机械毕业设计（论文）-API偏置抽油机设计【全套图纸】

第 1 页 （共 57 页） API 偏置抽油机设计偏置抽油机设计: :RM912D-427-144 目 录 任务书 开题报告 指导教师审查意见 评阅教师评语 答辩会议记录 中文摘要 外文摘要 前言1 1 概述2 1.1 选题背景2 1.2 研究的目的和意义2 1.3 国内外现状和发展趋势及研究方向2 1.4 游梁式抽油机节能技术分析和指导思想3 1.5 方案论证4 2 偏置型抽油机工作原理与节能原理6 2.1 工作原理6 2.2 偏置型游梁抽油机特点6 2.3 抽油机的尺寸规划及结构6 3 3 抽油机的尺寸规划及结构7 3.1 驴头8 3.2 游梁9 3.3 横梁及连杆10 3.4 曲柄平衡装置11 3.5 减速箱12 3.6 刹车机构12 3.7 支架13 3.8 底座14 3.9 皮带传动装置15 API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 2 页 (共 57 页) 3.10 钢丝绳和悬绳器 15 3.11 电动机 15 3.12 轴承座 15 4 游梁抽油机的基本参数和分类17 4.1 驴头悬点（挂抽油杆处）的最大允许载荷17 4.2 悬点最大冲程长度17 max S 4.3 悬点的最大冲程次数18 max n 4.4 减速箱曲柄最大允许扭矩 18 max M 5 偏置抽油机的设计计算20 5.1 CYJRM912D-365-192 抽油机的计算参数 20 5.2 几何计算21 5.3 运动计算22 5.4 工艺计算24 5.5 主要构件的受力计算30 5.6 V 带传动设计 32 6 主要承载构件的校核计算34 6.1 游梁的强度计算34 6.2 横梁的校核计算35 6.3 连杆的强度计算35 6.4 支架轴承校核35 6.5 尾座轴承校核36 6.6 曲柄销轴承校核37 7 总结39 参考文献39 致谢40 附录41 8.1 附图一41 8.2 附图二42 8.3 附图三43 8.4 附图四44 8.5 附图五45 8.6 附图六46 第 3 页 （共 57 页） 8.7 附图七47 8.8 附图八48 8.9 附图九49 APIAPI 偏置抽油机设计偏置抽油机设计:RM912D-427-144:RM912D-427-144 学 生：李晶晶，机械工程学院 指导老师：郭登明，机械工程学院 【摘 要】抽油机是构成采油设备重要组成部分。在抽油机驱动下，带动其它设 备运转，实现油井的机械式开采。偏置型抽油机是在常规型抽油机基础上发展的， 通过对曲柄的改造和尺寸的优化获得。本文介绍了偏置型抽油机工作原理、节能原 理以及设计过程。首先，根据已知的参数，对抽油机的连杆机构在几何、运动、和 动力学进行了系列的分析与计算，阐述了这种设备的运动规律。其次、对抽油机进 行了工艺参数计算和主要部件材料的强度校核分析，及对配套设备，如电动机、减 速器的分析与选用，说明了该型设备在性能方面同其它种类设备的差异。最后，进 行工况分析和结构草图设计。中间过程的有关计算部分，利用 Excel 软件进行了编 程调试。 【关键词】偏置型抽油机 曲柄 强度 特性 API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 4 页 (共 57 页) 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 前言前言 目前，采油方法有自喷采油法和机械采油法。自喷采油法的特点是利用地层本 身的能量来举升原油。随着油田的不断开发，地层能量逐渐消耗。为了保证原油的 稳产、高产，这些油井不能继续用自喷法开采 。同时，有一些油井一开始就不能自 喷。对于上述这些不能自喷的油井，就必须用机械采油法进行开采。机械采油法又 分为气举法和抽油法两种。气举法的特点是利用压缩气体的能量，把原油提升到地 面；而抽油法的特点是将各种结构的泵放到井下抽油，所以抽油法又叫泵法。从国 外石油最发达的国家来看，用抽油法开采的井数占绝对多数，约 80%左右，而抽油 法所开采的原油占半数以上。由于我国油田的发展特点（处于开发初期和中期，采 用注水措施） ，目前，无论在生产井数方面还是在原油总产量方面，自喷法都占相当 大的比重。但从原油的发展趋势来看，采用机械采油法，特别是使用抽油法的井数 第 5 页 （共 57 页） 和产量都在增加，在一些老油井，几乎全用抽油法采油。 用抽油法开采，国内外应用最广泛的抽油设备是游梁式抽油机或称作有杆抽油 设备。API（美国石油协会）抽油机规范（API SPEC 11E） 中游梁式抽油机的种类 有四种，它们分别是：常规型抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式气平衡抽油机、 前置式曲柄平衡抽油机。