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链条抽油机换向平衡系统设计研究 摘要 在对胜利和辽河两油田在用的链条抽油机的现场使用情况调 研的基础上，得出了原链条抽油机各个系统的故障发生原始数据。 运用“失效故障的形式及影响”分析方法，对各构件的失效模式对 系统致命度影响进行了分析，找出了抽油机五大系统中致命度最大 的前三项分别为换向系统、平衡系统和悬吊系统。而故障模式中致 命度最大的传动链条、导轨、主轴销、特殊链节、平衡导轨、柱塞 等都属于上述系统。运用“故障树”失效分析方法，针对引起换向 系统和平衡系统主要元件早期失效的原因进行了综合定性分析，结 论认为：造成换向系统失效的主要原因是往返架存在垂直于传动链 条运动平面的侧向倾倒力矩，该力矩随往返架的运动方向不断变化 作用方向。使传动链条承受偏载，造成其频繁断裂；导向轮对导轨 产生撞击和偏磨，导致导轨移位；往返架产生倾斜，导致运动元件 的早期损坏。造成平衡系统失效的主要原因是气动柱塞拉伤、偏磨 和补气压缩机的失效等。 对原链条抽油机换向系统进行了运动动力分析，通过对往返架 在上下冲程力学模型的分析，推导出了侧向倾倒力矩的计算公式， 导向轮对导轨两侧的冲击力的计算公式等。 在此基础上，提出了新型链条抽油机的整机结构方案以及换向 平衡系统的结构方案。通过改变换向和平衡系统的力系，消除原结 构存在的侧向倾倒力矩，以及因此带来的不利因素。并增加了换向 平衡装置导向缓冲机构。用改变抽油机平衡方式的方法提高平衡系 统的可靠性，即用配重平衡代替气动平衡，并通过增加传动链轮半 径的方法以减少配重换向惯性力。新结构将配重部分和换向架合为 一体，使抽油机整机结构紧凑，美观合理，占地面积小。 对新型链条抽油机的换向和平衡系统进行了运动动力分析，得 出了运动模型和力学模型。建立了该系统主要技术参数的设计方 法，进行了结构设计。对新旧结构进行的计算实例对比表明，新型 链条抽油机不存在侧向倾倒力矩和对导轨两侧的冲击力，换向加速 度较小，配重平衡产生的换向惯性力较小。整个系统力系分布合理， 运转平稳。 关键词链条抽油机，换向平衡系统，力学模型，结构设计， 设计方法 d e s i g ns t u d yo nr e v e r s a la n dc o u n t e r b a l a n c es y s t e mo fc h a i n d r i v ep u m p i n gu n i t a b s t r a c t f i e l ds e r v i c es t a t i s t i c so fc h a i nd r i v ep u m p i n gu n i t si nc u r r e n tu s ep r o v i d e t h e f i r s t - h a n dd a t ao nt h e i rf a i l u r eo c c u n e n c e t h ea n a l y t i c a la p p r o a c ho ff a i l u r em o d e a n di t se f f e c ti su t i l i z e dt oa n a l y z ee f f e c to ft h ef a i l u r em o d eo fi t sc o m p o n e n t so n f a t a l i t yl e v e lo ft h es y s t e m ，a n di ti sf o u n do u tt h a t 。o ft h ef i v es y s t e m sc o m p r i s i n g t h ec h a i nd r i v ep u m p i n gu n i t ，t h ef i r s tt h r e ea r er e v e r s a l ，c o u n t e r b a l a n c ea n d s u s p e n s i o ns u b s y s t e ma c c o r d i n gt ot h e i rf a t a l i t yl e v e l t h ec o m p o n e n t sh i g hi n f a t a l i t y l e v e li n c l u d ed r i v ec h a i n , g u i d e , m a i n s h a f lp i ms p e c i a lc h a i nl i n l 【 c o u n t e r b a l a n c eg u i d ea n do u n g e r a n dt h e ya l lb e l o n gt ot h e s et h r e es y s t e m s t h e f a i l u r et r e em e t h o di sa d o p t e dt om a k ec o m p r e h e n s i v eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so nc a u s e s o f p r e m a t u r e f a i l u r eo fm a i n c o m p o n e n t sc o m p r i s i n g t h er e v e r s a la n d 构存在的侧向倾倒力矩，以及因此带来的不利因素。