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游梁式抽油機(jī)
文獻(xiàn)綜述
前言
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)最主要的舉升設(shè)備。根據(jù)是否具有游梁，抽油機(jī)可以分為游梁式抽油機(jī)和無游梁式抽油機(jī)。由于游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，游梁式抽油機(jī)一直是國內(nèi)外油田應(yīng)用最廣泛的舉升設(shè)備。游梁式抽油機(jī)井?dāng)?shù)量多，其工作性能，特別是節(jié)能性能直接影響采油的成本。因此，完善和發(fā)展游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)理論，研制節(jié)能效果顯著的節(jié)能型游梁式抽油機(jī)對于抽油機(jī)井的節(jié)能降耗、提高舉升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的實(shí)際意義。
第一章 抽油機(jī)功能及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.1抽油機(jī)功能
在石油液氣的開采過程中，抽油機(jī)是重要的舉升設(shè)備。除了利用底層本身的能量進(jìn)行自噴采油外，目前所用一切人工舉升采油設(shè)備基本都是抽油機(jī)。人工舉升采油法稱之為機(jī)械采油法。
典型的機(jī)械采油法包括無桿抽油和有桿抽油兩種。有桿抽油設(shè)備對應(yīng)的采油機(jī)械由地面驅(qū)動設(shè)備（各種抽油機(jī)）、井下工作設(shè)備（各類抽油泵）和能量傳遞裝置（抽油桿或油液舉升機(jī)構(gòu)）等組成。有桿抽油設(shè)備按照抽油泵運(yùn)行方式又分為抽油桿往復(fù)運(yùn)動類和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動類，前者是通過下入井內(nèi)的抽油桿帶動井下的抽油泵柱塞上下往復(fù)運(yùn)動，將油液送至地面。有桿抽油設(shè)備的地面驅(qū)動設(shè)備主要有游梁抽油機(jī)和無游梁抽油機(jī)兩種。無桿抽油設(shè)備是各種不采用抽油桿傳遞動力的抽油設(shè)備的總稱，此類設(shè)備由水電活塞機(jī)、電力離心沉沒泵和振動泵、電動潛油離心泵、液壓驅(qū)動類和氣舉采油設(shè)備組成。
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。減速器將動力機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)榍S的低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。曲柄軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)由四連桿機(jī)構(gòu)變?yōu)閼依K器的往復(fù)運(yùn)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(yùn)動，從而將油井內(nèi)的油液舉升到地面。
1.2國內(nèi)抽油機(jī)研究現(xiàn)狀
抽油機(jī)是有桿抽油系統(tǒng)中最主要舉升設(shè)備。根據(jù)是否有游梁，可分為游梁式抽油機(jī)和無游梁式抽油機(jī)。經(jīng)過一百多年的實(shí)踐和不斷的改進(jìn)創(chuàng)新，抽油機(jī)不管是結(jié)構(gòu)形式還是在使用功能上，都產(chǎn)生了很大的變化。特別是近幾十年來，世界對原油的需求量不斷加大，對油田深度開采的能力有了更進(jìn)一步的要求，在很大程度上加快了抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的速度，催生出多種類型。目前, 國內(nèi)抽油機(jī)制造廠有數(shù)十家, 產(chǎn)品類型已多樣化, 但游梁式抽油機(jī)仍處于主導(dǎo)地位。根據(jù)公開發(fā)表的資料統(tǒng)計(jì), 我國現(xiàn)有6 大類共45 種新型抽油機(jī)[1] , 并且每年約有30 種新型抽油機(jī)專利, 十多種新試制抽油機(jī)[2] , 已形成了系列, 基本滿足了陸地油田開采的需要。各種新型節(jié)能游梁式抽油機(jī)如雙驢頭式抽油機(jī)、前置式抽油機(jī)、異相曲柄平衡抽油機(jī)、前置式氣平衡抽油機(jī)、下偏杠鈴系列節(jié)能抽油機(jī)[ 3]和用窄V 形帶傳動的常規(guī)抽油機(jī)等均已在全國各個油田推廣應(yīng)用, 并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。長沖程、低沖次的無游梁式抽油機(jī)的研制也取得了一些進(jìn)展, 如由勝利油田研制的無游梁鏈條抽油機(jī), 經(jīng)過國內(nèi)十幾個油田稠油及叢式井的推廣使用[4], 在低沖次抽油和抽稠油方面已初見成效。此外, 桁架結(jié)構(gòu)的滑輪組增距式抽油機(jī)、滾筒式長沖程抽油機(jī)已在某些油田進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)[5]; 齒輪增距式長沖程抽油機(jī)的研制工作也取得了新的進(jìn)展; 質(zhì)量輕、成本低、便于調(diào)速和調(diào)整沖程的液壓抽油機(jī)經(jīng)過幾年的研制和工業(yè)性試采油, 也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)[6]。其他型式新穎的抽油機(jī)如數(shù)控抽油機(jī)、連續(xù)抽油桿抽油機(jī)、車載抽油機(jī)、磨擦式抽油機(jī)、六連桿游梁式抽油機(jī)和斜直井抽油機(jī)等也正處于不斷改造和試生產(chǎn)過程中[7]。然而，游梁式抽油機(jī)的缺點(diǎn)是不容易實(shí)現(xiàn)長沖程低沖次的要求，因而不能滿足稠油井、深抽井和吉?dú)饩捎妥鳂I(yè)的需要。同時，長沖程低沖次的無游梁式抽油機(jī)的性能尚有待完善 (如油田正在使用的鏈條式抽油機(jī)還存在鏈條壽命短、換向沖擊載荷大和鋼絲繩易斷、導(dǎo)軌剛．度不足容易變形等問題)，而且品種規(guī)格還很少，不能適應(yīng)當(dāng)前石油工業(yè)的發(fā)展[8]。 液壓抽油機(jī)至今仍處在研制階段[9]。
1.3國外抽油機(jī)研究現(xiàn)狀
目前，世界上生產(chǎn)抽油機(jī)的國家主要有美國、俄羅斯、法國、加拿大和羅馬尼亞等[10]。為了減少能耗, 提高采油經(jīng)濟(jì)效益, 近年來國外研制與應(yīng)用了許多節(jié)能型抽油機(jī)。例如異相型抽油機(jī)節(jié)電15%-35%; 前置式抽油機(jī)節(jié)電36.8% ;前置式氣平衡抽油機(jī)節(jié)電35% ; 輪式抽油機(jī)節(jié)電50%-80% ; 大圈式抽油機(jī)節(jié)電30%; 自動平衡抽油機(jī)節(jié)電30% -50%; 低矮型抽油機(jī)節(jié)電5% -20%; ROTAFLEX 抽油機(jī)節(jié)電25% ; 智能抽油機(jī)節(jié)電17.4%; 螺桿泵采油系統(tǒng)節(jié)電40%-50% [11]。近年來國外很重視改進(jìn)和提高抽油機(jī)的平衡效果, 使抽油機(jī)得到更精確平衡。
近年來, 為了節(jié)約能耗、提高采油經(jīng)濟(jì)效益, 國外研制與應(yīng)用了許多節(jié)能型抽油機(jī), 在采油實(shí)踐中, 取得較好的使用效果。如變平衡力矩抽油機(jī), 可使上沖程平衡力矩大于下沖程力矩。前置式氣平衡抽油機(jī), 由于可在動態(tài)下調(diào)節(jié)氣平衡, 平衡效果較好。氣囊平衡抽油機(jī)有90% 以上載荷得到平衡[12]。雙井抽油機(jī)可利用兩口油井抽油桿柱合理設(shè)計(jì)得到更精確的平衡。自動平衡抽油機(jī)可保證在上下沖程每一瞬間得到較精確的平衡效果[13]。
