)代替常規(guī)轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)差率小于5%）。美國Baldor電器公司生產(chǎn)的高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)可提高功率因數(shù)74%，節(jié)電22.7%；在國內(nèi)，超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)有功節(jié)電率為10.56%，綜合節(jié)電率為17.42%；還有采用同步電機(jī)、變頻器等，但因造價(jià)高，難以推廣；另外，還有采用節(jié)能配電箱來實(shí)現(xiàn)節(jié)電的。 （2）采用節(jié)能控制裝置 如DSC系列抽油機(jī)多功能程控裝置、間抽定時(shí)控制裝置。 （3）采用節(jié)能元部件 如窄V型帶帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)等。 （4）改進(jìn)平衡方式 如采用氣動(dòng)平衡或天平平衡等。 （5）改進(jìn)“三抽”系統(tǒng)部件 有采用抽油機(jī)導(dǎo)向器、空心抽油機(jī)、減振式懸繩器等部件，都可提高三抽系統(tǒng)的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的。 （6）采用高效節(jié)能泵 提高泵效，即降低了百米噸豪，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 （7）改進(jìn)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu) 這種方法主要是通過對(duì)抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改變抽油機(jī)平衡方式來改變抽油機(jī)曲柄軸凈扭矩曲線的形狀和大小，減少負(fù)扭矩，使扭矩波動(dòng)平緩，從而減小抽油機(jī)的周期載荷系數(shù)，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的。例如：美國CMI公司研究開發(fā)TORQM-ASTER異相型抽油機(jī)，其最大扭矩減小60%，節(jié)電15%~35%；美國Lufilin公司開發(fā)的MARX-2型前置式抽油機(jī)，平均節(jié)電36.8%；自20世紀(jì)80年代中后期我國油田使用最多的節(jié)能型抽油機(jī)是偏置式節(jié)能抽油機(jī)，該機(jī)系統(tǒng)效率提高3.68%，電耗下降14.87%；1991年由華北油田采油一廠開發(fā)的雙驢頭節(jié)能抽油機(jī)與常規(guī)機(jī)相比，該機(jī)的系統(tǒng)效率提高了8.22%，電耗下降24.5%。 總之，近年來抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究已成為科技攻關(guān)的方向。以上七種方法都已經(jīng)取得了顯著的節(jié)能效果，有的在原有抽油機(jī)的基礎(chǔ)上加以改造，簡單易行，改造費(fèi)用低，但是不能從根本上解決抽油機(jī)的工作工況，使之與電動(dòng)機(jī)的工作特性相匹配；有的改變了電動(dòng)機(jī)的工作特性，使之與抽油機(jī)的工作工況相匹配，提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率和功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能的目的，但是改造費(fèi)用太高，不利于大范圍的推廣。 1.3 本文研究內(nèi)容及方法步驟 本論文設(shè)計(jì)需要解決的重點(diǎn)問題就是如何對(duì)游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整個(gè)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)合理，并能夠相應(yīng)地降低能耗。 主要內(nèi)容包括： （1）認(rèn)真查閱、收集資料，深刻理解論文所要設(shè)計(jì)的內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上完成開題報(bào)告； （2）分析目前常規(guī)游梁式抽油機(jī)的缺點(diǎn)，提出連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化方案。建立尺度綜合優(yōu)選數(shù)學(xué)模型，并給出求解算法； （3）根據(jù)提供的原始數(shù)據(jù)和尺度優(yōu)化結(jié)果，對(duì)常規(guī)游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，得到懸點(diǎn)速度、加速度的公式，計(jì)算抽油機(jī)懸點(diǎn)動(dòng)載荷，根據(jù)研究結(jié)果說明該方法的優(yōu)越性； （4）設(shè)計(jì)該抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)主要零部件的性能進(jìn)行校核； （5）畫出裝配圖及零件圖，設(shè)計(jì)圖紙量不得少于3張0號(hào)圖； （6）按照畢業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，完成設(shè)計(jì)說明書（論文）的撰寫工作，要求設(shè)計(jì)說明書總量大于2萬字，并用計(jì)算機(jī)打印； （7）完成外文資料翻譯，要求不少于15000個(gè)印刷符號(hào)。 