II第1章緒論1.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)，特別是石油資源在能源結(jié)構(gòu)中的重要地位，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)作為高效、節(jié)能的石油開(kāi)采設(shè)備，逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。在國(guó)外，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的研究與應(yīng)用已經(jīng)歷了多年的發(fā)展與優(yōu)化，形成了多種類(lèi)型和技術(shù)體系。KarlovVI,KrykhtinYI（2023）[1]以節(jié)能增效為目標(biāo)，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)和使用了大量的節(jié)能抽油泵。其中，變相抽油泵節(jié)約了15%~35%的電能；前置泵節(jié)能36%；采用前置氣平衡泵可節(jié)省35%的電能；采用輪式抽油泵，可節(jié)約50%~80%的電能；大圈抽油泵可節(jié)省30%的電能；采用自平衡方式，可節(jié)省30%-50%的電能；ROTAFLEX抽油機(jī)節(jié)省了25%的電量；智能型抽油機(jī)節(jié)能達(dá)17%；螺桿泵采油可以節(jié)省40%~50%的能源消耗。CieslikS（2023）[2]研究了變平衡扭矩泵的上行程平衡扭矩比下行程的扭矩大；前開(kāi)式氣平衡泵因其能在動(dòng)態(tài)下行時(shí)達(dá)到平衡，因此具有良好的均衡效果；采用氣囊式平衡器，可使泵的負(fù)載達(dá)到90%以上。OliynykAP,FeshanychLI,UshkalenkoIM等人（2021）[3]研發(fā)了Rotaflex皮帶長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，該抽油機(jī)采用純機(jī)械傳動(dòng)的鏈條帶動(dòng)滾筒運(yùn)動(dòng)，具有運(yùn)行平穩(wěn)、受力均勻等優(yōu)點(diǎn)，Rotaflex皮帶長(zhǎng)沖程抽油機(jī)特別適用于有桿泵的大泵提液、小泵深抽等場(chǎng)景，其調(diào)參方便、平衡性好的特點(diǎn)得到了廣泛認(rèn)可AopMF,APCOG,CDZA等人（2020）[4]研制了變平衡力矩抽油機(jī)，該抽油機(jī)通過(guò)優(yōu)化平衡力矩的設(shè)計(jì)，該抽油機(jī)在上行程時(shí)的平衡力矩比下行程時(shí)要大，因此可以降低抽油機(jī)的功耗，提高了采油經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，國(guó)外在長(zhǎng)沖程抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，特別是在節(jié)能型抽油機(jī)的研發(fā)、平衡效果的改進(jìn)以及長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的發(fā)展方面。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和能源需求的不斷增長(zhǎng)，石油資源的開(kāi)采和利用顯得尤為重要。然而，隨著油田開(kāi)采深度的增加，傳統(tǒng)的抽油機(jī)設(shè)備逐漸暴露出能量傳遞效率低、能耗大、維護(hù)成本高等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代石油開(kāi)采的需求。倪勃（2023）[5]通過(guò)與現(xiàn)行主要機(jī)型的結(jié)構(gòu)方案比較，提出了一種新的驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)方案，從而解決了其高能耗、低產(chǎn)出的問(wèn)題。談宏洲,孟祥會(huì),劉錦河等人（2023）[6]在寬頻帶等技術(shù)已有較大發(fā)展。該類(lèi)型的抽油機(jī)采用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)換向，以達(dá)到長(zhǎng)沖程大負(fù)荷的要求。其優(yōu)點(diǎn)是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于稠油、低滲透等難動(dòng)用儲(chǔ)量的開(kāi)采。全平衡式寬帶長(zhǎng)沖程抽油機(jī)則進(jìn)一步提高了抽油機(jī)的平衡性和穩(wěn)定性，減少了動(dòng)載荷和振動(dòng)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。王睿（2024）[7]實(shí)現(xiàn)了從動(dòng)軸的正、反轉(zhuǎn)，達(dá)到了抽油機(jī)換向的目的。滾筒抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于各種復(fù)雜環(huán)境下的采油作業(yè)。其獨(dú)特的錐齒輪離合換向機(jī)構(gòu)使得抽油機(jī)的換向更加平穩(wěn)、可靠。張端光（2023）[8]數(shù)控抽油機(jī)是一種采用變頻調(diào)速技術(shù)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相的一種全數(shù)字機(jī)電系統(tǒng)。數(shù)控抽油機(jī)具有高度的自動(dòng)化和智能化水平，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)控制，大大減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，其精確的控制系統(tǒng)和高效的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使得抽油機(jī)的運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠，提高了采油效率和經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，國(guó)內(nèi)在長(zhǎng)沖程抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面取得了顯著的研究成果。這些研究成果不僅提高了抽油機(jī)的性能和效率，還為我國(guó)油田的采油工作提供了更加可靠、高效的設(shè)備支持。1.2目的意義從我國(guó)油田開(kāi)采現(xiàn)狀來(lái)看，隨著開(kāi)采深度的不斷增加，隨著油井含水率的增加，動(dòng)水位的降低，油層的開(kāi)采深度也在逐年增加。這些都對(duì)抽油機(jī)的性能提出了更高要求。傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)雖然仍是各大油田最常用的采油設(shè)備，但其能量傳遞效率低、電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低、能耗大、沖程不能大幅度提高等問(wèn)題日益凸顯，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展。長(zhǎng)沖程抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，旨在提高抽油機(jī)的整體性能和效率。長(zhǎng)沖程意味著每次抽油的行程更長(zhǎng)，從而能夠更有效地提取深層原油，提高石油生產(chǎn)這對(duì)提高油井生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)抽油桿及泵的使用壽命，都是十分必要的。