并增加了换向 平衡装置导向缓冲机构。用改变抽油机平衡方式的方法提高平衡系 统的可靠性，即用配重平衡代替气动平衡，并通过增加传动链轮半 径的方法以减少配重换向惯性力。新结构将配重部分和换向架合为 一体，使抽油机整机结构紧凑，美观合理，占地面积小。 对新型链条抽油机的换向和平衡系统进行了运动动力分析，得 出了运动模型和力学模型。建立了该系统主要技术参数的设计方 法，进行了结构设计。对新旧结构进行的计算实例对比表明，新型 链条抽油机不存在侧向倾倒力矩和对导轨两侧的冲击力，换向加速 度较小，配重平衡产生的换向惯性力较小。整个系统力系分布合理， 运转平稳。 关键词链条抽油机，换向平衡系统，力学模型，结构设计， 设计方法 d e s i g ns t u d yo nr e v e r s a la n dc o u n t e r b a l a n c es y s t e mo fc h a i n d r i v ep u m p i n gu n i t a b s t r a c t f i e l ds e r v i c es t a t i s t i c so fc h a i nd r i v ep u m p i n gu n i t si nc u r r e n tu s ep r o v i d e t h e f i r s t - h a n dd a t ao nt h e i rf a i l u r eo c c u n e n c e t h ea n a l y t i c a la p p r o a c ho ff a i l u r em o d e a n di t se f f e c ti su t i l i z e dt oa n a l y z ee f f e c to ft h ef a i l u r em o d eo fi t sc o m p o n e n t so n f a t a l i t yl e v e lo ft h es y s t e m ，a n di ti sf o u n do u tt h a t 。o ft h ef i v es y s t e m sc o m p r i s i n g t h ec h a i nd r i v ep u m p i n gu n i t ，t h ef i r s tt h r e ea r er e v e r s a l ，c o u n t e r b a l a n c ea n d s u s p e n s i o ns u b s y s t e ma c c o r d i n gt ot h e i rf a t a l i t yl e v e l t h ec o m p o n e n t sh i g hi n f a t a l i t y l e v e li n c l u d ed r i v ec h a i n , g u i d e , m a i n s h a f lp i ms p e c i a lc h a i nl i n l 【 c o u n t e r b a l a n c eg u i d ea n do u n g e r a n dt h e ya l lb e l o n gt ot h e s et h r e es y s t e m s t h e f a i l u r et r e em e t h o di sa d o p t e dt om a k ec o m p r e h e n s i v eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so nc a u s e s o f p r e m a t u r e f a i l u r eo fm a i n c o m p o n e n t sc o m p r i s i n g t h er e v e r s a la n d c o u n t e r b a l a n c es y s t e m ，w h i c hc o n c l u d e st h a tt h ep r e s e n c eo fl a t e r a lt a m i n gm o m e n t p e r p e n d i c u l a rt op l a n eo fm o t i o n o ft h ed r i v ec h a i no nt h er a c ki sl a r g e l y r e s p o n s i b l ef o rf a i l u r eo ft h er e v e r s a ls y s t e m i t sa