（机械工程专业论文）cyjs124853hb型抽油机主要部件的改进设计.pdf

北京化 ：大学工程硕十学位论文 c y j s l2 4 8 5 3 h b 型抽油机主要部件的改进设计 摘要 有杆抽油方法是应用最早也最为广泛的一种人工举升采油 法。抽油机是有杆抽油系统的地面驱动设备。现场使用表明，抽 油机具有坚固耐用、工作可靠、运转平稳、维护方便等优点。 但是，抽油机耗能高、效率低也是众所皆知的。在抽油机制 造方面，同样也存在很多的问题，如部件材料使用过剩、体积庞 大、笨重，造成生产成本高，缺少优化等等。 本文从抽油机部件优化入手，建立数学模型，引进边界条件， 对抽油机主要部件进行了优化设计，改善了游梁的不合理结构， 合理利用材料，避免了游梁的损坏，节约修复和服务成本；减小 了减速器的体积，使其重量降低了1 1 1 ，节省了钢材，从而降 低了抽油机的制造成本。 关键词游梁式抽油机，设计分析，优化设计 j ! 室些三盔堂三堡堡主堂垡笙苎 o p t i m i z a t i o nd e s i g no f c y j s l2 4 8 5 3 h bp u m p i n gu n i t sm a i np a r t s a b s t r a ct r o dp u m p i n gi so n eo ft h ee a r li e s ta n dw i d e l yu s e da r t i f i c i a l l i f t i n go i lp r o d u c t i o nm e t h o d s a tp r e s e n t ，t h ew i d e l y 。u s e dp u m p i n g u n i ti st h es u r f a c ed r i v ed e v i c ei nt h er o dp u m p i n gs y s t e m i ti s p r o v e nb yt h ew o r k - s i t ea p p l i c a t i o nt h a tt h ep u m p i n gu n i t sh a st h e a d v a n t a g e s o f s t u r d y a n dd u r a b l e b o d y ， r e l i a b l ea n ds m o o t h o p e r a t i o n ，a n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e b u ti nt h eo t h e rh a n d ，i ti sw e l lk n o w nt h a tt h ep u m p i n gu n i t h a st h ed i s a d v a n t a g e so fh i g he n e r g yc o n s u m i n ga n d l o we f n c i e n c y - t h e r ea r ea l s om a n yp r o b l e m si nt h ep u m p i n gu n i tm a n u f a c t u r i n g ， s u c ha st h es u r p l u so fp a r tm a t e r i a l ，h u g eb u l k ，h i g hp r o d u c tc o s t a n dl i t t l eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ，e t c i no r d e rt om a k er a t i o n a lu s eo fm a t e r i a l ， a v o i dt h eb e a m d a m a g e ，r e d u c et h er e p a i ra n ds e r v i c ec o s t ，d e c r e a s et h er e d u c e r v o l u m ea n dw e i g h t ， s a v es t e e lm a t e r i a l ，a n dn n a l l yr e d u c et h e m a n u f a c t u r i n gc o s to ft h ep u m p i n gu n i t ，t h i sp a p e rh a sp u tf o r w a r d s o m em e t h o d so fo p t i m a lp u m p i n gu n i tp a r t s ，q u o t e db o u n d a r y c o n d i t i o n ， b u i l tm a t h e m a t i c sm o d e l ， d e s i g n e d s o m ep a r t sw i t h o p t i m a lm e t h o da n di m p r o v e dt h es t r u c t u r e k e yw o r d ：b e a m p u m p i n gu n i t ，d e s i g na n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o n d e s i g n i i 北京化工大学工程硕士学位论文 符号说明 户m 。