新型传动抽油机设计与分析

1、资料目录1 绪 论11.1 国内外抽油机现状11.2 长冲程抽油机的分类21.3 长冲程抽油机的优点31.3.1 长冲程抽油机的优点31.3.2 主要用途41.4 长冲程抽油机的现状及未来的发展方向61.5 齿轮齿条抽油机61.6 超级电容82 平衡能量计算及平衡装置的设计102.1 平衡能量的计算102.1.1 原始数据102.1.2井深计算102.1.3 电动机上下冲程时功率计算112.2 平衡重计算及平衡装置的设计122.3 电动机的选择122.3.1 起升功率的计算122.3.2 传动装置的总功率132.3.3 确定电动机转速132.4 传动参数的计算152.4.1 计算总传动比152

2、.4.2 分配减速器的各级传动比153 传动装置的设计173.1 齿轮传动设计173.2 齿轮的设计及校核173.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数173.2.2 按齿面接触强度设计173.2.3按齿根弯曲强度设计193.2.4几何尺寸计算203.3 轴的设计203.4 轴的校核223.4.1 求低速级大齿轮上的力223.4.2 求轴上的载荷223.4.3 总弯距的计算254齿轮齿条的设计274.1选定齿轮齿条类型，精度等级，材料及齿数。274.2按齿面接触强度设计274.2.1确定公式内的各计算数值274.2.2计算274.3按齿根弯曲强度设计284.3.1确定公式内的各计算数值294

3、.3.2设计计算295超级电容315.1超级电容的论述315.2超级电容的特点316.刹车337.经济性评估348.设计小结359.参考文献36致谢38新型传动抽油机设计与分析摘 要：为了更好的实现抽油机长冲程采油的目的，在满足油田采油工艺要求的前提下，设计了齿轮齿条传动抽油机。该抽油机的动力系统采用KCT系列变频调速电动机,省去了正反转电动机软起动控制器，可以实现传动装置的的频繁正反转，从而提高了了传动的稳定性；并且本抽油机采用超级电容的原理，对其进行了平衡设计，平衡效果较常规抽油机有明显的改善，更加简单的设计和实际中的应用。抽油杆采用抗拉强度高，密度小的碳纤维连续抽油杆，减轻了重量，增加了

4、抽油量，但碳纤维抽油杆不能受到压力作用。与一般抽油机相比，齿轮齿条抽油机具有易安装，直接驱动，采油效率高，适于开采稠油及深井采油（如陕北地区油田），发展该型抽油机对当前老油田高含水井后期的开采减缓产量递减速度，开采稠油、低渗透等油田的“难动用储量”，以及沙漠油田深井及超深井的机械开采等，在人力资源，环保等多方面都是有一定的现实意义的。本抽油机的使用将会使我国许多油田在增加原油产量的同时降低耗能，有着十分重要的意义。关键词：抽油机， 长冲程 ， 齿轮齿条Design and analysis of rack and pinon Pumping UnitAbstract: To better ac

5、hive rack and pinon pumping unit with the purpose of meeting the requirements of oil field technology, the unit uses KCT family transduce varying speed motor, which can be achieved in the frequency of positive and negative without soft-starter motor positive controlto ,then have the stability improv

6、ement.And the unit using the principle of detailed balance of Super capacitor ,the balance effect compares the conventional unit to have the distinct improvement. Its sucker rod uses carbon fiber continual sucker rod ,which tensile strength is high,the density is small. The apply of the sucker rod i

7、ncreased production,as well as reduce weight,but the carbon fiber continual sucker rod can not be pressured. Rack and pinon Pumping Units compare the common pumping unit have the longer stroke,Easy to install ,Direct drive are suitable for the mining heavy crude oil and the deep well extraction bene

8、fit, the rack and pinon Long-Stroke Pumping Unit are also suitable for old oil well with high water content to slow down the produce decrease rate,extract heavy crude oil(such as shanbei oilfield), low permeable sublayer oil well's "hardly moved reserves",also for machine extract draw

9、well and ultradeep well in desert.In human resources, environmental protection and so on，are all have certain practical significance .the family pumping unit will be able to cause many oil fields of our country to reduce the energy consumption and increase crude oil output . So , it is very importan

