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前言
API偏置抽油機(jī)設(shè)計(jì):RM912D-427-144
前言
目前，采油方法有自噴采油法和機(jī)械采油法。自噴采油法的特點(diǎn)是利用地層本身的能量來(lái)舉升原油。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)，這些油井不能繼續(xù)用自噴法開(kāi)采 。同時(shí)，有一些油井一開(kāi)始就不能自噴。對(duì)于上述這些不能自噴的油井，就必須用機(jī)械采油法進(jìn)行開(kāi)采。機(jī)械采油法又分為氣舉法和抽油法兩種。氣舉法的特點(diǎn)是利用壓縮氣體的能量，把原油提升到地面；而抽油法的特點(diǎn)是將各種結(jié)構(gòu)的泵放到井下抽油，所以抽油法又叫泵法。從國(guó)外石油最發(fā)達(dá)的國(guó)家來(lái)看，用抽油法開(kāi)采的井?dāng)?shù)占絕對(duì)多數(shù)，約80%左右，而抽油法所開(kāi)采的原油占半數(shù)以上。由于我國(guó)油田的發(fā)展特點(diǎn)（處于開(kāi)發(fā)初期和中期，采用注水措施），目前，無(wú)論在生產(chǎn)井?dāng)?shù)方面還是在原油總產(chǎn)量方面，自噴法都占相當(dāng)大的比重。但從原油的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，采用機(jī)械采油法，特別是使用抽油法的井?dāng)?shù)和產(chǎn)量都在增加，在一些老油井，幾乎全用抽油法采油。
用抽油法開(kāi)采，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的抽油設(shè)備是游梁式抽油機(jī)或稱(chēng)作有桿抽油設(shè)備。API（美國(guó)石油協(xié)會(huì)）抽油機(jī)規(guī)范（API SPEC 11E） 中游梁式抽油機(jī)的種類(lèi)有四種，它們分別是：常規(guī)型抽油機(jī)、異相曲柄平衡抽油機(jī)、前置式氣平衡抽油機(jī)、前置式曲柄平衡抽油機(jī)。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維修方便。游梁式抽油機(jī)有以下幾部分組成：電動(dòng)機(jī)、減速箱、四連桿機(jī)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)通過(guò)三角皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)減速箱。減速后，由四連桿機(jī)構(gòu)（曲柄、連桿、游梁、橫梁）把減速箱的輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橛瘟后H頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
抽油機(jī)在油田的開(kāi)采作業(yè)中具有不可替代的作用，是構(gòu)成“三抽”即：抽油機(jī).抽油桿和抽油泵的一部分。抽油機(jī)的工作條件比較惡劣，全天候常年野外連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而且絕大多數(shù)時(shí)間處于無(wú)人監(jiān)護(hù)狀態(tài)。因此要求抽油機(jī)具有良好的可靠性、耐久性；同時(shí)還要具有性能領(lǐng)域?qū)挕⒄{(diào)節(jié)范圍大、能源消耗低、易損件少、維護(hù)保養(yǎng)方便，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
近年來(lái)抽油機(jī)正在向低能耗、長(zhǎng)沖程、高精度、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。特別是由于油井動(dòng)液面的下降，長(zhǎng)沖程、低沖次的抽油機(jī)更是得到了推廣與發(fā)展。
1 概述
1.1 選題背景
游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、使用維護(hù)方便、適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況等優(yōu)點(diǎn).在采油機(jī)械中，具有舉足輕重的地位。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍將是油田的首選設(shè)備.但是由于常規(guī)型抽油機(jī)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特征。決定了它平衡效果差、曲柄凈扭矩脈動(dòng)大、存在負(fù)扭矩、載荷率低、工作效率低和能耗大等缺點(diǎn)。在采油成本中，抽油機(jī)電費(fèi)占30%左右，年耗電量占油田總耗電量的20%～30%，為油田電耗的第一位，僅次于注水。自從1985年第一臺(tái)異相曲柄平衡游梁抽油機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)異相機(jī))應(yīng)用以來(lái)，國(guó)內(nèi)各大油田開(kāi)始重視抽油機(jī)的節(jié)能工作。
1.2 研究目的及其意義
常規(guī)型抽油機(jī)受到四桿機(jī)構(gòu)的限制，游梁擺角不能過(guò)大，導(dǎo)致整機(jī)質(zhì)量偏重，體積偏大。偏置式游梁抽油機(jī)是在常規(guī)型抽油機(jī)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)優(yōu)化四連桿機(jī)構(gòu)的幾何尺寸，優(yōu)化了平衡重的夾角，改變了平衡重的相位角而產(chǎn)生的一種新型的抽油機(jī)。通過(guò)平衡重在曲柄軸上產(chǎn)生的扭矩與懸點(diǎn)負(fù)載在曲柄軸上產(chǎn)生的扭矩相平衡，使抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)峰值扭矩和峰值電流都有較大幅度的降低，從而達(dá)到節(jié)能的目的。
1.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向
游梁式抽油機(jī)的產(chǎn)生和使用由來(lái)已久，早在120年前就誕生了，目前，世界各個(gè)產(chǎn)油國(guó)仍在大面積的廣泛應(yīng)用。美國(guó)擁有40萬(wàn)臺(tái)，前蘇聯(lián)擁有4萬(wàn)臺(tái)，我國(guó)擁有2. 7萬(wàn)臺(tái)，僅大慶油田，在用的游梁式抽油機(jī)就有一萬(wàn)余臺(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)性變化。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易損件少，可靠性高，耐久性好，操作維修方便，這些優(yōu)點(diǎn)是游梁式抽油機(jī)歷經(jīng)百年而經(jīng)久不衰的原因。
