1、摘 要抽油机是石油工业中的一项重要组成部分，在抽油机驱动下，带动其他设备运转，实现油井的机械式开采。主要分为游梁式和无梁式两大类。游梁式抽油机主要由发动机、三角带、曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头、悬绳器、支架、撬座、制动系统及平衡重组成。随着时代的发展，对环保节能要求的不断提高，在理论与实践相结合的基础之上，目前国内外抽油机的总的发展趋势是向着超大载荷，长冲程，低冲次，精确平衡，自动化，智能化，节能化，高适应性，无游梁长冲程方向发展。本设计主要根据抽油机的四杆机构（曲柄连杆横梁游梁）的工作原理。本文介绍了常规抽油机工作原理与节能原理，以及设计过程中对抽油机运动学和动力学分析与计算，阐述了这种设备
2、的运动规律。游梁式抽油机驴头的悬点载荷标志抽油机的工作能力的重要参数之一，而看它是否节能，其技术指标是抽油机的电动机实耗功率的大小及减速器的工作状态。此外，本设计不仅采用了计算机编程来计算抽油机的运动和动力学参数，而且采用了 Auto CAD 绘图软件，并附有中英文对照资料。关键字：常规型抽油机，悬点载荷，结构，设计计算目 录1 概 述 11.1 国内外抽油机发展状况 11.2 近几年抽油机的研究重点 21.3 抽油机研究中应该重视的问题 52 设计计算的基本参数 62.1 游梁式抽油机结构组成及其主要参数 62.1.1 结构组成 62.1.2 主要参数 82.2 抽油机模拟示功图的建立 82
3、.3 常规型游梁式抽油机的几何关系及符号 102.4 运动学计算 112.4.1 常规游梁式抽油机几何关系计算式 112.4.2 光杆（悬点）加速度计算式 122.4.3 悬点载荷计算式 122.4.4 扭矩因数和光杆位置因数计算式 122.4.5 减速器净扭矩计算式 122.4.6 抽油机扭矩因数几几何计算 132.5 设计原始参数 132.5.1 参数 132.5.2 抽油机几何结构尺寸 132.6 运动学的运算 143 主要部件的设计计算 173.1 电动机的选择计算 173.2 计算传动比及减速器的选择 183.2.1 抽油机的总传动比 183.2.2 选减速器 193.2.3 带的传
4、动比 203.3 传动装置的运动和动力参数的计算 203.4 带传动的设计 214 抽油机的各结构的强度校核 264.1 连杆的应力分析与强度校核 264.2 曲柄连接设计强度校核 284.3 游梁的应力分析及强度校核 314.4 游梁支承的强度校核 344.5 滚动轴承的选择和寿命计算 385 结束语 416 谢辞 42参考文献 431 概 述1.1 国内外抽油机发展状况我国抽油机发展已有 50 多年的历史。50 年代以进口为主，修配为辅，主要是苏联 CKH 常规游梁式抽油机。60 至 70 年代，在仿苏的基础上制造常规型游梁式抽油机。1975 年以后制定并完善了国产抽油机技术标准。80 年
5、代抽油机实现全部国产化，不仅满足自给，而且有部分出口。在此期间，我国抽油机技术有了飞跃发展，瞄准世界最先进水平。随着科技的进步，抽油机亦有很大的发展，出现很多新型品种，如绳索滑轮式、旋转驴头式、大轮式等游梁式长冲程抽油机。从设计方法学功能分析的角度讲，抽油机的基本功能相对简单，必然吸引着各行各业的专家对抽油机进行研究，形成了石油系统内外部抽油机专业厂、非专业厂一起生产、试制新型抽油机和对抽油机进行研究的百花齐放的局面。在国外，抽油机的制造企业逐步向大公司靠拢。如美国，从 1992 年起。主要抽油机的生产厂家，或采用 LUFKIN 公司的技术，或变成了 Lufkin 公司的子公司，采用统一的技术
6、进行生产，产品的系列化、标准化的程度较高。由于近年来我国油田体制改革和油田经营状况的变化，抽油机的主要生产企业已从江汉、兰州等大型机械制造企业向大庆、胜利、华北、辽河等石油管理局转移，许多新的抽油机生产厂逐渐建立，抽油机的生产能力严重过剩，促使抽油机生产企业提高技术含量，抽油机研究力量和研究投人有一定的增加，新的研究成果不断涌现。另外，由于油田经济状况和固定资产投资渠道的变化，在用抽油机的修复利用也成为油田各采油厂的一项重要工作，大量修复抽油机的出现，给抽油机的设计带来新的问题。1.2 近几年抽油机的研究重点(1) 抽油机工作状态和载荷特性研究抽油机所承受的载荷，是设计、评价抽油机的依据，是进
