尉来集团-油田装备维修保养与再制造专家

　　科技不断进步，渐渐的对于石油资源的需求量变得越来越大。在石油开采过程中最重要的开采工具：抽油机，对于石油的开采量起着至关重要的作用。因此，为了要满足市场对于石油资源的需求，必须要提高油田抽油机的工作效率。从油田抽油机的现状出发，探索其节能方式，进而提高油田抽油机的工作效率便成为了当今油田工作者不断探索和研究的重要课题。为了提高抽油系统的总体效率，在人们不断的努力研究下先后出现了多种新型抽油机，双驴头抽油机值得一提。然而双驴头抽油机也不能满足所有需求，它存在软性连接件寿命短、游梁断裂、支架稳定性差等问题。本文旨在对双驴头抽油机的强度进行加强，我选择10型双驴头抽油机进行本次课题的设计，对其进行二维建模，在建模完成之后采用Matlab编制强度校核的程序，对本型号抽油机进行强度校核，以保证其安全性能。因为抽油机是大型机械结构，考虑到其维修保养等因素，许多零件应该选择国标零件，这些零件不需要我进行设计。因此，本文中提及的10型双驴头抽油机专注于游梁、连杆、制动装置以及曲柄等部件的设计。最后通过Matlab程序对10型双驴头抽油机进行了强度校核，优化后的本型号抽油机满足强度要求，能够适应更复杂的工作环境。

　　自第二次工业革命之后，石油作为主要能源登上历史舞台，经过百年发展，人们从惨痛的历史教训中习得保护自然的重要性，与资源的宝贵。人们在不懈的研究新型能源，然而科技的进步需要时间，我们尚未完成新能源的研究，但是我们的日常生活与发展仍然需要大量的资源，因此石油资源仍然是目前最主要的资源。然而随着百年的开发，石油资源所剩已然不多，但是我们所需要资源的量越来越大，所以对抽油设备提出更高效率，更大出油量等要求。抽油设备本身为大型的机械结构，它有人们设计并不断的改善，然而随着人们不断的提出要求，随着工作环境的不同与其他各种因素的共同作用下，抽油设备会出现很多问题，例如游梁断裂，驴头开裂等。我针对这一现象进行选题，对抽油机中的双驴头抽油机进行研究，最后进行部分零部件改良使抽油机满足更高的强度，工作寿命延长。

　　抽油机作为主要能源的抽取设备它历经风雨也在不断的改进。[1-4]对抽油机做出了介绍，告诉我抽油机的组成与功用并且告诉我它的发展前景与存在的不足。在[5]中我又了解到别具一格的想法，看到新型抽油机的发展方向与设计理念。抽油机作为一种世界性的设备我们不可偏居一隅看待问题，[6]中详细的介绍了国外抽油设备的现状，其中以美国的抽油机效率最高可靠性强。节能减耗一直是永恒存在的要求[7-10]便提出了抽油机节能减耗的方法给我不少启迪。[11-18]中详细的阐释了抽油机的各个部件的信息，标示了设计准则，他们是我本次设计最基本的知识储备。另有相关文献便是对抽油机进行的优化，从现代不同的学科入手，提供了更多思路。

　　尽管双驴头抽油机在现存的众多类型的抽油机中比较优秀，但是这种大型机械设备总避免不了的会存在一些问题，如柔性连接寿命短，部件刚度小易损坏等缺点。

　　针对这些问题，我提出在常见的双驴头抽油机结构的基础上对横梁等易损部件进行了加强，使其能刚度增大，使其工作寿命变长。

　　因为内燃机的出现，石油成为能源的主要消耗品，经过百年的发展，石油资源已经被大量的消耗，但是对于石油的需求却日益增长，现如今随着社会的不断发展，对于石油能源资源的需求量的也越来越大，以至于现如今的开采设备所开采出的石油量并不十分充足，与之伴随而来的问题即对石油开采设备的更新换代，使抽油设备能够开采出更多的石油。为了提高抽油设备的开采量，其中重要的一个环节就是提高油田抽油机的工作效率[1]。随着科技的发展，油田抽油机的工作效率已经有了很大程度的提高，但仍无法满足日益提高的需求。据统计，目前我国抽油设备平均工作效率只有12%~13%，即便在一些技术较为先进的地区工作效率也只是30% 左右，比之世界上的一些发达国家水平还具有很大的差距。