美國(guó)生產(chǎn)游梁式抽油機(jī)的公司有十幾家，品種復(fù)雜，型式繁多，其中技術(shù)先進(jìn)、實(shí)力雄厚的LUFKIN公司為權(quán)威。前置式抽油機(jī)主要由LUFKIN公司生產(chǎn)，該公司生產(chǎn)的馬克型前置式抽油機(jī)共有八個(gè)系列46個(gè)品種。馬克型前置式抽油機(jī)上沖程曲柄轉(zhuǎn)角195度，下沖程為165度，從而降低扭矩峰值。該機(jī)上沖程開(kāi)始比油井負(fù)荷扭矩滯后7.5度，下沖程開(kāi)始扭矩比油井負(fù)荷提前7.5度，從而提高平衡效果，該機(jī)較同級(jí)常規(guī)型抽油機(jī)節(jié)能34.99%。此外，LUFKIN公司還生產(chǎn)前置式氣平衡抽油機(jī)，該機(jī)比同級(jí)常規(guī)抽油機(jī)外形尺寸小35%，整機(jī)重量輕40%，共有26種規(guī)格。CM工公
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概述
司生產(chǎn)偏置式抽油機(jī)，偏置式抽油機(jī)又稱(chēng)異向曲柄抽油機(jī)，或稱(chēng)后置式抽油機(jī)，或稱(chēng)托馬斯特(TM)抽油機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)TM抽油機(jī)。這種抽油機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越，深受用戶(hù)歡迎。該機(jī)特點(diǎn)在于連桿與游梁之間夾角始終為90度，曲柄轉(zhuǎn)角上沖程為192度，下沖程為168度，慣性負(fù)荷小，峰值扭矩小，比同級(jí)常規(guī)抽油機(jī)小60%，該機(jī)游梁支架與減速器底座直接連接，改善了整體受力。
加拿大主要生產(chǎn)抽油機(jī)的廠商是雷姆斯有限公司，該公司主要生產(chǎn)常規(guī)式、前置式、偏置式游梁抽油機(jī)。前蘇聯(lián)游梁式抽油機(jī)共有9個(gè)系列22種型號(hào)，平衡方式全部采用復(fù)合平衡或曲柄平衡，重型采用氣動(dòng)平衡。為縮小尺寸，近年來(lái)將曲柄半徑與驢頭擺動(dòng)半徑比從0.4增大到0.6。
我國(guó)的抽油機(jī)制造業(yè)已有40多年的歷史，經(jīng)過(guò)了進(jìn)口修配，仿制試制，設(shè)計(jì)研制三個(gè)階段。1980年開(kāi)始自行設(shè)計(jì)，研究制造國(guó)產(chǎn)抽油機(jī)，逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，不僅自給自足，而且還部分出口。蘭石廠是我國(guó)生產(chǎn)抽油機(jī)的主要廠家，按國(guó)內(nèi)技術(shù)生產(chǎn)的常規(guī)游梁式抽油機(jī)共11種規(guī)格，蘭石廠和寶石廠是我國(guó)生產(chǎn)前置式抽油機(jī)批量最大的廠家，目前已生產(chǎn)該機(jī)500萬(wàn)余臺(tái)。1986年蘭石所研制成功CYJS-2.5-26HB前置式氣動(dòng)平衡抽油機(jī)，它是我國(guó)第一臺(tái)前置式氣平衡抽油機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)比同級(jí)常規(guī)抽油機(jī)節(jié)能28.15%。泵效提高10%～20%。同年與四川鉆采設(shè)備廠共同研究成功CYJY3-1.4-7HB型偏置式抽油機(jī)，它是我國(guó)第一臺(tái)偏置式抽油機(jī)，目前共有6種規(guī)格。然后又研制成功了CYJY12-46-73HB型、CYJY12-42-73HB型和CYJY10-3-53HB型偏置式抽油機(jī)。
試驗(yàn)表明:這種抽油機(jī)比同級(jí)常規(guī)型抽油節(jié)能11%～19.4%，生產(chǎn)能力提高27%。江漢石油學(xué)院和第四石油機(jī)械廠經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將常規(guī)抽油機(jī)改造成偏置式抽油機(jī)，該機(jī)縮短了曲柄半徑和游梁后臂，使極位夾角大于0度，并將對(duì)稱(chēng)曲柄改成后置曲柄，同時(shí)改變抽油機(jī)減速器的旋轉(zhuǎn)方向，試驗(yàn)結(jié)果表明，這種抽油機(jī)比改造前節(jié)能10%～17%，產(chǎn)液能力提高6%。
1.4 游梁式抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)分析和指導(dǎo)思想
由于常規(guī)游梁式抽油機(jī)的上述優(yōu)勢(shì)，使得它能在國(guó)內(nèi)外各油田廣泛使用。但是，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)使用中，油田的經(jīng)營(yíng)者發(fā)現(xiàn)，它無(wú)法解決:平衡效果差、載荷率低、工作效率低、“大馬拉小車(chē)”、能耗高的缺點(diǎn)。為了追求開(kāi)采效益最大化，以最少的投入來(lái)?yè)Q取最大的回報(bào)，開(kāi)發(fā)節(jié)能高效的新型抽油設(shè)備就成了油田生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者和抽油機(jī)設(shè)備生產(chǎn)廠致力追求的目標(biāo)，這就是其發(fā)展的動(dòng)力。國(guó)內(nèi)在節(jié)能抽油機(jī)的研制開(kāi)發(fā)上，20世紀(jì)80、90年代出現(xiàn)了高峰。 游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對(duì)于支架來(lái)說(shuō)，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩大小基本相等或方向變化相反，那么用很小的動(dòng)力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作。也就是說(shuō)抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。平衡率越低，則需要電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力越大。正因?yàn)槌橛洼d荷每時(shí)每刻都在變化，而平衡重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)變得很復(fù)雜。在游梁式抽油機(jī)的平衡技術(shù)方面，傳統(tǒng)的方法有三種:一是在曲柄上加上平衡塊，即曲柄平衡；二是在游梁尾端加上平衡塊，即游梁平衡;三是在曲柄和游梁尾端都加上平衡塊，即復(fù)合平衡。這三種平衡方式形成的平衡扭矩曲線都是規(guī)則曲線，而抽油載荷扭矩曲線是非規(guī)則曲線，其疊加曲線存在較大的峰值和負(fù)扭矩?？朔@一難題，就是游梁式抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)所要攻克的對(duì)象
1.5 方案論證
