（机械设计及理论专业论文）棘轮换向节能式抽油机设计与研究.pdf

中文摘要 论文题目：棘轮换向节能式抽油机设计与研究 专业：机械设计及理论 硕士生：马健强( 签名) 刍建墨琶 指导教师：韩成才( 签名) 鲜堕蕴 摘要 本文分析了游梁式抽油机实际使用存在高能耗、低效率的问题和各种新型节能抽油 机的研究现状。根据工艺要求对棘轮换向节能式抽油机进行结构设计，确定了棘轮换向 节能式抽油机各零部件的尺寸，解决了游梁式抽油机高能耗、低产出、冲程短等缺点。 本课题的研究主要工作包括以下几个部分： 首先，棘轮换向节能式抽油机的总体方案设计。该抽油机的主要组成结构包括机架， 棘轮换向减速箱，碰泵机构，让位机构，平衡重保护装置，刹车机构。我们对抽油机各 个部件进行结构分析设计，并且给出了减速器关键零件凸轮和棘轮的设计方法。其工作 原理为电机带动皮带，皮带驱动棘轮换向减速箱，动力通过链轮、链条组和钢丝绳传递 到抽油杆，使抽油杆随着减速箱的正反转而上下往复运动。 其次，通过对棘轮减速器凸轮轮廓线的设计得到我们希望的抽油机悬点运动规律， 建立了棘轮换向节能式抽油机悬点运动的数学模型，提出了棘轮换向节能式抽油机的悬 点载荷大小的计算方法、静力示功图、动力示功图、平衡重的计算方法以及平衡系统的 受力分析模型的建立。 再其次，我们对抽油机的各个部件进行设计和受力分析，并且利用a n s y s 有限元 分析软件对整机进行受力分析和稳定性校核，为棘轮换向节能式抽油机的设计制造提供 理论依据。 最后，棘轮换向节能式抽油机通过理论分析和实验数据计算，得出了棘轮换向节能 式抽油机更有利于提高系统效率，具有良好的节能效果。针对目前我国油田增产节能的 迫切需要，棘轮换向节能式抽油机具有重要的理论意义和实用价值。 关键词：抽油机；棘轮减速箱；液压换向；有限元分析 论文类型：设计及理论研究 一 茎茎塑墅 s u b j e e t ：d e s i g na n dr e s e a r c ht h ee n e r g y - s a v i n gp u m p i n gu n i tc h a n g ed i r e c t i o n b y r a t c h e t s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y n a m e ：m a j i a n q i a n g ( s i g n a t u r e ) 地堡了! 垒翌! 坠2 i n s t r u c t o r ：h a n c h e n g c a i ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a n a l y z e dt h eb e a m - p u m p i n gu n i t sm a i n p r o b l e m so fw a s t i n ge n e r g ya 1 1 dl o w e i l i c i e n c ymu s ea n dr e s e a r c h e do nav a r i e t yo fn e wo i lp u m p i n gu n i ts t a t u s a c c o r d i n gt o e n e r g y s a y l n gp u m p i n gu n i tc h a n g ed i r e c t i o n b yr a t c h e t sp r o c e s sr e q u i r e m e n t sc h a n g e s t r u e t u r a l ，d e t e r m i n et h ep u m p i n gu n i t s i z eo ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t s s o m ep r o b l e m ss u c i h a sn 1 曲p o w e rc o n s u m p t i o n 、l o wp r o d u c t i o n 、s h o r ts t r o k eo f w a l k i n gb e a mo fp u m p i n gu n i t a r es o l v e d t h em a i nw o r ki n c lu d e st h ef o l l o w i n gs e v e r a lp a r t s ：t o u c ht h ep u m p b o d y ，m a k e w a yf o ra g e n c i e s ，b a l a n c ew e i g h tp r o t e c t i o n , b r a k em e c h a n i s m i r s t l y ，t h eo v e r a l lp r o g r a md e s i g no fe n e r g y - s a v i n gp u m p i n gu n i tc h a n g