c t i n gd i r e c t i o na l t e r n a t e sw i t ht h e r e c i p r o c a t i o no ft h er e c i p r o c a t i n gr a c k , t h u sr e s u l t i n gi n u n e v e nl o a d i n ga n d s u b s e q u e n t l yf r e q u e n tp a r to f t h ed r i v ec h a i n ，i m p a c ta n dl o p s i d e dw e a lb e t w e e nt h e g u i d ew h e e l a n dt h eg u i d ew h i c hl c a d st od i s l o c a t i o no f t h eg u i d e a n di n c l i n a t i o no f t h er e c i p r o c a t i n gr a c kc a u s i n gp r e m a t u r ed a m a g et ot h em o v i n ge l e m e n t s t h em a i n r e a s o n sf o rf a i l u r eo ft h ec o u n t e r b a l a n c es y s t e ma r cs c r a t c ha n du n e v e nw e a ro ft h e p n e u m a t i cp l u n g e r , a n db r e a k d o w no ft h ea i rm a k e u pc o m p r e s s o r k i n e t i ca n a l y s i si sc o n d u c t e do nt h ec u r r e n tc h a i nd r i v ep u m p i n gu n i t a n a l y s i so nm e c h a n i c a lm o d e la c t i n go nt h er a c ko nb o t ht h eu p s t r o k ea n dt h e d o w n s t r o k ec o n t r i b u t e st od e r i v a t i o no fe x p r e s s i o n sf o rl a t e r a lt u r n i n gm o m e n t , i m p a c tf o r c eo ft h eg u i d ew h e e lo n t ot h eg u i d e e t c o nt h i sb a s i s ，n e ws t r u c t u r es c e n a r i o sa r ep u tf o r w a r df o rt h ew h o l ec h a i nd r i v e p u m p i n gu n i ta n dt h er e v e r s a la n dc o u n t e r b a l a n c es y s t e m r e s p e c t i v e l y t h es y s t e m o ff o r c e so ft h er e v e r s a la n dc o u n t e r b a l a n c es y s t e mi sm o d i f i e dt oa l l e v i a t et h e l a t e r a lt u r n i n gm o m e n ti n h e r e n ti nt h ec u r r e n tc o n f i g u r a t i o na n di t su n f a v o r a b l e e f f e c t s ，a n dw h a ti sm o r e ，ag u i d ea n db u f f e rg e a ri sd e s i g n e di nt h er e v e r s a la n d c o u n t e r b a l a n t e s y s t e m c o u n t e r w e i g h tb a l a n c i n g i ss u b s t i t u t e df o ra i r c o u n t e r b a l a n c i n g , t h ec u r r e n tb a l a n c i n gm e a n s ，t o i m p r o v er e l i a b i l i t yo ft h e c o u n t e r b a l a n c es y s t e m a n dr a d i u so ft h ed r i v es p r o c k e ti si n c r e a s e dt od