一驴头悬点最大允许载荷，k n ； 氏。一悬点最大冲程长度，m ； n 一悬点的最大冲程次数，r m i n ； m 一一减速箱最大允许扭矩，k n m a 游梁前臂长度，m ： c 游梁后臂长度，m ； p 连杆长度，m ； r 曲柄半径，m ； i 游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离，m h 游梁支承中心到底座底部的高度，m ； g 减速器输出轴中心到底座底部的高度，m ； j 曲柄到中心游梁支承中心之间的距离，m ： b 一传动角，。； 葡一位置因数； s 悬点位移，m ； u 一悬点速度，m s ； a 一悬点加速度，m 2 s ； 一曲柄角速度，s ； 瓦一游梁摆动角加速度； w 。一抽油杆在空气中的自重，k g ； r 一油管内、柱塞上的油柱重k g ： 一纯光杼载荷扭矩，聃m ； s 。一齿轮副的重合度； z 齿轮齿数： m n 一齿轮副的法面模数； 屈齿轮副的螺旋角，。 v 北京化工大学位论文原创性声明 8 8 2 2 9 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，本论文不含任何其他个人或集体已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，均已在文中以 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。 作者签名：趣墨选日期：2 q 血互；哩 北京化工人学工程硕十学位论文 1 1 研究题目的来源 第一章前言 石油在地下蕴藏了几百万、几千万年，它是地球赋予人类宝贵的资源。 我国是世界上发现和利用石油与天然气最早的国家之一，远在公元前十一 世纪，古书“易经”就有发现天然气的记载，宋代科学家沈括在其所著“梦 溪笔谈”中第一次给石油科学命名，并沿用至今。我国近代石油工业在 1 8 7 8 年在台湾钻成第一口油井，到解放前仅勘探开发了台湾、独山子、四 川及玉门等几个小型油气田。解放后。中国的石油工业随着中国这个石油 巨人的脚步前进而前进，先后发现大庆、青海等十几个油田，探明了亿吨 储量。 从地层中开采石油的方法通常可分为两大类：一类是利用地层本身的 能量来举升，俗称自喷采油法；另一类是由于地层本身的能量不足，必须 人为地利用机械设备给井内补充能量，才能将原油举升到地向，因此这一 类称为人工举升采油法或机械采油法，凡是不利用抽油杆柱传递能量的抽 油设备统称为无杆抽油设备，而利用抽油杆柱上下往复运动进行驱动的抽 油设备统称为有杆抽油设各。有杆抽油设备由三部分组成：一是地面驱动 设备即抽油机；二是井下抽油泵；三是抽油杆柱。 有杆抽油方法是全世界各大采油国应用最为广泛的一种人工举升采 油法。据统计，有杆抽油井在机械采油井中所占的比例，我国为9 1 、美 国为8 5 、前算联为7 5 ”。至2 0 0 0 年我国油田共有抽油机采油井约8 万口， 占油井总数的9 0 。在这些采油井中，有杆抽油井约占9 0 。我国使用有杆 抽油设备采油，也已有半个多世纪，1 9 8 0 年以后，由于各油田对有杆抽油 设备的需要量大幅度增长以及改革开放政策的实旌，有杼抽油设备与技术 也得到了迅猛的发展，不少方面达到或接近世界先进水平。有杆抽油井的 诊断技术与参数优选技术已普遍推广采用。取得了较好的效果。在提高有 杆抽油系统效率方面也已开展了试验和理沦研究，取得了显著的成果。 近十年来，在参照和等效a p i ( 美国石油学会) 标准的基础上，结合 我国国情，石油行业先后修订或制订了游梁式抽油机、抽油泵、抽油杆等 北京化： 大学1 程硕十学位论文 行业标准及国家标准，使我国有杆抽油设备的设计、制造和使用达到了新 的水平，开创了一个崭新的局面，使抽油机使用具有了广阔的市场。大港 油田中成公司抽油机制造厂发展迅速，1 9 9 3 年全年生产抽油机四十余台， 1 9 9 9 年市场需求量猛增，仅大港油田八个采油区就订购各种型号抽油机 1 6 0 多台，维修旧抽油机6 0 多台，价值近4 0 0 0 万元，国内市场前景非常看 好，2 0 0 2 年还开拓了国际市场，叙利亚的一家石油公司一次就订下六十多 台的合同。 作为抽油机制造厂家，面对这样强劲的市场需求，无疑是一个难得的 好机会。但是，抽油机的制造成本高、利润低，如何降低产品的制造成本， 获得更多的利润，一直是我们考虑的问题，找到一个解决的办法，无疑将 会给抽油机制造厂带来很好的效果。 抽油机除动力机、减速器、曲柄及刹车等部件外，其余都是铆焊结构 件，约占整机质量的百分之七十多。显然，在保证各部分的强度下，如能 减少材料的使用量，将减少抽油机的制造成本。尤其是在钢材市场不断涨 价的情况下，降低钢材的使用量。那将直接降低抽油机的制造成本。面对 竞争日趋激烈的销售市场，高质量、低成本的产品，具有很强竞争力，是 企业发展的动力，这对于一个正在发展的小企业显得尤为重要。 