近年來國外研制與應(yīng)用了多種類型長沖程抽油機(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)[14]。
1 、前置式氣平衡抽油機(jī)
美國工Jufkin 公司生產(chǎn)的A 系列前置式氣平衡抽油機(jī)具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo), 抽油機(jī)重量減輕40 %, 尺寸縮小3 5 % , 動載荷較小, 受力均勻, 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn), 節(jié)約電耗35 %。
2 、無游梁長沖程抽油機(jī)
美國R O T A F L E x 寬帶傳動抽油機(jī)實(shí)踐表明: 抽油機(jī)系統(tǒng)效率為5 % , 而常規(guī)抽油機(jī)只有40 %。提升液體能耗比常規(guī)抽油機(jī)減少25 % , 可使用29. 4 kw 電動機(jī), 而同級常規(guī)抽油機(jī)須用只kw 電動機(jī)。美國
Western G e a : 有限公司研制的液壓驅(qū)動無游梁長沖程抽油機(jī)占地面積較小, 可節(jié)約電耗10 % 一1 5 % 。美國National Supply 有限公司研制的無游梁長沖程抽油機(jī)節(jié)約電耗10 %一20%
3 、智能抽油機(jī)
美國National Supply 有限公司研制的智能抽油機(jī)減速器峰值扭矩減少34. 7 %, 電動機(jī)功率減少1 7. 4 % , 產(chǎn)量增加19 % , 抽油機(jī)系統(tǒng)效率平均提高47.8% , 投資費(fèi)用減少20 % , 成本利用率提高20.7 %。天然氣發(fā)動機(jī)驅(qū)動抽油機(jī) 美國生產(chǎn)的天然氣發(fā)動機(jī)驅(qū)動抽油機(jī)可比電動機(jī)功率減少30 % , 動力費(fèi)用與采油成本均較低。
4 、變平衡力矩抽油機(jī)
美國Pionner 公司研制了變平衡力矩抽油機(jī), 利用抽油機(jī)連桿運(yùn)動以及新增加的連桿擺動機(jī)構(gòu)作用原理, 使得上沖程時平衡力矩大于下沖程時的平衡力矩, 實(shí)現(xiàn)更精確地平衡抽油機(jī)載荷、減少抽油機(jī)電力消耗的目的。
1.4今后抽油機(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方向。
1.4.1國內(nèi)抽油機(jī)發(fā)展趨勢
20世紀(jì)9O年代以來，我國東部各主要油田相繼進(jìn)入中高含水開發(fā)期[17]。為確保高效生產(chǎn)，對抽油機(jī)的要求呈現(xiàn)兩個特點(diǎn)：一是急需采用長沖程抽油機(jī)，以增加油井的產(chǎn)液量；二是為了降低油井的單位生產(chǎn)成本，對抽油機(jī)的節(jié)能性提出了更高的要求[18]。其次就目前抽油機(jī)耗電量大，工作效率、能量利用率低這一現(xiàn)狀仍是我國抽油機(jī)研究的重點(diǎn)之一，在抽油機(jī)效率和節(jié)能方面，還有很大的提升空間，具有非常誘人的前景[19]。
長沖程抽油機(jī)的研制應(yīng)用能力不足一直是我國抽油機(jī)發(fā)展的瓶頸，長沖程抽油機(jī)具有減小沖程損失、提高系統(tǒng)效率、延長機(jī)桿泵的使用壽命、減少故障及提高整機(jī)運(yùn)行質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)[20]。因此, 發(fā)展長沖程抽油機(jī)對當(dāng)前我國老油田高含水井后期開采, 減緩產(chǎn)量遞減速度, 開采稠油、低滲透油田以及沙漠油田深井及超深井的機(jī)械開采, 都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[21]。游梁式抽油機(jī)的局限性十分突出，多方面事實(shí)說明，長沖程、低沖次、低功耗的無游梁式抽油機(jī)是今后抽油機(jī)發(fā)展的主要方向[22]。為適應(yīng)油田采油需要, 在適當(dāng)發(fā)展游梁式長沖程抽油機(jī)的同時, 應(yīng)加速開發(fā)各類無游梁式長沖程抽油機(jī)[23]。
開發(fā)無游梁曲柄搖桿輪式斜井抽油機(jī)和大型斜直井抽油機(jī)將對我國油氣資源開采有重要意義[24]。根據(jù)我國實(shí)際情況, 發(fā)展無游梁大沖程、低能耗、具有高適應(yīng)性的直井抽油機(jī)和斜井抽油機(jī), 將是我國今后抽油機(jī)發(fā)展的主要方向[25]。
近年來，變頻技術(shù)在抽油機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。利用變頻控制系統(tǒng)實(shí)時調(diào)整工作參數(shù)，提高電機(jī)功率因數(shù)，減小供電電流，還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動，減小沖擊，并可根據(jù)油井供液能力實(shí)時調(diào)整沖次頻率，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)節(jié)能效果[26]；另外研究開發(fā)機(jī)電一體化抽油裝置，根據(jù)抽油機(jī)井特性實(shí)時控制和改變抽油狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效智能化采油[27]。如美國NSCO公司智能抽油機(jī)，采用微處理器和自適應(yīng)電子控制器進(jìn)行控制與監(jiān)測，具有功能多、抽油效率高、自動化程度高、經(jīng)濟(jì)性好、安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[28]。
研發(fā)大型、高適應(yīng)性的叢式井抽油機(jī)，隨著世界油氣資源的不斷開發(fā)，油層開采深度逐年加大，油田含水量的增多，大泵提液采油工藝和稠油開采等都要求采用大型抽油機(jī)[29]?，F(xiàn)代大型抽油機(jī)應(yīng)具備有高適應(yīng)性，以適應(yīng)多種惡劣環(huán)境和地層油層的變化，如開發(fā)一種機(jī)型能適應(yīng)不同自然氣候與地貌環(huán)境的差異、地層油層的遷移改變、沖程沖次的改變、油氣層性狀的改變、連續(xù)與間歇抽油的調(diào)整等[30]。另外，由于現(xiàn)代大型抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性，體積的龐大，其工作面積也相應(yīng)增大，同一抽油機(jī)可以對多口相鄰油井同時抽油作業(yè)，采用綜合平衡方式和節(jié)能方式，達(dá)到最好的作業(yè)效果[31]。
1.4.2國外抽油機(jī)發(fā)展趨勢
如前所述, 世界范圍內(nèi)抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的總趨勢是向著多樣化、超大載荷、長沖程、節(jié)能型、無游梁式和自動化、智能化方向發(fā)展[32]。
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，石油含水量也在不斷增多，采用大泵提液采油工藝和開采稠油等，都要求采用大型抽油機(jī)，所以近年來，國外出現(xiàn)了許多大載荷抽油機(jī)，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[33]。還會出現(xiàn)更大載荷新型抽油機(jī)[34]。采用長沖程抽油方式，抽油效率高，抽油機(jī)壽命長，動載荷小，排量穩(wěn)定，具有較好的采油經(jīng)濟(jì)效益，所以近年來國外出現(xiàn)了許多長沖程抽油機(jī)，如法國Mape公司抽油機(jī)，最大沖程10m[35]；美國WGCO公司抽油機(jī)最大沖程24.38m，NSCO公司抽油機(jī)最大沖程27.48m；原蘇聯(lián)鋼帶式超長沖程抽油機(jī)最大沖程1500m。長沖程抽油機(jī)全部采用低沖次抽油方式，Mape公司抽油機(jī)最大沖次5min，GDCO公司抽油機(jī)最大沖次為3min[36]。
