尉来集团-油田装备维修保养与再制造专家

　　常规游梁式抽油机的运动分析(下图为pｐｔ演示文稿，请双击打开相关内容) 5

　　随着原油和油气的产出,贮存压力减小。最终在某一点，贮存压力达到小的必需用人工举升的方式才可以产油。

　　游梁式抽油机，是一个借鉴了水井工业的理想应用.自从1925年Trout设计的油泵演变到现今的具有统治地位游梁是人工举升设备。历经多年的发展和完善，主要是提高其可靠性和零件的设计方法上。比如抽油杆材料从木头改变成玻璃钢和塑料加强型。

　　（１)传统型  传统的曲柄配重型被广泛的接受和认可，是久经考验的油田“战士”。支点前面是负载，后面是配重。

　　（2）前置配重型由于其独特的几何结构和配重特征,低转矩峰值和低动力需求.运行特点是是快速的下冲程，慢速的上冲程.减小重型负载上冲程的加速载荷。降低峰值转矩延长油杆寿命.

　　（3）结构紧凑型紧凑结构的设计防便用于经常移动的工作方式或者城区的应用,很多部件在工厂已经完成安装.

　　(４）气压配重型 应用压缩气体替代沉重的铸铁配重块并且可以更精确得控制配重。大大的减轻了系统地重量，运输和安装费用明显降低。气压配重独特的优点在于更大的增大冲程，而对于铸铁配重结构来说将是非常庞大难于实现。

　　游梁式抽油机是有杆抽油系统的地面驱动装置，它由动力机、减速器、机架和连杆机构等部分组成.减速器将动力机的高速旋转运动变为曲柄轴的低速旋转运动；曲柄轴的低速旋转圆周运动由连杆机构变为驴头悬绳器的上下往复直线运动，从而带动抽油泵进行抽油工作。游梁式抽油机是机械采油设备中问世最早的抽油机机种,基本结构如图1所示:

　　1—刹车装置２一电动机３一减速器皮带轮４一减速器５一动力输入轴6一中间轴７一输出轴8一曲柄9一曲柄销１０一支架１1一曲柄平衡块１２一连杆13一横梁轴1４一横梁１5一游梁平衡块1６一游梁17一支架轴1８一驴头１9一悬绳器20一底座

　　型号 ＡＰＩＳpｅc.１1E 额定悬点载荷 减速器扭矩 冲程 冲次 电机功率 整机质量

　　1、所有技术参数完全符合美国石油学会(AＰI）标准11Ｅ中的规定。ﻫ２、整机结构合理、工作平稳、噪音小、操作维修方便.ﻫ３、游梁选用箱式结构或宽翼缘工字钢结构，强度高、刚性好、承载能力大.

　　４、减速器采用人字型渐开线或双圆弧齿轮,加工精度高，承受能力强，使用寿命长。ﻫ5、中央轴承座和横梁轴承座其轴承选用中宽系列滚子轴承,密封性好、承受能力强；横梁轴承及曲柄销轴承采用调心轴承结构，以降低安装造成的误差和抽油机运转时的振动.ﻫ６、驴头可选用侧转式、吊挂式、上翻式或自让位结构形式。

　　7、机架采用塔式结构,稳定性好，便于现场安装，大型机机架则采用活动收缩式结构，便于包装运输。ﻫ8、曲柄平衡重采用齿轮齿条传动,调整轻便、准确。ﻫ9、刹车采用内涨式或外抱式结构并配有保险装置，操作灵活、制动迅速、安全可靠.ﻫ1０、底座固定备有压板式和地脚螺栓式,可供用户选用。ﻫ１1、吊绳可选用不旋转钢丝绳,避免吊绳打扭现象。ﻫ12、胶带可选用普通Ｖ带或联组窄Ｖ带。

　　在石油采油过程中对常规游梁式抽油机的应用已有上百年的历史,由于其结构简单，平衡性、稳定性突出等特点而被延用至今。我国生产的抽油机按照抽油机承受的悬点额定载荷主要分为2、3、5、8、１0、１２、14、16等型，每种型式的抽油机又按照不同冲程、曲柄轴额定扭矩分为多种规格的机型。近几年随着计算机应用技术的不断提高，优化设计方法也被广泛应用于抽油机的设计中,使得抽油机设计周期大大缩短，设计精度大大提高，抽油机的规格和类型也更加多样化.

