长环形齿条式抽油机论文

1、长环形齿条式抽油机的设计摘要：目前，常规游梁式抽油机因其结构简单、操作维修方便、使用寿命长等原因，仍为各大油田的主要采油设备，但由于其悬点载荷变化大，动载荷大，可靠性低等原因，难以满足深井、稠油井对抽油机冲程长、载荷大的要求，难以再向大型化发展。本论文提出了一种长冲程、大载荷的齿条式抽油机的结构方案，分析了齿条式抽油机的工作原理，设计了抽油机的传动方案。这种新型抽油机采用“齿轮长环形齿条”机构，由小齿轮的单向旋转驱动长环形齿条上下运动，并带动滑块做上下往复运动，从而实现基本的抽油动作。通过简单的机构和尺寸改变，能实现不同冲程和冲次，并设计成重型抽油机。这种抽油机具有节能效果好、可靠性高、运行平

2、稳、维护方便等特点，具有较高的应用推广价值。 本文研究对促进油田节能降耗有实际意义，采用的设计方法、理论具有一定的理论价值与实际的应用前景。关键词：抽油机；长环形齿条；平横滑块；效率；节能；可靠性design of pumping unit rackabstract: because of its simple structure, easy maintenance, long life and other reasons, the conventional beam pumping unit remains a major oil production facilities in major

3、 oil fields at present. but as its suspension point load changing largely, large dynamic load and low reliability, the requirements of long stroke length and large load is difficult to meet in the deep, thick well ,and pumping unit has difficulty to further large-scale development.in this paper, the

4、 structure scheme of a long stroke and large load rack pumping unit is discussed, the working principle of the rack pumping units is analysed, the transmission schem pumping unit is designed. a gear - long circular rack organization is used in this new unit.a long ring moves up and down drived by a

5、small one-way rotating drive gear rack and bring the slider up and down forming the reciprocating movement ,and the basic pumping action achieved. through a simple change in institution and size, different stroke is achieved, and the heavy pumping is designed scssessfully. the advantages of energy s

6、aving, high reliability, smooth running, easy maintenance are achived with this, and high value is achived in applications.this paper has practical significance to the promotion of energy saving in oil field, the design method and theory has a certain theoretical value and practical application.keyw

7、ords: pumping unit; long circular rack; flat horizontal slider; energy; reliability目 录1 绪 论11.1 研究的意义11.2 国内、外抽油机技术现状及发展方向21.3 本文研究内容41.4 所采用的设计方法，手段以及步骤52 齿条抽油机的方案设计62.1 传动方案的设计62.2 传动原理72.3 传动方案的特点83 齿条式抽油机总体尺寸确定103.1 天车轮和小齿轮尺寸的计算与确定103.2 确定总体尺寸114 齿条式抽油机运动分析134.1 运动分析134.2 悬点的速度、加速度、位移曲线135 齿条抽油机

8、的动力学分析165.1 悬点载荷计算165.1.1 静载荷计算165.1.2 画静力示功图185.1.3 动载荷计算215.2 平衡与扭矩计算235.2.1 平衡计算235.2.2 扭矩计算246 受力分析266.1 轴的受力分析266.2 轴的受力分析276.2.1 按扭转强度条件校核276.2.2 按弯矩合成应力条件校核轴的强度277 齿条式抽油机主要零部件的设计307.1 钢丝绳的设计307.1.1 计算作用于钢丝绳上的最大载荷307.1.2 钢丝绳的选择及校核307.1.3 钢丝绳使用的注意事项337.2 带传动的设计计算347.2.1 确定计算功率347.2.2 选择v带带型347.

9、2.3 确定带轮的基准直径347.2.4 确定v带的中心距和基准长度357.2.5 计算小带轮上的包角357.2.6 计算v带的根数367.2.7 计算预紧力367.2.8 计算作用在轴上的压轴力367.3 齿轮传动的设计计算377.3.1 齿轮类型、精度等级、材料及齿数的选择377.3.2 按齿面接触强度设计377.3.3 按齿根弯曲强度设计407.3.4 几何尺寸计算417.3.5 验算427.4 轴承的选择及校核427.4.1 轴承的选择427.4.2 轴承的校核计算437.4.3 轴承使用的注意事项437.5 电动机的确定447.6 减速器的选择和计算447.6.1 减速器的选择447