　　现如今，在我国划分抽油机类型一般看其是否具有游梁。抽油机的机械结构经历了这么许多年的发展其性能与结构得到了显著性的改进。目前，在我们国内虽然已经有了几十家的生产厂家，抽油机已经发展出了很多种类，但是游梁式抽油机仍然占主要地位。与此同时，新型的抽油机也在不断的改进，其中主要包括液压式抽油机、增距方式用齿轮结构的抽油机和井架结构为桁架的抽油机，这些类型的抽油机在使用中不断的发展，不断的调整。随着社会文明层次的不断提高，人们对于石油资源的需求量愈来愈大，有需求就会有进步，因此抽油设备在不断的升级换代中。近些年来，在我国开采油田的过程中出现了原油中含有大量水的现象，为了保证开采处原油的质量，需要对抽油设备提出更高的要求，提出更严格的标准。假如我们已经在节能方面取得了不错的成绩，那么为了保证原油质量采油量加大，相应的应该加大采油的冲程。另外，在国内市场上的抽油机还出现了以下的几项问题：在具体进行工作的过程中，所运用的电能相对较大，但是对于能源的利用率也不高，这样一来，就会直接性的影响到工作的质量，所以，要集中性的探究出现的这些问题，确保抽油机可以走向可持续发展的道路[1]。

　　能耗大是当今世界抽油设备油所具有的重大问题。目前，国内油田采油的主要方式是机械采油，在机械运行时，会消耗很多的其他能源资源，如电能，然而其中70% 的能源消耗都与抽油设备抽取原油无直接的联系。因此，如果要提高油田抽油设备的工作效率，就必须要减少能源资源的消耗。空抽现象是当今油田抽油设备中所面临的主要问题之一[2]。空抽现象主要是指抽油机的抽油量未能完全达到其设定的标准。油田抽油机工作效率低下的另一个重要因素就是设备老化问题，随着石油工业的迅速发展，抽油机在不断为人们抽取能源资源的同时，其设备也在不断的老化，再加上工作人员对其保养和维修工作并不十分到位，因此也严重影响了作效率的提高[2]。

　　油田抽油设备是保障是油田产量的重要设备，因此，研究抽油设备所面临的现状，分析其所存在的问题，并根据其所存在的问题提出具体的并且有针对性的解决措施势在必行。尤其是对于节约能耗，是提高工作效率的关键。

　　在我们国内，采油作业早已实现完全机械化，通过将杠杆原理应用在在抽油设备上，在油田的开发上取得了较为不错的成绩。然而，现在的杠抽油机实际的应用效率并不高，因此必须要合理的应用减速装置等装置，且对发电机的运动形式进行改造，如此这般，才可以避免由于效率低所造成的石油开采成本增加的问题。近年来随着能源消耗加剧，如今世界上资源的存储量大幅度降低，但是人们对环境保护的重视程度不断的提高，且将不断的将新型技术应用于石油开采之中，不断的改进石油开采效率具有现实意义[3]。因此，深入研究抽油设备并进行创新设计是十分有必要的，以期石油开采效率不断提高，使石油开采成本不断降低。

　　在对抽油机的创新设计进程中，最为关键的就是具有科学的计划方案，在对抽油机的创新设计内容进行设计的同时还需要重视抽油机的动力设计。只有这样才能实现抽油机的创新目标设计，在实际应用当中才能充分的发挥新型抽油机的功用与价值，不断的提高石油的开采效率。

　　随着时代的发展抽油机的设计也应该注入新的东西，这个新的东西称为ARIZ理论，即发现问题并且解决问题算法。针对 ARIZ 而言，其本质上就是分析工具，在问题诸多且情况相对复杂的技术中被广泛应用，这个方法的核心就是要精准的找到问题，然后明确目标，进一步的讨论并研究问题，此算法应用的主要目的就是寻找问题解决的最优解，确保问题能够转化成理想状态，所在整个过程中发生问题，即可将其视为全新问题不能够展开在此求解，属于持续性的求解过程[3]。将 ARIZ 算法引入抽油机的创新设计阶段，以保证抽油机的总体合理性。

　　如下是抽油机的动力设计，一般来说，抽油机的驱动包括两种：硬驱动与软驱动。链式和卷式是硬驱动中最基本的两种，它们的优势就是保证动输出的动力能够直接传送至抽油杆。利弊相行，当电流相对较大时，它们没有办法起到保护作用，甚至会严重损坏采油设备造。相对软驱动来说，主要是钢丝绳带动式与带式，最突出的优势就是在发生故障的情况下可以充分发挥自我保护作用，然而在具体应用过程中，若绳子或者皮带受摩擦会形成热能，那么很难确保动力箱抽油杆直接传送[3]。我以为在设计中，使用钢丝绳软驱动更好，其主要为钢丝绳作用通过拽引的方式替换硬驱动机械运动，如此这般，不仅可以使齿轮间磨损程度降低，同样也有效规避了抽油机运行期间的热能损耗。

　　在油田的开发过程中，当油层的自然能量不足无法自喷的时候，便利用抽油机将原油抽到地面。游梁式抽油机因为其本身良好的特性成为应用最广泛的抽油机。普通的抽油机用交流异步电机直接驱动，曲柄通过皮带用平衡块来控制抽油杆，由此控制井下抽油泵做一个上下循环往复的周期运动从而将地底原油抽送至地面。在一次行程中，电动机伴随着抽油杆的上升与下降也会出现不同的状态变化。在抽油杆上升行程中电动机将电能输出为机械能带动抽油杆做功，当切换至抽油杆的下行程的时候，电动机不再消耗电能，且因为重力势能过大电动机会将一部分势能转化为电能保存。