e c r e a s e r e v e r s i n gi n e r t i a lf o r c eo ft h ec o u n t e r w e i g h t t h ec o u n t e r w e i g h ta n dt h er e v e r s a i r a c ki si n t e g r a t e di nt h en e wp u m p i n gu n i ts ot h a tt h ew h o l eu n i ti sc o m p a c t r e a s o n a b l ei nc o n f i g u r a t i o na n de s t h e t i ci na p p e a r a n c e 。 ak i n e t i ca n dm e c h a n i c a lm o d e li sd e r i v e d , r e s p e c t i v e l y , f r o mk i n e t i ca n a l y s i s o nt h er e v e r s a la n dc o u n t e r b a l a n c es y s t e mo ft l l en e wc h a i nd r i v ep u m p i n gu n i t s t r u c t u r a ld e s i g ni sc a r r i e do u tb vr e f e r e n c et ot h ee s t a b l i s h e dd e s i g na p p r o a c ho f m a i nt e c h n i c a ld e t a i l so ft h es y s t e m b yc o m p l r i s o no fe x a m p l e so fc a l c u l a t i o n0 1 1 t h en e wa n dt h ec u r r e n ts t r u c t u r e 。t h en e wp u m p i n gu n i ti so fn ol a t e r a lt a m i n g m o m e n ta n di m p a c tf o r c ea c t i n go nb o t hs i d e so ft h eg u i d e ，o fl o wr e v e r s i n g a c c e l e r a t i o n ，a n do fs m a l lr e v e r s i n gi n e r t i a lf o r c ec a u s e db vt h ec o u n t e r w e i g h t ，a n d t h e r e f o r e , t h et o t a ls y s t e mi sr e a s o n a b l ei nd i s t r i b u t i o no fs y s t e mo ff o r c e sa n d s m o o t hi np e r f o r m a n c e k e yw o r d s c h a i nd r i v ep u m p i n gu n i t ，r e v e r s a la n dc o u n t e r b a l a n c es y s t e m ， m e c h a n i c a lm o d e l ，s t r u c t u r a ld e s i g n , d e s i g na p p r o a c h 。- 海交通大学海父迥大莩 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者签名吩徙寻 日期：乙o 年f 月o 日 上海交通大学上海父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囱，在r 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文储签名：孪沾琦 日期：2 , 0 0 2 年箩月2 - o 日 指导教师始韶谚咆 上海交通大学工程硕士研究生论文 1 1 课题背景 第一章绪论 l - 1 1 国内外有杆抽油设备技术现状 随着油田开发的推移，地层能量普遍下降，从世界范围看，大批自喷井 相继转入机械采油阶段，有些油田则因原始地层能量低或油稠，一开始就不能 自喷而上抽。因此从井数来看，机械采油井仍占绝对多数。目前，全国机采井 已有7 万口，机采井占油井总数的9 6 8 。由于各油田开发历史、开发方式和 油井情况不同，采用的机械采油方法也各有侧重，机械采油已成为当今油田开 发的主要工艺，各种机采方法亦在不断地发展和完善。我国的机械采油方法主 要应用有杆泵、电潜泵、水力泵等，胜利油田目前的机采方式则基本上是以有 杆泵和电潜泵为主，以螺杆泵和水力泵为辅的结构形式。 