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三维SW图 常规 式游梁 抽油机 设计 三维 SW CAD 图纸

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前言前言目前，采油方式有自喷采油法和机械采油法。在机械采油法中，有杆抽油系统是国内外油田最主要的，也是至今一直在机械采油方式中占绝对主导地位的人工举升方式。有杆抽油系统主要由抽油机、抽油杆、抽油泵等三部分组成，抽油机是有杆抽油系统最主要的升举设备。根据是否具有游梁，抽油机可以划分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。而常规游梁抽油机自诞生以来，历经百年使用，经历了各种工况和各种地域油田生产的考验，经久不衰。目前仍在国内外普通使用。常规游梁式抽油机以其结构简单、耐用、操作简便、维护费用低等明显优势，而区别于其他众多拍油机类型，一直占据着有杆系采油地面设备的主导地位。游梁式抽油机的主体结构为曲柄摇杆机构。根据驴头和曲柄摇杆机构相对于支架的位置，游梁式抽油机的机构形式可以划分为常规型和前置式两种；根据平衡方式的不同，游梁式抽油机可以划分为曲柄平衡、游梁平衡和复合平衡。常规型游梁式抽油机主要由发动机、三角皮带、曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头、悬绳器、支架、撬座、制动系统及平衡重等组成。发动机安装在撬座上，其安装位置有两种，一种是将发动机置于整体尾部，另一种是将发动机放在支架下面。减速箱为二级齿轮传动减速箱，传动比为 30 左右齿轮型式一般小功率用斜齿，大功率用人字齿。近年来推广使用点啮合双圆弧人字齿。曲柄一端与减速器输出轴固结，另一端与连杆铰接连杆与横梁常见有两种型式：小型抽油机多为组焊结构，靠改变后臂长度来调节冲程大型抽油机多为整体机构，靠改变曲柄与连杆铰接位置来调爷冲程。游梁由型钢组焊而成，也有用大型工字钢整体制造。驴头由钢板组焊而成，有上翻式、侧转式、拆继式几种形式。平衡重为金属块。小型抽油机多装于游梁尾部，大型抽油机多装于曲柄两翼平衡重可根据需要而调整。本设计将对常规游梁式抽油机进行设计与计算，以达到对常规游梁式抽油机的优化设计的目的。1目录目录1 设计任务书设计任务书 .11.1 课题内容.11.2 设计内容:.12 总体方案的设计总体方案的设计 .22.1 抽油机设计原理的确定.22.2 杆长尺寸的设计计算.32.4 安装尺寸与机构相关参数.32.5 常规游梁式抽油机零部件关系.33 游梁抽油机基本参数的确定游梁抽油机基本参数的确定 .43.1 游梁抽油机的运动分析.43.2 游梁式抽油机悬点载荷计算.73.3 游梁式抽油机减速箱曲柄轴扭矩计算.103.4 游梁抽油机的抽汲工况.123.5 游梁式抽油机的电动机选择计算.134 常规游梁是抽油机的平衡计算常规游梁是抽油机的平衡计算 .145 变速机构的传动比分配及其结构确定变速机构的传动比分配及其结构确定 .145.1 变速机构的传动比分配.146 主要部件的设计主要部件的设计 .156.1 曲柄.156.2 游梁.166.3 驴头.176.4 横梁.186.5 常规游梁抽油机装配体.18参考文献参考文献 .19致谢致谢 .2021 设计任务书设计任务书1.1 课题内容（1）主要参数：型号：CYJ32.113HB（2）最大载荷：30KN（3）冲程长度： 1.4，1.7，2.1（单位：m）（4）冲程次数：6，9，12 （单位：）1min1.2 设计内容:（1）总体方案设计（总体尺寸，四杆机构） ；（2）运动分析（计算位移、速度、加速度） ；（3）动力分析及平衡计算；（4）主要部件结构设计、计算；（5）电机选择与油井匹配参数的确定；2 总体方案的设计总体方案的设计2.1 抽油机设计原理的确定目前，常规式游梁抽油机采用的是四杆机构原理。国内外使用的游梁式抽油机四杆机构的循环主要有一下三种：对称循环、近似对称循环和非对称循环。在此我们采用近似对称循环四杆机构。图 2-1 游梁式抽油机四杆机构原理图近似对称循环四杆机构主要参数参考范围：（1）传动角 ： 最大传动角和最小近似对称于，故maxmin90 ，。150145max3530min（2）极位夹角：54（3）游梁最大摆角：4643max（4）基杆倾斜角:可取 H-G= 423222IJ 3（5）5-0下上（6）悬点下死点时曲柄初始角：54一般小于（7）各杆长之间相对时间限制：，35. 02 . 0JR85. 07 . 0JLL ， ，若，可取，若7 . 04 . 0JL后0 . 2L0 . 1后前LmS2 . 4max8 . 10 . 1后前LL 。mmS62 . 4max0 . 25 . 1后前LL2.2 杆长尺寸的设计计算由于最大冲程，所以各个杆长之间存在以下关系： mS3max由于本设计的最大冲程，所以，在此取并且取mS1 . 2max。小5 . 0, 4 . 0,3125. 1cba，则其他杆长为：mR8 . 0mmaLLmmcRLmmbRLL1 . 23125. 16 . 16 . 15 . 08 . 024 . 08 . 0小后前后此外，)(430. 28 . 06 . 12222222mRLLJL后式中：R曲柄半径，m；游梁后臂长度，m;后L游梁前臂长度，m;前L连杆长度，m；LLJ基杆长度（从曲柄旋转中心到游梁支点的距离）m；2.3 平衡方式的确定目前，国内外采用的机械平衡方式主要有：曲柄平衡、游梁平衡和复合平衡。由于本5 . 045. 04 . 035. 04 . 11后后前小LRcLRbLLaL4抽油机是短冲程、变冲次的工况要求，所以采用曲柄平衡。而曲柄平衡较游梁平衡来说，调整更加方便。