抽油机减速器优化设计和实现 电气工程专业

PAGEPAGEii目录摘要： iiAbstracts iii第一章引言 11.1研究题目的来源 11.2研究领域的历史、现状和前沿发展情况 21.3前人在本课题研究领域中的成果 31.4课题研究的目的和意义 31.5研究的主要内容 5第二章抽油机的基本结构与参数 72.1抽油机的工作原理 72.2抽油机的分类 82.3游梁式抽油机的结构 92.4游梁式抽油机的基本参数 142.5游梁式抽油机的标准 15第三章抽油机减速器的优化设计 173.1优化设计的基本理论 173.2抽油机减速器优化设计的初步分析 203.3优化设计的数学模型 213.4优化设计方法 263.5优化结果与应用 31第四章结论 33参考文献 34致谢 35抽油机减速器优化设计目录目录第一章引言 11.1研究题目的来源 11.2研究领域的历史、现状和前沿发展情况 21.2.1研究领域的历史 21.2.2研究现状 31.3前人在本课题研究领域中的成果 31.4课题研究的目的和意义 41.4.1课题研究的目的 41.4.2课题研究的意义 51.5研究的主要内容 51.5.1抽油机的基本结构与参数 61.5.2减速器双圆弧齿轮的优化设计 6第二章抽油机的基本结构与参数 72.1抽油机的工作原理 72.2抽油机的分类 92.3游梁式抽油机的结构 92.3.1驴头设计 102.3.2游梁设计 112.3.3横梁及连杆设计 112.3.4曲柄和平衡重 132.3.5支架设计 132.3.6减速器设计 142.3.7悬绳器总成 142.3.8动力机 152.3.9底座 152.4游梁式抽油机的基本参数 152.4.1驴头悬点(挂抽油杆处)的最大允许载荷。 162.4.2悬点最大冲程长度。 162.4.3悬点的最大冲程次数n 162.5游梁式抽油机的标准 162.5.1代号 172.5.2平衡方式 172.5.3型号表示法 172.5.4基本参数 17第三章抽油机减速器的优化设计 183.1优化设计的基本理论 183.1.1提高设计质量 203.1.2加快设计速度 203.1.3减轻设计人员的劳动强度 203.2抽油机减速器优化设计的初步分析 213.3优化设计的数学模型 233.4优化设计方法 283.4.1内点罚函数法 283.4.2外点罚函数法 303.4.3混合罚函数法 333.5优化结果与应用 333.5.1优化结果 333.5.2优化结果应用 34第四章结论 35参考文献 36致谢 37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。本文从抽油机部件减速器优化入手，建立数学模型，引进边界条件，对抽油机减速器进行了优化设计，改善了减速器的不合理结构，减小了体积，合理利用了材料，节约修复和服务成本，从而降低了抽油机的制造成本。关键词：游梁式抽油机减速器设计分析优化设计PumpingSpeedreduceroptimizationdesignAbstracts:Rodpumpingisoneoftheearliestandwidelyusedartificialliftingoilproductionmethods.Atpresent,hewidelyusedpumpingunitisthesurfacedrivedeviceintherodpumpingsystem.Itisprovenbythework-siteapplicationthatthepumpingunitshastheadvantagesofsturdyanddurablebody,reliableandsmoothoperation,andconvenientmaintenance.Butintheotherhand,itiswellknownthatthepumpingunithasthedisadvantagesofhighenergyconsumingandlowefnciency.Therearealsomanyproblemsinthepumpingunitmanufacturing,suchasthesurplusofpartmaterial,hugebulk,highproductcostandlittleoptimizationtechnique,etc.Inordertomakerationaluseofmaterial,avoidthebeamdamage,reducetherepairandservicecost,decreasethereducervolumeandweight,savesteelmaterial,andnnallyreducethemanufacturingcostofthepumpingunit,thispaperhasputforwardsomemethodsofoptimalpumpingunitparts,quotedboundarycondition,builtmathematicsmodel,designedsomepartswithoptimalmethodandimprovedthestructure.KeyWord：Beam-pumpingunitReducerDesignanalysisOptimizationdesign第一章引言1.1研究题目的来源汽油在地底下蕴藏了几十万、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汽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》中第一次给汽油科学命名，并沿用至今。