同時(shí)，采用大行程抽油泵，可以減輕電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，增強(qiáng)其安全性能，減少設(shè)備的故障率，降低維護(hù)費(fèi)用。對(duì)長(zhǎng)行程泵送機(jī)構(gòu)的研究，將有助于促進(jìn)我國(guó)石油生產(chǎn)技術(shù)的革新與發(fā)展。隨著全球石油產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求也越來(lái)越大，因此，提高深層油氣資源的開(kāi)發(fā)利用是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。長(zhǎng)行程抽油泵的出現(xiàn)，為該問(wèn)題的解決開(kāi)辟了一條新途徑。通過(guò)對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)，可以探索出更高效、更節(jié)能、更環(huán)保的石油開(kāi)采方式，為石油工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。1.3解決問(wèn)題1.改進(jìn)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)。這種方法主要是通過(guò)對(duì)抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改變抽油機(jī)平衡方式來(lái)改變抽油機(jī)曲柄凈扭矩曲線的形狀和大小，見(jiàn)效負(fù)扭矩，使扭矩波動(dòng)平緩，從而減小抽油機(jī)的周期載荷系數(shù)，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的。2.采用節(jié)能原部件。如窄V型帶傳動(dòng)或同步帶傳動(dòng)等。3.改進(jìn)“三抽”系統(tǒng)部件。有采用抽油桿導(dǎo)向器、空心抽油桿、減震式懸繩器等部件，都可提高三抽系統(tǒng)的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的。1.4本章小結(jié)本章重點(diǎn)對(duì)雙跨復(fù)合式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)進(jìn)行深入的探討和所需要在后續(xù)解決的主要問(wèn)題。第2章長(zhǎng)沖程抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)2.1.1設(shè)計(jì)方案雙跨復(fù)合式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)是一種新型的抽油設(shè)備，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了長(zhǎng)沖程、高效能的特點(diǎn)。該設(shè)備采用雙跨框架設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，提升了設(shè)備的穩(wěn)定性和承載能力。設(shè)計(jì)過(guò)程中，注重將傳動(dòng)系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)能量的高效傳遞。在設(shè)計(jì)原則方面，雙跨復(fù)合式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)強(qiáng)調(diào)模塊化設(shè)計(jì)與整體優(yōu)化相結(jié)合。模塊化設(shè)計(jì)使得設(shè)備的組裝和維護(hù)更加便捷，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化各模塊之間的連接方式，提升了設(shè)備的運(yùn)行效率。此外，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了高效能傳動(dòng)元件，如高精度減速器和節(jié)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以降低能量損耗。總體而言，雙跨復(fù)合式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的設(shè)計(jì)原則包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化、傳動(dòng)高效、模塊化布局以及節(jié)能降耗。通過(guò)這些設(shè)計(jì)原則的綜合應(yīng)用，該設(shè)備在長(zhǎng)沖程工況下能夠?qū)崿F(xiàn)更高的抽油效率和更低的能耗。2.1.2長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)該設(shè)備的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是根據(jù)實(shí)際日產(chǎn)量200m3/d的井口流量而制定的。經(jīng)過(guò)周密分析,簡(jiǎn)要概括介紹了該設(shè)備的主要特點(diǎn),對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了選擇。圖2-1是根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則確定的結(jié)構(gòu)。5565567777744488333222291010111111112121-懸繩器；2-前吊繩；3-主架；4-可翻轉(zhuǎn)平臺(tái)；5-天車(chē)輪；6-后吊繩；7-曲柄；8-減速器；9-電動(dòng)機(jī)；10--底座；11-剎車(chē)裝置；12-后支腿圖2-1復(fù)合天輪式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)簡(jiǎn)圖1.電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)為設(shè)備提供動(dòng)力源，通常采用變頻電機(jī)或節(jié)能電機(jī)，可根據(jù)工況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。減速箱是將電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為低速高扭矩輸出，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。2.天輪組件屬于核心結(jié)構(gòu)，天輪滑輪組位于抽油機(jī)頂部，由多個(gè)滑輪組成，用于改變鋼絲繩的傳動(dòng)方向并支撐載荷；固定天輪安裝在支架頂部，作為導(dǎo)向輪；動(dòng)天輪:通過(guò)連桿或平衡臂與傳動(dòng)系統(tǒng)連接，隨運(yùn)動(dòng)軌跡擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)沖程放大；鋼絲繩/柔性帶:連接平衡系統(tǒng)與懸繩器，傳遞動(dòng)力并承受交變載荷。3.復(fù)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)它包含曲柄-連桿機(jī)構(gòu)和齒輪/鏈條傳動(dòng)兩部分，分別將將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)類(lèi)似傳統(tǒng)游梁抽油機(jī)。