　　目前,国内油田广泛使用、有代表性的常规游梁式抽油机主要是CYJIO系列机型,为了满足系统设计要求（电动机驱动功率37KW～4５KW，转速９５0～98０传／分钟的设计要求),在此我们选用CYJＩO－3—53ＨＢ型抽油机,该型机主要由兰石厂和大庆总机械厂生产，主要技术指标如表1所示：

　　由公式Pmax=Tmax来确定电动机转速,其中Ｐmａx为驱动功率，为角速度，Tmax代表减速器额定扭矩。

　　当游梁式抽油机通过抽油杆的上下往复运动带动井下抽油泵工作时,在抽油机的驴头悬点上作用有下列几类载荷：

　　(１)静载荷 包括抽油杆自重以及油管内外的液体静压作用于抽油泵柱塞上的液柱静载荷.

　　（2）动载荷 由于抽油杆柱和油管内的液体作非匀速运动而产生的抽油杆柱动载荷以及作用于抽油泵柱塞上的液柱动载荷。

　　（3）各种摩擦阻力产生的载荷包括光杆和盘根盒间的摩擦力、抽油杆和油液间的摩擦力、抽油杆（尤其是接箍）和油管间的摩擦力、油液在杆管所形成的环形空间中的流动阻力、油液通过泵阀和柱塞内孔的局部水力阻力,还有柱塞和泵筒之间的摩擦阻力。

　　2。曲柄逆时针转动同时带动配重块。曲柄是通过联接杆连接游梁的,游梁提升和沉降活塞。驴头在最低位置的时候,标志着下冲程的止点。可以注意到曲柄和连接杆此时在一条直线．上冲程提升驴头和活塞，随之油背举升。在上止点,所有的铰链在一条直线。这种几种结构局限了连接杆的长度。

　　４。活塞和球阀。球阀是液体流动驱动开闭的。 上冲程中，动阀关闭静阀开启。活塞上部的和内部的液体从套管中被提升出去，同时外部液体补充进来。下冲程，动阀开启阀法关闭。液体流入活塞而且没有液体回流油井。

　　在上下冲程中，抽油杆自重始终作用于抽油机驴头悬点上，是一个不变的载荷,它可以用下列式子计算：

　　—抽油杆自重,ｋN; -抽油杆总长度，ｍ;—抽油杆的截面积，ｍ2;重力加速度，９.81N／kｇ2；-抽油杆的密度，kg/ｍ3;-每米抽油杆自重，kN/m.

　　由于抽油杆全部沉没在油管内的液体之中，所以在计算悬点静载荷时，要考虑液体浮力的影响。用代表抽油杆柱在液体中的自重,则它可以用下式计算：

　　作用于柱塞上的液柱载荷随着抽油泵阀门开闭状态的不同而变化.下冲程时，柱塞上的游动阀是打开的,柱塞上下连通.若不计井液通过游动阀和柱塞孔的阻力，则柱塞上下的井液压力相等，作用于柱塞上的液柱载荷等于零.上冲程时，游动阀关闭而固定阀打开，柱塞上下不再连通。柱塞上面的液体压力等于油管内液体静压力,而柱塞下面的液体压力，忽略液体通过固定阀时的阻力,等于油管外动液面以下液柱的静压力.这一压力差在柱塞上产生液柱载荷（单位kN)：

　　式中,－-－作用于柱塞的液柱载荷;——－井液密度，ｔ/；ｇ-－-—重力加速度，g=9。81m/;——-抽油杆总长或挂泵深度，m;h－-—泵的沉没深度,ｍ；-－—油井动液面深度,ｍ—－—泵的柱塞面积，

