抽油桿柱設(shè)計

1、目錄前言11工程背景11.1抽油桿柱設(shè)計21.2抽油機為什么要加平衡裝置？22.設(shè)計要求和相關(guān)數(shù)據(jù)、圖像32.1運動參數(shù)設(shè)計要求和有關(guān)數(shù)據(jù)：32.2機構(gòu)選型設(shè)計3常見的抽油機的結(jié)構(gòu)如下圖所示：32.3尺度綜合及運動分析52.4理論數(shù)據(jù)62.5當(dāng)把驢頭放在右方113替代機構(gòu)173.1油缸機構(gòu)173.2凸輪機構(gòu)173.3齒輪機構(gòu)184實驗中碰到的主要難題204.1問題和矛盾：204.2解決問題的思路：204.3問題和矛盾：214.4解決問題的思路：215解決問題的思路235.1設(shè)計階段。235.2搭接階段25致 謝29前言從地層中開采石油的方法可分為兩大類：一類是利用地層本身的能量來舉升原油，稱為

2、自噴采油法；另一類是由于地層本身能量不足，必須人為地用機械設(shè)備給井內(nèi)液體補充能量，才能將原油舉升到地面，稱為人工舉升采油法或者機械采油法，目前有各種各樣的人工舉升采油法。1工程背景從地層中開采石油的方法可分為兩大類：一類是利用地層本身的能量來舉升原油，稱為自噴采油法；另一類是由于地層本身能量不足，必須人為地用機械設(shè)備給井內(nèi)液體補充能量，才能將原油舉升到地面，稱為人工舉升采油法或者機械采油法，目前有各種各樣的人工舉升采油法：利用抽油桿柱傳遞能量抽油桿柱旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單螺桿泵利用液體傳遞能量射流泵水力活塞泵渦輪泵利用電纜傳遞電能電動潛油離心泵電動潛油單螺桿泵抽油桿柱往復(fù)驅(qū)動柱塞式抽油泵圖1.1人工舉升采

3、油法凡是不利用抽油桿柱傳遞能量的抽油設(shè)備統(tǒng)稱為無桿抽油設(shè)備，凡是利用抽油桿柱上下往復(fù)運動進行驅(qū)動的抽油設(shè)備統(tǒng)稱為有桿抽油設(shè)備。利用抽油桿柱旋轉(zhuǎn)運動驅(qū)動的井下單螺桿抽油泵裝置雖然也有抽油桿，但是在習(xí)慣上不列入有桿抽油設(shè)備。有桿抽油方法是應(yīng)用最早也是最為廣泛的一種人工舉升采油法，早在石油工業(yè)問世時，就開始采用這一方法進行采油。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，有桿抽油設(shè)備也不斷完善。目前，在各種人工舉升采油方法中，有桿抽油仍居首要地位。有桿抽油設(shè)備有三部分組成：一是地面驅(qū)動設(shè)備即抽油機，目前應(yīng)用最廣泛的是游梁式抽油機；二是井下的抽油泵，它是掛在油管的下端；三是抽油桿柱，它把地面設(shè)備的運動和動力傳給井下抽油泵。1

4、.1抽油桿柱設(shè)計抽油桿柱設(shè)計經(jīng)歷了幾乎與石油工業(yè)同樣長的歷史，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，抽油桿柱設(shè)計方法與整個石油工業(yè)一起進入了新的發(fā)展時期，開始進入了較準(zhǔn)確、優(yōu)化設(shè)計階段。在有桿抽油系統(tǒng)中，抽油機通過抽油桿柱使井下抽油泵隨之往復(fù)運動。從功能的觀點理解，在抽吸系統(tǒng)中，抽油機是通過抽油桿柱將地面能量傳遞給井下抽油泵，使抽油泵進行工作。根據(jù)振動理論分析，可以認(rèn)為：地面交變的激振力通過抽油桿柱使井下抽油泵隨之產(chǎn)生周期振動響應(yīng)。在工作中，抽油桿柱受地面與井下的循環(huán)載荷作用。面前，在抽油桿柱設(shè)計的研究與應(yīng)用中，通常將抽油桿柱的工作狀態(tài)作為復(fù)雜的周期振動響應(yīng)分析。1.2抽油機為什么要加平衡裝置？抽油機的工作特點