　　在抽油机的上行程，抽油管会以弹性方式收缩，从而控制原油回收装置向上运动，并且滑动套筒冲击产生振动。当抽油管向下伸展的时候，机械原油回收装置向下运动，滑动套筒冲击产生振动，此时，逆向的单流阀将会部分关闭，活塞总成机构仍然封堵油道，从而让反向单流阀下方区域行程高压，于此同时会对地底油层的原油流通道，产生一股反向推力。

　　油井中的机械采油装置利用了抽油机油柱的上下往复循环运动，对地底油层产生一种吸抽挤压频繁交替的作用，有种和活塞类似的作用。油层内会有一些特别粘稠甚至颗粒状的东西影响原油的流动，然而在这种循环往替的作用下这些顽固分子也会产生移动，并最终脱离原位随着原油一同流动，从而实现通顺油道扩大油流量的目的。

　　在引入速度控制变送器之后，可以根据降级条件调节抽油机工作频率的变换，并且可以相应地调节上下行程的速度，从而获得最大的抽油量。特别地，当抽油机使用指定的频率工作时，不会产生冲击，从而可以解决由于保守和长距离选项等因素导致的低功率因数问题，并且实现效率的提高，并在提高整机寿命的同时节约能源。特别是抽油机的使用寿命延长，机械事故减少，提高可靠性。

　　双驴头抽油机是近些年来创新发展出抽油机中比较优秀的一种，我对双驴头抽油机进行结构设计，并最终进行结构校核探究其行性能是否得到优化。因为这种抽油设备是大型的机械结构，但是其组成并不复杂，考虑到维修方便维护简单等问题，其中许多部件采用标准件，那么抽油机整体的设计将由这些标准件出发，从配合关系入手进行计算从而完成本次设计以达到节能性好，结构简单，可靠耐用等目的。

　　结合国内外已有的科研成果，并根据抽油机的发展趋势，对双驴头抽油机进行改进，使其拥有结构紧凑，经久耐用，可靠性高，节约能耗，操作简单维修方便等优点。

　　抽油机上冲程的时候游动阀是关闭的光杆所受到的静载荷为抽油杆柱重以及活塞截面以上的重量。

　　抽油机在运行时驴头带动抽油杆柱和液柱变速运动，因此会产生动载荷，由此会有杆柱和液柱的惯性力。惯性的大小和方向与抽油杆运动速度基本一致，计算公式为：

　　抽油.机选择平衡模式是从吊载的变化规.律出发，工作循.环内吊载不是均匀变化。对于静态负载，上冲程.的时候，吊载需要提.起抽油杆和油柱，此时大量电能被消耗，下冲程时，抽油杆因其自身重量较大可自行下降，不需要其他设备提供能量，反而重力势能会变化为电能储存。因此，电动.机在一个冲.程之中的载荷分布是极其.不均匀的。在悬点的.下冲程时，需要增加平衡.重的势能将平衡重从低.处提至高处，为了抬高.平衡重，除了依靠抽.油杆的重力.势能之外，还需要电.动机另外做功，这样，就消除了下.冲程电动机接受.能量的现象[9]。反之，在悬点的上冲.程，平衡重的重力势能得.到释放，重力势能变换为电能用于发动机做功，减少了发动.机上冲程所需的能量。

　　目前游梁式.抽油机的平衡方.式有两种：机械平衡.和气动平衡。游梁平衡.就是在游梁的.尾部安装平.衡重，其位置不.可变，但大.小可调，曲柄平.衡是在曲柄上.安装平衡重，平衡重的.位置可以变化，但.是大小不能.调复合平.和就是两者的.结合体[9]。在本次设计中，考虑.到成本、结构的.复杂程度以及可.靠性能等因素，我选择机械.平衡中的曲柄平衡。

　　C: 从游梁支.架轴承中心.到平衡器轴承.中心的距.离，C=1900mm；

　　P: 游梁.拉杆的有效.长度(从平衡.器轴承中心.到曲柄销轴.承中心) ,P=3170.5mm；

　　θ：曲.柄角，井口处.于右侧看，曲柄中.心线点位置开.始，按顺.时针方向.的转动角度.

　　在计算抽.油机上行程时.曲柄每隔150 时的.光杆载荷和连杆上.的载荷时，我们按.抽油机“三高”状.态即：最高冲.程、最高.冲次、最大.悬点载荷.来考虑。此时连.杆曲柄销.装在曲.柄的最远处，曲柄半..径为836（设计给定），吊重即为额定载荷25600Ib，冲次为8冲/分。