7、行抽油机研究、设计、分析必须首先解决的问题。抽油机的工作状况为，24h 野外连续运转，无人看守，工作环境恶劣。改变了过去认为抽油机工作环境较优、容易满足的认识，这对减少新型抽油机设计的失误，提高新型抽油机的刨新成功率，有着重要的意义。在研究普通抽油机载荷和工作特性的基础上，对某些专用抽油机工作特性的研究也取得了长足的进展。已经逐渐认识到不同的油藏和开采条件，应该采用具有不同特性的抽油机。如对稠油等特殊油藏，抽油机的悬点承载能力要大，减速器的扭矩要大，但平衡重可相对减小，这时以配备大减速器的常规游梁式抽油机为佳 。设计或分析抽油机的性能，对抽油机的优劣进行评价时，需要给定抽油机悬点所承受的载荷，
8、即给定抽油机的悬点示功图，因此提出了“模型示功图” 的概念。(2) 游梁式抽油机优化设计数学模型的研究游梁式抽油机是油田应用最多的抽油机机型，也是油田的耗能、费用支出大项。因此以设计性能优良、满足油田要求、制造成本低、运动动力性能优、节能效果好的抽油机占领市场一直是抽油机生产厂家和研究单位追求的目标，许多学者进行抽油机结构参数优化设计研究就是为达到这一目标而展开的。从 1984年开始经过近 20 年的研究，特别是近 l0 年的研究，人们对抽油机优化设计的数学模型已经有了较清楚的认识，这对促进抽油机设计水平的提高具有重要意义。首先，在进行抽油机优化设计时应该取抽油机的主参数作为优化设计变量，即设
9、计变量除包含抽油机的杆长等结构参数外，还应包平衡参数等。在选取寻优目标函数时，除考虑运动参数的优选外，还必须进行动力参数的优化。一般应按照“能耗要小、质量要轻、练台性能指标要合理的多目标函数寻优准则进行。同时，人们的设计实践表明：选择不同的抽油机“模型示功图” 作为设计抽油机的标准，所设计出的抽油机结构尺寸和平衡参数，抽油机的运动、动力性能是有区别的，因此在进行抽油机的优化设计前，有必要先对所设计抽油机的应用场合进行调研，按照其主要应用油田的示功图特性，选择合理的设计模型示功图，再进行抽油机参数的优选。对于抽油机优化设计算法的选取，普遍认为：选用在非劣解中寻优解的算法较为台适。这主要是因为抽油
10、机优化设计是一多目标优化设计问题，在按照某一个或少数几个目标确定的最优解，有可能使其他性能指标严重变形，这样首先确定若干非劣解，就为设计人员进行分析和优选创造了更为广泛的选择空问。利用上述方法和理论建立的优化算法所设计的抽油机，一般比采用常规技术设计的抽油机总质量可减轻5 ，能耗下降 10左右，有着显著的社会、经济效益。因此，抽油机优化设计技术应该在抽油机生产厂家广泛推广。(3) 驱动抽油机的电动机特性研究选择合适的驱动电动机是抽油机设计、研究和使用工作者关注的重点问题。抽油机的扭矩特点是渡动较大，且存在负扭矩，这就要求驱动抽油机的电动机，不仅电动机本身在较宽的载荷率下工作效率较高，而且更重要
11、的是符合抽油机的载荷状态，使抽油机悬点加速度变化趋于均匀，抽油机主要构件如连杆、支架的受力，特别是减速器承受的扭矩有所改善，平衡效果变优。即不仅要求驱动抽油机的电动机节能，而且要求电动机的特性使抽油机的工作状态和有杆采抽系统最优。这点，已经得到大多数研究人员和油田工程师的认可。研究什么样的电动机驱动抽油机更为合理，必须建立考虑抽油泵工作状态、抽油杆系统振动和抽油机构件惯性的机器系统动力学方程，并解决抽油机动力学方程与抽油机波动方程的耦合问题。驱动抽油机的电动机，应该具有以下特点： 在低负载率时效率要比较高； 电动机的机械特性应该与抽油机的工作要求相匹配，一般认为特性较软对“三抽”系统有利； 要
12、有一定承受过载的能力； 启动力矩要大； 适合于野外工作； 能防止从电动机上窃电； 有利于抽油机的平衡。特别是电动机的机械特性应满足“三抽”系统的要求，是国外抽油机研究人员的普遍共识，这点国内在近几年也得到了普遍承认。近几年，各种专为抽油机设计的电动机或多或少地解决了上述问题。研究表明，对于驱动抽油机的电动机，片面强调其节能是不可取的。1.3 抽油机研究中应该重视的问题目前抽油机的研究中，下面几个问题值得引起我们重视：(1) 抽油机机型的选择原则和优劣评价问题什么样的抽油机能够满足油田的需要，评价的标准是什么，这些标准的可操作性等问题，应该引起设计、研究人员的重视。(2) 小型游梁式抽油机的设计。目前，不同的油田使用不同的抽油机，已经成为油田工程师的共识，这样，设计小型的长冲程抽油机，满足油田的需要，研究小型长冲程抽油机的设计规律，应该成为设计人员重视的问题。(3) 抽油机的合理选择问题。油田特别是新建油田按照什么原则选择抽油机机型，应该是抽油机工作者和油田开发工程师共同关心的问题。(4) 现代设计方法在抽油机设计中的应用问题。(5) 拖动抽油机电动机的最佳性能研究问题。(6) 抽油机主要部件和专用部件，如减速器性能、可靠性、设计方法、加工制造等问题的研究。
