折梁式抽油機運動學分析及結構設計摘要：針對游梁式抽油機系統(tǒng)的效率低、能耗大、平衡性能差等缺點，開展對新型抽油機折梁式抽油機的研究。折梁式抽油機是由常規(guī)游梁式抽油機衍生而來，它有一個后伸并下折的游梁，廢棄了鋼絲繩而增加了游梁平衡；由于平衡重的多塊組合方式，使得平衡重很容易得到增減而方便平衡調節(jié)。折梁式抽油機由于平衡效果好，節(jié)能顯著，適應大型機小泵深抽作業(yè)的優(yōu)點。在本文中，首先設計了折梁式抽油機的整體結構，并對抽油機進行了運動學和動力學分析，得到了懸點速度、加速度和載荷的計算公式。通過和常規(guī)純曲柄平衡抽油機的凈扭矩比較，折梁式抽油機的曲柄凈扭矩下降了48.9%。最后對抽油機的零部件進行了設計，并繪制了裝配圖和零件圖。關鍵詞：折梁；抽油機；純曲柄平衡；凈扭矩Thekinematicanalysisoffoldingbeam-pumpingunitanditsstructuraldesignAbstract:Aimingattheproblemoflowefficiency,highenergyconsumption,andpoorbalanceperformance,thenewtypepumpingunit-foldingbeampumpingunitisdesigned.Thefoldingbeampumpingunitisderivefromconventionalbeampumpingunit,whichhasanextendedandfoldingbeam,abandonswireropeandincreasesthebeambalance.Themulti-blockcombinationofbalanceweightmakesthebalanceweightchangeeasilyandadjustmentconvenient.Foldingbalancebeampumpingunit,duetoitseffectivebalance,significantenergysaving,itcanadapttosmallpumpanddeepdrawingoperations.Inthispaper,theoverallstructureoffoldingbeampumpingunitisfirstlydesigned,thenthekinematicsanddynamicsanalysisforpumpingaremade,andspeed,accelerationandloadformulaofpolishedrodaregot.Comparedwiththeconventionalpurecrankbalancedbeampumpingunit,thecranknettorqueofthefoldingbeampumpingunitreducedby48.9%.Finally,thecomponentsofpumpingunitisdesigned,andtheassemblyandpartdrawingsareplotted.Keywords:Thefolding；Pumpingunit；Purecrankbalanced；NettorqueI目錄1緒論.11.1本文研究意義.11.2國內外抽油機研究現狀趨勢.11.2.1國內抽油機研究現狀.11.2.2國外抽油機研究現狀.21.2.3幾種常用抽油機.21.3本文研究內容及方法步驟.31.4創(chuàng)新點.32折梁式抽油機的工作原理.42.1常規(guī)型游梁式抽油機工作原理及結構特點.42.2折梁式抽油機工作原理及結構特點.53折梁式抽油機的運動學分析.73.1折梁式抽油機的幾何關系分析.73.2折梁式抽油機運動學分析.83.2.1懸點位移.83.2.2懸點速度.93.2.3懸點加速度.103.2.4懸點運動學參數計算結果.103.3折梁式抽油機三維視圖仿真.154折梁式抽油