ed i r e c t i o nb y r a t c h e t t h i sp u m p i n gu n i ti sm a d eu po f s u p p o r t i n gf r a m e ，r a t c h e tr e v e r s i n gg e a r b o x ，t o u c h t h ep u m pb o d y ，m a k ew a yf o ra g e n c i e s ，b a l a n c ew e i g h tp r o t e c t i o n , b r a k em e c h a 血s m w - e d e s i g na l lp a r t so ft h ep u m p i n gu n i t ss t r u c t u r e ，a n dg i v et h ed e s i g nm e t h o df o rc a ma n d r a t c h e to fk e yp a r t sr e d u c e r i tw o r k sf o rn l em o t o rd r i v eb e l t , b e l td r i v e nr a t c h e tr e v e r s i n g g e a r b o x ，p o r e rt h r o u g ht h es p r o c k e lc h a i ng r o u pa n dw i r er o p ei s p a s s e dt ot h ep 啪咖g u n i t ，a n dt h ep u m p i n gu n i tm o v e s u p sa n dd o w n sa st h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v er o t a t i o no ft l l e d r a w i n gm a c h i n e ，f i n i s h i n gt h ep u m p i n gw o r k s e c o n d l y ，w ew i s ht h ep o l i s h e dr o dm o t i o nl a wt h r o u g ht h ed e s i g no ft h eg e a rr e d l l c e r ，s c a mc o n t o u rt o a c h i e v e ，e s t a b l i s h e ds u s p e n s i o np o i n tm o t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lf o r e n e r | g y s a v m gp u m p i n gu n i tc h a n g ed i r e c t i o nb yr a t c h e t , w ep r o p o s e dr o dl o a ds i z ec a l c u i a t i o l l s t a t i cd y n a m o m e t e r , d y n a m i cd y n a m o m e t e r , b a l a n c ew e i g h tc a l c u l a t i o na n db a l a i l c es v s t e m o ft h es t r e s sa n a l y s i sm o d e lf o re n e r g y - s a v i n gp u m p i n gu n i t c h a n g ed i r e c t i o nb yr a t c h e t t h i r d ，w ea r ed e s i g no fp u m p i n gu n i t sv a r i o u sc o m p o n e n t sa n d s t r e s sa n a l y s i s ，a n du s i l l g a n a l y s i ss o f t w a r ef o rm e c h a n i c a la n a l y s i s t h e o r e t i c a lb a s i sf o rp u m p i n gu n i t s a n ds t a b i l i t yo ft h em a c h i n ec h e c k , i tp r o v i d ea f i n a l l y , t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n e x p e r i m e n t a ld a t af o rt 1 1 e e n e r g y - s a v i n gp u m p i n gu n i tc h a n g ed i r e c t i o n b yr a t c h e t , w ec a no b t a i l l e df o rt 1 1 e e n e 唧。