它的结构简单、制造容易、维修方便。游梁式抽油机有以 下几部分组成：电动机、减速箱、四连杆机构。电动机通过三角皮带传动带动减速 箱。减速后，由四连杆机构（曲柄、连杆、游梁、横梁）把减速箱的输出轴的旋转 运动变为游梁驴头的往复运动。 抽油机在油田的开采作业中具有不可替代的作用，是构成“三抽”即：抽油机. 抽油杆和抽油泵的一部分。抽油机的工作条件比较恶劣，全天候常年野外连续运转， 而且绝大多数时间处于无人监护状态。因此要求抽油机具有良好的可靠性、耐久性； 同时还要具有性能领域宽、调节范围大、能源消耗低、易损件少、维护保养方便， 对环境适应性强的特点。 近年来抽油机正在向低能耗、长冲程、高精度、自动化和智能化方向发展。特 别是由于油井动液面的下降，长冲程、低冲次的抽油机更是得到了推广与发展。 1 概述概述 1.1 选题背景选题背景 游梁式抽油机结构简单、可靠性高、使用维护方便、适应现场工况等优点.在采 油机械中，具有举足轻重的地位。在今后相当长的时间内仍将是油田的首选设备.但 是由于常规型抽油机机本身的结构特征。决定了它平衡效果差、曲柄净扭矩脉动大、 存在负扭矩、载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。在采油成本中，抽油机电费 占 30%左右，年耗电量占油田总耗电量的 20%30%，为油田电耗的第一位，仅次于 注水。自从 1985 年第一台异相曲柄平衡游梁抽油机(简称异相机)应用以来，国内各 大油田开始重视抽油机的节能工作。 1.2 研究目的及其意义研究目的及其意义 常规型抽油机受到四杆机构的限制，游梁摆角不能过大，导致整机质量偏重， API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 6 页 (共 57 页) 体积偏大。偏置式游梁抽油机是在常规型抽油机的基础上经过优化四连杆机构的几 何尺寸，优化了平衡重的夹角，改变了平衡重的相位角而产生的一种新型的抽油机。 通过平衡重在曲柄轴上产生的扭矩与悬点负载在曲柄轴上产生的扭矩相平衡，使抽 油机运转时峰值扭矩和峰值电流都有较大幅度的降低，从而达到节能的目的。 1.3 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 游梁式抽油机的产生和使用由来已久，早在 120 年前就诞生了，目前，世界各 个产油国仍在大面积的广泛应用。美国拥有 40 万台，前苏联拥有 4 万台，我国拥有 2. 7 万台，仅大庆油田，在用的游梁式抽油机就有一万余台。一百多年来，游梁式 抽油机的结构和原理没有实质性变化。结构简单，易损件少，可靠性高，耐久性好， 操作维修方便，这些优点是游梁式抽油机历经百年而经久不衰的原因。 美国生产游梁式抽油机的公司有十几家，品种复杂，型式繁多，其中技术先进、 实力雄厚的 LUFKIN 公司为权威。前置式抽油机主要由 LUFKIN 公司生产，该公司 生产的马克型前置式抽油机共有八个系列 46 个品种。马克型前置式抽油机上冲程曲 柄转角 195 度，下冲程为 165 度，从而降低扭矩峰值。该机上冲程开始比油井负荷 扭矩滞后 7.5 度，下冲程开始扭矩比油井负荷提前 7.5 度，从而提高平衡效果，该 机较同级常规型抽油机节能 34.99%。此外，LUFKIN 公司还生产前置式气平衡抽油机， 该机比同级常规抽油机外形尺寸小 35%，整机重量轻 40%，共有 26 种规格。CM 工 公 概述 第 7 页 （共 57 页） 司生产偏置式抽油机，偏置式抽油机又称异向曲柄抽油机，或称后置式抽油机， 或称托马斯特(TM)抽油机，简称 TM 抽油机。这种抽油机的技术经济指标优越，深 受用户欢迎。该机特点在于连杆与游梁之间夹角始终为 90 度，曲柄转角上冲程为 192 度，下冲程为 168 度，惯性负荷小，峰值扭矩小，比同级常规抽油机小 60%，该 机游梁支架与减速器底座直接连接，改善了整体受力。 加拿大主要生产抽油机的厂商是雷姆斯有限公司，该公司主要生产常规式、前 置式、偏置式游梁抽油机。前苏联游梁式抽油机共有 9 个系列 22 种型号，平衡方式 全部采用复合平衡或曲柄平衡，重型采用气动平衡。为缩小尺寸，近年来将曲柄半 径与驴头摆动半径比从 0.4 增大到 0.6。 我国的抽油机制造业已有 40 多年的历史，经过了进口修配，仿制试制，设计研 制三个阶段。1980 年开始自行设计，研究制造国产抽油机，逐步实现国产化，不仅 自给自足，而且还部分出口。兰石厂是我国生产抽油机的主要厂家，按国内技术生 产的常规游梁式抽油机共 11 种规格，兰石厂和宝石厂是我国生产前置式抽油机批量 最大的厂家，目前已生产该机 500 万余台。1986 年兰石所研制成功 CYJS-2.5-26HB 前置式气动平衡抽油机，它是我国第一台前置式气平衡抽油机，试验结果表明，该 机比同级常规抽油机节能 28.15%。