常規(guī)式游梁抽油機(jī)設(shè)計(jì)【三維SW圖】【含7張CAD圖紙+文檔全套】
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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)和無游梁式抽油機(jī)。而常規(guī)游梁抽油機(jī)自誕生以來，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。
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。
目錄
1設(shè)計(jì)任務(wù)書 1
1.1課題內(nèi)容 1
1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容: 1
2總體方案的設(shè)計(jì) 2
2.1抽油機(jī)設(shè)計(jì)原理的確定 2
2.2桿長(zhǎng)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 3
2.4安裝尺寸與機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù) 3
2.5常規(guī)游梁式抽油機(jī)零部件關(guān)系 3
3游梁抽油機(jī)基本參數(shù)的確定 4
3.1游梁抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析 4
3.2游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算 7
3.3游梁式抽油機(jī)減速箱曲柄軸扭矩計(jì)算 10
3.4游梁抽油機(jī)的抽汲工況 12
3.5游梁式抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)選擇計(jì)算 13
4常規(guī)游梁是抽油機(jī)的平衡計(jì)算 14
5變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比分配及其結(jié)構(gòu)確定 14
5.1變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比分配 14
6主要部件的設(shè)計(jì) 15
6.1曲柄 15
6.2游梁 16
6.3驢頭 17
6.4橫梁 18
6.5常規(guī)游梁抽油機(jī)裝配體 18
參考文獻(xiàn) 19
致謝 20
1設(shè)計(jì)任務(wù)書
1.1課題內(nèi)容
（1）主要參數(shù)：型號(hào)：CYJ3—2.1—13HB
（2）最大載荷：30KN
（3）沖程長(zhǎng)度： 1.4，1.7，2.1（單位：m）
（4）沖程次數(shù)：6，9，12 （單位：）
1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容:
（1）總體方案設(shè)計(jì)（總體尺寸，四桿機(jī)構(gòu)）；
（2）運(yùn)動(dòng)分析（計(jì)算位移、速度、加速度）；
（3）動(dòng)力分析及平衡計(jì)算；
（4）主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算；
（5）電機(jī)選擇與油井匹配參數(shù)的確定；
2總體方案的設(shè)計(jì)
2.1抽油機(jī)設(shè)計(jì)原理的確定
目前，常規(guī)式游梁抽油機(jī)采用的是四桿機(jī)構(gòu)原理。國(guó)內(nèi)外使用的游梁式抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的循環(huán)主要有一下三種：對(duì)稱循環(huán)、近似對(duì)稱循環(huán)和非對(duì)稱循環(huán)。在此我們采用近似對(duì)稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)。
圖2-1游梁式抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)原理圖
近似對(duì)稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)主要參數(shù)參考范圍：
（1）傳動(dòng)角 ： 最大傳動(dòng)角和最小近似對(duì)稱于，故 ，。
（2）極位夾角：
（3）游梁最大擺角：
（4）基桿傾斜角:可取 H-G=
（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說，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：0.5~1.2m
2.5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
圖3-1 懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)化圖
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)
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：
所以，
按二項(xiàng)式定理展開
B點(diǎn)位移 S
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。
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，我們對(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。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，使得油管外一定沉沒度的油柱對(duì)柱塞下表面產(chǎn)生方向向上的壓力。所以，此過程中，懸點(diǎn)靜載荷等于：
——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，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，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）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：
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，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)泵筒還是沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即還不能抽油，一直到懸點(diǎn)經(jīng)過一段距離等于以后，柱塞才開始抽油。
經(jīng)過上述分析，懸點(diǎn)從下死點(diǎn)到上死點(diǎn)雖然走過了沖程長(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
靜變形的大小等于：
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=
F=
——考慮油管過流斷面擴(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
m——表示油柱慣性載荷與抽油桿柱慣載荷的比值，利用式可得
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。
3.3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?，m;
M——減速箱曲柄軸輸出扭矩，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，N.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：
則連桿力在曲柄切向上的分力T為；
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(2
M=
=
上式中的第一項(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；
式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；
式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；
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；
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
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
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)的極值見表
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
1.2
2.4
5
15
長(zhǎng)沖程
2.7
6.0
5
15
短沖程
0.3
1.2
5
15
高沖次
0.9
2.4
15
25
底沖次
0.3
1.5
2
5
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：
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。
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)按此表選用：
表3-2一般抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)選用表
根據(jù)上表，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：
我們?cè)谶@選用Y132M-4
4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。
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
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
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.