1 2 研究领域的历史、现状和前沿发展情况 目前国内外在抽油机方面开展了大量的研究工作，其主题是围绕着提 高抽油机运行效率和节约能源来进行，主要是开展三方面的工作：一是在 抽油机节能技术方面，从悬点运动规律和原动机的匹配两个方面入手，深 入探讨其机理，这方面的研究近几年已经成为抽油机研究的热点。通过对 抽油机运动规律的研究，对抽油机的有关部件进行改进，如偏置式游梁抽 油机己在全国各油田推广，此外还研制了多种节能的新式抽油机，由于多 种原因( 如结构复杂、不便于维护和可靠性差等) ，尚未得到大面积推广。 通过对原动机，主要是电动机的运行和抽油机运动规律匹配方面的研究， 研制多种抽油机节能控制装置( 如变频调速和可编程控制技术等) 和各种 节能电机，如超高转差率电动机和双定予结构电机等，目前已得到大面积 北京化工大学工程硕十学位论文 推广。二是在抽油机的使用和维修方面，针对抽油机使用过程和维修实践 中出现的问题，进行了广泛探讨，提出了许多行之有效的措施和方法。三 是在抽油机运动理论和抽油机优化设计方面，应用各种理论对抽油机的运 动规律和减速器的运动特性进行分析，并针对现有抽油机的不足，进行新 型抽油设备的研制，如各种无游梁、长冲程抽油机以及液压抽油机和智能 抽油机；对抽油机的主要零部件，如减速器、游梁、支架等进行有限元分 析和优化设计，使抽油机的设计更加科学和合理。但从保证抽油机可靠性， 降低抽油机制造成本进行分析和研究的比较少，然而这一点对于一个抽油 机制造厂却意义深长。 由于近年来各种新型抽油机可靠性差、故障率高、维护保养不便等原 因，在油田实际使用较少，目前在油田广泛使用的仍然是游梁式抽油机， 因此有针对游梁式抽油机进行部件改造设计，特别是针对降低抽油机成本 方面的问题进行分析，具有重要的现实意义。 大多数设计者在设计抽油机时，通常是先根据抽油机各部件的几何关 系求出最大悬点载荷，以此推导出其他部件的受力情况，进而采用力学计 算公式，取较大的安全系数进行简单的强度校核，再确定材料规格型号。 还有些设计者甚至不通过计算，直接根据自己的经验，选用安全系数很高 的材料，这样虽然没有计算，一般也不会出现强度不够的问题。但是，这 样设计抽油机部件无形中提高了材料的规格型号，人为地对材料造成一定 的浪费，也加大了整机的制造成本，使生产出的产品不具备较强竞争的能 力，在市场中没有生命力，很难长久生存，企业因此也无法发展、壮大。 然而随着现代设计技术和方法的产生，传统的设计方法和步骤出现了 较大的改变。主要涉及到两个方面：( 1 ) 产品设计原理，( 2 ) 产品现代设 计技术和方法：包括预测技术、系统工程、机器的可靠性与概率设计法、 优化设计法、有限元法、工作载荷谱与动态设计、c a d 技术及其在产品设 计中的应用。上世纪六十年代初，国外对现代设计技术和方法的研究已经 引起普遍重视，各国学者所研究的侧重点虽然各不相同，但总的趋势是一 致的，其目的都是为了解决实际的、复杂的和高难度的工程技术问题。我 国对该项目的研究起步较晚，在改革开放政策的指引下，国外先进的设备、 技术的不断涌入，震动了我国工程设计者。近年来，我国设计者吸收了大 北京化工大学t 程硕士学位论文 量的先进技术和方法，取得较大的进步。有限元法就是逐步发展起来的一 种数值分析方法，近十几年中伴随着计算机技术的普及，有限元法相应得 到了广泛的推广应用。并且应用水平也得到迅速的拓展和提高，在许多领 域中已成为进行科学研究及工程分析的重要方法和手段，其应用范围已由 杆件结构问题扩展到了弹性力学乃至塑性力学问题，由平面问题扩展到空 间问题，由静力学问题扩展到动力学问题，成为广大科技工作者解决大量 实际问题的有力工具。其基本思路是将结构物体看成由有限个划分的单元 组成的整体，以单元节点的位移或节点力作为未知量求解。主要包括三个 基本步骤：( 1 ) 结构物的离散化；( 2 ) 单元分析；( 3 ) 整体分析。1 。 因此将此方法应用到本课题的研究中，建立数学模型，应用计算机编 程技术，分析各部件的受力情况，简化烦琐的结构力学计算，校核各部件 强度，确定适当的材料，完成课题的研究内容，一定也能达到预期的目标。 1 3 前人在本课题研究领域中的成果 由于c a d 技术的飞速发展以及有限元分析法的引进，在许多领域得到 应用，取得许多成果，在石油机械制造业更是如此。但是大港油田中成公 司抽油机制造厂仍在沿用已经习惯了的传统分析方法，大多数设计者一直 沿用它来设计抽油机的各部件，很少有人引进有限元法进行分析。本文希 望利用有限元计算c y j s l 2 4 2 5 3 h b 型抽油机的游梁及驴头，使 c y j s l 2 4 2 5 3 h b 型抽油机主要部件得到改进，性能更优越。另外机械零 部件的最优化设计在最近十多年来也有相当的发展。就齿轮传动优化设计 来讲有：齿轮在最小接触应力下的齿廓最佳几何形状设计：轮齿在满足弯 曲和接触强度条件下具有最佳承载能力的非渐开线f 齿轮副设计；定轴齿 轮传动在限定最大接触应力、齿面最高温升和保证齿面最小油膜厚度下使 单位体积所能传递的扭矩最大的优化设计；二级齿轮减速器重量最小化的 设计；齿轮泵的优化设计等等。这些问题都进行过一些广泛深入的研究、 并有机械零件优化设计的专门著作。