新型雙輪直平式抽油機設(shè)計石油工程畢業(yè)論文

1、新型雙輪直平式抽油機設(shè)計目 錄第1章 緒論.11.1目前機械采油現(xiàn)狀及存在問題.11.2抽油機的發(fā)展與節(jié)能.21.3在役游梁式抽油機優(yōu)化設(shè)計的研究.41.4本次設(shè)計意義.4第2章 新機型的方案設(shè)計.62.1傳動方案的設(shè)計.62.2基本參數(shù)的擬定.82.3主要結(jié)構(gòu)尺寸確定.16第3章 新機型的運動分析.173.1運動規(guī)律分析.173.2計算結(jié)果對比.193.3運動性能分析.19第4章 新機型的動力分析.214.1抽油機扭矩分析.214.2電動機選擇分析.244.3節(jié)電效果分析.26第5章 新機型的應用分析.275.1新機型抽油機的意義.275.2新機型抽油機的特點.28結(jié)論.31參考文獻.32致

2、謝.33第1章 緒 論1.1 目前機械采油現(xiàn)狀及存在問題抽油機是油田有桿抽油系統(tǒng)的地面驅(qū)動設(shè)備,它是有桿抽油系統(tǒng)的地面動力傳動設(shè)備，也是石油開采的主要設(shè)備,原油生產(chǎn)井使用抽油機將蘊藏在地下的石油通過抽油管抽出。據(jù)統(tǒng)計在油田生產(chǎn)成本中約有三分之一為電能消耗,而抽油機消耗的電能約占總電能消耗的80%,對抽油機的機械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)進行節(jié)能改造,可帶來相當可觀的經(jīng)濟效益。是構(gòu)成“三抽”系統(tǒng)的主要組成部分，抽油機的產(chǎn)生和使用已經(jīng)有了一百多年的歷史。發(fā)展到現(xiàn)在，抽油機的種類主要有游梁式抽油機和無游梁式抽油機兩大類。其中游梁式抽油機的應用最為廣泛，各個產(chǎn)油國仍然在大量使用。游梁式抽油機具有結(jié)構(gòu)簡單，制造

3、容易，可靠性高，操作維護方便，適應現(xiàn)場工況，使用壽命長并且一次性投資少等特點，在今后相當時間內(nèi)仍然是油田首選的采油設(shè)備。但是由于常規(guī)機本身結(jié)構(gòu)特征，決定了它平衡曲柄凈扭矩脈動大，存在負扭矩，載荷率低，工作效率低和能耗大等缺點。隨著很多油田逐漸進入開發(fā)的中后期，油井含水量不斷上升，使生產(chǎn)成本不斷增加，常規(guī)游梁抽油機已經(jīng)不能滿足需要，因此需要開發(fā)各種新型節(jié)能抽油機來滿足降低成本，節(jié)能降耗。近20年來，世界抽油機技術(shù)發(fā)展較快，科研人員研究開發(fā)了多種新型抽油機，特別無梁式抽油機的出現(xiàn)解決了很多常規(guī)機出現(xiàn)的弊端。這些新機型的特點是：增加了抽油機的適應性、可靠性、經(jīng)濟性和先進性；改善了抽油機的性能，提高了

4、抽油效率，減少了動力消耗；提高了抽油機的平衡效果，改善了抽油機的動力特性、運動特性、提高了抽油機的平衡效果，增加了抽油機的使用范圍，減少抽油機的體積和質(zhì)量，強化了抽油機的自動化和智能化程度。因此，研制開發(fā)新型節(jié)能抽油機是當前亟待解決的問題。目前，有桿泵抽油機是油田的主要采油設(shè)備，其不但使用數(shù)量大，用電量大，而且系統(tǒng)效率低，節(jié)電潛力巨大，雖然也有很多節(jié)能型抽油機用于油田，也確實起到了一定的節(jié)能效果，但由于多方面原因，大部分節(jié)能機不能很好的適應油田的生產(chǎn)，具體有以下5種原因：部分新型機的易損件不是通用件，壞了之后不便維修。部分新型機造價太高，油田投資巨大。目前各種新型抽油機，傳動元件的使用壽命尚不

5、理想。實踐證明，新型抽油機的可靠性是決定抽油機成敗的關(guān)鍵。油田工人一時很難熟悉一些新型機，日常維護困難。一些新型機雖然節(jié)能但維修費用高，入不敷出。大慶油田是全國最大的油田，目前油田常用的抽油機包括：常規(guī)游梁式抽油機、前置式抽油機、異相曲柄抽油機、偏置式抽油機、擺桿式抽油機、雙驢頭式抽油機、復合輪式抽油機、摩擦換向式抽油機、六連桿增程式抽油機、偏輪式抽油機、b游梁式抽油機等等。部分新型節(jié)能抽油機正在實驗當中，由于大部分新型抽油機各有優(yōu)缺點，所以還沒有大批量投入使用近年來，隨著大慶油田老區(qū)塊開發(fā)的不斷深入，油田含水率迅速上升，開發(fā)經(jīng)濟效益逐年下降，剩余未動用儲量絕大部分是有效厚度較小、儲量豐度較低