2.朝著低能耗方向發(fā)展朝著低能耗方向
為了減少能耗，提高采油經(jīng)濟(jì)效益，近年來國外研制與應(yīng)用了許多節(jié)能型抽油機(jī)。例如異相型抽油機(jī)節(jié)電15%～35%；前置式抽油機(jī)節(jié)電36.8%；前置式氣平衡抽油機(jī)節(jié)電35%；輪式抽油機(jī)節(jié)電50%～80%；大圈式抽油機(jī)節(jié)電30%；自動平衡抽油機(jī)節(jié)電30%～50%；低矮型抽油機(jī)節(jié)電5%～20%；ROTAFLEX抽油機(jī)節(jié)電25%；智能抽油機(jī)節(jié)電17.4%；螺桿泵采油系統(tǒng)節(jié)電40%～50%[37]。
3.朝著精確平衡方向發(fā)展
近年來國外很重視改進(jìn)和提高抽油機(jī)的平衡效果，使抽油機(jī)得到更精確平衡。例如變平衡力矩抽油機(jī)，可使上沖程平衡力矩大于下沖程力矩。前置式氣平衡抽油機(jī)，由于可在動態(tài)下調(diào)節(jié)氣平衡，平衡效果較好。氣囊平衡抽油機(jī)有90%以上載荷得到平衡。雙井抽油機(jī)可利用兩口油井抽油桿柱合理設(shè)計(jì)得到更精確的平衡。自動平衡抽油機(jī)可保證在上下沖程每一瞬間得到較精確的平衡效果[38]。
4.朝著高適應(yīng)性方向發(fā)展
現(xiàn)代抽油機(jī)應(yīng)具有較高的適應(yīng)性，以便拓寬使用范圍[39]。例如適應(yīng)各種自然地理和地質(zhì)構(gòu)造條件抽油的需要；適應(yīng)各種成分石油抽汲的需要；適應(yīng)各種類型油井抽汲的需要；適應(yīng)深井抽油需要；適應(yīng)長沖程抽油的需要；適應(yīng)節(jié)電的需要；適應(yīng)精確平衡的需要；適應(yīng)無電源和間歇抽油的需要；適應(yīng)優(yōu)化抽油的需要等[40]。
5.朝著長沖程無游梁方向發(fā)展
近年來國外研制與應(yīng)用了多種類型長沖程抽油機(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)[41]；實(shí)踐與理論分析表明，增大沖程游梁抽油機(jī)是常規(guī)游梁抽油機(jī)的發(fā)展方向；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[42]。
6.朝著自動化和智能化方向發(fā)展
近年來抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的顯著標(biāo)志是自動化和智能化。美國Baker提升系統(tǒng)公司、Delta-X公司、APS公司等均研制了自動化抽油機(jī)，具有保護(hù)和報(bào)警功能，實(shí)時測得油井運(yùn)行參數(shù)，及時顯示與記錄并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合計(jì)算分析，推出最優(yōu)工況參數(shù)，進(jìn)一步指導(dǎo)抽油機(jī)以最優(yōu)工況抽油。美國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)行控制與監(jiān)測，具有抽油效率高、節(jié)電、功能多、安全可靠、自動化程度高、經(jīng)濟(jì)性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[43]。
第二章 常規(guī)游梁式抽油機(jī)原理、問題及運(yùn)動分析
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 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-剎車保險裝置；
13-剎車裝置；14-電動機(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、剎車保險裝置、剎車裝置、電動機(jī)、配電箱組成。抽油機(jī)工作時，電動機(jī)（14）轉(zhuǎn)速通過三角皮帶帶動減速箱(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)動變?yōu)橛瘟后H頭(4)的往復(fù)運(yùn)動。用驢頭(4)帶動抽油桿做上下往復(fù)的直線運(yùn)動。通過抽油桿再將這個運(yùn)動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閥(排出閥)，當(dāng)抽油桿向上運(yùn)動，柱塞做上沖程時，固定閥打開，泵從井中吸入原油。同時，由于游動閥關(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，柱塞做下沖程時，固定閥關(guān)閉而游動閥打開，柱塞下面的油通過游動閥排到它的上面。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，工作時上下沖程的時間（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、井況和同一時刻下，井下的能耗因地面游梁機(jī)型不同會發(fā)生差異。如示功圖會有所改變，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。一般電動機(jī)的負(fù)載率過低，約為30%致使電動機(jī)以低效率運(yùn)行。
電動機(jī)在一個沖程中的某個時段下落的抽油桿反向拖動，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，動載增大。采用對稱循環(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)行中傳動角波動較大，無法保證各位置的傳動角均接近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)行一個周期包括兩個過程，上沖程和下沖程。上沖程時，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，輸出軸被懸點(diǎn)載荷(抽油桿自重)正向拖動，使主動軸反向做功，減速器要傳遞較大的反向轉(zhuǎn)矩。
（3）電機(jī)在一個沖程中的某些時段被下落的抽油桿反向拖動，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型游梁式抽油機(jī)運(yùn)動學(xué)分析
游梁式抽油機(jī)運(yùn)動分析的主要任務(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。
圖2-2 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)運(yùn)動簡圖
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)，順時針旋轉(zhuǎn)為“+”，逆時針旋轉(zhuǎn)為“-”。
（2-2）
（2-3）
（2-4）
（2-5）
（2-6）
（2-7）
（2-8）
（2-9）
（2-10）
在有“”式中，“+”用于曲柄順時針旋轉(zhuǎn)，“-”用于曲柄逆時針旋轉(zhuǎn)。
第三章 應(yīng)力和強(qiáng)度計(jì)算
本章介紹了材料在發(fā)生基本變形時的應(yīng)力計(jì)算，材料的力學(xué)性能，以及基本變形的強(qiáng)度計(jì)算。