6.1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。但一般多用厚壁無縫鋼管制成，在無縫鋼管的兩管端沒有上、下接頭，上、下接頭通過焊接與無縫鋼管連接在一起。上接頭通過連接銷與橫梁連接在一起，下接頭通過兩個(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
圖6-1曲柄
圖6-2連桿
6.2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)過鋼板加強(qiáng)后制成。其工字鋼選材為。見圖6-3
6.3驢頭
驢頭用來將游梁前端的往復(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)，驢頭的圓弧面長(zhǎng)度應(yīng)為：
為驢頭懸點(diǎn)的最大沖程。驢頭采用腹板式結(jié)構(gòu)焊接而成，并應(yīng)用側(cè)翻讓位結(jié)構(gòu)進(jìn)行整修時(shí)的讓位。詳見圖6-4。
圖6-3游梁
圖6-4驢頭
6.4橫梁
橫梁用HT200鑄造而成，詳見圖6-5
圖6-5橫梁
6.5常規(guī)游梁抽油機(jī)裝配體
參考文獻(xiàn)
[1] 楊永昌、職黎光、賈逢軍，等. 游梁式抽油機(jī)全臺(tái)效率測(cè)試研究[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械，1996,25(5)：2-5.
[2] 龍以寧. 游梁式抽油機(jī)曲柄銷可靠性討論[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械，1992，21(5)：6-10.
[3] 龐艷華、劉福剛、楊孝君，等. 游梁式抽油用電動(dòng)機(jī)的節(jié)電措施[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械 .2004，33(197)：79-81.
[4] 張學(xué)魯、季祥云、羅仁全，等.游梁式抽油機(jī)的技術(shù)與運(yùn)用.北京：石油工業(yè)出版社.2001年4月.
[5] 韓成才. 石油鉆采設(shè)備[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社.1999年.
[6] 鄔亦炯、劉卓均，等. 抽油機(jī)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1994.
[7]梁宏寶、伊蓮娜、孫旭東。游梁式抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)改造綜述[J]黑龍江 東北石油大學(xué) 2011年2月
致謝
謝謝母校給了我們?nèi)绱撕玫慕虒W(xué)環(huán)境，謝謝各位老師多年來對(duì)我的關(guān)照和教誨，謝謝同學(xué)們給我的幫助！謝謝你們！
20
12 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
常規(guī)式游梁抽油機(jī)
設(shè)計(jì)說明書
學(xué)生姓名 李 軍 斌
學(xué) 號(hào) 8011208117
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) 機(jī)械12-1
指導(dǎo)教師 廖結(jié)安
日 期
塔里木大學(xué)教務(wù)處制
常規(guī)式游梁抽油機(jī)桿長(zhǎng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析的研究
李軍斌 (塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300 )
摘要：常規(guī)式游梁抽油機(jī)自誕生以來，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)別于其他眾多抽油機(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。此次，以研究常規(guī)式游梁抽油機(jī)桿長(zhǎng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)常規(guī)式游梁抽油機(jī)進(jìn)行深入的解析。
關(guān)鍵詞：常規(guī)式游梁抽油機(jī)；油田設(shè)備；四桿機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)分析
中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Conventional beam pumping unit rod long design and motion analysis
lijunbin
（College of Mechanic and Electrical Engineering Tarim University Ala Xinjiang 843300 ）
Abstract: the conventional beam pumping unit since its birth, after years of use, experience a variety of conditions and various regional oil production test, enduring. Still in the domestic and foreign general use. The conventional beam pumping unit with its simple structure, durable, simple operation, low maintenance costs advantages, which is different from many other oil pumping machine type, has been dominated by a rod pump production equipment dominant position. This, in order to study the conventional beam pumping unit rod long design and motion analysis as a starting point, on the conventional beam pumping unit to conduct in-depth analysis.