10、.6.2 减速器的润滑与密封457.7 支架477.8 制动装置477.9 光杆处钢丝绳和悬绳器488 结论49参考文献50致 谢511 绪 论1.1 研究的意义石油是一种战略资源，勘探和开采石油具有高投入、高产出的特点，各国都为降低开采石油的成本进行了长期不懈的努力。机械采油法是目前广泛采用的一种方法，其中抽油机是采油系统中的主要设备之一，而它的系统效率一般只有在20%到30%之间，因此研制一种新型节能抽油机将会更大的提高油田产量和效率。随着石油开采业的发展，人们发现不同的油田，不同的油井，产量有大有小，而有些不能自流到地面 ，因此也就产生了解决油井生产举升的设备抽油机。抽油机是有杆采油装置

11、中的地面动力传动装置，其作用是通过减速箱，曲柄连杆或其它杆体机构等，将动力机的旋转运动变为抽油杆和抽油泵的往复运动，实现抽油泵的吸油和排油过程，并悬挂抽油杆，承受载重。随着采油设备技术研究的深入，设计和制造水平的提高，抽油机在最初的雏形上得到了长足的发展，其技术发明有数百种，游梁式抽油机和无游梁式抽油机是目前量大面广，使用最为普遍的采油设备。虽然多年来，技术相对成熟，运行可靠的游梁式抽油机得到了广泛应用，至今仍占在役抽油机的绝大多数，但是游梁式抽油机存在着平衡效果差，电动机工作电流波动大，能耗高，冲程长度受限等不足，故一批新型抽油机如液压（气动）式的抽油机，直线电动机抽油机，链条式抽油机，电动

12、机正反转式抽油机等应运而生，这些新型抽油机在节能降耗和加大冲程方面有进步，但可靠性赶不上游梁式抽油机，然而齿条式抽油机节能效果好，可靠性高，改善了这种情况。齿条式抽油机属于无游梁式抽油机范畴，这种新型抽油机采用“齿轮齿条”机构，由小齿轮的单向旋转驱动齿条上下运动，并且带动滑块做上下往复运动，从而实现基本的抽油动作，通过简单的结构和尺寸改变，能实现不同冲程和冲次，并可设计成重型抽油机。这种抽油机可实现长冲程，低冲次抽油，其冲程长度取决于齿条的长度和小齿轮的直径，冲次的大小则可通过合理的设计胶带传动比，减速器的减速比以及齿轮齿条传动比来实现。齿条式抽油机的技术特点： （1） 节能:齿条抽油机的节能

13、效果在25%以上，有的甚至高达40%以上，究其原因，一是齿轮传动本身比其他运动机构具有较高的效率；二是传动系统大大简化，每减少1个传动环节，机械传动效率就能提高一点；三是齿条抽油机原理使得上下冲程电流基本是一条直线；四是抽油机总的系统效率本来就比较低，一般游梁式抽油机的系统效率只有30%左右，而齿条式抽油机能够使系统效率达到40%以上。即使系统效率只提高了10%，节能效果已经相当明显。（2） 工作可靠性高：齿条式抽油机主要工作部分采用齿轮齿条机构，依靠小齿轮的单向旋转即可带动齿条上下运动，实现滑块的自然且冲程长度不变的换向，齿轮齿条比链条的运转可靠性好，传动效率也高，而且承载能力也强，可以设计

14、成负载更大的重型抽油机。齿条式抽油机还采用了胶带抽油机的悬重胶带，所以可靠性好。（3） 运行平稳：齿轮与齿条的啮合运动只有在较短的换向时刻才有加速度，但由于有抽油杆，胶带等弹性变形以及旋转运动件的转动惯量作用，此时速度变化引起的冲击很容易被缓和，不仅使电动机电流基本不波动，而且整个系统能保持较好的运动平稳。此外，该抽油机还解决了链条抽油机在每个冲程变化时链条松边突然变成紧边带来的冲击问题。（4） 质量轻，维护方便：齿条抽油机换向机构本身就是配重，无需很多的配重铁块，因此抽油机的质量也大大减轻。此外，抽油机传动，润滑等部分设计合理，使用维护方便。机身与基座之间设计有蜗轮蜗杆拉拔机构，井下作业时，