機動力學分析.184.1折梁式抽油機懸點載荷分析.184.1.1懸點靜載荷的大小和變化規(guī)律.194.1.2基本參數的擬定計算.224.1.3懸點動載荷的大小和變化規(guī)律.224.1.4懸點載荷參數計算及曲線.254.2平衡重計算.274.3連桿力計算.294.4減速箱曲柄軸扭矩計算.304.5折梁式抽油機和曲柄平衡抽油機曲柄凈扭矩計算結果及對比.315折梁式抽油機的主要零部件設計.355.1折梁式抽油機受力分析.355.2減速器的選擇.36II5.2.1減速器曲柄軸的最大允許扭矩的計算及減速器的選定.365.2.2減速器的潤滑與密封.365.3電動機的確定.385.4V帶的確定與大帶輪的設計.395.4.1V帶的確定.395.4.2大帶輪的設計.415.5游梁的設計.425.5.1游梁的材料選擇和參數設計.425.5.2靜強度校核.435.6連桿的設計.445.6.1選材.445.6.2校核.445.7中央軸承的校核.465.7.1中央軸承的校核.465.7.2軸承使用的注意事項.475.8曲柄銷的強度校核.475.8.1防止曲柄銷配合松動的措施.485.8.2曲柄銷材料的選擇.485.8.3曲柄銷的校核.485.9其他主要零部件設計.495.9.1支架與底座.495.9.2滑輪與多塊平衡重.505.9.3剎車裝置及剎車安全裝置.515.9.4驢頭.515.9.5折梁鉸接裝置.516結論.53參考文獻.54致謝.55附錄A基于Matlab的懸點參數計算程序.56附錄B基于Matlab的折梁式抽油機和純曲柄平衡抽油機的凈扭矩曲線對比圖程序.5811緒論1.1本文研究意義目前，游梁式抽油機是國內外石油工業(yè)的傳統(tǒng)采油方式之一，在我國石油開采中有桿抽油系統(tǒng)一直占主導地位。游梁式抽油機以其結構簡單、易損件少、耐用、可靠性高、操作簡便、維修方便、維護費用低等特點，在采油機械中占有舉足輕重的地位。此外，常規(guī)型抽油機還具有特別能適應野外、全天候、長時間連續(xù)運轉等特點。雖說游梁式抽油機是一種優(yōu)秀的機械采油裝置，但游梁式抽油機也存在許多缺點，如系統(tǒng)的效率低、能耗大、抽油時間以及平衡性能差等。另外，由于游梁式抽油機配置了與其抽汲油量所折算成的能量不相對應的大功率電動機和大扭矩的減速器，形成了“大馬拉小車”的耗能結構。為此，游梁抽油機都設有平衡裝置，但由于其懸點載荷在一個運轉周期里極不均勻，仍然不能獲得較平直的凈扭矩曲線。鑒于常規(guī)游梁式抽油機的以上缺點，開展對新型抽油機折梁式抽油機的研究。折梁式抽油機是由常規(guī)游梁式抽油機衍生而來，它有一個后伸并下折的游梁，廢棄了鋼絲繩而增加了游梁平衡；由于平衡重的多塊組合方式，使得平衡重很容易得到增減而方便平衡調節(jié)。折梁式抽油機由于平衡效果好，節(jié)能顯著，適應大型機小泵深抽作業(yè)的優(yōu)點，所以在未來的很長一段時間內，它將在機械采油中占有舉足輕重的地位。1.2國內外抽油機研究現狀趨勢目前，世界上生產抽油機的國家主要有:美國、俄羅斯、法國、加拿大和羅馬尼亞等。全世界生產抽油設備的公司有300多家，其中生產抽油機的公司有150多家。美國生產的抽油機品種最多，技術最先進，應用范圍最廣泛。其中包括液壓抽油機、梅普長沖程抽油機、柔性件傳動抽油機等等。1.2.1國內抽油機研究現狀在國內，抽油機模塊化設計的理論研究已經開展了多年，初步進行常規(guī)型和異相型游梁式抽油機模塊化設計的研究。但是，由于我國抽油機生產企業(yè)規(guī)模較小，過于分散，沒有開展模塊化設計。隨著市場的不斷發(fā)展，抽油機的需求已經向多品種、小批量方向發(fā)展，且油田從提出計劃到需要的周期大大縮短，生產企業(yè)要想滿足油田要求，快速響應市場，就必須按照新的設計方法組織生產，而模塊化設計方法正能滿足這一要求。