隨著我國(guó)油田的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，由于采油成本的不斷提高和電價(jià)的上調(diào)，如何降低抽油機(jī)的能耗已引起人民的高度重視。各種研究抽油機(jī)的節(jié)能途徑歸納起來(lái)可分為兩種： 一是改變抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)直接降低抽油機(jī)的扭矩因數(shù)，已降低抽油機(jī)的工作扭矩及其波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，如偏置式抽油機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)等；另一種是改變抽油機(jī)的平衡方式，以降低減速器輸出軸的扭矩，達(dá)到節(jié)能的目的，如大輪式抽油機(jī)，二次平衡抽油機(jī)。
抽油機(jī)節(jié)能工作的開(kāi)展大致包括兩個(gè)方面：一是開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型技能抽油機(jī)；二是對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。目前，油田非自噴井采油廣泛使用游梁式曲柄平衡抽油機(jī)。游梁式抽油機(jī)因有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作平穩(wěn)、性能可靠等優(yōu)勢(shì)而在各油田廣泛應(yīng)用, 但其能耗大、工作效率低, 所以降低抽油機(jī)能耗, 提高抽油機(jī)的工作效率具有重要意義。
目前，油田非自噴井采油廣泛使用游梁式曲柄平衡抽油機(jī)。游梁式抽油機(jī)因有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作平穩(wěn)、性能可靠等優(yōu)勢(shì)而在各油田廣泛應(yīng)用, 但其能耗大、工作效率低, 所以降低抽油機(jī)能耗, 提高抽油機(jī)的工作效率具有重要意義。為了減小抽油機(jī)的功率，更進(jìn)一步的節(jié)約能源，需要一種替代抽油機(jī)來(lái)應(yīng)用于油田上的采油生產(chǎn)。為此，本設(shè)計(jì)針對(duì)這樣的特點(diǎn)，對(duì)一般的游梁式抽油機(jī)做了改進(jìn)設(shè)計(jì)。偏置型游梁式抽油機(jī)同常規(guī)型抽油機(jī)主要有二方面不同：1減速器背離支架后移，增大減速器輸出軸中心與游梁擺動(dòng)中心之間水平距離，形成較大的極位夾角（即驢頭上、下死點(diǎn)與連桿中心線之間夾角）；2平衡塊重心與曲柄軸中心連線和曲柄銷(xiāo)中心與曲柄軸中心連線之間有個(gè)平衡相位角，這種抽油機(jī)曲柄均為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，因此平衡重總是滯后一個(gè)角。由于有較大的極位夾角，一般12度左右，使得抽油機(jī)上沖程時(shí)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)角度增加12度為192度，下沖程減小12度為168度，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速不變時(shí)，懸點(diǎn)上沖程時(shí)間就大于下沖程時(shí)間，因此懸點(diǎn)上沖程的加速度和動(dòng)載荷減小，由于平衡相位角改變了平衡效果，從而使減速器的最大扭矩峰值降低，扭矩變化較均勻，電動(dòng)機(jī)所需功率較小，在一定情況下有節(jié)能效果
本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是根據(jù)常規(guī)型抽油機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了偏置型曲柄平衡式抽油機(jī)。所設(shè)計(jì)的抽油機(jī)有原始的數(shù)據(jù)和給定的幾何參數(shù)，還有參考資料和圖例，在這基礎(chǔ)上對(duì)常規(guī)型抽油機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)并對(duì)抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)上的計(jì)算和對(duì)主要部件進(jìn)行校核計(jì)算。
游梁抽油機(jī)的基本參數(shù)和分類(lèi)
2 偏置型抽油機(jī)工作原理與節(jié)能原理
2.1 工作原理
抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)通過(guò)V帶和減速器帶動(dòng)曲柄做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲柄—連桿—游梁—支承架四桿機(jī)構(gòu)將這一運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為驢頭的變速上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)鋼絲繩和抽油桿帶動(dòng)抽油泵柱塞做變速的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油井開(kāi)采。
2.2 偏置型游梁抽油機(jī)特點(diǎn)
（1）曲柄中心線和平衡重中心線偏離一個(gè)相位角τ。
（2）曲柄軸中心線至中央軸承座中心水平距離I大于游梁后臂長(zhǎng)度C，兩者差接近于曲柄半徑R，即I-C≈R。結(jié)構(gòu)上看，加大了力臂減小了連桿拉力，增大抽油機(jī)最大承載能力，扭矩因數(shù)下降。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使游梁在上下死點(diǎn)時(shí)，連桿兩個(gè)位置之間存在一個(gè)相位夾角，這種機(jī)構(gòu)具有急回特性。
（3）曲柄順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，保證上沖程時(shí)間長(zhǎng).下沖程時(shí)間短。
2.3 節(jié)能原理
（1）抽油機(jī)的負(fù)載狀況影響抽油機(jī)的能耗。常規(guī)型抽油機(jī)加在曲柄的凈扭矩成周期變化，有時(shí)對(duì)電機(jī)做功，這樣的負(fù)載不利于普通電動(dòng)機(jī)的正常工作，是電機(jī)高能耗原因。
（2）普通異步電動(dòng)機(jī)具有硬特性，適宜拖動(dòng)均勻負(fù)載。常規(guī)型抽油機(jī)的負(fù)載狀況不理想，就形成了它能耗高特性，而偏置型抽油機(jī)在這方面得到改進(jìn)。
（3）抽油機(jī)工作時(shí)曲柄凈扭矩的波動(dòng)由懸點(diǎn)載荷與加速度變化引起。通過(guò)改變抽油機(jī)桿件尺寸的配比，使運(yùn)動(dòng)規(guī)律改變，減小工作扭矩曲線的峰值。在保證沖次不變的情況下，加長(zhǎng)上沖程時(shí)間，減少上沖程前半段的加速度變化幅度，使扭矩峰值減小；同理可以使工作下峰值加大。同時(shí)可以改變工作扭矩的形狀。偏置型抽油機(jī)通過(guò)在曲柄上的偏置角的引入，有利于減少電動(dòng)機(jī)的額定功率，達(dá)到二者更好的匹配，也可以改善桿件受力情況。
抽油機(jī)的尺寸規(guī)劃及結(jié)構(gòu)
3 抽油機(jī)的尺寸規(guī)劃及結(jié)構(gòu)
