　　　【摘要】抽油机是构成采油设备重要组成部分。在抽油机驱动下，带动其它设备运转，实现油井的机械式开采。偏置型抽油机是在常规型抽油机基础上发展的，通过对曲柄的改造和尺寸的优化获得。本文介绍了偏置型抽油机工作原理、节能原理以及设计过程。首先，根据已知的参数，对抽油机的连杆机构在几何、运动、和动力学进行了系列的分析与计算，阐述了这种设备的运动规律。其次、对抽油机进行了工艺参数计算和主要部件材料的强度校核分析，及对配套设备，如电动机、减速器的分析与选用，说明了该型设备在性能方面同其它种类设备的差异。最后，进行工况分析和结构草图设计。中间过程的有关计算部分，利用Excel软件进行了编程调试。

　　　【关键词】偏置型抽油机曲柄强度特性

1.2 研究目的及其意义

　　　常规型抽油机受到四杆机构的限制，游梁摆角不能过大，导致整机质量偏重，体积偏大。偏置式游梁抽油机是在常规型抽油机的基础上经过优化四连杆机构的几何尺寸，优化了平衡重的夹角，改变了平衡重的相位角而产生的一种新型的抽油机。通过平衡重在曲柄轴上产生的扭矩与悬点负载在曲柄轴上产生的扭矩相平衡，使抽油机运转时峰值扭矩和峰值电流都有较大幅度的降低，从而达到节能的目的。

1.3 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向

　　　游梁式抽油机的产生和使用由来已久，早在120年前就诞生了，目前，世界各个产油国仍在大面积的广泛应用。美国拥有40万台，前苏联拥有4万台，我国拥有2. 7万台，仅大庆油田，在用的游梁式抽油机就有一万余台。一百多年来，游梁式抽油机的结构和原理没有实质性变化。结构简单，易损件少，可靠性高，耐久性好，操作维修方便，这些优点是游梁式抽油机历经百年而经久不衰的原因。

　　　美国生产游梁式抽油机的公司有十几家，品种复杂，型式繁多，其中技术先进、实力雄厚的LUFKIN公司为权威。前置式抽油机主要由LUFKIN公司生产，该公司生产的马克型前置式抽油机共有八个系列46个品种。马克型前置式抽油机上冲程曲柄转角195度，下冲程为165度，从而降低扭矩峰值。该机上冲程开始比油井负荷扭矩滞后7.5度，下冲程开始扭矩比油井负荷提前7.5度，从而提高平衡效果，该机较同级常规型抽油机节能34.99%。此外，LUFKIN公司还生产前置式气平衡抽油机，该机比同级常规抽油机外形尺寸小35%，整机重量轻40%，共有26种规格。CM工公

　　　司生产偏置式抽油机，偏置式抽油机又称异向曲柄抽油机，或称后置式抽油机，或称托马斯特(TM)抽油机，简称TM抽油机。这种抽油机的技术经济指标优越，深受用户欢迎。该机特点在于连杆与游梁之间夹角始终为90度，曲柄转角上冲程为192度，下冲程为168度，惯性负荷小，峰值扭矩小，比同级常规抽油机小60%，该机游梁支架与减速器底座直接连接，改善了整体受力。

　　　加拿大主要生产抽油机的厂商是雷姆斯有限公司，该公司主要生产常规式、前置式、偏置式游梁抽油机。前苏联游梁式抽油机共有9个系列22种型号，平衡方式全部采用复合平衡或曲柄平衡，重型采用气动平衡。为缩小尺寸，近年来将曲柄半径与驴头摆动半径比从0.4增大到0.6。