随着油田的开发和注水，油井下泵深度和排液量不断增加，同时经常出现 稠油、高粘、多蜡、多砂、水淹和强烈腐蚀等情况，因此，采油工艺对抽油机 提出了长冲程、低冲次大泵深抽的要求，目前广泛使用的游梁式抽油机虽然具 有结构简单、可靠耐用、便于维修等特点，但是受其结构所限难以满足深井、 稠油井对抽油机长冲程、载荷大的要求。由于长冲程、大载荷的游梁抽油机尺 寸过大，整机质量过重，受力状态变差，可靠性降低等原因，难以再向大型化 发展。从国内使用的1 4 至1 6 型游梁抽油机的使用情况调查结果可以看出，和 1 0 型以下游梁抽油机比较，故障率明显增大。为此，研制出了链条式抽油机、 采用特殊滚筒机构作为换向机构的滚筒型无游梁式抽油机、采用曲柄连杆机构 换向和滑轮组扩大冲程的增距式长冲程抽油机、曲柄连杆型无游梁式抽油机等 无游梁式抽油机n 一一一1 。但国内外近几年问世的一些长冲程无游梁抽油机如增 距式抽油机、滚筒式抽油机、数控式抽油机、液压式抽油机、齿轮式抽油机等， 现场使用数量较少，基本上局限在试验阶段，未能形成规模。而链条式抽油机 因其运动特性和节能效果好，成为我国无游梁抽油机中推广范围最广、数量最 上海变通大学工程硕士研究生论空 图i - i 链条抽油机在河5 0 丛式井蛆 f i 窑l - 1c h a i n d r i v ep u m p i n gu n i t s i n s t a l l e d i n m u l t i w e l lc l u s t e r h o s o 多的机型，但其可靠性仍需进一步提高。图卜1 为链条抽油机在国内最大的丛 式井组河5 0 井组的现场应用情 况。通过对国内外文献资料的检 索表明，国外研制的无游梁式抽 油机是以液压式和滚筒式抽油 机为主，如法国m a p e 公司的长 冲程无游粱液压抽油机“。对链 条式抽油机的研究较少，主要结 构与国内已有的链条抽油机基 本相似，如美国高原公司的 r o t a f l e x 长冲程低冲次抽 油机”7 ”。 其发展趋势为抽油机朝大 载荷、长冲程、低冲次、精确平 衡、高效节能、高适应性、高可 靠性、自动化、智能化、通用化、 系列化、标准化方向发展。 图1 - 2 原链条抽油机的结构原理图 f i gl - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o g e n tc h a i nd r i v e 11 2 原链条抽油机的技术现 1 一悬重系统：2 嘴繁誉3 一平衡车统；4 一机架 状 21 结构组成 上海交通大学工程硕士研究生论文 原链条抽油机的结构见图卜2 所示，主要由五部分组成：( 1 ) 悬重系统， 包括天车轮及轮架、钢丝绳、悬绳器等；( 2 ) 换向系统，包括下链轮、往返架、 传动链条、上链轮等；( 3 ) 平衡系统，包括平衡缸、空气包、平衡链轮、平衡 链条、油包、空气压缩机等；( 4 ) 机架，包括机架主体、维修门、操作台等； ( 5 ) 传动系统，包括电动机、皮带轮、减速器、联轴器等。 1 1 2 2 工作原理 原链条抽油机的工作原理是电动机皮带传动，减速器减速后驱动下链轮旋 转，它又带动垂直布置的环形闭合的传动链条运转，传动链条上的特殊链节与 往返架上的滑块中的主轴销相连，使往返架随传动链条沿导轨做上下往复运 行。往返架体的上横梁连接着绕过天车轮的钢丝绳带动抽油杆往复运动，带动 深井泵抽油。往返架的下横梁连接着绕过平衡链轮并固定于机架上的平衡链 条，使平衡缸里的平衡柱塞往复运动，实现储能放能的平衡作用。 1 1 2 3 存在问题 链条抽油机自8 0 年代推广以来，因受社会环境和野外作业工况的影响， 气平衡式链条抽油机的优势得不到充分发挥，反而给现场操作人员带来管理上 的麻烦，如空气压缩机、阀门和仪表等经常被盗，气动平衡部分结构复杂，故 障率高，维修工作量大，现场工况恶劣，砂粒侵蚀柱塞表面造成平衡缸柱塞拉 伤，漏气严重，平衡缸使用寿命短，空气包密封不严以及密封件老化等，致使 链条抽油机平衡系统处于不平衡状态。造成零部件过早磨损，甚至导致抽油杆 早期疲劳断裂，电动机和减速器过早损坏。换向系统受力布置不合理，往返架 在整个运动过程中始终存在一个垂直于传动链条运动平面的侧向倾倒力矩，而 且该力矩的作用方向随上下冲程不断改变倾斜方向，使传动链条承受偏载，造 成传动链条频繁断裂、导向轮损坏、导轨两侧严重侧磨和换向元件损坏，使其 它零部件受力不均衡而过早损坏。致使换向部分中的运动件早期失效。 1 1 2 4 针对原链条抽油机进行技术改进的技术现状 国内研制链条式抽油机已有二十多年的历史，研究报导较多，在理论研究、 结构改进及性能提高方面均做了许多工作。文献 9 ，1 0 对主要运动部件进行 了力学和失效分析，找出关键部件失效的主要形式及原因，对往返架结构改进 提出了建议。文献 1 1 ，1 2 分析了气平衡链条抽油机使用性能后，提出了该气 上海交通大学工程硕士研究生论文 平衡系统为重力平衡系统的措施。文献 1 3 对换向机构进行了受力分析，指出 造成换向机构故障率高的根本原因是往返架组件在工作载荷作用下受两个方 向的弯矩作用，提出了在往返架上添加侧向导轮，调整往返架上平衡力作用点， 采用两挂链条同步运转加关节轴承等改进建议。