齒輪/鏈條傳動(dòng)是與天輪配合，通過(guò)滑輪組放大沖程長(zhǎng)度。沖程調(diào)節(jié)裝置是通過(guò)調(diào)整曲柄半徑或滑輪組位置改變沖程長(zhǎng)度。4.懸繩器功能是連接鋼絲繩與抽油桿，將天輪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞至井下泵柱塞。而抽油桿是垂直運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)井下泵完成原油舉升。5.平衡系統(tǒng)需要機(jī)械平衡塊，通過(guò)配重抵消抽油桿上下行程的載荷差異，減少電機(jī)能耗。部分機(jī)型的氣動(dòng)/液壓平衡裝置是用來(lái)輔助平衡動(dòng)態(tài)載荷，提升運(yùn)行的平穩(wěn)性。6.雙跨式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙獨(dú)特，其設(shè)計(jì)原理基于力學(xué)平衡與能量轉(zhuǎn)換。通過(guò)兩跨結(jié)構(gòu)的合理布局，使抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中能更好地實(shí)現(xiàn)力的平衡與傳遞。這種結(jié)構(gòu)利用特殊傳動(dòng)裝置，將動(dòng)力傳遞至游梁兩端，帶動(dòng)游梁做上下擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程。在這一過(guò)程中，兩個(gè)支撐點(diǎn)間的距離較大，使得游梁擺動(dòng)幅度相應(yīng)增大，從而帶動(dòng)抽油桿實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的沖程運(yùn)動(dòng)，滿(mǎn)足深井及復(fù)雜地質(zhì)條件下對(duì)長(zhǎng)沖程的需求，為高效開(kāi)采石油提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。2.1.3設(shè)計(jì)方案確定利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，對(duì)雙跨復(fù)合式抽油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尋求最佳的幾何參數(shù)，從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度，分析懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和減速器曲柄軸及電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。并對(duì)優(yōu)化后的該機(jī)與常規(guī)游梁式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力性能進(jìn)行對(duì)比，最后得出相應(yīng)的結(jié)論。2.2懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其分析圖2-2懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算簡(jiǎn)圖懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律直接影響抽油泵效、桿柱應(yīng)力及系統(tǒng)能耗。傳統(tǒng)游梁抽油機(jī)因剛性連桿傳動(dòng)，懸點(diǎn)加速度突變顯著。復(fù)合式天輪抽油機(jī)通過(guò)天輪-鋼絲繩柔性傳動(dòng)與曲柄-擺桿復(fù)合放大機(jī)構(gòu)，新型抽油機(jī)采用了一體化的復(fù)合式天車(chē)輪增程機(jī)構(gòu)，將天車(chē)輪與驅(qū)動(dòng)裝置整合在同一軸上,簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。除了保留剛性連接件,新型抽油機(jī)還引入了鋼絲繩柔性連接件。為懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)增添了新的特性,使其無(wú)法直接套用游梁式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析公式。所以,我們不能簡(jiǎn)單地將游梁式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律應(yīng)用于新型定徑天輪式抽油機(jī)。它們的懸點(diǎn)位移、速度和加速度等參數(shù)存在明顯差異,需要進(jìn)行單獨(dú)的動(dòng)力學(xué)分析。為有效提升傳動(dòng)系統(tǒng)的性能和可靠性，優(yōu)化策略的實(shí)施需要結(jié)合實(shí)際工況和節(jié)能需求，確保傳動(dòng)系統(tǒng)在長(zhǎng)沖程運(yùn)行中的穩(wěn)定性和高效性。圖2-2懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算簡(jiǎn)圖2.2.1懸點(diǎn)位移、速度和加速度H—天輪中心到曲柄軸的高度，mV—天輪中心到曲柄軸和曲柄軸的水平之間的距離，m1.當(dāng)懸掛點(diǎn)q處于下止點(diǎn)位置時(shí)，小盆形輪周?chē)摻z繩的止點(diǎn)懸掛點(diǎn)位移可表示為：（2-1）假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中鋼絲繩伸長(zhǎng)忽略不計(jì)，則能推出（2-2）式中（2-3）由圖可計(jì)算出下列數(shù)據(jù)

（2-4）

（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）（2-9）（2-10）（2-11）（2-12）（2-13）代入的計(jì)算公式，得（2-14）由此可得出如下計(jì)算公式:天車(chē)輪的角位移（2-15）2.天車(chē)輪的角速度：（2-16）式中3.天車(chē)輪的角加速度（2-17）式中4.懸點(diǎn)Q的位移（2-18）5.懸點(diǎn)速度（2-19）6。懸點(diǎn)加速度（2-20）2.2.2懸點(diǎn)速度、加速度的計(jì)算該設(shè)備的運(yùn)動(dòng)速度和加速度與結(jié)構(gòu)尺寸R、H、V、K以及運(yùn)動(dòng)頻率ω密切相關(guān)。這些參數(shù)的選擇需要根據(jù)具體的使用要求來(lái)確定。分析影響該設(shè)備運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)鍵因素,并給出了具體的參數(shù)設(shè)置方案。這有助于更好地理解和優(yōu)化這類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備。圖2-3為其變化規(guī)律曲線aa速度曲線b加速度曲線圖2-3懸點(diǎn)速度和加速度曲線（S=8m，n=7、8、9）min-1）va2.2.3加速度計(jì)算結(jié)果分析由加速度計(jì)算公式可以看出，加速度a的大小與結(jié)構(gòu)尺寸H、V、R、K、ρ和沖次n等有著密切關(guān)系。1.沖程沖次對(duì)加速度的影響根據(jù)公式計(jì)算可得，不同工況下的速度和加速度會(huì)表現(xiàn)出不同差異。如圖2-4所示，當(dāng)抽汲速度相同(72m/min)時(shí),四種沖程沖次匹配方案下加速度變化規(guī)律各不相同。(1)本機(jī)加速度曲線相對(duì)較為平滑,較接近理想的簡(jiǎn)諧余弦波形。這有利于整機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。