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内容简介：: 长江大学机械工程学院毕业设计外文翻译资料题目：API偏置抽油机设计学生：李晶晶学院：机械工程学院专业班级：机械1033班指导教师：郭登明辅导教师：郭登明时间：2007-4-1 长江大学机械工程学院教研室社会石油工程39800关于杆式抽油泵中紊流摩擦的预测美国塔尔萨社会石油工程成员J.Xu, S.A.Shirazi, Z.Schmidt和R.N.Biais及Doty博士。社会石油工程成员1998年著这篇文章是通过一个作者简述的社会石油工程计划选择二叠纪。现在，社会石油工程成员还没有回顾、作者还没有修正文章的内容。现在这份材料没有必要细想任何社会石油工程成员，办公室成员或职员的地位。也许现在社会石油工程编辑在公开回去社会石油工程会议。禁止电子再现，分类或为商业目的不顾社会石油工程成员所写内容精简这篇文章的任何部分。允许复印，但不允许缢离300个词语。图表可能不能够复制。摘要必须包括出自哪里和作者姓名的著作。社会石油工程P.O.,BOX833836,Richardson,TX75083-3836,传真：972-952-9435简介有杆抽油泵中摩擦力对检测和分析有杆泵系统装置有重大影响，该摩擦力是由活塞杆在流体中做往复运动产生的。现在有关管道中流量的研究都受到包含运动杆和联轴对层流平流的限制。由于低黏度流体和杆周围的联结使流体呈涡流状，所以在近期的研究中关于静止管壁和运动杆/联轴环形区域，简易模块使用混合长度方法相比流体动力学的计算编码计算效率更高，流体动力学的计算编码使用模型标准去检测有运动杆和联结环面的紊流摩擦系数，简化模型已发展到可去检测带有运动杆环面的紊流摩擦系数，这些模型结果彼此进行比较后得到有用数据，另外，在杆/联轴和流体间的摩擦系数按照以下4个参数可以描述为杆与管道半径的比值，联轴与管道半径的比值流体的雷诺值和相对杆的速度。绪论有杆泵体系早已有历史记录，在最有名和最有影响力的石油开采中的人工举升方法，直到20世纪50年代末，在动态数学模型方面才做出了足够努力并并取得了发展，该模型能够在检测有杆泵系统的性能中得到使用，先前的努力仍受到杆和流体的动态限制，流体的动态性不仅对层状流体有限制，而且受到臆测着的严格把握，紊流的粘性摩擦和库仑摩擦都在先前的研究中被忽略。在泵作用和低黏度流体的共同作用下，在管道系统和杆共同组成的环面中的流体是十分紊乱的（尤其是在泵作用系统中杆速度最大部分）。当然，联轴分布沿杆部分增加液体或气体的紊乱。根据实验的迹象和和理论的分析表明紊流的粘性摩擦在有杆中分布式的摩擦与杆的联轴是薄片状摩擦的几倍。因而，有必要说明杆式抽油泵系统的紊流摩擦模型在设计和方针方面的问题。在当今的工作中，计算流体动力学是用来分析管道系统和杆共同组成的环面中的紊流体问题。这个方法被用来预测杆、管道系统和联轴的摩擦系数。另外，一个简化的模型被用来预测杆和管道系统中的摩擦系数。数学模型图1阐述一个由固定环形系统、运动杆和联轴组成的环形区域的示意图。杆和联轴贯穿上部和下部，而流体主要流过上部。因此，在环面中的流体是自然复杂并且瞬时的。如同上述，计算流体动力学可以被用来预测流体瞬时的液压，但是计算很容易和现在计算机的性能完全混淆，所以，一些简单的设想用于发展对分析流体有效的解决方法。例如，假设流体既不以恒速向上或向下运动。这种假设非常简化计算流体动力学方法并促进了简化模型的发展。计算流体动力学方法用于验证简化模型的建议，同时用于评价连接杆因外形复杂而很困难完成的几何分析法的影响。由于验证数据与这相关问题都被限制，仅仅就是在这些特殊的情况可用，计算流体动力学使用的工具固定杆可提供低成本的可靠分析。简化方法和综合的计算流体动力学都被认为是种突破。综合计算流体动力学方法现今研究把商业中有用的计算流体动力学编码称为，计算流体动力学编码解决特殊领域中的调节流体平衡，流体在环形系统中形成紊流，需要紊流模型去检测流体区域。有些紊流模型可用于包括标准模型、低雷诺值的模型、RNG模型和雷诺压力模型。当今工作标准模型和低雷诺值翻译模型都被用来解决紊流或旋涡粘性。标准紊流模型使用动力学的能量k和它的消散比是有效的，而且被用来解决许多工程问题和复杂的几何问题。良种紊流模型都可以用来预测在移动杆和联合所组成的复杂的几何图形所在的几何区域中的紊流问题。