5、是承受一個交變載荷。上升沖程時候，抽油機的驢頭承受作用在活塞截面的液注重量和抽油桿在液注中的重量和摩擦、慣性、振動等負(fù)荷：下降沖程時，抽油機的驢頭只承受抽油桿在液注中的重量。上下沖程的負(fù)荷差別非常大，抽油桿無法正常工作，電機也容易燒化。為消除上述弊病，必須采用平衡裝置將上下沖程的負(fù)荷差異將小，使設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。平衡塊裝在抽油機游梁尾部或者曲柄上，幫助克服驢頭上的負(fù)荷：在下沖程時，電機使平衡塊向上運動，儲存能量。在平衡塊的作用下，可以減小抽油機上下沖程的負(fù)荷差別。抽油機的平衡方式有四種：游梁平衡、曲柄平衡、復(fù)合平衡、氣動平衡。游梁平衡是指在游梁的尾部裝設(shè)一定重量的平衡塊達到平衡。這是一種簡單的平衡

6、方式，適用于3噸以下的輕型抽油機；曲柄平衡是將平衡塊加在曲柄上。適用于10噸以上重型抽油機，這種平衡方式減少了游梁平衡引起的抽油擺動，調(diào)整比較方便。但是，曲柄上有很大的負(fù)荷和離心力：復(fù)合平衡是指在一臺抽油機上同時使用游梁平衡和曲柄平衡，其特點是：小范圍內(nèi)調(diào)整時，可調(diào)整游離平衡塊，大范圍內(nèi)調(diào)整時，則調(diào)整曲柄平衡塊。這種平衡方式適用于中深井；氣動平衡是指利用氣體的可壓縮性來儲存和釋放能量的方法達到平衡的目的?？捎糜?0噸以上重型抽油機，這種平衡方式減少了抽油機的動負(fù)荷及震動，但其裝置精度要求較高，加工比較麻煩。由于平衡裝置的計算問題要涉及到機構(gòu)運動學(xué)和很多的工程實際情形，下面的計算過程省略了對平衡

7、裝置的討論2.設(shè)計要求和相關(guān)數(shù)據(jù)、圖像2.1運動參數(shù)設(shè)計要求和有關(guān)數(shù)據(jù)：我們設(shè)計的機構(gòu)的大小是真實機構(gòu)尺寸的1200，在實際場合中，該機構(gòu)的運動參數(shù)設(shè)計要求為：1 沖程（m）：2.5m2 懸置點最大負(fù)荷：60kn3 沖次（次分）：104 外形尺寸：5.5m（長）*4.5m（高）5 抽油機工作平穩(wěn)，速度絕對值應(yīng)小于2m/s。6 加速度絕對值應(yīng)小于3m/s2。2.2機構(gòu)選型設(shè)計常見的抽油機的結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2.1抽油機的結(jié)構(gòu)我們在設(shè)計過程中取的尺寸是真實尺寸的1200，將上圖的原動力裝置及減速裝置用一對相互嚙合的齒輪代替，其中小齒輪為運動件，大齒輪為從動件，通過這對齒輪裝置將電動機的高速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化

8、為大齒輪的低速轉(zhuǎn)動，具體的尺寸可以根據(jù)實際電機的轉(zhuǎn)速來確定，實驗過程中我們選用了齒數(shù)為20和60的一對齒輪，直徑分別為50mm和150mm，他們的傳動比為3：1。為了將大齒輪的運動傳給下一級，我們將一根長為60mm的桿件固定在大齒輪上，一端固定在大齒輪的圓心上，再在另一端上面接下一連桿，該桿尺寸為150mm。接下來主要是安裝上圖中的橫連桿了，首先要確定橫連桿的中間支點的坐標(biāo)，以大齒輪的圓心為坐標(biāo)原點，考慮到該支點過高將導(dǎo)致在運轉(zhuǎn)過程中橫連桿過多的上揚，導(dǎo)致機構(gòu)整體高度過高，給抽油工作帶來困難，支點過低可能給后面的抽油部分的布局帶來困難，因此選取支點的坐標(biāo)顯得十分重要，經(jīng)過幾次試安裝和比較，我們