(2)沖程長(zhǎng)沖次低時(shí),最大加速度值較小;反之,沖程越短沖次越高,最大加速度值就會(huì)越大。這就會(huì)給設(shè)備帶來(lái)較大的沖擊載荷。因此,合理配置沖程和沖次參數(shù)非常重要。既要保證系統(tǒng)平穩(wěn)性,又要降低設(shè)備負(fù)荷。需要慎重選擇,擇選出最佳的方案。1—6m×12min-12—7m×10.3min-13—8m×9min-11—6m×12min-12—7m×10.3min-13—8m×9min-14—9m×8min-1圖2-4S·n=72m/min對(duì)不同工況的四種加速度曲線比較圖根據(jù)8米沖程的要求，可以確定一個(gè)合理的H值為8.175米。確定H值后，我們可以探討V值的變化對(duì)加速度的影響。表2-2中8m×9min-1條件下,三種不同V值所對(duì)應(yīng)的加速度情況。從降低加速度的角度來(lái)看,V值越大效果越好。綜合考慮各方面因素,包括結(jié)構(gòu)要求,最終該設(shè)備選用V=3.30m?？梢钥闯?合理選擇參數(shù)對(duì)于優(yōu)化性能至關(guān)重要。這一過(guò)程需要仔細(xì)權(quán)衡各項(xiàng)指標(biāo),尋求最佳支撐點(diǎn)。表表2-1大小天輪不同半徑對(duì)加速度的影響2.221.8a(m/s2)4.414.514.62表2-2不同V值對(duì)a的影響V(m)2344.584.544.592.3懸點(diǎn)載荷分析懸點(diǎn)載荷F由靜載荷與動(dòng)載荷疊加構(gòu)成,懸點(diǎn)載荷指抽油機(jī)工作時(shí)，光桿(懸繩器)所承受的垂直方向總力，是抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和故障診斷的核心參數(shù)。抽油機(jī)的工作能力由其載荷大小來(lái)決定，抽油機(jī)的性能受懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的直接影響。例如，懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的功率需求發(fā)生變化，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的能耗效率。隨著油井深度增加，懸點(diǎn)載荷顯著增大，主要是由于抽油桿柱和液柱重量增加；產(chǎn)液量增大時(shí)，液柱載荷增加，懸點(diǎn)載荷也相應(yīng)增大；原油粘度增大，摩擦力增大，懸點(diǎn)載荷同樣增大。懸點(diǎn)載荷在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)呈周期性變化，上沖程載荷較大，下沖程載荷相對(duì)較小，準(zhǔn)確掌握懸點(diǎn)載荷變化規(guī)律對(duì)于抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核至關(guān)重要。2.3.1懸點(diǎn)靜載荷1.上沖程當(dāng)懸點(diǎn)從下死點(diǎn)往上運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖2-5(a)所示，（2-21）式中：（2-22）式中————————2.下沖程當(dāng)懸點(diǎn)在上死點(diǎn)對(duì)下運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖2-5(b)所示，（2-23）圖2圖2-6抽油桿柱和油管柱變形過(guò)程圖解abcde3.下死點(diǎn)下死點(diǎn)是從下沖程到上沖程的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。（2-24）N/m2。伸長(zhǎng)變形后，載荷p加到抽油桿柱或懸掛點(diǎn)上。如圖2-6（c）所示。(2-25)由于油管的縮短,油管柱的底端也隨著柱塞一同上升。但柱塞仍無(wú)法相對(duì)于抽油機(jī)筒移動(dòng),因此無(wú)法完成抽油動(dòng)作。為了解決這一問(wèn)題,需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化。畢竟,確保抽油機(jī)正常工作是最關(guān)鍵的目標(biāo)。(2-26)而靜變形的大小等于(2-27)圖2-圖2-7靜力示功圖上死點(diǎn)上死點(diǎn)式中叫作變形分配系數(shù)，通常可取0.6～0.9。4.上死點(diǎn)上死點(diǎn)是從上沖程到下沖程的轉(zhuǎn)折，它和下死點(diǎn)情況不一樣。此時(shí)，抽油桿柱靜載荷由上沖程的變到下沖程的，減少了油柱自身重力，抽油桿因而縮短。還可以用上、下沖程中懸點(diǎn)靜荷載的位移變化規(guī)律圖形來(lái)表示。2.3.2懸點(diǎn)動(dòng)載荷在深井和抽油次數(shù)影響情況下，須考慮動(dòng)載荷動(dòng)載荷是慣性載荷和振動(dòng)載荷。1.慣性載荷，即和(2-28)式中ε—考慮了油管過(guò)流截面積增大引起的油柱的加速度折減系數(shù)。(2-29)(2-30)(2-31)下沖程時(shí)柱塞不和油柱一起運(yùn)動(dòng)(2-32)在考慮慣性載荷的影響后，靜態(tài)示功圖ABCD呈現(xiàn)出波動(dòng)的四邊形形態(tài)。接下來(lái)，我們將分析慣性負(fù)載對(duì)柱塞有效行程長(zhǎng)度的影響。在柱塞上死點(diǎn)處，其沖程長(zhǎng)度有所增加。而在下死點(diǎn)處,抽油桿柱的伸長(zhǎng)又給柱塞帶來(lái)了附加沖程長(zhǎng)度。綜上所述，柱塞的有效沖程長(zhǎng)度發(fā)生了變化。這一變化過(guò)程需要進(jìn)一步分析和研究。(2-33)其中2.振動(dòng)載荷抽油桿柱的振動(dòng)對(duì)懸掛點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生一定的載荷效應(yīng)。這類(lèi)振動(dòng)載荷的計(jì)算比較復(fù)雜繁瑣。不過(guò)對(duì)于井深較淺、沖次頻率較低的情況,可以選擇忽略振動(dòng)載荷的影響。具體是否需要考慮振動(dòng)載荷的影響,可以根據(jù)以下公式進(jìn)行判斷:柔性超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)在一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)沖次周期中，懸點(diǎn)動(dòng)載荷的產(chǎn)生主要來(lái)源于抽油桿柱及液柱周期性的變速運(yùn)動(dòng)。液柱慣性載荷的影響很小，在忽略不計(jì)的情況下，抽油機(jī)懸點(diǎn)動(dòng)載荷的大小和抽油桿柱與鋼絲繩光桿的質(zhì)量與懸點(diǎn)加速度有關(guān)系?？傊?抽油桿柱的振動(dòng)問(wèn)題是一個(gè)值得重視的工程問(wèn)題。我們需要在計(jì)算復(fù)雜度和結(jié)果精度之間尋求適當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn),才能確保油氣生產(chǎn)設(shè)施的安全和可靠運(yùn)行。(2-34)式中當(dāng)時(shí)，振動(dòng)影響較??；時(shí)，一般情況下不做此項(xiàng)計(jì)算。結(jié)合油田實(shí)例，分析參數(shù)取值范圍對(duì)抽油機(jī)適配性影響。以某油田具體油井為例，該油井深度為2000米，原油粘度較大，產(chǎn)液量中等。根據(jù)油井工況，合理選擇沖程為4米、沖次為6次/分鐘，此時(shí)抽油機(jī)能夠較好地適應(yīng)油井生產(chǎn)需求，泵效較高，能耗較低。