低雷诺值紊流模型与紊流模型相比要求更多的格子要点，而且效率更低。因此，低雷诺值紊流模型被应用在这里仅仅是检验标准模型结果的精确性。计算流体动力学编码可以产生用数字表示的解决方法解决许多流体问题。为了保证数据的好的收敛性和格子不受约束的解决方法，应用流体动力学编码是该十分小心的。有效的模拟标准通过模拟预测和已知的文献（例如流体和管道流体）得到的实物实验数据比较容易掌握。流体环面是轴对称的，两个空间的格子用来仿真。简单的说，只考虑两个虚拟模型的连接。图2表述流体范围和格子的示意性在模拟中被考虑进去。例如一个模拟情况的杆和联轴的尺寸如下：杆长=25cm杆半径=0.011cm管道半径=0.031cm 联轴半径=0.023cm在指定边界的情况下，简言之，管道系统被认为是运动的杆而联轴认为是静止的，流体的流速（或物体的速度）在指定范围内。计算流体动力学方法用于计算平均管壁的剪切力和不同杆速的压力变化、环面几何学、联轴尺寸流体雷诺值。为了获得有用数据的集中和独立网格的解决方法，残余数据，所以所有变化都要小于，另外，作为第一个网格点在管壁附近，管道大于30，由于标准法选择5到20统一的交叉网格和150到200不统一的网格半径方向作为低雷诺值方法，轴向长度取管道直径的200倍（在里面充分发展水力流动的环境）。使用这些数字化条件将导致在使用不同的网格空间所获得的数据结果和使用不同的紊流模型方法检测获得的数据结果没有评估差异。简化模型计算流体动力学方法是合理灵活多变的，但他要求广泛的计算做支持。为了工程设计更有效的方法被采纳。一些工作存在于与我们目标相关的文献中，经验的综合为摩擦因素从特定的运动杆和联轴的薄片状流体实验数据中得到发展，Shigechi（史戈赤）发表了有关在铁路轨道中紊流和热传递的分析解决方案，通过Van Driest (梵.得瑞斯特)使用修改的混合长度原始的紊流模型的建议。这个模型从基本的理论原理方面被发展，他还能应用于解决一个简单数学模型的杆式泵中的摩擦因数。模型的基本方程起源于简化的平均时间Navier Stokes(耐维斯筹克斯)方程和假设涡流粘性。一个简单修改过的混合长度模型用于涡流流体，这个模型要求分配涡流的动力扩散率或者涡流粘性，速度v。方法是分配涡流粘性然后计算侧面的速度和管壁的剪切力就像管道中或者同中心的环形区中充满流体。但像这样先前的努力就像Shigechi et al（史戈赤）et al模型依靠一侧面的速度的假设造成一个0剪切力的粗糙的中段在管道与杆之间。这样的设想有效仅仅决定于轴向流体压力变化是否足够大或者杆的速度是否相对的小。在杆式泵系统中，要求流体要求流体压力变化慢是可能的但杆的速度却很高，这样的条件可能要求产生流体速度的侧面有个变形点（例如不是没有剪切力）而不是速度的侧面有个最小值（例如剪切力为0），这些条件可能导致先前的方法失败。出于这种考虑，一种新方法就是基于使用特定区域最小剪切力能使速度分布图有个变形点。这种方法可以用于克服在环形区域中所有可能产生速度分布的流体。作为一种新方法，当这个最小剪切力接近0时，速度分布图将产生一最小值（例如剪切力为0），这种方法与现在和以前的方法都一致。一些简化的设想被应用就是为了发展简化模型，例如杆的联轴没有包含在内。在摩擦系数中杆的联轴的影响的评价通过使用计算流体动力学模拟。简言之，这些假设应用于简化模型结构如下所述：1管道和运动杆都是同中心和圆柱坐标代替几何学。2管道和杆的表面都是光滑的。3环形区域的流体是完全的紊流流体。4流体所在的环境是稳定的。5流体的物理特性包括一个不可压缩的具有持续的物理理论的牛顿流体。6用流体剪切压力或一个最小化的剪切压力可以将管道系统和杆组成的环形区域分成里面和外面的区域。7为简化起见，所有的系数都源自于无量纲形式。上面的一些假设，1，2，3，4和5也被用于计算流体动力学仿真。精确发展了的、空间的、结合的、平均时间的模型，Navier Stokes(耐维斯筹克斯)公式可以写成： (1a)通过介绍旋涡扩散率动力的无量纲的形式的公式是： (1b) 式中定义值j=0符合外部流体区域，j=1符合内部流体区域。图3阐述了物体内部和外部区域位置。无量纲的剪切力在等式（1b），能表述为根据管壁剪切力和变化剪切力，在内部和外部流体区域之间加一简单的平衡力如图4所示：(2)式中定义值j=0（外部流体区域）用表示，j=1（内部流体区域）用+表示。