常規(guī)式游梁抽油機(jī)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGE1常規(guī)式游梁抽油機(jī)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)所屬學(xué)院機(jī)械電氣化工程學(xué)院專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)指導(dǎo)教師XXX日期2012.05XXX大學(xué)教務(wù)處制

前言目前，采油方式有自噴采油法和機(jī)械采油法。在機(jī)械采油法中，有桿抽油系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外油田最主要的，也是至今一直在機(jī)械采油方式中占絕對(duì)主導(dǎo)地位的人工舉升方式。有桿抽油系統(tǒng)主要由抽油機(jī)、抽油桿、抽油泵等三部分組成，抽油機(jī)是有桿抽油系統(tǒng)最主要的升舉設(shè)備。根據(jù)是否具有游梁，抽油機(jī)可以劃分為游梁式抽油機(jī)和無(wú)游梁式抽油機(jī)。而常規(guī)游梁抽油機(jī)自誕生以來(lái)，歷經(jīng)百年使用，經(jīng)歷了各種工況和各種地域油田生產(chǎn)的考驗(yàn)，經(jīng)久不衰。目前仍在國(guó)內(nèi)外普通使用。常規(guī)游梁式抽油機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)費(fèi)用低等明顯優(yōu)勢(shì)，而區(qū)別于其他眾多拍油機(jī)類型，一直占據(jù)著有桿系采油地面設(shè)備的主導(dǎo)地位。由于這里不能上傳完整的畢業(yè)設(shè)計(jì)（完整的應(yīng)包括畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、相關(guān)圖紙CAD/PROE、中英文文獻(xiàn)及翻譯等），此文檔也稍微刪除了一部分內(nèi)容（目錄及某些關(guān)鍵內(nèi)容）如需要其他資料的朋友，請(qǐng)加叩扣:二二壹五八玖一壹五一游梁式抽油機(jī)的主體結(jié)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)驢頭和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)相對(duì)于支架的位置，游梁式抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)形式可以劃分為常規(guī)型和前置式兩種；根據(jù)平衡方式的不同，游梁式抽油機(jī)可以劃分為曲柄平衡、游梁平衡和復(fù)合平衡。常規(guī)型游梁式抽油機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、三角皮帶、曲柄、連桿、橫梁、游梁、驢頭、懸繩器、支架、撬座、制動(dòng)系統(tǒng)及平衡重等組成。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在撬座上，其安裝位置有兩種，一種是將發(fā)動(dòng)機(jī)置于整體尾部，另一種是將發(fā)動(dòng)機(jī)放在支架下面。減速箱為二級(jí)齒輪傳動(dòng)減速箱，傳動(dòng)比為30左右．齒輪型式一般小功率用斜齒，大功率用人字齒。近年來(lái)推廣使用點(diǎn)嚙合雙圓弧人字齒。曲柄一端與減速器輸出軸固結(jié)，另一端與連桿鉸接．連桿與橫梁常見(jiàn)有兩種型式：小型抽油機(jī)多為組焊結(jié)構(gòu)，靠改變后臂長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)沖程．大型抽油機(jī)多為整體機(jī)構(gòu)，靠改變曲柄與連桿鉸接位置來(lái)調(diào)爺沖程。游梁由型鋼組焊而成，也有用大型工字鋼整體制造。驢頭由鋼板組焊而成，有上翻式、側(cè)轉(zhuǎn)式、拆繼式幾種形式。平衡重為金屬塊。小型抽油機(jī)多裝于游梁尾部，大型抽油機(jī)多裝于曲柄兩翼．平衡重可根據(jù)需要而調(diào)整。本設(shè)計(jì)將對(duì)常規(guī)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，以達(dá)到對(duì)常規(guī)游梁式抽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。 （5）（6）懸點(diǎn)下死點(diǎn)時(shí)曲柄初始角：（7）各桿長(zhǎng)之間相對(duì)時(shí)間限制：，，，，若，可取，若。2.2桿長(zhǎng)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算由于最大沖程，所以各個(gè)桿長(zhǎng)之間存在以下關(guān)系：

