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前言
API偏置抽油機設(shè)計:RM912D-427-144
前言
目前，采油方法有自噴采油法和機械采油法。自噴采油法的特點是利用地層本身的能量來舉升原油。隨著油田的不斷開發(fā)，地層能量逐漸消耗。為了保證原油的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，這些油井不能繼續(xù)用自噴法開采 。同時，有一些油井一開始就不能自噴。對于上述這些不能自噴的油井，就必須用機械采油法進行開采。機械采油法又分為氣舉法和抽油法兩種。氣舉法的特點是利用壓縮氣體的能量，把原油提升到地面；而抽油法的特點是將各種結(jié)構(gòu)的泵放到井下抽油，所以抽油法又叫泵法。從國外石油最發(fā)達的國家來看，用抽油法開采的井數(shù)占絕對多數(shù)，約80%左右，而抽油法所開采的原油占半數(shù)以上。由于我國油田的發(fā)展特點（處于開發(fā)初期和中期，采用注水措施），目前，無論在生產(chǎn)井數(shù)方面還是在原油總產(chǎn)量方面，自噴法都占相當大的比重。但從原油的發(fā)展趨勢來看，采用機械采油法，特別是使用抽油法的井數(shù)和產(chǎn)量都在增加，在一些老油井，幾乎全用抽油法采油。
用抽油法開采，國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的抽油設(shè)備是游梁式抽油機或稱作有桿抽油設(shè)備。API（美國石油協(xié)會）抽油機規(guī)范（API SPEC 11E） 中游梁式抽油機的種類有四種，它們分別是：常規(guī)型抽油機、異相曲柄平衡抽油機、前置式氣平衡抽油機、前置式曲柄平衡抽油機。它的結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維修方便。游梁式抽油機有以下幾部分組成：電動機、減速箱、四連桿機構(gòu)。電動機通過三角皮帶傳動帶動減速箱。減速后，由四連桿機構(gòu)（曲柄、連桿、游梁、橫梁）把減速箱的輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橛瘟后H頭的往復(fù)運動。
抽油機在油田的開采作業(yè)中具有不可替代的作用，是構(gòu)成“三抽”即：抽油機.抽油桿和抽油泵的一部分。抽油機的工作條件比較惡劣，全天候常年野外連續(xù)運轉(zhuǎn)，而且絕大多數(shù)時間處于無人監(jiān)護狀態(tài)。因此要求抽油機具有良好的可靠性、耐久性；同時還要具有性能領(lǐng)域?qū)?、調(diào)節(jié)范圍大、能源消耗低、易損件少、維護保養(yǎng)方便，對環(huán)境適應(yīng)性強的特點。
近年來抽油機正在向低能耗、長沖程、高精度、自動化和智能化方向發(fā)展。特別是由于油井動液面的下降，長沖程、低沖次的抽油機更是得到了推廣與發(fā)展。
1 概述
1.1 選題背景
游梁式抽油機結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、使用維護方便、適應(yīng)現(xiàn)場工況等優(yōu)點.在采油機械中，具有舉足輕重的地位。在今后相當長的時間內(nèi)仍將是油田的首選設(shè)備.但是由于常規(guī)型抽油機機本身的結(jié)構(gòu)特征。決定了它平衡效果差、曲柄凈扭矩脈動大、存在負扭矩、載荷率低、工作效率低和能耗大等缺點。在采油成本中，抽油機電費占30%左右，年耗電量占油田總耗電量的20%～30%，為油田電耗的第一位，僅次于注水。自從1985年第一臺異相曲柄平衡游梁抽油機(簡稱異相機)應(yīng)用以來，國內(nèi)各大油田開始重視抽油機的節(jié)能工作。
1.2 研究目的及其意義
常規(guī)型抽油機受到四桿機構(gòu)的限制，游梁擺角不能過大，導(dǎo)致整機質(zhì)量偏重，體積偏大。偏置式游梁抽油機是在常規(guī)型抽油機的基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化四連桿機構(gòu)的幾何尺寸，優(yōu)化了平衡重的夾角，改變了平衡重的相位角而產(chǎn)生的一種新型的抽油機。通過平衡重在曲柄軸上產(chǎn)生的扭矩與懸點負載在曲柄軸上產(chǎn)生的扭矩相平衡，使抽油機運轉(zhuǎn)時峰值扭矩和峰值電流都有較大幅度的降低，從而達到節(jié)能的目的。
1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向
游梁式抽油機的產(chǎn)生和使用由來已久，早在120年前就誕生了，目前，世界各個產(chǎn)油國仍在大面積的廣泛應(yīng)用。美國擁有40萬臺，前蘇聯(lián)擁有4萬臺，我國擁有2. 7萬臺，僅大慶油田，在用的游梁式抽油機就有一萬余臺。一百多年來，游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)和原理沒有實質(zhì)性變化。結(jié)構(gòu)簡單，易損件少，可靠性高，耐久性好，操作維修方便，這些優(yōu)點是游梁式抽油機歷經(jīng)百年而經(jīng)久不衰的原因。
美國生產(chǎn)游梁式抽油機的公司有十幾家，品種復(fù)雜，型式繁多，其中技術(shù)先進、實力雄厚的LUFKIN公司為權(quán)威。前置式抽油機主要由LUFKIN公司生產(chǎn)，該公司生產(chǎn)的馬克型前置式抽油機共有八個系列46個品種。馬克型前置式抽油機上沖程曲柄轉(zhuǎn)角195度，下沖程為165度，從而降低扭矩峰值。該機上沖程開始比油井負荷扭矩滯后7.5度，下沖程開始扭矩比油井負荷提前7.5度，從而提高平衡效果，該機較同級常規(guī)型抽油機節(jié)能34.99%。此外，LUFKIN公司還生產(chǎn)前置式氣平衡抽油機，該機比同級常規(guī)抽油機外形尺寸小35%，整機重量輕40%，共有26種規(guī)格。CM工公