游梁式抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸決定了其運(yùn)動(dòng)性能、動(dòng)力性能及其能耗。長(zhǎng)期以來(lái)，游梁式抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)尺寸的確定成為許多學(xué)者和設(shè)計(jì)人員的研究對(duì)象。
圖1為游梁式抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸示意圖，在圖中，H為抽油機(jī)底座底平面至支架軸承中心的高度，它取決于抽油機(jī)的最大沖程長(zhǎng)度，并決定抽油機(jī)的高度，其具體計(jì)算方法是：
H=S max＋H c＋H h ＋0.2～0.25 （m）
式中， S max——最大沖程長(zhǎng)度 （m）；
H c——井口裝置高度 （m），一般為：1.2～1.5（m）；
H h——懸繩器高度 （m），一般為：0.35～0.4（m）。
A為游梁前臂長(zhǎng)度，其大小取決于沖程長(zhǎng)度和游梁的擺角，值得說(shuō)明的是，前蘇聯(lián)和我國(guó)都是采用大擺角（約1弧度），而美國(guó)則是采用小擺角（一般為44°～46°），大擺角抽油機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，但動(dòng)力性能差，扭矩特性差，能耗高；大小擺角抽油機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)龐大，但動(dòng)力性能好，扭矩特性好，能耗低。在本次設(shè)計(jì)中，采用游梁小擺角設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)沖程長(zhǎng)度小于4.2m（含4.2m）時(shí)，游梁的擺角為44°～46°；當(dāng)沖程長(zhǎng)度大于4.2m時(shí)，游梁的擺角為51°～53°。G為減速器輸出軸中心線至底座底平面的距離，其大小決定了抽油機(jī)曲柄的長(zhǎng)短，從而影響平衡塊的重量，G越大，曲柄長(zhǎng)度越長(zhǎng)，在同一平衡扭矩的條件下，平衡塊越輕。曲柄連桿機(jī)構(gòu)其尺寸的大小及分配決定了抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能、動(dòng)力性能及其能耗。
目前，最常用的游梁式抽油機(jī)采用機(jī)械方式，它具有前、后臂。它主要有游梁、驢頭、橫梁、連桿、曲柄、減速箱、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、支架、撬座、懸繩器以及平衡重等組成?？偟恼f(shuō)來(lái)，游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，下面著重分析它的主要組成部分。
3.1 驢頭
驢頭的作用是將游梁的往復(fù)擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為吊繩的上下直線運(yùn)動(dòng)。從機(jī)構(gòu)學(xué)來(lái)講，它是一種繩輪機(jī)構(gòu)。我國(guó)抽油機(jī)驢頭常用的結(jié)構(gòu)型式有上翻式、側(cè)轉(zhuǎn)式及重力式三種，國(guó)外抽油機(jī)的驢頭多采用懸掛式驢頭。這種驢頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是制作比較簡(jiǎn)單，易于安裝，可靠性高，最大的缺點(diǎn)是在修井作業(yè)時(shí)，必須將整個(gè)驢頭卸下，操作工作量大。本次設(shè)計(jì)采用側(cè)轉(zhuǎn)式驢頭結(jié)構(gòu)型式。它是用鋼板組焊而成的一個(gè)箱形結(jié)構(gòu)，其厚度為464mm；側(cè)板使用Q235的鋼板，鋼板的厚度為12m。
圖2 驢頭結(jié)構(gòu)工程圖
3.2 游梁
游梁是一種扛桿，它是抽油機(jī)的主要承載構(gòu)件，也是抽油機(jī)最大應(yīng)力出現(xiàn)的構(gòu)件，對(duì)游梁的設(shè)計(jì)主要考慮其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)在常規(guī)抽油機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，游梁的結(jié)構(gòu)只有兩種，一種是箱形結(jié)構(gòu)（用于重型抽油機(jī)），另一種H型結(jié)構(gòu)（用于中型或輕型抽油機(jī)），對(duì)于重型抽油機(jī)，其游梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖（a）所示，對(duì)于輕型或中型抽油機(jī)，其游梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖（b）所示，本次設(shè)計(jì)采用箱形結(jié)構(gòu)。游梁的高度為。翼板、側(cè)板使用Q235的鋼板. 鋼板厚度分別為和.各游梁一般焊有加強(qiáng)板和吊耳等附件。
圖3 游梁結(jié)構(gòu)工程圖
3.3 橫梁及連桿
3.3.1 橫梁的結(jié)構(gòu)
橫梁及連桿可分為兩種結(jié)構(gòu)：一種是將橫梁和連桿制造在一起，其特點(diǎn)是連接件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用在小型抽油機(jī)中，它由改變后臂長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度。另一種結(jié)構(gòu)是單獨(dú)橫梁，用于一般大型抽油機(jī)中，它由改變曲柄和連桿的連接點(diǎn)位置來(lái)調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度。
橫梁是連桿和游梁連接的中間部件。動(dòng)力經(jīng)過(guò)橫梁才能帶動(dòng)游梁作搖擺運(yùn)動(dòng)，橫梁的形式有三種：直形橫梁、船形橫梁和翼形橫梁。其中船形橫梁的橫梁和連桿連接點(diǎn)與橫梁和游梁連接點(diǎn)在同一水平線上，增加了連桿和橫梁的剛性，并改善了連接銷(xiāo)軸的工作條件。翼形橫梁連桿彎曲與橫梁成為一體，直接與游梁連接，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接零件少，多用在輕型游梁式抽油機(jī)上。
3.3.2 連桿
連桿一般都用無(wú)縫鋼管制成，兩端焊有連桿頭。正常工作時(shí)，上端連桿頭和橫梁無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)，用銷(xiāo)子相連。下端連桿頭和曲柄用曲柄銷(xiāo)子連接，在連桿銷(xiāo)處安有滾動(dòng)軸承。曲柄銷(xiāo)子和曲柄間一般用圓錐面相連，在銷(xiāo)子頭上用螺母固死銷(xiāo)子和曲柄，在曲柄上有3~4個(gè)錐孔，用以改變沖程長(zhǎng)度。
3.4 曲柄平衡裝置