3.1拉伸與壓縮變形
1、橫截面上的正應(yīng)力
拉壓桿件橫截面上只有正應(yīng)力，且為平均分布，其計(jì)算公式為
(3-1)
式中為該橫截面的軸力，A為橫截面面積。
正負(fù)號規(guī)定 拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。
公式（3-1）的適用條件：
（1）桿端外力的合力作用線與桿軸線重合，即只適于軸向拉（壓）桿件；
（2）適用于離桿件受力區(qū)域稍遠(yuǎn)處的橫截面；
（3）桿件上有孔洞或凹槽時，該處將產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，橫截面上應(yīng)力分布很不均勻；
（4）截面連續(xù)變化的直桿，桿件兩側(cè)棱邊的夾角時，可應(yīng)用式（3-1）計(jì)算，所得結(jié)果的誤差約為3%。
2、斜截面上的應(yīng)力（如圖3-1）
圖3-1
拉壓桿件任意斜截面（a圖）上的應(yīng)力為平均分布，其計(jì)算公式為
全應(yīng)力 (3-2)
正應(yīng)力 （3-3）
切應(yīng)力 （3-4）
式中為橫截面上的應(yīng)力。
正負(fù)號規(guī)定：
由橫截面外法線轉(zhuǎn)至斜截面的外法線，逆時針轉(zhuǎn)向?yàn)檎?，反之為?fù)。
拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。
對脫離體內(nèi)一點(diǎn)產(chǎn)生順時針力矩的為正，反之為負(fù)。
兩點(diǎn)結(jié)論：
（1）當(dāng)時，即橫截面上，達(dá)到最大值，即。當(dāng)=時，即縱截面上，==0。
（2）當(dāng)時，即與桿軸成的斜截面上，達(dá)到最大值，即。
3.2應(yīng)變和胡克定律
1、變形及應(yīng)變
桿件受到軸向拉力時，軸向伸長，橫向縮短；受到軸向壓力時，軸向縮短，橫向伸長。如圖3-2。
圖3-2
軸向變形
軸向線應(yīng)變
橫向變形
橫向線應(yīng)變
正負(fù)號規(guī)定 伸長為正，縮短為負(fù)。
2、胡克定律
當(dāng)應(yīng)力不超過材料的比例極限時，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。即
（3-5）
或用軸力及桿件的變形量表示為
(3-6)
式中EA稱為桿件的抗拉（壓）剛度，是表征桿件抵抗拉壓彈性變形能力的量。
公式(3-6)的適用條件：
(a)材料在線彈性范圍內(nèi)工作，即；
(b)在計(jì)算時，l長度內(nèi)其N、E、A均應(yīng)為常量。如桿件上各段不同，則應(yīng)分段計(jì)算，求其代數(shù)和得總變形。即
(3-7)
3、泊松比
當(dāng)應(yīng)力不超過材料的比例極限時，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比的絕對值。即
3.3 材料在拉（壓）時的力學(xué)性能
1、低碳鋼在拉伸時的力學(xué)性能
應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖3-3所示。
圖3-3 低碳鋼拉伸時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線
卸載定律:在卸載過程中，應(yīng)力和應(yīng)變按直線規(guī)律變化。如圖3-3中dd’直線。
冷作硬化：材料拉伸到強(qiáng)化階段后，卸除荷載，再次加載時，材料的比例極限升高，而塑性降低的現(xiàn)象，稱為冷作硬化。如圖4-3中d’def曲線。圖3-3中，of’ 為未經(jīng)冷作硬化，拉伸至斷裂后的塑性應(yīng)變。d’f’ 為經(jīng)冷作硬化，再拉伸至斷裂后的塑性應(yīng)變。
四個階段四個特征點(diǎn)，見表1-1。
表1-1 低碳鋼拉伸過程的四個階段
階 段
圖1-5中線段
特征點(diǎn)
說 明
彈性階段
oab
比例極限
彈性極限
為應(yīng)力與應(yīng)變成正比的最高應(yīng)力
為不產(chǎn)生殘余變形的最高應(yīng)力
屈服階段
bc
屈服極限
為應(yīng)力變化不大而變形顯著增加時的最低應(yīng)力
強(qiáng)化階段
ce
抗拉強(qiáng)度
為材料在斷裂前所能承受的最大名義應(yīng)力
局部形變階段
ef
產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象到試件斷裂
表1-1
主要性能指標(biāo)，見表1-2。
表1-2 主要性能指標(biāo)
性能
性能指標(biāo)
說明
彈性性能
彈性模量E
當(dāng)
強(qiáng)度性能
屈服極限
材料出現(xiàn)顯著的塑性變形
抗拉強(qiáng)度
材料的最大承載能力
塑性性能
延伸率
材料拉斷時的塑性變形程度
截面收縮率
材料的塑性變形程度
2、 低碳鋼在壓縮時的力學(xué)性能
圖3-4 低碳鋼壓縮時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線
應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖3-4中實(shí)線所示。
低碳鋼壓縮時的比例極限、屈服極限、彈性模量E與拉伸時基本相同，但側(cè)不出抗壓強(qiáng)度
3、鑄鐵拉伸時的力學(xué)性能
圖3-5 鑄鐵拉伸時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線
應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖3-5所示。
應(yīng)力與應(yīng)變無明顯的線性關(guān)系，拉斷前的應(yīng)變很小，試驗(yàn)時只能側(cè)得抗拉強(qiáng)度。彈性模量E以總應(yīng)變?yōu)?.1%時的割線斜率來度量。
5、鑄鐵壓縮時的力學(xué)性能
應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖3-6所示。
圖3-6 鑄鐵壓縮時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線
鑄鐵壓縮時的抗壓強(qiáng)度比拉伸時大4—5倍，破壞時破裂面與軸線成。宜于做抗壓構(gòu)件。
6、塑性材料和脆性材料
延伸率〉5%的材料稱為塑性材料。
延伸率〈5%的材料稱為脆性材料。
7、屈服強(qiáng)度
對于沒有明顯屈服階段的塑性材料，通常用材料產(chǎn)生0.2%的殘余應(yīng)變時所對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，并以表示。
3.4 強(qiáng)度計(jì)算
許用應(yīng)力 材料正常工作容許采用的最高應(yīng)力，由極限應(yīng)力除以安全系數(shù)求得。
塑性材料 []= ； 脆性材料 []=
其中稱為安全系數(shù)，且大于1。
強(qiáng)度條件：構(gòu)件工作時的最大工作應(yīng)力不得超過材料的許用應(yīng)力。
對軸向拉伸（壓縮）桿件
（3-9）
按式（3-9）可進(jìn)行強(qiáng)度校核、截面設(shè)計(jì)、確定許克載荷等三類強(qiáng)度計(jì)算。
3.5許用應(yīng)力、安全系數(shù)和強(qiáng)度條件
由脆性材料制成的構(gòu)件，在拉力作用下，當(dāng)變形很小時就會突然斷裂，脆性材料斷裂時的應(yīng)力即強(qiáng)度極限σb；塑性材料制成的構(gòu)件，在拉斷之前已出現(xiàn)塑性變形，在不考慮塑性變形力學(xué)設(shè)計(jì)方法的情況下，考慮到構(gòu)件不能保持原有的形狀和尺寸，故認(rèn)為它已不能正常工作，塑性材料到達(dá)屈服時的應(yīng)力即屈服極限σs。脆性材料的強(qiáng)度極限σb、塑性材料屈服極限σs稱為構(gòu)件失效的極限應(yīng)力。為保證構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度，構(gòu)件在外力作用下的最大工作應(yīng)力必須小于材料的極限應(yīng)力。在強(qiáng)度計(jì)算中，把材料的極限應(yīng)力除以一個大于1的系數(shù)n（稱為安全系數(shù)），作為構(gòu)件工作時所允許的最大應(yīng)力，稱為材料的許用應(yīng)力，以[σ]表示。對于脆性材料，許用應(yīng)力