本次設(shè)計(jì)為游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的步驟方法如下： （1）認(rèn)真查閱、收集資料，做到深刻的理解本次論文所要設(shè)計(jì)的內(nèi)容； （2）首先了解游梁式抽油機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析目前常規(guī)游梁式抽油機(jī)的缺點(diǎn)，提出連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化方案。建立尺度綜合優(yōu)選數(shù)學(xué)模型，并給出求解算法； （3）根據(jù)提供的原始數(shù)據(jù)和尺度優(yōu)化結(jié)果，通過復(fù)合平衡式抽油機(jī)傳動(dòng)原理的分析，推導(dǎo)懸點(diǎn)速度、加速度等參數(shù)和抽油機(jī)其它參數(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程； （4）確定懸點(diǎn)的動(dòng)載荷、靜載荷，減速箱曲柄軸扭矩的計(jì)算； （5）對(duì)抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)主要零部件的性能進(jìn)行校核； （6）對(duì)抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)； （7）對(duì)游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （8）對(duì)抽油機(jī)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （9）繪制游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的裝配圖； （10）繪制主要零部件的零件圖。 1.4 創(chuàng)新點(diǎn) （1）研究并設(shè)計(jì)游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度綜合優(yōu)選方法：優(yōu)化目標(biāo)、設(shè)計(jì)變量，建立尺度綜合的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出尺度綜合優(yōu)選過程； （2）將研究出的連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化算法進(jìn)行編程計(jì)算； （3）對(duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析； （4）對(duì)比尺度優(yōu)化前后懸點(diǎn)參數(shù)，并編程繪制相關(guān)曲線。 2 游梁式抽油機(jī)工作原理及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 游梁式抽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種以常規(guī)型游梁式抽油機(jī)為基礎(chǔ)模型，對(duì)其連桿機(jī)構(gòu)尺度進(jìn)優(yōu)化，使以此設(shè)計(jì)的抽油機(jī)運(yùn)功更加平穩(wěn)，并具有一定的節(jié)能效果。因此，先介紹常規(guī)型游梁抽油機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和其存在的問題，然后對(duì)常規(guī)型游梁式抽油機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。 2.1 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 圖2-1 常規(guī)游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)圖 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-剎車保險(xiǎn)裝置； 13-剎車裝置；14-電動(dòng)機(jī)；15-配電箱。 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)由底座、支架、懸繩器、驢頭、游梁、橫梁軸承座、橫梁、連桿、曲柄銷裝置、曲柄裝置、減速器、剎車保險(xiǎn)裝置、剎車裝置、電動(dòng)機(jī)、配電箱組成。抽油機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)（14）轉(zhuǎn)速通過三角皮帶帶動(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)。通過抽油桿再將這個(gè)運(yùn)動(dòng)傳給井下抽油泵的柱塞。在抽油泵泵筒的下部裝有固定閥(吸入閥)，而在柱塞上裝有游動(dòng)閥(排出閥)，當(dāng)抽油桿向上運(yùn)動(dòng)，柱塞做上沖程時(shí)，固定閥打開，泵從井中吸入原油。