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概述
司生產(chǎn)偏置式抽油機，偏置式抽油機又稱異向曲柄抽油機，或稱后置式抽油機，或稱托馬斯特(TM)抽油機，簡稱TM抽油機。這種抽油機的技術(shù)經(jīng)濟指標優(yōu)越，深受用戶歡迎。該機特點在于連桿與游梁之間夾角始終為90度，曲柄轉(zhuǎn)角上沖程為192度，下沖程為168度，慣性負荷小，峰值扭矩小，比同級常規(guī)抽油機小60%，該機游梁支架與減速器底座直接連接，改善了整體受力。
加拿大主要生產(chǎn)抽油機的廠商是雷姆斯有限公司，該公司主要生產(chǎn)常規(guī)式、前置式、偏置式游梁抽油機。前蘇聯(lián)游梁式抽油機共有9個系列22種型號，平衡方式全部采用復(fù)合平衡或曲柄平衡，重型采用氣動平衡。為縮小尺寸，近年來將曲柄半徑與驢頭擺動半徑比從0.4增大到0.6。
我國的抽油機制造業(yè)已有40多年的歷史，經(jīng)過了進口修配，仿制試制，設(shè)計研制三個階段。1980年開始自行設(shè)計，研究制造國產(chǎn)抽油機，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，不僅自給自足，而且還部分出口。蘭石廠是我國生產(chǎn)抽油機的主要廠家，按國內(nèi)技術(shù)生產(chǎn)的常規(guī)游梁式抽油機共11種規(guī)格，蘭石廠和寶石廠是我國生產(chǎn)前置式抽油機批量最大的廠家，目前已生產(chǎn)該機500萬余臺。1986年蘭石所研制成功CYJS-2.5-26HB前置式氣動平衡抽油機，它是我國第一臺前置式氣平衡抽油機，試驗結(jié)果表明，該機比同級常規(guī)抽油機節(jié)能28.15%。泵效提高10%～20%。同年與四川鉆采設(shè)備廠共同研究成功CYJY3-1.4-7HB型偏置式抽油機，它是我國第一臺偏置式抽油機，目前共有6種規(guī)格。然后又研制成功了CYJY12-46-73HB型、CYJY12-42-73HB型和CYJY10-3-53HB型偏置式抽油機。
試驗表明:這種抽油機比同級常規(guī)型抽油節(jié)能11%～19.4%，生產(chǎn)能力提高27%。江漢石油學(xué)院和第四石油機械廠經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，將常規(guī)抽油機改造成偏置式抽油機，該機縮短了曲柄半徑和游梁后臂，使極位夾角大于0度，并將對稱曲柄改成后置曲柄，同時改變抽油機減速器的旋轉(zhuǎn)方向，試驗結(jié)果表明，這種抽油機比改造前節(jié)能10%～17%，產(chǎn)液能力提高6%。
1.4 游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)分析和指導(dǎo)思想
由于常規(guī)游梁式抽油機的上述優(yōu)勢，使得它能在國內(nèi)外各油田廣泛使用。但是，在長期的生產(chǎn)使用中，油田的經(jīng)營者發(fā)現(xiàn)，它無法解決:平衡效果差、載荷率低、工作效率低、“大馬拉小車”、能耗高的缺點。為了追求開采效益最大化，以最少的投入來換取最大的回報，開發(fā)節(jié)能高效的新型抽油設(shè)備就成了油田生產(chǎn)經(jīng)營者和抽油機設(shè)備生產(chǎn)廠致力追求的目標，這就是其發(fā)展的動力。國內(nèi)在節(jié)能抽油機的研制開發(fā)上，20世紀80、90年代出現(xiàn)了高峰。 游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構(gòu)，其整機結(jié)構(gòu)特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩大小基本相等或方向變化相反，那么用很小的動力就可以使抽油機連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。平衡率越低，則需要電動機提供的動力越大。正因為抽油載荷每時每刻都在變化，而平衡重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機的節(jié)能技術(shù)變得很復(fù)雜。在游梁式抽油機的平衡技術(shù)方面，傳統(tǒng)的方法有三種:一是在曲柄上加上平衡塊，即曲柄平衡；二是在游梁尾端加上平衡塊，即游梁平衡;三是在曲柄和游梁尾端都加上平衡塊，即復(fù)合平衡。這三種平衡方式形成的平衡扭矩曲線都是規(guī)則曲線，而抽油載荷扭矩曲線是非規(guī)則曲線，其疊加曲線存在較大的峰值和負扭矩。克服這一難題，就是游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)所要攻克的對象
1.5 方案論證
隨著我國油田的進一步開發(fā)，由于采油成本的不斷提高和電價的上調(diào)，如何降低抽油機的能耗已引起人民的高度重視。各種研究抽油機的節(jié)能途徑歸納起來可分為兩種： 一是改變抽油機的結(jié)構(gòu)直接降低抽油機的扭矩因數(shù)，已降低抽油機的工作扭矩及其波動，實現(xiàn)節(jié)能，如偏置式抽油機、雙驢頭抽油機等；另一種是改變抽油機的平衡方式，以降低減速器輸出軸的扭矩，達到節(jié)能的目的，如大輪式抽油機，二次平衡抽油機。