泵效提高 10%20%。同年与四川钻采设备厂共 同研究成功 CYJY3-1.4-7HB 型偏置式抽油机，它是我国第一台偏置式抽油机，目前 共有 6 种规格。然后又研制成功了 CYJY12-46-73HB 型、CYJY12-42-73HB 型和 CYJY10-3-53HB 型偏置式抽油机。 试验表明:这种抽油机比同级常规型抽油节能 11%19.4%，生产能力提高 27%。江汉石油学院和第四石油机械厂经过优化设计，将常规抽油机改造成偏置式 抽油机，该机缩短了曲柄半径和游梁后臂，使极位夹角大于 0 度，并将对称曲柄改 成后置曲柄，同时改变抽油机减速器的旋转方向，试验结果表明，这种抽油机比改 造前节能 10%17%，产液能力提高 6%。 1.4 游梁式抽油机节能技术分析和指导思想游梁式抽油机节能技术分析和指导思想 由于常规游梁式抽油机的上述优势，使得它能在国内外各油田广泛使用。但是， 在长期的生产使用中，油田的经营者发现，它无法解决:平衡效果差、载荷率低、工 作效率低、 “大马拉小车” 、能耗高的缺点。为了追求开采效益最大化，以最少的投 API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 8 页 (共 57 页) 入来换取最大的回报，开发节能高效的新型抽油设备就成了油田生产经营者和抽油 机设备生产厂致力追求的目标，这就是其发展的动力。国内在节能抽油机的研制开 发上，20 世纪 80、90 年代出现了高峰。 游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构， 其整机结构特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。对于支架 来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩大小基本相等或方向变化相反，那么用 很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于 平衡的好坏。平衡率越低，则需要电动机提供的动力越大。正因为抽油载荷每时每 刻都在变化，而平衡重不可能和抽油载荷作完全一致的变化，才使得游梁式抽油机 的节能技术变得很复杂。在游梁式抽油机的平衡技术方面，传统的方法有三种:一是 在曲柄上加上平衡块，即曲柄平衡；二是在游梁尾端加上平衡块，即游梁平衡;三是 在曲柄和游梁尾端都加上平衡块，即复合平衡。这三种平衡方式形成的平衡扭矩曲 线都是规则曲线，而抽油载荷扭矩曲线是非规则曲线，其叠加曲线存在较大的峰值 和负扭矩。克服这一难题，就是游梁式抽油机节能技术所要攻克的对象 1.5 方案论证方案论证 随着我国油田的进一步开发，由于采油成本的不断提高和电价的上调，如何降 低抽油机的能耗已引起人民的高度重视。各种研究抽油机的节能途径归纳起来可分 为两种： 一是改变抽油机的结构直接降低抽油机的扭矩因数，已降低抽油机的工作 扭矩及其波动，实现节能，如偏置式抽油机、双驴头抽油机等；另一种是改变抽油 机的平衡方式，以降低减速器输出轴的扭矩，达到节能的目的，如大轮式抽油机， 二次平衡抽油机。 抽油机节能工作的开展大致包括两个方面：一是开发设计新型技能抽油机；二 是对抽油机进行节能改造。目前，油田非自喷井采油广泛使用游梁式曲柄平衡抽油 机。游梁式抽油机因有结构简单、工作平稳、性能可靠等优势而在各油田广泛应用, 但其能耗大、工作效率低, 所以降低抽油机能耗, 提高抽油机的工作效率具有重要 意义。 目前，油田非自喷井采油广泛使用游梁式曲柄平衡抽油机。游梁式抽油机因有 结构简单、工作平稳、性能可靠等优势而在各油田广泛应用, 但其能耗大、工作效 率低, 所以降低抽油机能耗, 提高抽油机的工作效率具有重要意义。为了减小抽油 概述 第 9 页 （共 57 页） 机的功率，更进一步的节约能源，需要一种替代抽油机来应用于油田上的采油生产。 为此，本设计针对这样的特点，对一般的游梁式抽油机做了改进设计。偏置型游梁 式抽油机同常规型抽油机主要有二方面不同：1 减速器背离支架后移，增大减速器 输出轴中心与游梁摆动中心之间水平距离，形成较大的极位夹角（即驴头上、下死 点与连杆中心线之间夹角）；2 平衡块重心与曲柄轴中心连线和曲柄销中心与曲柄 轴中心连线之间有个平衡相位角，这种抽油机曲柄均为顺时针转动，因此平衡重 总是滞后一个角。由于有较大的极位夹角，一般 12 度左右，使得抽油机上冲程时 曲柄转过角度增加 12 度为 192 度，下冲程减小 12 度为 168 度，当曲柄转速不变时， 悬点上冲程时间就大于下冲程时间，因此悬点上冲程的加速度和动载荷减小，由于 平衡相位角改变了平衡效果，从而使减速器的最大扭矩峰值降低，扭矩变化较均匀， 电动机所需功率较小，在一定情况下有节能效果 本设计的特点是根据常规型抽油机的特点，设计了偏置型曲柄平衡式抽油机。 