抽油機(jī)的平衡歷來(lái)是被許多學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)工作人員所關(guān)注，因?yàn)槠胶獾暮脡闹苯佑绊懗橛蜋C(jī)的能耗和壽命。對(duì)于游梁式抽油機(jī)而言，平衡可分為機(jī)械平衡和氣動(dòng)平衡，機(jī)械平衡也有曲柄平衡、游梁平衡及復(fù)合平衡之分。從平衡效果來(lái)看，游梁平衡最好，復(fù)合平衡次之，曲柄平衡最差，但從安全性來(lái)考慮，則正好相反。從現(xiàn)場(chǎng)使用的情況來(lái)看，輕型抽油機(jī)使用游梁平衡，中型抽油機(jī)使用曲柄平衡，重型抽油機(jī)則使用復(fù)合。平衡重，裝在曲柄上，類(lèi)型較多，目前廣泛使用的有兩種，一種為一般偏心重結(jié)構(gòu)，另一種為扇形結(jié)構(gòu)。偏心重結(jié)構(gòu)制造容易，但調(diào)整較困難，而扇形結(jié)構(gòu)調(diào)整較方便，當(dāng)需將偏心塊調(diào)整到某位置時(shí)，可將圓曲柄旋轉(zhuǎn)，使要調(diào)的位置在最下方，松開(kāi)固緊螺釘后，扇形平衡重沿導(dǎo)軌自動(dòng)落到要調(diào)的位置。為了調(diào)整方便及安全，在兩種曲柄上都有導(dǎo)軌及擋塊，固緊螺釘即使松開(kāi)，也不會(huì)是偏心重落下。本次設(shè)計(jì)中采用的是偏心重結(jié)構(gòu)的曲柄。本次設(shè)計(jì)按照此原則進(jìn)行，只是在重型抽油機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中盡量多采用曲柄平衡，主要是因?yàn)楹?jiǎn)化結(jié)構(gòu)，便于各個(gè)模塊之間的相互組裝，以最少的模塊來(lái)組裝出最多的抽油機(jī)，從而工裝夾具的設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的出口競(jìng)爭(zhēng)力。曲柄的寬度為550mm。曲柄的長(zhǎng)度則取決于減速器輸出軸中心線至底座底平衡的高度，平衡塊的重量主要是取決于抽油機(jī)的承載能力。
圖4 曲柄平衡裝置結(jié)構(gòu)工程圖
3.5 減速箱
一般使用的減速箱多數(shù)為兩極齒輪式，傳動(dòng)比i=25～40左右，在個(gè)別情況下也有使用一級(jí)齒輪減速箱或鏈輪減速箱。由于工作載荷大，一般小功率時(shí)采用斜齒，大功率時(shí)采用人字齒，并開(kāi)始使用圓弧齒輪。減速箱采用圓弧齒輪后，其承載能力比相同參數(shù)的漸開(kāi)線齒輪減速箱體積有所減少，這樣也給抽油機(jī)其它部件尺寸的縮小創(chuàng)造了條件。本次設(shè)計(jì)中選用的減速箱就是這種類(lèi)型。其型號(hào)為：ZLH—1000。減速器的額定扭矩為105 KN .m
3.6 剎車(chē)機(jī)構(gòu)
剎車(chē)裝置安裝在減速器的高速軸上，起制動(dòng)作用。它的結(jié)構(gòu)型式有內(nèi)漲式和外抱式兩種，內(nèi)漲式剎車(chē)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但制動(dòng)力矩大，外抱式則正好相反。剎車(chē)機(jī)構(gòu)是一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將人力傳遞給剎車(chē)裝置，并進(jìn)行必要的放大，使之符合制動(dòng)力矩的要求。本次設(shè)計(jì)采用外抱式剎車(chē)裝置。
3.7 支架
支架的主要作用是支承游梁，其高度必須滿(mǎn)足抽油機(jī)的沖程長(zhǎng)度、井口高度及懸繩器的正常工作需要。支架與游梁、連桿、曲柄及底座一起構(gòu)成抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)，保證抽油機(jī)的正常工作。支架的結(jié)構(gòu)型式有兩種，一種是四腿支架，它主要由角鋼焊接而成，其特點(diǎn)是制造方便，剛度大，但體積大，運(yùn)輸困難，國(guó)內(nèi)的常規(guī)抽油機(jī)和部分偏置抽油機(jī)采用這種結(jié)構(gòu)的支架；（對(duì)于重型油機(jī)尤其突出），另一種是三腿支架，它是用工字鋼和槽鋼組焊而成，它的特點(diǎn)是開(kāi)度大，運(yùn)輸方便，但安裝困難；其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)它的后腿與減速器座相聯(lián)時(shí)，使底座不受彎曲應(yīng)力的作用，從而保證底座不會(huì)出現(xiàn)斷裂的情況。國(guó)內(nèi)的部分偏置抽油機(jī)采用這種結(jié)構(gòu)的支架，國(guó)外的常規(guī)抽油機(jī)和偏置抽油機(jī)均使用三腿支架。本次設(shè)計(jì)的支架采用的是三腿結(jié)構(gòu), 支架前面的兩個(gè)主腿和后腿均采用兩個(gè)槽鋼對(duì)焊，并間斷補(bǔ)強(qiáng)，制作時(shí)，將前腿和后腿分開(kāi)，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)將支架后腿按要求組裝并鎖緊即可。
圖5 支架結(jié)構(gòu)工程圖
3.8 底座
底座的作用是承受整個(gè)抽油機(jī)及懸點(diǎn)載荷的全部重量，并使抽油機(jī)的支架、減速器及電動(dòng)機(jī)裝置連成一體。底座有門(mén)型和T型兩種，國(guó)內(nèi)常規(guī)抽油機(jī)和部分偏置抽油機(jī)采用門(mén)型底座，部分偏置抽油機(jī)采用T型底座。本次設(shè)計(jì)采用T型底座，這種底座的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性能好，尤其是超重型抽油機(jī)，必須采用這種結(jié)構(gòu)的底座。底座上焊有減速器座和電動(dòng)機(jī)座，一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)座有兩種布置方式，一種是直接在底座的主梁上焊接電動(dòng)機(jī)導(dǎo)軌，它的特點(diǎn)是抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但耗材多；另一種是用不同的型鋼單獨(dú)制作一個(gè)電動(dòng)機(jī)座，然后將該座焊接或鉚接在主座上，它的特點(diǎn)是節(jié)省材料。對(duì)于雨多的地區(qū)，還應(yīng)當(dāng)防止電動(dòng)機(jī)淹水的現(xiàn)象產(chǎn)生，為此，本次設(shè)計(jì)將電動(dòng)機(jī)座抬高500～1000㎜，對(duì)于少雨地區(qū)，可將電動(dòng)機(jī)座放置到與主底座對(duì)齊的位置。
圖6 底座結(jié)構(gòu)工程圖
3.9 皮帶傳動(dòng)裝置
皮帶傳動(dòng)裝置的作用是將電動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)傳遞給減速器，并作適當(dāng)?shù)臏p速，主要有大皮帶輪、小皮帶輪及三角膠帶組成。選用皮帶時(shí)，本設(shè)計(jì)用普通D型三角膠帶，至于三角膠帶的根數(shù)則視其傳遞的功率而定，長(zhǎng)度則根據(jù)電動(dòng)機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)確定，每一種型號(hào)的抽油機(jī)配備有三個(gè)不同直徑的小皮帶輪，以滿(mǎn)足抽油機(jī)三個(gè)不同沖次數(shù)的需要，大皮帶輪則是每一種型號(hào)的減速器配備一個(gè)。