10、t.Key words： pumping unit; longer-stroke;rack and pinon1 绪 论1.1 国内外抽油机现状近年来，各国正在研究具有较好的抽油性能、提高石油产量、降低采油成本、提高经济效益的长冲程抽油机，但是在这些产品研发成功后在使用的过程中受到了很多限制，还是不能很好的满足市场的需求。目前，各国使用得最多的仍是游梁式抽油机，这类抽油机只适合于短冲程，在抽油的过程中电机的负荷分布不均匀，导致现在有很多问题在采油的过程中无法解决。我国现有原油生产井达7万多口，由于各主干油田大都进入生产后期，地层油的压力降低，绝大多数油井主要靠机械采油方式生产。在机械采油中又以

11、有杆抽油装置采油为主，据统计我国达90%以上。目前我国各大油田使用的绝大多数都是游梁式的有杆抽油装置，游梁式抽油机是最古老、应用最广泛的一种型式，工作可靠、坚实，使用和维修方便，并且在常规型基础上发展了多种型式，但是游梁式抽油机在实际的生产使用中存在着很多的问题：其一，体积重量大，冲程越长该问题越突出，以至于很难进一步提高其冲程。其二，随着油井深度的逐渐增加，特别是稠油、高含蜡油井的数量不断增多，由于冲程短不能保证原油产量；目前我国以四连杆机构为基础的冲程游梁式抽油机的超长冲程可达六米多，其体积、重量及制造成本已经相当大了，再加上冲程长度，已经是非常困难了；而这一冲程，对于深井、稠油井、高含蜡

12、油井，已经显得远远不够了，很难适应油田生产的需要。其三，在上、下运动的冲程中电机负荷不均匀，即向上运动时电机的负荷很高，向下运动时电机的负荷则相对较低，甚至是负值载荷，因而造成能量的浪费。为此人们采取了多种平衡方式，如游梁平衡、曲柄平衡、复合平衡、气压平衡等，在不同程度对抽油机的载荷分布有所改善，但由于其并没从本质上改变游梁式抽油机的四连杆机构，因此不可能从根本上解决抽油机功率分配不均的问题。其四，采用一根根用螺纹连接起来的刚性的抽油杆将地面动力传到井下，因此，在井下抽油设备下放安装、取出维修时的操作难度非常大，作业时间长，成本高，且容易发生脱扣事故。其五，游梁式抽油机的冲程、冲数只能有级调节

13、，不能及时适应油井工艺参数的变化，大大限制了其使用范围。目前，胜利油田河口采油厂工艺技术人员通过研制开发抽油机井逆变器变屏群控调速技术，提高促进油井群控技术的发展和降低了成本，实现了油井精细化控制与管理，提高了工作效率；但是从电的使用上来说，虽然在原来的基础上电能节约了30%，可仍还是电量消费了很大的资本；体积庞大，占据了空间，不便于搬迁。天津中成机械制造公司自主研发成功国内最大型抽油机C1280D427240一次试车成功，C1280D427240根据国内外深井、大负载、高产井的开采需求研制的特大型抽油机，整机长14.8米、宽3.5米、高11.9米，悬点最大载荷19吨，最大冲程长度6.07米，

14、减速器额定扭矩达147千牛米，总重近50吨，但是体积庞大、冲程的长度远远不能满足市场的需求、耗电量比较的大、成本价格比较的高。美国研制了Kincaid冲程倍增抽油机，也称为低矮型抽油机，当游粱前端从下死点运动到上死点时，行程为068513.1，此外驴头在杠杆作用下还可绕自己的支点旋转90度，驴头转动行程也为0.685 m，抽油机的实际冲程为1.37 m，冲程增加1倍，但是冲程很短，还是不适合深井和稠油井。全俄石油机械设计研究院研制了一种特殊结构的增大冲程游梁抽油机，把游梁支座改成为一个弧面钢带，在支架上有一个上固定点，在游梁上有一个下转动点，可使游梁在摆动过程中，支点还可以向上或向下运动一个附

15、加行程，抽油机实际冲程长度为游梁摆动行程与支点上下运动行程之和，当驴头上下移动行程为3米时，支点上下运动行程为1米，抽油机实际冲程长度也只有4米,该抽油机采用电动机、胶带、减速器、曲柄、连杆机构驱动游粱，但是抽油机的机械运动和零件损耗很大。1.2 长冲程抽油机的分类纵观国外各种长冲程抽油机.大致可分为增人冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机砚种类型。1.增大冲程游梁抽油机利用各种机构或元件的运动特性和工作原理增大游梁抽油机的冲程长度，称为增大冲程游梁抽油机。这里应当指出；利用抽油杆的超冲程也能增大抽油泵冲程长度；利用增大冲程机构直接与抽油泵组合，也能增大抽油泵冲程长度，抽油