2.4 安装尺寸与机构相关参数（1）游梁支撑到底座的高度 36m（2）执行机构的行程速度比系数 1.2（3）减速器输出轴中心到底座的高度 0.6m（4）曲柄半径：0.51.2m2.5 常规游梁式抽油机零部件关系常规游梁式抽油机零部件关系框图如图 2-2：图 2-2 常规游梁式抽油机零部件关系框图3 游梁抽油机基本参数的确定游梁抽油机基本参数的确定3.1 游梁抽油机的运动分析将四杆机构简化为曲柄滑块机构时，作悬点的运动规律计算。其简化图如下5 图 3-1 悬点的运动规律简化图当时，游梁与连杆的连接点处于上死点，相对应的悬点 C 处于下死点；当01B时，B 处于上死点,相对应的悬点 C 处于上死点 1802BmmmRLOBmmmLROBLL2 . 18 . 00 . 28 . 20 . 28 . 021B 点的冲程长度mmRSB6 . 18 . 022取 B 点的位移零点，向下为位移的正方向，则任意曲柄转角时 B 点的位移为： BS 由三角形 OAD 可得：OBLROBOBBBSLB11222sin1sin1cos)(sinsin4 . 00 . 28 . 0)cos1 (1)cos1()cos1 ()cos1 ()coscos(cos0 . 2cos8 . 0coscos而正弦定理中得知，由式中则LLLLLBLLROABLRRLRLRRLSLRDBODOB所以，)sin11 (1cos1 22 RSB按二项式定理展开2222sin21sin16B 点位移 S22sin16. 0)cos1 (8 . 0sin2)cos1 (RRB1 . 28 . 026 . 11 . 22:)2cos(cos2sin2 . 0sin256. 105. 1)2sin2(sinsin2 . 0)cos1(05. 1sin2 . 0)cos1(8 . 06 . 11 . 2sin2)cos1()sin11 (1)cos1()2cos(cos)2sin2 . 0(sin0048. 1)2sin2(sin/256. 1602122222222RLLSSRLLaRLLvRLLRLLSavSRaaBRvBsradddcCCcCBBBtC后前后前后前后前后前为移悬点冲程长度（最大位）（和加速度速度悬点的位移为点的加速度点速度，则为了确定悬点最大加速度，可对对求导，并令其等于零，求得取得极maxcacamaxca值时的角及对应的及加速度值)(0sin41)(0sin0cos41 sin2sin2sin221方程二，方程一则后前后前LLRLLRdadc当，上面方程二无解，在此情况下，按方程一可得加速度极值在41处，即上，下死点处。1807994. 0)4 . 01 (256. 121 . 2)1 (2)1 (319. 2)4 . 01 (256. 121 . 2)1 (2)1 (22max2min22max2maxSRLLaSRLLa后前后前当悬点在也取得极值，对此不时41)41(cos)41(cos-11及再讨论。3.2 游梁式抽油机悬点载荷计算（一）悬点静载荷的计算在此，我们对上死点、下死点、上冲程和下冲程四种情况进行计算。（1）上冲程在此过程中，游动阀在柱塞上部油柱压力的作用下关闭，而固定阀在柱塞下面泵筒内、外压力差作用下打开。由于游动阀关闭，使得悬点承受抽油杆自重和柱塞上油柱重，杆F油F这两个载荷方向都是向下。同时，因为固定阀打开，使得油管外一定沉没度的油柱对柱塞下表面产生方向向上的压力。所以，此过程中，悬点静载荷等于：压F静上F压油杆静上FFFF)()-(gh-)LA-g(A油杆油沉油杆杆沉油杆油杆杆PPghLAgLAALgA抽油杆材料的密度，kg/m ;杆3原油的密度, kg/m;油3A抽油杆横截面面积, m ;杆2A泵柱塞横截面面积, m ;2L抽油杆长度或下泵深度,m;8h泵的沉没度, m;沉油井中动液面以上（即 L-L段液柱） ，断面积等于柱塞面积的油柱重，N.油P沉（2）下冲程游动阀由于柱塞上下压力差而打开，而固定阀在泵筒内外压力差作用下关闭。游动阀打开，使悬点只承受抽油杆柱在有中重力。固定阀关闭，使得油柱重力移到固定阀和杆F油管上。此时，其静载荷为静下F 杆静下FF（3）下死点这时，油杆和连杆的载荷都发生了变化。油杆在这一瞬间，其载荷发生了变化，变化量，载荷增减，油静下静上FFFF使得抽油杆拉长，其伸长量等于：杆杆油杆杆EALFEAFLE钢材的弹性模量，).(101 . 2211mNPaE或油管在这一瞬时载荷也发生了变化，使得油管缩短，其油管柱缩短量等于：管管油管EALF油管管壁的横截面积管A这样一来，虽然悬点带着柱塞一起往上移动，但是由于油管柱的缩短，使油管柱的下端也跟着柱塞往上移动，柱塞对泵筒还是没有相对运动，即还不能抽油，一直到悬点经过一段距离等于以后，柱塞才开始抽油。管经过上述分析，悬点从下死点到上死点虽然走过了冲程长度 S，但是因抽油杆柱和油管柱的静力变形结果，使得抽油泵柱塞的有效冲程长度要比 S 小，所以效S SS效静变形的大小等于：9杆管杆杆油管油杆油管杆)1 (AAEALPEALPEALP称为变形分配系数，一般可取 0.60.9。管杆AA11（4）上死点上死点的情况恰与下死点相反。在此不做深入计算。经过分析计算，在上、下冲程内，悬点静载荷随着悬点位移的变化规律是一个平行四边形 ABCD。图 3-2 静力示功图（二）悬点动载荷的大小和变化规律在井较深，抽油机冲数较大的情况下，必须考虑动载荷的影响，动载荷是由惯性载荷和振动载荷两部分组成的。（1）惯性载荷惯性载荷包括抽油杆和油柱两部分，即 F和 F，如果略去抽油杆柱和油柱的弹杆惯油惯性影响，可以认为，抽油杆柱以及油柱各点的运动规律和悬点完全一致，所以 F和 F杆惯的大小和悬点加速度 a大小成正比，而作用方向和后者相反。