Key words: conventional beam pumping unit; oil equipment; four bar mechanism; motion analysis
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)和無游梁式抽油機(jī)。而常規(guī)游梁抽油機(jī)自誕生以來，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。
1設(shè)計(jì)任務(wù)的設(shè)定
抽油機(jī)要完成它相應(yīng)的任務(wù)要求，在此，以下工況的抽油機(jī)為例做設(shè)計(jì)計(jì)算。
（1）主要參數(shù)：型號(hào)：CYJ3—2.1—13HB
（2）最大載荷：30KN
（3）沖程長(zhǎng)度： 1.4，1.7，2.1（單位：m）
（4）沖程次數(shù)：6，9，12 (單位：)
2常規(guī)式游梁抽油機(jī)的桿長(zhǎng)設(shè)計(jì)
常規(guī)式游梁抽油機(jī)是以曲柄連桿機(jī)構(gòu)為其設(shè)計(jì)原理，如圖2-1,。設(shè)計(jì)以桿長(zhǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算開始，所以其桿長(zhǎng)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。
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
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小結(jié)
在多數(shù)情況下，常規(guī)游梁抽油機(jī)都可以這種簡(jiǎn)化方式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，這樣不但大幅度提高了工作效率，而且比較精確。如果要做更加精確的運(yùn)動(dòng)計(jì)算，則可以用復(fù)變矢量法進(jìn)行計(jì)算。
參考文獻(xiàn)
[1] 張學(xué)魯,季祥云,羅仁全等.游梁式抽油機(jī)的技術(shù)與運(yùn)用.北京：石油工業(yè)出版社.2001年4月.
[2] 韓成才. 石油鉆采設(shè)備[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社.1999.
[3] 鄔亦炯,劉卓均等. 抽油機(jī)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社.1994.
[4]梁宏寶,伊蓮娜,孫旭東.游梁式抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)改造綜述[J].黑龍江:東北石油大學(xué).2011年2月.
[5]孫桓,陳作模,葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社,2009.
常規(guī)式游梁抽油機(jī)
設(shè)計(jì)說明書
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 2012.05
XXX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)和無游梁式抽油機(jī)。而常規(guī)游梁抽油機(jī)自誕生以來，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。
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。
目 錄
1設(shè)計(jì)任務(wù)書 1
1.1課題內(nèi)容 1
1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容: 1
2總體方案的設(shè)計(jì) 1
2.1抽油機(jī)設(shè)計(jì)原理的確定 1
2.2桿長(zhǎng)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 2
2.3平衡方式的確定 2
2.4安裝尺寸與機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù) 2
2.5常規(guī)游梁式抽油機(jī)零部件關(guān)系 3
3游梁抽油機(jī)基本參數(shù)的確定 3
3.1游梁抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析 3
3.2游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算 6
3.3游梁式抽油機(jī)減速箱曲柄軸扭矩計(jì)算 9
3.4游梁抽油機(jī)的抽汲工況 11
3.5游梁式抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)選擇計(jì)算 12
4常規(guī)游梁是抽油機(jī)的平衡計(jì)算 13
5變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比分配及其結(jié)構(gòu)確定 13
5.1變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比分配 13
6主要部件的設(shè)計(jì) 14
6.1曲柄 14
6.2連桿 14
6.3游梁 15
6.4驢頭 16
6.5橫梁 17
6.6常規(guī)游梁抽油機(jī)裝配體 17
參考文獻(xiàn) 18
致謝 19
塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
1設(shè)計(jì)任務(wù)書
1.1課題內(nèi)容
（1）主要參數(shù)：型號(hào)：CYJ3—2.1—13HB
（2）最大載荷：30KN
（3）沖程長(zhǎng)度： 1.4，1.7，2.1（單位：m）
（4）沖程次數(shù)：6，9，12 (單位：）
1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容:
（1）總體方案設(shè)計(jì)（總體尺寸，四桿機(jī)構(gòu)）；
（2）運(yùn)動(dòng)分析（計(jì)算位移、速度、加速度）；
（3）動(dòng)力分析及平衡計(jì)算；
（4）主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算；