因此本文还希望对c y j s l 2 4 2 5 3 h b 型抽油机的减速器进行优化设计，得到二级齿轮减速器重量最小化的设 计。 北京化工大学t 程硕士学位论文 “c y j s l 2 4 2 5 3 h b 型抽油机主要部件改进设计”课题是在传统的产 品中采尉新的设计方法，完成抽油机设计，一定可以取得意想不到的结果。 1 4 课题研究的目的和意义 游梁式抽油机诞生后，历经百年的使用，经历了不同的地域、油况的 考验，经久不衰，直到现在仍在国内外广泛使用。常规抽油机以其结构简 单、操作简便、维护费用低等明显优势，而区别于其他类型抽油机，一直 占据着有杆抽油泵采油地面设备的主导地位。虽然它存在能耗高、“大马 拉小车”等缺点，仍抑制不住它在油田的广泛使用，并且随着世界石油工 业的飞速发展，各油田对他的需求量日益增高。另外，许多油田经营者为 了追求开采效益最大化，以最小的投入来换取最大的回报，不断与研究抽 油机设备的科研院所联合开发节能高效的新型抽油机，成为油田经营者追 求的目标，这意味着节能型抽油机也具有较广阔的市场。 对于抽油机制造厂家来说这是绝好不过的机会了，面临市场的需求， 扩大再生产，创造较高的效益。如果能设计节能型产品、保证产品可靠性、 降低单机制造成本，将会给企业带来较好的经济效益。 众所周知，抽油机属耗能大、效率低的采油设备，我国油用的抽油机 仍普遍存在以下问题：”1 ( 1 ) 如何提高采油经济效益，降低能源消耗，减少抽油成本。 ( 2 ) 如何提高抽油系统效率，减少抽油机动载荷与振动载荷。 ( 3 ) 如何提高抽油机平衡效果，达到节电和提高抽油机运动平衡性 与使用寿命。 解决这些问题，将对抽油机的使用开辟更广阔的应用领域，直接影响 我国石油工业的发展。 但是，对于抽油机制造厂家来说，最关心的是经济效益，以最小的成 本换取最大的利润，即如何保证抽油机的可靠性、降低抽油机制造成本则 是应首先考虑的问题。抽油机的使用环境比较恶劣，长期全天候使用，经 常处在无人维护的情况下，抽油机的可靠性如果不能保证，会直接给采油 厂带来麻烦。我厂生产的抽油机同样出现或多或少的一些问题如：结构件 北京化工大学工程硕士学位论文 损坏、轴承烧损、减速器齿轮断裂等等。据我厂统计，在近几年生产的5 0 0 台抽油机中，出现损坏情况的有6 5 台，占统计总数的1 3 。损坏抽油机中 主要以结构件及减速器损坏居多，损坏部件的情况见表卜l 。 表卜11 9 9 5 年2 0 0 1 年抽油机主要部件损坏情况 底座游梁驴头减速器其它 1 4 5 1 1 4 1 5 6 损坏形式有：底座中部出现裂缝、游梁撕裂、驴头撕裂、减速器打齿。 出现这些问题时，我们通常解决的方法是更换损坏的部件，然后分析原因， 提出改进措施。分析原因是通过材料力学进行计算的，计算过程既复杂又 不准确。 在目前计算机技术飞速发展的年代，我们可以利用有限元分析软件进 行分析，清晰地展现出各部件的应力分布情况，为技术人员设计抽油机产 品提供依据，准确地确定游梁哪里强度低，应该加强；哪里应力小，可以 减少材料，真正做到合理利用材料。在确保部件强度的情况下，减少材料 的使用量。在游梁式抽油机部件中，除动力机、减速器、曲柄及刹车等部 件外，其余都是铆焊结构件，约占整机质量的百分之七十多。在以往的抽 油机设计中，大多数设计者通常是先计算出抽油机的最大悬点载荷，根据 各部件的几何尺寸推导出其他部件的受力情况，进而采用材料力学的计算 公式，取较大的安全系数进行简单的强度校核，再确定材料规格型号。也 有些设计者甚至不通过计算，直接根据自己的经验，选用安全系数很高的 材料，这样虽然没有计算，一般也不会出现强度不够的问题。但是，这样 设计无形中提高了材料的规格型号，人为地对材料造成一定的浪费，也加 大了整机的制造成本。 显然，通过应力分析，合理使用原材料，将减少抽油机的制造成本。 尤其是在钢材市场不断涨价的情况下，降低钢材的使用量，那将直接降低 抽油机的制造成本。面对竞争日趋激烈的销售市场，高质量、低成本的产 品，具有很强竞争力，是企业发展的动力。无疑这对于一个正在发展的小 企业就显得尤为重要。如何能知道哪里的材料可以减少，哪里的材料不能 少呢? 这都需要有严谨的科学理论计算来证明，这正是本文所研究的内 北京化工大学工程硕士学位论文 容。 目前优化设计方法在结构设计、化工系统设计、电气传动设计、制造 工艺设计等方面都有广泛的应用，而取得了不少成果，在机械设计中，对 于机构、零件、部件、工艺设备等基本参数以及一个分系统的设计，也有 许多运用优化设计方法取得了良好的经济效果的实例。实践证明，在机械 设计中采用优化设计方法，不仅可以减轻机械设备自重、降低材料消耗和 制造成本，而且可以提高产品的质量与工作性能。到目前为止，优化设计 已成为现代机械设计理论和方法中的一个重要领域，并且愈来愈受到从事 机械设计的科学工作者和工程技术人员的重视。 优化设计是近几十年发展起来的一门新的设计方法，这是从上世纪六 十年代初期开始的最优化技术和计算机技术在设计领域中应用的结果。本 课题希望通过先进的有限单元法，建立数学模型，应用计算机编程技术重 新计算抽油机中部分结构件，分析受力情况，较清晰地表现出抽油机主要 部件应力分布情况。