油惯cF=杆惯cagF杆10F=油惯cagF油考虑油管过流断面扩大引起油柱加速度降低的系数11杆管杆杆管杆aAAAAAAE（1）惯性载荷对悬点总载荷的影响上冲程时，柱塞（或抽油杆）带着油杆运动，所以上冲程的惯性载荷 F为：惯上 F=F惯上cagFmFFFF杆杆惯杆惯油惯油惯杆惯）（）（11m表示油柱惯性载荷与抽油杆柱惯载荷的比值，利用式可得 m=11-)(2杆管杆杆油杆管杆杆杆杆油杆油杆惯油惯）（AAAAAAAALgALAAgPPPP(三)悬点的最大载荷和最小载荷悬点的最大载荷 F和最小载荷 F，特别是最大载荷 F，特别是最大载荷 Fmaxminmax是正确设计和选择抽油机和抽油杆以及确定电动机功率的主要依据之一。max）（杆油杆1790-1)17901)(2max2maxSnPPSnPPP3.3 游梁式抽油机减速箱曲柄轴扭矩计算对计算时采用的符号作如下解释F悬点载荷，N;曲柄平衡块重力，N；平G曲柄平衡块到曲柄旋转中心的距离，m；曲R曲柄自重，N；曲G曲柄重心到曲柄旋转中心的距离，m;曲r连杆所受的拉力，N；LF11T连杆力在曲柄切像上的分力，沿曲柄旋转的方向为正值，m;LPM减速箱曲柄轴输出扭矩，沿曲柄旋转方向为正值，N.m.为了便于分析，将曲柄平衡块重力及曲柄自重折算至曲柄销处，这种折算要平G曲G保证折算前后对曲柄旋转中心的力矩不变，折算后的等效载荷用来表示。eG首先取游梁为研究对象，将诸力对游梁旋转中心取力矩可得连杆力为：LP111sin139375sin16 . 11 . 230000sin1后前LLFFL则连杆力在曲柄切向上的分力 T 为；LP1111sinsin39375sinsin后前LLFT取曲柄为研究对象，为提升油井内的抽油杆柱和油柱，减速箱曲柄轴输出扭矩 M,曲柄平衡块重力与曲柄自重的等效载荷所产生的扭矩共同克服切向力 T 所产生的扭矩，由曲eQ柄平衡条件；Rsin(2TRMeG0) M=sinGsinsin11RLLFe后前=sinGsinsin3937511Re上式中的第一项表示是悬点载荷 F 在曲柄上所产生的扭矩，称为油井负荷扭矩；Fsinsin11RLLMP后前式中的只取决于抽油机的几何尺寸和曲柄转角，其意义为单位悬点载荷在11sinsinRLL后前曲柄上所产生的扭矩，将其称之为扭矩因数，用表示；TF1211sinsinRLLTF后前式中的为曲柄自重及曲柄平衡重在曲柄轴上所产生的扭矩，称之为曲柄平衡扭sinRGe转，用表示；cMsinsinmaxcecMRGM式中曲柄最大平衡处扭矩，即曲柄处于水平位置（）时曲柄自maxCM27090 和重及曲柄平衡重对曲柄轴所产生的扭矩。B 为抽油机的结构不平衡重，其值等于连杆与曲柄销脱开时，为了保持游梁处于水平位置而需要加在光杆上的力。此力向下时 B 取正值，向上时取负值。B 值可以实测，也可以根据抽油机部件的重力计算。对曲柄平衡抽油机可得如下公式； sjinMBPTFMCmax)(扭矩因数；CvTF 最大扭矩我们可以用勒玛柴诺夫经验公式计算)(236. 0300minmaxmaxPPSSMS悬点的冲程长度，m；曲柄的最大扭矩，N.m；maxM悬点的最大载荷，N；maxP悬点的最小载荷，N；minP3.4 游梁抽油机的抽汲工况目前，国内外游梁式抽油机的抽汲工况主要分为五种：正常的、长冲程、短冲程、高冲数的、低冲数的，五种工况的冲程长度和冲数的极值见表表 3-1 冲程长度和冲数的极值冲程长度冲程次数抽汲工况最大值最小值最大值最小值正常1.22.4515长冲程2.76.0515短冲程0.31.2515高冲次0.92.41525底冲次0.31.525在我国油田上绝大多数都采用正常的抽汲工况，但在我国东部主要油田都处于油田开13发中后期，油田含水量上升，因此目前长冲程抽汲工况增加，所以目前国内外抽油机采用的正常抽汲工况和短冲程抽汲工况还能够满足不同抽油井的实际要求。综上所述，我们在此次设计中还是以正常的为依据。3.5 游梁式抽油机的电动机选择计算游梁式抽油机装置的特点（1）负荷是脉动的，而且变化大；（2）启动困难，要求有大的启动转矩；（3）所用的电动机功率不太大，一般不超过 40kW，小的只有几千瓦，但总的数量大；（4）在露天工作，要求电动机维护简单、工作可靠。结合工作特点及工况，在此选择 Y 系列的三相异步封闭式鼠笼型电动机。电动机额定功率的确定：电动机功率与传递到减速箱从动轴（曲柄轴）上扭矩关系式为：219550nPM额式中 M传到曲柄轴上的扭矩，N*m;电动机的额定功率，kW;额Pn曲柄轴转数（悬点冲数）;传动效率；皮带传动效率；1减速箱传动效率。2则电动机额定功率计算公式为： 9550MnP 额然而，一般抽油机电动机按此表选用：表 3-2 一般抽油机电动机选用表14根据上表，将电动机的额定功率范围确定在=5.57.5kW。额P额P电动机转速的确定一般抽油机选用的减速箱传动比为,带传动的传动比为，一般39282i7211ddi。这是抽油机冲数按最大冲数 12r/min 计算。则电动机的转速为：541i2340r/min134439285412）（）（电n我们在这选用 Y132M-44 常规游梁是抽油机的平衡计算常规游梁是抽油机的平衡计算下冲程时，驴头悬点向下走完冲程长度 S，游梁的后臂提高，把能力储存起来。游梁部件自重抬高的距离为，储存能量为，曲柄平衡重抬高的距离为后游LlR2游后游G2LlR，储存的能量为，曲柄自重抬高的距离为，储存的能量为。所以曲R2平曲GR2曲r2曲曲Gr2平衡装置储存能量 Q 为RQQ2)2(1曲曲后前油杆曲平rGRLLBFFRG155 变速机构的传动比分配及其结构确定变速机构的传动比分配及其结构确定5.1 变速机构的传动比分配电动机型号 Y160L-8，其功率为 P=7.5 转速为 N=720 则电动机输出扭矩.=99.47967205 . 795509550npM电减速箱参数，主动齿轮轴齿数301Z.