由于本設(shè)計(jì)的最大沖程，所以，在此取并且取，則其他桿長(zhǎng)為：此外，式中：R——曲柄半徑，m；——游梁后臂長(zhǎng)度，m;——游梁前臂長(zhǎng)度，m;——連桿長(zhǎng)度，m；J——基桿長(zhǎng)度（從曲柄旋轉(zhuǎn)中心到游梁支點(diǎn)的距離）m；2.3平衡方式的確定目前，國(guó)內(nèi)外采用的機(jī)械平衡方式主要有：曲柄平衡、游梁平衡和復(fù)合平衡。由于本抽油機(jī)是短沖程、變沖次的工況要求，所以采用曲柄平衡。而曲柄平衡較游梁平衡來(lái)說(shuō)，調(diào)整更加方便。2.4安裝尺寸與機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)（1）游梁支撐到底座的高度3~6m（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程速度比系數(shù)1.2（3）減速器輸出軸中心到底座的高度0.6m（4）曲柄半徑：0.5~1.2m2.5常規(guī)游梁式抽油機(jī)零部件關(guān)系常規(guī)游梁式抽油機(jī)零部件關(guān)系框圖如圖2-2：圖2-2常規(guī)游梁式抽油機(jī)零部件關(guān)系框圖3游梁抽油機(jī)基本參數(shù)的確定3.1游梁抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析將四桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)時(shí)，作懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算。其簡(jiǎn)化圖如下當(dāng)時(shí)，游梁與連桿的連接點(diǎn)處于上死點(diǎn)，相對(duì)應(yīng)的懸點(diǎn)C處于下死點(diǎn)；當(dāng)時(shí)，B處于上死點(diǎn),相對(duì)應(yīng)的懸點(diǎn)C處于上死點(diǎn) 圖3-1懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)化圖B點(diǎn)的沖程長(zhǎng)度取B點(diǎn)的位移零點(diǎn)，向下為位移的正方向，則任意曲柄轉(zhuǎn)角時(shí)B點(diǎn)的位移為：由三角形OAD可得：則（3-1）而所以，（3-2a）按二項(xiàng)式定理展開(kāi)B點(diǎn)位移(3-2b)(3-3)(3-4)(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)為了確定懸點(diǎn)最大加速度，可對(duì)對(duì)求導(dǎo)，并令其等于零，求得取得極值時(shí)的角及對(duì)應(yīng)的及加速度值當(dāng)，上面方程二無(wú)解，在此情況下，按方程一可得加速度極值在處，即上，下死點(diǎn)處。(3-9a)(3-9b)(3-10a)(3-10b)當(dāng)懸點(diǎn)在也取得極值，對(duì)此不再討論。3.2游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算（一）懸點(diǎn)靜載荷的計(jì)算在此，對(duì)上死點(diǎn)、下死點(diǎn)、上沖程和下沖程四種情況進(jìn)行計(jì)算。（1）上沖程在此過(guò)程中，游動(dòng)閥在柱塞上部油柱壓力的作用下關(guān)閉，而固定閥在柱塞下面泵筒內(nèi)、外壓力差作用下打開(kāi)。由于游動(dòng)閥關(guān)閉，使得懸點(diǎn)承受抽油桿自重和柱塞上油柱重，這兩個(gè)載荷方向都是向下。同時(shí)，因?yàn)楣潭ㄩy打開(kāi)，使得油管外一定沉沒(méi)度的油柱對(duì)柱塞下表面產(chǎn)生方向向上的壓力。所以，此過(guò)程中，懸點(diǎn)靜載荷等于：（3-11）式中——抽油桿材料的密度，kg/m;——原油的密度,kg/m;A——抽油桿橫截面面積,m;A——泵柱塞橫截面面積,m;L——抽油桿長(zhǎng)度或下泵深度,m;h——泵的沉沒(méi)度,m;——油井中動(dòng)液面以上（即L-L段液柱），斷面積等于柱塞面積的油柱重，N.（2）下沖程游動(dòng)閥由于柱塞上下壓力差而打開(kāi)，而固定閥在泵筒內(nèi)外壓力差作用下關(guān)閉。游動(dòng)閥打開(kāi)，使懸點(diǎn)只承受抽油桿柱在有中重力。固定閥關(guān)閉，使得油柱重力移到固定閥和油管上。此時(shí)，其靜載荷為（3-12）（3）下死點(diǎn)這時(shí)，油桿和連桿的載荷都發(fā)生了變化。