1 9 9 5 年以来，针对国内在用的 气平衡式链条抽油机( 主要是胜利和辽河油田) 进行了较大规模的技术改进工 作，主要改进点包括：( 1 ) 采用配重平衡代替气平衡。主要有两种方案：一种 是采用双配重平衡，即将往返架总成质量增加，同时在平衡链条下面用配重筐 代替平衡气缸，在配重筐内加装平衡块。这种方案结构较为复杂，需要增加配 重筐运动导向装置。另一种方案是在原有往返架主体背部直接联结配重筐，配 重筐中加装平衡块n 铂。( 2 ) 换向机构的改进n 刳，主要是对往返架总成中的导 向轮总成、滑块与滑杠运动副进行结构改进。导向轮运动副的改进是将导向轮 总成由一个滚轮改为围绕导轨三面滚动的三滚轮运动副，形成三面包围导轨结 构，导向滚轮与导轨两侧由原来的滑动摩擦变为滚动摩擦，导向轮与导轨正面 和两侧的间隙可以调整，由导轨抵抗侧向倾倒力矩，解决导向轮对导轨的换向 冲击及对导轨两侧的严重磨损。滑块一滑杠运动副的结构改进方案主要有两种： 一种是滑块横向移动仍采用原有的一对滑杠，但为了改善其润滑条件，在结构 上增加润滑油导流板，使游动体得到充分润滑，滑杠与轴套的润滑状况得到改 善；另一种方案是采用由四个滚动轮组成的全滚动水平移动滑架代替气平衡机 的原有结构l1 3 乙摩擦副由滑动摩擦方式改为滚动摩擦方式，以减少摩擦磨 损。( 3 ) 设置失载保护装置，为了防止光杆或钢丝绳断裂而引起重达6 t 的往返 架主体突然下落，进而撞击破坏机架，增设了失载保护装置。失载保护装置主 要有两种方式：一种是采用电磁开关触发式失载保护装置。当发生失载时，主 电源即自动切断使重锤下落，实施刹车。待故障处理后，按下控制箱内的复位 按钮，使重锤复位。在现场恶劣的条件下，其灵敏度和可靠性难以保证；另一 种是采用离心式失载保护装置。失载时刹车轮的转速超过正常转速1 5 倍时， 两个刹车块在离心力的作用下拉断保险片，与刹车轮鼓接触，产生摩擦力矩， 使往返架平衡柜平稳地落到底。这次大面积的技术改进是在链条抽油机原有基 础上进行的，存在一定的局限性，无法作到完全彻底。使得改造后的抽油机仍 存在换向机构故障率偏高和悬吊系统中的钢丝绳易断等问题，各采油厂不得不 4 上海交通大学工程硕士研究生论文 定期更换上述部分的零部件。 1 1 3 开题的意义 随着油田开发的不断深入，国内各大油田已进入高含水期和特殊油藏开采 阶段，胜利、辽河等油田平均含水8 0 以上，稠油和低渗透油藏油井已占我国 油井总数的三份之一，迫切需要一种既适用于深抽、大排量提液，又适用于稠 油开采的结构先进，性能可靠，易于管理的节能、大负荷、长冲程抽油机。目 前广泛使用的游梁抽油机虽然具有结构简单、可靠耐用等优点，但难以满足要 求，链条抽油机以其结构新颖、性能优良的独特优势成为我国油田的主力长冲 程无游梁抽油设备，在全国1 1 个油田得到广泛应用，为我国特殊油藏开发作 出了巨大贡献，该机相对于游梁式抽油机结构复杂，易损件多，可靠性差，且 冲次低，不适应高含水油田的开发需要，近年来使用数量大幅下降。为此，需 要研制一种新型换向平衡系统的抽油机，使其既具有常规游梁抽油机可靠耐用 的特点，同时又具有发展长冲程、大载荷抽油机的前景，以满足油田的实际需 要。本课题主要是针对其中的换向系统和平衡系统进行设计研究。 1 2 课题的研究目标、研究内容和拟解决的技术关键 1 2 1 研究目标 ( 1 ) 通过对原链条抽油机换向和平衡部分的故障分析，找出影响可靠性和 使用性能的主要因素； ( 2 ) 以提高抽油机换向系统的可靠性为主要目标，通过改变换向系统的力 系，消除原链条抽油机往返架存在的侧向倾倒力矩，减少换向冲击和运动件的 磨损； ( 3 ) 以提高抽油机平衡系统的使用寿命为目标，用配重平衡代替气动平衡 方式，并设法减少抽油机换向过程中产生的惯性载荷。 1 2 2 主要研究内容 ( 1 ) 原链条抽油机换向部分和平衡部分故障分析； ( 2 ) 链条抽油机换向系统的运动分析和动力分析； ( 3 ) 换向系统消除侧向倾倒力矩研究； ( 4 ) 配重平衡系统减少换向惯性载荷的研究； 上海交通大学工程硕士研究生论文 ( 5 ) 换向和平衡系统的结构设计。 1 2 3 拟解决的技术关键 ( 1 ) 设计无侧向倾倒力矩的换向系统，消除原链条抽油机往返架因存在该 侧向倾倒力矩而产生的换向冲击和运动件的早期失效，设计可有效吸收换向冲 击的缓冲装置，从而改善整机受力状况，提高传动链条寿命，减轻换向冲击和 导轨磨损； ( 2 ) 设计平衡效果近似于气动平衡，且简单可靠易于调节的配重平衡系统， 在抽油机换向过程中能有效减少配重换向惯性力。 