所设计的抽油机有原始的数据和给定的几何参数，还有参考资料和图例，在这基础 上对常规型抽油机进行了改进并对抽油机的四连杆机构进行几何、运动、动力学上 的计算和对主要部件进行校核计算。 API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 10 页 (共 57 页) 2 偏置型抽油机工作原理与节能原理偏置型抽油机工作原理与节能原理 2.1 工作原理工作原理 抽油机的电动机通过 V 带和减速器带动曲柄做旋转运动。曲柄连杆游梁 支承架四杆机构将这一运动转化为驴头的变速上下往复运动，通过钢丝绳和抽油杆 带动抽油泵柱塞做变速的上下往复运动，实现油井开采。 2.2 偏置型游梁抽油机特点偏置型游梁抽油机特点 （1）曲柄中心线和平衡重中心线偏离一个相位角 。 （2）曲柄轴中心线至中央轴承座中心水平距离 I 大于游梁后臂长度 C，两者差接近 于曲柄半径 R，即 I-CR。结构上看，加大了力臂减小了连杆拉力，增大抽油机最大 承载能力，扭矩因数下降。这种结构特点使游梁在上下死点时，连杆两个位置之间 存在一个相位夹角，这种机构具有急回特性。 （3）曲柄顺时针方向旋转，保证上冲程时间长.下冲程时间短。 2.3 节能原理节能原理 （1）抽油机的负载状况影响抽油机的能耗。常规型抽油机加在曲柄的净扭矩成周期 变化，有时对电机做功，这样的负载不利于普通电动机的正常工作，是电机高能耗 原因。 （2）普通异步电动机具有硬特性，适宜拖动均匀负载。常规型抽油机的负载状况不 理想，就形成了它能耗高特性，而偏置型抽油机在这方面得到改进。 （3）抽油机工作时曲柄净扭矩的波动由悬点载荷与加速度变化引起。通过改变抽油 机杆件尺寸的配比，使运动规律改变，减小工作扭矩曲线的峰值。在保证冲次不变 的情况下，加长上冲程时间，减少上冲程前半段的加速度变化幅度，使扭矩峰值减 小；同理可以使工作下峰值加大。同时可以改变工作扭矩的形状。偏置型抽油机通 过在曲柄上的偏置角的引入，有利于减少电动机的额定功率，达到二者更好的匹配， 也可以改善杆件受力情况。 抽油机的尺寸规划及结构 第 11 页 （共 57 页） 3 抽油机的尺寸规划及结构抽油机的尺寸规划及结构 游梁式抽油机四连杆机构的尺寸决定了其运动性能、动力性能及其能耗。长期 以来，游梁式抽油机四连杆机构尺寸的确定成为许多学者和设计人员的研究对象。 图 1 为游梁式抽油机四连杆机构的尺寸示意图，在图中，H 为抽油机底座底平 面至支架轴承中心的高度，它取决于抽油机的最大冲程长度，并决定抽油机的高度， 其具体计算方法是： H=S maxH cH h 0.20.25 （m） 式中， S max最大冲程长度 （m） ； H c井口装置高度 （m） ，一般为：1.21.5（m） ； H h悬绳器高度 （m） ，一般为：0.350.4（m） 。 A 为游梁前臂长度，其大小取决于冲程长度和游梁的摆角，值得说明的是，前 苏联和我国都是采用大摆角（约 1 弧度） ，而美国则是采用小摆角（一般为 4446） ，大摆角抽油机的特点是结构紧凑，但动力性能差，扭矩特性差，能耗 高；大小摆角抽油机的特点是结构庞大，但动力性能好，扭矩特性好，能耗低。在 本次设计中，采用游梁小摆角设计。具体来说，当冲程长度小于 4.2m（含 4.2m）时， 游梁的摆角为 4446；当冲程长度大于 4.2m 时，游梁的摆角为 5153。G 为减 速器输出轴中心线至底座底平面的距离，其大小决定了抽油机曲柄的长短，从而影 响平衡块的重量，G 越大，曲柄长度越长，在同一平衡扭矩的条件下，平衡块越轻。 曲柄连杆机构其尺寸的大小及分配决定了抽油机的运动性能、动力性能及其能耗。 API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 12 页 (共 57 页) 目前，最常用的游梁式抽油机采用机械方式，它具有前、后臂。它主要有游梁、 驴头、横梁、连杆、曲柄、减速箱、制动机构、支架、撬座、悬绳器以及平衡重等 组成。总的说来，游梁式抽油机的结构较简单，下面着重分析它的主要组成部分。 3.1 驴头驴头 驴头的作用是将游梁的往复摆动转化为吊绳的上下直线运动。从机构学来讲， 它是一种绳轮机构。我国抽油机驴头常用的结构型式有上翻式、侧转式及重力式三 种，国外抽油机的驴头多采用悬挂式驴头。这种驴头的结构特点是制作比较简单， 易于安装，可靠性高，最大的缺点是在修井作业时，必须将整个驴头卸下，操作工 作量大。本次设计采用侧转式驴头结构型式。它是用钢板组焊而成的一个箱形结构， 其厚度为 464mm；侧板使用 Q235 的钢板，钢板的厚度为 12m。 