3.10 鋼絲繩和懸繩器
懸繩器是連接光桿的吊繩的部件，鋼絲繩是用多層股（不旋轉(zhuǎn)）鋼絲繩，規(guī)格為32mm，其公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度為1550 N/mm2。
3.11 電動(dòng)機(jī)
抽油機(jī)的動(dòng)力源有：柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)等，其中柴油機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于電力供應(yīng)緊張或電力難以送達(dá)的邊緣或偏辟地區(qū)，大多油田均使用電動(dòng)機(jī)。本次設(shè)計(jì)的抽油機(jī)動(dòng)力源使用電動(dòng)機(jī)，其型號(hào)為Y315S-8(55KW 740rpm)。
3.12 軸承座
每一臺(tái)抽油機(jī)有三個(gè)軸承座，即中央軸承座、尾軸承座和曲柄銷(xiāo)軸承座，根據(jù)抽油機(jī)的不同型號(hào)，共有5 種同一型號(hào)、不同規(guī)格的軸承座，具體型號(hào)見(jiàn)SY/T 5795—93《游梁式抽油機(jī)安裝尺寸、易損件配合尺寸》標(biāo)準(zhǔn)。
圖圖8 API常規(guī)型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
1——驢頭；2——游梁；3——橫梁；4——連桿；5——曲柄裝置；6——減速器；7——電動(dòng)機(jī)裝置；8——?jiǎng)x車(chē)機(jī)構(gòu)；9——底座；10——支架；11——懸繩器；12——光桿卡瓦；13——吊繩
游梁抽油機(jī)的基本參數(shù)和分類(lèi)
4 游梁抽油機(jī)的基本參數(shù)和分類(lèi)
抽油設(shè)備的功用就是從一定的井深抽出一定數(shù)量的原油，所以，井深和產(chǎn)量就標(biāo)志著抽油設(shè)備的工作范圍。為了達(dá)到這兩個(gè)指標(biāo)，對(duì)游梁式抽油機(jī)的工作能力提出了各方面的要求，這就是游梁式抽油機(jī)的基本參數(shù)：
抽油機(jī)的的參數(shù)主要是：懸點(diǎn)額定載荷、沖次數(shù)和光桿沖程，由于這三個(gè)參數(shù)是獨(dú)立的，分別代表抽油機(jī)主要性能指標(biāo)，故我們稱(chēng)之為基本參數(shù)；另外，抽油機(jī)減速器的額定扭矩、電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率，也是其重要的技術(shù)參數(shù)，但它們不是獨(dú)立的，而是由抽油機(jī)的基本參數(shù)決定的，故我們稱(chēng)之為總體參數(shù)。在規(guī)劃這些參數(shù)的過(guò)程中，額定懸點(diǎn)載荷根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)提供的公稱(chēng)尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)行公制轉(zhuǎn)換、圓整即可；對(duì)于一臺(tái)抽油機(jī)而言，一般有三到四個(gè)沖程，其中最大的光桿沖程可以依照API標(biāo)準(zhǔn)提供的公稱(chēng)尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)行公制轉(zhuǎn)換、圓整，其它幾個(gè)沖程則要根據(jù)計(jì)算求得。計(jì)算的論據(jù)是既要符合制造要求，又要滿(mǎn)足沖程梯度的變化，即符合不同型號(hào)的抽油機(jī)最大沖程的變化規(guī)律。單一的沖次數(shù)決定了抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)決定了抽油機(jī)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的動(dòng)載荷，在規(guī)劃抽油機(jī)的沖次數(shù)時(shí)，主要是考慮抽油機(jī)的平均抽吸速度，其值在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，并且隨著沖程的增加而增大。減速器的額定扭矩依照API標(biāo)準(zhǔn)提供的公稱(chēng)尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)行公制轉(zhuǎn)換、圓整，并且符合SY5044-2000《游梁式抽油機(jī)》的要求。
4.1 驢頭懸點(diǎn)（掛抽油桿處）的最大允許載荷
它主要取決于抽油桿柱和油柱的重量，實(shí)際上的它表明在一定的抽油桿和抽油泵泵徑組合時(shí)的最大下泵深度（或井深）。目前，懸點(diǎn)的最大允許載荷從5~8KN到150~280KN。
根據(jù)懸點(diǎn)最大允許載荷Q的變化范圍，可將抽油機(jī)分為以下幾種：
輕型…………………………….
中型……………………………
重型…………………………….
4.2 懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度
它主要決定于抽油機(jī)的產(chǎn)量以及抽油機(jī)的基本尺寸和重量。石油礦場(chǎng)上，應(yīng)用的懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度從0.3到10米，而用的最廣泛的在六米以下。
根據(jù)懸點(diǎn)最大沖程的變化范圍，可將抽油機(jī)分為以下幾種：
短沖程 ……………………….
中等沖程 …………………….
長(zhǎng)沖程 ……………………….
超長(zhǎng)沖程 …………………….
4.3 懸點(diǎn)的最大沖程次數(shù)
它表明抽油機(jī)的抽汲工況.最大沖程次數(shù)和最大沖程長(zhǎng)度一起,確定了抽油機(jī)的最大產(chǎn)量(當(dāng)泵徑一定時(shí))。目前，實(shí)際應(yīng)用的懸點(diǎn)最大沖程次數(shù)從2~4min到20 min。因?yàn)?，抽油桿的折斷系數(shù)和沖程次數(shù)成正比，所以限制了沖次的進(jìn)一步提高。
根據(jù)懸點(diǎn)的最大沖程次數(shù)的變化范圍，可將抽油機(jī)分為以下幾種：
低沖次………………………..
中等沖次……………………..
高沖次………………………..
4.4 減速箱曲柄最大允許扭矩
它和上述三個(gè)基本參數(shù)間存在一定的關(guān)系，特別是和懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度成正比。即越大，也越大。同時(shí)，曲柄的最大允許扭矩確定了減速箱的尺寸和重量。
根據(jù)減速箱曲柄最大允許扭矩的變化范圍，可將抽油機(jī)分為以下幾種：
小扭矩………………………
中等扭矩……………… ….
大扭矩………….. …………
超大扭矩……………… …
如果將扭矩和沖程次數(shù)兩個(gè)基本參數(shù)相乘，就可得到抽油機(jī)單位時(shí)間（一分鐘內(nèi)）所需的功率。所以，也可根據(jù)抽油機(jī)所需的功率把它分為以下幾種：
小功率…………….
中等功率………….
大功率…………….
超大功率………….