根据应力分布，合理设计材料的规格型号，充分发挥 每一个零部件的作用，从而减少制造中的材料浪费，达到降低抽油机生产 成本的目的，提高产品质量，使我们制造的抽油机在销售市场中更加具有 竞争能力。 1 5 研究的主要内容 本文将分析游梁式抽油机的运动特性、悬点载荷的状况、研究抽油机 主要部件的受力情况，采用有限元方法建立数学模型，分析抽油机游梁、 减速器的应力分布规律，找到危险部位，并依据分析结果，对其进行改进 设计，力求在保证抽油机的可靠性的前提下，做到少用材料，用好材料， 避免材料的浪费，从而降低抽油机的成本。 ( 1 ) 游梁的改进设计 游梁是抽油机主要承载部件之，要有足够的刚度和强度。本文以 c y j s l 2 4 8 5 3 h b 型游梁式抽油机为例，根据无阻尼结构振动理论，利用 有限元数值模拟的方法，计算出抽油机在自由振动时的振动特性，分析游 梁的应力分布，找出抽油机最先破坏部位的变化性，再根据分析结果改进 北京化工大学工程硕十学位论文 原有的游梁结构，避免游梁的损坏。 ( 2 ) 减速器双圆弧齿轮的优化设计 减速器是抽油机的关键部件之一，其重量约占抽油机总重量的2 0 左 右。双圆弧齿轮传动具有承载能力大、效率高、寿命长和工艺简单等特点， 在抽油机减速器上得到普遍应用，但是双圆弧齿轮构成的抽油机减速器的 设计采用传统方法，多数未进行优化，致使减速器体积庞大、笨重。因此， 对减速器进行优化设计，减少重量，这项工作对于降低，抽油机制造成本 具有非常大的现实意义。 北京化t 大学t 程硕十学位论文 2 1 引言 第二章抽油机的基本结构与参数 有杆抽油方法是应用最为广泛的一种人工举升采油方法，位居首要位 置。图2 1 为有杆抽油系统简图，有杆抽油设备通常出三部分组成：一是 地面驱动设备即抽油机，它由动力机、减速箱和四连杆机构组成，二是井 下抽油泵，它挂在油管的下端，三是抽油杆柱，它把地面设备的运动和动 力传给井下抽油泵。有杆抽油设备的工作原理是动力机通过皮带传动带动 减速箱，由四连杆机构把减速箱输出的旋转运动变为驴头的往复运动，用 驴头带动光杆和抽油杆做上下往复直线运动。通过抽油杆再将这个运动传 给井下抽油泵中的柱塞。抽油泵泵筒的下部装有固定阀( 吸入阀) ，在柱 塞的上部装有游动阀( 排出阀) 。当抽油杆向上运动、柱塞做上冲程时， 固定阀打开，泵从井中吸入原油。同时由于游动阀关闭，柱塞将它上面的 油管中原油上举到井口。这就是抽油泵的吸入过程。当抽油杆向下运动， 柱塞做下冲程时，固定阀关闭而游动阀打开，柱塞下面的油通过游动阀排 到它的上面，这就是抽油泵的排 出过程。实际上游梁式抽油机 一一抽油泵装置，相当于一个特 殊结构的单缸单作用柱塞泵，只 不过将它的水力部分放到井下成 为抽油泵，将它的驱动部分放在 地面变为游梁式抽油机，两者用 又细又长的活塞杆一一抽油杆连 接起来。 有杆抽油系统的地面设备一 一抽油机因其结构简单、制造容 易、操作及维修方便、使用可靠， 而被广泛使用。 9 6 一套管 7 一删油泵 幽2 - 1 有杆抽油系统简图 北京化一l 人学工程硕士学位论文 2 2 抽油机的分类 抽油机的种类较多，概括起来可以分为以下几类：按有无游梁可分为 游梁式抽油机和无游梁式抽油机：按结构形式可分为常规型游梁抽油机、 异相型游梁抽油机、前置型游梁抽油机；按平衡方式可分为曲柄平衡、游 梁平衡、复合平衡；按驴头结构形式可分为上翻式、侧转式；按驱动方式 可分为电机驱动和内燃机驱动等。尽管抽油机的种类较多，结构形式也各 不相同，而且近年来在推广节能型抽油机方面又涌现出多种机型，如被中 国石油天然气集团公司在全国推荐使用的调径变矩游梁平衡抽油机、下偏 杠铃游梁复合平衡抽油机、摆杆式游梁平衡抽油机、特型双驴头抽油机、 偏轮式游梁抽油机、直线往复式抽油机等“3 ，但目前应用较多的仍属游梁 式抽油机，本文将着重论述游梁式抽油机。 2 3 游梁式抽油机的结构 游梁式抽油机一般由驴头、游梁、横梁、连杆和曲柄销、曲柄和平衡 重、支架、减速器、底座、制动器、动力机及悬绳器总成等几大部分组成。 双驴头抽油机是在常规抽油机的基础上演化出来的。它不仅保持了常规抽 油机的结构简单、工作可靠、操作及维修方便等优点，还具有运转平稳、 附加动载荷小、冲程长、能耗低等优点。中成公司抽油机制造厂自1 9 9 4 年 引进该项技术，试制成功，至今已生产几百台该种抽油机。双驴头抽油机 结构简图见图2 2 ，它在常规机的游梁后臂上增加了一个具有变径弧形的 后驴头，游梁与横梁之间采用柔性连接件进行连接，使之成为具有“变参 数四连杆机构”，通过柔性件和驴头圆弧始终相切，从而允许游梁作大摆 角摆动，以获得长冲程”1 。抽油机工作时，曲柄通过“特殊连杆”( 柔性连 接件) 拉动游梁而往复摆动。随着曲柄的转动，连杆长度和游梁后臂有效 长度均随曲柄转动而变化。由于这种变参数四连杆机构的作用，改变了抽 油机扭矩因数的变化规律，使其悬点载荷作用到曲柄轴的扭矩变化接近 正弦规律，达到了与按正弦规律变化的平衡扭矩较好地平衡，使净扭矩接 近于恒定状态，降低了减速器输出扭矩的峰值，避免了负扭矩，从而减 北京化t ：大学1 = 程硕士学位论文 小了减速器的额定扭矩及所配的电动机额定功率，进而减小电网的最大负 荷及波动量。但在使用中发现游梁或后驴头损坏严重，影响正常生产。 