抽油机的尺寸规划及结构 第 13 页 （共 57 页） 图图 2 驴头结驴头结构工程构工程图图 3.2 游梁游梁 游梁是一种扛杆，它是抽油机的主要承载构件，也是抽油机最大应力出现的构 件，对游梁的设计主要考虑其强度和稳定性。国内在常规抽油机的设计过程中，游 梁的结构只有两种，一种是箱形结构（用于重型抽油机） ，另一种 H 型结构（用于中 型或轻型抽油机） ，对于重型抽油机，其游梁结构设计成如图（a）所示，对于轻型 或中型抽油机，其游梁结构设计成如图（b）所示，本次设计采用箱形结构。游梁的 高度为。翼板、侧板使用 Q235 的钢板. 钢板厚度分别为和.各mm900mm30mm15 游梁一般焊有加强板和吊耳等附件。 API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 14 页 (共 57 页) 图图 3 游梁游梁结结构工程构工程图图 3.3 横梁及连杆横梁及连杆 3.3.1 横梁的结构横梁的结构 横梁及连杆可分为两种结构：一种是将横梁和连杆制造在一起，其特点是连接 件少，结构简单，用在小型抽油机中，它由改变后臂长度来调节冲程长度。另一种 结构是单独横梁，用于一般大型抽油机中，它由改变曲柄和连杆的连接点位置来调 节冲程长度。 横梁是连杆和游梁连接的中间部件。动力经过横梁才能带动游梁作摇摆运动， 抽油机的尺寸规划及结构 第 15 页 （共 57 页） 横梁的形式有三种：直形横梁、船形横梁和翼形横梁。其中船形横梁的横梁和连杆 连接点与横梁和游梁连接点在同一水平线上，增加了连杆和横梁的刚性，并改善了 连接销轴的工作条件。翼形横梁连杆弯曲与横梁成为一体，直接与游梁连接，它结 构简单，连接零件少，多用在轻型游梁式抽油机上。 3.3.2 连杆连杆 连杆一般都用无缝钢管制成，两端焊有连杆头。正常工作时，上端连杆头和横 梁无转动，用销子相连。下端连杆头和曲柄用曲柄销子连接，在连杆销处安有滚动 轴承。曲柄销子和曲柄间一般用圆锥面相连，在销子头上用螺母固死销子和曲柄， 在曲柄上有 34 个锥孔，用以改变冲程长度。 3.4 曲柄平衡装置曲柄平衡装置 抽油机的平衡历来是被许多学者和现场工作人员所关注，因为平衡的好坏直接 影响抽油机的能耗和寿命。对于游梁式抽油机而言，平衡可分为机械平衡和气动平 衡，机械平衡也有曲柄平衡、游梁平衡及复合平衡之分。从平衡效果来看，游梁平 衡最好，复合平衡次之，曲柄平衡最差，但从安全性来考虑，则正好相反。从现场 使用的情况来看，轻型抽油机使用游梁平衡，中型抽油机使用曲柄平衡，重型抽油 机则使用复合。平衡重，装在曲柄上，类型较多，目前广泛使用的有两种，一种为 一般偏心重结构，另一种为扇形结构。偏心重结构制造容易，但调整较困难，而扇 形结构调整较方便，当需将偏心块调整到某位置时，可将圆曲柄旋转，使要调的位 置在最下方，松开固紧螺钉后，扇形平衡重沿导轨自动落到要调的位置。为了调整 方便及安全，在两种曲柄上都有导轨及挡块，固紧螺钉即使松开，也不会是偏心重 落下。本次设计中采用的是偏心重结构的曲柄。本次设计按照此原则进行，只是在 重型抽油机设计的过程中尽量多采用曲柄平衡，主要是因为简化结构，便于各个模 块之间的相互组装，以最少的模块来组装出最多的抽油机，从而工装夹具的设计， 降低生产成本，提高产品的出口竞争力。曲柄的宽度为 550mm。曲柄的长度则取决 于减速器输出轴中心线至底座底平衡的高度，平衡块的重量主要是取决于抽油机的 承载能力。 API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 16 页 (共 57 页) 图图 4 曲柄平衡装置曲柄平衡装置结结构工程构工程图图 3.5 减速箱减速箱 一般使用的减速箱多数为两极齿轮式，传动比 i=2540 左右，在个别情况下也 有使用一级齿轮减速箱或链轮减速箱。由于工作载荷大，一般小功率时采用斜齿， 大功率时采用人字齿，并开始使用圆弧齿轮。减速箱采用圆弧齿轮后，其承载能力 比相同参数的渐开线齿轮减速箱体积有所减少，这样也给抽油机其它部件尺寸的缩 小创造了条件。本次设计中选用的减速箱就是这种类型。其型号为：ZLH1000。 减速器的额定扭矩为 105 KN .m 3.6 刹车机构刹车机构 刹车装置安装在减速器的高速轴上，起制动作用。它的结构型式有内涨式和外 抱式两种，内涨式刹车装置结构复杂，但制动力矩大，外抱式则正好相反。刹车机 构是一个传动机构，将人力传递给刹车装置，并进行必要的放大，使之符合制动力 矩的要求。本次设计采用外抱式刹车装置。 抽油机的尺寸规划及结构 第 17 页 （共 57 页） 3.7 支架支架 支架的主要作用是支承游梁，其高度必须满足抽油机的冲程长度、井口高度及 悬绳器的正常工作需要。支架与游梁、连杆、曲柄及底座一起构成抽油机的四连杆 机构，保证抽油机的正常工作。