抽油機節(jié)能工作的開展大致包括兩個方面：一是開發(fā)設(shè)計新型技能抽油機；二是對抽油機進行節(jié)能改造。目前，油田非自噴井采油廣泛使用游梁式曲柄平衡抽油機。游梁式抽油機因有結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)、性能可靠等優(yōu)勢而在各油田廣泛應(yīng)用, 但其能耗大、工作效率低, 所以降低抽油機能耗, 提高抽油機的工作效率具有重要意義。
目前，油田非自噴井采油廣泛使用游梁式曲柄平衡抽油機。游梁式抽油機因有結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)、性能可靠等優(yōu)勢而在各油田廣泛應(yīng)用, 但其能耗大、工作效率低, 所以降低抽油機能耗, 提高抽油機的工作效率具有重要意義。為了減小抽油機的功率，更進一步的節(jié)約能源，需要一種替代抽油機來應(yīng)用于油田上的采油生產(chǎn)。為此，本設(shè)計針對這樣的特點，對一般的游梁式抽油機做了改進設(shè)計。偏置型游梁式抽油機同常規(guī)型抽油機主要有二方面不同：1減速器背離支架后移，增大減速器輸出軸中心與游梁擺動中心之間水平距離，形成較大的極位夾角（即驢頭上、下死點與連桿中心線之間夾角）；2平衡塊重心與曲柄軸中心連線和曲柄銷中心與曲柄軸中心連線之間有個平衡相位角，這種抽油機曲柄均為順時針轉(zhuǎn)動，因此平衡重總是滯后一個角。由于有較大的極位夾角，一般12度左右，使得抽油機上沖程時曲柄轉(zhuǎn)過角度增加12度為192度，下沖程減小12度為168度，當曲柄轉(zhuǎn)速不變時，懸點上沖程時間就大于下沖程時間，因此懸點上沖程的加速度和動載荷減小，由于平衡相位角改變了平衡效果，從而使減速器的最大扭矩峰值降低，扭矩變化較均勻，電動機所需功率較小，在一定情況下有節(jié)能效果
本設(shè)計的特點是根據(jù)常規(guī)型抽油機的特點，設(shè)計了偏置型曲柄平衡式抽油機。所設(shè)計的抽油機有原始的數(shù)據(jù)和給定的幾何參數(shù)，還有參考資料和圖例，在這基礎(chǔ)上對常規(guī)型抽油機進行了改進并對抽油機的四連桿機構(gòu)進行幾何、運動、動力學(xué)上的計算和對主要部件進行校核計算。
游梁抽油機的基本參數(shù)和分類
2 偏置型抽油機工作原理與節(jié)能原理
2.1 工作原理
抽油機的電動機通過V帶和減速器帶動曲柄做旋轉(zhuǎn)運動。曲柄—連桿—游梁—支承架四桿機構(gòu)將這一運動轉(zhuǎn)化為驢頭的變速上下往復(fù)運動，通過鋼絲繩和抽油桿帶動抽油泵柱塞做變速的上下往復(fù)運動，實現(xiàn)油井開采。
2.2 偏置型游梁抽油機特點
（1）曲柄中心線和平衡重中心線偏離一個相位角τ。
（2）曲柄軸中心線至中央軸承座中心水平距離I大于游梁后臂長度C，兩者差接近于曲柄半徑R，即I-C≈R。結(jié)構(gòu)上看，加大了力臂減小了連桿拉力，增大抽油機最大承載能力，扭矩因數(shù)下降。這種結(jié)構(gòu)特點使游梁在上下死點時，連桿兩個位置之間存在一個相位夾角，這種機構(gòu)具有急回特性。
（3）曲柄順時針方向旋轉(zhuǎn)，保證上沖程時間長.下沖程時間短。
2.3 節(jié)能原理
（1）抽油機的負載狀況影響抽油機的能耗。常規(guī)型抽油機加在曲柄的凈扭矩成周期變化，有時對電機做功，這樣的負載不利于普通電動機的正常工作，是電機高能耗原因。
（2）普通異步電動機具有硬特性，適宜拖動均勻負載。常規(guī)型抽油機的負載狀況不理想，就形成了它能耗高特性，而偏置型抽油機在這方面得到改進。
（3）抽油機工作時曲柄凈扭矩的波動由懸點載荷與加速度變化引起。通過改變抽油機桿件尺寸的配比，使運動規(guī)律改變，減小工作扭矩曲線的峰值。在保證沖次不變的情況下，加長上沖程時間，減少上沖程前半段的加速度變化幅度，使扭矩峰值減?。煌砜梢允构ぷ飨路逯导哟?。同時可以改變工作扭矩的形狀。偏置型抽油機通過在曲柄上的偏置角的引入，有利于減少電動機的額定功率，達到二者更好的匹配，也可以改善桿件受力情況。
抽油機的尺寸規(guī)劃及結(jié)構(gòu)
3 抽油機的尺寸規(guī)劃及結(jié)構(gòu)
游梁式抽油機四連桿機構(gòu)的尺寸決定了其運動性能、動力性能及其能耗。長期以來，游梁式抽油機四連桿機構(gòu)尺寸的確定成為許多學(xué)者和設(shè)計人員的研究對象。
圖1為游梁式抽油機四連桿機構(gòu)的尺寸示意圖，在圖中，H為抽油機底座底平面至支架軸承中心的高度，它取決于抽油機的最大沖程長度，并決定抽油機的高度，其具體計算方法是：
H=S max＋H c＋H h ＋0.2～0.25 （m）
式中， S max——最大沖程長度 （m）；
H c——井口裝置高度 （m），一般為：1.2～1.5（m）；
H h——懸繩器高度 （m），一般為：0.35～0.4（m）。
A為游梁前臂長度，其大小取決于沖程長度和游梁的擺角，值得說明的是，前蘇聯(lián)和我國都是采用大擺角（約1弧度），而美國則是采用小擺角（一般為44°～46°），大擺角抽油機的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，但動力性能差，扭矩特性差，能耗高；大小擺角抽油機的特點是結(jié)構(gòu)龐大，但動力性能好，扭矩特性好，能耗低。在本次設(shè)計中，采用游梁小擺角設(shè)計。具體來說，當沖程長度小于4.2m（含4.2m）時，游梁的擺角為44°～46°；當沖程長度大于4.2m時，游梁的擺角為51°～53°。G為減速器輸出軸中心線至底座底平面的距離，其大小決定了抽油機曲柄的長短，從而影響平衡塊的重量，G越大，曲柄長度越長，在同一平衡扭矩的條件下，平衡塊越輕。曲柄連桿機構(gòu)其尺寸的大小及分配決定了抽油機的運動性能、動力性能及其能耗。