游梁式抽油机根据原动机安装位置的不同有两种形式：一种是将其放 置在抽油机底座尾部，一种是放置在游梁支架下面从而使底座减短。减速 器的安装形式也有所不同，一种是直接放在底座，减少了减速器底座，使 抽油机整机重量降低，但为了保证曲柄旋转，须在抽油机底座下加较高的 基础，另一种是在减速器下加个底座，抬高减速器，使曲柄可以旋转， 底座坐在较低基础上，不需要高基础，安装、维护较方便。 图2 2 抽油机结构简图 ( 1 ) 驴头 驴头用来将游梁前端的往复圆弧运动变为抽油杆的垂直直线往复运 动。是以中央轴承为旋转中心的圆弧体，驴头具有一半径弧面，弧面半径 等于前臂长。一般驴头用型钢或钢板焊成，我国常用的驴头结构型式有上 北京化工大学工程硕士学位论文 翻式、侧转式及重力式，国外抽油机驴头常采用上翻式和悬挂式。中成公 司则以侧转式结构的驴头居多，这种驴头制作比较简单，安装方便，可靠 性高。修井时只需卸下同侧固定销轴，拉动驴头转向一边即可。它是用钢 板组焊而成的一个箱形结构，侧板使用q 2 3 5 钢板，厚度为1 2 、1 0 、8 m m 不等。如图2 3 。 ( 2 ) 游梁 游梁是抽油机主要承载部件之一，它用一 个短轴和两个轴承支在抽油机支架上，前端连 着驴头，后端通过尾部轴承座与横梁相连，抽 油机工作时，游梁以支架轴承为中心，绕中心 作上下摇摆运动，担负着抽油机的全部载荷， 要有足够的刚度和强度。游梁的结构通常只有 两种，一种是箱形结构，用于重型抽油机，它 可以用不同规格的板材经切割下料后组焊而 成：另一种是h 型结构，用于中型及轻型抽油 图2 3 驴头简图 机，通常使用型材制造，因此有些结构尺寸受材料规格限制。 ( 3 ) 横梁及连杆 横梁是连接游梁和连杆的中问部件，动力需经过横梁才能带动游梁作 摇摆运动，是把两个连杆的驱动力合为一处而带动游梁转动的桥梁性构 且一一乱 榉瀚 名| ! | 痒等烈h 杰卜 一一蚴 0 ；i 图2 4 横梁结构简图 1 2 北京化工大学工程硕士学位论文 件，通常由型钢及钢板焊接成型。 连杆是把曲柄的连续圆周运动变为简谐运动的主要构件之一。通常采 用上接头、无缝钢管及下接头焊接而成，焊缝应进行探伤检验。 i 乜霎玎_ u _ t 几矽 晰刚 燃锇。 图2 5 连杆结构简图 ( 4 ) 曲柄和平衡重 抽油机中的曲柄通常分别装在减速器的输出轴上，并通过曲柄销连接 连杆。一般在曲柄上有多个曲柄销孔，用以改变抽油机冲程的长度。 图2 6 曲柄及平衡重简图 北京化工大学工程硕士学位论文 由于抽油机上下冲程的载荷不均匀，对减速器输出扭矩影响较大，需 加装平衡重来平衡这种不均匀。平衡可分为机械平衡及其动平衡，机械平 衡包括曲柄平衡、游梁平衡和复合平衡三种形式。从平衡效果来看，游梁 平衡最好，复合平衡次之，曲柄平衡最差；但从安全性来看，则正好相反。 据现场使用统计情况来看，轻型抽油机使用游梁平衡，中型抽油机使用曲 柄平衡，重型抽油机则较多使用复合平衡”1 。 ( 5 ) 支架 支架是用来支撑游梁的桁架结构，承受悬点载荷和连杆拉力，也要求 具有足够的强度和刚度。其结构常有两种，一种是四腿支架，主要由型钢 焊接而成，特点是制造方便，刚度大、体积大，运输不方便，国内抽油机 多采用这种形式；另一种是三腿支架，一般由工字钢或槽钢组焊成型，它 的特点是开度大、运输方便，但制造、安装困难，国外抽油机采用这种形 式的较多”1 。图2 7 就是三腿支架简图。 ( 6 ) 减速器 减速器是抽油 机中的重要部件，它 把动力机高速转动 变为低速转动的装 置。在抽油机中，传 递动力并降低转速， 通常采用两级齿轮 传动，齿轮采用双圆 弧或渐开线人字齿 轮或斜齿轮。 ( 7 ) 悬绳器总 成 悬绳器总成由 钢丝绳及绳头锁紧 图2 7 支架简图 装置组成。钢丝绳应选用韧性好不旋转铜丝绳，绳头用锌浇实或钢套直接 挤压成型，使用时将钢丝绳挂在驴头套绳轮上，两绳头连接在悬绳器上。 1 4 北京化工大学工程硕+ 学位论文 ( 8 ) 动力机 抽油机上使用的动力机包括电动机及天然气发动机。 ( 9 ) 底座 底座是抽油机的基础，承担了全部自重及载荷。支架、减速器、电动 机等部件直接固定在底座上，整个抽油机通过底座固定在水泥基础上。底 座的稳定性和连接固定的可靠性是抽油机诋常运行的前提。抽油机底座常 用型钢及钢板焊接而成，结构常采用t 形或兀形，要有足够强度及刚度。 另外，电动机座也常有两种布置方式，一种是直接在底座的主梁上焊接电 动机导轨，特点是抽油机运转平稳，但消耗材料较多：另一种是用不同的 型钢单独制作电机底座，然后将它焊接或铆接在主座上，这样可以节省材 料，比较适合于电动机需要架高的地方。图2 8 为游梁式抽油机底座结构 简图。 r i t 厂厂 ir 王 7 j 口 函 附一| 髟 图2 8 底座简图 2 4 游梁式抽油机的基本参数 抽油设备的功用就是从一定的井深处抽出一定数量的原油，所以井深 和产量就标志着抽油设备的工作范围。为了达到这两个指标，对游梁式抽 油机的工作能力提出了四个基本参数”1 。 ( 1 ) 驴头悬点( 挂抽油杆处) 的最大允许载荷p m 。 北京化工大学工程硕士学位论文 这一载荷包括静载荷和动载荷，它主要取决于抽油杆柱和液柱的重 量。实际上，它表明了在一定抽油杆柱和抽油泵泵径组合时的最大下泵深 度。