（5）電機(jī)選擇與油井匹配參數(shù)的確定；
2總體方案的設(shè)計(jì)
2.1抽油機(jī)設(shè)計(jì)原理的確定
目前，常規(guī)式游梁抽油機(jī)采用的是四桿機(jī)構(gòu)原理。國(guó)內(nèi)外使用的游梁式抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的循環(huán)主要有一下三種：對(duì)稱循環(huán)、近似對(duì)稱循環(huán)和非對(duì)稱循環(huán)。采用近似對(duì)稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)。
圖2-1游梁式抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)原理圖
近似對(duì)稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)主要參數(shù)參考范圍：
（1）傳動(dòng)角 ： 最大傳動(dòng)角和最小近似對(duì)稱于，故 ，。
（2）極位夾角：
（3）游梁最大擺角：
（4）基桿傾斜角:可取 H-G=
（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說，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：0.5~1.2m
2.5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
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。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，使得油管外一定沉沒度的油柱對(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，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，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，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)泵筒還是沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即還不能抽油，一直到懸點(diǎn)經(jīng)過一段距離等于以后，柱塞才開始抽油。
經(jīng)過上述分析，懸點(diǎn)從下死點(diǎn)到上死點(diǎn)雖然走過了沖程長(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?，m;
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(2
M= （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
1.2
2.4
5
15
長(zhǎng)沖程
2.7
6.0
5
15
短沖程
0.3
1.2
5
15
高沖次
0.9
2.4
15
25
底沖次
0.3
1.5
2
5
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
KW
20
0.6
2.8
4
30
1.2-2.1
6.5-13
5.5-7.5
50
1.5-3
9-18
7.5-15
60
1.8-3
13-18
15-18.5
80
2.5
26
18.5-22
100
2.1-3
18-37
18.5-30
110
3-4.2
37-53
22-37
120
3-4.8
48-53
22-45
130
3-5
53-73
30-45
140
3.6-5.4
73
37-75
160
4.8-6
105
90
180
4.8-6
106
90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-4
4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。
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10.616 KN.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。但一般多用厚壁無縫鋼管制成，在無縫鋼管的兩管端沒有上、下接頭，上、下接頭通過焊接與無縫鋼管連接在一起。上接頭通過連接銷與橫梁連接在一起，下接頭通過兩個(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)過鋼板加強(qiáng)后制成。其工字鋼選材為，見圖6-3。
6.4驢頭
驢頭用來將游梁前端的往復(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)，驢頭的圓弧面長(zhǎng)度應(yīng)為：
為驢頭懸點(diǎn)的最大沖程。驢頭采用腹板式結(jié)構(gòu)焊接而成，并應(yīng)用側(cè)翻讓位結(jié)構(gòu)進(jìn)行整修時(shí)的讓位，詳見圖6-4。
圖6-3游梁
圖6-4驢頭
6.5橫梁
為了使橫梁和連桿的連接點(diǎn)與橫梁和游梁的連接點(diǎn)在同一水平面上，常將橫梁制作成弓形，這樣就增加了抽油機(jī)四連桿在工作中的剛性，改善了連桿與橫梁連接銷子的工作條件。橫梁有三種制造方法：一是用型鋼直接制成；二是焊接，三是鑄造。本設(shè)計(jì)橫梁用HT200鑄造而成，詳見圖6-5。
圖6-5橫梁
6.6常規(guī)游梁抽油機(jī)裝配體
粱式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、使用方便，但是工作效率低，能耗大以游。粱式抽油機(jī)主要結(jié)構(gòu)的節(jié)能為出發(fā)點(diǎn)，改造抽油機(jī)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，研發(fā)新型節(jié)能抽油機(jī)。
圖6-6常規(guī)游梁抽油機(jī)裝配體效果圖
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致謝
謝謝母校給了我們?nèi)绱撕玫慕虒W(xué)環(huán)境，謝謝各位老師多年來對(duì)我的關(guān)照和教誨，謝謝同學(xué)們給我的幫助！謝謝你們！
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