若沖程過(guò)小，泵的充滿(mǎn)系數(shù)降低，影響原油產(chǎn)量；沖次過(guò)高，則會(huì)增加抽油桿和抽油泵的磨損，同時(shí)能耗增大，并且振動(dòng)載荷加劇，不利于抽油機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，根據(jù)不同油井的地質(zhì)條件、原油性質(zhì)和生產(chǎn)要求，合理確定抽油機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)至關(guān)重要，直接關(guān)系到抽油機(jī)的運(yùn)行效率、能耗以及振動(dòng)特性。圖2圖2-8沖程次數(shù)對(duì)示功圖的影響COOOOOOab(2-35)根據(jù)我國(guó)油田標(biāo)準(zhǔn),采油設(shè)備的最大沖程次數(shù)通常不會(huì)超過(guò)12至15次每分鐘。抽油機(jī)最大允許沖程次數(shù)為9.68次每分鐘。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證,將該機(jī)型的最大沖程次數(shù)確定為9次每分鐘,運(yùn)行效果良好。2.3.3摩擦載荷對(duì)比與常規(guī)抽油機(jī)工作循環(huán)異同，突出長(zhǎng)沖程實(shí)現(xiàn)機(jī)制。相較于常規(guī)抽油機(jī)，雙跨式復(fù)合長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的工作循環(huán)基本原理如出一轍，但長(zhǎng)沖程的達(dá)成路徑卻獨(dú)具特色。它巧妙運(yùn)用特殊的復(fù)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如借助增程滑輪、連桿機(jī)構(gòu)的精妙組合，突破性地大幅延展懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)行程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程抽油，顯著提升泵的充滿(mǎn)系數(shù)與原油產(chǎn)量。與此同時(shí)，長(zhǎng)沖程與低沖次的運(yùn)行模式對(duì)摩擦載荷的分布、大小及變化規(guī)律也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，相較于常規(guī)抽油機(jī)，其摩擦特性更為復(fù)雜，研究難度相應(yīng)增加?？傮w而言，柔性超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)在上沖程過(guò)程中懸點(diǎn)所受到的摩擦載荷會(huì)使得懸點(diǎn)載荷增大，而在下沖程過(guò)程中由于裝置的重力因素會(huì)使懸點(diǎn)載荷變小。沖程長(zhǎng)度（m）沖程次數(shù)最大值(min-1)抽油機(jī)徑φ95mm抽油機(jī)徑φ70mm抽油機(jī)徑φ57mm6.04.53.02.18.510.412.520.010.011.714.524.011.513.717.030.01.抽油桿柱與液柱的摩擦力當(dāng)抽油桿柱和液柱間的在下沖程發(fā)生摩擦，摩擦力方向向上。(2-36)式中2.液柱與油管間的摩擦力(2-37)2.3.4懸點(diǎn)最大和最小載荷(2-38)(2-39)式中、—上沖程和下沖程最大慣性載荷；,—上、下沖程中最大摩擦載荷。2.4系統(tǒng)平衡分析雙跨復(fù)合式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)通過(guò)雙天輪結(jié)構(gòu)、柔性傳動(dòng)與復(fù)合平衡系統(tǒng)的協(xié)同作用，顯著提升了系統(tǒng)平衡性能，成為深井與稠油開(kāi)采的高效解決方案。本文從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，建立系統(tǒng)平衡數(shù)學(xué)模型，分析機(jī)械-氣動(dòng)復(fù)合平衡機(jī)理同時(shí),加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)保養(yǎng),也是延長(zhǎng)使用壽命的重要保障。平衡系統(tǒng)通過(guò)合理配置平衡重，使曲柄軸扭矩值變化較小，讓減速箱載荷均勻，使抽油機(jī)運(yùn)行更安全平穩(wěn)、節(jié)能。2.4.1平衡的基本原理該設(shè)備采用了獨(dú)特的平衡機(jī)制。它的工作原理與傳統(tǒng)的抽油機(jī)有些類(lèi)似。當(dāng)懸掛點(diǎn)上升時(shí)，系統(tǒng)需要從下方提起負(fù)載。為了提高平衡能力,除了利用釋放的勢(shì)能外,發(fā)動(dòng)機(jī)還需要提供一部分額外的能量。這樣不僅可以抵消發(fā)動(dòng)機(jī)在上下行程中的能量消耗,還能幫助帶動(dòng)抽油桿和油柱的下降?？偟膩?lái)說(shuō),這種平衡方式能夠有效減少能量損耗,提高機(jī)器的工作效率。這樣的設(shè)計(jì)巧妙地利用了重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換。下降過(guò)程中釋放的勢(shì)能被用來(lái)幫助抽油,減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)。雙跨式復(fù)合長(zhǎng)沖程抽油機(jī)通過(guò)雙天輪力矩抵消與機(jī)械-氣動(dòng)復(fù)合平衡，解決了傳統(tǒng)抽油機(jī)能耗高、振動(dòng)大的問(wèn)題。其平衡原理的核心在于分散載荷、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與精準(zhǔn)控制。2.4.2平衡的準(zhǔn)則準(zhǔn)則一：抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)機(jī)上、下沖程中作功相等。確保下沖程儲(chǔ)存的能量和發(fā)動(dòng)機(jī)下沖程所做功和桿柱在下沖程所做功相等(2-40)下沖程釋放的能量加發(fā)動(dòng)機(jī)加大沖程所做功等于加大沖程時(shí)提升桿柱和油柱做功(2-41)根據(jù)平衡準(zhǔn)則1，由上面兩式得(2-42)求儲(chǔ)存能量有兩種情況：1.如果已有抽油機(jī)實(shí)際的示功圖，如圖2-ll所示(2-43)式中————2.若無(wú)實(shí)際示功圖(2-44)判據(jù)2：抽油機(jī)減速器輸出軸的上下沖程兩個(gè)扭矩峰值相等。判據(jù)3：在整個(gè)沖程過(guò)程中，抽油機(jī)減速器輸出軸扭矩均方根最小。(2-45)2.5曲柄軸扭矩的計(jì)算曲柄軸扭矩是驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)完成抽油作業(yè)的核心參數(shù)，反映了電機(jī)需克服的阻力矩。曲柄軸的平衡采用復(fù)合平衡的方式即主要是通過(guò)軸和曲柄平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)。減速器曲軸扭矩是抽油機(jī)的主要參數(shù)之一。經(jīng)驗(yàn)表明，抽油機(jī)曲軸扭矩、懸架點(diǎn)載荷和抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸與其平衡狀態(tài)密切相關(guān)。合理確定這些參數(shù)對(duì)減速器的設(shè)計(jì)具有重要意義，也關(guān)系到電動(dòng)機(jī)功率輸出，確保抽油機(jī)能夠正常運(yùn)行。此外，還需要注意其他細(xì)節(jié)因素的協(xié)調(diào)配合，以確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？