6、的難采儲量。目前，企業(yè)在資金緊張、降低基本建設(shè)投資和控制生產(chǎn)成本的情況下，對于老區(qū)塊應何時改變采油方式，才能延長油田的經(jīng)濟開采期；新區(qū)塊如何根據(jù)其地質(zhì)條件，選擇最佳的舉升方式，使油田獲得更大的經(jīng)濟效益，是企業(yè)面臨的新問題。因此，開展機械采油方式優(yōu)選評價研究很有必要。游梁式抽油機的有桿泵全系統(tǒng)的總效率在國內(nèi)一般地區(qū)平均只12%-23%，系統(tǒng)效率低，能耗大，耗電就多。此外，隨著老油田油井的注水開發(fā)，油田己進入高含水采油期。不斷提高產(chǎn)液量，以液保油，這是注水開采油田保證原油穩(wěn)產(chǎn)的必要趨勢。這種開采特點要求抽油機的沖程越長越好，使得在役的常規(guī)游梁式抽油機機型偏小，在一定程度上已經(jīng)不能滿足長沖程、低沖次

7、的要求。偏置式節(jié)能抽油機是國內(nèi)油田目前使用最多的節(jié)能型抽油機。自80年代中后期，在我國石油礦場上廣泛推廣應用了偏置式抽油機。該機保持了常規(guī)抽油機的基本結(jié)構(gòu)，與常規(guī)游梁式抽油機相比，該機的游梁后臂縮短，減速箱相對于支架位置后移。1.2抽油機的發(fā)展及節(jié)能抽油機的發(fā)展趨勢主要朝以下幾個方向：(1)大型化方向隨著世界油氣資源的不斷開發(fā)，開采油層深度逐年增加，石油含水量也不斷增大，采用大泵提液采油工藝和開采稠油等，都要求采用大型抽油機。所以，近年來國外出了許多大載荷抽油機，例如前置式氣平衡抽油機最大載荷213kn、氣囊平衡抽油機最大載荷227kn等，將來會有更大載荷抽油機出現(xiàn)。(2)低能耗方向 為了減少

8、能耗，提高經(jīng)濟效益，近年來研制與應用了許多節(jié)能型抽油機。如異相雙驢頭抽油機、擺桿抽油機、漸開線抽油機、摩擦換向抽油機、液壓抽油機及各種節(jié)能裝置和控制裝置。(3)朝著高適應性方向發(fā)展現(xiàn)在抽油機應具備較高的適應性，以便拓寬使用范圍。例如適應各種自然地理和地質(zhì)構(gòu)造條件抽油的需要；適應各種成份石油抽汲的需要；適應各種類型油井抽汲的需要；適應深井抽汲的需要；適應長沖程的需要；適應節(jié)電的需要；適應精確平衡的需要；適應無電源和間歇抽汲的需要。(4)朝著長沖程無游梁式抽油機方向發(fā)展近年來國內(nèi)、外研制與應用了多種類型的長沖程抽油機，其中包括增大沖程游梁式抽油機，增大沖程無游梁式抽油機和長沖程無游梁式抽油機。實踐

9、與理論表明，增大沖程無游梁式抽油機式增大沖程抽油機的發(fā)展方向，長沖程無游梁式抽油機是長沖程抽油機的發(fā)展方向。(5)朝著自動化和智能化方向發(fā)展近年來，抽油機技術(shù)發(fā)展的顯著標志是自動化和智能化。baker提升系統(tǒng)公司、delia0-x公司、aps公司等研制了自動化抽油機，具有保護和報警功能，實時測得油井運動參數(shù)及時顯示與記錄，并通過綜合計算分析，得出最優(yōu)工況參數(shù)，進一步指導抽油在最優(yōu)工況抽油。nsco公司職能抽油機采用微處理機和自適應電子控制器進行控制與監(jiān)測，具有抽油效率高、節(jié)電、功能多、安全可靠、經(jīng)濟性好、適應性強等?？偠灾?，抽油機將朝著節(jié)能降耗并具有自動化、智能化、長沖程、大載荷、精確平衡等

10、方向發(fā)展。抽油機節(jié)能技術(shù)目前主要從以下幾個方面進行研究：(1)改進抽油機結(jié)構(gòu)。這種方法主要是通過對抽油機四桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和改變抽油機平衡方式來改變抽油機曲柄凈扭矩曲線的形狀和大小，使扭矩波動平緩，從而減小抽油機的周期載荷系數(shù)，提高電動機的工作效率，達到節(jié)能的目的。(2)采用節(jié)能驅(qū)動設(shè)備。這種方法是從研究電機的特性入手，研究開發(fā)新型的電動機，使之與采油井井況相匹配，進而達到提高電動機的效率和功率因數(shù)的目的，即采用高轉(zhuǎn)率的電動機(轉(zhuǎn)差率8%13%)和朝高轉(zhuǎn)差率電動機代替常規(guī)轉(zhuǎn)差電動機(轉(zhuǎn)差率5%)。另外，還有采用節(jié)能配電箱來實現(xiàn)節(jié)電的。(3)采用節(jié)能控制裝置。如dcs系列抽油機多功能程控裝置、間

11、抽定時控制。(4)采用節(jié)能原部件。如窄v型帶傳動或同步帶傳動等。(5)改進平衡方式。如采用氣動平衡或天平平衡等。(6)改進“三抽”系統(tǒng)部件。有采用抽油桿導向器、空心抽油桿、減震式懸件，都可提高三抽系統(tǒng)的工作效率，達到節(jié)能的目的。(7)采用高效節(jié)能泵，提高泵效，降低百米噸耗，實現(xiàn)節(jié)能。總之，近年來抽油機節(jié)能技術(shù)的研究己經(jīng)成為科技攻關(guān)的方向。以上七種方法取得了顯著的節(jié)能效果。1.3在役游梁式抽油機優(yōu)化設(shè)計的研究游梁式抽油機是石油開采的主要設(shè)備,也是主要耗能設(shè)備,其驅(qū)動電機負載率通常都小于30%。這種情況的存在,使電能的利用率降低,增加了電能的損耗。目前,常規(guī)游梁式抽油機因其結(jié)構(gòu)簡單、操作維修方便、