我国近代汽油工业在1878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，中国的汽油工业随着中国这个汽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。从地层中开采汽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备。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91％、美国为85％、前苏联为75％。至2000年我国油田共有抽油机采油井约8万口，占油井总数的90％。在这些采油井中，有杆抽油井约占90％。我国使用有杆抽油设备采油，也已有半个多世纪，1980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施，有杆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论研究，取得了显著的成果。近十年来，在参照和等效API(美国汽油学会)标准的基础上，结合我国国情，汽油行业先后修订或制订了游梁式抽油机、抽油泵、抽油杆等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，1993年全年生产抽油机四十余台，1999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160多台，维修旧抽油机60多台，价值近4000万元，国内市场前景非常看好，2002年还开拓了国际市场，叙利亚的一家汽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。减速器是抽油机中的重要部件,设计的时候，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1.2.1研究领域的历史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特别是减速器的改造设计，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减速器时，通常是先根据减速器各部件的给定要求来设置条件，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，这样设计减速器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、CAD技术及其在产品设计中的应用。1.2.2研究现状上世纪六十年代初，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。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CAD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，在汽油机械制造业更是如此。但是国内很多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。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正齿轮副设计；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。因此本文希望对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。1.4课题研究的目的和意义1.4.1课题研究的目的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，并且随着世界汽油工业的飞速发展，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)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，直接影响我国汽油工业的发展。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。据统计，在近几年生产的500台抽油机中，出现损坏情况的有65台，占统计总数的13%。损坏抽油机中主要以结构件及减速器损坏居多，如底座中部出现裂缝、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容。1.4.2课题研究的意义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介绍了抽油机的分类情况以及游梁式抽油机的基本结构和基本参数，并以CYJS12-4.8-53HB型抽油机的减速器为例，对其进行了基本分析，确定齿轮为优化部件，建立数学模型，进行优化设计，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。1.5.1抽油机的基本结构与参数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。抽油机的基本参数主要有：驴头悬点(挂抽油杆处)的最大允许载荷、悬点最大冲程长度、悬点的最大冲程次数、减速箱曲柄轴最大允许扭矩。