　　抽油杆和液柱在非匀速运动过程中产生惯性力而作用于抽油机悬点上的载荷称为动载荷.惯性力的方向与加速度方向相反.在抽油机系统中，我们规定取向上加速度为正,即取向下的载荷为正。忽略抽油杆的弹性，将其视为一集中质量,则抽油杆柱动载荷就等于抽油杆质量与加速度的乘积。

　　-抽油杆总长度，m；－抽油杆的截面积，m2； －抽油杆的密度,ｋg/ｍ３；

　　忽略液体的可压缩性。则液柱动载荷就等于液柱质量与液柱运动加速度的乘积。但由于油管内径与抽油泵直径不同,故抽油杆与油管形成的环形空间中液体的运动速度和加速度不等于抽油泵柱塞的运动速度和加速度（当忽略抽油杆的弹性时，柱塞泵的运动速度和加速度等于悬点运动速度和加速度)，为此引入加速度修正系数.

　　其中,,-－－泵的柱塞面积，;—抽油杆的截面积，m２； -用油管内径计算的流通面积，m２;—作用下柱塞环形面积上的液柱重量,kＮ；

　　减速器扭矩指的是游梁式抽油机在减速器输出轴(也称曲柄轴）上实际产生的扭矩。其大小和悬点载荷、冲程长度、抽油机四杆机构杆长比值以及抽油机的平衡状况有关。现以曲柄平衡的游梁式抽油机为例来推导曲柄轴扭矩的一般计算公式(见下图所示)。按照习惯，当曲柄连杆机构施加于输出轴上的扭矩方向与曲柄轴的旋转方向一致时（主动力矩)，扭矩为负值；相反时，扭矩为正值(阻力矩）。

　　在抽油机中规定：当摆动部件重心位于游梁后臂上时，B为正值；重心位于前臂上时,Ｂ为负值。B值可以用以下方法测定：将连杆曲柄销从曲柄上脱开,在悬点处施加一铅垂方向的力，使游梁保持水平位置；测量所施加的力,即为B值，单位是kＮ如果该力向下,B为正值；该力向上,Ｂ为负值。悬点载荷与结构不平衡重的差值称为纯光杆载荷。根据虚位移原理，当忽略四连杆中的摩擦损失以及摆动部件的转动惯性时，纯光杆载荷在曲柄轴上产生的扭矩为:

　　因=常数,故随曲柄转角的变化规律与悬点速度的变化规律一致。如果计及四连杆机构的摩擦损失和摆动部件的转动惯性，再加上曲柄平衡扭矩,则在曲柄上的净扭矩的一般计算公式为:

　　上式虽是针对曲柄平衡的游梁式抽油机的,但也可适用于复合平衡梁平衡和曲柄平衡组合）以及纯油梁平衡抽油机。

　　利用公式计算时,需要知道转动惯量的数据。实际计算时，动惯量在曲柄轴上产生的扭矩对净扭矩的影响不大，工程计算时可以忽略。

　　在大多数有关抽油机的文献中，均不计四连杆机构摩擦的影响而取=１； 净扭矩的计算公式进一步简化为：

　　但是,四杆机构的效率，对净扭矩的影响相当大.=０.９3与=１相比较，最大扭矩增加了２１％。因此,在计算减速器扭矩时,还是考虑抽油机四连杆机构效率为好。

　　由减速器扭矩计算的一般公式可知：在曲柄旋转一周的过程中,减速器扭矩随曲柄转角作周期性的变化，其变化规律可用扭矩曲线来表示.曲柄平衡的游梁式抽油机的减速器净扭矩是由载荷扭矩与曲柄平衡扭矩两部分组成，所以在扭矩曲线条扭矩曲线：载荷扭矩曲线、平衡扭矩曲线及净扭矩曲线.对于纯游梁平衡的游梁式抽油机,由于在扭矩计算的一般公式中没有曲柄平衡扭矩这一项，在扭矩曲线上只有一条净扭矩曲线.利用扭矩计算的一般公式，作出－数据表,即可绘制出扭矩曲线。

　　其中：—悬点速度;—悬点加速度;-扭矩因数；-工作载荷扭矩;—曲柄轴净扭矩.