6 上海交通大学工程硕士研究生论文 第二章原链条抽油机换向平衡系统故障分析 2 1 现场统计的原链条抽油机各个系统的故障发生原始数据 分别对在胜利油田的滨海、河口、滨南、临盘、纯梁、现河：东辛等6 的采油厂，辽河油田的高升采油厂使用的l c j l 2 5 和l c j l 4 5 1 2 q 两种型号的 链条抽油机进行了故障统计，详细结果如下： 表2 - 1胜利油田l c j l2 5 链条抽油机故障统计 抽查故障 悬吊 传动换向平衡机架电控柜压风机 台数总数 滨海 1 01 0l582l70 河口53oo30o32 滨南 2 1 1 5336301 89 临盘 3 02 421 34321 21 1 纯梁 2 64 152 229381 3 现河 3 l8 11 92 352 7781 7 东辛 l2olo0l0o 合计 1 2 4 1 7 63 06 72 1 4 41 45 65 2 故障率1 7 o 3 8 11 1 9 2 5 0 7 9 5 不包括不包括 表2 - 2 胜利油田l c j l2 - 5 链条抽油机故障统计问题分类 问题性质 部位 问题细目 设计 制造管理 悬吊 钢丝绳帽位置错 + 系统 钢丝绳断股 + + 挡绳架坏 + 光杆捅天车 + 所占比例4 0 o6 0 传动减速器渗漏、噪音大 + 系统 联轴器损坏 + + 电机地脚螺栓松动 + 减速器皮带轮松动 + 刹车瓦丢失 + 电机烧 + 所占比例 l o 4 05 0 7 上海交通大学工程硕士研究生论文 续表2 - 2 胜利油田l c j l2 - 5 链条抽油机故障统计问题分类 问题性质 部位 问题细目 设计制造管理 换向传动链条松 + 系统 导向轮总成减振弹簧断 + 导轨移位 + 导向轮架断裂 + 导向轮铜套破碎 + 导轨偏磨严重 + 润滑油斗丢失 + 导向轮架销轴、紧固螺栓丢失 + 换向噪声大 + 所占比例4 04 0 2 0 平衡油包无油、空气包无气 + 系统 补油泵失效 + 空气包气压偏低 + 气压表损坏 + 润滑油位显示器丢失 + 气平衡柱塞偏磨 + 严重漏气 + 所占比例 3 0l o6 0 机架 大门下三螺栓未上紧 + 系统 地脚螺栓松动 + 井口烧抽油机 + 侧框门漏油 + + 天车台损坏 + 主动链轮定位板松动 + 所占比例2 8 6 07 1 4 由表2 - 2 可以看出，链条抽油机5 大系统在问题性质类型中由于设计缺陷 造成的故障的排序依次为换向系统、悬吊系统、平衡系统、机架系统、传动系 统：由于现场管理维护不当造成的故障的排序依次为机架系统、平衡系统、悬 吊系统、传动系统和换向系统；由于制造质量差造成的故障的排序依次为换向 系统、传动系统、平衡系统、悬吊系统和机架系统。其中换向系统和平衡系统 8 上海交通大学工程硕士研究生论文 在3 类问题中有两类分别排在首位和第3 位，说明这两大系统在设计和制造质 量上存在较大缺陷，需要在设计和制造上进行改进完善。 表2 3 辽河高升油田l c j l2 5 型链条抽油机故障统计 年抽悬吊 传动系统换向系统平衡系统 整机 度查系统 年故 台 断天链减联主主导主主传柱换检平障率 数 绳车轮速轴电动轨轴轴动塞空修衡 造轴轴器器机链偏销销 链 拉气气 轨 成承承 损损 坏轮磨孔 损条伤 压 路道 绳 损 座 坏坏滚移磨坏断缩断 绞 坏 裂键位大机 1 9 9 46l0o4 ol00ol0o07o2 3 3 3 1 9 9 53 672o5o302oll o 2 4 311 8 6 1 1 9 9 63 91 83035 61 2o11 365065 014 4 6 2 1 9 9 73 81 55544 71 5532 082 002 05 43 5 8 9 5 1 9 9 84 52 0751 06 81 31 25455 512 86 856 8 0 0 1 9 9 94 81 47486 22 38415l o l53 07 527 2 7 1 分项7 5 2 4 1 43 42 3 36 72 51 53 82 61 8 268 62 9 71 2 平均 累计4 7 7 0 系统合计 9 9 3 4 8 2 8 64 0 l1 1 3 4 各系统故 8 73 0 72 5 23 5 4 障率分配 表2 - 4 胜利油田采油院链条抽油机修理厂l c j l2 - 5 型链条抽油机故障统计 年大 换向系统平衡系统 整机年 度修 故障率 台 主动链轮导向导轨特殊主轴主轴传动气平衡系统 滚键轮损偏磨 链节销损销孔 链条 损坏 数 坏 移位损坏坏磨大 断 1 9 9 7l o21 0 6433 473 9 0 1 9 9 85 2l o4 92 71 91 31 82 14 63 9 0 4 1 9 9 95 594 7 3 01 91 l1 7 2 64 63 7 3 分项 2 l1 0 66 34 2 2 73 8 5 19 9 平均 累计 3 8 4 5 系统合计3 4 8 9 94 4 7 各系统故7 7 9 2 2 1 障率分配 9 上海交通大学工程硕士研究生论文 表2 - 5 辽河高升油田l c j l4 5 - 12 0 型链条抽油机故障统计 年抽 悬吊传动 换向系统 平衡系统 整机 度 查 系统系统年故 台断天 减主传动 主主 导 平 柱换检 障率 数绳车 速电链条轴轴轨衡塞空修 造 轴器机断销销偏轨拉气气 成承损坏损孔磨道伤压路 绳损坏坏磨 移 断缩 绞坏大位机 1 9 9 53 222 l202oo2oo43 52 1 2 5 1 9 9 65 01 21 948 2 5 7o 5 3 0 2 2 6 83 4 6 0 1 9 9 77 53 51 241 0 7 1 1 0 1 58 1 23 88 63 8 9 3 1 9 9 88 72 81 132 l 9 5 1 39735 3 1 1 0 23 7 7 0 分项 7 