支架的结构型式有两种，一种是四腿支架，它主要 由角钢焊接而成，其特点是制造方便，刚度大，但体积大，运输困难，国内的常规 抽油机和部分偏置抽油机采用这种结构的支架；（对于重型油机尤其突出） ，另一种 是三腿支架，它是用工字钢和槽钢组焊而成，它的特点是开度大，运输方便，但安 装困难；其另一个优点是当它的后腿与减速器座相联时，使底座不受弯曲应力的作 用，从而保证底座不会出现断裂的情况。国内的部分偏置抽油机采用这种结构的支 架，国外的常规抽油机和偏置抽油机均使用三腿支架。本次设计的支架采用的是三 腿结构, 支架前面的两个主腿和后腿均采用两个槽钢对焊，并间断补强，制作时， 将前腿和后腿分开，现场安装时将支架后腿按要求组装并锁紧即可。 图图 5 支架支架结结构工程构工程图图 API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 18 页 (共 57 页) 3.8 底座底座 底座的作用是承受整个抽油机及悬点载荷的全部重量，并使抽油机的支架、减 速器及电动机装置连成一体。底座有门型和 T 型两种，国内常规抽油机和部分偏置 抽油机采用门型底座，部分偏置抽油机采用 T 型底座。本次设计采用 T 型底座，这 种底座的优点是稳定性能好，尤其是超重型抽油机，必须采用这种结构的底座。底 座上焊有减速器座和电动机座，一般来说，电动机座有两种布置方式，一种是直接 在底座的主梁上焊接电动机导轨，它的特点是抽油机运转平稳，但耗材多；另一种 是用不同的型钢单独制作一个电动机座，然后将该座焊接或铆接在主座上，它的特 点是节省材料。对于雨多的地区，还应当防止电动机淹水的现象产生，为此，本次 设计将电动机座抬高 5001000，对于少雨地区，可将电动机座放置到与主底座 对齐的位置。 图图 6 底座底座结结构工程构工程图图 3.9 皮带传动装置皮带传动装置 抽油机的尺寸规划及结构 第 19 页 （共 57 页） 皮带传动装置的作用是将电动机的高速运动传递给减速器，并作适当的减速， 主要有大皮带轮、小皮带轮及三角胶带组成。选用皮带时，本设计用普通 D 型三角 胶带，至于三角胶带的根数则视其传递的功率而定，长度则根据电动机装置的结构 确定，每一种型号的抽油机配备有三个不同直径的小皮带轮，以满足抽油机三个不 同冲次数的需要，大皮带轮则是每一种型号的减速器配备一个。 3.10 钢丝绳和悬绳器钢丝绳和悬绳器 悬绳器是连接光杆的吊绳的部件，钢丝绳是用多层股（不旋转）钢丝绳，规格 为 32mm，其公称抗拉强度为 1550 N/mm2。 3.11 电动机电动机 抽油机的动力源有：柴油机、电动机、天然气发动机等，其中柴油机和天然气发 动机主要用于电力供应紧张或电力难以送达的边缘或偏辟地区，大多油田均使用电 动机。本次设计的抽油机动力源使用电动机，其型号为 Y315S-8(55KW 740rpm)。 3.123.12 轴承座轴承座 每一台抽油机有三个轴承座，即中央轴承座、尾轴承座和曲柄销轴承座，根据 抽油机的不同型号，共有 5 种同一型号、不同规格的轴承座，具体型号见 SY/T 579593游梁式抽油机安装尺寸、易损件配合尺寸标准。 API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 20 页 (共 57 页) 图 图图 8 API常常规规型抽油机型抽油机结结构示意构示意图图 1驴头；2游梁；3横梁；4连杆；5曲柄装置；6减速器；7 电动机装置；8刹车机构；9底座；10支架；11悬绳器；12 光杆卡瓦；13吊绳 游梁抽油机的基本参数和分类 第 21 页 （共 57 页） 4 游梁抽油机的基本参数和分类游梁抽油机的基本参数和分类 抽油设备的功用就是从一定的井深抽出一定数量的原油，所以，井深和产量就 标志着抽油设备的工作范围。为了达到这两个指标，对游梁式抽油机的工作能力提 出了各方面的要求，这就是游梁式抽油机的基本参数： 抽油机的的参数主要是：悬点额定载荷、冲次数和光杆冲程，由于这三个参数 是独立的，分别代表抽油机主要性能指标，故我们称之为基本参数；另外，抽油机 减速器的额定扭矩、电动机的装机功率，也是其重要的技术参数，但它们不是独立 的，而是由抽油机的基本参数决定的，故我们称之为总体参数。在规划这些参数的 过程中，额定悬点载荷根据 API 标准提供的公称尺寸数据，进行公制转换、圆整即 可；对于一台抽油机而言，一般有三到四个冲程，其中最大的光杆冲程可以依照 API 标准提供的公称尺寸数据，进行公制转换、圆整，其它几个冲程则要根据计算 求得。计算的论据是既要符合制造要求，又要满足冲程梯度的变化，即符合不同型 号的抽油机最大冲程的变化规律。单一的冲次数决定了抽油机运动速度，同时决定 了抽油机各运动构件的动载荷，在规划抽油机的冲次数时，主要是考虑抽油机的平 均抽吸速度，其值在一个较小的范围内变化，并且随着冲程的增加而增大。