1.5.2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20%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。第二章抽油机的基本结构与参数2.1抽油机的工作原理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，有杆抽油设备通常由三部分组成：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——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——抽油杆连接起来。有杆抽油系统的地面设备——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。图2.1抽油机简图图2.2有杆抽油系统简图1—吸入凡尔;2—泵筒;3—柱塞;4—排出凡尔;5—抽油杆;6—油管;7—套管;8—三通;9—盘根盒;10—驴头;11—游梁;12—连杆;13—曲柄;14—减速箱;15—动力机(电动机)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，如被中国汽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，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。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。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一个底座，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2.3抽油机结构简图1—刹车装置;2—电动机;3—减速箱皮带轮;4—减速箱;5—输入轴;6—中间轴;7—输出轴;8—曲柄;9—连杆轴;10—支架;11—曲柄平衡块;12—连杆;13—横梁轴;14—横梁;15—游梁平衡块;16—游梁;17—支架;18—驴头;19—悬绳器;20—底座2.3.1驴头设计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。 图2.4驴头简图2.3.2游梁设计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机，通常使用型材制造，因此有些结构尺寸受材料规格限制。2.3.3横梁及连杆设计横梁是连接游梁和连杆的中间部件，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件，通常由型钢及钢板焊接成型。图2.5横梁结构简图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。图2.6连杆结构简图2.3.4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2.7曲柄及平衡重简图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横。2.3.5支架设计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。图2.8三腿支架简图2.3.6减速器设计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。2.3.7悬绳器总成悬绳器总成由钢丝绳及绳头锁紧装置组成。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。2.3.8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。2.3.9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正常运行的前提。抽油机底座常用型钢及钢板焊接而成，结构常采用T形或π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2.9底座结构简图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。2.4.1驴头悬点(挂抽油杆处)的最大允许载荷。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5～8kN到150～280kN。2.4.2悬点最大冲程长度。它主要决定抽油机的产量以及抽油机的基本尺寸和重量。悬点最大冲程长度从0.3m到10m，而应用最广的在6m以下。2.4.3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和悬点最大冲程长度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从2～4/min。到20/min。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成正比，即越大，也越大。同时曲柄轴最大允许扭矩值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，在美国为汽油学会标准即API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。