12、使用壽命長等原因,仍為各大油田的主要采油設(shè)備,其數(shù)量約占抽油機總數(shù)的50%左右。但因其主體結(jié)構(gòu)為鉸鏈四連桿機構(gòu),其運動速度、加速度峰值、扭矩因數(shù)峰值、曲柄軸凈扭矩峰值都較大,扭矩曲線波動亦較大,存在負扭矩,因此能耗較大,對在役常規(guī)游梁式抽油機進行節(jié)能技術(shù)改造具有非常重要的意義。方便的前提下,建立了常規(guī)游梁式抽油機運動學、動力學分析的數(shù)學模型,分析得出常規(guī)游梁式抽油機四桿機構(gòu)中游梁后臂c、連桿p以及曲柄半徑r的減小都可以降低扭矩因數(shù)峰值,減小所需最大平衡扭矩,使減速箱曲柄軸凈扭矩曲線變得平緩,波動減小。因此,三種優(yōu)化方案,分別為優(yōu)化游梁后臂c;優(yōu)化游梁后臂c和連桿p;優(yōu)化游梁后臂c、連桿p和曲柄

13、半徑r。采用了遺傳算法分別對三種方案進行了優(yōu)化設(shè)計,由優(yōu)化結(jié)果分析可得,優(yōu)化后抽油機懸點速度、加速度、扭矩因數(shù)峰值都降低了,在原有最大平衡扭矩的作用下,平衡度都有明顯的提高,且極位夾角均增大了,工作制度變?yōu)榉菍ΨQ循環(huán),同時曲柄軸凈扭矩峰值都有明顯的減小。三種優(yōu)化方案中,通過對比分析得出,對游梁后臂c進行改造不僅可以節(jié)約改造成本,且改動件少,現(xiàn)場安裝方便,電機輸出功率可由原來的11.77kw減小到9.88kw,節(jié)電率為15.95%,達到節(jié)能降耗要求,為最佳改造方案。其二可以變頻調(diào)速和功率因數(shù)閉環(huán)控制：這種游梁式抽油機節(jié)能裝置的硬件部分以at89c51單片機為核心,包括主電路、控制電路、驅(qū)動電路、

14、保護電路、功率因數(shù)檢測電路和能量回饋電路等部分。主電路采用交-直-交電壓型結(jié)構(gòu);控制電路部分由脈寬調(diào)制芯片sa866ae產(chǎn)生spwm控制信號。at89c51單片機控制部分由顯示電路、鍵盤電路、復位電路、記憶電路、功率因數(shù)計算電路和頻率輸出電路等組成;驅(qū)動電路選用igbt專用驅(qū)動模塊exb841進行控制信號的放大;保護電路實現(xiàn)過流過壓保護、短路保護等功能。軟件部分包括sa866ae外接eeprom初始化參數(shù)的設(shè)計、單片機控制程序和電機軟啟動程序,軟件采用匯編語言編程。 論文最后對所設(shè)計的部分電路進行了實驗分析。勝利油田現(xiàn)場運行測試結(jié)果表明,該裝置可以使三相交流異步電動機功率因數(shù)大幅提高,綜合節(jié)電

15、率達到26.58%,節(jié)能效果明顯。1.4本次設(shè)計意義目前，我國開采石油耗電指標與國外先進水平相比，還有很大差距，我國抽油機的運行效率特別低，平均效率僅為25.96%，而國外平均水平為30.05%，年節(jié)能潛 力可達幾十億千瓦時,盡管研制和應用了一些節(jié)能抽油機，但是由于使用數(shù)量不多，其總耗電量還是很大的，近年來，我國研制的新型抽油機，幾乎都具有高效節(jié)能特點，目前，在用的抽油機系統(tǒng)效率一般在20%30%之間，因此，開展新型抽油機，替換常規(guī)機型是大勢所趨，隨著油田的不斷開發(fā)，地層能量逐漸消耗，為了保證原油的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，機械采油己經(jīng)成為廣泛采用的一種方法。我國有機采油井5萬多口，占油井總數(shù)的80%左右，

16、抽油機井的耗電量占總耗電量的四分之一，由于抽油機井的系統(tǒng)效率較低，大量的能量(70%以上)在傳遞過程中損失掉，如果將抽油機井的系統(tǒng)效率提高5%，年節(jié)電2010e8千瓦時，這不僅可節(jié)約大量資金，而且，還可以緩解油田電力緊張狀況。當今世界，資源日益匱乏，為了人類的繼續(xù)生存，“節(jié)約”成為永遠不變的一個主題，本設(shè)計既是針對“節(jié)能降耗”要求展開的。其理論意義在于找出機械采油中節(jié)能降耗的技術(shù)關(guān)鍵和理論依據(jù)，對現(xiàn)有抽油機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和創(chuàng)新，設(shè)計出雙輪直平式抽油機結(jié)構(gòu)，使其提高油田采油效率，降低能量損失，具有較高經(jīng)濟效益。雙輪直平式抽油機是油田采油機械中的新型設(shè)備，對它進行深入研究，必然使采油機械中又增添新品