减速器 的额定扭矩依照 API 标准提供的公称尺寸数据，进行公制转换、圆整，并且符合 SY5044-2000游梁式抽油机的要求。 4.1 驴头悬点（挂抽油杆处）的最大允许载荷驴头悬点（挂抽油杆处）的最大允许载荷 它主要取决于抽油杆柱和油柱的重量，实际上的它表明在一定的抽油杆和抽油 泵泵径组合时的最大下泵深度（或井深） 。目前，悬点的最大允许载荷从 58KN 到 150280KN。 根据悬点最大允许载荷 Q 的变化范围，可将抽油机分为以下几种： 轻型.KNQ30 max 中型KNQKN10030 max 重型.KNQ100 max 4.2 悬点最大冲程长度悬点最大冲程长度 max S 它主要决定于抽油机的产量以及抽油机的基本尺寸和重量。石油矿场上，应用 API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 22 页 (共 57 页) 的悬点最大冲程长度从 0.3 到 10 米，而用的最广泛的在六米以下。 max S 根据悬点最大冲程的变化范围，可将抽油机分为以下几种： max S 短冲程 . mS1 max 中等冲程 . mSm31 max 长冲程 . mSm63 max 超长冲程 .mS6 max 4.3 悬点的最大冲程次数悬点的最大冲程次数 max n 它表明抽油机的抽汲工况.最大冲程次数和最大冲程长度一起,确定了抽 max n max S 油机的最大产量(当泵径一定时)。目前，实际应用的悬点最大冲程次数从 24min 到 20 min。因为，抽油杆的折断系数和冲程次数成正比，所以限制了冲次的进 11 一步提高。 根据悬点的最大冲程次数的变化范围，可将抽油机分为以下几种： max n 低冲次 1 max min6 n 中等冲次 1 max 1 min15min6 n 高冲次 1 max min15 n 4.4 减速箱曲柄最大允许扭矩减速箱曲柄最大允许扭矩 max M 它和上述三个基本参数间存在一定的关系，特别是和悬点最大冲程长度成 max S 正比。即越大，也越大。同时，曲柄的最大允许扭矩确定了减速箱的 max S max M max M 尺寸和重量。 根据减速箱曲柄最大允许扭矩的变化范围，可将抽油机分为以下几种： max M 小扭矩mKNM10 max 中等扭矩 .mKNMmKN3010 max 大扭矩 mKNMmKN6030 max 超大扭矩 mKNM 60 max 如果将扭矩和冲程次数两个基本参数相乘，就可得到抽油机单位时间（一分钟 内）所需的功率。所以，也可根据抽油机所需的功率把它分为以下几种： max P 小功率.KWP5 max 中等功率.KWPKW255 max 游梁抽油机的基本参数和分类 第 23 页 （共 57 页） 大功率.KWPKW10025 max 超大功率.KWP100 max 上面，我们根据抽油机的四个基本参数和最大功率对它进行分类，以便于抽油 机的设计计算。此外，抽油机按其结构可分为：前置式和后置式。按平衡方式的不 同可分为：机械平衡和气动平衡。机械平衡需要金属多，调整不方便，但结构很简 单，是目前应用最多的一种。气动平衡重量轻，调整方便，但结构复杂，多用于重 型长抽油机。 为了能对游梁式抽油机正确的进行设计计算和改进，首先必须研究上述的四个 基本参数的大小和变化规律；最后，根据油田生产实际给定的条件对抽油机进行设 计计算和改进。 CYJRM912D-365-192HB 型偏置抽油机各字母和数字所代表的意义： CYJ游梁抽油机的代号，RM偏置型，D双圆弧齿轮减速器，365/160 驴头悬点的最大载荷为 36500LbS/160KN，192In/光杆最大冲程长度，912m8 . 4 减速箱曲柄最大允许扭矩为 912000InLbs/，H减速箱为点啮合圆弧齿轮mKN 105 传动型，B曲柄平衡。它属于重型、长冲程、中等冲次、超大扭矩型的抽油机。 API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 24 页 (共 57 页) 5 偏置抽油机的设计计算偏置抽油机的设计计算 5.1 CYJRM912D-365-192 抽油机的计算参数抽油机的计算参数 曲柄半径(R)为：1.145(米) 连杆长(P)为：4.345 (米) 游梁前臂(A)长为：4.360 (米) 游梁后臂(C)长为：3.000 (米) 曲柄回转中心至中心轴承的垂直距离（HG）为：4.140 (米) 曲柄回转中心至中心轴承的水平距离（I）为：4.140 (米) 游梁的最大摆角：=48.173 （度） 冲程：s=3.666(米)；冲次：8（/分） ；泵径：38（厘米） 偏置角（）：-9 (度) 悬点载荷：190（千牛） ；电动机的额定功率：55（千瓦） 偏置型抽油机的机构运动简图如下所示，其中已知条件为：曲柄半径 R，连杆 长度 P，游梁后臂长度 C，游梁前臂长度 A，减数器输出中心到支架轴承中心的水 平距离 I，减数器输出中心到支架轴承中心的垂直距离（H-G） ，冲次数 n，减速器的 额定扭矩 T ，电动机的额定功率。 