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。1975年制订了JBl576--75(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SY/T5044—2004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。2.5.1代号CYJ：常规型抽油机；CYJY：异相型抽油机；CYJS：双驴头抽油机；CYJQ：前置型抽油机；2.5.2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；2.5.3型号表示法额定悬点载荷为120kN，光杆最大冲程为4.8m，减速器额定扭矩为53kN•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CYJS12-4.8-53HB。2.5.4基本参数部分游梁式抽油机的基本参数见表2-1表2-1抽油机的基本参数表序号规格型号额定悬点载kN最大冲程m最高冲次r/min减速器扭矩kN•m13-1.5-13301.5121323-2.1-13302.1121335-2.1-13502.1121346-3-26603.0122658-3-37803.0837610-3-531003.0853710-4.2-531004.2853812-4.8-731204.8873914-5-891405.0889第三章抽油机减速器的优化设计3.1优化设计的基本理论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、CAD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、复杂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。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。优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，使得在解决复杂设计问题，能从众多的设计方案中寻找到尽可能完善的或最适宜的设计方案，因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。在设计过程中，常常需要根据产品设计的要求合理地确定各种参数，例如重量、成本性能、承载能力等等，以期达到最终的设计目标。也就是说，一项工程设计总是要求在一定的技术和物质条件下，取得一个使技术经济指标为最佳的设计方法，优化设计就是在这样一种思想下产生和发展起来的。优化设计是现代设计的一个重要组成部分，采用优化设计可使设计参数符合约束条件和目标函数，并能得到最适宜的结果。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地应用，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。有限元法是自上世纪六十年代以来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，优化设计和有限元分析在我国工程设计上得到了大量的应用，促进优化理论和有限元理论的发展，不断完善了各种优化理论和有限元理论。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的有力工具，解决大量实际问题。在油田的抽油机设计中就可以看到这种情况，几年来，对各种抽油机构、抽油机支架及游梁的优化设计有许多报道，给抽油机技术的发展带来了积极的促进作用。本文也希望能通过有限元分析法计算抽油机的部分结构件，找出合理的设计理论，恰当地使用材料，避免随意增加材料以提高强度的现象，物尽其用，从而降低抽油机的制造成本。优化设计的含义就是在处理各种事物的一切可能方法中，寻求最优的方案。绝对最优的方案只有在理论计算中才能达到，但实际事物中没有不受客观条件限制的情况，因而使用中的优化问题都是在给定条件下，从一切可能的方案中寻求最适当的方案。科学表达出优化的概念大约是从17世纪时随着数学的发展而开始的。上世纪60年代，随着电子计算机的诞生和应用数学的发展，优化理论和方法已形成专门的学科，并在各行各业中得到了日益广泛的应用，在工业、农业、交通、运输、能源及军事等各个领域中发挥了重要的作用。现代优化方法主要以数学规划为核心，以高速电子计算机为工具，向着多目标、多变量、高效率、高精度的方向发展，成为科学研究、经济发展、产品创新等工作中强有力的助手。机械行业的优化设计就是把优化技术应用到机械设计中去，通过对机械零件、机构、部件乃至整个机械系统的设计，确定出他们的最佳参数和结构尺寸。其目的在于：3.1.1提高设计质量计算机按一定的程序，形成众多的设计方案，根据给定的条件加以判别，从中选出最好的设计方案。3.1.2加快设计速度优化设计方法发挥了计算机的速度优势，在很短的时间内完成比手工计算多得多的工作。3.1.3减轻设计人员的劳动强度应用计算机进行优化设计与传统设计相比，具有如下三个特点：①设计的思想是最优设计，需要建立一个正确确反映设计问题的数学模型；②设计的方法是优化方法；⑧设计的计算工具是计算机。