76 31 33 91 9 33 02 42 2779 52 9 1 平均 累计 3 3 1 2 系统合计 1 4 05 22 6 94 0 08 6 l 各系统故1 6 36 o3 1 24 6 5 障率分配 表2 6 胜利草桥油田l c j l2 - 5 型链条抽油机故障统计 年 抽悬吊传 换向系统 平衡系统 整机 度查系统动年故 台系障率 数统 断天 减 导 主导主 主 传特更密平柱 绳 生 速向动轨轴轴动殊换封衡塞 造轴器轮链偏销销链链从圈轨拉 成承损损轮磨孔损条 节 动坏道伤 绳损坏坏滚移磨坏断损链断 绞坏键位大坏轮 1 9 9 6 3 5 57 9 l394 0 05l i o35 07 56 242 0 62 l4 3 9 2 1 9 9 7 4 2 69 4 083 27 5 02 51 7 91 88 01 3 41 2 01 35 0i ，3 85 6 3 s 1 9 9 8 4 7 68 0 241 66 5 01 51 6 21 71 0 0 4 5 1 5 053 082 64 2 6 5 分项 2 5 3 31 5 5 71 8 0 04 5 4 5 i 3 82 3 02 5 43 3 22 2l o o2 9 8 5平均 累计 4 7 6 5 系统合计 2 5 4 45 7 3 1 7 2 2 1 45 9 9 l 故障率分配 4 2 5o 9 5 5 2 9 3 6 1 0 上海交通大学工程硕士研究生论文 由表2 3 至表2 - 6 的统计数据可以看出，在链条抽油机的5 大系统中换向 系统和平衡系统的故障率均排在前3 位。 2 2 失效模式的分析 根据以上提供的胜利草桥油田l c j l 2 5 型链条抽油机的故障统计原始数 据，运用“失效事故的形式及影响分析( 简称f m e c a ) ”失效分析方法，针对 链条抽油机各个构件的失效模式对系统致命度影响大小的分析，找出其主要故 障点。 2 2 1 故障定义与功能划分 故障判断基于以下两条原则： ( 1 ) 用户接受原则用户报告产品在工作中出现的任务缺陷。 ( 2 ) 设计认可原则设计人员规定的产品在工作中出现的任务缺陷。 一般地，只要出现上述两条原则中的一条就可认为是故障，如机器不能启 动，工作非正常中断，整机性能明显下降；机器零部件出现断裂、开焊、松脱、 变形、严重磨损、严重泄漏等。对于一些确属工艺或保养的例行措施和定期更 换易损件造成的正常停机不应作为故障，如更换密封圈、添加润滑油、定期更 换钢丝绳、测示功图等。 2 2 2 功能划分 链条抽油机功能划分原则： ( 1 ) 根据链条抽油机整机的输出要求，选定最高功能级。 ( 2 ) 作为分析的最低功能级，应该是具备为建立功能定义和功能说明所必须 的信息的那一级。一般将功能相同的零部件组合体作为最低功能级。对于关键 零部件，应以较低层次作为最低功能级。 基于以上划分原则，把链条抽油机整机作为最高功能级，组成系统作为中 间功能级，总成或关键零部件作为最低功能级。从高到低的功能级可简化成整 机、组成系统和功能组，见表2 - 7 。链条抽油机整机划分为5 个组成系统、2 3 个功能组。 上海交通大学工程硕士研究生论文 表2 - 7 链条抽油机功能划分 整机 系统功能组 名功能名称功能名称功能 称 链在一定传动系统提供动力，减电动机提供动力 条冲程、冲速并制动带传动传递动力 抽次等技减速器减速 油术性能制动装置 制动 机要求下换向系统将旋转运动主动链轮支撑 持续不转换为直线从动链轮支撑 断地往 往复运动 传动链条 传递 复抽油 往返架换向 导轨导向 平衡系统实现储能放 空压机 提供高压气体 能的平衡作空气包储存高压气体 用油包储存润滑油 平衡链条传递平衡力 平衡气缸 储能放能 平衡导轨导向 油泵循环润滑油 悬吊系统带动抽油杆天车轮支撑 柱上下往复钢丝绳悬重 运动悬绳器联结安装测功仪 机架系统安装整机机身安装整机 大门 便于观察或更换机内零件 操作台便于操作 水泥基础支撑 2 2 3 评分标准 为进行致命度分析，必须制定评分标准。按故障发生的失效率、严重性和 排除故障的难易程度评分。致命度就是这三者的乘积。 ( 1 ) 故障发生的失效率 失效率入 4 5xi 0 吨d ，打分1 0 分。 失效率在1 5 1 0 2 入4 5x1 0 d ，打分8 分。 失效率在5 i 0 吨 入1 5xi 0 d ，打分6 分。 失效率在1 1 0 喈 入5 1 0 d ，打分4 分。 失效率在入1 1 0 。2 d ，打分2 分。 ( 2 ) 故障的严重性 致命故障，打分1 0 分。 能导致整机功能丧失甚至整机报废，常常引起严重的二次 1 2 上海交通大学工程硕士研究生论文 故障，对整机造成重大损失。 严重故障，打分6 分。 能导致整机功能丧失，或使整机工况严重恶化，对整机造 成较大损失。 一般故障，打分3 分。 能导致整机功能丧失，或使整机工况有所恶化，对整机无显著损伤。 轻度故障，打分1 分。 能导致整机功能丧失，或不影响整机工况，对整机无损伤。 这里需要说明的是：整机功能丧失，即整机停机而不能抽油，功能丧失中 除整机报废外都可经修复而恢复功能；工况恶化是指润滑、平衡、功率传递或 受力等恶化。 ( 3 )