斜齿轮齿数1702Z，中间齿轮轴齿数243Z，人字齿轮齿数1264Z，电动机皮带轮4441皮d，电动机皮带轮3342皮d，电动机皮带轮2243皮d，减速器大皮带轮864大皮d减速器比：29.75sfiii皮带轮速比（电动机配有三个皮带轮，减速器主动轴上装有一个大皮带轮，故有三种速比）抽油机的总速比892.571总i9448.762总i7174.1063总i在每一种速比下，减速箱被动输出扭矩。85714. 3i58683. 2i94595. 1321皮皮皮imkNMmkNMmkNM.616.10.654. 7.59. 532116计算结果表明，其最大值输出扭矩低于 26kN.m。因此，在设计该机时，选用 Y132M-4 电动机，计算结果其最大输出扭矩maxM该机的冲次分别为：67174.106/72099448.76/72012892.57/720321nnn6 主要部件的设计主要部件的设计6.1 曲柄曲柄是传递减速器输出扭矩的主要部件，所以它必须具有一定的强度和传动可靠性。曲柄一般可用灰铸铁、球墨铸铁和铸钢制成。在曲柄平衡的抽油机上，两件曲柄共同承受的抽油机的全部载荷，因此要求曲柄有很高的承载能力，同时为了调整方便和安全，曲柄上没有导轨、挡块、刻度线，可以根据抽油机工作条件调整平衡块位置，使抽油机保持平衡。挡块可在紧固的情况下，防止平衡块不致落下而发生事故。 此次，在一系列要求下，用 QT700-2 制成大尺寸常规普通型曲柄。如图 6-1.6.1 连杆每台抽油机有两根连杆，它是传递力矩的主要受力杆件，其主件可用管材，也可用其他型材如工字钢、槽钢等。但一般多用厚壁无缝钢管制成，在无缝钢管的两管端没有上、下接头，上、下接头通过焊接与无缝钢管连接在一起。上接头通过连接销与横梁连接在一起，下接头通过两个螺栓与轴承盒连接在一起，从而完成力矩的传递。因此，对于上下接头与钢管的焊缝是否能达到规定的强度而满足使用要求就显得尤为重要。如果两根连杆中有一根连杆失效，抽油机变成单臂传动，很有可能被拉翻，造成严重的生产安全事故。焊缝作为整个连杆的薄弱环节，都会引起设计人员高度重视，一般在设计中对焊缝的形式，焊接工艺条件，要求以及检验方法和标准都提出较高的要求和明确的规定。同时为了保证两侧连杆传动平稳和传递力矩的均衡一致，两连杆的工作长度必须完全一致，即达到一定的尺寸公差要求，这一要求通常用专用工艺装备来保证。所以，选用直径为 80 的热轧圆钢为主件，而上下接头均用 QT700-2 铸成。如图 6-2图 6-1 曲柄17图 6-2 连杆6.2 游梁游梁是抽油机的主要承载部件，承担着抽油机的全部工作载荷，因此必须要有足够的强度和一定的刚度。选用工字钢为主要部件，经过钢板加强后制成。其工字钢选材为。见图 6-31988-T700/GB2351988706/5 .13134320AQTGB6.3 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，驴头的圆弧半径 R 应等于前臂长度，为了保证在一定冲程长度下，将圆弧运动变为悬点的直线运动，前L驴头的圆弧面长度应为：max)3.12.1(SS弧为驴头悬点的最大冲程。驴头采用腹板式结构焊接而成，并应用侧翻让位结构进行maxS整修时的让位。详见图 6-4。18图 6-3 游梁图 6-4 驴头6.4 横梁横梁用 HT200 铸造而成，详见图 6-519图 6-5 横梁6.5 常规游梁抽油机装配体20参考文献参考文献1 杨永昌、职黎光、贾逢军，等. 游梁式抽油机全台效率测试研究J. 石油矿场机械，1996,25(5)：2-5.2 龙以宁. 游梁式抽油机曲柄销可靠性讨论J. 石油矿场机械，1992，21(5)：6-10.3 庞艳华、刘福刚、杨孝君，等. 游梁式抽油用电动机的节电措施J.石油矿场机械 .2004，33(197)：79-81.4 张学鲁、季祥云、罗仁全，等.游梁式抽油机的技术与运用.北京：石油工业出版社.2001 年 4 月.5 韩成才. 石油钻采设备M.西安：陕西科学技术出版社.1999 年.6 邬亦炯、刘卓均，等. 抽油机M. 北京：石油工业出版社，1994.7梁宏宝、伊莲娜、孙旭东。游梁式抽油机节能技术改造综述J黑龙江 东北石油大学 2011年2月21致谢致谢谢谢母校给了我们如此好的教学环境，谢谢各位老师多年来对我的关照和教诲，谢谢同学谢谢母校给了我们如此好的教学环境，谢谢各位老师多年来对我的关照和教诲，谢谢同学们给我的帮助！谢谢你们！们给我的帮助！谢谢你们！ 12 届毕业设计常规式游梁抽油机设计说明书学生姓名 李 军 斌 学 号 8011208117 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 机械12-1 指导教师 廖结安 日 期 塔里木大学教务处制常规式游梁抽油机杆长设计与运动分析的研究李军斌 (塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300 )摘要：常规式游梁抽油机自诞生以来，历经百年使用，经历了各种工况和各种地域油田生产的考验，经久不衰。目前仍在国内外普通使用。常规游梁式抽油机以其结构简单、耐用、操作简便、维护费用低等明显优势，而区别于其他众多抽油机类型，一直占据着有杆系采油地面设备的主导地位。此次，以研究常规式游梁抽油机杆长设计与运动分析为出发点，对常规式游梁抽油机进行深入的解析。