s a v i n gp u m p i n gu n i tc h a n g ed i r e c t i o nb yr a t c h e th e l pt oi m p r o v es y s t e me 蚯c i e n c ya n d i i i 英文摘要 g o o de n e r g ys a v i n ge f f e c t c h i n a s o i l o u t p u tf o rt h ec u r r e n tu r g e n t n e e df o re n e r g y e o n s e r v a t i o n , t h ee n e r g y s a v i n gp u m p i n gu n i tc h a n g ed i r e c t i o nb yr a t c h e th a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv 曩l u e k e yw o r d s ：p u m p i n gu n i t ；r a t c h e tg e a r b o x ；h y d r a u l i cr e v e r s i n g ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s t h e s e ss t y l e ：d e s i g na n da p p l i e dr e s e a r c h i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：刍j 建趾日期：j 当屿啦 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：墨垒理主鱼 导师签名：缝蝴 日飙卫恸 日期：刈曼压2 兰2 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 棘轮换向节能式抽油机研究的目的和意义 随着我国及世界石油工业的发展，钻井深度不断增加，油田深井、超深井的比例不 断提高，因此对抽油机的提出了更高的要求。抽油机是石油和天然气的主要开采机械。 抽油机是有杆抽油系统的地面动力传动设备，是构成“三抽系统的主要组成部分。抽油机 的产生和使用己经有了一百多年的历史。发展到现在，抽油机的种类可谓繁多，主要有游梁 式抽油机和无游梁式抽油机两大类。目前普遍采用的抽油机主要为游梁式抽油机。就目 前国内油田而言，在机械采油井中，游梁抽油机仍为主要机型。常规游梁式抽油机自诞生 以来，经历了各种工况和各种地域油田的考验，经久不衰。它以结构简单、制造容易、 可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的 地位。但是由于常规机的结构特征，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3 0 左右， 年耗电量占油田总耗电量的2 0 3 0 ，为油日1 电耗的第二位，仅次丁注水。常规抽油机的 主要问题是能耗大，效率低，不能适应油井深抽工艺的需要。究其原因，在于系统总效 率是系统在地面和井下近十个组成部分的分效率和相关反馈系数的乘积，显然要提高抽 油机系统的总效率实现节能是一个复杂的系统工程问题，任何一环的分效率变低，都会 是总效率变低，由此可见降低系统高能耗的迫切性和难度n 兀羽。 因此，研制开发新型节能型抽油机具有很大的现实意义。从现有的资料来看，其基 本结构没有本质的突破，甚至有些设计方案为了实现增程需要，结构有越来越复杂的趋 势。新型水平井长冲程抽油机是一种无游梁式塔架结构长冲程抽油机，除了保持游梁抽 油机原有的诸多优点外，还具有长冲程、低冲次、节能、大载荷和适应性强等特点。对 于降低原油的开发成本、促进国民经济的发展具有重要作用。 本课题研究的棘轮换向节能式抽油机主要用于深井或超深井。利用棘轮减速箱取代 了原来游梁抽油机的四连杆机构；机架更换为塔架，增大了抽油机的冲程。这种传动方 案具有传动结构简单，效率高，系统可靠性高的优点。并可以实现冲程、冲次、上下冲 程时间在额定范围内连续可调。针对目前我国油田增产节能的迫切需要，棘轮换向节能 式抽油机具有重要的理论意义和实用价值。 根据有关部门的统计，我国每年将新增机械采油井5 0 0 0 , - - 1 0 0 0 0 口，加上老油井的 更新，采油装置有着巨大的用量，而目前的采油系统，效率较低。提高装置与系统的效 率和可靠性，是进行采油系统研究的关键。棘轮换向节能式抽油机利用棘轮换向减速箱 取代了游梁式抽油机的四连杆机构和减速器，它不但简化了机械传动过程，也能有效地 提高效率，经测试节能可达3 0 ，而且加大冲程时整机外形尺寸和重量都增加得很少， 特别是抽汲参数可无级调整，为实现自动控制及满足采油工艺要求提供了条件，是一种 西安石油大学硕士学位论文 很有发展前途的新型抽油机。 