17、種，因而具有較高的理論意義。如果推廣本成果，必將為油田生產(chǎn)提供新的動力，對穩(wěn)產(chǎn)增效，節(jié)能降耗，發(fā)展油田生產(chǎn)有很重要的應用價值。第2章 新機型的方案設(shè)計2.1傳動方案的設(shè)計2.1.1傳動機構(gòu)設(shè)計盡管抽油機的種類很多，但是在油田上被普遍采用的抽油機種類并不多。目最廣泛的是機械平衡式抽油機。它主要由游梁、驢頭、橫梁、連桿、曲柄、減速機構(gòu)、支架、底座，懸繩器、平衡重及原動機等組成。因此，根據(jù)油田上被普遍采用的常規(guī)式抽油機以及國內(nèi)、外現(xiàn)行的節(jié)能抽油機實現(xiàn)動作所依賴的機構(gòu)，將機構(gòu)方案定為四連桿。傳動方案如圖2-1所示。 圖2-1 雙輪直平式抽油機運動簡圖雙輪直平式抽油機區(qū)別于常規(guī)游梁式抽油機的地方如下：(

18、1)雙輪常規(guī)抽油機的驢頭用來將游梁前端的往復圓弧運動變?yōu)槌橛蜅U的垂直直線往復運動，我們將常規(guī)游梁式抽油機的游梁以及驢頭部分改成雙輪機構(gòu)，這樣就簡化了結(jié)構(gòu)，并且能夠滿足運動要求。為了滿足沖程的要求，我們可以讓輪旋轉(zhuǎn)較大角度，這樣，大轉(zhuǎn)角乘以小半徑仍然能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定的沖程。(2)平衡重由于常規(guī)游梁式抽油機上、下沖程的載荷很不均勻，上沖程時，驢頭需要提起抽油桿柱和油柱，而下沖程時，抽油桿依靠自重就可以下落，這樣使發(fā)動機做功極不均勻，為了使上、下沖程發(fā)動機做功均勻，采用了平衡重結(jié)構(gòu)。游梁式抽油機平衡重可分為游梁平衡重和曲柄平衡重。而雙輪直平式抽油機采用直接平衡，即平衡重直接連接在輪上，這樣就大副降低了懸

19、點負荷，改善了連桿、曲柄的受力狀態(tài)。(3)極位夾角抽油機在整個工作過程中所要承受的載荷相當大，并且還要保證抽油機的工作壽命，所以就要降低抽油桿的運動速度。因此，采用了極位夾角，即在整個周期中，上沖程時間較長，下沖程時間較短。(4)電動機電動機是抽油機的動力源。由于常規(guī)游梁式抽油機負扭矩大以及扭矩波動不平緩，而造成了電動機工作不平穩(wěn)、工作效率較低的現(xiàn)象。雙輪直平式抽油機采用在輪上直接平衡的方法，使電動機在整個抽油過程中所要克服的扭矩就大為減少，那么電動機的實際功耗和裝機功率均有大幅下降。(5)結(jié)構(gòu)尺寸在設(shè)計的過程中始終注意現(xiàn)行抽油機的結(jié)構(gòu)尺寸，讓雙輪直平式抽油機盡量比現(xiàn)行抽油機型結(jié)構(gòu)簡單，以便于

20、雙輪直平式抽油機的制造、加工和維護，這樣有利于該機型的市場經(jīng)濟效益。2.1.2傳動原理如圖2-l所示，1為電動機、2為v帶、3為減速器、4為曲柄、5為連桿、6為平衡重、7為雙輪、8為鋼絲繩。電動機通過三角皮帶傳動帶動減速箱，電動機的速度經(jīng)減速箱減速后，再通過曲柄、連桿、輪將減速箱輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)檩喌耐鶑托\動，輪的往復旋轉(zhuǎn)運動帶動抽油桿作上下往復直線運動。 圖2-2 傳動原理圖實際上雙輪直平式抽油機的傳動原理與常規(guī)機是一樣的，雙輪的后輪相當于常規(guī)機的游梁后臂，前輪相當于常規(guī)機的游梁前臂，抽油桿變成了彈性鋼繩。主要運動部件如圖2-2所示。圖中1是曲柄，2是連桿，3是后輪。2.1.2傳動特點(

21、1)該機采用雙輪結(jié)構(gòu)代替了常規(guī)游梁式抽油機的游梁，并且是雙跨式，這樣有利于修井作業(yè)，使之不必讓開井口。(2)該機采用無游梁直接驅(qū)動，縮短了傳動鏈，使傳動效率提高到90%。(3)平衡重直接連接在輪上，大副降低了懸點負荷，改善了連桿、曲柄的受力狀態(tài)，使連桿和曲柄不易發(fā)生斷裂，增加了使用壽命，提高了該機的安全可靠性。(4)增大了極位夾角，實現(xiàn)了“上慢下快”的運動方式，增加了泵的充滿度，提高了產(chǎn)液量。(5)由于采用了無游梁驅(qū)動，該機的整體結(jié)構(gòu)比常規(guī)游梁式抽油機更加簡單。2.2基本參數(shù)擬定抽油設(shè)備的功用就是從一定的井深處抽出一定的數(shù)量的原油，所以，井深和產(chǎn)量就標志著抽油設(shè)備的工作范圍。為了達到這兩個目標