关键词：常规式游梁抽油机；油田设备；四杆机构；运动分析中图分类号：TH122 文献标识码：AConventional beam pumping unit rod long design and motion analysislijunbin （College of Mechanic and Electrical Engineering Tarim University Ala Xinjiang 843300 ）Abstract: the conventional beam pumping unit since its birth, after years of use, experience a variety of conditions and various regional oil production test, enduring. Still in the domestic and foreign general use. The conventional beam pumping unit with its simple structure, durable, simple operation, low maintenance costs advantages, which is different from many other oil pumping machine type, has been dominated by a rod pump production equipment dominant position. This, in order to study the conventional beam pumping unit rod long design and motion analysis as a starting point, on the conventional beam pumping unit to conduct in-depth analysis.Key words: conventional beam pumping unit; oil equipment; four bar mechanism; motion analysis目前，采油方式有自喷采油法和机械采油法。在机械采油法中，有杆抽油系统是国内外油田最主要的，也是至今一直在机械采油方式中占绝对主导地位的人工举升方式。有杆抽油系统主要由抽油机、抽油杆、抽油泵等三部分组成，抽油机是有杆抽油系统最主要的升举设备。根据是否具有游梁，抽油机可以划分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。而常规游梁抽油机自诞生以来，历经百年使用，经历了各种工况和各种地域油田生产的考验，经久不衰。1设计任务的设定抽油机要完成它相应的任务要求，在此，以下工况的抽油机为例做设计计算。（1）主要参数：型号：CYJ32.113HB（2）最大载荷：30KN（3）冲程长度： 1.4，1.7，2.1（单位：m）（4）冲程次数：6，9，12 (单位：)2常规式游梁抽油机的杆长设计常规式游梁抽油机是以曲柄连杆机构为其设计原理，如图2-1,。设计以杆长的设计计算开始，所以其杆长设计就显得尤为重要。杆长尺寸的设计计算由于最大冲程，所以各个杆长之间存在以下关系： 由于本设计的最大冲程，所以，在此取并且取，则其他杆长为：此外，式中：R曲柄半径，m；游梁后臂长度，m;游梁前臂长度，m;连杆长度，m；J基杆长度（从曲柄旋转中心到游梁支点的距离）m；2游梁抽油机的运动分析将四杆机构简化为曲柄滑块机构时，作悬点的运动规律计算。其简化图如下当时，游梁与连杆的连接点处于上死点，相对应的悬点C处于下死点；当时，B处于上死点,相对应的悬点C处于上死点 图3-1 悬点的运动规律简化图B点的冲程长度取B点的位移零点，向下为位移的正方向，则任意曲柄转角时B点的位移为：由三角形OAD可得：则 （3-1） 而 所以， （3-2a）按二项式定理展开 B点位移 (3-2b) (3-3) (3-4) (3-5) (3-6) (3-7) (3-8)为了确定悬点最大加速度，可对对求导，并令其等于零，求得取得极值时的 角及对应的及加速度值当，上面方程二无解，在此情况下，按方程一可得加速度极值在处，即上，下死点处。 (3-9a) (3-9b) (3-10a) (3-10b)当悬点在也取得极值，对此不再讨论。3小结在多数情况下，常规游梁抽油机都可以这种简化方式进行简化计算，这样不但大幅度提高了工作效率，而且比较精确。如果要做更加精确的运动计算，则可以用复变矢量法进行计算。参考文献1 张学鲁,季祥云,罗仁全等.游梁式抽油机的技术与运用.北京：石油工业出版社.2001年4月.2 韩成才. 石油钻采设备M.西安：陕西科学技术出版社.1999.3 邬亦炯,刘卓均等. 抽油机M. 北京：石油工业出版社.1994.4梁宏宝,伊莲娜,孙旭东.游梁式抽油机节能技术改造综述J.黑龙江:东北石油大学.2011年2月.5孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理M.北京：高等教育出版社,2009.常规式游梁抽油机常规式游梁抽油机设计说明书设计说明书学生姓名 学 号 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 指导教师 XXX 日 期 2012.05 XXX 大学教务处制前言前言目前，采油方式有自喷采油法和机械采油法。在机械采油法中，有杆抽油系统是国内外油田最主要的，也是至今一直在机械采油方式中占绝对主导地位的人工举升方式。有杆抽油系统主要由抽油机、抽油杆、抽油泵等三部分组成，抽油机是有杆抽油系统最主要的升举设备。根据是否具有游梁，抽油机可以划分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。而常规游梁抽油机自诞生以来，历经百年使用，经历了各种工况和各种地域油田生产的考验，经久不衰。目前仍在国内外普通使用。常规游梁式抽油机以其结构简单、耐用、操作简便、维护费用低等明显优势，而区别于其他众多拍油机类型，一直占据着有杆系采油地面设备的主导地位。游梁式抽油机的主体结构为曲柄摇杆机构。根据驴头和曲柄摇杆机构相对于支架的位置，游梁式抽油机的机构形式可以划分为常规型和前置式两种；根据平衡方式的不同，游梁式抽油机可以划分为曲柄平衡、游梁平衡和复合平衡。