9、選擇的支點坐標(biāo)為（160mm，240mm），橫連桿的長度為：左半部分長為220mm，右半部分長為245mm，由于沒有足夠長的連桿我們將兩根較長的連桿接成一體了，可是安裝好該橫連桿以后發(fā)現(xiàn)抽油部分的桿件不夠長，需要將橫連桿的輸出端的高度再降低，但這樣做以后整個機構(gòu)會顯得比較矮小，我們仿效上圖中右半部分的彎頭結(jié)構(gòu)，決定在搭接機構(gòu)橫連桿的左半部分豎直方向固結(jié)一根有類似作用的連桿，使它與橫連桿成約900夾角，該豎直桿的長度為78mm，可是由于安裝的螺釘比連桿孔徑要小一些，要將其固定安裝，則導(dǎo)致了它們的夾角不再是900了，經(jīng)測量大致為950。最后的任務(wù)就是安裝抽油部分裝置了，我們用滑塊的上下滑動代替了真

10、實機構(gòu)中的抽油運動，用一根長為150mm的連桿代替上圖中的鋼索，因此就必須為滑塊的運動在豎直方向安裝一條導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌的長度應(yīng)該大于滑塊的行程。由于該機構(gòu)對滑塊的移動速度和加速度要求比較嚴(yán)格，該抽油部分必須安裝在橫連桿右端的正下方，由此可以確定該導(dǎo)軌的水平方向坐標(biāo)了，我們在安裝的時候取的是x=400mm，這樣安裝工作基本結(jié)束，整個機構(gòu)的簡圖如下圖2.2所示：圖2.2機構(gòu)的簡圖2.3尺度綜合及運動分析 下面的兩個圖為抽油滑塊處于上下極限位置時的情況，由圖2.3上可以直接讀出滑塊的位移為122.44mm，極位夾角為60。圖2.3抽油滑塊處于上下極限位置時的情況因此可以計算出抽油機實體的行程為：急回特

11、性為：2.4理論數(shù)據(jù)因此該機構(gòu)的急回特性并不明顯，與設(shè)計要求的工作平穩(wěn)相符合，下面是用matlab程序計算出的抽油機實體的工作一周期內(nèi)行程、速度以及加速度隨時間的變化情況表（其中抽油機的工作周期為6s，即滿足條件：沖次（次分）10）：表2.1變化情況表時間（s）位移（m）速度（m/s）加速度（m2/s）0.06002.4800-1.2629-0.6214 0.1200 2.5546 -1.2238 -0.6795 0.1800 2.6268 -1.1816 -0.7242 0.2400 2.6964 -1.1371 -0.7569 0.3000 2.7632 -1.0910 -0.7792 0

12、.3600 2.8273 -1.0438 -0.8260 0.4200 2.8885 -0.9960 -0.8332 0.4800 2.9468 -0.9481 -0.8341 0.5400 3.0022 -0.9002 -0.8300 0.6000 3.0548 -0.8526 -0.8222 0.6600 3.1046 -0.8056 -0.8119 0.7200 3.1515 -0.7591 -0.8000 0.7800 3.1957 -0.7133 -0.7873 0.8400 3.2371 -0.6682 -0.7745 0.9000 3.2759 -0.6237 -0.7624 0

13、.9600 3.3120 -0.5797 -0.7514 1.0200 3.3454 -0.5362 -0.7421 1.0800 3.3763 -0.4930 -0.7347 1.1400 3.4046 -0.4501 -0.7296 1.2000 3.4303 -0.4073 -0.7271 1.2600 3.4535 -0.3644 -0.7274 1.3200 3.4741 -0.3213 -0.7309 1.3800 3.4920 -0.2777 -0.7375 1.4400 3.5074 -0.2335 -0.7475 1.5000 3.5200 -0.1885 -0.7609 1