（3-10）
對于塑性材料，許用應(yīng)力
（3-11）
其中、分別為脆性材料、塑性材料對應(yīng)的安全系數(shù)。
安全系數(shù)的確定除了要考慮載荷變化，構(gòu)件加工精度不同，計(jì)算差異，工作環(huán)境的變化等因素外，還要考慮材料的性能差異（塑性材料或脆性材料）及材質(zhì)的均勻性，以及構(gòu)件在設(shè)備中的重要性，損壞后造成后果的嚴(yán)重程度。
安全系數(shù)的選取，必須體現(xiàn)既安全又經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)思想，通常由國家有關(guān)部門制訂，公布在有關(guān)的規(guī)范中供設(shè)計(jì)時參考，一般在靜載下，對塑性材料可??；脆性材料均勻性差，且斷裂突然發(fā)生，有更大的危險性，所以取，甚至取到5~9。
為了保證構(gòu)件在外力作用下安全可靠地工作，必須使構(gòu)件的最大工作應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，即
（3-12）
上式就是桿件受軸向拉伸或壓縮時的強(qiáng)度條件。根據(jù)這一強(qiáng)度條件，可以進(jìn)行桿件如下三方面的計(jì)算。
1．強(qiáng)度校核 已知桿件的尺寸、所受載荷和材料的許用應(yīng)力，直接應(yīng)用（3-12）式，驗(yàn)算桿件是否滿足強(qiáng)度條件。
2．截面設(shè)計(jì) 已知桿件所受載荷和材料的許用應(yīng)力，將公式（3-12）改成，由強(qiáng)度條件確定桿件所需的橫截面面積。
3．許用載荷的確定 已知桿件的橫截面尺寸和材料的許用應(yīng)力，由強(qiáng)度條件確定桿件所能承受的最大軸力，最后通過靜力學(xué)平衡方程算出桿件所能承擔(dān)的最大許可載荷。
第四章 抽油機(jī)的規(guī)范
為了確保抽油機(jī)使用中的安全，抽油機(jī)關(guān)鍵部件應(yīng)遵守下列要求：
1）要求確認(rèn)適用于井底泵的起重能力；
2)由于在油井的結(jié)構(gòu)、摩擦和動態(tài)加載，潛在額外負(fù)荷；
3)對游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)負(fù)荷能力的要求，以適應(yīng)抽油桿的重量和額外負(fù)荷；
4.1 除游梁外所有構(gòu)件的設(shè)計(jì)載荷
除非另有規(guī)定，抽油機(jī)的所有幾何尺寸，都通過檢查抽油機(jī)的上沖程，上述不敬愛呢在曲柄的每個15度位置時的載荷，確認(rèn)為在不見上的最大載荷。
曲柄所有上沖程位置，應(yīng)使用光桿載荷，PR。
對于具有雙向旋轉(zhuǎn)和非對稱扭矩系數(shù)的抽油機(jī)，設(shè)計(jì)計(jì)算用的旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)是其結(jié)果能在結(jié)構(gòu)部件上產(chǎn)生最大載荷的方向。而且應(yīng)適當(dāng)考慮作用在所有結(jié)構(gòu)軸承和支承軸承的結(jié)構(gòu)件上承載的方向。
4.2除游梁、軸承軸和曲柄外，所有結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)力
許用應(yīng)力登記時一下考慮應(yīng)力上升的簡單應(yīng)力為基礎(chǔ)的。當(dāng)發(fā)生應(yīng)力上升時，適當(dāng)?shù)膽?yīng)使用應(yīng)力集中系數(shù)。
所有結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)力，應(yīng)是其材料屈服強(qiáng)度的函數(shù)，。
承受簡單的拉伸、壓縮和不可恢復(fù)的彎曲的部件應(yīng)是具有0.3 S y的極限應(yīng)力。如拉伸部件在臨界區(qū)發(fā)生應(yīng)力上升，極限應(yīng)力應(yīng)為0.25 S y。
承受可恢復(fù)彎曲的部件應(yīng)具有0.2 S y的極限應(yīng)力。
下列公式（1）可用于所有起立柱作用的部件：
式中：P=W2 = S y
W2 =作用于立柱上的最大載荷，lb；
a =橫截面積的面積，in2；
S y =材料的屈服強(qiáng)度，lb/ in2；
n =端部限制常數(shù)，假設(shè)為1；
E =彈性模量，lb/ in2；
l =l立柱的無支承長度，in；
r =截面回轉(zhuǎn)半徑，in；
（l/r）=應(yīng)限定在對大為90，當(dāng)（l/r）的值等于或小于30時，可以假設(shè)立柱處于簡單的壓縮狀態(tài)。
4.3游梁額定設(shè)計(jì)載荷
一下公式（2）可以用來確定通常游梁的額定值，如圖1所示：式中：
W =光桿載荷的游梁額定值，lb；
fcb =彎曲時許用的壓應(yīng)力，lb/ in2（見表1最大許用應(yīng)力）；
S x =游梁的截面模數(shù)，in3。除了在臨界區(qū)中的拉緊輪緣上不允許有孔或焊縫外可以使異相型橫梁的總截面（見圖1）；
圖解：
1.拉緊輪緣的臨界區(qū)； 3.均衡器軸承；
2.支架軸承； 4.驢頭
圖1 游梁的單元
A =從游梁支架軸承中心線到光桿中心的距離，in（見圖1）。
式（2）是以使用單梁軋制鋼材的通常游梁式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。對于軋制的游梁總截面可用于確定截面模量，但是，在拉緊輪緣的臨界區(qū)上不允許有孔或焊縫（見圖1）。
非通常的結(jié)構(gòu)或構(gòu)建的部件，應(yīng)考慮到載荷的變化，以檢查所有臨界區(qū)的應(yīng)力，而適當(dāng)?shù)胤綉?yīng)包含應(yīng)力集中系數(shù)。
圖1游梁的單元
4.4游梁上的最大許用應(yīng)力
在式（2）給出游梁的額定值計(jì)算，最大許用應(yīng)力fcb可以從表1來確定。對于其橫截面與水平中性軸線對稱的標(biāo)準(zhǔn)軋制橫梁，能把臨界應(yīng)力壓入下輪緣中。該應(yīng)力的最大值fcb是從表1中的第3和第4行較小的值確定的。
表1 結(jié)構(gòu)鋼的抽油機(jī)游梁上的最大許用應(yīng)力（見圖1）
行號
應(yīng)力
符號
數(shù)值
1
材料規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度
Sy
36.000psi
2
彎曲時極限纖維拉伸應(yīng)力
ftb
11000psi
3
彎曲時極限纖維壓縮應(yīng)力（不得超過第4行的值）
fcb
4
彎曲時最大壓縮應(yīng)力，第3行上公式限定的情況除外
fcb
11000psi
式中：
J1 =扭矩常數(shù)，in4；
l = 游梁最長的橫向不支撐長度，in{C或A的較大值（見圖1）}；
E =彈性模量，29000000psi;
ly =慣性的弱軸線力矩，in4；
Gr =剪切模量11200000和
Sx =截面模量，in3；
第五章pro/e建模和ansysy有限元計(jì)算
