畢業(yè)設(shè)計（論文）-長環(huán)形齒條式抽油機的設(shè)計.doc

西安石油大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）長環(huán)形齒條式抽油機的設(shè)計摘要：目前，常規(guī)游梁式抽油機因其結(jié)構(gòu)簡單、操作維修方便、使用壽命長等原因，仍為各大油田的主要采油設(shè)備，但由于其懸點載荷變化大，動載荷大，可靠性低等原因，難以滿足深井、稠油井對抽油機沖程長、載荷大的要求，難以再向大型化發(fā)展。本論文提出了一種長沖程、大載荷的齒條式抽油機的結(jié)構(gòu)方案，分析了齒條式抽油機的工作原理，設(shè)計了抽油機的傳動方案。這種新型抽油機采用“齒輪長環(huán)形齒條”機構(gòu)，由小齒輪的單向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動長環(huán)形齒條上下運動，并帶動滑塊做上下往復運動，從而實現(xiàn)基本的抽油動作。通過簡單的機構(gòu)和尺寸改變，能實現(xiàn)不同沖程和沖次，并設(shè)計成重型抽油機。這種抽油機具有節(jié)能效果好、可靠性高、運行平穩(wěn)、維護方便等特點，具有較高的應用推廣價值。 本文研究對促進油田節(jié)能降耗有實際意義，采用的設(shè)計方法、理論具有一定的理論價值與實際的應用前景。關(guān)鍵詞：抽油機；長環(huán)形齒條；平橫滑塊；效率；節(jié)能；可靠性IIDesign of pumping unit rackAbstract: Because of its simple structure, easy maintenance, long life and other reasons, the conventional beam pumping unit remains a major oil production facilities in major oil fields at present. But as its suspension point load changing largely, large dynamic load and low reliability, the requirements of long stroke length and large load is difficult to meet in the deep, thick well ,and pumping unit has difficulty to further large-scale development.In this paper, the structure scheme of a long stroke and large load rack pumping unit is discussed, the working principle of the rack pumping units is analysed, the transmission schem pumping unit is designed. A gear - long circular rack organization is used in this new unit.A long ring moves up and down drived by a small one-way rotating drive gear rack and bring the slider up and down forming the reciprocating movement ,and the basic pumping action achieved. Through a simple change in institution and size, different stroke is achieved, and the heavy pumping is designed scssessfully. The advantages of energy saving, high reliability, smooth running, easy