15、机身撤离井口也很方便。近些年来，我国石油装备总水平已有很大的提高，特别是采油工程中，机械采油井数已超过90%以上，其中有杆抽油井又占机械采油井的90%以上。目前抽油机，抽油杆，抽油泵自给率100%，对保持原油总产量稳定，起了决定作用。为了追求开采利益最大化，以最少的投入换来最大的回报，开发节能高效的抽油设备，成为了油田经营者和抽油机设备生产厂家致力追求的目标。因此，对抽油机的结构尺寸进行合理设计是十分必要的。1.2 国内、外抽油机技术现状及发展方向目前，世界上生产抽油机的国家主要有:美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等。全世界生产抽油设备的公司有300多家，其中生产抽油机的公司有150多家。

16、美国生产的抽油机品种最多，技术最先进，应用范围最广泛。其中包括液压抽油机、梅普长冲程抽油机、柔性件传动抽油机等等。美国，加拿大等已相继研制出低矮式抽油机，适合玻璃纤维抽油杆的抽油机，天然气发动机的车装式抽油机，现场快装式抽油机，冲程可调的长冲程抽油机以及最近发展的数字式抽油机。据不完全统计，目前各国大约有近百个品种的抽油机在油田使用。相比之下我国抽油机的构成显得非常单调，仅有前述五个品种。我国抽油机制造业已经有50多年历史，经过了进口修配、仿制试制、设计研制三个阶段。常规式游梁抽油机是油田使用历史最悠久的，使用数量最多的一种抽油机，其总数量在数万台，国内有十几个厂家制造，但其不满足节能要求。目

17、前，我国已经有兰州石油机械厂、兰州通用石油机械厂、宝鸡石油机械厂、第二石油机械厂、第三石油机械厂、第四石油机械厂、江汉石油机械厂、抚顺石油机械厂、大庆总机厂、玉门总机厂、大港总机厂等30多家抽油机制造厂。兰石、兰通等石油机械厂先后获得i商标使用许可证，抽油机出口美国，从而使抽油机打入国际市场，跻身于世界先进行列。我国无游梁式抽油机研制起步较晚，但是近年来发展较快。目前，我国的齿条类抽油机已有很多品种。齿轮齿条式抽油机属石油工业领域的采油设备，是一种油田机械采油用无游梁式抽油机。解决提供一套性能优越的替代产品。它主要由机架、齿轮、齿条、滑轮、配重往返架及控制器几大部分组成，其特征是配重往返架。其

18、主要优点是结构简单、紧凑而合理，传动效率高、承载能力强、可靠度大、使用寿命长、制造安装也较容易、使用、维修方便，是现有抽油机的更新换代产品。曲卷式抽油机是由曲柄连杆机构通过齿条和齿轮带动卷筒、钢丝绳和悬绳器作上下往复运动的抽油机.其实质是游梁抽油机的一种变形，具有耐用度高和可靠性好的特点，提高了采油系统效率,延长了机、杆、泵的使用寿命,是一种理想的高效节能采油机械. 立管型齿条式抽油机，由井口大四通、井口短节、立管、天轮、悬重绳、齿条、抽油杆以及传动机构组成，其结构简单、外形规则，传动路线短、传动部件少，整机故障率低且易于维护，可延长其使用寿命，目前已在大港油田实验使用。还有一种复动轮齿条式抽

19、油机，采用cn92219135.2复动轮拉杆式抽油机的结构，除具有复动轮式抽油机的优点外，油田修井方便，新结构改善了复动轮受力条件。此外还有胜利石油管理局开发的长环形齿条抽油机。这种新型抽油机采用“齿轮+长环形齿条”机构, 由小齿轮的单向旋转驱动长环形齿条上下运动, 并带动滑块做上下往复运动, 从而实现基本的抽油动作。样机已在胜利油田的现场应用，且结果表明，这种抽油机具有节能效果好、工作可靠性高、运行平稳、质量轻、维护方便等特点, 通过简单的结构和尺寸改变, 能实现不同冲程和冲次, 并可设计成重型抽油机。这种抽油机适应性强, 具有较高的推广应用价值。无论是游梁式还是无游梁式抽油机都有其各自优点

20、。但抽油机的发展趋势主要朝以下几个方向：（1） 大型化方向发展随着世界油气资源的不断开发，开采油层深度逐年增加，石油含水量也不断增大，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采用大型抽油机。所以，近年来国外出了许多大载荷抽油机，例如前置式气平衡抽油机最大载荷213kn、气囊平衡抽油机最大载荷227kn等，将来会有更大载荷抽油机出现。（2） 低能耗方向发展为了减少能耗，提高经济效益，近年来研制与应用了许多节能型抽油机。如异相机、双驴头抽油机、摆杆抽油机、摩擦换向抽油机、液压抽油机及各种节能装置和控制装置。（3） 朝着高适应性方向发展现在抽油机应具备较高的适应性，以便拓宽使用范围。例如适应各种自然