16、机的冲程长度.不改变。这两种增大冲程的方法均不属于增大冲程抽油机。国外增大冲程抽油机有美国Kincaid冲程倍增抽油机；英国增大冲程游梁抽油机;原苏联增大冲程游梁抽油机；美国Lufkin公司游头抽油机等。2.增大冲程无游梁抽油机利用各种机构或元件的运动特性和工作原理增人无游梁抽油机的冲程长度，称为增大冲程无游梁抽油机。例如:美国Lowjack低矮型增大冲程无游梁抽油机等。3.长冲程无游梁抽油机长冲程无游梁抽油机的特点是；没有游梁、不采用曲柄连杆机构换向、也不采用增大冲程机构、利用抽油机本身机构运动特性，实现长冲程抽油，也称为超长冲程无游梁抽油机。该抽油机有立式和卧式两种结构型式；.立式长冲程无

17、游梁抽油机抽油机所有设备均置地面上，一般为机架立式结构型式，占地面积较小，但占用空间高度较大。例如；美国ROTAFLEX长冲程低冲次抽油机；法国Mape长冲程无游梁抽油机；Dynovation公司长冲程无游梁从式井抽油机等。.卧式长冲程无游梁抽油机 抽油机主要设备置于地面上，平衡装置于地下套管之中，一般为卧式结构型式，占地面积和占用空间高度较小。例如:美国Western Gear Co长冲程无游梁液压抽油机；美国National Supply Co，长冲程无游梁链条传动抽油机等。1.3 长冲程抽油机的优点 1.3.1 长冲程抽油机的优点 各种长冲程抽油机的抽油实践表明，具有以下七个主要优点、现

18、分列如下:1.提高采油效率、增加石油产 采用长冲程抽油方式.抽油泵柱塞的实际冲程长度减少的比率较小，提高了抽油泵的排量系数和充满系数，有利于提高采油效率、增加石油产髦、降低采油成本。 据报导、采用钢质抽油杆抽油时，由于油骨和抽油杆之问的弹性伸缩作用结果，对抽油泵的实际冲程和泵效有较大的影响。在一般下泵深度范围内，两者相差. 0.81.5m在最深时可达l .32 . 1m二如果冲程长度较小，冲程损失比例更人，抽油泵的泵效更低。如果改用长冲程抽油方式·可以提高抽油机的冲程利用率。例如:冲程长度从3.3m 增加到5m时，平均冲程利用率可以增加11.9%，在最深时可以增加17.5%。所以，采

19、用长冲程抽油方式抽油泵柱塞的实际冲程长度减少的比率较小，增加抽油泵的泵效、提高石油产量。 另据报导，采用长冲程抽油方式，提高抽油泵的泵效达到10%25%，提高石油产量10%50%，提高抽汲能力达20%40%。 再据报导，美国加里福尼亚一口油井原采用2.1m冲程长度常规游梁抽油机。石油产量为13.4m3/d；后来改用长冲程无游梁抽油机，冲程长度为10m。石油产一学增加到33m3/d石油产最增加了146.2%2.提高抽油杆和抽油泵的使用寿命 长冲程抽油机均采用长冲程、低冲次抽油方式，可以减少抽油杆和油管之间的机械磨损。据报导，采用长冲程，低冲次抽油方式·可提高抽油杆使用寿命达45倍；另据

20、报导，采用长冲程、低冲次抽油方式.可以减少抽油泵的机械磨损、磨损较均匀，提高抽油泵的使用寿命。3.排量稳定、动载荷小、事故少 长冲程无游梁抽油机采用长冲程、低冲次抽油方式，在一个上或下冲程过程中、分为恒速运动部分和接近与离开上下死点的减速与加速运动两个部分，恒速运动时问较长，石油排量较稳定。抽油机和抽油系统的动载荷较小，减少抽油杆断脱事故和抽油系统事故。增加了抽油机的可靠性。此外，长冲程无游梁抽油机减速器的扭矩只有同样冲程长度和冲次常规抽油机的16%一33%，有利于提高抽油机的使用寿命、延长免修期，减少发生井下事故。4.抽油机运转平稳、疲劳应力与循环次数减少 长冲程抽油机采用长冲程、低冲次抽油