偠灾橛蜋C(jī)關(guān)鍵參數(shù)的精確設(shè)定對(duì)于確保其高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。2.5.1曲柄軸輸出扭矩的計(jì)算計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2-10所示。曲柄軸輸出扭矩的公式是：(2-46)式中圖2-9減速器輸出扭矩變化圖2-9減速器輸出扭矩變化規(guī)律根據(jù)上述公式，應(yīng)用計(jì)算機(jī)即可得到較精確的計(jì)算結(jié)果。表給出了下列條件下的輸出扭矩計(jì)算結(jié)果(S=8m；n=7，8、9min-1,井深=1000m；沉沒(méi)度=200m；抽油機(jī)徑=57mm；抽抽桿直徑22.2mm；長(zhǎng)800m；加重桿直徑=38.lmm；長(zhǎng)200m)。圖2-11為扭矩變化規(guī)律曲線。2.5.2電動(dòng)機(jī)功率的確定抽油機(jī)選用的電動(dòng)機(jī)大多為三相異步閉式鼠籠電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)具有高效率、起動(dòng)性能好、噪聲小、振動(dòng)低、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。例如，YCY系列抽油機(jī)用三相異步電動(dòng)機(jī)適用于拖動(dòng)游梁式抽油機(jī)，并且可以根據(jù)用戶(hù)需求提供不同電壓和頻率的電動(dòng)機(jī)?。分析了電機(jī)功率與減速機(jī)曲軸扭矩的關(guān)系為kN·m（2-47）式中Mn—傳至曲柄軸上的扭矩，kN·m；—傳動(dòng)效率，；—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)／分；N—電機(jī)功率，kW；i—總傳動(dòng)比，；n—曲柄軸轉(zhuǎn)數(shù)(沖次)，轉(zhuǎn)／分；根據(jù)上述計(jì)算公式，可得出電機(jī)功率的計(jì)算公式：kW（2-48）在變負(fù)荷條件下（2-49）式中—需要的電機(jī)功率kW;η—傳動(dòng)效率;n—沖次，次／分;Me—曲柄軸上的等值扭矩。對(duì)抽油機(jī)來(lái)講Me=0.707Mnmax（2-50）本機(jī)減速器最大扭矩為Mnmax=105kN·m如果取η=0.9,則kW根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本機(jī)選用了Y315S—6型75kW的電機(jī)，轉(zhuǎn)速990轉(zhuǎn)／分。2.6本章小結(jié)本章主要分析懸掛點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及系統(tǒng)平衡，深入了解其運(yùn)行原理。對(duì)于懸掛點(diǎn)載荷，有助于了解系統(tǒng)的載荷特點(diǎn)。對(duì)于平衡系統(tǒng),可以確保整體機(jī)械平衡穩(wěn)定，獲得理想的平衡效果。此外,減速器曲軸扭矩的計(jì)算結(jié)果,以及為后續(xù)零部件設(shè)計(jì)提供了必要的參考依據(jù)。第3章主要零部件設(shè)計(jì)3.1天車(chē)輪部件天車(chē)輪部件在雙跨式復(fù)合長(zhǎng)沖程抽油機(jī)中扮演著重要角色。天輪組件屬于核心結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧，天輪滑輪組位于抽油機(jī)頂部，由多個(gè)滑輪組成，用于改變鋼絲繩的傳動(dòng)方向并支撐載荷。天車(chē)輪是抽油機(jī)的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，負(fù)責(zé)將動(dòng)力傳遞至懸繩器，帶動(dòng)抽油桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。每套天輪裝置由多個(gè)單獨(dú)的輪子構(gòu)成，其中有一個(gè)固定輪通過(guò)平鍵與軸緊密聯(lián)接，當(dāng)鋼繩運(yùn)動(dòng)時(shí)，固定輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)天輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其余為游動(dòng)輪，與天輪軸可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，便適應(yīng)各個(gè)鋼繩線速度的差異，避免對(duì)鋼繩過(guò)度摩擦。輪緣槽內(nèi)裝有高分子材料襯墊，保護(hù)鋼絲繩免受鑄鋼輪緣摩擦，延長(zhǎng)鋼繩使用壽命。其設(shè)計(jì)直接影響設(shè)備效率、壽命及安全性。3.1.1天車(chē)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從數(shù)據(jù)分析來(lái)看，天輪直徑、輪緣寬度等參數(shù)需根據(jù)抽油機(jī)具體工況合理設(shè)計(jì)，以確保天輪能承受抽油過(guò)程中的載荷變化，保證抽油機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，為抽油作業(yè)提供可靠的導(dǎo)向支持。雙支點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)賦予抽油機(jī)在作業(yè)過(guò)程中更為穩(wěn)固的力學(xué)特性，能夠承受更大的工作載荷，相較于傳統(tǒng)單支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，對(duì)天車(chē)輪受力不均引發(fā)的變形具有更強(qiáng)的抵抗能力，有力保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。復(fù)合傳動(dòng)方式融合多種先進(jìn)傳動(dòng)原理，大幅提升傳動(dòng)效率，成功實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程、低沖次的運(yùn)動(dòng)訴求，相較傳統(tǒng)抽油機(jī)傳動(dòng)模式，展現(xiàn)出更優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)特性與節(jié)能效益。此外，大天輪和小天輪組合可以達(dá)到增程的目的。因?yàn)闄C(jī)床的行程很長(zhǎng)，單靠曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)橫梁上下移動(dòng)并不能達(dá)到特定的行程，因此需要將大、小兩個(gè)天輪結(jié)合起來(lái)，使其與大天輪保持相同的轉(zhuǎn)角，這樣，繞著大回環(huán)的鋼索死點(diǎn)回轉(zhuǎn)的弧長(zhǎng)S1大于小回環(huán)鋼索死點(diǎn)回轉(zhuǎn)的弧長(zhǎng)S2（3-1）且，即，這樣在大天輪上的鋼絲繩帶動(dòng)光桿上下運(yùn)動(dòng)具有較長(zhǎng)沖程。由于天車(chē)輪在雙跨式復(fù)合長(zhǎng)沖程抽油機(jī)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)天輪部件的結(jié)構(gòu)要求很小，重量輕，慣性力矩小，這樣才能減少對(duì)主架的動(dòng)態(tài)負(fù)荷。因此，大、小兩個(gè)天輪都采用了幅板焊接的方式，而大天輪的輻板則是在小天輪的邊緣支座上焊接而成的。