14、.5600 3.5300 -0.1425 -0.7779 1.6200 3.5371 -0.0953 -0.7983 1.6800 3.5414 -0.0468 -0.8221 1.7400 3.5427 0.0034 -0.8490 1.8000 3.5409 0.0552 -0.8789 1.8600 3.5360 0.1088 -0.9113 1.9200 3.5278 0.1644 -0.9456 1.9800 3.5163 0.2220 -0.9811 2.0400 3.5012 0.2816 -1.0169 2.1000 3.4824 0.3432 -1.0518 2.1600 3

15、.4599 0.4066 -1.0847 2.2200 3.4336 0.4717 -1.1142 2.2800 3.4033 0.5381 -1.1388 2.3400 3.3690 0.6055 -1.1571 2.4000 3.3306 0.6735 -1.1675 2.4600 3.2882 0.7416 -1.1687 2.5200 3.2417 0.8092 -1.1598 2.5800 3.1911 0.8758 -1.1398 2.6400 3.1366 0.9405 -1.1083 2.7000 3.0783 1.0029 -1.0651 2.7600 3.0163 1.06

16、23 -1.0105 2.8200 2.9509 1.1181 -0.9451 2.8800 2.8822 1.1698 -0.8697 2.9400 2.8106 1.2167 -0.7852 3.0000 2.7363 1.2586 -0.6528 3.0600 2.6597 1.2950 -0.5584 3.1200 2.5810 1.3255 -0.4589 3.1800 2.5007 1.3500 -0.3555 3.2400 2.4192 1.3681 -0.2488 3.3000 2.3367 1.3798 -0.1397 3.3600 2.2537 1.3848 -0.0287

17、 3.4200 2.1706 1.3832 0.0835 3.4800 2.0879 1.3748 0.1964 3.5400 2.0058 1.3596 0.3096 3.6000 1.9249 1.3376 0.4225 3.6600 1.8454 1.3089 0.5347 3.7200 1.7679 1.2735 0.6459 3.7800 1.6927 1.2315 0.7555 3.8400 1.6203 1.1829 0.8633 3.9000 1.5509 1.1279 0.9687 3.9600 1.4851 1.0667 1.0714 4.0200 1.4230 0.999

18、4 1.1710 4.0800 1.3652 0.9262 1.2671 4.1400 1.3120 0.8474 1.3592 4.2000 1.2637 0.7632 1.4470 4.2600 1.2205 0.6739 1.5298 4.3200 1.1829 0.5798 1.6071 4.3800 1.1510 0.4812 1.6783 4.4400 1.1252 0.3785 1.7425 4.5000 1.1057 0.2722 1.7990 4.5600 1.0926 0.1628 1.8465 4.6200 1.0862 0.0508 1.8840 4.6800 1.08

19、66 -0.0630 1.9100 4.7400 1.0938 -0.1781 1.9231 4.8000 1.1079 -0.2935 1.9216 4.8600 1.1290 -0.4084 1.9041 4.9200 1.1569 -0.5217 1.8691 4.9800 1.1915 -0.6323 1.8154 5.0400 1.2327 -0.7391 1.7422 5.1000 1.2801 -0.8410 1.6492 5.1600 1.3335 -0.9367 1.5369 5.2200 1.3924 -1.0250 1.4062 5.2800 1.4563 -1.1051

20、 1.2591 5.3400 1.5248 -1.1759 1.0984 5.4000 1.5972 -1.2367 0.9273 5.4600 1.6730 -1.2870 0.7497 5.5200 1.7515 -1.3266 0.5697 5.5800 1.8320 -1.3554 0.3915 5.6400 1.9139 -1.3737 0.2189 5.7000 1.9966 -1.3819 0.0554 5.7600 2.0795 -1.3806 -0.0959 5.8200 2.1621 -1.3706 -0.2331 5.8800 2.2439 -1.3529 -0.3545