目前，最常用的游梁式抽油機采用機械方式，它具有前、后臂。它主要有游梁、驢頭、橫梁、連桿、曲柄、減速箱、制動機構(gòu)、支架、撬座、懸繩器以及平衡重等組成。總的說來，游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)較簡單，下面著重分析它的主要組成部分。
3.1 驢頭
驢頭的作用是將游梁的往復(fù)擺動轉(zhuǎn)化為吊繩的上下直線運動。從機構(gòu)學(xué)來講，它是一種繩輪機構(gòu)。我國抽油機驢頭常用的結(jié)構(gòu)型式有上翻式、側(cè)轉(zhuǎn)式及重力式三種，國外抽油機的驢頭多采用懸掛式驢頭。這種驢頭的結(jié)構(gòu)特點是制作比較簡單，易于安裝，可靠性高，最大的缺點是在修井作業(yè)時，必須將整個驢頭卸下，操作工作量大。本次設(shè)計采用側(cè)轉(zhuǎn)式驢頭結(jié)構(gòu)型式。它是用鋼板組焊而成的一個箱形結(jié)構(gòu)，其厚度為464mm；側(cè)板使用Q235的鋼板，鋼板的厚度為12m。
圖2 驢頭結(jié)構(gòu)工程圖
3.2 游梁
游梁是一種扛桿，它是抽油機的主要承載構(gòu)件，也是抽油機最大應(yīng)力出現(xiàn)的構(gòu)件，對游梁的設(shè)計主要考慮其強度和穩(wěn)定性。國內(nèi)在常規(guī)抽油機的設(shè)計過程中，游梁的結(jié)構(gòu)只有兩種，一種是箱形結(jié)構(gòu)（用于重型抽油機），另一種H型結(jié)構(gòu)（用于中型或輕型抽油機），對于重型抽油機，其游梁結(jié)構(gòu)設(shè)計成如圖（a）所示，對于輕型或中型抽油機，其游梁結(jié)構(gòu)設(shè)計成如圖（b）所示，本次設(shè)計采用箱形結(jié)構(gòu)。游梁的高度為。翼板、側(cè)板使用Q235的鋼板. 鋼板厚度分別為和.各游梁一般焊有加強板和吊耳等附件。
圖3 游梁結(jié)構(gòu)工程圖
3.3 橫梁及連桿
3.3.1 橫梁的結(jié)構(gòu)
橫梁及連桿可分為兩種結(jié)構(gòu)：一種是將橫梁和連桿制造在一起，其特點是連接件少，結(jié)構(gòu)簡單，用在小型抽油機中，它由改變后臂長度來調(diào)節(jié)沖程長度。另一種結(jié)構(gòu)是單獨橫梁，用于一般大型抽油機中，它由改變曲柄和連桿的連接點位置來調(diào)節(jié)沖程長度。
橫梁是連桿和游梁連接的中間部件。動力經(jīng)過橫梁才能帶動游梁作搖擺運動，橫梁的形式有三種：直形橫梁、船形橫梁和翼形橫梁。其中船形橫梁的橫梁和連桿連接點與橫梁和游梁連接點在同一水平線上，增加了連桿和橫梁的剛性，并改善了連接銷軸的工作條件。翼形橫梁連桿彎曲與橫梁成為一體，直接與游梁連接，它結(jié)構(gòu)簡單，連接零件少，多用在輕型游梁式抽油機上。
3.3.2 連桿
連桿一般都用無縫鋼管制成，兩端焊有連桿頭。正常工作時，上端連桿頭和橫梁無轉(zhuǎn)動，用銷子相連。下端連桿頭和曲柄用曲柄銷子連接，在連桿銷處安有滾動軸承。曲柄銷子和曲柄間一般用圓錐面相連，在銷子頭上用螺母固死銷子和曲柄，在曲柄上有3~4個錐孔，用以改變沖程長度。
3.4 曲柄平衡裝置
抽油機的平衡歷來是被許多學(xué)者和現(xiàn)場工作人員所關(guān)注，因為平衡的好壞直接影響抽油機的能耗和壽命。對于游梁式抽油機而言，平衡可分為機械平衡和氣動平衡，機械平衡也有曲柄平衡、游梁平衡及復(fù)合平衡之分。從平衡效果來看，游梁平衡最好，復(fù)合平衡次之，曲柄平衡最差，但從安全性來考慮，則正好相反。從現(xiàn)場使用的情況來看，輕型抽油機使用游梁平衡，中型抽油機使用曲柄平衡，重型抽油機則使用復(fù)合。平衡重，裝在曲柄上，類型較多，目前廣泛使用的有兩種，一種為一般偏心重結(jié)構(gòu)，另一種為扇形結(jié)構(gòu)。偏心重結(jié)構(gòu)制造容易，但調(diào)整較困難，而扇形結(jié)構(gòu)調(diào)整較方便，當需將偏心塊調(diào)整到某位置時，可將圓曲柄旋轉(zhuǎn)，使要調(diào)的位置在最下方，松開固緊螺釘后，扇形平衡重沿導(dǎo)軌自動落到要調(diào)的位置。為了調(diào)整方便及安全，在兩種曲柄上都有導(dǎo)軌及擋塊，固緊螺釘即使松開，也不會是偏心重落下。本次設(shè)計中采用的是偏心重結(jié)構(gòu)的曲柄。本次設(shè)計按照此原則進行，只是在重型抽油機設(shè)計的過程中盡量多采用曲柄平衡，主要是因為簡化結(jié)構(gòu)，便于各個模塊之間的相互組裝，以最少的模塊來組裝出最多的抽油機，從而工裝夾具的設(shè)計，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的出口競爭力。曲柄的寬度為550mm。曲柄的長度則取決于減速器輸出軸中心線至底座底平衡的高度，平衡塊的重量主要是取決于抽油機的承載能力。
圖4 曲柄平衡裝置結(jié)構(gòu)工程圖
3.5 減速箱
一般使用的減速箱多數(shù)為兩極齒輪式，傳動比i=25～40左右，在個別情況下也有使用一級齒輪減速箱或鏈輪減速箱。由于工作載荷大，一般小功率時采用斜齒，大功率時采用人字齒，并開始使用圓弧齒輪。減速箱采用圓弧齒輪后，其承載能力比相同參數(shù)的漸開線齒輪減速箱體積有所減少，這樣也給抽油機其它部件尺寸的縮小創(chuàng)造了條件。本次設(shè)計中選用的減速箱就是這種類型。其型號為：ZLH—1000。減速器的額定扭矩為105 KN .m
3.6 剎車機構(gòu)
剎車裝置安裝在減速器的高速軸上，起制動作用。它的結(jié)構(gòu)型式有內(nèi)漲式和外抱式兩種，內(nèi)漲式剎車裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但制動力矩大，外抱式則正好相反。剎車機構(gòu)是一個傳動機構(gòu)，將人力傳遞給剎車裝置，并進行必要的放大，使之符合制動力矩的要求。本次設(shè)計采用外抱式剎車裝置。