maintenance are achived with this, and high value is achived in applications.This paper has practical significance to the promotion of energy saving in oil field, the design method and theory has a certain theoretical value and practical application.Keywords: pumping unit; long circular rack; flat horizontal slider; energy; reliability目 錄1 緒 論11.1 研究的意義11.2 國內(nèi)、外抽油機技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向21.3 本文研究內(nèi)容41.4 所采用的設(shè)計方法，手段以及步驟52 齒條抽油機的方案設(shè)計62.1 傳動方案的設(shè)計62.2 傳動原理72.3 傳動方案的特點83 齒條式抽油機總體尺寸確定103.1 天車輪和小齒輪尺寸的計算與確定103.2 確定總體尺寸114 齒條式抽油機運動分析134.1 運動分析134.2 懸點的速度、加速度、位移曲線135 齒條抽油機的動力學分析165.1 懸點載荷計算165.1.1 靜載荷計算165.1.2 畫靜力示功圖185.1.3 動載荷計算215.2 平衡與扭矩計算235.2.1 平衡計算235.2.2 扭矩計算246 受力分析266.1 軸的受力分析266.2 軸的受力分析276.2.1 按扭轉(zhuǎn)強度條件校核276.2.2 按彎矩合成應力條件校核軸的強度277 齒條式抽油機主要零部件的設(shè)計307.1 鋼絲繩的設(shè)計307.1.1 計算作用于鋼絲繩上的最大載荷307.1.2 鋼絲繩的選擇及校核307.1.3 鋼絲繩使用的注意事項337.2 帶傳動的設(shè)計計算347.2.1 確定計算功率347.2.2 選擇V帶帶型347.2.3 確定帶輪的基準直徑347.2.4 確定V帶的中心距和基準長度357.2.5 計算小帶輪上的包角357.2.6 計算V帶的根數(shù)367.2.7 計算預緊力367.2.8 計算作用在軸上的壓軸力367.3 齒輪傳動的設(shè)計計算377.3.1 齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)的選擇377.3.2 按齒面接觸強度設(shè)計377.3.3 按齒根彎曲強度設(shè)計407.3.4 幾何尺寸計算417.3.5 驗算427.4 軸承的選擇及校核427.4.1 軸承的選擇427.4.2 軸承的校核計算437.4.3 軸承使用的注意事項437.5 電動機的確定447.6 減速器的選擇和計算447.6.1 減速器的選擇447.6.2 減速器的潤滑與密封457.7 支架477.8 制動裝置477.9 光桿處鋼絲繩和懸繩器488 結(jié)論49參考文獻50致 謝511 緒 論1.1 研究的意義石油是一種戰(zhàn)略資源，勘探和開采石油具有高投入、高產(chǎn)出的特點，各國都為降低開采石油的成本進行了長期不懈的努力。機械采油法是目前廣泛采用的一種方法，其中抽油機是采油系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一，而它的系統(tǒng)效率一般只有在20%到30%之間，因此研制一種新型節(jié)能抽油機將會更大的提高油田產(chǎn)量和效率。隨著石油開采業(yè)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)不同的油田，不同的油井，產(chǎn)量有大有小，而有些不能自流到地面 ，因此也就產(chǎn)生了解決油井生產(chǎn)舉升的設(shè)備抽油機。抽油機是有桿采油裝置中的地面動力傳動裝置，其作用是通過減速箱，曲柄連桿或其它桿體機構(gòu)等，將動力機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)槌橛蜅U和抽油泵的往復運動，實現(xiàn)抽油泵的吸油和排油過程，并懸掛抽油桿，承受載重。