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design）是由計(jì)算機(jī)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的計(jì)算、分析、模擬、制圖、編制技術(shù)文件等工作,由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)人員完成產(chǎn)品的全部設(shè)計(jì)過程,最后輸出滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果和產(chǎn)品圖紙的一種機(jī)械設(shè)計(jì)方法。它是最近幾十年來迅速發(fā)展起來并得到廣泛應(yīng)用的多學(xué)科綜性的新技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用適應(yīng)了當(dāng)前產(chǎn)品需提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,快速更新?lián)Q代的需求。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)從上世紀(jì)50年代末，伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的增強(qiáng)和儲存管式圖形顯示技術(shù)的出現(xiàn)而產(chǎn)生。如今CAD技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了60多年，并且正以強(qiáng)大的沖擊力，影響改變著工業(yè)生產(chǎn)，直至社會的各個方面，使傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程、工業(yè)技術(shù)方法發(fā)生了深刻的變革。常見的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件可以分為二維軟件與三維軟件兩種，它們在功能與效率上相差很大。
Pro/e和ansys軟件作為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中非常重要的三維設(shè)計(jì)軟件，它所具有的功能是計(jì)算機(jī)發(fā)揮輔助設(shè)計(jì)功能、提高設(shè)計(jì)效率的重要基礎(chǔ)。
5.1 pro/e在機(jī)械制造中的應(yīng)用
經(jīng)過漫長的發(fā)展歲月，產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段在不斷地提高，不斷進(jìn)步，不斷成熟。從最早的手工繪圖，到現(xiàn)在的廣泛的使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并且以后還會有更先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段出現(xiàn)。為了提高計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的效果和節(jié)約設(shè)計(jì)成本和加工時間，我們做了這個關(guān)于PRO/ENGINEER技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用的畢業(yè)設(shè)計(jì)，主要從PRO/ENGINEER的參數(shù)化設(shè)計(jì)，有限元分析，動態(tài)仿真，逆向工程等方面闡述了PRO/ENGINEER在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用價值及應(yīng)用前景。本文介紹與應(yīng)用了PRO/ENGINEER造型設(shè)計(jì)中的參數(shù)化設(shè)計(jì)方式，涉及到了孔特征、倒圓角、螺旋掃描、陣列特征等的設(shè)計(jì)方法。然后通過PRO/ENGINEER的組件的應(yīng)用程序里的機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)動態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，模擬裝配，模擬運(yùn)行等過程，充分體現(xiàn)了PRO/ENGINEER在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用價值及應(yīng)用前景，并且結(jié)合了相關(guān)的資料討論了一下三維設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。
1、Pro/e軟件與傳統(tǒng)二維計(jì)算機(jī)輔助軟件的比較
傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要是提供方便的設(shè)計(jì)工具和手段來輔助設(shè)計(jì), 缺乏分析問題和解決問題的能力, 適用于解決算法型或確定型的任務(wù)問題。近幾年來, 為了克服傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的不足, 人們將人工智能和專家系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng), 進(jìn)行了智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究。眾所周知, 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)不但涉及到一系列的計(jì)算公式、許多的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以及制圖技術(shù), 而且還要用到許多非數(shù)值的經(jīng)驗(yàn)性知識, 如開始的概念設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)則要求設(shè)計(jì)專家憑借知識和經(jīng)驗(yàn)來思考、推理和判斷； 而設(shè)計(jì)過程最一個從“設(shè)計(jì)- 評價- 再設(shè)計(jì)直到產(chǎn)生最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果”的反復(fù)過程, 這就更需要設(shè)計(jì)專家具有一定的知識性經(jīng)驗(yàn), 也就驅(qū)使著專家系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)合。很顯然, 概念設(shè)計(jì)是整個設(shè)計(jì)過程中最重要的一個階段, 這一階段是設(shè)計(jì)創(chuàng)造性最為集中的部分, 這一部分與問題的表達(dá)和理解的正確與否, 所提方案的優(yōu)劣以及評價和決策的適當(dāng)與否等有關(guān), 它決定了最終設(shè)計(jì)的特色、水平和效益。傳統(tǒng)的二維CAD系統(tǒng)起源于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，其智能定位于圖樣繪制，沒有從本身的需求來考慮，大多數(shù)停留在電子圖版的水平。設(shè)計(jì)者用二維CAD系統(tǒng)來記錄設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)活動只活動在設(shè)計(jì)者的頭腦之中，當(dāng)設(shè)計(jì)者應(yīng)用二維CAD系統(tǒng)的時候，設(shè)計(jì)差不多已經(jīng)結(jié)束。其局限性表現(xiàn)如下：
(1) 只是一個繪圖工具而并非設(shè)計(jì)工具，不能幫助設(shè)計(jì)者定義設(shè)計(jì)關(guān)系和設(shè)計(jì)約束，更不能儲存和保持設(shè)計(jì)關(guān)系。
(2) 沒有可變型的產(chǎn)品模型。
(3) 不支持設(shè)計(jì)的全過程，只能完成繪圖等對提高企業(yè)競爭力不很重要的工作。
(4) 缺乏智力性，只記錄幾何數(shù)據(jù)，缺乏語義信息，不能有效表達(dá)設(shè)計(jì)意圖。