22、，對抽油機的工作能力提出了四方面的要求，它們分別是懸點（掛抽油桿處）的最大懸點載荷、懸點最大沖程長度、懸點最大沖程次數(shù)和減速箱曲柄軸的最大允許扭矩。這就是抽油機的基本參數(shù)，下面分別來分析。2.2.1懸點最大載荷確定懸點載荷是表明抽油機工作能力的重要參數(shù)之一，也是抽油機設(shè)計技術(shù)和選擇使用的主要根據(jù)。目前，懸點的最大允許載荷從58kn到150280kn。根據(jù)懸點最大允許載荷的變化范圍，可把抽油機分為下列幾種：輕型抽油機：30kn中型抽油機：30kn100kn重型抽油機：100kn當抽油泵工作時，抽油機的懸點上作用有以下六項載荷：(1)抽油桿柱自重(它在油中的重量為)，作用方向向下；(2)油管內(nèi)、柱

23、塞上的油柱重 (即柱塞面積減去抽油桿面積上的油柱重)，作用向向下；(3)油管外油柱對柱塞下端的壓力，的大小取決于泵的沉沒度，作用方向向上；(4)抽油桿柱與油柱運動產(chǎn)生的慣性載荷和，它們的大小與懸點加速度的小成正比，而作用方向與加速度的方向相反；(5)抽油桿柱與油柱運動所產(chǎn)生的振動載荷，的大小和方向都是變化的；(6)柱塞與泵筒間、抽油桿和油管的半干摩擦力，抽油桿柱與油柱間、油柱與管間以及油流通過抽油泵游動閥的液體摩擦力，和的作用方向與抽油桿運動方向相反，其中游動閥的液體摩擦力只在泵下沖程、游動閥打開時產(chǎn)生，所以它的作用方向只向上。上述(1)、(2)、(3)三項載荷與抽油桿的運動無關(guān)，稱為靜載荷；

24、(4)、(5)兩項載荷與抽油桿的運動有關(guān)，稱為動載荷；(6)項載荷也與抽油桿的運動有關(guān)，但是在直井、油管蠟少和原油粘度不高的情況下，它們在總作用載荷中占的比重很小，約占2%5%，一般可以略去不計。下面分別討論以上幾種載荷：抽油機在空氣中的重量為： (2-1)油管內(nèi)、柱塞上的油柱重為： (2-2)抽油桿載油中的重量為： (2-3)油井中動液面以上斷面積等于柱塞面積的油柱的重量為： (2-4) 式中 抽油桿材料的密度，kg/；抽汲液體的密度， kg/；抽油材料的重度， n/； 抽汲液體的重度， n/； f 泵柱塞的面積， ； 抽油桿截面積， m； l抽油桿長度或下泵深度， m；下面分別對上沖程、下

25、沖程、上死點、下死點四種情況進行分析，見圖2-1所示。(1)上沖程當懸點從下死點向上移動時，如圖2-1a所示，游動閥在柱塞上部油柱的壓力下而關(guān)閉，而固定閥在柱塞下面泵筒內(nèi)、外壓差的作用下打開。由于游動閥關(guān)閉，使懸點承受抽油桿自重和柱塞上油柱重，這兩個載荷的作用方向都向下。同時，由于固定閥打開，使油管外-定沉沒度的油柱對柱塞下表面產(chǎn)生向上的壓力。因此，上沖程時懸點的靜載荷為： (2-5)(2)下沖程當懸點載荷由上死點向下移動時，如圖2-1b所示，游動閥在上、下壓力差作用下打開，而固定閥在泵筒內(nèi)、外壓力差作用下關(guān)閉。游動閥打開，使懸點只承受抽油桿柱在液體中的重量，固定閥關(guān)閉，使油柱重量轉(zhuǎn)移到固定閥

26、和油管上。因此，下沖程時懸點的靜載荷為： = (2-6)對抽油桿來說，上死點懸點載荷瞬時發(fā)生變化，由下沖程的變到上沖程，增加了其大小為，載荷增加使油桿伸長，伸長的大小為： (2-7)式中 e鋼材的彈性模數(shù)，2.1n/。 a上沖程 b下沖程 圖2-1懸點載荷作用 在伸長變形完成以后，載荷才全部加在抽油桿或懸點上。實際上，在抽油桿柱受載伸長的過程中，驢頭已經(jīng)開始上沖程。當懸點向上走了距離時，由于同時產(chǎn)生的油桿柱伸長的結(jié)果，使柱塞還停留在原來的位置，即柱塞相對泵筒沒有運動，因而不抽油。如圖2-2c所示。對油管柱來說，下沖程時，由于游動閥打開和固定閥關(guān)閉，整個油柱重量都由柱塞和抽油桿柱承擔，而油管柱上

27、就沒有這個載荷的作用了。因此，在抽油柱加載的同時油管柱卸載。卸載引起油管柱的縮短，直到縮短變形完畢以后，油管柱的載荷才全部卸掉。油管柱縮短的大小為： (2-8)式中 油管管壁的斷面積，；這樣一來，雖然懸點帶著柱塞向上移動，但是由于油管柱的縮短，使油管柱的下端也跟著柱塞向上移動，柱塞相對泵筒沒有運動，還不能抽油，如圖2-2d所示。一直到懸點經(jīng)過一段以后，柱塞才開始抽油。 上沖程 下沖程 a) b） c） d） e） 圖2-2 抽油桿柱和油管柱變形過程(3)上死點 經(jīng)分析表明：懸點從下死點到上死點雖然走了s，但由于抽油桿柱和油管柱的靜變形，使抽油泵柱塞的有效沖程長度比s?。?s- (2-9)而靜變