隨著采油設(shè)備技術(shù)研究的深入，設(shè)計和制造水平的提高，抽油機在最初的雛形上得到了長足的發(fā)展，其技術(shù)發(fā)明有數(shù)百種，游梁式抽油機和無游梁式抽油機是目前量大面廣，使用最為普遍的采油設(shè)備。雖然多年來，技術(shù)相對成熟，運行可靠的游梁式抽油機得到了廣泛應用，至今仍占在役抽油機的絕大多數(shù)，但是游梁式抽油機存在著平衡效果差，電動機工作電流波動大，能耗高，沖程長度受限等不足，故一批新型抽油機如液壓（氣動）式的抽油機，直線電動機抽油機，鏈條式抽油機，電動機正反轉(zhuǎn)式抽油機等應運而生，這些新型抽油機在節(jié)能降耗和加大沖程方面有進步，但可靠性趕不上游梁式抽油機，然而齒條式抽油機節(jié)能效果好，可靠性高，改善了這種情況。齒條式抽油機屬于無游梁式抽油機范疇，這種新型抽油機采用“齒輪齒條”機構(gòu)，由小齒輪的單向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動齒條上下運動，并且?guī)踊瑝K做上下往復運動，從而實現(xiàn)基本的抽油動作，通過簡單的結(jié)構(gòu)和尺寸改變，能實現(xiàn)不同沖程和沖次，并可設(shè)計成重型抽油機。這種抽油機可實現(xiàn)長沖程，低沖次抽油，其沖程長度取決于齒條的長度和小齒輪的直徑，沖次的大小則可通過合理的設(shè)計膠帶傳動比，減速器的減速比以及齒輪齒條傳動比來實現(xiàn)。齒條式抽油機的技術(shù)特點： （1） 節(jié)能:齒條抽油機的節(jié)能效果在25%以上，有的甚至高達40%以上，究其原因，一是齒輪傳動本身比其他運動機構(gòu)具有較高的效率；二是傳動系統(tǒng)大大簡化，每減少1個傳動環(huán)節(jié)，機械傳動效率就能提高一點；三是齒條抽油機原理使得上下沖程電流基本是一條直線；四是抽油機總的系統(tǒng)效率本來就比較低，一般游梁式抽油機的系統(tǒng)效率只有30%左右，而齒條式抽油機能夠使系統(tǒng)效率達到40%以上。即使系統(tǒng)效率只提高了10%，節(jié)能效果已經(jīng)相當明顯。（2） 工作可靠性高：齒條式抽油機主要工作部分采用齒輪齒條機構(gòu)，依靠小齒輪的單向旋轉(zhuǎn)即可帶動齒條上下運動，實現(xiàn)滑塊的自然且沖程長度不變的換向，齒輪齒條比鏈條的運轉(zhuǎn)可靠性好，傳動效率也高，而且承載能力也強，可以設(shè)計成負載更大的重型抽油機。齒條式抽油機還采用了膠帶抽油機的懸重膠帶，所以可靠性好。（3） 運行平穩(wěn)：齒輪與齒條的嚙合運動只有在較短的換向時刻才有加速度，但由于有抽油桿，膠帶等彈性變形以及旋轉(zhuǎn)運動件的轉(zhuǎn)動慣量作用，此時速度變化引起的沖擊很容易被緩和，不僅使電動機電流基本不波動，而且整個系統(tǒng)能保持較好的運動平穩(wěn)。此外，該抽油機還解決了鏈條抽油機在每個沖程變化時鏈條松邊突然變成緊邊帶來的沖擊問題。（4） 質(zhì)量輕，維護方便：齒條抽油機換向機構(gòu)本身就是配重，無需很多的配重鐵塊，因此抽油機的質(zhì)量也大大減輕。此外，抽油機傳動，潤滑等部分設(shè)計合理，使用維護方便。機身與基座之間設(shè)計有蝸輪蝸桿拉拔機構(gòu)，井下作業(yè)時，機身撤離井口也很方便。近些年來，我國石油裝備總水平已有很大的提高，特別是采油工程中，機械采油井數(shù)已超過90%以上，其中有桿抽油井又占機械采油井的90%以上。目前抽油機，抽油桿，抽油泵自給率100%，對保持原油總產(chǎn)量穩(wěn)定，起了決定作用。為了追求開采利益最大化，以最少的投入換來最大的回報，開發(fā)節(jié)能高效的抽油設(shè)備，成為了油田經(jīng)營者和抽油機設(shè)備生產(chǎn)廠家致力追求的目標。因此，對抽油機的結(jié)構(gòu)尺寸進行合理設(shè)計是十分必要的。