常规型游梁式抽油机主要由发动机、三角皮带、曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头、悬绳器、支架、撬座、制动系统及平衡重等组成。发动机安装在撬座上，其安装位置有两种，一种是将发动机置于整体尾部，另一种是将发动机放在支架下面。减速箱为二级齿轮传动减速箱，传动比为 30 左右齿轮型式一般小功率用斜齿，大功率用人字齿。近年来推广使用点啮合双圆弧人字齿。曲柄一端与减速器输出轴固结，另一端与连杆铰接连杆与横梁常见有两种型式：小型抽油机多为组焊结构，靠改变后臂长度来调节冲程大型抽油机多为整体机构，靠改变曲柄与连杆铰接位置来调爷冲程。游梁由型钢组焊而成，也有用大型工字钢整体制造。驴头由钢板组焊而成，有上翻式、侧转式、拆继式几种形式。平衡重为金属块。小型抽油机多装于游梁尾部，大型抽油机多装于曲柄两翼平衡重可根据需要而调整。本设计将对常规游梁式抽油机进行设计与计算，以达到对常规游梁式抽油机的优化设计的目的。目目 录录1 1 设计任务书设计任务书.11.1 课题内容.11.2 设计内容:.12 2 总体方案的设计总体方案的设计.12.1 抽油机设计原理的确定.12.2 杆长尺寸的设计计算.22.3 平衡方式的确定.22.4 安装尺寸与机构相关参数.22.5 常规游梁式抽油机零部件关系.33 3 游梁抽油机基本参数的确定游梁抽油机基本参数的确定.33.1 游梁抽油机的运动分析.33.2 游梁式抽油机悬点载荷计算.63.3 游梁式抽油机减速箱曲柄轴扭矩计算.93.4 游梁抽油机的抽汲工况.113.5 游梁式抽油机的电动机选择计算.124 4 常规游梁是抽油机的平衡计算常规游梁是抽油机的平衡计算.135 5 变速机构的传动比分配及其结构确定变速机构的传动比分配及其结构确定.135.1 变速机构的传动比分配.136 6 主要部件的设计主要部件的设计.146.1 曲柄.146.2 连杆.146.3 游梁.156.4 驴头.166.5 横梁.176.6 常规游梁抽油机装配体.17参考文献参考文献.18致谢致谢.19塔里木大学毕业设计11 设计任务书设计任务书1.1 课题内容（1）主要参数：型号：CYJ32.113HB（2）最大载荷：30KN（3）冲程长度： 1.4，1.7，2.1（单位：m）（4）冲程次数：6，9，12 (单位：）1min1.2 设计内容:（1）总体方案设计（总体尺寸，四杆机构） ；（2）运动分析（计算位移、速度、加速度） ；（3）动力分析及平衡计算；（4）主要部件结构设计、计算；（5）电机选择与油井匹配参数的确定；2 总体方案的设计总体方案的设计2.1 抽油机设计原理的确定目前，常规式游梁抽油机采用的是四杆机构原理。国内外使用的游梁式抽油机四杆机构的循环主要有一下三种：对称循环、近似对称循环和非对称循环。采用近似对称循环四杆机构。图 2-1 游梁式抽油机四杆机构原理图近似对称循环四杆机构主要参数参考范围：（1）传动角 ： 最大传动角和最小近似对称于，故 ，maxmin90150145max。3530min（2）极位夹角：54（3）游梁最大摆角：4643max（4）基杆倾斜角:可取 H-G= 423222IJ （5）5-0下上（6）悬点下死点时曲柄初始角：54一般小于塔里木大学毕业设计2（7）各杆长之间相对时间限制：， ， 35. 02 . 0JR85. 07 . 0JLL7 . 04 . 0JL后，若，可取，若 0 . 2L0 . 1后前LmS2 . 4max8 . 10 . 1后前LLmmS62 . 4max 。0 . 25 . 1后前LL2.2 杆长尺寸的设计计算由于最大冲程，所以各个杆长之间存在以下关系： mS3max由于本设计的最大冲程，所以，在此取并且取mS1 . 2max。小5 . 0, 4 . 0,3125. 1cba，则其他杆长为：mR8 . 0mmaLLmmcRLmmbRLL1 . 23125. 16 . 16 . 15 . 08 . 024 . 08 . 0小后前后此外，)(430. 28 . 06 . 12222222mRLLJL后式中：R曲柄半径，m；游梁后臂长度，m;后L游梁前臂长度，m;前L连杆长度，m；LLJ基杆长度（从曲柄旋转中心到游梁支点的距离）m；2.3 平衡方式的确定目前，国内外采用的机械平衡方式主要有：曲柄平衡、游梁平衡和复合平衡。由于本抽油机是短冲程、变冲次的工况要求，所以采用曲柄平衡。而曲柄平衡较游梁平衡来说，调整更加方便。2.4 安装尺寸与机构相关参数（1）游梁支撑到底座的高度 36m（2）执行机构的行程速度比系数 1.25 . 045. 04 . 035. 04 . 11后后前小LRcLRbLLaL塔里木大学毕业设计3（3）减速器输出轴中心到底座的高度 0.6m（4）曲柄半径：0.51.2m2.5 常规游梁式抽油机零部件关系常规游梁式抽油机零部件关系框图如图 2-2：图 2-2 常规游梁式抽油机零部件关系框图3 游梁抽油机基本参数的确定游梁抽油机基本参数的确定3.1 游梁抽油机的运动分析将四杆机构简化为曲柄滑块机构时，作悬点的运动规律计算。其简化图如下当时，游梁与连杆的连接点处于上死点，相对应的悬点 C 处于下死点；当时，01B180B 处于上死点,相对应的悬点 C 处于上死点 2BmmmRLOBmmmLROBLL2 . 18 . 00 . 28 . 20 . 28 . 021塔里木大学毕业设计4 图 3-1 悬点的运动规律简化图B 点的冲程长度mmRSB6 . 18 . 022取 B 点的位移零点，向下为位移的正方向，则任意曲柄转角时 B 点的位移为：BSOBLROBOBBBSLB11由三角形 OAD 可得：cos0 . 2cos8 . 0coscosLLRDBODOB则 )coscos(LLBLRRLS)cos1 ()cos1 (LLR （3-1）)cos1 (1)cos1( R4 . 00 . 28 . 