液压抽油机毕业论文[1]

1、 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 目 录 第 1 章 绪论1.1 目前机械采油现状及存在问题1 1.2 抽油机的发展与节能2 1.3 在役游梁式抽油机优化设计的研究4 1.4 本次设计意义4 新机型的方案设计6 第 2 章 新机型的方案设计 2.1 传动方案的设计6 2.2 基本参数的拟定8 2.3 主要结构尺寸确定16 新机型的运动分析17 第 3 章 新机型的运动分析 3.1 运动规律分析17 3.2 计算结果对比19 3.3 运动性能分析19 新机型的动力分析21 第 4 章 新机型的动力分析 4.1 抽油机扭矩分析21 4.2 电动机选择分析24 4.3 节电效果分析26

2、新机型的应用分析27 第 5 章 新机型的应用分析 5.1 新机型抽油机的意义27 5.2 新机型抽油机的特点28 结论31 参考文献32 致谢33 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 第1章 绪 论 1.1 目前机械采油现状及存在问题 抽油机是油田有杆抽油系统的地面驱动设备,它是有杆抽油系统的地面动力 传动设备， 也是石油开采的主要设备,原油生产井使用抽油机将蕴藏在地下的石油 通过抽油管抽出。 据统计在油田生产成本中约有三分之一为电能消耗,而抽油机消 耗的电能约占总电能消耗的 80%,对抽油机的机械系统和电气控制系统进行节能 改造,可带来相当可观的经济效益。是构成“三抽”系统的主要组

3、成部分，抽油机 的产生和使用已经有了一百多年的历史。发展到现在，抽油机的种类主要有游梁 式抽油机和无游梁式抽油机两大类。其中游梁式抽油机的应用最为广泛，各个产 油国仍然在大量使用。游梁式抽油机具有结构简单，制造容易，可靠性高，操作 维护方便，适应现场工况，使用寿命长并且一次性投资少等特点，在今后相当时 间内仍然是油田首选的采油设备。但是由于常规机本身结构特征，决定了它平衡 曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩，载荷率低，工作效率低和能耗大等缺点。随着 很多油田逐渐进入开发的中后期，油井含水量不断上升，使生产成本不断增加， 常规游梁抽油机已经不能满足需要，因此需要开发各种新型节能抽油机来满足降 低成本，

4、节能降耗。近 20 年来，世界抽油机技术发展较快，科研人员研究开发了 多种新型抽油机，特别无梁式抽油机的出现解决了很多常规机出现的弊端。这些 新机型的特点是：增加了抽油机的适应性、可靠性、经济性和先进性；改善了抽 油机的性能，提高了抽油效率，减少了动力消耗；提高了抽油机的平衡效果，改 善了抽油机的动力特性、运动特性、提高了抽油机的平衡效果，增加了抽油机的 使用范围，减少抽油机的体积和质量，强化了抽油机的自动化和智能化程度。因 此，研制开发新型节能抽油机是当前亟待解决的问题。 目前，有杆泵抽油机是油田的主要采油设备，其不但使用数量大，用电量大， 而且系统效率低，节电潜力巨大，虽然也有很多节能型抽

5、油机用于油田，也确实 起到了一定的节能效果，但由于多方面原因，大部分节能机不能很好的适应油田 的生产，具体有以下 5 种原因：部分新型机的易损件不是通用件，坏了之后不 便维修。部分新型机造价太高，油田投资巨大。目前各种新型抽油机，传动 元件的使用寿命尚不理想。实践证明，新型抽油机的可靠性是决定抽油机成败的 关键。油田工人一时很难熟悉一些新型机，日常维护困难。一些新型机虽然 节能但维修费用高，入不敷出 1 。 1 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 大庆油田是全国最大的油田，目前油田常用的抽油机包括：常规游梁式抽油 机、前置式抽油机、异相曲柄抽油机、偏置式抽油机、摆杆式抽油机、双驴头式

6、抽油机、复合轮式抽油机、摩擦换向式抽油机、六连杆增程式抽油机、偏轮式抽 油机、B 游梁式抽油机等等。部分新型节能抽油机正在实验当中，由于大部分新 型抽油机各有优缺点，所以还没有大批量投入使用 近年来，随着大庆油田老区块开发的不断深入，油田含水率迅速上升，开发 经济效益逐年下降，剩余未动用储量绝大部分是有效厚度较小、储量丰度较低的 难采储量。目前，企业在资金紧张、降低基本建设投资和控制生产成本的情况下， 对于老区块应何时改变采油方式，才能延长油田的经济开采期；新区块如何根据 其地质条件，选择最佳的举升方式，使油田获得更大的经济效益，是企业面临的 新问题。因此，开展机械采油方式优选评价研究很有必要