机械优化设计是把优化技术应用到机械设计中去，使某项机械设计在规定的各种设计限制条件下，优选设计参数，确定出它们的最佳设计参数和结构尺寸(取代过去长期使用的可行性设计方法)，从而提高各种机械产品及技术的设计水平，一个机械设计的过程及其相互关系可以用图3.l表示。整个优化设计过程可以分为两部分，首先将机械设计问题建立一个优化设计的数学模型，然后选用某一种优化设计方法；利用电子计算机的自动计算过程，包括程序的编制、数据准备及结果的分析和整理。优化技术在机械设计中的应用与研究，较早而且成果较显著的方面是机构的最优化设计例如平面机构按预定的函数关系、预定的轨迹、预定的构件位置进行优化设计，使结构的误差最小化、灵敏度最佳化、杆件长度最小化、最小传动角最大化、运动副中的损耗功率最小化等等，均已取得了显著的成果。可以说，优化设计技术在机械设计领域得到了充分的发展应用，已经形成了一门专门的学科。在机械设计优化过程中，除了根据设计对象的工作原理、设计准则、工作条件以及其他技术经济指标等建立优化设计的数学模型外，另外一项重要内容就是选用合适的优化方法。机械优化设计问题通常属于约束非线性规划问题，求解这类问题的方法称为约束优化方法。根据处理约束问题的方式不同，约束优化方法分为直接法和间接法两类。机械优化设计机械优化设计设计问题设计要求设计参数x设计准则数学模型目标函数约束函数（u=1，2…m）(v=1,2…p)方案评价是否最优方案分析实际值最优设计方案x设计方案一组值优化途径优化设计参数图3.1优化设计过程3.2抽油机减速器优化设计的初步分析抽油机减速器由箱体、箱盖、主动轴总成、中间轴总成及输出轴总成等几部分组成。其中包括三对互相啮合的双圆弧齿轮，齿轮直径较大，占据箱体内大部分空间，同时也加大了减速器的外形尺寸及重量，具有优化潜力。图3.2为抽油机减速器简图。图3.2抽油机减速器简图齿轮传动优化设计有：齿轮在最小接触应力下的齿廓最佳几何形状设计；轮齿轮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正齿轮副设计；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。许多人对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。因此优化双圆弧齿轮可以找到许多可依赖的理论及实际经验。圆弧点啮合齿轮简称圆弧齿轮，它是以凸、凹齿面的接触进行啮合传动，如图3.3。该结构具有较大相对曲率半径。其传动特点是：齿面在啮合过程的每一瞬间不是线接触，理论上是一个点或几个点的接触。双啮合圆弧齿的齿形是把两个单圆弧齿轮的凸、凹齿廓组合在一个齿轮的齿廓上，一个齿轮上同时存在两条啮合线。 图3.3圆弧齿轮啮合简图以抽油机上经常使用的53kN･m减速器为研究对象，该减速器为两级减速，人字齿轮分流式，齿轮精度为8—8—7级，设计寿命10年，部分参数如表。表3-153kN･m减速器参数表输出扭矩kN･m总数比中心矩mm输入轴直径mm输出轴直径mm总量kg5331.8910009018042363.3优化设计的数学模型机械优化设计是针对某一机械设计问题，在满足各种限制条件下，采用最优化算法，用计算机进行设计参数的选择、调整和设计方案的比较评价，最终使要求的某项或几项性能指标达到最佳值。对于双圆弧齿轮优化设计来说，就是根据已知传递的功率P、传动比i、输入轴转速n、工作状况、使用寿命、齿轮加工精度等级，在保证齿轮强度条件下(一般工业用齿轮装置只需满足齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度，整体体积最小为目标的优化设计。优化设计的数学模型是针对具体设计问题的数学描述，它反映设计参数和所追求的设计目标之间的关系，它由设计变量、目标函数和约束条件三部分组成。设计变量是设计问题中需要优选的相互独立的结构参数。称以x的v个分量为坐标轴构成的v维实空间为设计空间。在齿轮传动的设计中，通常考虑如下参数的选择，也正是这些参数决定了齿轮的基本结构尺寸，可作为双圆弧齿轮优化设计优化设计的变量：重合度、齿数z、模数m、螺旋角β。齿轮参数选择的适当与否，决定着减速器的质量，因此把齿轮的主要参数列为优化设计，即X=式(3-1)=式中――分别为两对齿轮副的重合度~――齿轮齿数；――两对齿轮副的法面模数；――两对齿轮副的螺旋角把某一设计问题所追求的设计目标表示成设计变量的函数Fr，、，称其为目标函数，目标函数的值是评价一个设计方案优劣的准则，故也称其为评价函数。机械优化设计问题中的目标函数可以是重量最轻、体积最小、强度高、能耗小等，这些目标可以单一或组合后构成目标函数。优化设计的任务就是选取设计变量值，使目标函数极小化，而得到最佳设计方案。减速器设计有两个主要指标：一是性能指标，二是经济指标。也就是说减速器既具有足够的强度、刚度又达到体积最小、重量最轻。把齿轮体最小作为优化目标。如果以齿轮分度圆柱的体积近似代替齿轮体积则有：V=式(3-2)==式中一齿宽所以优化目标函数的计算式为：式(3-3)实际设计问题中，设计变量的取值总要受到某些条件的限制，称这些限制条件为约束条件，可用关于设计变量的约束函数的等式或不等式来表示。双圆弧齿轮优化的约束条件如下：总中心距保持不变式(3-4)式中C=1000mm即：G=2C—式(3-5)②螺旋β的范围式(3-6)③强度条件弯曲疲劳强度计算式(3-7)即：G=其中i=2，3。