21、方式，抽油机运转较平稳、噪音也较小，减少了抽油机载荷、疲劳应力及抽油机应力循环次数，有利于提高抽油机和抽油系统的使用可靠性。5.抽油机平衡效果较好 长冲程抽油机利用各种平衡方法可以实现较精确的半衡效果。节约更多的动力消耗，提高了抽油机运行的经济性，降低了采油成本，具有较好的使用经济性二此外，由于可以实现抽油机较精确的平衡效果，抽油机运转更加平稳、噪音更小。6.抽油机具有较好的技术经济指标 与常规及增大冲程抽油机相比。长冲程无游梁抽油机结构较简单、零部件较少、制造装配简单方便、运动环节较少、机械传动效率较高，成本较低.具有较好的抽油机技术经济指标。7.抽油机具有较高的适应性能 长冲程抽油机的冲程

22、长度与冲次均可进行调节，实现各种油井工.况参数经济、合理的匹配，充分发展长冲程抽油机的效能。还可以实现抽油机和油井最佳匹配运行，具有较高的适应性能，此外，据报导长冲程抽油机还可以防止结蜡，可减少消蜡作业.使用非常方便。 长冲程抽油机可以实现最大限度地满足采油一艺发展的需要口当冲数一定时。采用长冲程小泵提液抽汲方式，可不采用抽油杆脱接器、达到提高石油产量的目的，使用很方便。长冲程无游梁抽油机还可以解决采用大泵提液时常规抽油机无法进布了环空测试问题，可以录取井下资料和进行油并动态分析。1.3.2 主要用途抽油实践表明，长冲程抽油机具有以下五个方面的用途:1.适用干小泵深抽采油工艺对于低压油田，可采

23、用小泵深抽采油工艺提高石油产量。长冲程抽油机可以满足小泵深抽采油一t艺要求，更经济有效地开采石油。2.适用于大泵提液采油工艺采用大泵提液可以提高石油产量。长冲程抽油机不仅可以满足大泵提液采油工艺的需要，而且还可以进行环空测试、录取并下资料和进行油井动态分析。常规抽油机在大泵提液时是无法进行环空测试的。3.适用于开采各种特殊石油长冲程抽油机适用开采含气（H2S、CO2、02:）石油、含砂石油、含石灰石油、含蜡石油、含水石油等各种特殊石油。4.适用于各种油井开采石油长冲程抽油机适用于深井、定向井、丛式井、斜井、海洋井、沙漠并、北极并开采石油。具有较好的抽油性能和经济效益。发展无游梁长冲程抽油机是当

24、务之急：(1) 近几年来，我国油井数量急剧增多，用常规游梁抽油机开发稠油，采油量、泵效、耗能、采油成本等各项技术经济指标较差，因而阻碍了常规游梁抽油机的技术发展。为更经济、更合理地开发我国稠油资源，必须大力开发我国的无游梁长冲程抽油机。(2) 对于低压油田，可采用小泵深抽的方法提高原油产量。目前在胜利、江苏.华北、中原等油田应用深抽技术取得了较好的经济效益。为满足小泵深抽的需要，我国急需发展大载荷长冲程抽油机。(3) 目前我国的长冲程抽油机还不能完全满足我国油田开采的需要，长冲程抽油机正处于发展阶段，品种与规格不全，使用数量不多。因此需要大力发展新型长冲程抽油机。长冲程抽油机的主要特点是冲程较

25、长、冲次较低。一般认为冲程长度等于或超过6米时称为长冲程。长冲程抽油机的优点是：（1）冲程损失相对较小，单位时间内的有效冲程长度增大，从而使油井的产量提高。再者，因冲程损失与泵挂深度成正比关系，所以对深井及超深井来说，更应使用长冲程抽油机以提高泵的效率。（2）冲程增大、冲程调低后，作用在抽油杆上的惯性载荷与振动载荷相对减小，载荷循环比增大，抽油杆的应力循环次数降低，这些将对有杆泵装置采油带来一系列好处。上冲程惯性载荷峰值减小，为增大泵挂深度提供了可能，这一特点有利于低渗透油田采用“小泵深抽”的开采工艺。对于稠油开采来说，提高载荷循环比则是使用有杆泵装置开采稠油的一个重要措施。此外，长冲程配合低

26、冲次的抽汲工艺对减少抽油杆的脱断几率，延长机干泵的使用寿命，从而提高有杆泵装置的运行时率（即减少停机维修时间）也是有利的。（3）长冲程抽油机具有一定的节电效果，其节电率一般都在10%40%之间。由此分析其优点可以总结为7点：(1).提高采油效率，增加石油产量(2).减少磨损，提高抽油杆和抽油泵的寿命(3).排量稳定，动载荷小，事故少(4).运转平稳，抗疲劳性好(5).平衡效果好(6).具有较好的综合技术经济指标(7).具有较好的适应性能。综上所述可见，长冲程抽油机具有减小冲程损失、提高系统效率、延长机杆泵使用寿命、减少故障及提高整机运行质量等优点。因此，发展长冲程抽油机对当前老油田高含水井后期