7、。 游梁式抽油机的有杆泵全系统的总效率在国内一般地区平均只 12%-23%， 系 统效率低，能耗大，耗电就多。此外，随着老油田油井的注水开发，油田己进入 高含水采油期。不断提高产液量，以液保油，这是注水开采油田保证原油稳产的 必要趋势。这种开采特点要求抽油机的冲程越长越好，使得在役的常规游梁式抽 油机机型偏小，在一定程度上已经不能满足长冲程、低冲次的要求。 偏置式节能抽油机是国内油田目前使用最多的节能型抽油机。 80 年代中后 自 期，在我国石油矿场上广泛推广应用了偏置式抽油机。该机保持了常规抽油机的 基本结构，与常规游梁式抽油机相比，该机的游梁后臂缩短，减速箱相对于支架 位置后移。 1.2

8、抽油机的发展及节能 抽油机的发展趋势主要朝以下几个方向： (1)大型化方向 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 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 异相双驴头抽油机、摆杆抽油机、渐开线抽油机、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

9、应性，以便拓宽使用范围。例如适应各种自然地 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 2 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 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。 (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式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

10、展 近年来，抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。BAKER 提升系统 公司、DELIA0-X 公司、APS 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，进一步指导抽油在最优工况抽油。NSCO 公司职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 2 。 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。 抽油机节能技术目前主要从以下几个方面进行研究： (1)改进抽油机结构。这种方法主要是通过对

11、抽油机四杆机构的优化设计和改 变抽油机平衡方式来改变抽油机曲柄净扭矩曲线的形状和大小， 使扭矩波动平缓， 从而减小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率，达到节能的目的。 (2)采用节能驱动设备。这种方法是从研究电机的特性入手，研究开发新型的 电动机，使之与采油井井况相匹配，进而达到提高电动机的效率和功率因数的目 的，即采用高转率的电动机(转差率 8%13%)和朝高转差率电动机代替常规转差 电动机(转差率5%)。另外，还有采用节能配电箱来实现节电的。 (3)采用节能控制装置。如 DCS 系列抽油机多功能程控装置、间抽定时控制。 (4)采用节能原部件。如窄 V 型带传动或同步带传动等。 (5

12、)改进平衡方式。如采用气动平衡或天平平衡等。 (6)改进“三抽”系统部件。有采用抽油杆导向器、空心抽油杆、减震式悬 件，都可提高三抽系统的工作效率，达到节能的目的。 (7)采用高效节能泵，提高泵效，降低百米吨耗，实现节能 46 。 总之，近年来抽油机节能技术的研究己经成为科技攻关的方向。以上七种方 法取得了显著的节能效果。 1.3 在役游梁式抽油机优化设计的研究 3 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 游梁式抽油机是石油开采的主要设备,也是主要耗能设备,其驱动电机负载率 通常都小于 30%。这种情况的存在,使电能的利用率降低,增加了电能的损耗。目 操作维修方便、 使用寿命长等原因,仍为

13、各大 前,常规游梁式抽油机因其结构简单、 油田的主要采油设备,其数量约占抽油机总数的 50%左右。 但因其主体结构为铰链 四连杆机构,其运动速度、加速度峰值、扭矩因数峰值、曲柄轴净扭矩峰值都较大, 扭矩曲线波动亦较大,存在负扭矩,因此能耗较大,对在役常规游梁式抽油机进行节 能技术改造具有非常重要的意义。方便的前提下,建立了常规游梁式抽油机运动 学、动力学分析的数学模型,分析得出常规游梁式抽油机四杆机构中游梁后臂 C、 连杆 P 以及曲柄半径 R 的减小都可以降低扭矩因数峰值,减小所需最大平衡扭矩, 使减速箱曲柄轴净扭矩曲线变得平缓,波动减小。因此,三种优化方案,分别为优化 游梁后臂 C;优化游

14、梁后臂 C 和连杆 P;优化游梁后臂 C、连杆 P 和曲柄半径 R。采 用了遗传算法分别对三种方案进行了优化设计,由优化结果分析可得,优化后抽油 机悬点速度、 加速度、 扭矩因数峰值都降低了,在原有最大平衡扭矩的作用下,平衡 度都有明显的提高,且极位夹角均增大了,工作制度变为非对称循环,同时曲柄轴净 扭矩峰值都有明显的减小。三种优化方案中,通过对比分析得出,对游梁后臂 C 进 行改造不仅可以节约改造成本,且改动件少,现场安装方便,电机输出功率可由原来 的 11.77kw 减小到 9.88kw,节电率为 15.95%,达到节能降耗要求,为最佳改造方案。 其二可以变频调速和功率因数闭环控制：这种游