3.7 支架
支架的主要作用是支承游梁，其高度必須滿足抽油機的沖程長度、井口高度及懸繩器的正常工作需要。支架與游梁、連桿、曲柄及底座一起構(gòu)成抽油機的四連桿機構(gòu)，保證抽油機的正常工作。支架的結(jié)構(gòu)型式有兩種，一種是四腿支架，它主要由角鋼焊接而成，其特點是制造方便，剛度大，但體積大，運輸困難，國內(nèi)的常規(guī)抽油機和部分偏置抽油機采用這種結(jié)構(gòu)的支架；（對于重型油機尤其突出），另一種是三腿支架，它是用工字鋼和槽鋼組焊而成，它的特點是開度大，運輸方便，但安裝困難；其另一個優(yōu)點是當它的后腿與減速器座相聯(lián)時，使底座不受彎曲應(yīng)力的作用，從而保證底座不會出現(xiàn)斷裂的情況。國內(nèi)的部分偏置抽油機采用這種結(jié)構(gòu)的支架，國外的常規(guī)抽油機和偏置抽油機均使用三腿支架。本次設(shè)計的支架采用的是三腿結(jié)構(gòu), 支架前面的兩個主腿和后腿均采用兩個槽鋼對焊，并間斷補強，制作時，將前腿和后腿分開，現(xiàn)場安裝時將支架后腿按要求組裝并鎖緊即可。
圖5 支架結(jié)構(gòu)工程圖
3.8 底座
底座的作用是承受整個抽油機及懸點載荷的全部重量，并使抽油機的支架、減速器及電動機裝置連成一體。底座有門型和T型兩種，國內(nèi)常規(guī)抽油機和部分偏置抽油機采用門型底座，部分偏置抽油機采用T型底座。本次設(shè)計采用T型底座，這種底座的優(yōu)點是穩(wěn)定性能好，尤其是超重型抽油機，必須采用這種結(jié)構(gòu)的底座。底座上焊有減速器座和電動機座，一般來說，電動機座有兩種布置方式，一種是直接在底座的主梁上焊接電動機導(dǎo)軌，它的特點是抽油機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但耗材多；另一種是用不同的型鋼單獨制作一個電動機座，然后將該座焊接或鉚接在主座上，它的特點是節(jié)省材料。對于雨多的地區(qū)，還應(yīng)當防止電動機淹水的現(xiàn)象產(chǎn)生，為此，本次設(shè)計將電動機座抬高500～1000㎜，對于少雨地區(qū)，可將電動機座放置到與主底座對齊的位置。
圖6 底座結(jié)構(gòu)工程圖
3.9 皮帶傳動裝置
皮帶傳動裝置的作用是將電動機的高速運動傳遞給減速器，并作適當?shù)臏p速，主要有大皮帶輪、小皮帶輪及三角膠帶組成。選用皮帶時，本設(shè)計用普通D型三角膠帶，至于三角膠帶的根數(shù)則視其傳遞的功率而定，長度則根據(jù)電動機裝置的結(jié)構(gòu)確定，每一種型號的抽油機配備有三個不同直徑的小皮帶輪，以滿足抽油機三個不同沖次數(shù)的需要，大皮帶輪則是每一種型號的減速器配備一個。
3.10 鋼絲繩和懸繩器
懸繩器是連接光桿的吊繩的部件，鋼絲繩是用多層股（不旋轉(zhuǎn)）鋼絲繩，規(guī)格為32mm，其公稱抗拉強度為1550 N/mm2。
3.11 電動機
抽油機的動力源有：柴油機、電動機、天然氣發(fā)動機等，其中柴油機和天然氣發(fā)動機主要用于電力供應(yīng)緊張或電力難以送達的邊緣或偏辟地區(qū)，大多油田均使用電動機。本次設(shè)計的抽油機動力源使用電動機，其型號為Y315S-8(55KW 740rpm)。
3.12 軸承座
每一臺抽油機有三個軸承座，即中央軸承座、尾軸承座和曲柄銷軸承座，根據(jù)抽油機的不同型號，共有5 種同一型號、不同規(guī)格的軸承座，具體型號見SY/T 5795—93《游梁式抽油機安裝尺寸、易損件配合尺寸》標準。
圖圖8 API常規(guī)型抽油機結(jié)構(gòu)示意圖
1——驢頭；2——游梁；3——橫梁；4——連桿；5——曲柄裝置；6——減速器；7——電動機裝置；8——剎車機構(gòu)；9——底座；10——支架；11——懸繩器；12——光桿卡瓦；13——吊繩
游梁抽油機的基本參數(shù)和分類
4 游梁抽油機的基本參數(shù)和分類
抽油設(shè)備的功用就是從一定的井深抽出一定數(shù)量的原油，所以，井深和產(chǎn)量就標志著抽油設(shè)備的工作范圍。為了達到這兩個指標，對游梁式抽油機的工作能力提出了各方面的要求，這就是游梁式抽油機的基本參數(shù)：
抽油機的的參數(shù)主要是：懸點額定載荷、沖次數(shù)和光桿沖程，由于這三個參數(shù)是獨立的，分別代表抽油機主要性能指標，故我們稱之為基本參數(shù)；另外，抽油機減速器的額定扭矩、電動機的裝機功率，也是其重要的技術(shù)參數(shù)，但它們不是獨立的，而是由抽油機的基本參數(shù)決定的，故我們稱之為總體參數(shù)。在規(guī)劃這些參數(shù)的過程中，額定懸點載荷根據(jù)API標準提供的公稱尺寸數(shù)據(jù)，進行公制轉(zhuǎn)換、圓整即可；對于一臺抽油機而言，一般有三到四個沖程，其中最大的光桿沖程可以依照API標準提供的公稱尺寸數(shù)據(jù)，進行公制轉(zhuǎn)換、圓整，其它幾個沖程則要根據(jù)計算求得。計算的論據(jù)是既要符合制造要求，又要滿足沖程梯度的變化，即符合不同型號的抽油機最大沖程的變化規(guī)律。單一的沖次數(shù)決定了抽油機運動速度，同時決定了抽油機各運動構(gòu)件的動載荷，在規(guī)劃抽油機的沖次數(shù)時，主要是考慮抽油機的平均抽吸速度，其值在一個較小的范圍內(nèi)變化，并且隨著沖程的增加而增大。減速器的額定扭矩依照API標準提供的公稱尺寸數(shù)據(jù)，進行公制轉(zhuǎn)換、圓整，并且符合SY5044-2000《游梁式抽油機》的要求。
4.1 驢頭懸點（掛抽油桿處）的最大允許載荷
