抽油機(jī)大體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、 第一章 緒論1.1 選題的目的和意義隨著油田的開(kāi)發(fā)，我國(guó)大多數(shù)油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)的后期，逐漸喪失自噴能力，需要從自噴轉(zhuǎn)向機(jī)采，而目前，我國(guó)開(kāi)采石油耗電指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還有很大差距，我國(guó)抽油機(jī)的運(yùn)行效率特別低，平均效率僅為25.96%，而國(guó)外平均水平為 30.05%，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億千瓦時(shí),盡管研制和應(yīng)用了一些節(jié)能抽油機(jī)，但是由于使用數(shù)量不多，其總耗電量還是很大的，近年來(lái)，我國(guó)研制的新型抽油機(jī)，幾乎都具有高效節(jié)能特點(diǎn)，目前，在用的抽油機(jī)系統(tǒng)效率一般在 20%30%之間，因此，開(kāi)展新型抽油機(jī)，替換常規(guī)機(jī)型是大勢(shì)所趨，隨著油田的不斷開(kāi)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(jī)械采油

2、己經(jīng)成為廣泛采用的一種方法。我國(guó)有機(jī)采油井 5 萬(wàn)多口，占油井總數(shù)的80%左右，抽油機(jī)井的耗電量占總耗電量的四分之一， 由于抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率較低，大量的能量(70%以上)在傳遞過(guò)程中 損失掉，如果將抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率提高 5%，年節(jié)電 20×10e8 千瓦時(shí)，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(dāng)今世界，資源日益匱乏，“節(jié)能減排”已成為已成為一個(gè)不可忽視的方面，也是為了人類的繼續(xù)生存而思考的，“節(jié)能減排”將成為永遠(yuǎn)不變的一個(gè)主題。而我國(guó)廣泛使用的游梁式抽油機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便和可靠耐用，但機(jī)械效率和采油綜合效率低、平衡度差、耗電量過(guò)高、機(jī)體過(guò)重和沖程的長(zhǎng)度

3、受到限制等不易克服的缺點(diǎn)。1.2 鏈條式抽油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀抽油機(jī)的產(chǎn)生和使用已有一百多年的歷史。應(yīng)用最多，使用最廣的屬游梁式抽油機(jī)。目前在世界產(chǎn)油國(guó)仍在大量使用。美國(guó)擁有40萬(wàn)臺(tái)，我國(guó)擁有近三萬(wàn)臺(tái)，一百多年來(lái)，游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的變化。我國(guó)抽油機(jī)制造業(yè)已有50年的歷史，經(jīng)過(guò)進(jìn)口修配、仿制試制、設(shè)計(jì)研制三個(gè)階段。近幾年我國(guó)的鏈條式抽油機(jī)發(fā)展比較快，但游梁式抽油機(jī)還占有主要地位，根據(jù)國(guó)情，我國(guó)現(xiàn)在應(yīng)該改造優(yōu)良式抽油機(jī)，研發(fā)新型節(jié)能抽油機(jī)。抽油機(jī)的發(fā)展及節(jié)能抽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要朝以下幾個(gè)方向：(1) 低能耗方向?yàn)榱藴p少能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，近年來(lái)研制與應(yīng)用了許多節(jié)能型抽油機(jī)。如 異相雙驢

4、頭抽油機(jī)、擺桿抽油機(jī)、漸開(kāi)線抽油機(jī)、摩擦換向抽油機(jī)、液壓抽油機(jī) 及各種節(jié)能裝置和控制裝置。(2)大型化方向 隨著世界油氣資源的不斷開(kāi)發(fā)，開(kāi)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(kāi)采稠油等，都要求采用大型抽油機(jī)。所以，近年來(lái)國(guó)外出了許多大載荷抽油機(jī)，例如前置式氣平衡抽油機(jī)最大載荷 213KN、氣 囊平衡抽油機(jī)最大載荷 227KN 等，將來(lái)會(huì)有更大載荷抽油機(jī)出現(xiàn)。 (3)朝著高適應(yīng)性方向發(fā)展 現(xiàn)在抽油機(jī)應(yīng)具備較高的適應(yīng)性，以便拓寬使用范圍。例如適應(yīng)各種自然地 理和地質(zhì)構(gòu)造條件抽油的需要；適應(yīng)各種成份石油抽汲的需要；適應(yīng)各種類型油井抽汲的需要；適應(yīng)深井抽汲的需要；適應(yīng)長(zhǎng)沖