目前，悬点的最大允许载荷从5 8k n 到1 5 0 2 8 0k n 。 ( 2 ) 悬点最大冲程长度s 。 它主要决定抽油机的产量以及抽油机的基本尺寸和重量。悬点最大冲 程长度s 一从o 3 m 到l om ，而应用最广的在6m 以下。 ( 3 ) 悬点的最大冲程次数n 它表明抽油机的抽汲工况，泵径一定时，悬点的最大冲程次数n 。和 悬点最大冲程长度s 一共同确定了抽油机的最大产量。目前实际应用的悬 点的最大冲程次数n 。从2 4 m i n 。到2 0 m i n 。因为在每一个冲程内抽油 杆应力变化一次，因此提高冲程次数将会加快抽油杆发生疲劳破坏，这样 便限制了冲程次数的进一步提高。 ( 4 ) 减速箱曲柄轴最大允许扭矩m 一 这个参数和上述三个基本参数存在一定关系，特别是和悬点最大冲程 长度s 。成正比，即s 。越大，m 一也越大。同时曲柄轴最大允许扭矩值 m 一也决定了减速箱的尺寸和重量，它们是成正比的。 2 5 游梁式抽油机的标准 游梁式抽油机的参数在我国、俄罗斯等国均属国家标准，在美国为石 油学会标准即a p i 规范。它们都是在一定的理论指导下，以各国油田的实 际使用资料为依据，经过科学分析与综合后制定出来的，是设计和制造游 梁式抽油机的重要依据。”们上世纪七十年代以前，我国游梁抽油机基本使 用原苏联的标准。1 9 7 5 年制订了j b l 5 7 6 7 5 ( 游粱抽油机形式和参数) ， 这是我国游梁式抽油机的第一个标准。以后又经过多次修订，直至目前正 在使用中的s y t 5 0 4 4 2 0 0 4 使得游梁式抽油机形成规范化、标准化、通用 化的系列产品。标准中规定了游梁式抽油机的型式、型号、基本参数、技 术要求、试验方法及检验规则、标志、包装和贮存。 ( 1 ) 代号 c y j ：常规型抽油机； 1 6 北京化工大学工程硕士学位论文 c y j y ：异相型抽油机； c y j s ：双驴头抽油机； c y j q ：前置型抽油机 ( 2 ) 平衡方式 y ：游梁平衡，在游梁上加装平衡块的平衡方式； b ：曲柄平衡，在曲柄上加装平衡块的平衡方式，又称旋转平衡方式； f ：复合平衡，同时采用游梁和曲柄平衡的平衡方式： q ：气动平衡，用汽缸平衡的平衡方式 ( 3 ) 型号表示法 额定悬点载荷为1 2 0 k n ，光杆最大冲程为4 8 m ，减速器额定扭矩为 5 3 k n m ，采用点啮合双圆弧齿形，平衡方式为曲柄平衡的双驴头抽油机， 其型号为c y j s l 2 4 8 5 3 h b ，此型号抽油机就是我公司生产的双驴头抽油 机之一。 ( 4 ) 基本参数 部分游梁式抽油机的基本参数见表2 1 表2 一l 抽油机基本参数表 额定悬点载荷最大冲程最高冲次减速器扭矩 序号规格型号 k nmk n m l3 1 5 1 33 01 51 21 3 23 2 1 1 33 02 11 21 3 35 2 1 1 35 02 11 21 3 46 3 2 66 03 o1 22 6 58 3 3 78 03 o83 7 6 1 0 3 5 31 0 03 0 8 5 3 71 0 一4 2 5 31 0 04285 3 81 2 4 8 7 31 2 04 887 3 9 1 4 5 8 9 1 4 05 0 88 9 北京化工大学工程硕士学位论文 第三章游梁式抽油机的基本理论 3 1 游梁式抽油机的运动特性 游梁式抽油机的基本工作理论主要包括：运动分析、悬点载荷计算、 平衡问题、减速器输出轴的扭矩计算以及抽油机功率的确定。 游梁式抽油机的种类很多，根据结构形式不同可以分为常规型、异相 型、前置型和双驴头型，根据平衡方式不同可以分为机械平衡( 包括游梁 平衡、曲柄平衡、复合平衡) 和气平衡，本文主要研究我厂生产的 c y j s l 2 4 8 5 3 h b 型双驴头抽油机的主要部件。 游梁式抽油机的运动特性主要是研究驴头悬点的位移、速度和加速度 随时间的变化规律，从而为悬点载荷分析和扭矩计算提供运动学数据。 3 1 1 游梁式抽油机的几何关系“2 分析游梁式抽油机的运动特性时，首先应了解抽油机四连杆机构的几 何关系，图3 一l 为游梁式抽油机的几何关系简图。为了论述方便，本文统 一采用以下符号： a 一游梁前臂长度； c 一游梁后臂长度； p 一连杆长度； r 一曲柄半径； i 一游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离； h 一游梁支承中心到底座底部的高度； g 一减速器输出轴中心到底座底部的高度： k 一极距，即游梁支承中心到减速器输出轴中心的距离： j 一曲柄到中心游梁支承中心之问距离： o 一曲柄转角，以曲柄半径r 处于1 2 点钟位置作为零度，沿曲柄旋 转方向度量： 北京化工大学工程硕士学位论文 巾一零度线与k 的夹角，由零度线到k 沿曲柄旋转方向度量 b c 与p 的夹角，称为传动角； 篱害 陵 li一，l一一一一 一f 一，i j 卜 、 、 l j 渗，誉、 ， ， 一1 i x c 与k 的夹角 p k 与j 的夹角 1 l r c 与k 的夹角 图3 1 抽油机的几何关系简图 1 l f 。一光杆在最低位置时的1 l r 角； 1 l r 。一光杆在最高位置时的1 l r 角。 