1 2 常规游梁式抽油机存在的主要问题 抽油机井是油田生产量大面广、投入较大的项目。降低抽油机井的生产成本、提高 原油生产效率，将是人工举升挖潜增效的主战场。( 其中9 0 以上为常规游梁式抽油机) ， 若每1 2 1 抽油井实用功率按1 0 k w 计，5 1 0 4 台抽油机每天耗电近1 2 l o w h ，年耗电近 4 4 1 0 9 k w h 。若我们将抽油机的系统效率平均提高5 ，就全国而言每年可节电近2 2 x1 0 8 k w h 。这不仅可以节约大量能源，还可以缓解油田用电紧张状况，既有经济效益又 有社会效益h 】。 由于常规机的结构特征，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3 0 左右，年耗 电量占油田总耗电量的2 0 3 0 ，为油田电耗的第二位，仅次于注水嘲。 常规抽油机的主要问题是能耗大，效率低。究其原因，在于系统总效率是系统在地 面和井下近十个组成部分的分效率和相关反馈系数的乘积，品然要提高抽油机系统的总 效率实现节能是一个复杂的系统工程问题，任何一环的分效率变低，都会是总效率变低， 由此可见降低系统高能耗的迫切性和难度。 因此，研制开发新型节能型抽油机具有很大的现实意义。 1 - 3 抽油机的节能技术 有杆泵式机械采油使用范围广，投放数量多，且游梁式抽油机存在能耗大，效率低 的问题，随着油田的进一步地开发和电价的不断上调，采油成本在不断提高，如何降低 抽油机的能耗，已引起国内外众多石油机械工作者的高度重视，开展对抽油机节能技术 的研究，对于我国石油工业的发展具有重要的现实意义和深远影响嘲订1 。 针对抽油机的结构特点及节能评价指标，采取不同的节能措施。 ( 1 ) 采用节电驱动设备 目前抽油机的电动机主要从三个方面实现节能：其一，人为地改变电动机的机械特 性，主要是改变电源频率，以实现与负荷特性的柔性配合；其二，从设计上改变电动机 的机械特性( 如高转差率电动机和超高转差率电动机) ，从而改善电动机与抽油机的配合； 其三，提高电动机的负荷率和功率因数。已成功研制了超高转差率电动机、电磁滑差电 动机、稀土永磁电动机、变频调速电动机、双功率电动机、绕线式异步电动机、电动机 调压装置和抽油机蓄能调压装置等。 ( 2 ) 改进结构型式 通过改变抽油机的四杆机构几何尺寸配比以降低抽油机的转矩因数从而降低抽油机 的工作转矩及其波动，实现节能。主要的结构有：偏置式抽油机、前置式抽油机等。 ( 3 ) 改进平衡方式 2 第一章绪论 改变抽油机的平衡方式，提高抽油机的平衡度，以降低减速器输出轴转矩的波动幅 度，达到节能之目的。主要方式有：平衡相位角、气动平衡、游梁偏置复合平衡、变矩 平衡等。 ( 4 ) 采用节能监控装置 目前主要的节能控制装置有：多功能程控装置、间抽定时控制装置。 ( 5 ) 研究开发新型节能抽油机 随着油田的开发，抽油机的投入量日益增加。发展高效、节能、可靠性高的抽油机 是石油机械装备工业的当务之急，也是生产厂家始终追求的目标。国内外一些科研和制 造公司正在研制和推出各种非传统型号的抽油机陋卜n 钔。 1 4 国内外新型节能抽油机研究开发现状 在世界范围内，研究开发与应用抽油机已有1 0 0 多年的历史。在这百余年采油实践 中，抽油机发生了很大变化，特别是近2 0 年来，世界抽油机技术发展较快，先后研究开 发了多种新型抽油机。其特点是：增强了抽油机的适应性、可靠性、经济性和先进性； 改善了抽油性能，降低了抽油机载荷与载荷变化范围，提高了抽油效率，减少了动力消 耗；提高了抽油机平衡效果，改善了抽油机的运动特性、动力特性与平衡特性；增大了 抽油机的使用范围，减小了抽油机体积和质量，强化了抽油机自动化与智能化程度。 1 4 1 国外发展现状 目前，世界上生产抽油机的国家主要有美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等。 近年来，国外研究开发了各种新型抽油机，为更经济有效地开采石油做出了卓越贡献。 ( 1 ) 美国l u f l d n 公司生产b 、c 、m 、a 等4 种系列抽油机，b 系列游梁平衡抽油 机有8 种规格，悬点最大载荷2 4 - - - 4 9 4 k n ，冲程长度0 6 - - - 1 2 1 m 。c 系列曲柄平衡抽油 机有6 4 种规格，悬点最大载荷2 4 - 1 6 5 5 k n ，冲程长度o 7 6 - 4 2 m 。m 系列前置式抽油 机有4 6 种规格，悬点最大载荷6 4 8 6 - 1 9 3 6 8 k n ，冲程长度1 6 2 - - - 5 6 8 m 。a 系列前置式 气平衡抽油机有2 6 种规格，悬点最大载荷7 8 4 7 - - 2 1 3 1 k n ，冲程长度1 6 2 - - 6 0 9 m n 叼。 ( 2 ) 法国m a p e 公司生产1 2 种规格曲柄平衡游梁抽油机，悬点最大载荷1 6 0 k n ， 最大冲程长度4 2 m ，还生产h 系列长冲程液压驱动塔架长冲程抽油机如图1 1 所示，悬 点最大载荷1 9 9 k n ，最大冲程长度1 0 m ，最大冲次5 m i n “2 0 1 。 