21、地理和地质构造条件抽油的需要；适应各种成份石油抽汲的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适应深井抽汲的需要；适应长冲程的需要；适应节电的需要；适应精确平衡的需要；适应无电源和间歇抽汲的需要；适应优化抽汲的需要。（4） 朝着长冲程无游梁式抽油机方向发展近年来国内、外研制与应用了多种类型的长冲程抽油机，其中包括增大冲程游梁式抽油机、增大冲程无游梁式抽油机和长冲程无游梁式抽油机。实践与理论表明，增大冲程无游梁式抽油机是增大冲程抽油机的发展方向，长冲程无游梁式抽油机是长冲程抽油机的发展方向。（5） 朝着自动化和智能化方向发展近年来，抽油机技术发展显著标志是自动化和智能化。bak.r提升系统公司、deli

22、a-x公司、s公司等研制了自动化抽油机，具有保护和报警功能，实时测得油井运动参数，及时显示与记录，并通过综合计算分析，得出最优工况参数，进一步指导抽油机在最优工况抽油。nsco公司智能抽油机采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监测，具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、经济性好、适应性强等优点。总而言之，抽油机将朝着节能降耗并具有自动化、智能化、长冲程、大载荷、精确平衡等方向发展。1.3 本文研究内容本设计需要解决的重点问题就是设计一台齿条式抽油机，使整个抽油机的结构合理，并能够相应地降低能耗，且使其可靠性好。主要包括：（1） 认真查阅、收集相关资料，完成开题报告；（2） 分析目前常规游

23、梁式抽油机的缺点，提出齿条式抽油机的传动方案；（3） 根据提供的原始数据，并查阅相关资料，对抽油机运动学进行分析，得到速度，加速度的计算公式，分析其优越性；（4） 设计齿条式抽油机的机械结构，对主要性能进行校核；（5） 画出装配图及零件图。（6） 翻译英文资料不少于15000个印刷符号。 1.4 所采用的设计方法，手段以及步骤（1）所采用的是机械产品设计中经常采用的一种方法。目前，齿条式抽油机设计基本上仍采用类比设计。这一设计的优点是可以借鉴国内外已经生产的齿条式抽油机的成熟设计经验，设计工作简单迅速可靠。有两种类比的设计方法：一种是直接类比，即从某种成熟的齿条式抽油机机构尺寸系列中，选取基本

24、参数与设计要求相同或最为接近的一组尺寸，在适当缩小，放大或圆整，作为所设计的齿条式抽油机的相关尺寸；另一种是参数类比，即根据现有的齿条式抽油机的统计数据，选定若干反映机构特征的参数，再通过几何关系求出各部分尺寸。这两种方法没有原则上的差别，都建立在已有产品设计的基础上。还有观察法，它是指研究者根据一定的研究目的、研究提纲或观察表，用自己的感官和辅助工具去直接观察被研究对象，从而获得资料的一种方法。科学的观察具有目的性和计划性、系统性和可重复性。在科学实验和调查研究中，观察法具有如下几个方面的作用：扩大人们的感性认识。启发人们的思维。导致新的发现。此外还有文献研究法，这是根据一定的研究目的或课题

25、，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究问题的一种方法。文献研究法被子广泛用于各种学科研究中。其作用有：能了解有关问题的历史和现状，帮助确定研究课题。能形成关于研究对象的一般印象，有助于观察和访问。能得到现实资料的比较资料。有助于了解事物的全貌。还有一个就是定量研究法。在科学研究中，通过定量分析法可以使人们对研究对象的认识进一步精确化，以便更加科学地揭示规律，把握本质，理清关系，预测事物的发展趋势。（2）步骤 a.调研； b.设计； c.绘图。2 齿条抽油机的方案设计2.1 传动方案的设计多年来，技术相对成熟、运行可靠的游梁式抽油机得到了广泛应用，至今仍占在役抽油机的绝大多