上面，我們根據(jù)抽油機(jī)的四個(gè)基本參數(shù)和最大功率對(duì)它進(jìn)行分類(lèi)，以便于抽油機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算。此外，抽油機(jī)按其結(jié)構(gòu)可分為：前置式和后置式。按平衡方式的不同可分為：機(jī)械平衡和氣動(dòng)平衡。機(jī)械平衡需要金屬多，調(diào)整不方便，但結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，是目前應(yīng)用最多的一種。氣動(dòng)平衡重量輕，調(diào)整方便，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多用于重型長(zhǎng)抽油機(jī)。
為了能對(duì)游梁式抽油機(jī)正確的進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和改進(jìn)，首先必須研究上述的四個(gè)基本參數(shù)的大小和變化規(guī)律；最后，根據(jù)油田生產(chǎn)實(shí)際給定的條件對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和改進(jìn)。
CYJRM912D-365-192HB型偏置抽油機(jī)各字母和數(shù)字所代表的意義：
CYJ—游梁抽油機(jī)的代號(hào)，RM—偏置型，D—雙圓弧齒輪減速器，365/160—驢頭懸點(diǎn)的最大載荷為36500LbS/160KN，192In/—光桿最大沖程長(zhǎng)度，912—減速箱曲柄最大允許扭矩為912000InLbs/，H—減速箱為點(diǎn)嚙合圓弧齒輪傳動(dòng)型，B—曲柄平衡。它屬于重型、長(zhǎng)沖程、中等沖次、超大扭矩型的抽油機(jī)。
偏置抽油機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
5 偏置抽油機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1 CYJRM912D-365-192抽油機(jī)的計(jì)算參數(shù)
曲柄半徑(R)為：1.145(米)
連桿長(zhǎng)(P)為：4.345 (米)
游梁前臂(A)長(zhǎng)為：4.360 (米)
游梁后臂(C)長(zhǎng)為：3.000 (米)
曲柄回轉(zhuǎn)中心至中心軸承的垂直距離（H—G）為：4.140 (米)
曲柄回轉(zhuǎn)中心至中心軸承的水平距離（I）為：4.140 (米)
游梁的最大擺角：Ψ=48.173 （度）
沖程：s=3.666(米)；沖次：8（/分）；泵徑：38（厘米）
偏置角（τ）：-9 (度)
懸點(diǎn)載荷：190（千牛）；電動(dòng)機(jī)的額定功率：55（千瓦）
偏置型抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下所示，其中已知條件為：曲柄半徑R，連桿長(zhǎng)度P，游梁后臂長(zhǎng)度C，游梁前臂長(zhǎng)度A，減數(shù)器輸出中心到支架軸承中心的水平距離I，減數(shù)器輸出中心到支架軸承中心的垂直距離（H-G），沖次數(shù)n，減速器的額定扭矩T，電動(dòng)機(jī)的額定功率。
圖9 偏置型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
5.2 幾何計(jì)算
根據(jù)圖中的符號(hào)定義，則有：
5.2.1 計(jì)算β
（1）
式中： （2）
， （3）
5.2.2 計(jì)算
（4）
（5）
（6）
5.2.3 計(jì)算
（7）
5.1.4 計(jì)算
（8）
5.2.5 計(jì)算
（9）
5.2.6 計(jì)算沖程長(zhǎng)度S
（10）
其中： （11）
（12）
5.3 運(yùn)動(dòng)計(jì)算
5.3.1計(jì)算懸點(diǎn)的速度
； （13）
（14）
（15）
（16）
（17）
5.3.2 計(jì)算懸點(diǎn)的加速度
（18）
（19）
（20）
（21）
（22）
作表1,其內(nèi)容為。
表1 抽油機(jī)具體參數(shù)值
θ度
α度
δ度
β度
Aa
0
558.2604
22.21030805
86.10828
0.773162
14.54998
180
23.0982741
81.51397
0.839255
15
179.4313
23.09740563
81.39616
0.839987
30
160.427
22.07844218
78.40574
0.806479
45
141.5689
19.23351803
77.37883
0.655574
60
123.2852
14.90232089
78.40574
0.42228
75
106.0034
9.606557277
81.39616
0.178375
90
90.02652
3.894356336
86.10828
-0.016017
105
75.46694
-1.792444227
92.21459
-0.14147
120
62.26096
-7.16458827
99.36247
-0.211055
135
50.22515
-12.059067
107.2048
-0.250099
150
39.10951
-16.38294556
115.3976
-0.284597
165
28.62531
-20.0538022
123.5686
-0.340017
180
18.44431
-22.94057224
131.2578
-0.443805
195
8.174399
-24.80117046
137.8319
-0.617074
206.4258
360
-25.29109801
141.563
-0.778291
210
357.3393
-25.24183452
142.425
-0.824171
225
345.4464
-23.81353431
144.1038
-0.90711
240
332.2149
-20.34938501
142.425
-0.740597
255
317.7343
-15.20791665
137.8319
-0.446329
270
302.2976
-9.038028473
131.2578
-0.178964
285
286.166
-2.44913774
123.5686
0.028336
300
269.4953
4.079684292
115.3976
0.197088
315
252.3559
10.15849409
107.2048
0.350563
330
234.7676
15.43432733
99.36246
0.501277
345
216.7306
19.56264718
92.21458
0.64818
360
198.2603
22.21030805
86.10827
0.773162
圖10 加速度隨θ變化的曲線圖
懸點(diǎn)的理想加速度曲線類(lèi)似于余旋函數(shù)，懸點(diǎn)實(shí)際加速度隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的曲線與理想的加速度曲線基本一致。
5.4 工藝計(jì)算
5.4.1 假設(shè)條件
⑴、載荷或力的單位均按KN或N計(jì)算;
⑵、抽油桿的密度取7850；油液的密度為850；
⑶、泵的沉沒(méi)度；
⑷、不考慮抽油桿工作中的彈性伸長(zhǎng)；
⑸、不考慮由于油管內(nèi)徑與柱塞直徑的不同而引起的加速度變化。
5.4.2 符號(hào)定義
1、 ——抽油桿的名義載荷值，單位為“噸力”；
2、 ——上沖程靜載荷（KN）;
3、 ——下沖程靜載荷（KN）;
4、 ——抽油桿的截面積（）;
5、 ——抽油泵的截面積（）;
6、 ——油液的密度;
7、 ——抽油桿的密度;
8、 d——抽油泵的直徑（cm）;
9、 ——抽油桿的直徑（cm）;
10、 L——下泵深度（m）;
11、 Q單井日產(chǎn)液量（t/d）;
5.4.3 計(jì)算過(guò)程中常用的數(shù)據(jù)表
表2 泵徑及其截面積
泵徑(mm)
28
32
38
45
51
57
63
70
83
95
面積
6.16
8.04
11.34
15.90
20.43
25.52
31.17
38.48
54.10
70.88
表3 抽油桿的直徑及其截面積
抽油桿的直徑（英寸）
5/8``
3/4``
7/8``
1``
1.125``
截面積
1.98
2.85
3.88
5.07
6.41
表4 API抽油桿尺寸組合表
泵徑
cm
抽油機(jī)型號(hào)
CYJ5-4-26
CYJ8-3-37
CYJ10-2-53
CYJ12-4.8-73
CYJ14-5.4-89
抽油桿的尺寸幾配比