西安石油大学硕士学位论文 图1 - 1 长冲程液压驱动塔架长冲程抽油机 液压驱动塔架长冲程抽油机的主要特点：采用液压配重，简化系统结构，由于液压缸 的特殊结构和蓄能器回路的配合使用，在平衡液压抽油机的大部分重量时，不需要另外 增加配重，消除了使用机械配鼋所引起的增加机械结构受力和抽油机的体积等缺点，可 以减少抽油机的体积、质量和在油田中的占地面积、能适应滩涂、海上平台和山区等条 件恶劣地区的抽油作业；能够降低装机功率，液压抽油机负载作下冲程时，与液压缸相 连接的蓄能器回路中的蓄能器吸收闭式回路中消耗的大部分能量和下冲程载荷的大部分 势能，作上冲程时，储存在蓄能器中的能量补充负载上行所需的能量，减少变频闭式回 路所需要提供的能量，这样能够大幅度地降低液压抽油机的装机功率，节能效率高，减 少液压泵站体积液压缸上半部分的两腔通过双向液压锁与矢量变频电机驱动的双向液压 泵构成矢量变频容积调速闭式系统，利用了变频容积调速节能效率高和闭式油路节省液 压油的优点，同时可以大大减少液压泵站的体积；蓄能器体积小，载重量大在系统中由 于液压缸的特殊结构，只要合理选择液压缸的结构尺寸和闭式油路及蓄能器回路的压力 等级，可使蓄能器回路中的蓄能器的体积较小，在工程中更容易实现，并且占地面积也 会相应减少，更符合工程实际要求；操作更加安全、平稳在闭式油路中采用双向液压锁 还可以使液压抽油机的停靠更加平稳迅速，增加了系统操作的稳定性和安全性。 ( 3 ) 美国w e a t h e r f o r d 公司生产的长冲程r o t a f l e x 抽油机如图卜2 所示。 r o t a f l e x 链条驱动的抽油机是一种全新结构的高性能有杆抽油设备，该机可以满足 下泵深抽、大泵排液、长冲程低冲次抽稠采油工艺中高含水期油井加深泵挂大排量的需 要，是一种高效节能经济性好的机种乜。 4 第一章绪论 田卜2 长冲程r o t a f l 8 x 抽油机 长冲程低冲次抽油机能增加抽油杆和井下泵寿命。通过增加冲程长度和减少冲次 降低了油管和秆柱接箍的磨损。r o t a f l e x 抽油机的独特设计减少了对扭矩的需要，可使 用小减速箱。减少了原动机的循环负荷，提高了系统总效率，允许使用小功率电动机， 能量消耗大大降低。r o t a f l e x 抽油机比常规抽油机操作和维修更安全。这种独特的抽油 机突破了传统有杆泵系统在捧量和深度上所不能达到的界限。 ( 4 ) 美国m a r a n a t h ai n d u s t r i e s 公司研制的p n e u l i f t 气动抽油机，它不需外部能 源，利用套管作为动力源，就可平稳地举升原油，用于富含气的油井中可显著降低采油 成本。自动化和智能化抽油机也是今后抽油机的一个发展方向。目前比较先进的有美国 b a k e r 、d e l t a 、a p s 和n s c o 等公司生产的自动化和智能化抽油机。 1 4 2 国内发展现状 国内生产厂家主要研制的新型抽油机有滚筒式抽油机，链条式抽油，液压式抽油机 永磁直线电机驱动抽油机等。 ( 1 ) 大庆采油四厂与大庆市鑫驰机械制造有限公司联合研制的新型直驱长冲程节能 抽油机如图卜3 所示。 西安石油又学硕士学位论文 图卜3 新型直驱长冲程节能抽油机 其结构特点是：驱动与传动系统均置于支架项部，属于无游粱式塔架结构长冲程抽 油机；采用变频器控制电动机正反转，电动机经摆线针轮减速器直接驱动悬点滚筒与配 重滚筒；采用多排钢丝绳胶带作悬点悬带和配重悬带悬点悬带与配重悬带在同轴滚筒上 对称布置，配重直接平衡悬点载荷由于该机采用了变频器控制电机正反转的自动控制系 统，因此可以实现冲程、冲次在额定范围内连续可调，具有调参方便的优点，同时可以 根据采出液的物质特点合理分配上下冲程时间，实现上慢下快或上快下慢的悬点运动速 度控制模式因此该机应用于稠油或聚驱油井的举升具有明显的优点。机采用了变频器控 制电动机正反转的直接驱动与传动方案，因此具有传动结构简单，传动效率高，高效节 能等优点。 ( 2 ) 中国石油天然气集团公司研发的智能化抽油机如图卜4 所示。 围卜4 智能化抽油机 智能化抽油机主要的性能特点：抽油机的冲程、冲次无级调节；定期自检、自诊断、 第一章绪论 自动排除故障；易实现长冲程：采用蜗杆传动移位装置、满足作业需求，且不需任何起 吊设各。采用相互独立的电液刹车、手动刹车，使系统运行安全可靠；用钢丝芯宽皮带 代替钢丝绳可减小钢丝绳的磨损，使用寿命高，行程开关控制抽油机在设计的行程范围 内安全运行旧。 ( 3 ) 北京航天林泉石油装各有限公司研究设计的复式永磁电机抽油机如图1 5 所 示。 图卜5 夏式永谱电机抽油机 复式永磁电机抽油机，为塔式结构，由立柱支撑的复式永磁电机直接驱动负载，采 用特制专用皮带传动，通过专用变频控制系统在规定范围内对抽油机冲程和冲次实现无 级可调。以悬挂配重物进行重力平衡。立柱底座以基础地脚螺栓固定。