21.2.2國外抽油機研究現狀在國外，抽油機的生產已經基本上被幾家大的機械制造公司所壟斷，如美國最早、最大的抽油機制造公司拉夫金公司、原蘇聯(lián)最大的抽油機生產基地阿塞拜疆石油機械制造集團。這些企業(yè)生產規(guī)模大，采用先進的部件優(yōu)化技術，將抽油機系統(tǒng)按功能分解成若干模塊，按照標準化、通用化、系列化的方式組織生產，企業(yè)的設計、制造及管理水平較高。以較少的生產模塊，最大限度地滿足不同用戶多種類型、規(guī)格抽油機的需要，給企業(yè)帶來了較高的經濟效益。根據美國拉夫金公司的產品樣本，他們所生產的79種型號的抽油機由十類近100種模塊組合而成，其生產的零部件具有高度的通用性，也較徹底地解決了零部件的通用和互換問題。由于采用模塊化設計方法，既滿足了多品種、小批量的市場需求，又解決了企業(yè)規(guī)?；瘑栴}，產品質量大為提高，成本大幅下降。目前抽油機包括液壓抽油機、梅普長沖程抽油機、柔性件傳動抽油機。本文正符合國內外研究趨勢，通過改變常規(guī)游梁式抽油機的平衡形式和結構形式，達到降低配置、節(jié)省能耗目的。1.2.3幾種常用抽油機（1）異型游梁式抽油機異型游梁式系列抽油機包括雙驢頭抽油機、彎游梁抽油機和對常規(guī)游梁抽油機節(jié)能改造的機型等機型。異形游梁式抽油機是以常規(guī)抽油機為基礎模式而研制出的新機型，它采用變徑圓弧狀的游梁后臂，游梁與橫梁之間采用柔性件連接結構，在主要結構上具有常規(guī)游梁式抽油機簡單，牢靠，耐用等特點，在性能上易于實現長沖程，并且具有突出的節(jié)能特點。（2）變矩式曲柄連桿無游梁抽油機變矩式曲柄連桿無游梁抽油機是在游梁式抽油機的基礎上，將搖桿改成變徑天車輪，連桿改成柔性傳動件，設計變矩式曲柄連桿無游梁抽油機的計算結果表明，這種無游梁抽油機動力性能明顯優(yōu)于游架式抽油機，具有良好的節(jié)能效果，且兼有游梁式抽油機結構簡單、工作可靠、維護方便等優(yōu)點。（3）干擾平衡游梁抽油機干擾平衡游梁抽油機是一種新型的節(jié)能抽油機。它不僅保持了常規(guī)游梁抽油機結構簡單、可靠耐用的優(yōu)點，而且具有附加動載小，能耗低，綜合效率高，比常規(guī)抽油機節(jié)電30-50%以上，能延長整機使用壽命的特點。如14干擾平衡機只需要配37千瓦電機及53KN減速箱。（4）塔式節(jié)能抽油機塔式節(jié)能抽油機：高效、節(jié)能、沖程、沖次在額定范圍內無級調節(jié)，并可內設無線集中監(jiān)控接口，通過配套設施實現遙控。該機調參簡易、維護方便、安全可靠、維3護費用低，與常規(guī)抽油機相比節(jié)能50%以上，是一種智能型的節(jié)能抽油機。（5）偏輪游梁式抽油機該抽油機是在常規(guī)游梁抽油機的基礎上，在游梁尾部配置一偏輪，以偏輪為中心形成一六連桿機構，能很好的改善抽油機的運動性能。在相同情況下，與常規(guī)抽油機相比：1、懸點動負荷減小，最大線速度?。?、減速箱輸出扭矩減小30%-50%；3、節(jié)能37%以上；4、所配電網容量減少30%以上。本課題折梁式抽油機，正符合國內外研究趨勢，通過改變常規(guī)游梁抽油機的平衡形式和結構形式，達到降低配置，節(jié)省能耗目的。1.3本文研究內容及方法步驟本文設計需要解決的重點問題就是如何設計折梁式平衡式抽油機的結構，使整個抽油機的結構合理，并能夠相應地降低能耗。主要內容包括：（1）認真查閱、收集資料，深刻理解論文設計的內容，在此基礎上完成開題報告；（2）分析目前常規(guī)游梁式抽油機的缺點，提出折梁式抽油機的傳動方案；（3）根據提供的原始數據，并查閱相關資料，計算折梁重重心運動速度和加速度，并對抽油機運動學進行分析，得到懸點速度加速度的計算公式，分析其優(yōu)越性；（4）設計折梁式抽油機的機械結構，對主要性能進行校核；（5）畫出裝配圖及零件圖。本次設計為折梁式抽油機的結構設計，設計的主要步驟方法如下：（1）首先了解游梁式抽油機的工作原理、結構特點，