21、 5.9400 2.3243 -1.3284 -0.4597 6.0000 2.4032 -1.2981 -0.5484將上面的數(shù)據(jù)用更加直觀的圖形2.5可以表示如下：圖2.5 直觀圖由上面的數(shù)據(jù)和圖表可以看出：這與從圖上讀的數(shù)據(jù)相符合，同時也基本滿足抽油機的行程條件。速度和加速度的變化范圍也較小，設(shè)計要求抽油機工作平穩(wěn)，速度絕對值應(yīng)小于2m/s，加速度絕對值應(yīng)小于3m/s2，這在抽油機的設(shè)計要求范圍之內(nèi)，因此我們設(shè)計的抽油機的運動特性能很好的滿足設(shè)計要求。2.5當(dāng)把驢頭放在右方結(jié)構(gòu)改變?yōu)橥瑢嵨镆恢聲r，我們可以同樣計算出滑塊的位移、速度以及加速度的數(shù)據(jù)以及畫出他們隨時間變化的曲線，結(jié)果如下：圖

22、2.6抽油滑塊處于右方時的情況表2.2 變化表時間（s）位移（m）速度（m/s）加速度（m2/s）0.06002.6157-0.66520.0600 0.1200 2.6884 -0.7188 0.1200 0.1800 2.7585 -0.7590 0.1800 0.2400 2.8259 -0.7876 0.2400 0.3000 2.8904 -0.8374 0.3000 0.3600 2.9521 -0.8485 0.3600 0.4200 3.0108 -0.8521 0.4200 0.4800 3.0665 -0.8498 0.4800 0.5400 3.1194 -0.8430

23、0.5400 0.6000 3.1693 -0.8328 0.6000 0.6600 3.2163 -0.8204 0.6600 0.7200 3.2605 -0.8068 0.7200 0.7800 3.3018 -0.7926 0.7800 0.8400 3.3404 -0.7787 0.8400 0.9000 3.3763 -0.7656 0.9000 0.9600 3.4095 -0.7537 0.9600 1.0200 3.4401 -0.7436 1.0200 1.0800 3.4680 -0.7355 1.0800 1.1400 3.4934 -0.7298 1.1400 1.2

24、000 3.5161 -0.7266 1.2000 1.2600 3.5363 -0.7262 1.2600 1.3200 3.5539 -0.7287 1.3200 1.3800 3.5689 -0.7343 1.3800 1.4400 3.5813 -0.7429 1.4400 1.5000 3.5910 -0.7547 1.5000 1.5600 3.5980 -0.7696 1.5600 1.6200 3.6022 -0.7875 1.6200 1.6800 3.6036 -0.8084 1.6800 1.7400 3.6020 -0.8319 1.7400 1.8000 3.5975

25、 -0.8577 1.8000 1.8600 3.5899 -0.8854 1.8600 1.9200 3.5791 -0.9145 1.9200 1.9800 3.5651 -0.9442 1.9800 2.0400 3.5476 -0.9737 2.0400 2.1000 3.5267 -1.0020 2.1000 2.1600 3.5022 -1.0281 2.1600 2.2200 3.4741 -1.0508 2.2200 2.2800 3.4423 -1.0689 2.2800 2.3400 3.4066 -1.0812 2.3400 2.4000 3.3672 -1.0864 2

26、.4000 2.4600 3.3240 -1.0835 2.4600 2.5200 3.2770 -1.0716 2.5200 2.5800 3.2263 -1.0500 2.5800 2.6400 3.1720 -1.0184 2.6400 2.7000 3.1142 -0.9766 2.7000 2.7600 3.0529 -0.9247 2.7600 2.8200 2.9886 -0.8632 2.8200 2.8800 2.9212 -0.7927 2.8800 2.9400 2.8512 -0.6770 2.9400 3.0000 2.7787 -0.5944 3.0000 3.06

27、00 2.7041 -0.5059 3.0600 3.1200 2.6276 -0.4125 3.1200 3.1800 2.5497 -0.3149 3.1800 3.2400 2.4706 -0.2137 3.2400 3.3000 2.3908 -0.1098 3.3000 3.3600 2.3106 -0.0036 3.3600 3.4200 2.2304 0.1042 3.4200 3.4800 2.1505 0.2131 3.4800 3.5400 2.0714 0.3226 3.5400 3.6000 1.9935 0.4322 3.6000 3.6600 1.9171 0.54