27、的开采减缓产量递减速度，开采稠油、低渗透等油田的“难动用储量”，以及沙漠油田深井及超深井的机械开采等，都是有一定的现实意义的。 1.4 长冲程抽油机的现状及未来的发展方向在世界范围内，研究开发与应用抽油机已有100多年的历史。在这百余年的采油实践中，采油机发生了很大的变化，特别是近20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，减小了抽油机的体积和质量，强化

28、了抽油机自动化与智能化程度。总之，抽油机的各项技术经济指标达到了有史以来的最高水平。目前抽油机正朝着大型化、低耗能、精确平衡、高适应性、长冲程无游梁、自动化和智能化方向发展。目前长冲程抽油机可分为：增大冲程抽油机：（1）增大冲程抽油机（2）增大冲程无游梁抽油机。长冲程无游梁抽油机:（1）立式长冲程无游梁抽油机（2）卧式长冲程无游梁抽油机。1.5 齿轮齿条抽油机随着抽油机的不断进步和发展，目前正在朝着大型化、低能耗、高适应性、自动化和自能化、长冲程无游梁式抽油机的前进。本设计的目的在于提供一种结构简单合理、冲程距离长且调整方便、能耗低、原油产量高的尤其适合于深油井、稠油井、高含蜡油井采油的有杆抽

29、油装置。本设计平衡系统能够实现90%95%的负载，5%10%的传递动力由电动机实现，能够实现无级调速。游梁式抽油机 有杆抽油泵全系统的总效率在国内一般地区平均只有1223，先进地区至今也不到3O。美国的常规型抽油机系统效率较高，但也仅有46。系统效率低下，能耗大，耗电就多，因此，节能成为有杆抽油系统的一个亟需解决的问题。此外，随着老油田油井的注水开发，油田已经开始进入高含水采油期。不断提高产液量，以液保油，这是注水开采油田保证原油稳产的必要趋势。这种开采特点要求抽油机的冲程越长越好，使得在役的常规型游梁式抽油机机型偏小，在一定程度上已经不能满足长冲程、低冲次生产的要求。由于在同一工况，井况和同

30、一时刻下，井下的能耗因地面游梁机型不同而会发生差异。如示功图会有所改变，表明泵的充满度 光杆功率的变化。致使抽油机能耗大的主要原因有：抽油机的负荷特性与异步电动机的硬的转矩特性不相匹配，甚至出现“发电机” 工况，出现二次能量转化。一般电动机的负载率过低， 图1-1 齿轮齿条抽油机约为3O，致使电动机以较低的效率运行。电动机在一个冲程中的某个时段被下落的抽油杆反向拖动，运行于再生发电状态，抽油杆下落所释放的机械能有部分转变成了电能回馈电网，但所回馈的电能不能全部被电网吸收，引起附加能量损失，同时负扭矩的存在使减速器的齿轮经常受反向载荷，产生背向冲击，降低了抽油机的使用寿命。常规抽油机的扭矩因数大

31、，载荷波动系数CLF 亦大，故均方根扭矩大，能耗增加。常规抽油机运行的悬点加速度、速度的最大值过大，影响悬点载荷，动载增大。采用对称循环工作制使泵充满度下降，影响产量，泵效降低，能耗亦增大。近年来国内、外研制与应用了多种类型的长冲程抽油机，其中包括增大冲程游梁抽油机，增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机。实践与理论表明，增大冲程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向，长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机发展方向。 齿轮齿条抽油机的优点：1.直接驱动：抽油机直接安装在井口，光杆从顶部悬挂下来的传统的杆夹通过齿条内部的渠道进行传动。该杆允许在泵或杆棍的机架内浮动，耦合感应电动机通过齿轮箱齿轮齿条式

32、的机制，周期的向上和向下架杆的往复运动。机架是通过完全浸泡在油谷来进行每次冲程的润滑。2.简单的设计：系统抽油机的底座直接通向井头，光杆通过齿条中的渠道被一根常规的杆夹从顶部挂起.光杆允许悬浮或黏住在齿条内部。一台异步电动机通过一个减速箱耦合到齿轮齿条传动原理，齿条的循环来实现光杆的往复运动。一台高性能的发动机和直线更新的传动能去实现一个相对高效的系统，即使在没有依靠大量平衡重的传统抽由系统的深水井。3.易安装：该系统单位小，重量轻，便于运输。要求没有专门或重型设备，这样节省了安装费用。它可以携带在有一台一吨或小选择器的轻型卡车上安装。安装快捷，使用方便，可以由两个人来处理。单位可在几小时内安