油桿在這一瞬間，其載荷發(fā)生了變化，變化量，載荷增減，使得抽油桿拉長(zhǎng)，其伸長(zhǎng)量等于：式中E——鋼材的彈性模量，油管在這一瞬時(shí)載荷也發(fā)生了變化，使得油管縮短，其油管柱縮短量等于：——油管管壁的橫截面積這樣一來(lái)，雖然懸點(diǎn)帶著柱塞一起往上移動(dòng)，但是由于油管柱的縮短，使油管柱的下端也跟著柱塞往上移動(dòng)，柱塞對(duì)泵筒還是沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即還不能抽油，一直到懸點(diǎn)經(jīng)過(guò)一段距離等于以后，柱塞才開(kāi)始抽油。經(jīng)過(guò)上述分析，懸點(diǎn)從下死點(diǎn)到上死點(diǎn)雖然走過(guò)了沖程長(zhǎng)度S，但是因抽油桿柱和油管柱的靜力變形結(jié)果，使得抽油泵柱塞的有效沖程長(zhǎng)度要比S小，所以（3-13）靜變形的大小等于：（3-14）式中稱為變形分配系數(shù)，一般可取0.6~0.9。（4）上死點(diǎn)上死點(diǎn)的情況恰與下死點(diǎn)相反。在此不做深入計(jì)算。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，在上、下沖程內(nèi)，懸點(diǎn)靜載荷隨著懸點(diǎn)位移的變化規(guī)律是一個(gè)平行四邊形ABCD。圖3-2靜力示功圖（二）懸點(diǎn)動(dòng)載荷的大小和變化規(guī)律在井較深，抽油機(jī)沖數(shù)較大的情況下，必須考慮動(dòng)載荷的影響，動(dòng)載荷是由慣性載荷和振動(dòng)載荷兩部分組成的。（1）慣性載荷慣性載荷包括抽油桿和油柱兩部分，即F和F，如果略去抽油桿柱和油柱的彈性影響，可以認(rèn)為，抽油桿柱以及油柱各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和懸點(diǎn)完全一致，所以F和F的大小和懸點(diǎn)加速度a大小成正比，而作用方向和后者相反。F=（3-15）F=——考慮油管過(guò)流斷面擴(kuò)大引起油柱加速度降低的系數(shù)（1）慣性載荷對(duì)懸點(diǎn)總載荷的影響上沖程時(shí)，柱塞（或抽油桿）帶著油桿運(yùn)動(dòng)，所以上沖程的慣性載荷F為：F=F（3-16）式中m——表示油柱慣性載荷與抽油桿柱慣載荷的比值，利用式（3-15）可得m=(三)懸點(diǎn)的最大載荷和最小載荷懸點(diǎn)的最大載荷F和最小載荷F，特別是最大載荷F，特別是最大載荷F是正確設(shè)計(jì)和選擇抽油機(jī)和抽油桿以及確定電動(dòng)機(jī)功率的主要依據(jù)之一。（3-17）（3-18）3.3游梁式抽油機(jī)減速箱曲柄軸扭矩計(jì)算對(duì)計(jì)算時(shí)采用的符號(hào)作如下解釋F——懸點(diǎn)載荷，N;——曲柄平衡塊重力，N；——曲柄平衡塊到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離，m；——曲柄自重，N；——曲柄重心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離，m;——連桿所受的拉力，N；T——連桿力在曲柄切像上的分力，沿曲柄旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)檎担琺;M——減速箱曲柄軸輸出扭矩，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎担琋.m.為了便于分析，將曲柄平衡塊重力及曲柄自重折算至曲柄銷處，這種折算要保證折算前后對(duì)曲柄旋轉(zhuǎn)中心的力矩不變，折算后的等效載荷用來(lái)表示。首先取游梁為研究對(duì)象，將諸力對(duì)游梁旋轉(zhuǎn)中心取力矩可得連桿力為：（3-20）則連桿力在曲柄切向上的分力T為；（3-21）取曲柄為研究對(duì)象，為提升油井內(nèi)的抽油桿柱和油柱，減速箱曲柄軸輸出扭矩M,曲柄平衡塊重力與曲柄自重的等效載荷所產(chǎn)生的扭矩共同克服切向力T所產(chǎn)生的扭矩，由曲柄平衡條件；Rsin(2M=（3-22）=上式（3-22）中的第一項(xiàng)表示是懸點(diǎn)載荷F在曲柄上所產(chǎn)生的扭矩，稱為油井負(fù)荷扭矩；（3-23）式（3-23）中的只取決于抽油機(jī)的幾何尺寸和曲柄轉(zhuǎn)角，其意義為單位懸點(diǎn)載荷在曲柄上所產(chǎn)生的扭矩，將其稱之為扭矩因數(shù)，用表示；（3-24）式（3-22）中的為曲柄自重及曲柄平衡重在曲柄軸上所產(chǎn)生的扭矩，稱之為曲柄平衡扭轉(zhuǎn)，用表示；（3-25）式中——曲柄最大平衡處扭矩，即曲柄處于水平位置（）時(shí)曲柄自重及曲柄平衡重對(duì)曲柄軸所產(chǎn)生的扭矩。