1.2 國內(nèi)、外抽油機技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向目前，世界上生產(chǎn)抽油機的國家主要有:美國、俄羅斯、法國、加拿大和羅馬尼亞等。全世界生產(chǎn)抽油設(shè)備的公司有300多家，其中生產(chǎn)抽油機的公司有150多家。美國生產(chǎn)的抽油機品種最多，技術(shù)最先進，應用范圍最廣泛。其中包括液壓抽油機、梅普長沖程抽油機、柔性件傳動抽油機等等。美國，加拿大等已相繼研制出低矮式抽油機，適合玻璃纖維抽油桿的抽油機，天然氣發(fā)動機的車裝式抽油機，現(xiàn)場快裝式抽油機，沖程可調(diào)的長沖程抽油機以及最近發(fā)展的數(shù)字式抽油機。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前各國大約有近百個品種的抽油機在油田使用。相比之下我國抽油機的構(gòu)成顯得非常單調(diào)，僅有前述五個品種。我國抽油機制造業(yè)已經(jīng)有50多年歷史，經(jīng)過了進口修配、仿制試制、設(shè)計研制三個階段。常規(guī)式游梁抽油機是油田使用歷史最悠久的，使用數(shù)量最多的一種抽油機，其總數(shù)量在數(shù)萬臺，國內(nèi)有十幾個廠家制造，但其不滿足節(jié)能要求。目前，我國已經(jīng)有蘭州石油機械廠、蘭州通用石油機械廠、寶雞石油機械廠、第二石油機械廠、第三石油機械廠、第四石油機械廠、江漢石油機械廠、撫順石油機械廠、大慶總機廠、玉門總機廠、大港總機廠等30多家抽油機制造廠。蘭石、蘭通等石油機械廠先后獲得I商標使用許可證，抽油機出口美國，從而使抽油機打入國際市場，躋身于世界先進行列。我國無游梁式抽油機研制起步較晚，但是近年來發(fā)展較快。目前，我國的齒條類抽油機已有很多品種。齒輪齒條式抽油機屬石油工業(yè)領(lǐng)域的采油設(shè)備，是一種油田機械采油用無游梁式抽油機。解決提供一套性能優(yōu)越的替代產(chǎn)品。它主要由機架、齒輪、齒條、滑輪、配重往返架及控制器幾大部分組成，其特征是配重往返架。其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊而合理，傳動效率高、承載能力強、可靠度大、使用壽命長、制造安裝也較容易、使用、維修方便，是現(xiàn)有抽油機的更新?lián)Q代產(chǎn)品。曲卷式抽油機是由曲柄連桿機構(gòu)通過齒條和齒輪帶動卷筒、鋼絲繩和懸繩器作上下往復運動的抽油機.其實質(zhì)是游梁抽油機的一種變形，具有耐用度高和可靠性好的特點，提高了采油系統(tǒng)效率,延長了機、桿、泵的使用壽命,是一種理想的高效節(jié)能采油機械. 立管型齒條式抽油機，由井口大四通、井口短節(jié)、立管、天輪、懸重繩、齒條、抽油桿以及傳動機構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)簡單、外形規(guī)則，傳動路線短、傳動部件少，整機故障率低且易于維護，可延長其使用壽命，目前已在大港油田實驗使用。還有一種復動輪齒條式抽油機，采用CN92219135.2復動輪拉桿式抽油機的結(jié)構(gòu)，除具有復動輪式抽油機的優(yōu)點外，油田修井方便，新結(jié)構(gòu)改善了復動輪受力條件。此外還有勝利石油管理局開發(fā)的長環(huán)形齒條抽油機。這種新型抽油機采用“齒輪+長環(huán)形齒條”機構(gòu), 由小齒輪的單向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動長環(huán)形齒條上下運動, 并帶動滑塊做上下往復運動, 從而實現(xiàn)基本的抽油動作。樣機已在勝利油田的現(xiàn)場應用，且結(jié)果表明，這種抽油機具有節(jié)能效果好、工作可靠性高、運行平穩(wěn)、質(zhì)量輕、維護方便等特點, 通過簡單的結(jié)構(gòu)和尺寸改變, 能實現(xiàn)不同沖程和沖次, 并可設(shè)計成重型抽油機。這種抽油機適應性強, 具有較高的推廣應用價值。無論是游梁式還是無游梁式抽油機都有其各自優(yōu)點。