式中一计算齿根应力，N･；一许用弯曲应力，N･；一小齿轮转矩；一使用系数；一动载系数；一接触迹间载荷分配系数：一弯曲强度计算的接触迹内载荷分布系数，4～8级精度时为1；一接触迹系数；一弯曲强度计算的弹性系数；N･；一曲强度计算的齿数比系数；一齿形系数；一曲强度计算的螺旋角系数；一齿端系数；一试验齿轮的弯曲疲劳极限；一弯曲强度计算的寿命系数；一尺寸系数；一弯曲强度最小安全系数；齿面接触疲劳强度计算式(3-8)一接触应力一许用接触应力一接触强度计算的接触迹内载荷分布系数：7级精度时为1．49；一接触强度计算的弹性系数；一接触强度计算的寿命系数；一接触强度计算的齿数比系数；一弯曲强度计算、接触强度计算的螺旋角系数；一齿端系数；一试验齿轮的接触疲劳极限：、、一润滑剂系数、速度系数、接触弧长系数；一接触疲劳强度最小安全系数；一许用齿面接触应力；④重合度限制1≤≤4式(3-9)⑤保证良好润滑的条件设定：1.05式(3-10)即式中高速级与低速级的分度圆直径。⑥减速器总传动比式(3-11)即：⑦齿轮模数不小于动力传动的最小模数即：式(3-12)⑧齿数的限制，，，式(3-13)所以，优化的数学模型可以写为式(3-14)，i=2，···9式(3-15)可见，双圆弧齿轮优化设计是一个包含十个变量、八个不等式约束的非线性优化问题。3.4优化设计方法机械优化设计问题通常属于约束非线性规划问题。求解这类问题的方法称为约束优化方法直接法是直接从可行域内寻找最优解，最常用是复合形法。复合形法的基本原理是：在n维设计空间的约束可行域内，构成一个由K≥n+1个初始顶点构成的不规则多面体——复合形。在对复合形个顶点的目标函数逐一进行比较，不断去掉最坏点，产生新的复合形，经反复计算，使复合形逐渐向最优点收缩移动，直至满足收敛精度为止。间接法则是将约束优化的求解，先经过适当处理，转化成无约束问题，再通过解无约束问题求得原问题的最优解。罚函数是最常用的一种间接优化方法。罚函数法就是利用罚因子(或罚函数)将不等式的约束函数和等式的约束函数分别构成罚函项，加到目标函数上，构成一个新的无约束函数，称其为惩罚函数，然后求无约束最优解。这样就把目标函数的约束极小值转化为求无约束极小值问题。罚函数法是求解具有等式和不等式约束优化问题的间接方法，它的基本思想是根据约束的特性来构造惩罚函数，加入到目标函数中，把约束优化问题转化成无约束的优化问题来求解，通过对违背约束的点加以“惩罚”，迫使无约束的问题的解逐渐逼近到原目标函数的约束极小值点，按构造罚函数的方法不同，罚函数法分为内点法、外点法和混合法。3.4.1内点罚函数法内点法仅适用于求解具有不等式约束的优化问题，定义于可行域内的罚函数为式(3-16)式中为原约束优化问题的目标函数，为惩罚项是对违背约束，点施加的惩罚，为罚因子。①内点法的特点：内点法的设计点为内点，其中惩罚项恒大于当设计点企图从可行域内部靠近边晃时，施以惩罚，设计点越靠近边界，惩罚项的值急剧增加，好象在边界筑起一道“高墙”，保证设计点始终在可行域内，并当时，惩罚项趋近于零，罚函数的极值点逼近到原问题的最优解。内点法的设计点均为可行点，设计者可以从中选择一可行方案。惩罚因子是一递减的正数序列，即>>･･････>･･････>0 式(3-17)式(3-18)=C式(3-19)其中罚因子的缩减系数c<1，一般情况下可取初始罚因子=1，C=0.1~0.7.②内点法的算法步骤：给定可行初始点，初始罚因子，缩减系数C和计算精度，令K=l；从出发求罚函数的极小值点min得，令=判定收敛性，如果，则转（e）,否则转（d）由=C，K=K+1,转（b）输出，3.4.2外点罚函数法外点法可以求解含有等式和不等式约束的优化设计问题，定义外点罚函数为：式(3-20)其中F(x)为原目标函数，第二项为惩罚项，为不等式约束，为等式约束，为外点罚因子。外点法把罚函数定义于可行域之外，通过求解一系列无约束子问题，从可行域外来逼近原目标函数的约束最优解，当设计点为内点时，惩罚项为零，罚函数即为原目标函数，当设计点为外点时，惩罚项大于零，随着违背约束程度的增加，从而迫使设计点向可行域靠近。外点法对初始点的选择无要求。外点罚因子为一递增序列：<<･･････<･･････<0式(3-21)式(3-22)=C式(3-23)其中罚因子的缩减系数c>l，一般情况下可取c=0.1～0.7，随着违背约束程度的增加，罚因子也增加。对违背约束点的惩罚增加，迫使设计点移向可行域，但因外点法是从可行域之外逼近原目标函数的约束最优解，所以外点法只能得到原目标函数的一个近似最优解。=CK=K+1开始=CK=K+1开始输入K=1从出发求min得=输出结束图3.4内点法的计算框图=CK=K+1开始=CK=K+1开始输入K=1从出发求min得=输出结束图3.5外点法的计算框图3.4.3混合罚函数法混合罚函数法是吸收内点法设计点均为内点，而外点法可以处理等式约束的优点，把二者相结合构造出可以求解等式和不等式约束问题的优化方法，即对m个不等式约束用内点法，对P个等式约束采用外点法来构造混合罚函数如下：式(3-24)式中统一的罚因子为一递减序列>>･･････>･･････>0式(3-25)式(3-26)=C（C<1）式(3-27)混合法的初始罚因子可参考内点法选取，迭代的初始点应为可行点，计算过程可参考内点法。由于双圆弧齿轮优化问题是一个既有连续变量又有离散变量的约束非线性混合变量优化问题，应采用混合罚函数进行双圆弧齿轮减速器齿轮参数的优化设计。即首先视离散变量为连续变量，采用连续变量的优化方法求优，而后把求得的结果舍入到相近的可行离散点上，得到多个可行方案，并从中选优作为最终结果。3.5优化结果与应用3.5.1优化结果优化前主要参数见表3-2表3-2减速器优化前的主要参数Bβ低速级19111918525°50’31”高速21’27”目标函数：f(x)=0.2174优化设计后的主要参数见表3-3表3-