同時(shí)，由于游動(dòng)閥關(guān)閉，柱塞將上面的油管中的原油上舉到井口，這就是抽油泵的吸入過程。當(dāng)抽油桿向下運(yùn)動(dòng)，柱塞做下沖程時(shí)，固定閥關(guān)閉而游動(dòng)閥打開，柱塞下面的油通過游動(dòng)閥排到它的上面。這就是抽油泵的排出過程。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1。 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：支架支撐在游梁中部，曲柄連桿機(jī)構(gòu)和減速器位于支架的后面；曲柄軸中心基本位于游梁尾軸承的正下方。這樣，工作時(shí)上下沖程的時(shí)間（或曲柄轉(zhuǎn)角）相等。 2.2 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)存在的問題 能耗大、效率低是抽油機(jī)系統(tǒng)存在的主要問題。由于在同一種工況、井況和同一時(shí)刻下，井下的能耗因地面游梁機(jī)型不同會(huì)發(fā)生差異。如示功圖會(huì)有所改變，表明泵的充滿度、光桿功率的變化。致使抽油機(jī)能耗的主要原因有： 抽油機(jī)的負(fù)荷特性與異步電動(dòng)機(jī)的硬的轉(zhuǎn)矩特性不像匹配，甚至出現(xiàn)“發(fā)電機(jī)”工況，出現(xiàn)二次能量轉(zhuǎn)化。一般電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率過低，約為30%致使電動(dòng)機(jī)以低效率運(yùn)行。 電動(dòng)機(jī)在一個(gè)沖程中的某個(gè)時(shí)段下落的抽油桿反向拖動(dòng)，運(yùn)行于再生發(fā)電狀態(tài)，抽油桿下落所釋放的機(jī)械能有部分轉(zhuǎn)變成電能回饋電網(wǎng)，但所回饋的電能不能全部被電網(wǎng)吸收，引起附加能量損失，同時(shí)負(fù)扭矩的存在使減速器的齒輪經(jīng)常反向載荷，產(chǎn)生背向沖擊，降低了抽油機(jī)的使用壽命。 常規(guī)抽油機(jī)的扭矩因數(shù)大，載荷波動(dòng)系數(shù)CLF亦大，故均方根扭矩大，能耗增加。 常規(guī)抽油機(jī)運(yùn)行的懸點(diǎn)加速度、速度的最大值過大，影響懸點(diǎn)載荷，動(dòng)載增大。采用對(duì)稱循環(huán)工作制度使泵充滿度下降，影響產(chǎn)量。泵效率降低，能耗亦增大。 系統(tǒng)總效率是系統(tǒng)在地面和井下近十個(gè)組成部分的分效率和相關(guān)反饋系數(shù)的乘積，任何一環(huán)的分效率較低都會(huì)造成總效率變低。在相同井況下，井下的損耗因地面抽油機(jī)型不同所產(chǎn)生的差異不會(huì)很大，因此提高抽油機(jī)的效率是解決抽油機(jī)系統(tǒng)效率低下的關(guān)鍵。 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)主要有以下不足： （1）抽油機(jī)在運(yùn)行中傳動(dòng)角波動(dòng)較大，無法保證各位置的傳動(dòng)角均接近90°，造成曲柄軸受力很大且不均勻。 （2）懸點(diǎn)載荷造成的曲柄軸扭矩峰值較大，且為非正弦規(guī)律，而曲柄軸平衡力矩是以正弦規(guī)律變化的，故二者無法相抵，造成曲柄軸上凈扭矩峰值較大，波動(dòng)劇烈，甚至出現(xiàn)負(fù)扭矩。 （3）從能耗的角度來說凈扭矩波動(dòng)大，必然加大輸入功率，增大能耗。 （4）從裝機(jī)功率來說，由于扭矩峰值高，為了保證抽油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，勢必要選用較大功率的電機(jī)及大扭矩的減速器，這就是“大馬拉小車”現(xiàn)象。 產(chǎn)生上述問題的原因有以下幾個(gè)方面: （1）常規(guī)型游梁式抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷狀況是影響其能耗的主要因素。懸點(diǎn)載荷特性與所用普通電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性不相匹配，致使電機(jī)以較低的效率運(yùn)行。 （2）常規(guī)型游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和抽油泵工作的特點(diǎn)，形成了抽油機(jī)特有的載荷特性:帶有沖擊的周期性交變載荷。抽油機(jī)運(yùn)行一個(gè)周期包括兩個(gè)過程，上沖程和下沖程。上沖程時(shí)，懸點(diǎn)要提升沉重的抽油桿和油液柱需要減速器傳遞很大的正向轉(zhuǎn)矩，下沖程時(shí)，輸出軸被懸點(diǎn)載荷(抽油桿自重)正向拖動(dòng)，使主動(dòng)軸反向做功，減速器要傳遞較大的反向轉(zhuǎn)矩。 （3）電機(jī)在一個(gè)沖程中的某些時(shí)段被下落的抽油桿反向拖動(dòng)，運(yùn)行于再生發(fā)電狀態(tài)，抽油桿下落所釋放的機(jī)械能有部分轉(zhuǎn)變成了電能回饋電網(wǎng)，但所回饋的電能不能全部被電網(wǎng)吸收，引起附加能量損失。 