15、梁式抽油机节能装置的硬件部分 以 AT89C51 单片机为核心,包括主电路、控制电路、驱动电路、保护电路、功率因 数检测电路和能量回馈电路等部分。 主电路采用交-直-交电压型结构;控制电路部 分由脉宽调制芯片 SA866AE 产生 SPWM 控制信号。 AT89C51 单片机控制部分由显示 电路、键盘电路、复位电路、记忆电路、功率因数计算电路和频率输出电路等组 成;驱动电路选用 IGBT 专用驱动模块 EXB841 进行控制信号的放大;保护电路实现 过流过压保护、 短路保护等功能。 软件部分包括 SA866AE 外接 EEPROM 初始化参数 的设计、单片机控制程序和电机软启动程序,软件采用汇

16、编语言编程。 论文最后 对所设计的部分电路进行了实验分析。 胜利油田现场运行测试结果表明,该装置可 以使三相交流异步电动机功率因数大幅提高,综合节电率达到 26.58%,节能效果 明显。 1.4 本次设计意义 目前，我国开采石油耗电指标与国外先进水平相比，还有很大差距，我国抽 油机的运行效率特别低，平均效率仅为 25.96%，而国外平均水平为 30.05%，年 节能潜 力可达几十亿千瓦时,尽管研制和应用了一些节能抽油机，但是由于使用 4 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 数量不多，其总耗电量还是很大的，近年来，我国研制的新型抽油机，几乎都具 有高效节能特点，目前，在用的抽油机系统效率

17、一般在 20%30%之间，因此，开 展新型抽油机，替换常规机型是大势所趋，随着油田的不断开发，地层能量逐渐 消耗，为了保证原油的稳产、高产，机械采油己经成为广泛采用的一种方法。我 国有机采油井 5 万多口，占油井总数的 80%左右，抽油机井的耗电量占总耗电量 的四分之一， 由于抽油机井的系统效率较低， 大量的能量(70%以上)在传递过程中 损失掉，如果将抽油机井的系统效率提高 5%，年节电 2010e8 千瓦时，这不仅 可节约大量资金，而且，还可以缓解油田电力紧张状况。 当今世界，资源日益匮乏，为了人类的继续生存， “节约”成为永远不变的一 个主题，本设计既是针对“节能降耗”要求展开的。其理论

18、意义在于找出机械采 油中节能降耗的技术关键和理论依据，对现有抽油机结构进行优化和创新，设计 出双轮直平式抽油机结构，使其提高油田采油效率，降低能量损失，具有较高经 济效益。双轮直平式抽油机是油田采油机械中的新型设备，对它进行深入研究， 必然使采油机械中又增添新品种，因而具有较高的理论意义。如果推广本成果， 必将为油田生产提供新的动力，对稳产增效，节能降耗，发展油田生产有很重要 的应用价值。 5 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 第 2 章 新机型的方案设计 2.1 传动方案的设计 2.1.1 传动机构设计 尽管抽油机的种类很多，但是在油田上被普遍采用的抽油机种类并不多。目 最广泛的是

19、机械平衡式抽油机。它主要由游梁、驴头、横梁、连杆、曲柄、减速 机构、支架、底座，悬绳器、平衡重及原动机等组成。因此，根据油田上被普遍 采用的常规式抽油机以及国内、外现行的节能抽油机实现动作所依赖的机构，将 机构方案定为四连杆。传动方案如图 2-1 所示。 图 2-1 双轮直平式抽油机运动简图 双轮直平式抽油机区别于常规游梁式抽油机的地方如下： (1)双轮 常规抽油机的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，我们将常规游梁式抽油机的游梁以及驴头部分改成双轮机构，这样就简 化了结构，并且能够满足运动要求。为了满足冲程的要求，我们可以让轮旋转较 大角度，这样，大转角乘以小半径

20、仍然能够实现规定的冲程。 (2)平衡重 由于常规游梁式抽油机上、下冲程的载荷很不均匀，上冲程时，驴头需要提 6 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 起抽油杆柱和油柱，而下冲程时，抽油杆依靠自重就可以下落，这样使发动机做 功极不均匀，为了使上、下冲程发动机做功均匀，采用了平衡重结构。游梁式抽 油机平衡重可分为游梁平衡重和曲柄平衡重。 而双轮直平式抽油机采用直接平衡， 即平衡重直接连接在轮上，这样就大副降低了悬点负荷，改善了连杆、曲柄的受 力状态。 (3)极位夹角 抽油机在整个工作过程中所要承受的载荷相当大，并且还要保证抽油机的工 作寿命，所以就要降低抽油杆的运动速度。因此，采用了极位夹角