5、程的需要；適應(yīng)節(jié)電的需要；適 應(yīng)精確平衡的需要；適應(yīng)無(wú)電源和間歇抽汲的需要。 (4)朝著長(zhǎng)沖程無(wú)游梁式抽油機(jī)方向發(fā)展 近年來(lái)國(guó)內(nèi)、外研制與應(yīng)用了多種類型的長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，其中包括增大沖程 游梁式抽油機(jī)，增大沖程無(wú)游梁式抽油機(jī)和長(zhǎng)沖程無(wú)游梁式抽油機(jī)。實(shí)踐與理論 表明，增大沖程無(wú)游梁式抽油機(jī)式增大沖程抽油機(jī)的發(fā)展方向，長(zhǎng)沖程無(wú)游梁式 抽油機(jī)是長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的發(fā)展方向。 (5)朝著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展 近年來(lái)，抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的顯著標(biāo)志是自動(dòng)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(dòng)化抽油機(jī)，具有保護(hù)和報(bào)警功能， 實(shí)時(shí)測(cè)得油井運(yùn)動(dòng)參數(shù)及時(shí)顯示與記錄，并通過(guò)綜

6、合計(jì)算分析，得出最優(yōu)工況參 數(shù)，進(jìn)一步指導(dǎo)抽油在最優(yōu)工況抽油。NSCO 公司職能抽油機(jī)采用微處理機(jī)和自 適應(yīng)電子控制器進(jìn)行控制與監(jiān)測(cè)，具有抽油效率高、節(jié)電、功能多、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。總而言之，抽油機(jī)將朝著節(jié)能降耗并具有自動(dòng)化、智能化、長(zhǎng)沖程、大載荷、 精確平衡等方向發(fā)展。 抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)目前主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：(1)改進(jìn)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)。這種方法主要是通過(guò)對(duì)抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改 變抽油機(jī)平衡方式來(lái)改變抽油機(jī)曲柄凈扭矩曲線的形狀和大小， 使扭矩波動(dòng)平緩， 從而減小抽油機(jī)的周期載荷系數(shù)，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的。 (2)采用節(jié)能驅(qū)動(dòng)設(shè)備。這種方法是從研究電機(jī)

7、的特性入手，研究開(kāi)發(fā)新型的 電動(dòng)機(jī)，使之與采油井井況相匹配，進(jìn)而達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)的目 的，即采用高轉(zhuǎn)率的電動(dòng)機(jī)(轉(zhuǎn)差率 8%13%)和朝高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)代替常規(guī)轉(zhuǎn)差 電動(dòng)機(jī)(轉(zhuǎn)差率5%)。另外，還有采用節(jié)能配電箱來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)電的。 (3)采用節(jié)能控制裝置。如 DCS 系列抽油機(jī)多功能程控裝置、間抽定時(shí)控制。 (4)采用節(jié)能原部件。如窄 V 型帶傳動(dòng)或同步帶傳動(dòng)等。 (5)改進(jìn)平衡方式。如采用氣動(dòng)平衡或天平平衡等。 (6)改進(jìn)“三抽”系統(tǒng)部件。有采用抽油桿導(dǎo)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(dá)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(shí)現(xiàn)節(jié)能

8、 46 。 總之，近年來(lái)抽油機(jī)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。抽油機(jī)有很多類型，優(yōu)缺點(diǎn)也不盡相同：（1）卷筒式抽油機(jī)：高效節(jié)能、提高產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、跳參方便、經(jīng)久耐。（2）游梁式抽油機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 操作方便 和可靠耐用 ， 但機(jī)械效率和采油綜合效率低、平衡度差、耗電量過(guò)高、機(jī)體過(guò)重和沖程的長(zhǎng)度受到限制等不易克服的缺點(diǎn)。（3）塔架式抽油機(jī)（包括摩擦式抽油機(jī)）：高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 但負(fù)荷較大時(shí)滑轉(zhuǎn)、自卸載和測(cè)示功圖困難等缺點(diǎn)，另外抽油機(jī)不易抽稠油。（4）鏈條式抽油機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、耗能少、沖次低、沖程長(zhǎng)、懸點(diǎn)加速度變化小，慣性載荷小，運(yùn)行平穩(wěn)，減速器額

9、定扭矩小和易于安裝等特點(diǎn) 但由于換向和平后機(jī)構(gòu)不合理等原因，現(xiàn)場(chǎng)使用中經(jīng)常出現(xiàn)故障，需要經(jīng)常停機(jī)維修，不僅增加了修理費(fèi)用，而且嚴(yán)重影響了原有的正常生產(chǎn)。根據(jù)當(dāng)前石油工業(yè)發(fā)展的需要，以及近年來(lái)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)沖程抽油機(jī)發(fā)展的狀況，再次強(qiáng)調(diào)了發(fā)展長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的現(xiàn)實(shí)意義。發(fā)展長(zhǎng)沖程抽油機(jī)不僅有利于減緩老油田高含水開(kāi)采后期原油產(chǎn)量遞減速度，而且有利于開(kāi)發(fā)稠油、低滲透等油田的“難動(dòng)用儲(chǔ)量”，還有利于對(duì)沙漠油田深井及超深井的開(kāi)采。但是，對(duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行增大沖程的工藝設(shè)計(jì)時(shí)存在著造價(jià)高昂、外形尺寸大、使用中功率消耗大等一系列的缺點(diǎn)。按照工藝的要求，國(guó)內(nèi)外都在研制長(zhǎng)沖程、低沖次、大載荷、高效節(jié)能的抽油機(jī)。這其中，鏈條