由图3 一l 还可知 由2 士一姆( 志 ( 。训 巩2 眈 ( 3 2 ) 式中，“+ ”号用于曲柄顺时针方向旋转。“一”号用于曲柄逆时针方 向旋转，并且以观察者面对抽油机时，井口在右侧判别曲柄旋转方向。以 1 9 北京化工大学工程硕士学位论文 下相同。 在o d o 和b d 0 中由余弦定理及正弦定理可得 j = 扛万忑面 3 1 2 运动分析“3 z = c2 + 尸2 一，2 1 2 c pj c2 + _ ，2 一尸2 1 2 c ，j 雄玳咖争靠 ”一s 掣 ”s 学 口= + y ) 一以 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 一1 0 ) ( 1 ) 悬点位移 进行抽油机运动分析时，通常以悬点为研究点，以光杆处在最低位置 时( 即下死点) 作为计算位移的起始点。 设游梁摆动位移为况，最大角位移称为游梁摆角万，则有： 4 = 。一妒 ( 3 1 1 ) j = b 一。 ( 3 1 2 ) 悬点位移为：s ：爿j ( 3 13 ) 悬点最大位移为： s = 一d ( 3 1 4 ) 这即为游梁抽油机光杆冲程长度 在抽油机运动分析中经常会遇到这样一个比值，即悬点位移与冲程长 度的比值，这一比值被称为游梁抽油机的位置因数舰。 厂j1r1l o o c c c 0 暑 盯 北京化工人学工程硕士学位论文 面：旦：互：f 丝二竺1 s占 l 妒6 一妒，j ( 2 ) 悬点速度 利用速度瞬心法可以求得 “n ，z u h = r o ” s i n 口 rs i n 口 2 石珊五万 悬点的速度为： 一 s i n 口 ”2 爿吼。石丽 图3 七速度瞬心法图解 ( 3 一1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 为了避免冲次及冲程的影响，往往采用悬点速度与ms 的比值，该比 值称为无因次速度，用u 表示。 ( 3 ) 悬点加速度 悬点加速度就是驴头圆弧面上与悬绳相切点的切向加速度，可用下式 表示： d = 爿龟 ( 3 一1 9 ) 式中气为游梁摆动的角加速度，可以用角加速度仇对时间t 求导得到 铲扣竺竺磐 z 。， ( 4 ) 运动特性 2 1 北京化工大学丁程硕士学位论文 悬点的位移、速度、加速度及其无因次值p r 的大小和变化规律反映 了抽油机的运动特性，对抽油机的悬点载荷以及减速器输出的扭矩特性有 较大的影响。 图3 3 、图3 4 分别就是常规型抽油机在曲柄逆时针旋转时的速度、 加速度曲线。 当抽油机曲柄半径相对于 其他杆长来说很小时( r c 、r p 和r k o ) ，悬点运动可近似看 成为简谐运动。按简谐运动规 律变化的曲线如图中虚线表 示，可见抽油机悬点的实际运 动规律与简谐运动规律有较大 的差别，尤其是加速度的变化 规律差别更为显著，因此简谐 运动的计算公式只能用在抽油 机的近似计算中。 在死点位置时的实际加速 度与按简谐运动公式算出的加 速度比值称为游梁抽油机的运 动指标，用m 。表示。 下死点时的运动指标为： 胴 v 8 图3 - 3 曲柄逆时针旋转时的速度曲线。 一t 艇型 - - 一一怔骑 图3 4 曲柄逆时针旋转时的加速度曲线 m a 】：去：尝尝 ( 3 _ 2 1 ) 2 赢2 丽百 叫u 上死点时的运动指标为 m 矿一志= 爿 _ 等 z ， “a z2 一赢2 否j 丁j 丽 o o 一2 1 ， 各型游梁式抽油机的运动指标如表3 一l 1 北京化工大学工程硕士学位论文 表3 一l 各型游梁抽油机的运动指标 常规型( 苏)常规型( 美)异相型气平衡型前置型 m a l 1 5 31 3 41 1 7o 8 7o 6 6 m a 2 o 6 5 o 7 8 1 0 6 1 2 2 1 3 8 运动指标越接近l ，悬点的实际运动规律就越接近简谐运动，它取决 于抽油机四连杆机构的杆长比值，r p 与r c 越小，m 。越接近1 ，而这也 意味着在相同冲程长度下四连杆机构的尺寸也越大。 图3 - 5 为常规型和异相型抽油机运动特性曲线，实线代表上冲程，虚 线代表下冲程。 f r ； 泛f n 、 畦“、6 a 8 l 一 蕊 皑。弋 图3 5 常规型和异相型抽油机运动特性曲线 3 2 游梁式抽油机的悬点载荷 3 2 1 悬点载荷的主要构成因素”5 游梁式抽油机的悬点载荷是标志抽油机工作能力的重要参数之一，是 抽油机设计计算和选择使用的主要根据。抽油机通过抽油杆带动井下抽油 泵工作时，在抽油机驴头悬点上作用有以下几类载荷： ( 1 ) 抽油杆在空气中的自重w r ，作用方向朝下； ( 2 ) 油管内、柱塞上的油柱重w + ，作用方向朝下； 2 3 北京化上火学工程硕士学位论文 ( 3 ) 油管外油柱和对柱塞下端的压力，大小取决泵的沉没度，作用 方向向上w 。，； ( 4 ) 抽油杆柱和油柱运动所产生的惯性载荷，他们的大小与悬点的 加速度成正比，作用方向与加速度方向相反： ( 5 ) 抽油杆柱和油柱运动所产生的振动载荷，方向和大小都是变化 的； ( 6 ) 柱塞和泵筒闻、抽油杆( 接箍) 和油管间半干摩擦力、还有抽 油杆和油柱间、油柱和油管问以及油流通过抽油泵游动阀( 排出阀) 的液 体摩擦力，