21、，即在整个周 期中，上冲程时间较长，下冲程时间较短。 (4)电动机 电动机是抽油机的动力源。由于常规游梁式抽油机负扭矩大以及扭矩波动不 平缓，而造成了电动机工作不平稳、工作效率较低的现象。双轮直平式抽油机采 用在轮上直接平衡的方法，使电动机在整个抽油过程中所要克服的扭矩就大为减 少，那么电动机的实际功耗和装机功率均有大幅下降。 (5)结构尺寸 在设计的过程中始终注意现行抽油机的结构尺寸，让双轮直平式抽油机尽量 比现行抽油机型结构简单，以便于双轮直平式抽油机的制造、加工和维护，这样 有利于该机型的市场经济效益。 2.1.2 传动原理 如图 2-l 所示，1 为电动机、2 为 V 带、3 为减速器

22、、4 为曲柄、5 为连杆、6 为平衡重、7 为双轮、8 为钢丝绳。电动机通过三角皮带传动带动减速箱，电动机 的速度经减速箱减速后，再通过曲柄、连杆、轮将减速箱输出轴的旋转运动变为 轮的往复旋运动，轮的往复旋转运动带动抽油杆作上下往复直线运动。 图 2-2 传动原理图 实际上双轮直平式抽油机的传动原理与常规机是一样的，双轮的后轮相当于 常规机的游梁后臂，前轮相当于常规机的游梁前臂，抽油杆变成了弹性钢绳。主 要运动部件如图 2-2 所示。图中 1 是曲柄，2 是连杆，3 是后轮。 7 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 2.1.2 传动特点 (1)该机采用双轮结构代替了常规游梁式抽油机的游

23、梁，并且是双跨式，这样 有利于修井作业，使之不必让开井口。 (2)该机采用无游梁直接驱动，缩短了传动链，使传动效率提高到 90%。 (3)平衡重直接连接在轮上，大副降低了悬点负荷，改善了连杆、曲柄的受力 状态，使连杆和曲柄不易发生断裂，增加了使用寿命，提高了该机的安全可靠性。 (4)增大了极位夹角，实现了“上慢下快”的运动方式，增加了泵的充满度， 提高了产液量。 (5)由于采用了无游梁驱动，该机的整体结构比常规游梁式抽油机更加简单。 2.2 基本参数拟定 抽油设备的功用就是从一定的井深处抽出一定的数量的原油，所以，井深和 产量就标志着抽油设备的工作范围。为了达到这两个目标，对抽油机的工作能力

24、提出了四方面的要求，它们分别是悬点（挂抽油杆处）的最大悬点载荷、悬点最 大冲程长度、悬点最大冲程次数和减速箱曲柄轴的最大允许扭矩。这就是抽油机 的基本参数，下面分别来分析。 2.2.1 悬点最大载荷确定 悬点载荷是表明抽油机工作能力的重要参数之一，也是抽油机设计技术和选 择使用的主要根据。目前，悬点的最大允许载荷 Pmax 从 58kN 到 150280kN。 根据悬点最大允许载荷 Pmax 的变化范围，可把抽油机分为下列几种： 轻型抽油机： Pmax 30kN 中型抽油机：30kN Pmax 100kN 重型抽油机： Pmax 100Kn P杆 P油 当抽油泵工作时，抽油机的悬点上作用有以下

25、六项载荷 7 9 ： (1)抽油杆柱自重 P杆 (它在油中的重量为 P杆 )，作用方向向下； (2)油管内、柱塞上的油柱重 P油 (即柱塞面积减去抽油杆面积上的油柱重)， 作用向向下； 8 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) (3)油管外油柱对柱塞下端的压力 P压 ， P压 的大小取决于泵的沉没度，作用方 向向上； (4)抽油杆柱与油柱运动产生的惯性载荷 P杆惯 和 P油惯 ，它们的大小与悬点加速 度的小成正比，而作用方向与加速度的方向相反； (5)抽油杆柱与油柱运动所产生的振动载荷 P油 ， 油 的大小和方向都是变化的； P (6)柱塞与泵筒间、抽油杆和油管的半干摩擦力 P摩干 ，抽

26、油杆柱与油柱间、油 柱与管间以及油流通过抽油泵游动阀的液体摩擦力 P摩液 ， P摩液 和 P摩干 的作用方向 与抽油杆运动方向相反，其中游动阀的液体摩擦力只在泵下冲程、游动阀打开时 产生，所以它的作用方向只向上。 上述(1)、(2)、(3)三项载荷与抽油杆的运动无关，称为静载荷；(4)、(5)两项 载荷与抽油杆的运动有关，称为动载荷；(6)项载荷也与抽油杆的运动有关，但是 在直井、 油管蜡少和原油粘度不高的情况下， 它们在总作用载荷中占的比重很小， 约占 2%5%，一般可以略去不计。下面分别讨论以上几种载荷： 抽油机在空气中的重量 P杆 为： P杆 = f 杆 杆 Lg = f 杆 杆 L (