26、数。然而，游梁式抽油机存在着平衡效果差、电动机工作电流波动大、能耗高、冲程长度受限等不足，故一批新型抽油机如液压（气动）式抽油机、直线电动机抽油机、链条式抽油机（包括皮带式抽油机）、电动机正反转式（变径天轮式）抽油机等应运而生，这些新型抽油机在节能降耗和加大冲程方面有进步，但在可靠性上仍赶不上不断“磕头的老黄牛”-游梁式抽油机。而齿条式抽油机具有节能效果好、可靠性高、运行平稳、维护方便等特点，改善了上面两种情况。齿条式抽油机基本结构如图2-1所示，主要由以下部分组成：机座、机身、电动机，皮带传动及刹车系统、减速器、换向水平轨道、小齿轮和导向轮、带有长环形齿条、导向槽和滚轮的平衡滑块、悬挂系统、

27、悬重钢丝绳。机座和机身采用拼焊结构，机身两侧的h形钢立柱也就是平衡滑块上下运动的滑道。平衡滑块是长环形齿条的安装基座，上面还有环形导向槽。此外，平衡滑块本身就是主要的平衡重，可根据需要增添不同数量的小平衡块。2.2 传动原理齿条式抽油机采用“齿轮长环形齿条”机构，由小齿轮的单向旋转驱动长环形齿条上下运动，并带动滑块做上下往复运动，传递运动和动力。这类抽油机可获得较长冲程，且结构紧凑，运行平稳，加速度曲线基本接近理想的简谐正弦运动曲线，所以加速度低，动载小，节能效果比其他游梁式、链条式抽油机好。图2-2为齿条式抽油机的工作原理简图。长环形齿条固定在平衡滑块上，平衡滑块由滑动导轨约束，在滑道内只有

28、1个上下运动的自由度；电动机输出的旋转运动经皮带传动到减速器，减速器输出轴端装有小齿轮和导向轮，小齿轮转动的同时，可以和减速器、导向轮一起在水平轨道内沿水平方向平动，即小齿轮除了有1个旋转的自由度之外，还有1个和减速器、导向轮一起做水平运动的自由度；导向轮和小齿轮同轴安装，可自由转动，但受平衡滑块上的环形导向槽限制。在导向轮和导向槽的导向作用下，小齿轮和长环形齿条能始终保持良好的啮合，小齿轮不换向连续旋转，可带动滑块实现上下往复运动，从而带动悬挂装置及悬重钢丝绳实现抽油动作。图2-2 齿条式抽油机的工作原理简图1长环形齿条； 2平衡滑块； 3小齿轮； 4 水平槽； 5 水平导轨； 2.3 传动

29、方案的特点（1） 节能 由于齿轮传动本身比其他运动机构具有较高的传动比，再加上此传动系统大大简化，机械效率能提高一点，所以其整体效率高了很多，也就达到了节能效果。（2） 动载小 90%的冲程长度是匀速运动，只有在换向期间才有短时间的加减速度，因而其动载较小。(3) 结构紧凑，质量轻 整体结构比常规游梁式抽油机更简单，重量轻，约为常规游梁机的三分之一-三分之二。结构紧凑，占地面积小。长冲程、低冲次抽油 这种抽油机其冲程长度取决于环形齿条的长度和小齿轮的直径，冲次大小则可通过合理的设计皮带传动的传动比、减速器的减速比，以及齿轮齿条传动比来实现。这种抽油机还存在一些缺点有待改进，如钢丝绳承受交变载荷

30、，而且天轮直径不是太大，钢丝绳弯曲通过天轮，使用寿命短。平衡滑块的滑轮不能得到良好的润滑，易发生干磨造成冲击而损坏零部件。机架距井口太近，修井操作不方便。整机高度太高，运输不方便。3 齿条式抽油机总体尺寸确定3.1 天车轮和小齿轮尺寸的计算与确定天车轮半径和小齿轮参数是齿条式抽油机的重要设计参数，它决定着抽油杆柱的运动性能、抽油机的运动特性和动力性能。齿条式抽油机设计基本上仍采用类比设计。这一设计的优点是可以借鉴国内外已经生产的齿条式抽油机的成熟设计经验，设计工作简单迅速可靠。即从某种成熟的齿条式抽油机机构尺寸系列中，选取基本参数与设计要求相同或最为接近的一组尺寸，在适当缩小，放大或圆整，作为