0LLR式中 中得知，由 OAB)(sinsin正弦定理LLR而 2sin1cos22sin1所以， （3-2a）)sin11 (1cos1 22 RSB塔里木大学毕业设计5按二项式定理展开 2222sin21sin1B 点位移 (3-2b)2sin2)cos1 (RRSB2sin16. 0)cos1 (8 . 0，sradddt/256. 160212 (3-3)点速度则B)2sin2(sin RvB)2sin2 . 0(sin0048. 1 (3-4)为点的加速度BaB)2cos(cos2 RaBcCavSC和加速度速度悬点的位移 (3-5)sin11 (1)cos1(22RLLSC后前sin2)cos1(2RLL后前sin2 . 0)cos1(05. 1sin2 . 0)cos1(8 . 06 . 11 . 222 (3-6)2sin2(sinRLLvC后前）（2sin2 . 0sin256. 105. 1 (3-7)2cos(cos2RLLac后前:) 为移悬点冲程长度（最大位S (3-8)RLLS2后前1 . 28 . 026 . 11 . 2为了确定悬点最大加速度，可对对求导，并令其等于零，求得取得极值时的maxcacamaxca塔里木大学毕业设计6角及对应的及加速度值)(0sin41)(0sin0cos41 sin2sin2sin221方程二，方程一则后前后前LLRLLRdadc当，上面方程二无解，在此情况下，按方程一可得加速度极值在处，即41180上，下死点处。 (3-9a)2max(1)LaRL前后 (3-9b)2max(1)2S22.11.256(1 0.4)22.319 (3-10a)2min(1)LaRL 前后 (3-10b)2max(1)2S 22.11.256(1 0.4)2 0.994 当悬点在也取得极值，对此不再讨论。时41)41(cos)41(cos-11及3.2 游梁式抽油机悬点载荷计算（一）悬点静载荷的计算在此，对上死点、下死点、上冲程和下冲程四种情况进行计算。（1）上冲程在此过程中，游动阀在柱塞上部油柱压力的作用下关闭，而固定阀在柱塞下面泵筒内、外压力差作用下打开。由于游动阀关闭，使得悬点承受抽油杆自重和柱塞上油柱重，这两个载杆F油F荷方向都是向下。同时，因为固定阀打开，使得油管外一定沉没度的油柱对柱塞下表面产生方向向上的压力。所以，此过程中，悬点静载荷等于：压F静上F压油杆静上FFFFghLAgLAALgA油沉油杆杆沉油杆油杆杆)()-(gh-)LA-g(A塔里木大学毕业设计7 （3-11）油杆PP 式中 抽油杆材料的密度，kg/m ;杆3原油的密度, kg/m;油3A抽油杆横截面面积, m ;杆2A泵柱塞横截面面积, m ;2L抽油杆长度或下泵深度,m;h泵的沉没度, m;沉油井中动液面以上（即 L-L段液柱） ，断面积等于柱塞面积的油柱重，N.油P沉（2）下冲程游动阀由于柱塞上下压力差而打开，而固定阀在泵筒内外压力差作用下关闭。游动阀打开，使悬点只承受抽油杆柱在有中重力。固定阀关闭，使得油柱重力移到固定阀和油管上。此时，杆F其静载荷为静下F （3-12）杆静下FF（3）下死点这时，油杆和连杆的载荷都发生了变化。油杆在这一瞬间，其载荷发生了变化，变化量，载荷增减，使得抽油静下静上FFFF油杆拉长，其伸长量等于：杆杆油杆杆EALFEAFL式中 E钢材的弹性模量，).(101 . 2211mNPaE或油管在这一瞬时载荷也发生了变化，使得油管缩短，其油管柱缩短量等于：管管油管EALF油管管壁的横截面积管A这样一来，虽然悬点带着柱塞一起往上移动，但是由于油管柱的缩短，使油管柱的下端也跟着柱塞往上移动，柱塞对泵筒还是没有相对运动，即还不能抽油，一直到悬点经过一段距离等于以后，柱塞才开始抽油。管塔里木大学毕业设计8经过上述分析，悬点从下死点到上死点虽然走过了冲程长度 S，但是因抽油杆柱和油管柱的静力变形结果，使得抽油泵柱塞的有效冲程长度要比 S 小，所以效S （3-13） SS效静变形的大小等于： （3-14）杆管杆杆油管油杆油管杆)1 (AAEALPEALPEALP式中 称为变形分配系数，一般可取 0.60.9。管杆AA11（4）上死点上死点的情况恰与下死点相反。在此不做深入计算。经过分析计算，在上、下冲程内，悬点静载荷随着悬点位移的变化规律是一个平行四边形ABCD。图 3-2 静力示功图（二）悬点动载荷的大小和变化规律在井较深，抽油机冲数较大的情况下，必须考虑动载荷的影响，动载荷是由惯性载荷和振动载荷两部分组成的。（1）惯性载荷惯性载荷包括抽油杆和油柱两部分，即 F和 F，如果略去抽油杆柱和油柱的弹性影响，杆惯油惯塔里木大学毕业设计9可以认为，抽油杆柱以及油柱各点的运动规律和悬点完全一致，所以 F和 F的大小和悬点杆惯油惯加速度 a大小成正比，而作用方向和后者相反。cF= （3-15）杆惯cagF杆F=油惯cagF油考虑油管过流断面扩大引起油柱加速度降低的系数11杆管杆杆管杆aAAAAAAE（1）惯性载荷对悬点总载荷的影响上冲程时，柱塞（或抽油杆）带着油杆运动，所以上冲程的惯性载荷 F为：惯上 F=F （3-16）惯上cagFmFFFF杆杆惯杆惯油惯油惯杆惯）（）（11式中 m表示油柱惯性载荷与抽油杆柱惯载荷的比值，利用式（3-15）可得 m=11-)(2杆管杆杆油杆管杆杆杆杆油杆油杆惯油惯）（AAAAAAAALgALAAgPPPP(三)悬点的最大载荷和最小载荷悬点的最大载荷 F和最小载荷 F，特别是最大载荷 F，特别是最大载荷 F是正确maxminmaxmax设计和选择抽油机和抽油杆以及确定电动机功率的主要依据之一。 （3-17）)17901)(2maxSnPPP油杆 （3-18）（杆1790-12maxSnPP3.3 游梁式抽油机减速箱曲柄轴扭矩计算对计算时采用的符号作如下解释F悬点载荷，N;曲柄平衡块重力，N；平G曲柄平衡块到曲柄旋转中心的距离，m；曲R塔里木大学毕业设计10曲柄自重，N；曲G曲柄重心到曲柄旋转中心的距离，m;曲r连杆所受的拉力，N；LFT连杆力在曲柄切像上的分力，沿曲柄旋转的方向为正值，m;LPM减速箱曲柄轴输出扭矩，沿曲柄旋转方向为正值，N.m.