28、形為： = (2-10)式中 稱為變形分配系數(shù)，一般可取0.60.9。(4)上死點它和下死點情況恰恰相反。這時對抽油桿柱來說，靜載荷由上沖程的變到下沖程的，減小了油柱重，抽油桿因而縮短了。因此，當懸點向下走了時，由于抽油桿柱的縮短，柱塞在井下原地不動，它對泵筒不產(chǎn)生相對運動，因而不能排油。而對油管柱來說，因為加載而伸長了，油管(或泵筒)好象跟著柱塞往下走。所以，在懸點再走完入以前，柱塞和泵筒還不能產(chǎn)生相對運動，也不會排油。因此，在排油過程中，柱塞的有效沖程長度比懸點沖程長度s減小了一個同樣的靜變形值。上、下沖程中懸點載荷隨懸點位移的變化規(guī)律用圖2-3來表示，這種圖形稱為靜力示功圖。 圖2-3

29、靜力示功圖圖中ab斜線表示懸點上沖程開始時載荷由柱塞傳遞到懸點的過程。eb線相當于柱塞與泵筒沒有發(fā)生相對運動時懸點上行的距離，即eb=。當全部載荷都作用到懸點以后，靜載荷就不再變化而成水平線bc，到達上死點c為止。cd段表示抽油桿柱的卸載過程。卸載完畢后，懸點又以一個不變的靜載荷向下運動，成為水平線da而回到a。根據(jù)大慶地區(qū)的實際情況：泵掛1000m，沉沒度300m，泵徑70mm，抽油桿直徑25mm，沖程s=3m，沖次n=9次min，含水0.9； l=1000m所以：(1)上沖程：=(2)下沖程：(3)下死點：(4)上死點： =0.26m2.2.2懸點最大沖程長度懸點最大沖程長度主要決定了抽油

30、機的產(chǎn)量。在石油機械中，應用的懸點最大沖程長度從0.3到10米，而最為廣泛的是在6米以下。根據(jù)大慶地區(qū)現(xiàn)行抽油機的情況，本機型的最大沖程長度設(shè)計在3.00米。2.2.3懸點最大沖程次數(shù)懸點的最大沖程次數(shù)表明了抽油機的抽汲工況。最大沖程次數(shù)和懸點最大沖程長度一起確定了抽油機的最大產(chǎn)量（當泵徑一定時）。目前實際應用的最大沖次從2到20由于抽油桿的折斷次數(shù)與之成正比，因此限制了沖次的提高。根據(jù)大慶地區(qū)的現(xiàn)行抽油機的情況，本機型的最大沖程次數(shù)定為9。2.2.4減速箱曲柄軸的最大允許扭矩曲柄軸的最大允許扭矩與懸點載荷、懸點最大沖程長度以及懸點的最大沖程次數(shù)有著一定的關(guān)系。特別是和懸點最大沖程長度成正比。

31、懸點沖程長度越大，曲柄軸上的最大允許扭矩就越大。曲柄軸的最大允許扭矩也確定了減速箱的尺寸和重量。根據(jù)減速箱的最大允許扭矩,抽油機可分為：小扭矩： 10kn.m中等扭矩：10kn.m30kn.m大扭矩： 30kn.m60kn.m將扭矩與沖程次數(shù)相乘可得抽油機的功率。按照抽油機的功率可將抽油機分為：小功率： 5kw中等功率：5kw25kw大功率： 25kw100kw如圖2-4所示，常規(guī)游梁式抽油機由于采用的是曲柄處平衡，懸點的最大載荷主要取決于抽油桿柱和油柱的重量，其上沖程的最大懸點載荷可達60kn，因此可稱之為重型抽油機。而本機型采用了在輪處直接平衡，這樣在上下沖程的載荷都只相當20kn左右，也

32、就是只相當于常規(guī)式抽油機的最大懸點載荷的1 3.減速箱曲柄軸上的扭矩的計算公式, 由于平衡重在輪上，所以：上沖程時，根據(jù)平衡原理： 圖2-4 力平衡圖 下沖程時，此時比大，根據(jù)平衡原理：m=-式中 m所需扭矩；平衡重產(chǎn)生的扭矩；懸點載荷產(chǎn)生的扭矩。本機型所采用的在輪處直接平衡，在上下沖程的懸點載荷都被平衡重所平衡一部分或全部平衡，所達到的效果是只相當于常規(guī)式抽油機的最大懸點載荷的1/3,并且在整個工作過程中m的值波動較小。2.3主要結(jié)構(gòu)尺寸確定在設(shè)計這個抽油機的過程中，我們本著在原機的基礎(chǔ)上進行設(shè)計，盡可能的保證與原有結(jié)構(gòu)一樣，因此設(shè)計出的抽油機的零件與常規(guī)機的零件具有通用性，很多部分的結(jié)構(gòu)與

33、常規(guī)機結(jié)構(gòu)相似，這樣對于工人操作沒有更多或者更高要求。對于結(jié)構(gòu)尺寸的計算，為了準確，采用了計算機繪圖和計算編程來實現(xiàn)，只需賦值銷子所在半徑，曲柄長，以及極位夾角計算機會自動算出連桿的長度，然后結(jié)合autocad繪圖就能給出各個具體尺寸。如表2-1所示本機型的主要結(jié)構(gòu)尺寸。表2-1 抽油機的主要結(jié)構(gòu)尺寸垂直中心距（m）4.10水平中心距（m）2.70游梁前臂長（懸點半徑）（m）1.50游梁后臂長（銷子作用半徑）（m）1.70極位夾角（）13連桿長度（m）4.25中心連線長（m）4.9636輪轉(zhuǎn)角（）133曲柄回轉(zhuǎn)半徑（m）1.0沖程（m）3.0沖次（min）9第3章 新機型的運動分析3.1運動規(guī)