28、14 3.6600 3.7200 1.8427 0.6499 3.7200 3.7800 1.7706 0.7571 3.7800 3.8400 1.7012 0.8626 3.8400 3.9000 1.6350 0.9661 3.9000 3.9600 1.5722 1.0671 3.9600 4.0200 1.5133 1.1651 4.0200 4.0800 1.4585 1.2598 4.0800 4.1400 1.4083 1.3507 4.1400 4.2000 1.3630 1.4373 4.2000 4.2600 1.3228 1.5190 4.2600 4.3200 1.2

29、881 1.5953 4.3200 4.3800 1.2591 1.6654 4.3800 4.4400 1.2361 1.7285 4.4400 4.5000 1.2194 1.7836 4.5000 4.5600 1.2090 1.8296 4.5600 4.6200 1.2053 1.8653 4.6200 4.6800 1.2082 1.8891 4.6800 4.7400 1.2180 1.8995 4.7400 4.8000 1.2346 1.8950 4.8000 4.8600 1.2580 1.8739 4.8600 4.9200 1.2881 1.8349 4.9200 4.

30、9800 1.3249 1.7768 4.9800 5.0400 1.3680 1.6989 5.0400 5.1000 1.4173 1.6010 5.1000 5.1600 1.4723 1.4837 5.1600 5.2200 1.5326 1.3483 5.2200 5.2800 1.5978 1.1970 5.2800 5.3400 1.6673 1.0325 5.3400 5.4000 1.7405 0.8585 5.4000 5.4600 1.8168 0.6789 5.4600 5.5200 1.8955 0.4979 5.5200 5.5800 1.9761 0.3197 5

31、.5800 5.6400 2.0578 0.1482 5.6400 5.7000 2.1400 -0.0131 5.7000 5.7600 2.2222 -0.1615 5.7600 5.8200 2.3038 -0.2950 5.8200 5.8800 2.3843 -0.4123 5.8800 5.9400 2.4634 -0.5129 5.9400 6.0000 2.5406 -0.5970 6.0000圖2.7直觀圖可以看出，以上兩種機構(gòu)得到的運動特性是非常接近的。3替代機構(gòu)3.1油缸機構(gòu)抽油機的主要運動是抽油桿的上下運動，只要保證了抽油桿的運動特性，抽油工作就能夠進行了，為此我們想采

32、用一個油缸中的油的體積和油壓大小變化來驅(qū)動抽油桿的上下運動，具體的實現(xiàn)方法如下圖所示： 圖3.1運動特性該方法比起傳統(tǒng)的抽油機更加小巧靈活，但是該方法要求油缸要有較高的耐壓性能，難點是如何防止油缸及其附帶的輸油管路不漏油，因此對機構(gòu)的性能要求較高，并且該輸油管路的設(shè)計路線也比較復(fù)雜，還需要配套的油泵來提供高壓油，且整個油壓提供裝置的布置也是一個問題，因此這對該機構(gòu)的實際應(yīng)用帶來了諸多困難，并沒有得到采用。3.2凸輪機構(gòu)圖3.2凸輪機構(gòu)優(yōu)點：可以更加精確控制運動特性，機構(gòu)本身簡單。缺點：凸輪過大，加工安裝困難，磨損嚴(yán)重。3.3齒輪機構(gòu)圖3.3齒輪機構(gòu)優(yōu)點：受力情況較好，原動件低，裝置布置比較簡單

33、，占用空間相對較小；缺點：比較復(fù)雜，空間布置其他設(shè)備比較麻煩。4實驗中碰到的主要難題實驗中碰到的主要難題不是如何設(shè)計整個機構(gòu)，而是搭接中碰到的實際操作問題。實驗室有不同的搭接實驗臺，但是2種不同的實驗臺的桿件規(guī)格不同，我們需要在設(shè)計的框架內(nèi)的調(diào)整搭接的方式，有時候為了一個墊片要反復(fù)試好幾次。主要的難點有2個：1 主橫梁端部小拐的實現(xiàn)。4.1問題和矛盾：根據(jù)傳動設(shè)計的要求，橫梁端部要一個較小接近直角拐彎連接曲柄，這樣整個橫梁的擺動才能不至于過于傾斜。但是我們面臨的主要問題是實驗室根本沒有的直角桿件，而且普通的桿件也并不算多。我們嘗試了很多辦法，試圖把一個比較短的桿垂直安裝在主橫梁的端部來實現(xiàn)直角