它主要取決于抽油桿柱和油柱的重量，實際上的它表明在一定的抽油桿和抽油泵泵徑組合時的最大下泵深度（或井深）。目前，懸點的最大允許載荷從5~8KN到150~280KN。
根據(jù)懸點最大允許載荷Q的變化范圍，可將抽油機分為以下幾種：
輕型…………………………….
中型……………………………
重型…………………………….
4.2 懸點最大沖程長度
它主要決定于抽油機的產(chǎn)量以及抽油機的基本尺寸和重量。石油礦場上，應(yīng)用的懸點最大沖程長度從0.3到10米，而用的最廣泛的在六米以下。
根據(jù)懸點最大沖程的變化范圍，可將抽油機分為以下幾種：
短沖程 ……………………….
中等沖程 …………………….
長沖程 ……………………….
超長沖程 …………………….
4.3 懸點的最大沖程次數(shù)
它表明抽油機的抽汲工況.最大沖程次數(shù)和最大沖程長度一起,確定了抽油機的最大產(chǎn)量(當泵徑一定時)。目前，實際應(yīng)用的懸點最大沖程次數(shù)從2~4min到20 min。因為，抽油桿的折斷系數(shù)和沖程次數(shù)成正比，所以限制了沖次的進一步提高。
根據(jù)懸點的最大沖程次數(shù)的變化范圍，可將抽油機分為以下幾種：
低沖次………………………..
中等沖次……………………..
高沖次………………………..
4.4 減速箱曲柄最大允許扭矩
它和上述三個基本參數(shù)間存在一定的關(guān)系，特別是和懸點最大沖程長度成正比。即越大，也越大。同時，曲柄的最大允許扭矩確定了減速箱的尺寸和重量。
根據(jù)減速箱曲柄最大允許扭矩的變化范圍，可將抽油機分為以下幾種：
小扭矩………………………
中等扭矩……………… ….
大扭矩………….. …………
超大扭矩……………… …
如果將扭矩和沖程次數(shù)兩個基本參數(shù)相乘，就可得到抽油機單位時間（一分鐘內(nèi)）所需的功率。所以，也可根據(jù)抽油機所需的功率把它分為以下幾種：
小功率…………….
中等功率………….
大功率…………….
超大功率………….
上面，我們根據(jù)抽油機的四個基本參數(shù)和最大功率對它進行分類，以便于抽油機的設(shè)計計算。此外，抽油機按其結(jié)構(gòu)可分為：前置式和后置式。按平衡方式的不同可分為：機械平衡和氣動平衡。機械平衡需要金屬多，調(diào)整不方便，但結(jié)構(gòu)很簡單，是目前應(yīng)用最多的一種。氣動平衡重量輕，調(diào)整方便，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多用于重型長抽油機。
為了能對游梁式抽油機正確的進行設(shè)計計算和改進，首先必須研究上述的四個基本參數(shù)的大小和變化規(guī)律；最后，根據(jù)油田生產(chǎn)實際給定的條件對抽油機進行設(shè)計計算和改進。
CYJRM912D-365-192HB型偏置抽油機各字母和數(shù)字所代表的意義：
CYJ—游梁抽油機的代號，RM—偏置型，D—雙圓弧齒輪減速器，365/160—驢頭懸點的最大載荷為36500LbS/160KN，192In/—光桿最大沖程長度，912—減速箱曲柄最大允許扭矩為912000InLbs/，H—減速箱為點嚙合圓弧齒輪傳動型，B—曲柄平衡。它屬于重型、長沖程、中等沖次、超大扭矩型的抽油機。
偏置抽油機的設(shè)計計算
5 偏置抽油機的設(shè)計計算
5.1 CYJRM912D-365-192抽油機的計算參數(shù)
曲柄半徑(R)為：1.145(米)
連桿長(P)為：4.345 (米)
游梁前臂(A)長為：4.360 (米)
游梁后臂(C)長為：3.000 (米)
曲柄回轉(zhuǎn)中心至中心軸承的垂直距離（H—G）為：4.140 (米)
曲柄回轉(zhuǎn)中心至中心軸承的水平距離（I）為：4.140 (米)
游梁的最大擺角：Ψ=48.173 （度）
沖程：s=3.666(米)；沖次：8（/分）；泵徑：38（厘米）
偏置角（τ）：-9 (度)
懸點載荷：190（千牛）；電動機的額定功率：55（千瓦）
偏置型抽油機的機構(gòu)運動簡圖如下所示，其中已知條件為：曲柄半徑R，連桿長度P，游梁后臂長度C，游梁前臂長度A，減數(shù)器輸出中心到支架軸承中心的水平距離I，減數(shù)器輸出中心到支架軸承中心的垂直距離（H-G），沖次數(shù)n，減速器的額定扭矩T，電動機的額定功率。
圖9 偏置型抽油機結(jié)構(gòu)運動簡圖
5.2 幾何計算
根據(jù)圖中的符號定義，則有：
5.2.1 計算β
（1）
式中： （2）
， （3）
5.2.2 計算
（4）
（5）
（6）
5.2.3 計算
（7）
5.1.4 計算
（8）
5.2.5 計算
（9）
5.2.6 計算沖程長度S
（10）
其中： （11）
（12）
5.3 運動計算
5.3.1計算懸點的速度
； （13）
（14）
（15）
（16）
（17）
5.3.2 計算懸點的加速度
（18）
（19）
（20）
（21）
（22）
作表1,其內(nèi)容為。
表1 抽油機具體參數(shù)值
θ度
α度
δ度
β度
Aa
0
558.2604
22.21030805
86.10828
0.773162
14.54998
180
23.0982741
81.51397
0.839255
15
179.4313
23.09740563
81.39616
0.839987
30
160.427
22.07844218
78.40574
0.806479
45
141.5689
19.23351803
77.37883
0.655574
60
123.2852
14.90232089
78.40574
0.42228
75
106.0034
9.606557277
81.39616
0.178375
90
90.02652
3.894356336
86.10828
-0.016017
105