31、所设计的齿条式抽油机的相关尺寸；原环形齿条式抽油机、链条机等的天车轮半径为600mm, 在最大工作参数(冲程4.8m, 冲次4.5min-1)下，换向加速度为 2.58m/s2，而游梁式抽油机在相同抽油速度下的换向加速度仅为1.02 m/s2，原齿条机在该参数下运转振动较大，现场几乎没有用过最高冲次。为此,对齿条机天车轮半径进行了优化设计。具体步骤是先确定抽油机平稳运行的最大换向加速度允许值（参考原链条机取值)，再考虑抽油杆和油管静变形以及减速器的工作扭矩，最后反推出最佳天车轮半径。根据原链条抽油机、齿条式抽油机现场使用表明: 当天车轮半径为600mm冲程为4.8m，冲次为2min-1时,抽油

32、机运转平稳，此时的换向加速度为0.1463m/s2。下文简述天车轮半径计算过程:首先初选天车轮半径r为600mm （3-1）（4.82）/30 =0.32 m/ s其中 天车轮半径，m； 冲程，m； 冲次，min-1； 天车轮线速度，m/s。小齿轮半径计算过程：因为小齿轮与长环形齿条啮合传动，而长环形齿条又固定在平衡滑块上一起运动，天车轮与平衡滑块连接，由平衡滑块带动，所以天车轮与小齿轮线速度相等。此齿条机是用于大载荷、稠油井，所以抽油运动须缓慢进行。原齿条机在最大工作参数下，换向加速度为 2.58m/s2，在该参数下运转振动较大，为此,对齿条机天车轮半径进行了优化设计，初取小齿轮的换向加速度

33、为0.35m/s2。 (3-2) （3-3） =0.293 m其中 小齿轮半径，m； 天车轮线速度，m/s 小齿轮换向加速度,m/s23.2 确定总体尺寸本设计采用类比法，由（3.1节）计算以及石油工业出版社出版的抽油机采油技术得表3-1，从而得支架高度h=12.4m,长为l=1.8m, 宽为b=1.7m.抽油机的总体尺寸如图（3-1）表3-1 ccj13-4.8-16型抽油机基本参数 额定悬点载荷,kn130光杆冲程,m4.8冲次 ,1.2天车轮半径 , mm600小齿轮半径 , mm293电动机功率 ,kw18.5整机重量 t20外形尺寸 lbh m2.62.015 图3-1 长环形齿条式

34、抽油机总体尺寸4 齿条式抽油机运动分析4.1 运动分析由于抽油机的悬点通过钢丝绳和天车轮与平衡滑块相连，因此研究抽油机悬点的运动，即为研究平衡滑块的运动。如图所示设a、b、c、d、e、f、g、o1、o2九个点，其中a为上死点，d为下死点，o1为主动链轮中心点，o2为从动链轮中心点，则配重箱的运动轨迹为abcdefa，随链轮转动做垂直往复运动。配重箱从下死点到上死点是配重箱的上冲程，是悬点的下冲程；配重箱从上死点到下死点是配重箱的下冲程，是悬点的上冲程。当配重箱在段与段是，配种想的垂直往复运动为简谐运动： （4-1） （4-2） （4-3）其中 平衡滑块的位移,m； 平衡滑块的速度，m/s； 平

35、衡滑块的加速度，m/s2； 小齿轮的半径，m； 小齿轮的角速度，rad/s。4.2 悬点的速度、加速度、位移曲线设下图中、分别为悬点的最大速度、加速度、位移。 (a) 速度曲线图(b) 加速度曲线图(c) 位移曲线图图4-1 悬点的最大速度、加速度、位移曲线图5 齿条抽油机的动力学分析5.1 悬点载荷计算5.1.1 静载荷计算齿条式抽油机与游梁抽油机悬点载荷一样主要有静载荷、动载荷和摩擦载荷组成。齿条抽油机静载荷计算方法与游梁式抽油机相同。下面是参考游梁式抽油机静载荷计算方法所得的齿条式抽油机静载荷大小和变化（1） 抽油杆自重在上下冲程中，抽有杆柱自重始终作用于悬点上，是一个不变的载荷，用下面

36、公式计算： (5-1)其中 抽油杆柱自重，kn； 挂泵深度，m； 每米抽油杆柱自重，kn/m；各种直径抽油杆的由文献9,54，对于组合杆柱，可用下式计算： (5-2)式中 第i级抽油杆住每米自重，kn/m； 第i级杆住长度与总长之比值；由文献10,263-271，选取泵径为83mm,两级杆柱由文献9,54有：=4.0910-2kn/m=3.1410-2 kn/m由文献10,271有: =0.49， =0.51。初取挂泵深度=1600m,泵径=83mm。取抽油杆为2522mm（0.490.51）， =(0.494.09+0.513.14)10-2=3.6110-2 kn/m =3.6110-21