(5) 對產(chǎn)品缺乏完善的分析系統(tǒng)和檢索機(jī)制。
由于概念設(shè)計(jì)的重要性, 一些學(xué)者提出了基于決策的概念設(shè)計(jì)過程模型, 并且用超文本做了技術(shù)實(shí)現(xiàn)。與過去的設(shè)計(jì)方法學(xué)模型相比, 決策模型并不規(guī)定設(shè)計(jì)過程應(yīng)該怎樣,設(shè)計(jì)師自始至終控制著設(shè)計(jì)的流程, 具有更大的靈活性； 與形式化模型相比, 決策模型并不被動地模擬設(shè)計(jì)過程, 而是抽取關(guān)鍵的語義和聯(lián)系, 用以描述和支持設(shè)計(jì)過程, 與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法相比, 它不僅記錄設(shè)計(jì)的結(jié)果, 更強(qiáng)調(diào)記錄和表達(dá)設(shè)計(jì)的過程?？傊? 智能化是機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中極具有前途的研究領(lǐng)域。Pro/Engineer能較好地完成挖掘機(jī)零部件的三維造型，三維造型時常用以下方法:
① 對形狀比較規(guī)則的簡單零件，利用三維軟件自帶的標(biāo)準(zhǔn)幾何體（方形、圓柱、圓管、圓錐和球、溝槽）庫，直接生成零件實(shí)體，如方板、光軸、軸套等。
② 繪制最能反映零件基本特征的幾何草圖，經(jīng)拉伸、旋轉(zhuǎn)生成三維實(shí)體。
③ 沿路徑配置的二維幾何圖形經(jīng)掃描，蒙皮生成曲面形實(shí)體。
④ 從草圖入手建模 設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)的要求用手勾畫出理想的結(jié)構(gòu)形狀，然后賦予每一條曲線以尺寸約束或幾何約束，使曲線按照設(shè)計(jì)者的意圖去更新交換，生成參數(shù)化特征的實(shí)體建模。從草圖入手建模很容易實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)，是挖掘機(jī)最理想的建模方式。
⑤ 利用三維實(shí)體間的布爾運(yùn)算（交、并、補(bǔ)），將多個簡單零件組合成一體，生成新的實(shí)體等等，且生成的實(shí)體模型均采用參數(shù)化特征造型。
2、基于特征及參數(shù)化的設(shè)計(jì)
參數(shù)化技術(shù)是指設(shè)計(jì)對象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型, 可以用一組參數(shù)來約定尺寸的關(guān)系。多數(shù)與設(shè)計(jì)對象的控制尺寸有顯然的對應(yīng), 設(shè)計(jì)結(jié)果的修改受到尺寸驅(qū)動, 所以也稱為參數(shù)化尺寸驅(qū)動, 參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)以其強(qiáng)有力的草圖設(shè)計(jì)、尺寸驅(qū)動修改圖形的功能, 成為初始設(shè)計(jì)、產(chǎn)品建模及修改系列化設(shè)計(jì)、多方案比較和動態(tài)設(shè)計(jì)的有效手段。參數(shù)化技術(shù)的研究工作可追溯到Sutherland早期的 Sketchpad系統(tǒng), 當(dāng)時已經(jīng)提出并利用了基于幾何約束進(jìn)行設(shè)計(jì)與修改的思想。近幾年參數(shù)化技術(shù)已有不少種方法, 如變動幾何法、幾何推理法及參數(shù)化操作法等。變動幾何法將幾何約束轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗幸蕴卣鼽c(diǎn)為變元的非線性方程組, 通過數(shù)值法解非線性方程組確定出幾何細(xì)節(jié), 該方法必須用戶輸入充分且一致的幾何約束才能求出約束方程的解, 對不一致的約束模型則以進(jìn)行有效的判別與處理, 也難以有效地將局部變動限制在局部范圍求解； 幾何推理法是建立在專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 采用謂詞表示幾何約束, 通過推理機(jī)導(dǎo)出幾何細(xì)節(jié), 這種方法可以檢查約束模型的有效性, 并具有局部修改功能, 但存在著推理速度饅、系統(tǒng)龐大等問題； 參數(shù)化操作法采用參數(shù)化操作表示與處理幾何約束, 并通過與參數(shù)化操作對應(yīng)的幾何計(jì)算程序逐步確定出精確幾何模型, 該方法簡單、實(shí)用, 但難以表示與處理復(fù)雜的幾何約束。工程設(shè)計(jì)人員利用參數(shù)化技術(shù), 可以大大計(jì)提高只有幾何尺寸發(fā)生變化的零件的設(shè)計(jì)效率, 避免繁瑣的重復(fù)性工作。因此, 參數(shù)化技術(shù)已成為pro/e設(shè)計(jì)中重要的研究內(nèi)容。
以下是基于特征及參數(shù)化的設(shè)計(jì)的實(shí)例，從中我們可以加深PRO/E在產(chǎn)品構(gòu)件中的優(yōu)勢的直觀了解。
3、pro/e與動態(tài)仿真
產(chǎn)品裝配與機(jī)構(gòu)仿真是pro/e的一項(xiàng)重要功能。當(dāng)設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品組裝與機(jī)構(gòu)仿真時，能將設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖直觀的進(jìn)行表達(dá)，可以以動態(tài)的方式將產(chǎn)品進(jìn)行模擬的運(yùn)行，也能從中檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是否存在不合理的像干涉、自由度不滿足等缺陷?？傊擁?xiàng)功能對設(shè)計(jì)師提供重要幫助。 產(chǎn)品組裝與機(jī)構(gòu)仿真的一般方法：
在pro/e的裝配模塊中，對產(chǎn)品組裝與機(jī)構(gòu)仿真提供了兩種不同的裝配方法。
1．產(chǎn)品裝配的兩種方法
（1） 約束裝配
當(dāng)進(jìn)行普通產(chǎn)品裝配中，不考慮機(jī)構(gòu)運(yùn)動，或某些元件是固定不動的，那么在裝配時可采用約束條件進(jìn)行裝配。
（2） 連接裝配
當(dāng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真時，其機(jī)構(gòu)組裝必須考慮到哪些元件是運(yùn)動的，哪些元件是固定不動的，對運(yùn)動的元件要采用連接條件進(jìn)行裝配。
其中約束裝配僅僅時按系統(tǒng)提供的方式，將機(jī)構(gòu)各元件按一定的連接方式進(jìn)行組裝。這樣得到的只是一個相對直觀的產(chǎn)品外觀的展示。而要想實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的動態(tài)仿真，各元件的連接方式就必須采用“連接裝配”。因?yàn)橄到y(tǒng)中所提供的連接方式具有不同的自由度，在裝配過程中就要按照自己的裝配關(guān)系意圖，再采用相應(yīng)的連接方式。這樣“應(yīng)用程序”中的“機(jī)構(gòu)”分析模塊中才能定義各種伺服電機(jī)的參數(shù)，得到預(yù)期的動態(tài)仿真過程。
5.2 ansys在石油機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