2.3 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)分析的主要任務(wù)是：求出驢頭懸點(diǎn)的位移、速度和加速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，以便為載荷分析和扭矩計(jì)算提供運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。在曲柄角速度等于常數(shù)的情況下，問題也就歸結(jié)為求解懸點(diǎn)位移速度和加速度隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。 2.3.1 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)的幾何關(guān)系分析 圖2-2 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)簡圖 基本參數(shù)及意義表示如下： A—游梁前臂長度，mm； C—游梁后臂長度，mm； P—連桿長度，mm； R—曲柄半徑，mm； I—游梁支承中心到減速器輸出軸中心的水平距離，mm； H—游梁支承中心到底座底部的高度，mm； G—減速器輸出軸到底座底部的高度，mm； H-G—曲柄回轉(zhuǎn)中心至中心軸承的垂直距離，mm； ψ—C與K的夾角； S—抽油機(jī)的沖程； n—抽油機(jī)的沖次； P—額定懸點(diǎn)載荷； K—極距，即游梁支承中心到減速器輸出軸中心的距離，mm； J—曲柄銷中心到游梁支承中心之間的距離,mm； θ—曲柄轉(zhuǎn)角，以曲柄半徑R處于12點(diǎn)鐘位置作為零度，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量； Φ—零度線與K的夾角，由零度線到K沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量； β—C與P的夾角，稱傳動(dòng)角； x—C與J的夾角； ρ—K與J的夾角； —K與R的夾角； —P與R的夾角。 由圖可知： （2-1） 式中正負(fù)號(hào)取決于曲柄旋轉(zhuǎn)方向，曲柄旋轉(zhuǎn)方向的判斷為：面向抽油機(jī)，井口在右側(cè)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為“+”，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為“-”。 （2-2） （2-3） （2-4） （2-5） （2-6） （2-7） （2-8） （2-9） （2-10） 在有“”式中，“+”用于曲柄順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，“-”用于曲柄逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 2.3.2 懸點(diǎn)的位移 根據(jù)以上幾何關(guān)系分析結(jié)果，對(duì)常規(guī)游梁式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行分析，推導(dǎo)相應(yīng)公式，得到懸點(diǎn)位移、速度、加速度。本文以常規(guī)型游梁抽油機(jī)CYJ5-2.5-26HB為例進(jìn)行研究，并對(duì)此抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算編程，畫出相應(yīng)的曲線圖。 圖2-2 懸點(diǎn)位移曲線圖 以懸點(diǎn)處于最低位置（下死點(diǎn)）為計(jì)算位移的起點(diǎn)。游梁擺動(dòng)的角位移為，最大角位移為。根據(jù)抽油機(jī)四桿結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系： （2-11） （2-12） 懸點(diǎn)位移 （2-13） 懸點(diǎn)最大位移 （2-14） 在抽油機(jī)的設(shè)計(jì)和使用中，常用的是與的比值，稱為位置因素，表示為： （2-15） 顯然，。當(dāng)懸點(diǎn)位于下死點(diǎn)時(shí)，=0；懸點(diǎn)位于上死點(diǎn)時(shí)，=1。 其懸點(diǎn)位移的計(jì)算結(jié)果詳見表2-1，得到位移圖像如圖2-2： 2.3.3 懸點(diǎn)的速度 圖2-3 速度分析示意圖 圖2-4 懸點(diǎn)速度曲線 如圖2-3所示，游梁后臂C和曲柄半徑R均為繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿P做平面運(yùn)動(dòng)。利用速度投影定理，忽略連桿P變形的影響，連桿兩端點(diǎn)（d和b）的速度在連桿軸線上的投影相等。d、b兩點(diǎn)分別和O 轉(zhuǎn)動(dòng)，、分別垂直于R和C，將、向連桿軸線投影有： （2-16） 則 （2-17） 因?yàn)?，，懸點(diǎn)速度為 （2-18） 式中為曲柄旋轉(zhuǎn)的角速度，其余參數(shù)同前。 其懸點(diǎn)速度的計(jì)算結(jié)果詳見表2-1，得到速度圖像如圖2-4： 2.3.4 懸點(diǎn)的加速度 圖2-5懸點(diǎn)加速度曲線 懸點(diǎn)速度對(duì)時(shí)間的一次導(dǎo)數(shù)即為懸點(diǎn)加速度。對(duì)于后置型游梁式抽油機(jī)，懸點(diǎn)加速度公式為： （2-19） 其懸點(diǎn)加速度的計(jì)算結(jié)果詳見表2-1，得到加速度圖像如圖2-5： 2.3.5 懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)計(jì)算分析 表2-1顯示了曲柄轉(zhuǎn)角變化時(shí)，懸點(diǎn)位移、速度、加速度隨其變化的數(shù)值，表2-1如下所示。