37、600=57.76kn其中 第一级杆柱长度与总长之比值； 第二级杆柱长度与总长之比值； 第一级抽油杆柱每米自重，kn/m； 第二级抽油杆柱每米自重，kn/m。由于抽油杆柱全部沉没于油管内的液体之中，所以在计算悬点静载荷时，要考虑液体浮力的影响。用代表抽油杆柱在液体中的自重，则可用下面公式计算： （5-3）其中 井液密度，=0.95t/m3； 抽油杆密度，钢抽油杆取=7.85 t/m3； 则 =（1-0.1270.95）57.76 =50.79 kn （2） 作用于柱塞的液注载荷作用于柱塞的液柱载荷随抽油泵泵阀启闭状态的不同而变化。下冲程时，柱塞上的游动阀是开启着的，柱塞上下连通。假定不记液体通

38、过游动阀和柱塞内孔的阻力，则柱塞上下的液体压力相等。因此，柱塞上的载荷等于零。上冲程时，游动阀关闭而固定阀打开，柱塞上下不再连通。柱塞上面的液体压力等于油管内液柱静压力（忽略固定法阻力）。这一压力差在柱塞上产生液柱载荷，用表示， （5-4）其中 抽油泵柱塞面积m2, 由文献9,55表2-3查得柱塞直径d=83mm时，=54.1110-4； 重力加速度，=9.81m/s2； h 泵的沉没深度，此处取200m； 油井动液面深度，1400m；则 =0.959.81140054.1110-4 =70.6 kn悬点静载荷等于抽油杆柱在液体中的自重和作用于柱塞的液柱载荷之和。设悬点上冲程载荷为，下冲程的悬

39、点载荷为，则 （5-5） （5-6把=50.79kn, =70.6kn代入上式中得=50.79+70.6=121.39 kn=50.79 kn考虑井口回压和套管压力的影响，则 （5-7） =121.39+54.1110-4（0.8-0）103-3.810-40.8 103 =121.39+4.02448 =125.41 kn （5-8） =50.79-3.810-40.8 103 =50.5 kn5.1.2 画静力示功图在由下冲程转为上冲程时，悬点静载荷由变为增加了载荷，使抽油杆柱伸长。在由上冲程转为下冲程时，悬点静载荷由变为，减少了载荷，使抽油杆柱缩短，伸长或缩短的变形量即为抽油杆柱的静变形

40、，设为，可由文献9,56公式(2-51)计算： = (5-9)其中 抽油杆柱经变形,m； 抽油杆弹性常数；对于组合杆柱，由文献9,56 公式(2-53)有: (5-10)由文献9,54表2-2，得=0.96110-5（kn）-1=1.24110-5(kn)-1则 =0.96110-50.49+1.24110-50.51 =1.10410-5（kn）-1 =1.10410-570.61600 =1.247 m由于油管底部不锚定，在下冲程转为上冲程时，随着游动阀关闭、固定阀打开，在抽油杆柱增加载荷的同时，油管柱要减少载荷，使油管柱缩短。同样，在由上冲程转为下冲程时，油管柱又要增加载荷，使油管柱伸长

41、，油管柱的静变形用表示，单位m。用下面公式计算： (5-11)其中 油管柱静变形，m； 油管弹性常数，由文献9,58表2-4查得=2.4910-6(kn)-1 =2.4910-670.61600=0.281 m总的静变形量为抽油杆柱静变形与油管柱静变形之和，设总的静变形量为，则 (5-12)=1.247+0.281=1.528 m在抽油杆柱伸长和油管柱缩短变形期间，虽然悬点在向上运动，但柱塞与泵筒间并没有相对运动。此时，游动阀虽已关闭，但固定阀尚未打开，因而抽油泵并不抽油。只有当悬点向上位移超过了以后，也就是静变形结束以后，柱塞和泵筒之间才产生相对运动，固定法打开，柱塞才开始抽油。同样在下冲程