34、連接。如果僅靠一個連接孔要保證兩桿始終固連，實驗室條件下只能用擰緊螺栓加大摩擦實現(xiàn)，但是，這樣要保證受力較大時沒有相對運動非常困難，而且在轉(zhuǎn)動中螺栓可能松動，造成這個局部不穩(wěn)定。4.2解決問題的思路：兩點確定一條直線。想要保證端部直角連接桿的位置，可靠的方法是需要2個固定點，但是橫梁的端部只有一個連接孔，需要再“制造”一個連接孔。改造桿件是不可能的，于是我們想到在橫梁上方平行的增加一個固定桿，只要選擇合適的位置，就可以得到2個可用的固定連接孔，這樣拐角連接桿就可以固定了（如下圖中左邊紅圈示意）。為了使得附加固定桿更加牢固的和橫梁固結(jié)在一起，在附加固定桿的另一端附近我們加上了一對限制定位的擋片（

35、一側(cè)一個，螺栓連接），主要作用是防止附加固定桿在垂直于桿組平面方向躥動（如下圖右邊紅圈處示意）。此外連接部分的螺栓加力擰緊，防止其他可能的躥動。這樣，端部拐角連接桿就安裝好了。圖4.1實觀圖效果：實驗證明，這個局部的連接非常穩(wěn)定，運行中沒有出現(xiàn)任何松動、變形跡象。可見這個臨時拼湊的方法是令人滿意的。2 主橫梁的構(gòu)成4.3問題和矛盾：實驗室沒有我們搭接橫梁所需要的桿件，因為尺寸太長，只能選擇用2個桿件接起來構(gòu)成橫梁。本來這是一個很簡單的過程，但是搭接的時候沒有足夠的合適的螺栓來連接！兩桿之間可能會有夾角，而且我們發(fā)現(xiàn)如果兩桿之間的夾角從0度增大到一定程度，離兩桿連接處很近的頂部固定轉(zhuǎn)軸可能和桿件

36、發(fā)生運動干涉。4.4解決問題的思路：當(dāng)時沒有多余的其他桿件可以用來像上一個問題那樣進行固定。從原理上講，如果保持這個狀態(tài)不增加附加固定桿件，沒有合適的螺栓就沒有更好的解決辦法。因此我們解決這個問題的時候遵循下面的原則，首先保證沒有運動干涉，然后再保證兩桿連接盡可能平直。為此，我們擰連接螺栓時，是將兩桿對齊穿上螺栓然后向兩端拉到極限，向空隙里面放入較小的鍵塊，盡量使螺栓在孔內(nèi)不能做徑向移動，然后外面加彈簧墊片，分幾次加力擰緊。這樣就完成了兩桿的連接。圖4.2實觀圖效果：實驗中，連接位置沒有能保證絕對平直，但是2個桿之間沒有出現(xiàn)任何松動。實際上，只要保持兩桿固連，就可以達到實驗?zāi)康?，?dāng)然這會影響機

37、構(gòu)的運動特性。5解決問題的思路以下是我們對實驗中碰到各種問題并加以解決的一些經(jīng)驗的總結(jié)，應(yīng)該說，這些經(jīng)驗和方法是本次實驗我們最大的收獲?，F(xiàn)總結(jié)如下：5.1設(shè)計階段。一開始想到油田的采油機是由于該機構(gòu)有很顯著的工程背景和應(yīng)用價值、便于實現(xiàn)，而且該機構(gòu)是復(fù)合機構(gòu)。但是要模擬工程設(shè)計，設(shè)計不僅是只考慮工作件的位移或者軌跡。由于采油機構(gòu)很大，并且要求沖程較大、速度較慢而且穩(wěn)定、受力均勻，所以在設(shè)計的時候必須加以注意。我們參照實際油田采油機構(gòu)，縮小尺寸進行最初的設(shè)計。實際上，油田采油機的工作要求的運動是一個把電機輸入的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成活塞的往復(fù)運動。從設(shè)計的理念上看，轉(zhuǎn)動變移動最常采用的方法就是曲柄滑塊機