但抽油機的發(fā)展趨勢主要朝以下幾個方向：（1） 大型化方向發(fā)展隨著世界油氣資源的不斷開發(fā)，開采油層深度逐年增加，石油含水量也不斷增大，采用大泵提液采油工藝和開采稠油等，都要求采用大型抽油機。所以，近年來國外出了許多大載荷抽油機，例如前置式氣平衡抽油機最大載荷213KN、氣囊平衡抽油機最大載荷227KN等，將來會有更大載荷抽油機出現(xiàn)。（2） 低能耗方向發(fā)展為了減少能耗，提高經(jīng)濟效益，近年來研制與應用了許多節(jié)能型抽油機。如異相機、雙驢頭抽油機、擺桿抽油機、摩擦換向抽油機、液壓抽油機及各種節(jié)能裝置和控制裝置。（3） 朝著高適應性方向發(fā)展現(xiàn)在抽油機應具備較高的適應性，以便拓寬使用范圍。例如適應各種自然地理和地質(zhì)構(gòu)造條件抽油的需要；適應各種成份石油抽汲的需要；適應各種類型油井抽汲的需要；適應深井抽汲的需要；適應長沖程的需要；適應節(jié)電的需要；適應精確平衡的需要；適應無電源和間歇抽汲的需要；適應優(yōu)化抽汲的需要。（4） 朝著長沖程無游梁式抽油機方向發(fā)展近年來國內(nèi)、外研制與應用了多種類型的長沖程抽油機，其中包括增大沖程游梁式抽油機、增大沖程無游梁式抽油機和長沖程無游梁式抽油機。實踐與理論表明，增大沖程無游梁式抽油機是增大沖程抽油機的發(fā)展方向，長沖程無游梁式抽油機是長沖程抽油機的發(fā)展方向。（5） 朝著自動化和智能化方向發(fā)展近年來，抽油機技術(shù)發(fā)展顯著標志是自動化和智能化。BAK.R提升系統(tǒng)公司、DELIA-x公司、S公司等研制了自動化抽油機，具有保護和報警功能，實時測得油井運動參數(shù)，及時顯示與記錄，并通過綜合計算分析，得出最優(yōu)工況參數(shù)，進一步指導抽油機在最優(yōu)工況抽油。NSCO公司智能抽油機采用微處理機和自適應電子控制器進行控制與監(jiān)測，具有抽油效率高、節(jié)電、功能多、安全可靠、經(jīng)濟性好、適應性強等優(yōu)點?？偠灾?，抽油機將朝著節(jié)能降耗并具有自動化、智能化、長沖程、大載荷、精確平衡等方向發(fā)展。1.3 本文研究內(nèi)容本設(shè)計需要解決的重點問題就是設(shè)計一臺齒條式抽油機，使整個抽油機的結(jié)構(gòu)合理，并能夠相應地降低能耗，且使其可靠性好。主要包括：（1） 認真查閱、收集相關(guān)資料，完成開題報告；（2） 分析目前常規(guī)游梁式抽油機的缺點，提出齒條式抽油機的傳動方案；（3） 根據(jù)提供的原始數(shù)據(jù)，并查閱相關(guān)資料，對抽油機運動學進行分析，得到速度，加速度的計算公式，分析其優(yōu)越性；（4） 設(shè)計齒條式抽油機的機械結(jié)構(gòu)，對主要性能進行校核；（5） 畫出裝配圖及零件圖。（6） 翻譯英文資料不少于15000個印刷符號。 1.4 所采用的設(shè)計方法，手段以及步驟（1）所采用的是機械產(chǎn)品設(shè)計中經(jīng)常采用的一種方法。目前，齒條式抽油機設(shè)計基本上仍采用類比設(shè)計。這一設(shè)計的優(yōu)點是可以借鑒國內(nèi)外已經(jīng)生產(chǎn)的齒條式抽油機的成熟設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計工作簡單迅速可靠。有兩種類比的設(shè)計方法：一種是直接類比，即從某種成熟的齒條式抽油機機構(gòu)尺寸系列中，選取基本參數(shù)與設(shè)計要求相同或最為接近的一組尺寸，在適當縮小，放大或圓整，作為所設(shè)計的齒條式抽油機的相關(guān)尺寸；另一種是參數(shù)類比，即根據(jù)現(xiàn)有的齒條式抽油機的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，選定若干反映機構(gòu)特征的參數(shù)，再通過幾何關(guān)系求出各部分尺寸。這兩種方法沒有原則上的差別，都建立在已有產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)上。還有觀察法，它是指研究者根據(jù)一定的研究目的、研究提綱或觀察表，用自己的感官和輔助工具去直接觀察被研究對象，從而獲得資料的一種方法。