此抽油机的特点： 主要部件是复式永磁电机和变频控制装置，与常规游梁式抽油机相比，省去了减速、换 向等复杂的机械系统，因此，结构简单，重量轻，占地面积小；由于具有国际先进水平 的复式永磁电机和先进的变频控制技术相结合，采用端部配重平衡，平衡效果好，因此， 本抽油机节电效果显著，与常规游梁式抽油机相比，有功节电率大于5 0 ：此抽油机的 操作通过控制箱面板的旋钮调节复式永磁电机的转速，从而调节抽油机的冲次及冲程； 通过改变配重箱中的配重来调节抽油机的平衡。现场维护工作量小，大大降低了采油工 人的劳动强度。复式永磁电机抽油机可实现长冲程低冲次，适用于稠油井、大泵强采井 和深井的原油开采。抽油机的最大冲程为8 m ，相应的堆大冲次为3 r a i n ，并在规定的 范围内，提高泵效，增加产液量，延长检泵周期提高抽油秆和抽油泵的使用寿命，降低 原油生产的综合成本1 。 此外，还有变平衡力矩抽油机、气囊平衡抽油机、自动平衡抽油机、轮式移动平衡 抽油机、直线往复式抽油机等多种类型，这里不再一一介绍。 西安石油大学硕士学位论文 1 5 本课题具体研究内容 近几年来，抽油机节能问题已日益引起人们的重视，国内的许多生产厂家正在不断 地应用新技术，通过进行结构优化设计和改进平衡方式等，实现抽油机节能的目的，减 小能源消耗，降低采油成本，已经有一大批新型的抽油机相继投入油田开采。在开发新 产品的同时，也要对现有抽油机实施节能技术改造，不断地推广节能技术。而在研究节 能抽油机的同时，系统的可靠性、经济性和使用维护方便是生产厂家和用户所特别关注 的问题。研究经济、可靠耐用、节能效果显著的抽油机有着广阔的发展前景，是一个具 有现实意义的课题。因此开发研究直线电机抽油机有着十分重要的意义。 棘轮换向节能式抽油机取缔了常规游梁式抽油机的四连杆结构，棘轮减速器可以独 立完成减速和换向功能。棘轮换向节能式抽油机在我国乃至世界都属于新兴技术，研究 和设计这种抽油机有着特殊的意义。 本论文具体研究内容： 1 、棘轮换向节能式抽油机方案的确立和总体结构设计，以及抽油机工作原理进 行分析； 2 、对棘轮换向节能式抽油机的各个部件进行设计和受理分析，在抽油机的工作 过中，减速箱需要频繁的正反转运行，减速箱的正反转是采用液压控制系统控制， 因此本课题对液压控制系统进行设计； 3 、 对棘轮换向节能式抽油机进行运动分析，悬点载荷分析，平衡系统性能分析； 4 、利用a n s y s 有限元分析软件对整机机架进行受力分析和稳定性校核，为棘 轮换向节能式抽油机的设计制造提供理论依据。 8 第二章棘轮换向节能式抽油机总体方案设计 第二章棘轮换向节能式抽油机总体方案设计 长期以来，我国油田开发主要采用的游梁式抽油机。尽管游梁式抽油机皮实耐用， 但其运行效率低、能耗大，使得原油开发成本高，不能适应“节能降耗 发展的需求， 而且常规型抽油机难以实现长冲程和大负荷。因此各种新型的无游梁式抽油机应运而生， 相继问世，本文将介绍一种具有长冲程、大载荷、效率高、适应性强等优点的新型棘轮 换向长冲程抽油机的设计。 2 1 棘轮换向节能式抽油机总体方案 本文设计的新型棘轮换向长冲程抽油机由电机、棘轮换向减速箱、链条、刹车机构、 抽油机塔式机架及平衡系统等机构组成，其总体结构方案如图2 1 所示。 图2 1棘轮换向节能式抽油机总体方案图 1 一电机；2 一棘轮换向减速箱；3 碰泵机构；4 一机架；5 链条； 6 一让位机构；7 一链轮；8 平衡重保护装置；9 平衡块；1 0 一刹车机构； 2 2 棘轮换向节能式抽油机的机械结构主要包括： ( 1 ) 驱动装置和传动装置。驱动与传动系统由三相笼型异步电机、刹车装置、配重、 移动让位装置、棘轮换向减速器、链条、链轮、悬绳器等组成。电动机输出的动力带动 9 西安石油大学硕士学位论文 减速器旋转。刹车装置由能耗制动与常开制动器共同组成。 ( 2 ) 碰泵机构：碰泵机构主要部件是空心碰泵油缸，它通过i i 字型油缸托架固结于 悬绳器上。 ( 3 ) 机架。机架由方钢焊接，通过螺栓连接而成。机架安装在抽油机基座之上，机 架顶部安装有上平台。机架前方为井口，机架后面有配重体保护网和安全保护装置导轨。 机架一侧有扶梯，由此可以自由上下平台。 ( 4 ) 移动让位机构。井口移动让位装置由链条天车轮、燕尾槽导轨组成的可移动部 件、机架上的导轨槽等组成。该装置是为了在修井的时候，能够移动机头让出井口。 ( 5 ) 安全保护装置。该装置由两部分组成：一部分是失载扩张卡块机构，固结于平衡 箱上；另一部分是导轨式楔座机构，安装于机架后侧两边立腿上。 ( 6 ) 配重杆。配重杆的结构类似于称坨结构。配重块为长方形，中间开有插槽。添加 配重时只需将配重块插入配重杆。 2 3 棘轮换向节能式抽油机的工作原理 棘轮换向减速箱调定冲程、冲次工作制度后，启动电机。电机带动变速箱旋转，上 冲程时，电机带动变速箱正方向旋转，此时电机和平衡系统释放能量带动传动链轮正向 旋转，链轮带动链条和抽油杆向上运动，抽油机完成上冲程；当抽油机运动到达设定的 上死点位置时，变速箱液压系统换向，此时电机带动变速箱反方向旋转，平衡重上行， 抽油杆带动链条下行，到达下死点位置时，变速箱液压系统换向，如此反复循环完成抽 油机的上下冲程。 2 4 棘轮换向节能式抽油机方案的结构特点 ( 1 ) 抽油机变速箱的工作原理发生了变化。