33、装并全面投入运作。4.便捷：因为它很容易运输和服役，结构简单，所需零部件少。5.高效率：直接电动机，减速器齿轮齿条驱动更加方便简易，减少摩擦，阻力，提高了生产效率。6.经济性：该LRP的系统是一项明智的投资，将迅速为自己支付的减少安装，运行和维护费用。该系统就可以买到了一个没有任何控制成本中一小部分的千斤顶。安装大大减少昂贵的费用，因为该单位是很容易运输和设置的。由于装置螺栓直接到井口，混凝土和砂石垫和其他昂贵的现场准备不再需要。提高产量，增加收入和减少停机时间降低运营成本，使得远景计划系统成为了的真正经济性解决方案。7.环保：该远景计划系统是本地负责人对环境敏感设施的理想选择。它具有安静，轻

34、巧，不要求网站分级，安装井场垫或其他干扰，其扁平和小型的特点允许它融入在其他单位。 综上所述，改进抽油机的平衡方式和传动方式也显得格外重要，本设计齿轮齿条传动无游梁式抽油机采用超大容量电容实现了能量的有效利用，齿轮齿条比链条的运转可靠性好，传动效率高，承载能力强，从而实现了采油生产的能量消耗。齿轮齿条的直接传动与常规抽油机相比更加简单，高效，节能，智能化。1.6 超级电容 超级电容辅助电源系统，相比其他的抽油机的平衡方式（变频）更加节能高效方便。该系统是在抽油机主电源的基础上增加一个超级电容辅助电源，用于存储抽油机驴头下行时的再生制动回馈能量，抽油机驴头上行时协助主电源向电机供电。辅助电源系统

35、由超级电容模组和调压器组成。由于有超级电容存储抽油机再生制动回馈能量，并把这些能量又用于抽油机驱动电机，节省了大量的能量。由于超级电容功率密度大的特点，在驴头上升做功时可以以很大的放电电流协助主电源供电，因此驴头在抽油做功时，上冲程的速度性能能有所改善。本系统使用广泛，可使用游梁式抽油机，进一步可扩展应用至链条式抽油机等有杆泵抽油设备中。具有巨大的社会效益和经济效益。 一种石油抽油机超级电容辅助电源系统，其特征在于该系统构成如下：）一个超级电容模组，设置于抽油机上，用于吸收抽油机驴头下行时的再生制动回馈能量，在抽油机驴头上行时协助主电源向电机供电；）一变换调压器，分别与所述超 级电容模组和原抽

36、油机的变换器与电机驱动控制器相连接；上述变换调压器包括，一机壳、设置于机壳内的控制电路板、变换器；控制电路板通过接口电路和主电源电压传感器、主电源电流传感器、电机电压传感器、电机电流传感 器、超级电容电压传感器、超级电容电流传感器、手动调节器相连接；控制电路板上设置有微处理器，微处理器通过滤波电路器件采集电压、电流信号、手动调节信号；微处理器输出的信号经过光电耦合器件及驱动电路控制变换器每个功率器件的动作；）在原抽油机电机控制系统的电路基础上，增设超级电容电压传感器和电流传感器，增设用于控制变换调压器的控制信号，使微处理器能同时制主电源和超级电容的充放电。2 平衡能量计算及平衡装置的设计2.1

37、 平衡能量的计算2.1.1 原始数据名义泵深：2500m悬点载荷：100kN冲程： 8 m冲次： 4-6 1/min功率： 20kW传动方式：齿轮齿条驱动方式：正反转交流电机平衡方式：超大容量电容2.1.2井深计算_抽油杆自重 （11）_抽油杆在油中的自重 （12）_油管内，柱赛上的油柱重 （13）_油井中动液面以上断面积等于柱塞面积的油柱重 （14）L下泵深度 S悬点冲程长度 S=8m沉没度过小，会降低泵的充满系数，沉没度过大，会增加抽油机的负荷。通过实践摸索即使油的粘度很大，克服原油在井筒内运动的全部阻力不超过一个大气压，所以一般沉没度为3050米；重质粘度大的井不少于50米；原油含气大的