27、2-1) 油管内、柱塞上的油柱重 P油 为： P油 = F f 杆 ) 液 Lg = ( F f 杆 ) 液 L （ 抽油杆载油中的重量 P杆 为： P杆 = f 杆 杆 液）Lg = f 杆 杆 液）L （ （ (2-3) (2-2) 油井中动液面以上断面积等于柱塞面积的油柱的重量 P油 为： （ P油 = F f 杆 ) 液 ( L g) = ( F f 杆 ) 液 ( L H ) 式中 3 杆 抽油杆材料的密度，kg/ m ； (2-4) 液 抽汲液体的密度， kg/ m 3 ； N/ m 3 ； 杆 抽油材料的重度， 9 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 液 抽汲液体的重度，

28、 F 泵柱塞的面积， f 杆 抽油杆截面积， N/ m 3 ； m2 ； m； L抽油杆长度或下泵深度， m； 下面分别对上冲程、下冲程、上死点、下死点四种情况进行分析，见图 2-1 所示。 (1)上冲程 当悬点从下死点向上移动时，如图 2-1a 所示，游动阀在柱塞上部油柱的压力 下而关闭，而固定阀在柱塞下面泵筒内、外压差的作用下打开。由于游动阀关闭， 使悬点承受抽油杆自重 P杆 和柱塞上油柱重 P油 ，这两个载荷的作用方向都向下。 同时，由于固定阀打开，使油管外-定沉没度的油柱对柱塞下表面产生向上的压力 P压 。因此，上冲程时悬点的静载荷为： P静上 = P杆 + P油 P压 = 杆 f 杆

29、 L + 油 F f 杆）L 油 h 沉 F （ = f 杆 L( F f 杆 ) + F ( L h 沉 ) 油 = P杆 + P油 (2)下冲程 (2-5) 当悬点载荷由上死点向下移动时，如图 2-1b 所示，游动阀在上、下压力差作 用下打开，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 固定阀关闭， 受抽油杆柱在液体中的重量 P杆 ， 使油柱重量转移到固定阀和油管上。 因此，下冲程时悬点的静载荷 P静下 为： P静下 = P杆 (2-6) 对抽油杆来说，上死点悬点载荷瞬时发生变化，由下冲程的 P静下 变到上冲程 P静上 ，增加了 P 其大小为 P油 ，载荷增加使油杆伸长，

30、伸长的大小为 杆 ： 杆 = 式中 PL P油 L = Ef 杆 Ef 杆 (2-7) E钢材的弹性模数，2.1 1011 N/ m 2 。 10 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) a上冲程 b下冲程 图 2-1 悬点载荷作用 在伸长变形完成以后，载荷 P 才全部加在抽油杆或悬点上。实际上，在抽 油杆柱受载伸长的过程中，驴头已经开始上冲程。当悬点向上走了距离 杆 时，由 于同时产生的油杆柱伸长的结果，使柱塞还停留在原来的位置，即柱塞相对泵筒 没有运动，因而不抽油。如图 2-2C 所示。 对油管柱来说，下冲程时，由于游动阀打开和固定阀关闭，整个油柱重量都 由柱塞和抽油杆柱承担，而油管柱

31、上就没有这个载荷的作用了。因此，在抽油柱 加载的同时油管柱卸载。卸载引起油管柱的缩短，直到缩短变形完毕以后，油管 柱的载荷才全部卸掉。油管柱缩短的大小 管 为： 管 = 式中 P油 L Ef 管 (2-8) f 管 油管管壁的断面积， m 2 ； 这样一来，虽然悬点带着柱塞向上移动，但是由于油管柱的缩短，使油管柱 的下端也跟着柱塞向上移动，柱塞相对泵筒没有运动，还不能抽油，如图 2-2d 所 示。一直到悬点经过一段 管 以后，柱塞才开始抽油。 11 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 上冲程 a) 下冲程 b） c） d） e） 图 2-2 抽油杆柱和油管柱变形过程 (3)上死点 经分

32、析表明：悬点从下死点到上死点虽然走了 S，但由于抽油杆柱和油管柱 的静变形，使抽油泵柱塞的有效冲程长度 S 效 比 S 小： S 效 =S- (2-9) 而静变形 为： = 杆 + 管 = 式中 f P油 L P油 L P油 L + = （1 + 杆 ） 杆 = Ef 杆 Ef 管 E f管 (2-10) = 1 称为变形分配系数，一般可取 0.60.9。 f杆 1+ f管 (4)上死点 它和下死点情况恰恰相反。这时对抽油杆柱来说，静载荷由上冲程的 抽油杆因而缩短了 杆 。 P静上 P静下 P油 杆 管 S 效 变到下冲程的 P静下 ， 减小了油柱重 P油 ， 因此，当悬点向下走了 杆 时，由