传统抽油机变速箱输出运动都是向一个方 向转动，抽油机往复运动需靠另外的机械机构实现，而本方案设计的换向变速箱采用棘 轮机构即变速又换向。加上变速箱内设置的一组丝杠行程控制液压缸，通过调节行程控 制阀挡块位置，可方便地对抽油机冲程、冲次进行调节。 棘轮换向节能式抽油机利用棘轮减速箱取代了原来游梁抽油机的四连杆机构及其减 速箱，缩短了抽油机的传动链，提高了传动效率。与链条换向式抽油机相比，链条式抽 油机结构复杂，换向机构寿命极短，冲程、冲次调节困难。与直线电机抽油机比较，直 线电机抽油机尽管功能独特，智能化程度高，但是它的制造、使用成本太高，是常规抽 油机的六到七倍，棘轮换向节能式抽油机在可以实现冲程、冲数无级调整，上下冲程匀 速运动的基础上，并且制造使用成本大约只有常规抽油机的1 5 倍左右。 ( 2 ) 出于抽油机节能考虑，我们可以对抽油机悬点运动规律进行专门的设计。所有游 梁式抽油机悬点运动都是简谐规律，在抽油机举升油柱过程中变速运动会产生很大的惯 性损失，为了克服惯性损失，抽油机需要配置较大的功率。我们若使悬点运动按如图4 1 0 第二章棘轮换向节能式抽油机总体方案设计 所示的速度规律运动，就会大大减小惯性损失，减小抽油机功率配置，实现抽油机节能。 同时降低了抽油杆工作循环中的交变载荷幅度，延长了抽油杆的寿命。该抽油机变速箱 内特殊设计的凸轮机构可使往复架除换向瞬间外，其它时间均为匀速往复运动，从而使 变速箱输出轴往复匀速转动，该往复匀速转动通过链条跨过机架上的天车轮直接传到悬 点，驱动光杆匀速往复直线运动，所以该机工作过程中惯性载荷只发生在换向瞬时，冲 程中绝大部分时间悬点无惯性载荷。 图2 3 抽油机悬点设计的速度规律 ( 3 ) 抽油机的平衡系统的工作原理创新，传统的抽油机平衡依据的原理均是使电机上 下冲程做功相同，或使抽油机减速箱曲柄轴上下冲程输出最大扭矩相同。而本项目所设 计的抽油机的平衡系统采用了一种跷跷板式的全新的力平衡方式对抽油机工作进行平 衡。即抽油机根据井况( 主要是悬点载荷) 不同，配置不同重量的平衡重，该重量基本 接近悬点载荷，在抽油机工作过程中，电机做功只需要打破这种平衡关系，抽油机就能 实现上下冲程运动，完成油井举升作业。 ( 4 ) 由于棘轮换向节能式抽油机采用了棘轮换向减速箱，不需要外部的运动形式转 换机构，所以机架设计成一种塔架式结构，且塔架高度可以根据油井工况( 柱塞泵冲程 要求) 加节或减节进行调节，这种结构节省抽油机占地面积，特别适应于长冲程或超长 冲程油井抽油，适合于位于农田的油井抽油。 西安石油大学硕士学位论文 第三章棘轮换向节能式抽油机结构设计 从第二章介绍棘轮换向节能式抽油机总体方案设计中知道，棘轮换向节能式抽油机 的主要组成结构为：电机、棘轮换向减速箱、断杆安全保护装置、碰泵装置、修井让位 机构、抽油机塔式机架、刹车机构等。我们将在下面介绍抽油机主要部件的结构设计。 3 1 棘轮换向变速箱工作原理和结构设计 棘轮换向节能式抽油机的核心部件是棘轮换向减速箱，其结构如图3 1 所示：棘轮 挽向变速箱主要由输入轴、导向轴、输出轴、凸轮、棘轮、换向系统等结构组成。棘轮 换向变速箱的结构原理：在输入轴上设计了两组6 个凸轮( 自左向右分别编号为1 - - 6 ) ， 每个凸轮安装相位差为1 2 0 。，凸轮轮廓线分为四个区域：上行程区、远休止区、下行 程区、近休止区，凸轮的工作区域在上、下行程区；输出轴上对应安装了6 个棘轮( 编 号及分组同凸轮轴) ，每个棘轮有1 2 个棘齿，1 、2 、3 号棘轮与4 、5 、6 号棘轮齿向相 反，每个棘轮棘齿相位差1 0 。，1 、2 、3 号棘轮驱动输出轴正转，4 、5 、6 号棘轮驱动 输出轴反转，两组棘轮之问的换向是通过液压换向系统控制，当输出轴于转时，1 、2 、3 号棘爪与棘轮通过液挫缸作用相啮合，4 、5 、6 号棘爪与棘轮在液压缸作用下脱开；当 输出轴反转时，两组棘爪与棘轮在换向装置的作用下工作正好相反。凸轮与棘轮通过连 杆、导向拉板、拉板、棘爪传动嘲借1 。 翔 剿 骨 8 最8 型 棘轮正转状态棘轮反转状态 图3 - 1 棘轮换向减速箱结构原理图 l 一液压投向阀；2 一换向挡板；3 换向螺母；4 输出轴；5 导向轴；6 一油泵： 卜输入轴；8 一凸轮；9 一凸轮套；1 0 一连杆；1 l 一导向轴套；1 2 一导向拉板； 1 3 一棘轮；1 4 一棘爪；1 5 壳体：1 6 限位阀；1 卜液压缸； 棘轮换向变速箱的工作原理：电机通过皮带轮带动输入轴旋转时，周定在输入轴上 的凸轮机构使得装在凸轮上的摆杆产生左右、上下摆动，摆轩再带动套在限位轴上的导 向拉板上下往复运动，导向拉板又与左右对称的鼓形拉板上端联接，左右拉板下端分别 与左右液压缸联接。左右液压缸在行程控制的液压换向阀的控制下，实现一退一进。在 第三章棘轮换向节能式抽油机结构设计 导向拉板的带动下，鼓形拉板及其棘爪上下运动，棘爪与棘轮上的轮齿啮合，拉动棘轮 正转、反转，使得输出轴顺时针、逆时针方向旋转，进而实现抽油机上下冲程。 