75.46694
-1.792444227
92.21459
-0.14147
120
62.26096
-7.16458827
99.36247
-0.211055
135
50.22515
-12.059067
107.2048
-0.250099
150
39.10951
-16.38294556
115.3976
-0.284597
165
28.62531
-20.0538022
123.5686
-0.340017
180
18.44431
-22.94057224
131.2578
-0.443805
195
8.174399
-24.80117046
137.8319
-0.617074
206.4258
360
-25.29109801
141.563
-0.778291
210
357.3393
-25.24183452
142.425
-0.824171
225
345.4464
-23.81353431
144.1038
-0.90711
240
332.2149
-20.34938501
142.425
-0.740597
255
317.7343
-15.20791665
137.8319
-0.446329
270
302.2976
-9.038028473
131.2578
-0.178964
285
286.166
-2.44913774
123.5686
0.028336
300
269.4953
4.079684292
115.3976
0.197088
315
252.3559
10.15849409
107.2048
0.350563
330
234.7676
15.43432733
99.36246
0.501277
345
216.7306
19.56264718
92.21458
0.64818
360
198.2603
22.21030805
86.10827
0.773162
圖10 加速度隨θ變化的曲線圖
懸點的理想加速度曲線類似于余旋函數(shù)，懸點實際加速度隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的曲線與理想的加速度曲線基本一致。
5.4 工藝計算
5.4.1 假設(shè)條件
⑴、載荷或力的單位均按KN或N計算;
⑵、抽油桿的密度取7850；油液的密度為850；
⑶、泵的沉沒度；
⑷、不考慮抽油桿工作中的彈性伸長；
⑸、不考慮由于油管內(nèi)徑與柱塞直徑的不同而引起的加速度變化。
5.4.2 符號定義
1、 ——抽油桿的名義載荷值，單位為“噸力”；
2、 ——上沖程靜載荷（KN）;
3、 ——下沖程靜載荷（KN）;
4、 ——抽油桿的截面積（）;
5、 ——抽油泵的截面積（）;
6、 ——油液的密度;
7、 ——抽油桿的密度;
8、 d——抽油泵的直徑（cm）;
9、 ——抽油桿的直徑（cm）;
10、 L——下泵深度（m）;
11、 Q單井日產(chǎn)液量（t/d）;
5.4.3 計算過程中常用的數(shù)據(jù)表
表2 泵徑及其截面積
泵徑(mm)
28
32
38
45
51
57
63
70
83
95
面積
6.16
8.04
11.34
15.90
20.43
25.52
31.17
38.48
54.10
70.88
表3 抽油桿的直徑及其截面積
抽油桿的直徑（英寸）
5/8``
3/4``
7/8``
1``
1.125``
截面積
1.98
2.85
3.88
5.07
6.41
表4 API抽油桿尺寸組合表
泵徑
cm
抽油機型號
CYJ5-4-26
CYJ8-3-37
CYJ10-2-53
CYJ12-4.8-73
CYJ14-5.4-89
抽油桿的尺寸幾配比
28
7/8``3/4``
0.280.72
1``7/8``3/4``
0.200.230.57
→
→
→
32
7/8``3/4``
0.350.65
1``7/8``3/4``
0.230.260.51
→
→
→
38
7/8``3/4``
1``7/8``3/4``
→
→
→
0.350.65
0.260.300.44
45
7/8``3/4``
0.410.59
1``7/8``3/4``
0.310.350.34
→
→
→
51
7/8``
1``7/8``
0.400.60
→
→
→
57
↓
↓
1``
1``
1``
63
↓
↓
1``
1``
1``
70
↓
1``
1``
1``
1``
83
1``
1``
1``
1``
1``
95
1``
1``
1``
1``
1``
5.4.4 計算在給定的泵徑、沖程和沖次下的最大下泵深度
（1）初步確定上沖程的靜載荷
（23）
式中：—上沖程的最大加速度，，向上為正
（2）計算抽油桿的當量截面積
（24）
式中：——各抽油桿的面積；—各抽油桿的比例；
（3）計算最大下泵深度
（25）
將計算的圓整到一個偏小值（最小圓整單位為50m），確定L。
（4）重新計算，計算
（26）
（27）
5.4.5 計算單井理論日產(chǎn)液量Q
t/d （28）
5.4.6 計算工作扭矩、平衡扭矩、凈扭局及偏置角
TN＝TW－TR （29）
由于： （30）
（31）
故有： （32）
式中：—扭矩因素；其值為： （33）
—懸點載荷值；
上沖程 （34）
下沖程 （35）
M—平衡扭矩，調(diào)試值；
τ—偏置角，調(diào)試值；
在計算過程中，通過調(diào)試M及τ，使計算出來的凈扭矩TN滿足下述約束條件：
⑴、的正、負最大值均小于減速器的額定扭矩值；
⑵、的負值應(yīng)盡量小些；
⑶、上下沖程分別出現(xiàn)兩個的正峰值，其大小應(yīng)相等；
⑷、的均方根最小。
如果計算出來的最大凈扭矩TN大于選定減速器的額定扭矩TE，則令：
，，重復(fù)上述步驟，直到滿足要求為止。
5.4.7 算實際沖程和實際產(chǎn)量
（36）
（37）
（38）
t/d （39）
式中： ，，，