EE P 图图 9 偏置型抽油机偏置型抽油机结结构运构运动简图动简图 偏置抽油机的设计计算 第 25 页 （共 57 页） 5.2 几何计算几何计算 根据图中的符号定义，则有： 5.2.1 计算计算 PC KRRKCP 2 )cos(2 cos 2222 1 （1） 式中： )( 1 GH I tg （2） ， )cos(2 22 KRKRJ 22 )(GHIK （3） 5.2.2 计算计算 sinsin JP sinsin 1 J P （4） )sin(sin JR )sin(sin 1 J R （5） 0 90 （6） 5.2.3 计算计算 )()( （7） 5.1.4 计算计算 o )(2 )( cos 222 1 0 RPK CRPK API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 26 页 (共 57 页) （8） 5.2.5 计算计算 )(2 )( cos 222 1 RPK CRPK （9） 5.2.6 计算冲程长度计算冲程长度 S S AS bt ) ( （10） 其中： CK RPKC t 2 )( cos 222 1 （11） CK RPKC b 2 )( cos 222 1 （12） 5.3 运动计算运动计算 5.3.1 计算悬点的速度计算悬点的速度 t V ； 30 n B BB RV. （13） sin )180sin(. 0 B C V V （14） CVC AC / （15） sin )sin(. B CB V V （16） AVV AtA . 偏置抽油机的设计计算 第 27 页 （共 57 页） （17） 5.3.2 计算悬点的加速度计算悬点的加速度 A a 22 ./RRVa B n B （18） 2 222 2 sin )(sin ./ P R PVa CB n CB （19） 2 222 2 sin sin ./ C R CVa C n C （20） sin 1 ).coscos( n C n B n CB t C aaaa （21） sin cossin sincos sin )(sin sin 22 2 2 C R P R C AR atA （22） 作表作表 1,1,其内容为其内容为。 A a, 表表 1 抽油机具体参数值抽油机具体参数值 度 度 度 度 Aa 0558.260422.2103080586.108280.773162 14.5499818023.098274181.513970.839255 15179.431323.0974056381.396160.839987 30160.42722.0784421878.405740.806479 45141.568919.2335180377.378830.655574 60123.285214.9023208978.405740.42228 75106.00349.60655727781.396160.178375 9090.026523.89435633686.10828-0.016017 10575.46694-1.79244422792.21459-0.14147 12062.26096-7.1645882799.36247-0.211055 13550.22515-12.059067107.2048-0.250099 15039.10951-16.38294556115.3976-0.284597 16528.62531-20.0538022123.5686-0.340017 API 偏置抽油机的设计：RM912D-427-144 第 28 页 (共 57 页) 18018.44431-22.94057224131.2578-0.443805 1958.174399-24.80117046137.8319-0.617074 206.4258360-25.29109801141.563-0.778291 210357.3393-25.24183452142.425-0.824171 225345.4464-23.81353431144.1038-0.90711 240332.2149-20.34938501142.425-0.740597 255317.7343-15.20791665137.8319-0.446329 270302.2976-9.038028473131.2578-0.178964 285286.166-2.44913774123.56860.028336 300269.49534.079684292115.39760.197088 315252.35591020480.350563