由于大天輪的尺寸較大，對(duì)定位精度的要求較高，因此在整體設(shè)計(jì)上應(yīng)確保其易于加工、安裝。1—大天車(chē)輪；2—繩架體1—大天車(chē)輪；2—繩架體圖3-1大天輪周長(zhǎng)計(jì)算示意圖為了加大鋼絲繩使用時(shí)間，需要計(jì)算最小直徑和鋼絲繩與輪緣之間的接觸壓力當(dāng)k較低時(shí)，接觸壓力增大，從而導(dǎo)致鋼絲繩發(fā)生接觸疲勞失效；當(dāng)k較大時(shí)，接觸壓強(qiáng)減小，從而改善了鋼絲繩的受力狀況。但是，k值越大，大天輪的直徑就會(huì)變大，從而導(dǎo)致天輪的體積變得更大。按實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)確定鋼絲繩的直徑與小天輪直徑比值。。本機(jī)采用32mm鋼絲繩，所以小天輪最小直徑取為2k=1550mm，故小天輪半徑k=775mm。由上述討論得到大小天輪半徑之比為：（3-2）3.1.2天車(chē)輪的受力分析1.天車(chē)輪在靜力作用下主要承受抽油桿柱和液柱的重量。根據(jù)力學(xué)原理，可以計(jì)算出天車(chē)輪在靜力作用下的受力情況。假設(shè)抽油桿柱和液柱的重量分別為Wr和Wl天車(chē)輪的半徑為R,則天車(chē)輪在靜力作用下的受力為F靜=Wr+Wl（3-3）2.天車(chē)輪在動(dòng)力作用下還承受抽油機(jī)在工作過(guò)程中產(chǎn)生的各種動(dòng)態(tài)載荷，如慣性力、摩擦力等。這些動(dòng)態(tài)載荷的大小和方向隨著抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而不斷變化。為了準(zhǔn)確分析天車(chē)輪在動(dòng)力作用下的受力情況，需要建立抽油機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，并考慮各種動(dòng)態(tài)因素的影響。3.1.3天輪軸的強(qiáng)度、剛度校核天輪軸是一根旋轉(zhuǎn)的主軸，其功能是支承大天輪和小天輪，同時(shí)也承擔(dān)著所有的負(fù)載。因此，對(duì)天輪軸的強(qiáng)度和剛度都有較高的要求。1.天輪軸的結(jié)構(gòu)天輪軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-2所示。所用材料為45號(hào)鋼，鍛造成毛坯后再經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。由于作用在大天輪的懸點(diǎn)載荷對(duì)天輪軸的扭矩和作用在小天輪上鋼絲繩拉力對(duì)天輪軸的扭矩基本平衡，故整個(gè)天輪軸上的扭矩很小，甚至可以不考慮。為便于加工和裝配，整個(gè)天輪與天輪軸的聯(lián)接采用鍵聯(lián)結(jié)。圖3-圖3-2天輪軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖3-3是一種整體受力的天輪與天幕軸。在大天輪上，承受著最大懸點(diǎn)荷載，而在小天輪上，鋼索受拉力T,T與鉛垂成直角。當(dāng)為200kN時(shí)，P=100kN和T=200kN，這兩個(gè)力通過(guò)對(duì)天輪軸的簡(jiǎn)化而產(chǎn)生的力矩互相抵消。另外，天輪的重量Q=29kN。按懸點(diǎn)最大靜載荷=200kN計(jì)算，作用（3-4）kN根據(jù)疲勞強(qiáng)度計(jì)算，作用在天輪軸的力。合成后力為：kN圖3-3天輪和天輪軸一體的受力簡(jiǎn)圖3.天輪軸的強(qiáng)度計(jì)算因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和載荷均對(duì)稱(chēng)，所以合力分別通過(guò)小天車(chē)輪輪轂作用在軸上，且。天輪軸的力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖3-4所示。根據(jù)最大靜載荷Pmax計(jì)算時(shí)，支承反力為kN根據(jù)疲勞載荷計(jì)算時(shí)，支承反力：kN圖3-4表示了天輪軸的彎矩曲線，其中最大彎曲量出現(xiàn)在N1、N2共同作用下的斷面。而且，在軸直徑240、220的階梯上，雖然彎曲值減小了，但因?yàn)橹睆綔p小，因此也應(yīng)該作為一個(gè)危險(xiǎn)截面來(lái)對(duì)待，并加以檢驗(yàn)。根據(jù)最大靜載荷Pmax計(jì)算圖3-4天輪軸的力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)圖和彎矩圖在N1和N2作用面最大彎距kN根據(jù)疲勞載荷計(jì)算時(shí)，在N1和N2作用面最大彎矩(1)強(qiáng)度校核

因?yàn)樘燧嗇S受到交變應(yīng)力，所以除按最大靜強(qiáng)度校核外,還應(yīng)根據(jù)彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。

靜強(qiáng)度校核按公式（3-5）對(duì)45號(hào)鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，，安全系數(shù)n=2，所以許用應(yīng)力校核N1和N2的作用面校核240和220交接面所以最大靜強(qiáng)度校核安全。疲勞強(qiáng)度校核[8]

校核公式根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)心軸考慮。（3-6）式中

；

（3-7）式中在N1和N2作用的截面：在240和220交接面：在N1和N2作用截面：在240和220交接面：所以疲勞強(qiáng)度校核安全。

（1）剛度校核撓度計(jì)算不考慮振動(dòng)方面的影響，天輪軸的撓度曲線表達(dá)式（3-8）式中；；；；；；（2）剛度校核（3-9）由于

所以剛度校核符合題目要求。3.2曲柄部件3.2.1曲柄部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)曲柄部件通常由曲柄本體、曲柄銷(xiāo)、平衡塊等部分組成。曲柄本體是曲柄部件的主要承載部分，通常采用高強(qiáng)度合金鋼制造。其形狀和尺寸根據(jù)抽油機(jī)的負(fù)載和沖程要求確定。曲柄銷(xiāo)是連接曲柄和連桿的關(guān)鍵部件，其位置和尺寸對(duì)抽油機(jī)的沖程和傳動(dòng)效率有重要影響。曲柄銷(xiāo)通常采用高強(qiáng)度合金鋼制造，并經(jīng)過(guò)精密加工和熱處理，以確保其強(qiáng)度和耐磨性。平衡塊用于平衡抽油機(jī)在上、下沖程中電動(dòng)機(jī)承受的載荷，提高抽油機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和傳動(dòng)效率。平衡塊通常采用鑄鐵或鑄鋼制造，并安裝在曲柄上。3.2.2曲柄部件功能及工作原理曲柄部件在抽油機(jī)中承擔(dān)動(dòng)力轉(zhuǎn)換、載荷平衡、沖程調(diào)節(jié)等核心作用動(dòng)力轉(zhuǎn)換是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)曲柄-連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為抽油桿的垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)。載荷平衡則是利用平衡塊的慣性力矩抵消抽油桿在上沖程(克服液柱重量)與下沖程(慣性運(yùn)動(dòng))的負(fù)載差異，減少電機(jī)功率波動(dòng)。沖程調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)整曲柄半徑或平衡塊位置，改變抽油桿的沖程長(zhǎng)度(通常為1~12米)，適應(yīng)不同油井的采油需求。