棘轮换向减速箱的结构复杂、零部件较多，因此必须对减速箱的关键部件进行设计： 3 1 1 凸轮的设计 凸轮的作用有两个方面：首先传递动力，带动拉板使棘轮旋转，进而带动抽油机运 转；其次利用凸轮轮廓线改变抽油机悬点载荷的运动特性。根据这两点要求对凸轮进行 设计。 ( 1 ) 凸轮基圆半径确定啪1 ： r 置。m + ( 7 1 0 ) r a m ( 3 - 1 ) 式中： 冠a ) h 一凸轮轴半径； 风一凸轮基圆半径。 ( 2 ) 根据棘轮换向减速器运动特性设计凸轮轮廓线： 对该抽油机来说，我们希望设计出悬点的运动特性如图2 3 所示：上、下冲程分别 分为3 个阶段：匀加速运动、匀速运动、匀减速运动。该抽油机悬点运动的特性与棘轮换 向减速器输出轴的运动特性相同，减速器的运动特性主要由凸轮的轮廓线决定，因此我 们必须通过对凸轮轮廓线的设计来满足上面所说的悬点运动特性。 通过借鉴凸轮机构无波动往复泵的运动机理，为了防止三个凸轮机构在输出轴运动 合成时发生相互干涉，所以我们将该凸轮轮廓线分为四个区域：上行程区、远休止区、 下行程区、近休止区，凸轮的工作区域在上、下行程区；在远休止区、近休止区凸轮的 运动对棘轮无影响。为了满足抽油机的运动特性我们将凸轮的上、下行程区各分为三个 阶段：匀加速运动、匀速运动、匀减速运动。根据上面对凸轮区域的分析，我设计出凸 轮从动件的运动方程： 凸轮转角在0 万范围，凸轮的从动件的位移方程： v 从2 1 8 日缈 刀2 h 国 z l 万 矽 o ，争 蚓詈，等， 2 ， h 等，争 卑纠 凸轮转角在y 2 x 范围，凸轮的从动件的位移方程： 1 3 西安石油大学硕士学位论文 吻。 一尝( 一万) 万2 “7 h 一_ 国 王l 万 川万，予 川警，警 3 ， 矽【_ 1 0 7 r ，i l l 7 r j _ 【 i l l 7 r ，2 万】 对( 3 2 ) 、( 3 3 ) 式积分得出凸轮的轮廓线方程如下： 凸轮转角在0 万范围，凸轮的从动件的位移方程： 罂矽： 万2 r 旦4 + 等( 一刍6万” 了3 h 一7 9 h 卜5 7 r 6 一) 2 4万2 、 h o ，匀 6 h 詈， + 协4 ， 州等，争 埘詈州 凸轮转角在万2 z c 范围，凸轮的从动件的位移方程： 日一t 9 h ( 一万) 2 万 丝4 一等( 一马6万” 等一等( 坐6 嘲2 4万2 、 y 7 0 式中：h _ 限位滑块最大位移，h = z c r l 2 ，i i l l n , 墨一棘轮中经，i i m l ； 一凸轮转角，r a d s , 彩一电机转速，m s ； 一皮带传动比。 3 1 - 2 棘轮的设计 川万，争 川等，警， 5 ， 等，警， 半加】 棘轮的主要作用有两个方面：首先，棘轮和棘爪配合将凸轮和限位滑块的往复直线 运动转变成输出轴的旋转运动；其次，传递动力，将棘爪传递的动力转变成输出轴的动 力，进而带动抽油机运转。我们根据这两点对棘轮进行设计： 我们选用棘轮的材料为材料4 0 c r 。棘爪在往复直线运动过程中对棘轮的力是拉力和 压力，载荷主要作用于齿顶，齿根的弯曲力矩最大，因此对棘轮应该按轮齿的弯曲强度 1 4 第三章棘轮换向节能式抽油机结构设计 计算： 聊3 j 2 7 k - 丁g 鳖 ( 3 6 ) 死z 一【r 听j 式中：m 一棘轮的模数，n u n ， 丁一棘轮轴所受的转矩n m m ， k 一载荷系数见表3 1 ； z 一棘轮的齿数； 仍一宽度系数，见表3 - 2 ； 一齿形系数； 圪一应力集中系数； 【】一许用弯曲应力，m p a ，【】= 挚； o f o f e 试验轮齿失效概率为1 1 0 0 时的齿根弯曲疲劳极限值； & 一安全系数，见表3 3 ； 表3 - 1 载荷系数k ： 作机械的载荷特性 原动机 均匀中等冲击大的冲击 电动机1 1 21 - 2 1 61 6 1 8 多缸内燃机 1 2 1 61 6 1 81 9 2 1 单缸内燃机1 6 1 8 1 - 8 2 02 2 2 4 齿轮相对于轴承的位置齿面硬度 软齿面硬齿面 对称布置0 8 1 40 4 0 9 非对称布置 0 2 1 20 3 0 6 悬臂布置0 3 o 40 2 o 2 5 使用要求 s h 血s f m j n 高可靠度( 失效概率1 1 0 0 0 0 ) 1 52 o 较高可靠度( 失效概率1 1 0 0 0 ) 1 2 51 6 一般可靠度( 失效概率1 1 0 0 ) 1 01 2 5 棘轮其它参数选取： 棘轮的齿数取z = 1 2 ， 棘轮的齿顶圆直径以为：元= m z ，i l l n l ； 棘轮齿高h ：h = 0 7 5 m ，l l n ； 棘轮的齿根圆直径d ，为：d ，= 元一2 h ，m m ； 6 个棘轮的形状尺寸如3 2 所示( 取聊= 1 8 时棘轮形状) ，1 、2 、3 控制减速箱正转， 1 5 西安石油大学硕士学位论文 每个棘轮相位相差1 0 。；4 、5 、6 控制减速箱反转，每个棘轮相位相差1 0 。 镬qq qo 3 1 3 液压换向系统的设计 图3 - 2 棘轮形状尺寸图 棘轮换向减速箱的液压系统是减速箱实现正反转及抽油机实现上下冲程换向的主要 机构，并且通过调节液压系统可以改变抽油机的冲程冲