34、律分析在分析懸點運動規(guī)律時，目前一般采用兩種分析方法：一是簡化分析方法；二是精確分析方法。簡化分析方法可分為兩種：一種是簡化為簡諧運動；而是簡化為曲柄滑塊機構(gòu)。簡化分析方法的研究結(jié)果可用于一般計算和分析。但是做精確的分析計算和抽油機機構(gòu)設(shè)計時，則有必要按精確分析方法來研究抽油機的實際運動規(guī)律。在精確分析抽油機運動規(guī)律時，復變矢量法是一種比較簡單的方法。根據(jù)所設(shè)計的抽油機的結(jié)構(gòu)，我們對其進行了簡化。如圖4-1所示為雙輪直平式抽油機的運動分析簡圖。下面我們就對它進行具體的運動分析圖3-1 運動分析(1)曲柄轉(zhuǎn)角從12點鐘位置算起，角速度沿順時針方向時取為正值。(2)各桿件的參考角等角度均從基桿算起

35、，并且沿逆時針方向取為正值。圖中幾何關(guān)系為： (3-1) (3-2) l= (3-3) (3-4) (3-5) (3-6)圖3-1中各矢量有如下關(guān)系式： (3-7)上述矢量方程用復變矢量可表示為： (3-8)將上式兩邊對時間求導可得： (3-9)或： (3-10) 令方程兩邊實部和虛部對應相等，則可得如下方程組 (3-11) (3-12)將上述聯(lián)立方程兩邊對時間t求導，可求得速度，即： (3-13) (3-14)將上面兩式對時間t求導，可求得加速度，即： (3-15) (3-16)懸點速度及加速度可由下式算出： = (3-17)3.2計算結(jié)果對比經(jīng)過上面的分析，通過計算機計算得出結(jié)果，并與cy

36、j10-3-53hb常規(guī)游梁式抽油機的運動性能進行對比如下：表3-1 運動性能對比表cyj10-3-53hb雙輪直平式抽油機下降率最大加速度（m/）2.0241.65118.4%最小加速度( m/)-1.180-1.014-14.1%最大速度（m/s）1.5121.09327.71%最小速度（m/s）-1.396-1.78127.75%從上表可以看出：最大加速度下降了18.4%，最大速度下降了27.7%，改善了運動性能，加速度的降低減小了抽油桿柱和油柱慣性載荷對懸點載荷的影響，降低了懸點載荷，改變了受力狀態(tài)，使該機的可靠性能增大，同時懸點載荷降低可以使曲柄銷的受力變小，減小了曲柄軸上的扭矩。因

37、此，可以減小電動機的能耗，實現(xiàn)節(jié)能。3.3運動性能對比在實際井況參數(shù)下，雙輪直平式抽油機與常規(guī)游梁式抽油機cyj10-3-53hb的運動曲線對比如圖3-2、圖3-3所示，井況參數(shù)見表3-2 表3-2 井況參數(shù)沖程(m)沖次(次)泵掛(m)沉沒度(mm)泵徑(mm)桿徑(mm)管徑(mm)39960.882.3562263.5常規(guī)游梁式抽油機cyj10-3-53hb： 位移： 3.000m 速度： =1.521 =-1.396 加速度： =2.024 =-1.180 圖3-2 cyj10-3-53hb型游梁式抽油機運動曲線雙輪直平式抽油機： 位移： =3.000m速度： =1.093 =-1.7

38、81加速度：=1.651 =-1.014 圖3-3 雙輪直平式抽油機運動曲線 第4章 新機型的動力分析4.1抽油機扭矩分析為了使懸點一定的載荷p和一定的抽汲方式（s和n）工作，減速箱曲柄軸就需要給出一定的扭矩，因此減速箱曲柄軸扭矩是游梁式抽油機的基本參數(shù)之一。實踐證明，減速箱曲柄軸扭矩的大小和懸點載荷，各桿件長度的比值和抽油機的平衡情況有密切關(guān)系。它的合理確定對減速箱的設(shè)計、電動機功率的選擇和抽油設(shè)備正常工作條件的保證有重要意義，下面首先研究一下減速箱曲柄軸扭矩的大小和變化規(guī)律，然后根據(jù)扭矩來確定抽油機所需要配備的電動機的額定功率。減速箱曲柄軸上靜扭矩的計算公式： (4-1)式中 懸點載荷扭矩

39、，=； 平衡重等效的扭矩在常規(guī)式抽油機中： (4-2)由于常規(guī)式抽油機的平衡中是放在曲柄上進行平衡載荷，因此： (4-3)在本機型中與常規(guī)抽油機是一樣的，差別是在平衡重的等效扭矩上，由于本機型的平衡重是在輪上，在整個過程中沒有變化。因此平衡重的等效扭矩可直接計算：=gr (4-4)平衡重的確定：在上沖程的時候，連桿帶動輪旋轉(zhuǎn)，即把懸點向上提升，這個時候，平衡重能夠平衡一部分的懸點載荷，在下沖程的時候，相當于懸點拖動平衡重向下運動，這個時候平衡重的重量大于懸點載荷，連桿是推動輪向下運動，這個時候連桿的力相當于是在推動平衡重的一部分在向下運動，為了在整個過程中使扭矩的波動較小，使發(fā)動機在上沖程和下