B為抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)不平衡重，其值等于連桿與曲柄銷脫開(kāi)時(shí)，為了保持游梁處于水平位置而需要加在光桿上的力。此力向下時(shí)B取正值，向上時(shí)取負(fù)值。B值可以實(shí)測(cè)，也可以根據(jù)抽油機(jī)部件的重力計(jì)算。對(duì)曲柄平衡抽油機(jī)可得如下公式；（3-26）扭矩因數(shù)；最大扭矩我們可以用勒瑪柴諾夫經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算（3-27）式中S——懸點(diǎn)的沖程長(zhǎng)度，m；——曲柄的最大扭矩，N.m；——懸點(diǎn)的最大載荷，N；——懸點(diǎn)的最小載荷，N；3.4游梁抽油機(jī)的抽汲工況表3-1沖程長(zhǎng)度和沖數(shù)的極值抽汲工況沖程長(zhǎng)度沖程次數(shù)最大值最小值最大值最小值正常1.22.4515長(zhǎng)沖程2.76.0515短沖程0.31.2515高沖次0.92.41525底沖次0.31.525目前，國(guó)內(nèi)外游梁式抽油機(jī)的抽汲工況主要分為五種：正常的、長(zhǎng)沖程、短沖程、高沖數(shù)的、低沖數(shù)的，五種工況的沖程長(zhǎng)度和沖數(shù)的極值見(jiàn)表3-1。在我國(guó)油田上絕大多數(shù)都采用正常的抽汲工況，但在我國(guó)東部主要油田都處于油田開(kāi)發(fā)中后期，油田含水量上升，因此目前長(zhǎng)沖程抽汲工況增加，所以目前國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)采用的正常抽汲工況和短沖程抽汲工況還能夠滿足不同抽油井的實(shí)際要求。綜上所述，我們?cè)诖舜卧O(shè)計(jì)中還是以正常的為依據(jù)。3.5游梁式抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)選擇計(jì)算游梁式抽油機(jī)裝置的特點(diǎn)（1）負(fù)荷是脈動(dòng)的，而且變化大；（2）啟動(dòng)困難，要求有大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；（3）所用的電動(dòng)機(jī)功率不太大，一般不超過(guò)40kW，小的只有幾千瓦，但總的數(shù)量大；（4）在露天工作，要求電動(dòng)機(jī)維護(hù)簡(jiǎn)單、工作可靠。結(jié)合工作特點(diǎn)及工況，在此選擇Y系列的三相異步封閉式鼠籠型電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)額定功率的確定：電動(dòng)機(jī)功率與傳遞到減速箱從動(dòng)軸（曲柄軸）上扭矩關(guān)系式為：（3-28）式中M——傳到曲柄軸上的扭矩，N*m;——電動(dòng)機(jī)的額定功率，kW;n——曲柄軸轉(zhuǎn)數(shù)（懸點(diǎn)沖數(shù)）;——傳動(dòng)效率；——皮帶傳動(dòng)效率；——減速箱傳動(dòng)效率。表3-2一般抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)選用表抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷KN抽油機(jī)光桿最大沖程m減速器額定扭轉(zhuǎn)矩KN.m電動(dòng)機(jī)額定功率KW200.62.84301.2-2.16.5-135.5-7.5501.5-39-187.5-15601.8-313-1815-18.5802.52618.5-221002.1-318-3718.5-301103-4.237-5322-371203-4.848-5322-451303-553-7330-451403.6-5.47337-751604.8-6105901804.8-610690以上則電動(dòng)機(jī)額定功率計(jì)算公式為：然而，一般抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)按表3-2選用：根據(jù)表3-2，將電動(dòng)機(jī)的額定功率范圍確定在=5.5~7.5kW。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的確定：一般抽油機(jī)選用的減速箱傳動(dòng)比為,帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為，一般。這是抽油機(jī)沖數(shù)按最大沖數(shù)12r/min計(jì)算。