33、于抽油杆柱的缩短，柱塞在井下原地不动，它对 泵筒不产生相对运动， 因而不能排油。 而对油管柱来说， 因为加载 P油 而伸长了 杆 ， 12 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 油管(或泵筒)好象跟着柱塞往下走。所以，在悬点再走完入 管 以前，柱塞和泵筒 还不能产生相对运动， 也不会排油。 因此， 在排油过程中， 柱塞的有效冲程长度 S效 比悬点冲程长度 S 减小了一个同样的静变形 值。 上、下冲程中悬点载荷随悬点位移的变化规律用图 2-3 来表示，这种图形称 为静力示功图。 图 2-3 静力示功图 图中 AB 斜线表示悬点上冲程开始时载荷由柱塞传递到悬点的过程。 线相 EB 当于柱塞与

34、泵筒没有发生相对运动时悬点上行的距离，即 EB= 。当全部载荷都 作用到悬点以后，静载荷就不再变化而成水平线 BC，到达上死点 C 为止。CD 段 表示抽油杆柱的卸载过程。卸载完毕后，悬点又以一个不变的静载荷向下运动， 成为水平线 DA 而回到 A。 根据大庆地区的实际情况：泵挂 1000m，沉没度 300m，泵径 70mm，抽油杆 直径 25mm，冲程 S=3m，冲次 n=9 次min，含水 0.9； f 杆 = d 2 4 = 25 2 5 10 6 4 = 4.90 10 4 m 2 杆 = 7850 9.8） m 3 = 76930 N m 3 （ N 油 = 950 9.8） m 3

35、 = 9310 N m 3 （ N F = d 2 4 = 70 70 10 6 4 = 38.5 10 4 m 2 L=1000m 13 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) h 沉 = 300m P静上 = f 杆 L（ 杆 油） 油 F（L h 沉） + P静上 = 4.90 10 10 1000 76930 9310） 9310 38.5 10 4 1000 300） （ + （ P静上 = 33133.8 + 25090 = 5.8 10 4 N 所以： (1)上冲程： P静上 = f 杆 L（ 杆 油） 油 F（L h 沉） 5.8 10 4 N + = (2)下冲程： P静

36、下 = P杆 = f 杆 L（ 杆 油） 3.3 10 4 N = (3)下死点： = 杆 = 0.26m (4)上死点： =0.26m 2.2.2 悬点最大冲程长度 S maz 悬点最大冲程长度主要决定了抽油机的产量。在石油机械中，应用的悬点最 大冲程长度 S maz 从 0.3 到 10 米，而最为广泛的是在 6 米以下。 根据大庆地区现行抽油机的情况，本机型的最大冲程长度设计在 3.00 米。 2.2.3 悬点最大冲程次数 nmax 悬点的最大冲程次数表明了抽油机的抽汲工况。最大冲程次数 nmax 和悬点最 大冲程长度 S maz 一起确定了抽油机的最大产量 （当泵径一定时） 目前实际应

37、用的 。 最大冲次从 2 min 1 到 20 min 1 由于抽油杆的折断次数与之成正比，因此限制了冲 次的提高。 根据大庆地区的现行抽油机的情况， 本机型的最大冲程次数 nmax 定为 9 min 1 。 14 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 2.2.4 减速箱曲柄轴的最大允许扭矩 M max 曲柄轴的最大允许扭矩与悬点载荷、悬点最大冲程长度以及悬点的最大冲程 次数有着一定的关系。特别是和悬点最大冲程长度成正比。悬点冲程长度越大， 曲柄轴上的最大允许扭矩就越大。曲柄轴的最大允许扭矩也确定了减速箱的尺寸 和重量。 根据减速箱的最大允许扭矩 M max ,抽油机可分为： 小扭矩：

38、M max 10KN.m 中等扭矩：10KN.m M max 30KN.m 大扭矩： 30KN.m60KN.m 将扭矩与冲程次数相乘可得抽油机的功率。按照抽油机的功率可将抽油机分 为： 小功率： N max 5kw 中等功率：5kw N max 25kw 大功率： 25kw100kw 如图 2-4 所示，常规游梁式抽油机由于采用的是曲柄处平衡，悬点的最大载 荷主要取决于抽油杆柱和油柱的重量，其 上冲程的最大悬点载荷可达 60kN，因此可 称之为重型抽油机。而本机型采用了在轮 处直接平衡，这样在上下冲程的载荷都只 相当 20kN 左右， 也就是只相当于常规式抽 油机的最大悬点载荷的 1 3.减速