5.4.8 計算電動機的功率
（40）
式中：—凈扭矩的均方根值，可按下式計算：
（41）
電動機的總效率，可取0.6
如果計算出的電動機功率P大于選定電動機的額定功率，則令
（42）
（43）
重復(fù)上述步驟，直到滿足要求為止。
作表5其內(nèi)容為值。
表5 以下是各扭矩計算結(jié)果
θ度
Tw
Tr
Tn
Tf
0
-5765.585
-4025.965
-1739.62
-0.522617
14.54998
-0.018
2489.013
-2489.031
-0.000001
15
317.361
2690.123
-2372.762
0.016704
30
10778.96
9222.882
1556.082
0.569088
45
19795.93
15127.12
4668.811
1.05995
60
25940.61
20000.46
5940.145
1.420051
75
28861.04
23510.81
5350.224
1.617782
90
29187.07
25418.944
3768.133
1.667913
105
27854.64
25594.81
2259.832
1.612026
120
25610.92
24026.43
1584.486
1.1492711
135
22879.47
20820.69
2058.782
1.338851
150
19787.1
16196.06
3591.039
1.162005
165
16199.66
10467.69
5731.977
0.956789
180
11730.28
4025.964
7704.315
0.700342
195
5796.412
-2690.122
8486.534
0.352458
206.4258
0.004
-7707.09
7707.094
0
210
-1190.333
-9222.886
8032.553
-0.12668
225
-6640.828
-15127.12
8486.293
-0.713187
240
-12061.9
-20000.46
7938.567
-1.272084
255
-16310.71
-23510.81
7200.106
-1.667192
270
-18818.02
-25418.94
6600.918
-1.871112
285
-19698.49
-25594.81
5896.313
-1.918171
300
-19234.87
-24026.43
4791.563
-1.842028
315
-17595.7
-20820.69
3224.99
-1.660067
330
-14814.24
-16196.05
1381.814
-1.377591
345
-10859.93
-10467.68
-392.246
-0.955944
360
-5765.573
-4025.962
-1739.612
-0.522616
圖11 工作扭矩、平衡扭矩、凈扭矩圖
以下是重要計算結(jié)果
游梁的最大擺角為： 48.173（度）
理論沖程： 3.6(米)
實際沖程： 1.1324 (米)
上沖程的最大加速度Aa為： 0.839987（米/秒2）
上沖程最大加速度位置： 15.0（度）附近
最大下泵深度H為： 4164.36（米）
日產(chǎn)油量為： 47.894 (t/d)
實際產(chǎn)量為： 14.794 (t/d)
最大掛重： 14903.3（公斤）
計算電機功率為： 55.000（千瓦）
最大載荷： 17128.8（公斤）
最大平衡扭矩為 230.60 （千牛米）
最大凈扭矩為： 70.87 （千牛米）
均方根扭矩為： 39.39 千牛米）
5.5 主要構(gòu)件的受力計算
5.5.1 建立力學(xué)模型
圖12 偏置式抽油機受力分析簡圖
5.5.2 計算
（44）
（45）
（46）
（47）
（48）
（49）
（50）
5.5.3 計算工作扭矩
即：
（51）
從上面的一系列受力計算公式中可以看出：
1）懸點載荷是對各桿件和節(jié)點受力大小影響最大的因數(shù)。因為懸點載荷是變化的，所以各個桿件和節(jié)點的受力也是變化的。
2）因為在受力計算公式中包括各個桿件長度和轉(zhuǎn)角及懸點的加速度，所以，各桿件和節(jié)點的受力大小在一定程度上取決于抽油機的運動。
作表6,其內(nèi)容為。
表6 各桿件及節(jié)點的受力值
θ度
W
FL
FX
FY
Fq
0
11032.15
16070.45
5035.44
30237.33
-15259.8
14.54998
18998.22
27916.38
7013.29
52922.17
-27916.4
15
18999.5
27926.89
6959.92
52951.99
-27925.5
30
18940.77
28100.63
5085.71
53563.96
-26474.7
45
18676.28
27814.97
3182
53254.93
-21780.2
60
18267.38
27101.58
1553.07
52123.08
-14856.2
75
17839.88
26222.39
459.2
50666.98
-7205.83
90
17499.16
25490.9
11.8
49438.56
13.47034
105
17279.28
25131.32
204.81
48771.23
6329.109
120
17157.31
25271.95
997
48771.02
11780
135
17088.88
25999.21
2367.74
49427.06
16644.24
150
17028.42
27395.66
4337.33
50690.33
21261.44
165
16931.28
29532
6956.9
52476.98
25920.64
180
16749.37
32380.98
10244.79