則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：選用Y160L-44常規(guī)游梁是抽油機(jī)的平衡計(jì)算下沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)向下走完沖程長(zhǎng)度S，游梁的后臂提高，把能力儲(chǔ)存起來(lái)。游梁部件自重抬高的距離為，儲(chǔ)存能量為，曲柄平衡重抬高的距離為，儲(chǔ)存的能量為，曲柄自重抬高的距離為，儲(chǔ)存的能量為。所以平衡裝置儲(chǔ)存能量Q為（3-29）5變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比分配及其結(jié)構(gòu)確定5.1變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比分配電動(dòng)機(jī)型號(hào)Y160L-8，其功率為P=7.5轉(zhuǎn)速為N=720則電動(dòng)機(jī)輸出扭矩.=99.4796減速箱參數(shù)，主動(dòng)齒輪軸齒數(shù).斜齒輪齒數(shù)，中間齒輪軸齒數(shù)，人字齒輪齒數(shù)，電動(dòng)機(jī)皮帶輪，電動(dòng)機(jī)皮帶輪，電動(dòng)機(jī)皮帶輪，減速器大皮帶輪減速器比：29.75皮帶輪速比（電動(dòng)機(jī)配有三個(gè)皮帶輪，減速器主動(dòng)軸上裝有一個(gè)大皮帶輪，故有三種速比抽油機(jī)的總速比在每一種速比下，減速箱被動(dòng)輸出扭矩。計(jì)算結(jié)果表明，其最大值輸出扭矩低于26kN.m。因此，在設(shè)計(jì)該機(jī)時(shí)，選用Y132M-4電動(dòng)機(jī)，計(jì)算結(jié)果其最大輸出扭矩10.616KN.m。

該機(jī)的沖次分別為：6主要部件的設(shè)計(jì)6.1曲柄曲柄是傳遞減速器輸出扭矩的主要部件，所以它必須具有一定的強(qiáng)度和傳動(dòng)可靠性。曲柄一般可用灰鑄鐵、球墨鑄鐵和鑄鋼制成。在曲柄平衡的抽油機(jī)上，兩件曲柄共同承受的抽油機(jī)的全部載荷，因此要求曲柄有很高的承載能力，同時(shí)為了調(diào)整方便和安全，曲柄上沒(méi)有導(dǎo)軌、擋塊、刻度線，可以根據(jù)抽油機(jī)工作條件調(diào)整平衡塊位置，使抽油機(jī)保持平衡。擋塊可在緊固的情況下，防止平衡塊不致落下而發(fā)生事故。此次，在一系列要求下，用QT700-2制成大尺寸常規(guī)普通型曲柄。如圖6-1所示。6.2連桿每臺(tái)抽油機(jī)有兩根連桿，它是傳遞力矩的主要受力桿件，其主件可用管材，也可用其他型材如工字鋼、槽鋼等。但一般多用厚壁無(wú)縫鋼管制成，在無(wú)縫鋼管的兩管端沒(méi)有上、下接頭，上、下接頭通過(guò)焊接與無(wú)縫鋼管連接在一起。上接頭通過(guò)連接銷與橫梁連接在一起，下接頭通過(guò)兩個(gè)螺栓與軸承盒連接在一起，從而完成力矩的傳遞。因此，對(duì)于上下接頭與鋼管的焊縫是否能達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度而滿足使用要求就顯得尤為重要。如果兩根連桿中有一根連桿失效，抽油機(jī)變成單臂傳動(dòng)，很有可能被拉翻，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故。焊縫作為整個(gè)連桿的薄弱環(huán)節(jié)，都會(huì)引起設(shè)計(jì)人員高度重視，一般在設(shè)計(jì)中對(duì)焊縫的形式，焊接工藝條件，要求以及檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)都提出較高的要求和明確的規(guī)定。同時(shí)為了保證兩側(cè)連桿傳動(dòng)平穩(wěn)和傳遞力矩的均衡一致，兩連桿的工作長(zhǎng)度必須完全一致，即達(dá)到一定的尺寸公差要求，這一要求通常用專用工藝裝備來(lái)保證。所以，選用直徑為80的熱軋圓鋼為主件，而上下接頭均用QT700-2鑄成。如圖6-2所示。圖6-1曲柄圖6-2連桿6.3游梁游梁是抽油機(jī)的主要承載部件，承擔(dān)著抽油機(jī)的全部工作載荷，因此必須要有足夠的強(qiáng)度和一定的剛度。選用工字鋼為主要部件，經(jīng)過(guò)鋼板加強(qiáng)后制成。其工字鋼選材為，見(jiàn)圖6-3。6.4驢頭驢頭用來(lái)將游梁前端的往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)變?yōu)槌橛蜅U的垂直直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驢頭的圓弧半徑R應(yīng)等于前臂長(zhǎng)度，為了保證在一定沖程長(zhǎng)度下，將圓弧運(yùn)動(dòng)變?yōu)閼尹c(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)