圖2-6為曲柄轉(zhuǎn)角變化與懸點(diǎn)位移、速度、加速度之間的關(guān)系曲線圖，圖2-6如下所示。 表2-1 懸點(diǎn)參數(shù)計(jì)算數(shù)值表 角度 位移 速度 加速度 0 0.001181 -0.02999 0.378839 5 0.000702 0.02329 0.387514 10 0.007689 0.077398 0.390653 15 0.022202 0.131515 0.387536 20 0.044179 0.184732 0.377626 25 0.07343 0.236083 0.360654 30 0.109626 0.28459 0.336696 35 0.152307 0.329308 0.306219 40 0.200885 0.369388 0.270089 45 0.254667 0.404126 0.229521 50 0.312871 0.433007 0.185994 55 0.374661 0.455729 0.141114 60 0.439174 0.472217 0.09648 65 0.50555 0.482608 0.053544 70 0.572964 0.487224 0.013502 75 0.640644 0.486534 -0.02277 80 0.707892 0.481101 -0.05472 85 0.774092 0.471544 -0.08214 90 0.838715 0.45849 -0.1051 95 0.901317 0.442545 -0.12385 100 0.961536 0.424263 -0.13882 105 1.019082 0.404135 -0.15052 110 1.073729 0.382578 -0.15949 115 1.125304 0.359933 -0.16627 120 1.173673 0.336469 -0.17137 125 1.218739 0.312386 -0.17526 130 1.260425 0.287823 -0.17834 135 1.298671 0.262867 -0.18098 140 1.333427 0.237559 -0.18345 145 1.364644 0.211905 -0.186 150 1.392272 0.18588 -0.1888 155 1.416258 0.159441 -0.19199 160 1.43654 0.132528 -0.19563 165 1.453047 0.105077 -0.19975 170 1.4657 0.077021 -0.20431 175 1.474411 0.048307 -0.20922 180 1.479086 0.018896 -0.21433 185 1.479627 -0.01123 -0.21942 190 1.475935 -0.04204 -0.22424 195 1.467919 -0.07349 -0.22847 200 1.455497 -0.10546 -0.23174 205 1.438607 -0.1378 -0.2337 210 1.417212 -0.1703 -0.23396 215 1.391306 -0.2027 -0.23219 220 1.360926 -0.23469 -0.22811 225 1.326149 -0.26594 -0.22152 230 1.287103 -0.2961 -0.21232 235 1.243966 -0.3248 -0.20051 240 1.196965 -0.35168 -0.1862 245 1.146375 -0.37642 -0.16958 250 1.092518 -0.39869 -0.15089 255 1.035753 -0.41825 -0.13043 260 0.976474 -0.43486 -0.1085 265 0.915104 -0.44833 -0.08536 270 0.852089 -0.45853 -0.06129 275 0.787893 -0.46532 -0.03648 280 0.722994 -0.46864 -0.01112 285 0.657881 -0.46839 0.014685 290 0.593052 -0.46454 0.040831 295 0.529011 -0.45704 0.067259 300 0.466268 -0.44585 0.093925 305 0.405337 -0.43094 0.120788 310 0.346736 -0.41229 0.147795 315 0.290987 -0.38988 0.174874 320 0.23861 -0.36371 0.201909 325 0.190129 -0.3338 0.228734 330 0.146058 -0.3002 0.25511 335 0.106908 -0.26298 0.280714 340 0.073171 -0.22228 0.305127 345 0.045317 -0.1783 0.327824 350 0.023783 -0.13132 0.348173 355 0.00896 -0.08172 0.365446 360 0.001181 -0.02999 0.378839 圖2-6 懸點(diǎn)位移、速度、加速度曲線 從表2-1和圖2-6可知，以CYJ5-2.5-26HB為例，懸點(diǎn)速度最大值為，懸點(diǎn)加速度最大值。 