其工作原理：抽油機(jī)的動(dòng)力傳遞路徑為:電機(jī)→減速箱→曲柄→連桿→游梁→驢頭→抽油桿。曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿轉(zhuǎn)化為游梁的擺動(dòng)，最終驅(qū)動(dòng)抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。平衡塊通過(guò)反向力矩(Mb=mb'rb·w2)平衡負(fù)載差異，使電機(jī)運(yùn)行趨于平穩(wěn)。3.2.3曲柄和平衡塊的組合方式曲柄和平衡塊是抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的核心組件，二者的組合方式直接影響抽油機(jī)的運(yùn)行效率、穩(wěn)定性及能耗。合理的平衡設(shè)計(jì)能夠有效減少電機(jī)負(fù)載波動(dòng)、降低振動(dòng)、延長(zhǎng)設(shè)備壽命。在抽油機(jī)中，曲柄通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為抽油桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于抽油桿上下沖程的載荷不同(上沖程需克服桿柱和液柱重量，下沖程僅需克服慣性力)，電機(jī)負(fù)載呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。平衡塊的作用是通過(guò)反向力矩補(bǔ)償，抵消這種載荷差異，使電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)。平衡塊固定在曲柄臂的某一位置，通過(guò)調(diào)整平衡塊重量或安裝半徑實(shí)現(xiàn)靜態(tài)平衡。單平衡塊固定式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，適用于負(fù)載穩(wěn)定的淺井或中深井。但無(wú)法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)平衡力矩，對(duì)復(fù)雜工況適應(yīng)性差。應(yīng)用場(chǎng)景主要是傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)(如CYJ10-3-53HB型)；2.多平衡塊可調(diào)式：曲柄臂上設(shè)置多個(gè)安裝孔位，平衡塊可根據(jù)需要調(diào)整位置或增減重量。優(yōu)點(diǎn)為靈活適應(yīng)不同沖程和負(fù)載，平衡效果更優(yōu)。但仍調(diào)整需停機(jī)操作，維護(hù)成本略高。應(yīng)用場(chǎng)景為可變沖程抽油機(jī)(如雙驢頭抽油機(jī))；3.曲柄銷(xiāo)集成平衡塊(偏心平衡)：平衡塊直接集成在曲柄銷(xiāo)上，利用曲柄銷(xiāo)的偏心設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。偏心距可調(diào)，平衡力矩隨曲柄旋轉(zhuǎn)角度自動(dòng)變化。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省安裝空間;動(dòng)態(tài)平衡效果顯著，適用于高速場(chǎng)景。缺點(diǎn)是加工精度要求高(偏心距公差需≤0.05mm);曲柄銷(xiāo)承載負(fù)荷增加，需采用高強(qiáng)度合金鋼(如42CrMo).應(yīng)用場(chǎng)景主要為高速柴油機(jī)(轉(zhuǎn)速>4000rpm)；3.3曲柄銷(xiāo)的強(qiáng)度校核3.3.1曲柄銷(xiāo)在靜載荷作用下的強(qiáng)度校核曲柄銷(xiāo)材質(zhì)是40Cr合金鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理HB=250-280，危險(xiǎn)截面直徑d=120mm，作用在曲柄銷(xiāo)上的最大工作載荷N·mm（3-10）截面抗彎模量：mm3（3-11）危險(xiǎn)截面上的工作應(yīng)力N/mm2（3-12）試驗(yàn)結(jié)果表明，在主軸固定、負(fù)載平穩(wěn)后，將銷(xiāo)子取出，對(duì)40Cr合金鋼進(jìn)行了調(diào)質(zhì)，其機(jī)械性能有了明顯的改善。由于這樣，使曲軸在靜態(tài)負(fù)載的情況下能安全、可靠地工作。圖圖3-5曲柄銷(xiāo)結(jié)構(gòu)尺寸圖3.3.2曲柄銷(xiāo)疲勞強(qiáng)度校核曲柄銷(xiāo)危險(xiǎn)段最大彎矩和最小彎矩分別為：N·mmN·mm危險(xiǎn)截面上的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力分別為N/mm2N/mm2循環(huán)特性系數(shù)（3-13）曲柄銷(xiāo)的工作安全系數(shù)（3-14）式中————零件的表面系數(shù)；—平均應(yīng)力影響系數(shù)；—應(yīng)力幅，MPa；

—平均應(yīng)力，MPa。

確定上述各項(xiàng)參數(shù)后，對(duì)合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理N/mm2，N/mm2因?yàn)椋楸砜傻茫?，，，所以取，因?yàn)椋郧N(xiāo)在疲勞載荷作用下工作是安全可靠的。3.4鋼絲繩的選擇鋼絲繩的選擇對(duì)于雙跨式復(fù)合長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的性能至關(guān)重要。常見(jiàn)的鋼絲繩類(lèi)型有普通鋼絲繩、復(fù)合鋼絲繩等。普通鋼絲繩強(qiáng)度較高，但柔韌性稍差；復(fù)合鋼絲繩則兼具強(qiáng)度和柔韌性，更適合復(fù)雜工況。在選擇鋼絲繩時(shí)，需考慮抽油機(jī)的載荷大小、工作環(huán)境等因素。鋼絲繩的使用壽命受多種因素影響，如磨損、疲勞、腐蝕等。為延長(zhǎng)使用壽命，應(yīng)定期對(duì)鋼絲繩進(jìn)行檢查和維護(hù)，及時(shí)更換磨損嚴(yán)重的部分。合理選擇鋼絲繩類(lèi)型和規(guī)格，并做好維護(hù)保養(yǎng)工作，能確保抽油機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高石油開(kāi)采效率。3.5本章小結(jié)本章主要對(duì)天車(chē)輪、曲柄、鋼絲繩部件的結(jié)構(gòu)及工作原理分析，并對(duì)鋼絲繩對(duì)雙跨式復(fù)合長(zhǎng)沖程抽油機(jī)性能需求進(jìn)行選擇。并通過(guò)天輪軸的強(qiáng)度計(jì)算確定撓度和剛度符合要求，曲柄和平衡塊的結(jié)合使電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)。第4章性能分析4.1抽油效率提升抽油效率提升雙跨式復(fù)合長(zhǎng)沖程抽油機(jī)在抽油效率提升方面優(yōu)勢(shì)顯著。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)沖程、低沖次，可有效提高抽油泵的充滿(mǎn)系數(shù)，減少氣體對(duì)抽油過(guò)程的影響。在深井及復(fù)雜地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)抽油機(jī)因沖程短、沖次高，易導(dǎo)致抽油泵充滿(mǎn)度不足，氣體干擾嚴(yán)重。而雙跨式抽油機(jī)憑借長(zhǎng)沖程，能使抽油泵有更充足的時(shí)間充滿(mǎn)液體，降低氣體影響，進(jìn)而增強(qiáng)舉升能力，提升整體抽油效率，為石油開(kāi)采