在現(xiàn)代化的石油機(jī)械與壓力容器設(shè)計(jì)工業(yè)中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)愈來愈精細(xì)、復(fù)雜，市場競爭要求石油機(jī)械與壓力容器設(shè)備的性能指標(biāo)大幅度提高，而ANSYS這樣的CAE工具，在許多方面為石油石化企業(yè)保持競爭優(yōu)勢提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保證。ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類軟件，是美國機(jī)械工程師協(xié)會（ASME）、美國核安全局（NQA）及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在國內(nèi)第一個通過了中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會的認(rèn)證并在國務(wù)院十七個部委推廣使用。
1、抽油機(jī)設(shè)計(jì)
對于抽油機(jī)設(shè)計(jì)中諸如：抽油機(jī)總成、支架、游梁曲柄連桿機(jī)構(gòu)、動力裝置以及各個零部件的設(shè)計(jì)等，ANSYS 都可以發(fā)揮出其分析計(jì)算優(yōu)勢，使得設(shè)計(jì)的各部件尺寸合適、性能最佳，達(dá)到提高抽油機(jī)產(chǎn)品性能，降低生產(chǎn)成本的目的。
圖3 采用ANSYS 的靜力及屈曲分析功能對游梁式抽油機(jī)支架的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性進(jìn)行分析
2、高壓閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
ANSYS 程序提供了兩種優(yōu)化的方法：零階和一階方法。零階方法是一個很完善的處理方法，可以很有效地處理大多數(shù)的工程問題。一階方法基于目標(biāo)函數(shù)對設(shè)計(jì)變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優(yōu)化分析。這兩種方法可以處理絕大多數(shù)的優(yōu)化問題。
對于這兩種方法，ANSYS 程序提供了一系列的分析——評估——修正的循環(huán)過程。就是對于初始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對分析結(jié)果就設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評估，然后修正設(shè)計(jì)。這一循環(huán)過程重復(fù)進(jìn)行直到所有的設(shè)計(jì)要求都滿足為止。除了以上兩種優(yōu)化方法，ANSYS 程序還提供了一系列的優(yōu)化工具以提高優(yōu)化過程的效率。例如，隨機(jī)優(yōu)化分析的迭代次數(shù)是可以指定的。隨機(jī)計(jì)算結(jié)果的初始值可以作為優(yōu)化過程的起點(diǎn)數(shù)值。
油田生產(chǎn)中使用的一種大通徑高壓閥門，其設(shè)計(jì)通徑達(dá)82mm，使用內(nèi)壓16MPa，為保證安全，根據(jù)設(shè)計(jì)方要求，針對該閥門的設(shè)計(jì)原型進(jìn)行了三維有限元強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過ANSYS 分析使得優(yōu)化后的閥門最大應(yīng)力降低達(dá)20％。下圖給出ANSYS 計(jì)算結(jié)果。
圖4 井口高壓閥門應(yīng)力分析與優(yōu)化
3、恒流量往復(fù)泵凸輪傳動機(jī)構(gòu)凸輪副接觸應(yīng)力計(jì)算
ANSYS 的疲勞與蠕變分析功能能解決常值載荷或常值位移作用下元器件的非線性變形或松弛，確定在周期載荷、隨機(jī)載荷以及變化的熱場作用下部件或整體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，程序提供了超彈性、多線性、Anand 模型、粘彈性、超塑性等材料模式。
某型號油田鉆井泵傳動機(jī)構(gòu)的凸輪副曾經(jīng)一度出現(xiàn)短期損壞，嚴(yán)重影響了油田生產(chǎn)，采用ANSYS 仿真分析技術(shù)對凸輪傳動機(jī)構(gòu)以及凸輪副的接觸應(yīng)力進(jìn)行了分析，并對凸輪副進(jìn)行相應(yīng)的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地解決了凸輪副短期失效問題。圖5 凸輪副接觸應(yīng)力。
圖5 凸輪副接觸應(yīng)力
4、真空過濾器
揚(yáng)子石化設(shè)計(jì)的真空過濾器長度為2774mm，最大外經(jīng)Φ1700mm，過濾器之上分布3570個Φ28mm 的濾孔。結(jié)構(gòu)為薄殼網(wǎng)狀筒形，過濾器在自重、物料重及真空度作用下承受扭矩。為保證過濾器安全，由石油大學(xué)采用ANSYS 對過濾器進(jìn)行變形與剛度分析，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。分析模塊：結(jié)構(gòu)分析。單元類型：典型薄殼，選擇SHELL93、SHELL63 單元。圖6-6 給出建模與計(jì)算結(jié)果。
圖6 真空過濾器建模與計(jì)算結(jié)果
5、同軸式反應(yīng)－再生器
催化兩器－反應(yīng)再生器是煉廠關(guān)鍵設(shè)備之一，近幾年來催化兩器曾發(fā)生過多起裂紋引起的失效案例。為了降低兩器設(shè)計(jì)應(yīng)力水平，提高安全度，采用ANSYS 的熱分析與結(jié)構(gòu)分析以及耦合模塊，對同軸式反應(yīng)－再生器的整體結(jié)構(gòu)、封頭、筒體、裙座、封頭、人孔與接管等部位進(jìn)行了全面溫度場模擬與結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，并進(jìn)行了適當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸改變，達(dá)到了減低工作應(yīng)力的目的。以下給出計(jì)算結(jié)果。
圖7、ANSYS 同軸式反應(yīng)－再生器分析結(jié)果
6、預(yù)處理塔應(yīng)力及疲勞分析
ANSYS 對預(yù)處理塔進(jìn)行應(yīng)力與疲勞分析的計(jì)算結(jié)果見下圖。
圖8 ANSYS 預(yù)處理塔應(yīng)力及疲勞分析
7、換熱器應(yīng)力分析
ANSYS 對換熱器的管板、封頭、波紋管等部件進(jìn)行溫度與應(yīng)力分析，分析結(jié)果見下圖。
圖9、ANSYS換熱器應(yīng)力分析
8、焊接過程殘余應(yīng)力分析
機(jī)械裝備與壓力容器多用焊接結(jié)構(gòu)連接，ANSYS的“單元死活技術(shù)”、和“相變分析技術(shù)”為焊接過程的模擬提供了完善的解決方案。單元死活技術(shù)可以模擬材料的去除與添加過程，隨焊縫中焊料的不斷加入，可不斷激活相應(yīng)的部分單元，使其參與傳熱承載相變分析可準(zhǔn)確地模擬焊料由液相到固相的過程，待計(jì)算到焊縫中的焊料全部冷卻凝固，即可以得到焊接件的殘余應(yīng)力和變形；改變單元激活的步驟及時間，即可得到不同的焊接工藝的焊接結(jié)果，從而為焊接過程的優(yōu)化提供依據(jù)。
圖10ANSYS進(jìn)行的焊縫應(yīng)力分析，分析中采用了“死活單元”技術(shù)
9、疲勞與剩余強(qiáng)度分析
ANSYS 具有功能強(qiáng)大的疲勞分析能力，疲勞分析具有以下特點(diǎn)：
·方便的用戶操作面板
·豐富的材料數(shù)據(jù)庫
·多種的載荷歷史組合方式
·考慮多種影響疲勞壽命的因素
·豐富的疲勞分析模型
·分析結(jié)果的3D 顯示
圖11 ANSYS 容器接管疲勞分析
圖12 ANSYS 連接件接預(yù)緊疲勞分析 圖13 ANSYS 階梯軸斷裂疲勞分析
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