科學的觀察具有目的性和計劃性、系統(tǒng)性和可重復性。在科學實驗和調(diào)查研究中，觀察法具有如下幾個方面的作用：擴大人們的感性認識。啟發(fā)人們的思維。導致新的發(fā)現(xiàn)。此外還有文獻研究法，這是根據(jù)一定的研究目的或課題，通過調(diào)查文獻來獲得資料，從而全面地、正確地了解掌握所要研究問題的一種方法。文獻研究法被子廣泛用于各種學科研究中。其作用有：能了解有關(guān)問題的歷史和現(xiàn)狀，幫助確定研究課題。能形成關(guān)于研究對象的一般印象，有助于觀察和訪問。能得到現(xiàn)實資料的比較資料。有助于了解事物的全貌。還有一個就是定量研究法。在科學研究中，通過定量分析法可以使人們對研究對象的認識進一步精確化，以便更加科學地揭示規(guī)律，把握本質(zhì)，理清關(guān)系，預測事物的發(fā)展趨勢。（2）步驟 A.調(diào)研； B.設(shè)計； C.繪圖。2 齒條抽油機的方案設(shè)計2.1 傳動方案的設(shè)計多年來，技術(shù)相對成熟、運行可靠的游梁式抽油機得到了廣泛應用，至今仍占在役抽油機的絕大多數(shù)。然而，游梁式抽油機存在著平衡效果差、電動機工作電流波動大、能耗高、沖程長度受限等不足，故一批新型抽油機如液壓（氣動）式抽油機、直線電動機抽油機、鏈條式抽油機（包括皮帶式抽油機）、電動機正反轉(zhuǎn)式（變徑天輪式）抽油機等應運而生，這些新型抽油機在節(jié)能降耗和加大沖程方面有進步，但在可靠性上仍趕不上不斷“磕頭的老黃牛”-游梁式抽油機。而齒條式抽油機具有節(jié)能效果好、可靠性高、運行平穩(wěn)、維護方便等特點，改善了上面兩種情況。齒條式抽油機基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，主要由以下部分組成：機座、機身、電動機，皮帶傳動及剎車系統(tǒng)、減速器、換向水平軌道、小齒輪和導向輪、帶有長環(huán)形齒條、導向槽和滾輪的平衡滑塊、懸掛系統(tǒng)、懸重鋼絲繩。機座和機身采用拼焊結(jié)構(gòu)，機身兩側(cè)的H形鋼立柱也就是平衡滑塊上下運動的滑道。平衡滑塊是長環(huán)形齒條的安裝基座，上面還有環(huán)形導向槽。此外，平衡滑塊本身就是主要的平衡重，可根據(jù)需要增添不同數(shù)量的小平衡塊。2.2 傳動原理齒條式抽油機采用“齒輪長環(huán)形齒條”機構(gòu)，由小齒輪的單向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動長環(huán)形齒條上下運動，并帶動滑塊做上下往復運動，傳遞運動和動力。這類抽油機可獲得較長沖程，且結(jié)構(gòu)緊湊，運行平穩(wěn)，加速度曲線基本接近理想的簡諧正弦運動曲線，所以加速度低，動載小，節(jié)能效果比其他游梁式、鏈條式抽油機好。圖2-2為齒條式抽油機的工作原理簡圖。長環(huán)形齒條固定在平衡滑塊上，平衡滑塊由滑動導軌約束，在滑道內(nèi)只有1個上下運動的自由度；電動機輸出的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)皮帶傳動到減速器，減速器輸出軸端裝有小齒輪和導向輪，小齒輪轉(zhuǎn)動的同時，可以和減速器、導向輪一起在水平軌道內(nèi)沿水平方向平動，即小齒輪除了有1個旋轉(zhuǎn)的自由度之外，還有1個和減速器、導向輪一起做水平運動的自由度；導向輪和小齒輪同軸安裝，可自由轉(zhuǎn)動，但受平衡滑塊上的環(huán)形導向槽限制。在導向輪和導向槽的導向作用下，小齒輪和長環(huán)形齒條能始終保持良好的嚙合，小齒輪不換向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，可帶動滑塊實現(xiàn)上下往復運動，從而帶動懸掛裝置及懸重鋼絲繩實現(xiàn)抽油動作。圖2-2 齒條式抽油機的工作原理簡圖1長環(huán)形齒條； 2平衡滑塊； 3小齒輪； 4 水平槽； 5 水平導軌； 2.3 傳動方案的特點（1） 節(jié)能 由于齒輪傳動本身比其他運動機構(gòu)具有較高的傳動比，再加上此傳動系統(tǒng)大大簡化，機械效率能提高一點，所以其整體效率高了很多，也就達到了節(jié)能效果。