基于Matlab的尺度優(yōu)化前懸點(diǎn)參數(shù)計(jì)算程序見附錄A。 3 游梁式抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺度綜合優(yōu)選方法 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。本文擬就此連桿機(jī)構(gòu)的尺度綜合問題展開討論，在其他設(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。 3.1 尺度綜合數(shù)學(xué)模型的建立 已知條件:極位夾角，沖程S，沖次n，游梁前臂A，游梁支點(diǎn)與曲軸中心之間的水平距離I，垂直距離H以及曲柄長度R的變化范圍，最小傳動(dòng)角。待求參數(shù):曲柄長度R、連桿長度P及游梁后臂(搖桿)長度C。圖3-1所示為尺度綜合的幾何模型。根據(jù)圖3-1建立待求參數(shù)的數(shù)學(xué)方程如下： 圖3-1 尺度綜合幾何模型 游梁擺角 （3-1） 機(jī)架長度 （3-2） （3-3） （3-4） 3.2 尺度綜合優(yōu)選過程 由上述數(shù)學(xué)模型可知，有2個(gè)方程，卻有3個(gè)未知數(shù)，若按常規(guī)方法求解將十分困難。為此，本文介紹一種通過迭代曲柄長度R來求解連桿及搖桿長度P、C的簡便方法。具體步驟為：采用Matlab軟件，令R由0變化到其范圍上限，步長為一定值，相應(yīng)于R的每次迭代，根據(jù)方程(3-3)、方程(3-4)均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)P、C值與R對(duì)應(yīng)，表3-1所示為迭代過程。由表可知，連桿機(jī)構(gòu)各桿件長度組合——尺度綜合是有多組解的，這多組解是否都能作為抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)的桿長，以及哪組解為最優(yōu)，必須通過計(jì)算四桿機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)——最小傳動(dòng)角來尋求答案。首先由方程(5)-方程(8)計(jì)算出上述每組尺度綜合所對(duì)應(yīng)的連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角、及最小傳動(dòng)角，見表3-2。 （3-5） （3-6） 或 （3-7） （3-8） 表3-1 迭代R求P、C 單位：m R P C K 0.00 2.8306 1.1084 3.4097 0.01 2.830478 1.109012 3.4097 0.02 2.830136 1.110755 3.4097 0.03 2.829566 1.113652 3.4097 0.04 2.828767 1.117696 3.4097 0.05 2.82774 1.122874 3.4097 0.06 2.826483 1.129171 3.4097 0.07 2.824998 1.136567 3.4097 0.08 2.823284 1.145042 3.4097 0.09 2.821339 1.154572 3.4097 0.10 2.819164 1.16513 3.4097 0.11 2.816758 1.17669 3.4097 0.12 2.814121 1.189222 3.4097 0.13 2.811251 1.202696 3.4097 0.14 2.808149 1.217079 3.4097 0.15 2.804813 1.232342 3.4097 0.16 2.801243 1.24845 3.4097 0.17 2.797437 1.265373 3.4097 0.18 2.793395 1.283077 3.4097 0.19 2.789116 1.301531 3.4097 0.20 2.784598 1.320704 3.4097 0.21 2.77984 1.340564 3.4097 0.22 2.774842 1.361081 3.4097 0.23 2.769602 1.382227 3.4097 0.24 2.764118 1.403972 3.4097 0.25 2.758389 1.42629 3.4097 0.26 2.752413 1.449154 3.4097 0.27 2.74619 1.472539 3.4097 0.28 2.739717 1.496419 3.4097 0.29 2.732992 1.520773 3.4097 0.30 2.726013 1.545576 3.4097 0.31 2.71878 1.570809 3.4097 0.32 2.711289 1.59645 3.4097 0.33 2.703538 1.622481 3.4097 0.34 2.695526 1.648883 3.4097 0.35 2.687249 1.675638 3.4097 0.36 2.678706 1.70273 3.4097 0.37 2.669893 1.730142 3.4097 0.38 2.660809 1.757861 3.4097 0.39 2.65145 1.785871 3.4097 0.40 2.641814 1.814159 3.4097 0.41 2.631897 1.842713 3.4097 0.42 2.621696 1.871519 3.4097 0.43 2.611208 1.900568 3.4097 0.44 