10、式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗少，質(zhì)量輕，沖程長(zhǎng)，沖次低，懸點(diǎn)加速度變化小，慣性載荷小，運(yùn)行平穩(wěn)，等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到了普遍發(fā)展。1.3 本課題的內(nèi)容本設(shè)計(jì)利用動(dòng)鏈輪使行程加倍的原理，改進(jìn)鏈條式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)，同時(shí)使用復(fù)合天輪再次使沖程增加。從而達(dá)到整機(jī)結(jié)構(gòu)合理、懸點(diǎn)載荷大、沖刺少、沖程長(zhǎng)、懸點(diǎn)加速度變化小，慣性載荷小，運(yùn)行平穩(wěn)，減速器額定扭矩小和易于安裝。這種抽油機(jī)還具有以下特點(diǎn)：（1）換向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)換向，滑塊向下運(yùn)動(dòng)為抽油機(jī)的上行程，滑塊的向上運(yùn)動(dòng)為抽油機(jī)的下行程；（2）長(zhǎng)沖程 、低沖次。沖程是曲柄長(zhǎng)度的四倍；（3）節(jié)能。采用滑塊和曲柄平衡的方式，能達(dá)到最佳的平衡效果。抽油

11、機(jī)的工作指標(biāo)包括懸點(diǎn)載荷、沖程、沖次、減速器扭矩、單井機(jī)口產(chǎn)量等技術(shù)參數(shù)。隨著油田的不斷開(kāi)發(fā)，油井含水不斷增大，泵掛深度不斷不增加，動(dòng)液面不斷下降，勢(shì)必引起懸點(diǎn)負(fù)荷增大，同時(shí)引起減速器扭矩的增大，泵徑、沖程沖次也要根據(jù)工況的變化而經(jīng)常調(diào)節(jié)。抽油機(jī)常年的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，工況復(fù)雜多變，再加上無(wú)人護(hù)理監(jiān)管不便，因此要求其工作必須可靠。對(duì)于油礦設(shè)備來(lái)說(shuō)，可靠性是非常重要的技術(shù)指標(biāo)，抽油機(jī)發(fā)生故障將會(huì)造成停產(chǎn)待修、油井破壞等重大事故和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。加上游梁式抽油機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)有很多不利因素，針對(duì)上述實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)鏈條式抽油機(jī)改進(jìn)方案是符合實(shí)際需求的。 第二章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 方案確定本設(shè)計(jì)利用天輪直徑不

12、同使行程加倍的原理，改進(jìn)鏈條式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到整機(jī)結(jié)構(gòu)合理、懸點(diǎn)載荷大、沖刺少、沖程長(zhǎng)、懸點(diǎn)加速度變化小，慣性載荷小，運(yùn)行平穩(wěn)，減速器額定扭矩小和易于安裝，同時(shí)使用復(fù)動(dòng)增距動(dòng)滑輪隨之往復(fù)運(yùn)動(dòng)，利用動(dòng)滑輪的倍增原理和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)動(dòng)增距。動(dòng)力消耗低于游梁式抽油機(jī)，且維護(hù)方便。加上游梁式抽油機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)有很多不利因素，因此，本次設(shè)計(jì)鏈條式抽油機(jī)改進(jìn)方案是符合實(shí)際需求的。2.2 結(jié)構(gòu)和工作原理2.2.1 結(jié)構(gòu)草圖圖2-1 總裝草圖總裝配草圖中，各部件的名稱1電動(dòng)機(jī) 2底座 3帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 4減速器 5曲柄 6連桿 7小車 8鏈輪 9鏈條 10天輪 11定位輪 12鋼絲繩 13抽油桿14桁架2

13、.2.2 工作原理如上圖所示，當(dāng)抽油桿13在最低位置時(shí)，曲柄5轉(zhuǎn)到最高點(diǎn)，與此同時(shí)，小車7跟動(dòng)鏈輪8也到達(dá)了最高位置，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)處在上支點(diǎn)換向位置。此時(shí)，各部件存儲(chǔ)的勢(shì)能最大，開(kāi)啟電機(jī)1后，動(dòng)力經(jīng)帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3、減速器4帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)和和動(dòng)鏈輪下行，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能做功，鏈條帶動(dòng)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)抽油桿上行。當(dāng)抽油桿13運(yùn)行到最低位置時(shí)，曲柄5轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)，與此同時(shí)，小車7跟動(dòng)鏈輪8也到達(dá)了最低位置，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)處在下支點(diǎn)換向位置。此時(shí)，各部件存儲(chǔ)的勢(shì)能最小，在電動(dòng)機(jī)1的帶動(dòng)下，動(dòng)力經(jīng)帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3、減速器4帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)和和動(dòng)鏈輪下行，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能做功，鏈條帶動(dòng)鋼絲繩