　　由于曲柄平衡扭矩在曲柄旋转一周中的平均值为零，所以它对平均扭矩不发生丝毫影响,也就是说,曲柄平衡抽油机的减速器平均扭矩与抽油机的平衡程度无关，是一个不变量（当抽油机工况一定时)。

　　不论是上冲程还是下冲程，其起始状态和终了状态的速度均为零，因摆动体的惯性所产生的惯性扭矩在一个冲程内的平均扭矩亦必然等到于零，所以曲柄轴的平均扭矩与惯性扭矩无关。这样，曲柄轴的平均扭矩可用下列式计算：

　　曲柄转动一周中净扭矩的最大值称为最大扭矩。与平均扭矩几不同，最大扭矩一般发生在上冲程或下冲程的中部.但由于载荷扭矩变化规律的复杂性，最大扭矩也可能发生在冲程的其它任一位置上。没有一般的分析表达式可以计算各种不同平衡程度下的及其所处的曲柄转角，只能根据数据表或净扭矩曲线确定。是一个很重要的扭矩特性参数。无论是进行游梁式抽油机选型，还是在运转过程中对抽油机进行诊断都要用到这个参数。

　　曲柄转动一周中净扭矩的最小值称为最小扭矩。它同样既受载荷扭矩的影响,也受到平衡扭矩的影响.在许多情况下，往往小于零。小于零的净扭矩称为负扭矩.负扭矩一般出现在冲程的末尾。的数值及其发生时的曲柄转角也只能根据数据表或净扭矩曲线来确定.

　　负扭矩的存在意味着能量传递发生倒流,即能量不是由电动机向曲柄轴传输,而是由曲柄轴向电动机传输，使电动机处于发电运行状态。负扭矩一方面使电动机的平均效率和功率因数降低，另一方面使齿轮传动产生冲击载荷，所以，在设计和使用抽油机时，应力求加大，避免或减小负扭矩（绝对值)。

　　当假定电动机的电流与其轴上扭矩成正比关系时,用均方根扭矩代替变化的实际扭矩作用于电动机轴上,可保持电动机的发热状态相同。所以，均方根扭矩是选择电机额定功率的依据，是一个重要的扭矩参数。影响Tｍaｘ的各种因素如平衡扭矩、抽油机机构几何关系以及油井工况等都同样影响。均方根扭矩与平均扭矩之比称为抽油机的周期载荷系数。

　　亦是表示抽油机减速器扭矩变化均匀程度的一个参数[9］。越接近于1，表示扭矩变化越均匀.油井工况、抽汲参数、抽油机四连杆机构的几何关系以及平衡程度等都会影响的大小。

　　游梁式抽油机结构简单、维护方便、工作可靠，这些优点使其成为普及最广的一种抽油机，但这类抽油机存在大量的不足，其缺点归纳如下：

　　（l）由于连接是刚性的,所以动载荷大而引起冲击导致能量发生损失,运动平衡性差；

　　（２)游梁式抽油机是惯性较大的设备，且起动时采用带载直接起动方式，这样的起动方式要求起动力矩较大；

　　(3)游梁式抽油机是一个机、杆、泵系统，抽油杆在运动过程中的弹性变形对系统效率的影响是不能忽视的。过长的抽油杆在运动过程中弹性变形己经很明显，尤其是在换向加速度大时,抽油杆变形更大。这种变形使杆与泵内的活塞运动规律产生很大差异。在大多数情况下，抽油杆的弹性变形减少了活塞的实际行程，即降低了抽油泵的充满系数，从而影响泵的抽满率,降低泵效,使游梁式抽油机系统效率降低.油越粘稠抽油杆的弹性变化越大,冲次较高的抽油杆的弹性变形越大,对提高泵效越不利;