2.60043 1.929847 3.4097 0.45 2.589357 1.959347 3.4097 0.46 2.577987 1.989057 3.4097 0.47 2.566314 2.018968 3.4097 0.48 2.554335 2.049072 3.4097 0.49 2.542046 2.07936 3.4097 0.50 2.529442 2.109825 3.4097 0.51 2.516518 2.140457 3.4097 0.52 2.50327 2.171252 3.4097 0.53 2.489692 2.202201 3.4097 0.54 2.475778 2.233299 3.4097 0.55 2.461524 2.264539 3.4097 0.56 2.446923 2.295915 3.4097 0.57 2.431968 2.327422 3.4097 0.58 2.416654 2.359055 3.4097 0.59 2.400974 2.390808 3.4097 0.60 2.384919 2.422677 3.4097 0.61 2.368483 2.454658 3.4097 0.62 2.351658 2.486746 3.4097 0.63 2.334435 2.518937 3.4097 0.64 2.316805 2.551227 3.4097 0.65 2.29876 2.583612 3.4097 0.66 2.280288 2.616089 3.4097 0.67 2.26138 2.648655 3.4097 0.68 2.242024 2.681306 3.4097 0.69 2.22221 2.714039 3.4097 0.70 2.201924 2.746851 3.4097 0.71 2.181153 2.77974 3.4097 0.72 2.159884 2.812702 3.4097 0.73 2.138101 2.845736 3.4097 0.74 2.115789 2.878838 3.4097 0.75 2.09293 2.912007 3.4097 0.76 2.069507 2.94524 3.4097 0.77 2.045501 2.978535 3.4097 0.78 2.02089 3.01189 3.4097 0.79 1.995651 3.045303 3.4097 0.80 1.969762 3.078772 3.4097 表3-2　多組尺度綜合對(duì)應(yīng)的最小傳動(dòng)角 R/m P/m C/m 傳動(dòng)角 傳動(dòng)角 最小傳動(dòng)角 0.00 2.8306 1.1084 78.7088 21.4819 21.4819 0.10 2.819164 1.16513 73.08517 2.817803 2.817803 0.20 2.784598 1.320704 67.47165 12.70814 12.70814 0.30 2.726013 1.545576 62.1662 24.29897 24.29897 0.40 2.641814 1.814159 56.82826 32.58789 32.58789 0.50 2.529442 2.109825 50.90434 38.40674 38.40674 0.60 2.384919 2.422677 43.57916 42.33139 42.33139 0.70 2.201924 2.746851 33.0632 44.60146 33.0632 0.80 1.969762 3.078772 8.665102 45.01299 8.665102 由表3-2可知，并非所有解都能滿足已知條件中最小傳動(dòng)角的要求，說明只有滿足條件的尺度綜合才能作為抽油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)的桿件長度。同時(shí)由表中容易得到最小傳動(dòng)角的最大值所對(duì)應(yīng)的尺度綜合。最小傳動(dòng)角越大，機(jī)構(gòu)的傳力性能越好，故該組尺度綜合即為最優(yōu)值。 3.3 對(duì)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果分析 已知一臺(tái)后置抽油機(jī)的極位夾角，沖程S=1.5m，沖次n=6，游梁前臂A=2.5m，游梁支點(diǎn)與曲軸中心之間的水平距離I=2.422 m，垂直距離H=2.4 m，以及曲柄長度R0.8m、最小傳動(dòng)角。 首先根據(jù)上述已知條件采用Matlab軟件對(duì)曲柄長度R進(jìn)行迭代，迭代步長為0.01 m，K= 3.4097m，求出系列P、C值及每組尺度綜合的最小傳動(dòng)角，如表3-3所示。只有滿足的解才滿足設(shè)計(jì)要求。由表可知，只有當(dāng)R0.46m時(shí)，尺度綜合才能滿足要求，最優(yōu)的尺度綜合為R=0.61 m，P=2.368 m，C=2.455m。 表3-3　實(shí)例求解尺度綜合 傳動(dòng)角 傳動(dòng)角 最小傳動(dòng)角 0.00 2.8306 1.1084 78.7088 21.4819 21.4819 0.01 2.830478 1.109012 78.17597 19.54696 19.54696 0.02 2.830136 1.110755 77.63263 17.61774 17.61774 0.03 2.829566 1.113652 77.08037 15.69803 15.69803 0.04 2.828767 1.117696 76.52072