38、構(gòu)。但是油井是垂直于地面的，如果直接把曲柄滑塊機構(gòu)套用在采油機上，必然造成需要將電動機安裝在較高的位置不便于安裝和維修，而且這樣電動機離油井的距離受到很大限制，給其他裝置的安裝帶來困難，還可能存在安全隱患。即便是電動機低置，安裝皮帶輪傳動，也需要較長的傳動，而且皮帶輪的位置還是會較高，仍然有安裝和維護的問題。如果使用擺桿和滑塊相連的機構(gòu)，雖然布置方便，卻需要往復(fù)的動力輸入，顯然這個更加困難。為了解決這個問題，實際生產(chǎn)的過程中使用了四桿機構(gòu)和滑塊機構(gòu)的組合，四桿機構(gòu)的作用就是將曲柄連續(xù)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成擺桿的往復(fù)擺動，擺桿再連接滑塊桿組，這樣就實現(xiàn)了電動機低置、遠(yuǎn)置、機構(gòu)總體結(jié)構(gòu)簡單可靠的要求。這里體

39、現(xiàn)了用組合機構(gòu)的思想尋求要求的運動，這是用簡單的機械結(jié)構(gòu)完成復(fù)雜運動的關(guān)鍵步驟所在。桿組雖然簡單，但是其方法應(yīng)用意義重大，由此我們可以解決很多類似的問題，比如插齒機、切斷機、推送機等等。油田采油機上還有一個細(xì)微而重要的結(jié)構(gòu)，那就是橫梁端部的的拐角?？雌饋磉@個部分似乎只是為了橫梁的平衡，但是實際上這里對整個機構(gòu)的運動特性（主要是位移）影響是很大的，可以說，油田采油機和其他“四桿滑塊”機構(gòu)的區(qū)別就在這里。從下面的圖中可以看出，沒有拐角，由于曲柄的軌跡是圓周，橫梁向一側(cè)的傾斜比較多，即上下止點的位置比較偏上，這對于實際中安裝油泵（簡化機構(gòu)中用滑塊代表）不利，對泵的平穩(wěn)運行有影響，而且造成最大壓力角偏

40、大。而加上拐角之后，上下止點下移，油泵部分的構(gòu)件可以放低，整個運動比較平穩(wěn)，壓力角較小，這滿足了運行的要求。圖5.1 運行分析圖這里本質(zhì)上是將直的橫梁改成了有夾角的兩部份，兩種結(jié)構(gòu)從運動原理上是完全一樣的（見下圖），但是直接用桿件實現(xiàn)加工安裝困難，所以采用了“拐角”的方式。屬于對機構(gòu)的局部按照工程設(shè)計要求進行優(yōu)化，在原理不變的情況下，通過等效變化以尋求最優(yōu)的解決方案，這是機械設(shè)計中非常重要的內(nèi)容。圖5.2比較圖5.2搭接階段搭接階段的主要問題是設(shè)計和實現(xiàn)的矛盾。實驗室條件不可能做到盡善盡美，各種設(shè)計之外的問題，比如合適的固定件不夠、實驗臺本身限制等，因此設(shè)計和實際的有不同。這里主要總結(jié)的問題是關(guān)于我們改變拐角桿的位置的情況。按照通常的采油機設(shè)計，拐角小桿連接的是油泵，曲柄通過連桿連接主橫梁。我們在實驗中碰到了一些桿件安裝的問題，主要是固定件的變形造成正向安裝之后存在轉(zhuǎn)動不順暢、安裝和實驗架有位置沖突的現(xiàn)象；但是反向安