39、箱曲柄轴 上的扭矩的计算公式, 上，所以： 上冲程时，根据平衡原理： M = MP MC 图 2-4 力平衡图 15 由于平衡重在轮 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 下冲程时，此时 M C 比 M P 大，根据平衡原理： M= M C - M P 式中 M所需扭矩； M C 平衡重产生的扭矩； M P 悬点载荷产生的扭矩。 本机型所采用的在轮处直接平衡，在上下冲程的悬点载荷都被平衡重所平衡 一部分或全部平衡， 所达到的效果是只相当于常规式抽油机的最大悬点载荷的 1/3, 并且在整个工作过程中 M 的值波动较小 13 。 2.3 主要结构尺寸确定 在设计这个抽油机的过程中，我们本着在

40、原机的基础上进行设计，尽可能的 保证与原有结构一样，因此设计出的抽油机的零件与常规机的零件具有通用性， 很多部分的结构与常规机结构相似，这样对于工人操作没有更多或者更高要求。 对于结构尺寸的计算，为了准确，采用了计算机绘图和计算编程来实现，只 需赋值销子所在半径，曲柄长，以及极位夹角计算机会自动算出连杆的长度，然 后结合 AUTOCAD 绘图就能给出各个具体尺寸。 如表 2-1 所示本机型的主要结构尺寸。 表 2-1 抽油机的主要结构尺寸 垂直中心距（m） 水平中心距（m） 游梁前臂长（悬点半径） （m） 游梁后臂长（销子作用半径） （m） 极位夹角（） 连杆长度（m） 中心连线长（m） 轮转

41、角（） 曲柄回转半径（m） 冲程（m） 冲次（min 1 4.10 2.70 1.50 1.70 13 4.25 4.9636 133 1.0 3.0 ） 9 16 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 第 3 章 新机型的运动分析 3.1 运动规律分析 在分析悬点运动规律时，目前一般采用两种分析方法：一是简化分析方法； 二是精确分析方法。简化分析方法可分为两种：一种是简化为简谐运动；而是简 化为曲柄滑块机构。简化分析方法的研究结果可用于一般计算和分析。但是做精 确的分析计算和抽油机机构设计时，则有必要按精确分析方法来研究抽油机的实 际运动规律 12 。 在精确分析抽油机运动规律时，复变

42、矢量法是一种比较简单的方法。根据所 设计的抽油机的结构，我们对其进行了简化。如图 4-1 所示为双轮直平式抽油机 的运动分析简图。下面我们就对它进行具体的运动分析 12 图 3-1 运动分析 (1)曲柄转角从 12 点钟位置算起，角速度沿顺时针方向时取为正值。 (2)各杆件的参考角 2、 3、 4 等角度均从基杆算起，并且沿逆时针方向取为 正值。 图中几何关系为： = sin 1 ( 1 K ) (3-1) 17 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 2 = 2 + L= R 2 + K 2 2 RK cos 2 (3-2) (3-3) (3-4) = sin 1 ( R L sin 2

43、 ) 2 2 2 3 = cos 1P + L C 2CL 2 2 2 4 = cos 1P L C 2CL (3-5) (3-6) 图 3-1 中各矢量有如下关系式： R+ P = K + C _ _ _ _ (3-7) 上述矢量方程用复变矢量可表示为： Re i 2 + Pe i 3 = K + Ce i 4 (3-8) 将上式两边对时间求导可得： R 2 ie i 2 + P 3ie i3 = K + C 4 ie i 4 (3-9) 或： R 2 i cos 2 P 2 sin 2 + P 3i cos 3 P 3 i sin 3 = C 4 i cos 4 C 4 i sin 4 (

44、3-10) 令方程两边实部和虚部对应相等，则可得如下方程组 R 2 cos 2 + P 3 cos 3 = C 4 cos 4 P 2 sin 2 + P 3 sin 3 = C 4 sin 4 (3-11) (3-12) 将上述联立方程两边对时间 t 求导，可求得速度，即： 3 = 4 = R 2 sin( 4 2 ) P sin( 3 4 ) R 2 sin( 3 2 ) C sin( 3 4 ) (3-13) (3-14) 将上面两式对时间 t 求导，可求得加速度，即： 3 = 3 2 ( 3 4 ) cot( 3 4 ) + ( 4 2 ) cot( 4 2 ) 2 2 4 = ( 3

45、 4 ) cot( 3 4 ) + ( 2 3 ) cot( 2 3 ) 2 4 (3-15) (3-16) 18 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 悬点速度 Vc 及加速度 c 可由下式算出： Vc = 4 A c = 4 A (3-17) 3.2 计算结果对比 经过上面的分析，通过计算机计算得出结果，并与 CYJ10-3-53HB 常规游梁 式抽油机的运动性能进行对比如下： 表 3-1 运动性能对比表 CYJ10-3-53HB 最大加速度 max （m/ s ） 2 双轮直平式抽油机 1.651 下降率 18.4% 2.024 最小加速度 min ( m/ s ) 2 -1.18