14、運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)抽油桿下行，完成一個(gè)抽油工作循環(huán)。2.2.3 各構(gòu)件的具體特點(diǎn)和作用（1）電動(dòng)機(jī)采用Y全封閉自扇冷式籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，具有防止灰塵、鐵屑、或沙土等其他雜物入侵電機(jī)內(nèi)部等一系列特點(diǎn)，增加抽油機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力，滿足西部地區(qū)環(huán)境的要求。（2）減速器選用的起重機(jī)式減速器，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求的減速比大，故選用的結(jié)構(gòu)形式為三級(jí)，在設(shè)計(jì)中選用的名義中心距450mm，公稱傳動(dòng)比是80，安裝形式為水平放置于底座上，也就是W型。（3）帶傳動(dòng)組件帶傳動(dòng)是一種撓性傳動(dòng)。基本組成零件為帶輪（包括主動(dòng)輪和從動(dòng)輪）和傳動(dòng)帶，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉和緩沖吸震等特點(diǎn)。正好適合抽油機(jī)的工作環(huán)境，并且選用V型帶，

15、增大接觸面積，有效防滑。受力比較大，因此帶輪應(yīng)該設(shè)計(jì)為多槽的型式。（4）小車及其附件首先，小車的設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此最好讓小車在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，所以，設(shè)計(jì)中會(huì)在小車上放置八個(gè)輪子，輪子與小車體用的軸銷連接的型式，輪子要直線運(yùn)動(dòng)，才能滿足小車往復(fù)運(yùn)動(dòng)的要求。因此在桁架上放置四個(gè)導(dǎo)軌，用于放小車輪，從而實(shí)現(xiàn)小車的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。（5）鏈輪及鏈輪軸鏈傳動(dòng)是一種撓性傳動(dòng)，它由鏈條跟鏈輪組成。通過(guò)鏈條鏈結(jié)跟鏈輪的嚙合傳動(dòng)來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。與摩擦型帶傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)無(wú)彈性滑動(dòng)和整體打滑現(xiàn)象，又因鏈條不需向帶傳動(dòng)那樣張的很緊，所以作用于軸上的徑向壓力比較小，同時(shí)鏈傳動(dòng)能耐高溫和潮濕的工作環(huán)境，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，滿足

16、我國(guó)大部分地區(qū)環(huán)境的要求，符合我國(guó)未來(lái)的發(fā)展需求。（6）鏈輪軸鏈輪軸與鏈輪的鏈接是用的鍵鏈結(jié)，與小車的鏈接使用的軸承鏈接，軸承根據(jù)需要選擇深溝球軸承，因?yàn)榘惭b時(shí)兩端放置軸承，故軸上需加上割槽，兩端要加倒角，與軸承的連接時(shí)過(guò)盈配合。（7）曲柄連桿機(jī)構(gòu)曲柄一端與減速器的輸出軸連接，另一段與連桿連接，連桿一段與小車連接，另一段與曲柄連接。因?yàn)榍獙?shí)現(xiàn)整周轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)中曲柄與連桿位置放置是側(cè)邊放置的。為了實(shí)現(xiàn)快進(jìn)慢回，曲柄回轉(zhuǎn)中心要設(shè)置一定偏矩，更加適合抽油機(jī)的現(xiàn)實(shí)要求。（8）天輪機(jī)構(gòu)天輪設(shè)計(jì)為兩個(gè)輪的型式，從而實(shí)現(xiàn)沖程的加倍效果，為了更加堅(jiān)固，天輪與天輪軸是整體鑄造在一起的。天輪兩端放置軸承，軸承放置在桁架頂端的軸承架上。因?yàn)樘燧喪氰T造出來(lái)的，因此邊緣應(yīng)該是有倒圓的。由于軸的兩端放置軸承，因此在軸上要設(shè)計(jì)一定寬的槽。（9）定位輪機(jī)構(gòu)定位論槽放置鋼絲繩，定位輪與定位輪軸也是是整體鑄造在一起的。定位輪兩端放置軸承，軸承放置在桁架頂端的軸承架上。因?yàn)槎ㄎ惠喪氰T造出來(lái)的，因此邊緣應(yīng)該是有倒圓的。由于軸的兩端放置軸承，因此在軸上要設(shè)計(jì)一定寬的槽。（10）桁架為了減輕重量，并且保證桁架的強(qiáng)度，選用角鋼作為主體支撐。為了加