为了便于分析，将曲柄平衡块重力及曲柄自重折算至曲柄销处，这种折算要保证折算平G曲G前后对曲柄旋转中心的力矩不变，折算后的等效载荷用来表示。eG首先取游梁为研究对象，将诸力对游梁旋转中心取力矩可得连杆力为：LP （3-20）11sinLLFFL前后 112.11300001.6sin139375sin则连杆力在曲柄切向上的分力 T 为；LP （3-21）1111sinsin39375sinsin后前LLFT取曲柄为研究对象，为提升油井内的抽油杆柱和油柱，减速箱曲柄轴输出扭矩 M,曲柄平衡块重力与曲柄自重的等效载荷所产生的扭矩共同克服切向力 T 所产生的扭矩，由曲柄平衡条件；eQRsin(2TRMeG0) M= （3-22）sinGsinsin11RLLFe后前 =sinGsinsin3937511Re上式（3-22）中的第一项表示是悬点载荷 F 在曲柄上所产生的扭矩，称为油井负荷扭矩； （3-23）Fsinsin11RLLMP后前塔里木大学毕业设计11式（3-23）中的只取决于抽油机的几何尺寸和曲柄转角，其意义为单位悬点11sinsinRLL后前载荷在曲柄上所产生的扭矩，将其称之为扭矩因数，用表示；TF （3-24）11sinsinRLLTF后前式（3-22）中的为曲柄自重及曲柄平衡重在曲柄轴上所产生的扭矩，称之为曲柄平sinRGe衡扭转，用表示；cM （3-25）sinsinmaxcecMRGM式中 曲柄最大平衡处扭矩，即曲柄处于水平位置（）时曲柄自重及maxCM27090 和曲柄平衡重对曲柄轴所产生的扭矩。B 为抽油机的结构不平衡重，其值等于连杆与曲柄销脱开时，为了保持游梁处于水平位置而需要加在光杆上的力。此力向下时 B 取正值，向上时取负值。B 值可以实测，也可以根据抽油机部件的重力计算。对曲柄平衡抽油机可得如下公式； （3-26）sjinMBPTFMCmax)(扭矩因数；CvTF 最大扭矩我们可以用勒玛柴诺夫经验公式计算 （3-27）)(236. 0300minmaxmaxPPSSM式中 S悬点的冲程长度，m；曲柄的最大扭矩，N.m；maxM悬点的最大载荷，N；maxP悬点的最小载荷，N；minP3.4 游梁抽油机的抽汲工况表表 3-1 冲程长度和冲数的极值冲程长度和冲数的极值冲程长度冲程次数抽汲工况最大值最小值最大值最小值正常1.22.4515长冲程2.76.0515短冲程0.31.2515高冲次0.92.41525底冲次0.31.525塔里木大学毕业设计12目前，国内外游梁式抽油机的抽汲工况主要分为五种：正常的、长冲程、短冲程、高冲数的、低冲数的，五种工况的冲程长度和冲数的极值见表 3-1。在我国油田上绝大多数都采用正常的抽汲工况，但在我国东部主要油田都处于油田开发中后期，油田含水量上升，因此目前长冲程抽汲工况增加，所以目前国内外抽油机采用的正常抽汲工况和短冲程抽汲工况还能够满足不同抽油井的实际要求。综上所述，我们在此次设计中还是以正常的为依据。3.5 游梁式抽油机的电动机选择计算游梁式抽油机装置的特点（1）负荷是脉动的，而且变化大；（2）启动困难，要求有大的启动转矩；（3）所用的电动机功率不太大，一般不超过 40kW，小的只有几千瓦，但总的数量大；（4）在露天工作，要求电动机维护简单、工作可靠。结合工作特点及工况，在此选择 Y 系列的三相异步封闭式鼠笼型电动机。电动机额定功率的确定：电动机功率与传递到减速箱从动轴（曲柄轴）上扭矩关系式为： （3-28）219550nPM额式中 M传到曲柄轴上的扭矩，N*m;电动机的额定功率，kW;额Pn曲柄轴转数（悬点冲数）;传动效率；皮带传动效率；1减速箱传动效率。2表表 3-23-2 一般抽油机电动机选用表一般抽油机电动机选用表抽油机悬点载荷KN抽油机光杆最大冲程m减速器额定扭转矩KN.m电动机额定功率KW200.62.84301.2-2.16.5-135.5-7.5501.5-39-187.5-15601.8-313-1815-18.5802.52618.5-221002.1-318-3718.5-301103-4.237-5322-371203-4.848-5322-451303-553-7330-451403.6-5.47337-751604.8-6105901804.8-610690 以上塔里木大学毕业设计13则电动机额定功率计算公式为： 9550MnP 额然而，一般抽油机电动机按表 3-2 选用：根据表 3-2，将电动机的额定功率范围确定在=5.57.5kW。额P额P电动机转速的确定：一般抽油机选用的减速箱传动比为,带传动的传动比为，一般39282i7211ddi。这是抽油机冲数按最大冲数 12r/min 计算。则电动机的转速为：541i2340r/min134439285412）（）（电n选用 Y160L-44 常规游梁是抽油机的平衡计算常规游梁是抽油机的平衡计算下冲程时，驴头悬点向下走完冲程长度 S，游梁的后臂提高，把能力储存起来。游梁部件自重抬高的距离为，储存能量为，曲柄平衡重抬高的距离为后游LlR2游后游G2LlR，储存的能量为，曲柄自重抬高的距离为，储存的能量为。所以平衡装曲R2平曲GR2曲r2曲曲Gr2置储存能量 Q 为 （3-29） )2(1曲曲后前油杆曲平rGRLLBFFRG5 变速机构的传动比分配及其结构确定变速机构的传动比分配及其结构确定5.1 变速机构的传动比分配电动机型号 Y160L-8，其功率为 P=7.5 转速为 N=720 则电动机输出扭矩.=99.47967205 . 795509550npM电减速箱参数，主动齿轮轴齿数301Z.斜齿轮齿数1702Z，中间齿轮轴齿数243