38、井不少于80100米；如不含气的轻质原油的井，沉没度有20米即可，因为超长冲程抽油机一般用于稠油，低渗透油井的开采，为了安全起见认为油井中有油气所以油井的沉没度取不少于50米。_泵的沉没深度 =50m产出液密度 =860.27kg/m3钢制抽油杆规格 22(16-28取中间型号)抽油管横截面面积 =1.018×10-3m22.1.3 电动机上下冲程时功率计算将上面计算得出的L值带入： =×10-6×3.14×2500×（8.52×103-860.27）×9.8 =71300.83N =×10-6×3.14

39、×（2500-50）×860.27×9.8 =41508.5N （15） =1.8m上冲程期间抽油机对光杆负载所做的功： （16） =(41508.5+71300.83)×8-41508.5× =528898.14Nm下冲程期间抽油机对光杆负载所做的功： （17） =71300.83×10+41508.5× =607764.29Nm由于抽油机上下冲程时间相等根据冲程和起下速度的范围确定时间在1/8 1/12 min之间变化，初定在5s时的电动机功率故：t=5s上冲程期间抽油机输出功率：下冲程期间抽油机输出功率：2.2 平衡重

40、计算及平衡装置的设计对于本抽油机的平衡，可采用的方案有气动平衡、液压平衡、势能平衡。气压平衡体积小，但由于气压平衡中的气压缸容易出现破裂现象且一旦出现问题维修很麻烦会严重影响正常抽油。液压平衡可以提供很大重量的平衡重，且上下冲程交替柔和，但由于液压式的一半制造费用较高，且容易出现渗液现象。势能平衡优点在于制造维护费用低，方便，平衡效果较好。所以本设计采用重力势能平衡的方法，具体方法是在传动轴上加一卷筒，用钢丝绳悬挂平衡。由于能量一定，所以如果移动距离大，那么平衡重质量就小；反之如果移动距离小，则平衡质量就大，但当平衡重质量太大时，钢丝绳的强度要求就比较高，同时对轴径要求也相应的增大，经济计算分

41、析，可确定移动平衡重移动距离20m，则平衡质量：上冲程： （18）下冲程： （19）m 平衡重取值为56833Nm2.3 电动机的选择2.3.1 起升功率的计算即起升功率：Pw<Kw2.3.2 传动装置的总功率这一功率由电动机带动减速器来实现，则传动装置的总功率a应为组成传动装置的各部分运动副效率之乘积，即： a=1×2×3××n 其中a123n分别为每一传动副（齿轮，蜗杆，带式链），每对轴承每个联轴器及滚筒的效率。传动副的效率数值可以按表选取，轴承和联轴器的效率数值为：带传动的传动效率 0.940.97滚动轴承的传动效率 0.980.995齿轮得

42、传动效率 0.940.96弹性联轴器的传动效率 0.990.995齿轮齿条的传动效率 ： 0.940.96电动机到光杆负载传动机构的传动效率；= 1×24×32×4×5 = 0.96×0.984×0.952×0.99×0.95 = 0.849其中1 、2 、3 、4 、5分别为带传动，轴承，齿轮传动，联轴器和齿轮齿条的传动效率。所以Pd<=Pw/= 20/0.760 = (11.217.8) Kw2.3.3 确定电动机转速 初定齿轮半径为15齿轮的工作转速为： =（28.6642.46） r/min按机械设计

43、手册P16-3表16-1-1推荐的传动比的合理范围。取V带传动的传动比：=24；一级圆柱齿轮减速器的传动比：=36；则传动比的合理范围为： =624；故电动机转速的可选范围为：=（624）（28.6642.46）=（171.961019.04）齿轮齿条传动抽油机的关键部分是需要通过齿轮齿条传动去实现抽油杆的上下往复运动进而去完成抽油作业，而这就需要有某种换向机构带动抽油杆往复运动，本次设计在这里选择的是用可变向的电机来代替换向机构，带动抽油杆做往复运动。变向电机选择的是山东红卫电机骨粉有限公司的可变向开关磁阻调速电机。开关磁阻调速电机是一种新颖的、性能价格比很高的、具有典型机电一体化结构的交流

44、无级调速电机。具有效率高、真正恒转矩调速，启动电流小，可频繁正反运行等优点。 KCT系列开关磁阻调速电动机是我公司在多年推广应用SR系列开关磁阻调速电动机的基础上，为了更适合调速市场的需要，而推出的第二代新系列产品。与SR系列电机相比，KCT 系列的性能指标明显提高，特别是噪声振动的改进有了重大突破，达到了Y系列异步电动机的噪声水平。其优良的调速特性可适用于各种调速机械，特别是其低启动电流大启动转矩的特点，使其真正具有了频繁正反转运行的优点，在油田新型电气换向式抽油机、龙门刨铣床等往复式机械上应用，取消了原有的机械换向机构，显示另了无比的优越性。 主要特点： 1.启动转矩为额定值的150，而启