管道表面的相对运动，杆表面和流体都影响紊流的发展，但不同情形在内部和外部会有不同的反应，如果轴向力倾斜度相对杆的运动足够大，则速度分布就是最小值（相当于没有剪切力）在内部和外部流体区域相互转换。另一方面，轴向流体压力倾斜度相对杆的运动足够小，而流体速度分布变化适合于创造一个变形点在内部和外部流体区域相互转换处，（相当于最小剪切力）。所以改变剪切力与0相当时：（3）改变剪切力最小时：（4）同样，当j=0（外部流体区域）用表示，j=1（内部流体区域）用+表示。涡流扩散率动力为了给涡流扩散率动力发展为一表达式，Van Driest (梵.得瑞斯特)模型被应用于亚表层和瑞查得（Reichardt）模型被应用于全面发展的紊流层。亚表层和全面发展的紊流层的物理位置见图4所示，涡流扩散率动力的方程式在亚表层为： .(5)这个公式适用于时，涡流扩散率动力的方程式在全面发展的紊流层为：（6）这个公式适用于时。边界情况的方程式（1b）:无量纲的速度相当于杆在内壁和固定管道在外壁： (7)连续条件。流体模型作为精确的描述将流体通道划分为两个独立区域：一个外部区域紊流中的机械装置非常相似在那有个圆形管，一个内部区域标准的侧面速度不再有根据模型假设涡流扩散侧面都是在内部和外部流体区域连续的变换。所以梵.卡门（Van Karman）常数值在内部区域时应该重新计算。为了保证涡流扩散持续在过度位置（）： (8)式中梵.卡门（Van Karman）常数在外部区域假设为其他的变化，就像速度和剪切力通过过度期的特定区域都应保持连续性（）。因而，为了完善模型就需要下面的公式。与无量纲的剪切压力相应的零点剪切压力模型是： (9)与无量纲的剪切压力相应的最小化剪切压力模型是： (10)流体速率连续性公式是： (11)然后，通过同时地解决公式（1b）和（11）可以掌握速率和剪切压力的分配。雷诺兹数字被定义为：雷诺编码和摩擦因数详细说明雷诺兹数 (12)使用精确的平均流体速度和介绍我们的无量纲参数，上面的公式可以写成如下形式：(13)摩擦系数被定义为： (14)通过掌握公式（14）和一个力平衡可以完成一个无量纲的形式摩擦系数： (15)当无量纲的半径比率被灵活的解决之后，与杆和管道系统相应的摩擦系数将可以被计算： (16)上式中“+/-”符号在剪切力为0的模型情况下为正，在剪切力为最小值的模型时为负。方程（11）和（13）用于解决无量纲变量。将方程（2）和（10）代入方程（1b），方程（1b）可用西朴深（Simpon）的方法迭代法求解，去获取速度分布图。剪切力分布和3个参数取不同值时，考虑两种情况的典型结果的摩擦系数。因为表面粗糙度在该研究中没有被考虑，所以在杆/联轴和流体间的紊流摩擦系数能用以下四个参数表示：相对杆速，杆与管道半径比，联轴与管道半径比和流量雷诺值Re。结果许多不同情况都是使用计算流体动力学的方法和简化模型法去获取结果。通过简化模型，摩擦系数都用方程（15），（16）计算。杆和管道的摩擦系数都基于平均剪切力的分布，用计算流体动力学的方法得到。流体动力学的方法获得的结果靠改变流量雷诺值，相对杆速，上下冲程范围和两个不同杆，联轴和管道的几何尺寸来实现。所有模拟结果都列在表格1中。杆、联轴和管道的层流平流和紊流的摩擦系数也同样可用以下四个参数来表示。相对杆速，杆与管道半径比，联轴与管道半径比和流量雷诺值Re（表面粗糙度不考虑）。联轴的摩擦系数计算基于作用在联轴上的作用力（或压力）的比例关系 (17)使用简化模型检测情况（1）：图5表示在环形区域内不同杆速检测到的速度分布。无论杆速下降还是流量下降或者杆的向上速度相对流体的向上速度不足够大，那样剪切力为0的模型是有根据的，除此之外情形，速度分布检测在图5中有个最大值相当于剪切力为0，在这些情况下，流体速度分布不再显示杆与管道间的最大值，取而代之，出现了一个变形点，所以最小剪切力模型必须被用上了，现在作用在杆上的剪切力方向与运动杆的方向相反。图7表示杆与管道剪切力的比，上冲程的相对速度（），所以联合以上情况，当相对杆速由负值到正值的转变时，与此同时作用在杆上的作用力下降到0（相当于杆和流体同时运动的情况），然后他继续下降成为一个负值。简化模型检测与试验数据和计算流体动力学编码的比较有用的实验数据存在于流体文献中，通过环形缝隙对特殊情况的限制，相当于静止杆。