28
7/8``3/4``
0.280.72
1``7/8``3/4``
0.200.230.57
→
→
→
32
7/8``3/4``
0.350.65
1``7/8``3/4``
0.230.260.51
→
→
→
38
7/8``3/4``
1``7/8``3/4``
→
→
→
0.350.65
0.260.300.44
45
7/8``3/4``
0.410.59
1``7/8``3/4``
0.310.350.34
→
→
→
51
7/8``
1``7/8``
0.400.60
→
→
→
57
↓
↓
1``
1``
1``
63
↓
↓
1``
1``
1``
70
↓
1``
1``
1``
1``
83
1``
1``
1``
1``
1``
95
1``
1``
1``
1``
1``
5.4.4 計(jì)算在給定的泵徑、沖程和沖次下的最大下泵深度
（1）初步確定上沖程的靜載荷
（23）
式中：—上沖程的最大加速度，，向上為正
（2）計(jì)算抽油桿的當(dāng)量截面積
（24）
式中：——各抽油桿的面積；—各抽油桿的比例；
（3）計(jì)算最大下泵深度
（25）
將計(jì)算的圓整到一個(gè)偏小值（最小圓整單位為50m），確定L。
（4）重新計(jì)算，計(jì)算
（26）
（27）
5.4.5 計(jì)算單井理論日產(chǎn)液量Q
t/d （28）
5.4.6 計(jì)算工作扭矩、平衡扭矩、凈扭局及偏置角
TN＝TW－TR （29）
由于： （30）
（31）
故有： （32）
式中：—扭矩因素；其值為： （33）
—懸點(diǎn)載荷值；
上沖程 （34）
下沖程 （35）
M—平衡扭矩，調(diào)試值；
τ—偏置角，調(diào)試值；
在計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)調(diào)試M及τ，使計(jì)算出來(lái)的凈扭矩TN滿(mǎn)足下述約束條件：
⑴、的正、負(fù)最大值均小于減速器的額定扭矩值；
⑵、的負(fù)值應(yīng)盡量小些；
⑶、上下沖程分別出現(xiàn)兩個(gè)的正峰值，其大小應(yīng)相等；
⑷、的均方根最小。
如果計(jì)算出來(lái)的最大凈扭矩TN大于選定減速器的額定扭矩TE，則令：
，，重復(fù)上述步驟，直到滿(mǎn)足要求為止。
5.4.7 算實(shí)際沖程和實(shí)際產(chǎn)量
（36）
（37）
（38）
t/d （39）
式中： ，，，
5.4.8 計(jì)算電動(dòng)機(jī)的功率
（40）
式中：—凈扭矩的均方根值，可按下式計(jì)算：
（41）
電動(dòng)機(jī)的總效率，可取0.6
如果計(jì)算出的電動(dòng)機(jī)功率P大于選定電動(dòng)機(jī)的額定功率，則令
（42）
（43）
重復(fù)上述步驟，直到滿(mǎn)足要求為止。
作表5其內(nèi)容為值。
表5 以下是各扭矩計(jì)算結(jié)果
θ度
Tw
Tr
Tn
Tf
0
-5765.585
-4025.965
-1739.62
-0.522617
14.54998
-0.018
2489.013
-2489.031
-0.000001
15
317.361
2690.123
-2372.762
0.016704
30
10778.96
9222.882
1556.082
0.569088
45
19795.93
15127.12
4668.811
1.05995
60
25940.61
20000.46
5940.145
1.420051
75
28861.04
23510.81
5350.224
1.617782
90
29187.07
25418.944
3768.133
1.667913
105
27854.64
25594.81
2259.832
1.612026
120
25610.92
24026.43
1584.486
1.1492711
135
22879.47
20820.69
2058.782
1.338851
150
19787.1
16196.06
3591.039
1.162005
165
16199.66
10467.69
5731.977
0.956789
180
11730.28
4025.964
7704.315
0.700342
195
5796.412
-2690.122
8486.534
0.352458
206.4258
0.004
-7707.09
7707.094
0
210
-1190.333
-9222.886
8032.553
-0.12668
225
-6640.828
-15127.12
8486.293
-0.713187
240
-12061.9
-20000.46
7938.567
-1.272084
255
-16310.71
-23510.81
7200.106
-1.667192
270
-18818.02
-25418.94
6600.918
-1.871112
285
-19698.49
-25594.81
5896.313
-1.918171
300
-19234.87
-24026.43
4791.563
-1.842028
315
-17595.7
-20820.69
3224.99
-1.660067
330
-14814.24
-16196.05
1381.814
-1.377591
345
-10859.93
-10467.68
-392.246
-0.955944
360
-5765.573
-4025.962
-1739.612
-0.522616
圖11 工作扭矩、平衡扭矩、凈扭矩圖
以下是重要計(jì)算結(jié)果
游梁的最大擺角為： 48.173（度）
理論沖程： 3.6(米)
實(shí)際沖程： 1.1324 (米)
上沖程的最大加速度Aa為： 0.839987（米/秒2）
上沖程最大加速度位置： 15.0（度）附近
最大下泵深度H為： 4164.36（米）
日產(chǎn)油量為： 47.894 (t/d)
實(shí)際產(chǎn)量為： 14.794 (t/d)
最大掛重： 14903.3（公斤）
計(jì)算電機(jī)功率為： 55.000（千瓦）
最大載荷： 17128.8（公斤）
最大平衡扭矩為 230.60 （千牛米）
最大凈扭矩為： 70.87 （千牛米）
均方根扭矩為： 39.39 千牛米）
5.5 主要構(gòu)件的受力計(jì)算
5.5.1 建立力學(xué)模型
圖12 偏置式抽油機(jī)受力分析簡(jiǎn)圖
5.5.2 計(jì)算
（44）
（45）
（46）
（47）
（48）
（49）
（50）
5.5.3 計(jì)算工作扭矩
即：
（51）
從上面的一系列受力計(jì)算公式中可以看出：
1）懸點(diǎn)載荷是對(duì)各桿件和節(jié)點(diǎn)受力大小影響最大的因數(shù)。因?yàn)閼尹c(diǎn)載荷是變化的，所以各個(gè)桿件和節(jié)點(diǎn)的受力也是變化的。
2）因?yàn)樵谑芰τ?jì)算公式中包括各個(gè)桿件長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)角及懸點(diǎn)的加速度，所以，各桿件和節(jié)點(diǎn)的受力大小在一定程度上取決于抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
作表6,其內(nèi)容為。
表6 各桿件及節(jié)點(diǎn)的受力值
θ度
W
FL
FX
FY
Fq
0
11032.15
16070.45
5035.44
30237.33
-15259.8
14.54998
18998.22
27916.38
7013.29
52922.17
-27916.4
15
18999.5
27926.89
6959.92
52951.99
-27925.5
30
18940.77
28100.63
5085.71
53563.96
-26474.7
45
18676.28
27814.97
3182
53254.93
-21780.2
60
18267.38
27101.58
1553.07
52123.08
-14856.2
75
17839.88
26222.39
459.2
50666.98
-7205.83
90
17499.16
25490.9
11.8
49438.56
13.47034
105
17279.28
25131.32
204.81
48771.23
6329.109
120
17157.31
25271.95
997
48771.02
11780
135
17088.88
25999.21
2367.74
49427.06
16644.24
150
17028.42
27395.66
4337.33
50690.33
21261.44
165
16931.28
29532
6956.9
52476.98
25920.64
180
16749.37
32380.98
10244.79