42、开始阶段，虽然悬点在向下运动，但由于杆柱缩短和管柱伸长，柱塞与泵筒见也没有相对运动。此时，固定阀虽已关闭，但游动阀尚未打开，因此，抽油泵和泵筒之间才产生相对运动，游动阀才打开，柱塞下面液体才被排到柱塞上面来。由此可见，抽油泵柱塞的有效冲程长度比抽油机悬点的冲程长度要减少一个劲变形量。 (5-13)其中 抽油泵柱塞的有效冲程长度，m； 抽油机悬点的冲程长度，4.8m； 总的静变形量，1.528m；则 =4.8-1.528=3.272 m在上冲程开始阶段的静变形期间内，悬点静载荷由逐渐上升，到静变形结束时达到，以后保持这一数值直到上死点。在下冲程开始阶段的静变形期内，悬点静载荷由逐渐减少，到静变形

43、结束时，又减小到，以后保持这一数值直到下死点。这就是悬点静载荷随悬点位移的变化规律，用图形表示，如下图，称为静力示功图。5.1.3 动载荷计算动载荷是由抽油杆柱和液柱运动所产生的载荷，一般由两部分组成，一部分是与整体有关的动载荷，用表示，它的大小正比于加速度，作用方向和加速度方向相反；另一部分是震动载荷，用表示，的最大值发生在上冲程或下冲程静变结束的一瞬间，正比于该瞬间时抽油泵柱塞相对于悬点的运动速度。齿条抽油机上冲程或下冲程静变结束的一瞬间，平衡滑块可能处在简谐段，也可能处在匀速运动阶段。由静载荷计算知悬点总的静变形量=1.528m, 天车轮半径初取为r=0.7m，天车轮与平衡滑块的线速度相

44、等，因此，r,该情况是悬点上冲程和下冲程静变形结束瞬间，平衡滑块处在匀速运动段，悬点速度和加速度分别为： =0.32 m/s （5-14） =0 (5-15)设悬点上、下冲程结束瞬间的动载荷分别为、,将和代入威尔诺夫斯基公式并化简，得 (5-16) (5-17) (5-18)=4.315（1+0.3）10kns/m (5-19) =4.31510kns/m其中 -与抽油泵尺寸有关的系数，kns/m； -与油管尺寸有关的系数，kns/m； -天车轮半径，mm； -天车轮转速，r/min。-变形分配系数，=-油管过流面积扩大系数，=-抽油杆截面积，；由文献9,54表2-2查得 =4.9110-4

45、， =3.8010-4 =4.2710-4 =0.18=4.315（1+0.30.18）14.2710-410 =1.94 kns/m=4.31514.2710-410 =1.84 kns/m=5.63 kn=-5.34 kn悬点最大载荷与最小载荷的计算：对于低粘油井，摩擦载荷一般可忽略不计，因此最大和最小载荷分别为： (5-20) =125.41+5.63=131.04kn (5-21)=50.5-5.34=45.16kn5.2 平衡与扭矩计算 5.2.1 平衡计算悬点最大载荷为，悬点最小载荷为，则当实现较好的平衡时，平衡齿条拉力为 (5-22)通过查相关资料，则平衡块的平衡重为 =0.61

46、31.04 =78.62kn5.2.2 扭矩计算减速器输出轴净扭矩，设为，在一个往返行程内是变化的，应该分阶段计算。上冲程： 匀速运动段 (5-23)简谐运动 (5-24)下冲程： 匀速运动段 (5-25) 简谐运动段 (5-26)其中 齿条拉力，单位kn；=88.1 kn 悬点载荷，单位kn；减速器最大扭矩 (5-27)其中 悬点最大载荷，131.04 kn； r 天车轮半径，0.7m。则 =（131.04-88.1）0.7 =30.058 knm画出扭矩图如下图所示：6 受力分析6.1 轴的受力分析图6-1 天车轮轴的受力分析天车轮轴支撑天轮，对天轮提供支持力，天车轮轴受力情况如图5-1所示。图中为天轮所受到的钢丝绳拉力，为悬点最大载荷，也就是齿轮啮合力和平衡滑块的平衡重。在这里天轮自身重力可忽略不计。在上冲程阶段： kn kn 在下冲程阶段：45.16 kn45.16 kn6.2 轴的受力分析6.2.1 按扭转强度条件校核根据实际情况，选择45钢为轴材料，由文献11公式 进行校核其中 轴传递的功率，kw； 计算截面处轴的直径，mm； 轴的转速，r/min； = =39.