但是对局部有效的计算流体动力学模型使用由（Park），卡特诺（Kaetano），未里夫（Waleev），和瑞聘（Repin）收集起来的数据是可能的。简化模型和算流体动力学编码都进行模拟这些数据，计算流体动力学编码和两个实验数据设置与用简化模型检测杆的摩擦系数非常一致，如图8所示。尽管没有实验数据存在类似于运动杆的情况，但简化模型使用混合长度方法去检测（用点表示）是可以比较的。图9阐述了杆的摩擦系数，通过很多模型聚集在一起。观察杆的摩擦系数，减小并伴随杆的相对速度上升，在层状流体区域所有模型的一致性非常好。在紊流区域其一致性也仍然不错。但是，由于相对杆速大小增加无论正负这样一致性都会变得越来越差。检测趋势在图10到12表示简化模型检测的杆、管道和联轴的摩擦系数使用混合长度模型。检测考虑雷诺值Re和杆与流体的速度比等值在一定的变化范围内，有时也考虑几何尺寸比。层片状和紊流情况都要考虑。文献中摩擦系数随雷诺值的增加和相对杆速而减小，相对杆速摩擦系数的灵敏度与联轴比大很多，与下降杆和管道之间又小很多。联轴的影响联轴只占据了整个杆长的一部分，但联轴上每个单位长度上的作用力都应该比杆上的大。当两个互相冲突的影响联合在一起时，作用在单独联轴上的净作用力要比剩余杆长大14倍。图13阐述不同的雷诺值和相对杆速的影响，流体的压缩和膨胀而不是粘性的影响导致了压力的下降，从而使杆上摩擦力消失。几何尺寸的影响杆、联轴和管道的几何尺寸将影响摩擦系数的检测。为了说明杆和两个其他几何尺寸考虑时的相对影响大小情况（1）：情况（2）：杆尺寸出现的结果对杆的摩擦系数的影响见图14。观察发现杆的尺寸对杆的摩擦系数没有影响，这个结果被认为是由于杆和管道的绝对洁净。另一方面，联轴的摩擦系数的改变实质就是联轴直径的改变，直径越大，联轴的摩擦系数就越大。考虑两种联轴尺寸不同的情况：情况（1）：情况（2）：联轴尺寸出现的结果对联轴的摩擦系数的影响见图15，观察发现联轴尺寸对联轴摩擦系数有戏剧性的影响。管道结构的影响在斜井中，杆靠近管道表面是可能的。所以，管道结构的影响有待去评价。幸运的是，实验数据证实了这种同轴且怪异的结构的存在。图16论证了怪异结构的摩擦系数在某地与同轴结构相比时有所减小。结论1一个简单的紊流简化混合长度模型在环形区域内的运动杆核心得到发展。2使用标准模型计算流体动力学对用于运动杆和联轴同轴的环形区域内紊流的研究。3使用不同模型对摩擦系数的检测与存在的文献中的实验数据完全吻合。4简化模型使用混合长度方法与使用标准模型计算流体动力学方法一致。5发现联轴的摩擦系数比杆的大14倍。6杆的尺寸与杆的摩擦系数没有多大影响。7联轴的尺寸对联轴上的摩擦系数有戏剧性的影响（例如：增加联轴与管道半径比15%，联轴摩擦双倍增加）。8杆上冲程的增加能降低紊流的动能而摩擦系数却增加。但杆的下冲程速度的增加摩擦系数确实实质性的增加。9怪异环形流体的摩擦系数比同轴的环形流体要大。10层状的流体和紊流的转换没有研究，一个实质的解决方案就是扩大层状流体和紊流的摩擦系数。术语表示Van Driest（梵.得瑞斯特）常数表示联轴截面积（）表示杆截面积（）F表示杆和联轴所有的摩擦系数表示联轴的摩擦系数表示杆的摩擦系数表示管道的摩擦系数表示作用在联轴上的法向压力（板尺：cm/截面的平方）P表示流体压力，磅/平方米R表示半径，cm Re表示雷诺值表示无量纲半径表示相对杆速表示流体的平均速度，cm/截面表示流速量纲表示摩擦速度，cm/截面表示无量纲的管壁速度表示流速，cm/截面表示无量纲坐标距离管壁表示无量纲内外区域的厚度K表示梵卡门（van.karman）常数表示杆与管道半径比表示联轴与管道半径比表示无量纲亚表层的厚度表示流体密度，波美/V表示分子速度，/截面表示涡流扩散率动力表示剪切力，磅/平方米下标注解I表示内部区域J表示内部和外部流动区域的指示器O表示外部区域M表示内外部区域间的转换参考文献1 Gibbs,S.G和Neely,A.B：在杆式泵中计算机诊断钻井情况JPT（1996年1月）9198页。2 Everitt,T.A.和Jennings,J.W：关于杆式泵中改进计算方法的向下钻进测力计社会石油工程协

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