45、动电流仅为额定值的30，因此可频繁起停和正反转运行，起停次数可达到1000次/小时。 2.可实现正转、反转、制动、能量反馈四象限运行。 3.效率高、损耗小；在整个宽广的调速范围内保持高效率运行。 4.转速精度和动态响应较高，适合于经济数控机床等使用。 5.功率因数较高，接近于1.0。 其主要性能如表：图2-1 KCT系列电动机表2-1 电动机性能表型号额定转矩下的调速范围r/min额定功率KW 满载时最大转矩/额定转矩KCT200L2-1000501500 18.5电流380V效率%功率因素1.40.487.50.9电动机外形尺寸如下：长度；815mm宽度；525mm高度；475mm2.4 传

46、动参数的计算2.4.1 计算总传动比在电动机上加一变频调速器使其额定速度控制在要求范围内。变频器（变频调速器）是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可

47、以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。简单来说就是 用来调速 控制电动机的输出转速,将速度调为382r/min.总传动比： （21）式中为减速器的传动比，则减速器传动比为：2.4.2 分配减速器的各级传动比传动装置各轴的运动及运动参数：为进行传动件的设计计算，要推算出各轴的转速及转矩（或功率），将传动装置各轴有高速至低速依次定为：轴，轴，轴。，为相邻的输入功率（kw），为各轴的输入转矩（Nm），,

48、为各轴的转速。则可按电动机轴至工作机运动传递路线推算，得到个轴的运动和动力参数： 各轴转速-电动机满载转速-电动机至工作轴的传动比轴： 轴： 各轴输入功率：轴 轴 齿轮齿条 0.99×098=19.5kw 各轴输出功率 轴-轴输出功率分别为轴 轴 齿轮齿条 各轴输入转矩电动机轴输出转矩由公式 （22）得：轴 轴 齿轮齿条轴-轴的输出转矩分别为输入转矩乘以轴承的效率： 数据归纳为下表：表2-2 传动装置各轴运动参数轴功率P(KW)转矩T(Nm)转速N(r/min)传动比 i效率 名称输入输出输入输出电动机4543898040.96轴21.1220.7651.31638.28309.68

49、4.50.98轴2019.62786.12730.3868.8210.96齿轮齿 条37.837.4567595619268.823 传动装置的设计3.1 齿轮传动设计由已知方案，选用单斜齿双圆弧柱齿轮传动。 齿轮材料及参数：小齿轮材料：37SiMn2MoV,调质，HB=320340HBS大齿轮材料：2G3SiMn, 调质，HB=280300HBS用硬度下限值查图，图23.3-20和 图23.3-21，取调质合金钢区域图的中间值得疲劳极限。 小齿轮 大齿轮 3.2 齿轮的设计及校核3.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数减速器工作速度不高，载荷一般，故选用8级精度因载荷不大，减速器需要双向

50、工作，所以选用直齿圆柱齿轮。材料选择选小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。选小齿轮的齿数为24，大齿轮的齿数为24×4.5=108，3.2.2 按齿面接触强度设计由设计计算公式（48）进行计算，即 （31）（1） 确定公式内的各计算数值 试选载荷系数。 计算小齿轮传递的转矩。 选取齿宽系数。 查的材料的影响系数为。 按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限为；大齿轮 的接触疲劳强度极限。 计算应力循环次数。 接触疲劳强度系数；。 计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，计算有 （3

51、2） （2） 计算 计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。 （33） 计算圆周速度。 （34） 计算齿宽。 （35） 计算齿宽与齿高直逼。模数 （36）齿高 （37） 计算载荷系数。 根据，8级精度，查的动载荷系数； 直齿轮，;使用系数为；用插值法查的8级精度，小齿轮相对支撑非对称布置时，。由，查得，故载荷系数 （38） 按实际的载荷系数校正算得的分度圆直径， （39）计算模数m （310）3.2.3按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式为 （311）（1）确定公式内的各计算数值 差得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲强度极限； 弯曲疲劳寿命系数； 计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得 计算载荷系数K。 查取齿形系数。 ； 查取应力校正系数。 ； 计算大、小齿轮的并加以比较。 （2） 设计计算 对此计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