40、沖程所做的功盡量相等。 圖4-1抽油機的靜力示功圖利用圖4-1的抽油機靜力示功圖進行計算： (4-5)由于在前面的計算： =33133.8n =25090n =1.5m r=1.7可得： =68.52kn.mg=40.305kn=4.11t（平衡重的質(zhì)量）通過采用計算機編程計算，輸入已知常數(shù)和任意轉(zhuǎn)角，計算機會自動為你計算出該角的扭矩因數(shù)以及轉(zhuǎn)角時的扭矩值，根據(jù)所計算的扭矩值，畫出該機的扭矩曲線圖，如圖4-2所示，對比于常規(guī)游梁式抽油機扭矩曲線，如圖4-3所示。雙輪直平式抽油機：曲柄轉(zhuǎn)矩m( kn.m) 最大扭矩：18.3 kn.m 最小扭矩：0 kn.m 圖4-2 雙輪直平式抽油機扭矩曲線常

41、規(guī)游梁式抽油機cyj10-3-53hb：曲柄轉(zhuǎn)矩m( kn.m)平衡扭矩： 63.00 kn.m曲柄最大扭矩： 76.179 kn.m 曲柄最小扭矩：-37.516 kn.m最大扭矩： 29.51 kn.m 最小扭矩：-12.52 kn.m 圖4-3 常規(guī)游梁式抽油機cyj10-3-53hb扭矩曲線4.2電動機選擇分析抽油機工作時，由懸點載荷及平衡重在曲柄軸（減速箱輸出軸）上造成的扭矩與電動機輸出給曲柄的扭矩平衡。因此，通過懸點載荷及平衡來計算曲柄軸扭矩，不僅可以檢查減速箱是否在超負荷條件下工作，而且可以用來檢查和計算電動機功率及功率利用情況。一定型號的抽油機所配備的減速箱都有允許的最大扭矩。

42、在一定的情況下，它既限制著油井生產(chǎn)所采用的最大抽油參數(shù)（s、n、d及l(fā)）,同時又限制著為了保證大參數(shù)生產(chǎn)所需要的電動機功率。在生產(chǎn)中既不能只看選點最大載荷，而任意采用大參數(shù)生產(chǎn) ，也不能單純根據(jù)大參數(shù)抽汲的需要，而隨意使用大功率電動機。例如，對于5型抽油機，一般選用的電動機功率最大不要超過2022kw.。如果選用2730的電動機，則會出現(xiàn)兩種情況：一是電動機過大，而功率利用不充分（電動機效率和功率因數(shù)都低）；或者電動機在滿載條件下工作，但抽油機必然在超載荷或超扭矩的條件下工作。雖然國外有些油田用天然氣發(fā)動機做抽油機動力，但大多數(shù)抽油機則以電動機作為動力。因此，在抽油機井較多的油田上，用于抽油的

43、電能消耗量很大。抽油裝置電動機的選擇，一方面關(guān)系到電能的利用效率，另一方面將關(guān)系到能否充分發(fā)揮抽油設(shè)備和油層生產(chǎn)能力的問題。因此，電動機的選擇是一件很重要的事情，它與扭矩、載荷等密切相關(guān)?，F(xiàn)在電動機的選擇是根據(jù)輸出扭矩、額定功率來選擇的。抽油機的電動機選擇一般是通過均方根扭矩來計算的。電動機的功率與傳遞到減速箱從動軸（曲柄軸）上的扭矩關(guān)系為： (4-6) (4-7)式中 傳至曲柄軸上的扭矩， n.m；n電動機額定功率， kw；n曲柄周轉(zhuǎn)數(shù)（懸點沖次數(shù)），；傳動效率皮帶傳動效率減速箱傳動效率由上式就可以得到根據(jù)曲柄軸上的扭矩確定所需要的電動機額定功率的計算公式為： (4-8)由上式可以看出：電動

44、機工作時，實際在曲柄軸上所產(chǎn)生的扭矩和沖數(shù)決定所需要的電動機功率。但是曲柄軸扭矩整個工作過程中是變化的，而只在上、下沖程的某一瞬時達到最大值。在變負荷條件下，電動機的選擇就不能根據(jù)瞬時扭矩來計算，否則電動機在大部分時間不能滿載工作，起效率和功率因數(shù)都不高，電動機利用率不充分。在變載荷條件下，電動機的選擇一般方法是根據(jù)負載電流或扭矩的變化規(guī)律，按均方根求出等值電流或等值扭矩來計算。則： (4-9)式中 電動機額定功率， kw； n沖數(shù)， ；傳動效率曲柄軸上的均方根扭矩，nm；所謂均方根扭矩，就是用一個不變化的固定扭矩代替變化的實際扭矩，使其電動機的發(fā)熱條件相同，則此固定扭矩即為實際變化扭矩的等值扭矩。它可以計算得到的扭矩曲線或測得的瞬時扭矩來計算： (4-10)式中 m曲柄軸瞬時扭矩（隨曲柄轉(zhuǎn)角而變），n.m；曲柄轉(zhuǎn)角計算時取的間隙越小，則計算越準確。的計算時，計算機充分顯示了它的優(yōu)越性，你可以盡量的取小，這樣算出來的值就越準確。經(jīng)過計算機的計算，得到：=13.1kw 在計算扭矩的時候我發(fā)現(xiàn)本機型的扭矩在整個過程中的最大