　　(4）游梁式抽油机在运行中传动角波动较大,无法保证各位置的传动角波动较大，无法保证各个位置的传动角接近90０，故曲柄受力大且不均匀，造成悬点的扭矩大，峰值波动剧烈。游梁式抽油机在运行过程中，曲柄转角是时刻变化的，其平衡效果也是不同的；

　　（5）游梁式抽油机承受一种带有冲击性的周期交变负荷,起动转矩大，在一个周期内负荷波动很大。悬点载荷造成的曲柄轴上扭矩峰值大，且为非正弦规律,而曲柄平衡重力矩是正弦规律，它与悬点扭矩差一相位，故二者无法相抵,造成曲柄上净矩峰值大，波动剧烈,甚至出现负扭矩.其扭矩曲线如下图所示：

　　［1］ 邬亦炯．游梁式抽油机曲柄轴扭矩计算公式剖析［J］.石油机械，1 ９９４,２2（5)：３5－42。

　　［2] 奕庆德．常规型抽油机尺寸参数设计[Ｊ］.石油机械，１9９5,２３(３）:6-9．

　　［3］ 王常斌,陈涛平，王江,李庆红.游梁式抽油机悬点运动参数的计算［Ｊ].大庆石油学报，19９8，22（1）：23-25．

　　[4］ 张建军，李向齐，石慧宁。游梁式抽油机设计计算［Ｍ］．北京:石油工业出版社， 200５。

　　［５］ 张连山﹒我国无游梁长冲程抽油机的新水平［J］﹒石油机械，１991,１9（9):4８～51。

　　［6］ 张晓玲,于海迎。抽油机的节能技术及其发展趋势[J］。石油和化工节能．２007(２）：４－6

　　[7］ 李健，唐红﹒无游梁抽油机几个重要参数的计算[Ｊ]﹒石油机械, 1994，２２（1０）：１1～１４。

　　[8] 张连山﹒长冲程无游梁抽油机集锦与发展研究[J]﹒钻采工艺， 1９98，21(2):33~42。

　　[9] 张自学,兆文清,王钢。国内外新型抽油机［Ｍ］.北京:石油工业出版社，1９94。

　　[10] 孙恒，陈作模．机械原理［M］．北京：高等教育出版社，2006。

　　［１１]纪名刚,濮良贵。机械设计（第八版）[M］．北京:高等教育出版社,2006。

　　[12］万邦烈．采油机械的设计计算［M］．北京：石油工业出版社，1９８8.

　　［１３］ 甘永立．几何量公差与检测［Ｍ］．上海：上海科学技术出版社，2003.

　　时光飞逝,不知不觉中自己的学生时期即将结束。对过去三年这段求学的时间，我将会认真总结自己的这段学习经历，这段学习经历即将开始步入社会的我会是一个更大的激励和鼓舞。在即将步入社会参加工作或者自主创业,我也会继续努力学习,争取做一个对社会对国家有用的人才。

　　此次设计把我在校几年学习的知识与实践结合起来,是对我的一个检验，同时也是我学习与进步的过程。在这次毕业设计过程中，我得到了众多老师和同学的热心帮助，使我今天能顺利的完成此次设计。在此，我表示以最衷心的谢意。

　　首先，我要感谢我的指导老师—张庆兰老师.在做毕业设计期间,张老师在百忙之中抽出宝贵时间为我进行答疑,在我的设计过程中给了我很大的帮助,不厌其烦地为我解决研究中遇到的问题,在多方面给我进行指导，纠正我的不足之处。他从毕业设计开始到论文的完成，根据我自身的一些实际情况，给了我详细的计划安排和指导，还经常提醒我设计进度，保证了我的学习和各项任务的完成.在此，特向张老师致以衷心的感谢和崇高的敬意!