46、0 -1.014 -14.1% 最大速度 Vmax （m/s） 最小速度 Vmin （m/s） 1.512 1.093 27.71% -1.396 -1.781 27.75% 从上表可以看出：最大加速度下降了 18.4%，最大速度下降了 27.7%，改善 了运动性能，加速度的降低减小了抽油杆柱和油柱惯性载荷对悬点载荷的影响， 降低了悬点载荷，改变了受力状态，使该机的可靠性能增大，同时悬点载荷降低 可以使曲柄销的受力变小，减小了曲柄轴上的扭矩。因此，可以减小电动机的能 耗，实现节能。 3.3 运动性能对比 在实际井况参数下，双轮直平式抽油机与常规游梁式抽油机 CYJ10-3-53HB 的运动曲线

47、对比如图 3-2、图 3-3 所示，井况参数见表 3-2 表 3-2 井况参数 冲程(m) 3 冲次(次) 9 泵挂(m) 960.8 沉没度(mm) 82.3 泵径(mm) 56 杆径(mm) 22 管径(mm) 63.5 19 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 常规游梁式抽油机 CYJ10-3-53HB： 位移： 3.000m 速度： Vmaz =1.521 m s Vmin =-1.396 m s Amin =-1.180 m s 2 加速度： Amax =2.024 m s 2 图 3-2 CYJ10-3-53HB 型游梁式抽油机运动曲线 双轮直平式抽油机： 位移： 速度：

48、S maz =3.000m Vmaz =1.093 m s Vmin =-1.781 m s Amin =-1.014 m s 2 加速度： Amax =1.651 m s 2 图 3-3 双轮直平式抽油机运动曲线 20 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 第 4 章 新机型的动力分析 4.1 抽油机扭矩分析 为了使悬点一定的载荷 P 和一定的抽汲方式（S 和 n）工作，减速箱曲柄轴 就需要给出一定的扭矩， 因此减速箱曲柄轴扭矩是游梁式抽油机的基本参数之一。 实践证明，减速箱曲柄轴扭矩的大小和悬点载荷，各杆件长度的比值和抽油机的 平衡情况有密切关系。它的合理确定对减速箱的设计、电动机功

49、率的选择和抽油 设备正常工作条件的保证有重要意义，下面首先研究一下减速箱曲柄轴扭矩的大 小和变化规律，然后根据扭矩来确定抽油机所需要配备的电动机的额定功率。 减速箱曲柄轴上静扭矩的计算公式： M = MP MC 式中 (4-1) M P 悬点载荷扭矩， M P = TF P ； M C 平衡重等效的扭矩 在常规式抽油机中： TF = ( L1 r sin ) ( L2 sin ) 由于常规式抽油机的平衡中是放在曲柄上进行平衡载荷，因此： M C = M C sin (为曲柄转角) (4-2) (4-3) 在本机型中 TF 与常规抽油机是一样的，差别是在平衡重的等效扭矩上，由于 本机型的平衡重是

50、在轮上，在整个过程中没有变化。因此平衡重的等效扭矩可直 接计算： M C =GR (4-4) 平衡重的确定：在上冲程的时候，连杆带动轮旋转，即把悬点向上提升，这 个时候，平衡重能够平衡一部分的悬点载荷，在下冲程的时候，相当于悬点拖动 平衡重向下运动， 这个时候平衡重的重量大于悬点载荷， 连杆是推动轮向下运动， 这个时候连杆的力相当于是在推动平衡重的一部分在向下运动，为了在整个过程 中使扭矩的波动较小，使发动机在上冲程和下冲程所做的功尽量相等。 21 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 图 4-1 抽油机的静力示功图 利用图 4-1 的抽油机静力示功图进行计算： L1 = GR M C

51、= P杆 L1 + P杆 L1）2 （ GR = P杆 L1 + P油 L1）2 （ G = P杆 L1 + P油 L1）2 R （ 由于在前面的计算： P杆 =33133.8N (4-5) P油 =25090N R=1.7 L1 =1.5m 可得： M C =68.52kN.m G=40.305kN mC =4.11t（平衡重的质量） 通过采用计算机编程计算，输入已知常数和任意转角，计算机会自动为你 计算出该角的扭矩因数以及转角时的扭矩值，根据所计算的扭矩值，画出该机的 扭矩曲线图，如图 4-2 所示，对比于常规游梁式抽油机扭矩曲线，如图 4-3 所示。 22 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)