（2） 動載小 90%的沖程長度是勻速運動，只有在換向期間才有短時間的加減速度，因而其動載較小。(3) 結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕 整體結(jié)構(gòu)比常規(guī)游梁式抽油機更簡單，重量輕，約為常規(guī)游梁機的三分之一-三分之二。結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。長沖程、低沖次抽油 這種抽油機其沖程長度取決于環(huán)形齒條的長度和小齒輪的直徑，沖次大小則可通過合理的設(shè)計皮帶傳動的傳動比、減速器的減速比，以及齒輪齒條傳動比來實現(xiàn)。這種抽油機還存在一些缺點有待改進，如鋼絲繩承受交變載荷，而且天輪直徑不是太大，鋼絲繩彎曲通過天輪，使用壽命短。平衡滑塊的滑輪不能得到良好的潤滑，易發(fā)生干磨造成沖擊而損壞零部件。機架距井口太近，修井操作不方便。整機高度太高，運輸不方便。3 齒條式抽油機總體尺寸確定3.1 天車輪和小齒輪尺寸的計算與確定天車輪半徑和小齒輪參數(shù)是齒條式抽油機的重要設(shè)計參數(shù)，它決定著抽油桿柱的運動性能、抽油機的運動特性和動力性能。齒條式抽油機設(shè)計基本上仍采用類比設(shè)計。這一設(shè)計的優(yōu)點是可以借鑒國內(nèi)外已經(jīng)生產(chǎn)的齒條式抽油機的成熟設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計工作簡單迅速可靠。即從某種成熟的齒條式抽油機機構(gòu)尺寸系列中，選取基本參數(shù)與設(shè)計要求相同或最為接近的一組尺寸，在適當縮小，放大或圓整，作為所設(shè)計的齒條式抽油機的相關(guān)尺寸；原環(huán)形齒條式抽油機、鏈條機等的天車輪半徑為600mm, 在最大工作參數(shù)(沖程4.8m, 沖次4.5min-1)下，換向加速度為 2.58m/s2，而游梁式抽油機在相同抽油速度下的換向加速度僅為1.02 m/s2，原齒條機在該參數(shù)下運轉(zhuǎn)振動較大，現(xiàn)場幾乎沒有用過最高沖次。為此,對齒條機天車輪半徑進行了優(yōu)化設(shè)計。具體步驟是先確定抽油機平穩(wěn)運行的最大換向加速度允許值（參考原鏈條機取值)，再考慮抽油桿和油管靜變形以及減速器的工作扭矩，最后反推出最佳天車輪半徑。根據(jù)原鏈條抽油機、齒條式抽油機現(xiàn)場使用表明: 當天車輪半徑為600mm沖程為4.8m，沖次為2min-1時,抽油機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，此時的換向加速度為0.1463m/s2。下文簡述天車輪半徑計算過程:首先初選天車輪半徑R為600mm （3-1）（4.82）/30 =0.32 m/ s其中 天車輪半徑，m； 沖程，m； 沖次，min-1； 天車輪線速度，m/s。小齒輪半徑計算過程：因為小齒輪與長環(huán)形齒條嚙合傳動，而長環(huán)形齒條又固定在平衡滑塊上一起運動，天車輪與平衡滑塊連接，由平衡滑塊帶動，所以天車輪與小齒輪線速度相等。此齒條機是用于大載荷、稠油井，所以抽油運動須緩慢進行。原齒條機在最大工作參數(shù)下，換向加速度為 2.58m/s2，在該參數(shù)下運轉(zhuǎn)振動較大，為此,對齒條機天車輪半徑進行了優(yōu)化設(shè)計，初取小齒輪的換向加速度為0.35m/s2。 (3-2) （3-3） =0.293 m其中 小齒輪半徑，m； 天車輪線速度，m/s 小齒輪換向加速度,m/s23.2 確定總體尺寸本設(shè)計采用類比法，由（3.1節(jié)）計算以及石油工業(yè)出版社出版的抽油機采油技術(shù)得表3-1，從而得支架高度H=12.4m,長為l=1.8m, 寬為b=1.7m.抽油機的總體尺寸如圖（3-1）表3-1 CCJ13-4.8-16型抽油機基本參數(shù) 額定懸點載荷,KN130光桿沖程,m4.8沖次 ,1.2天車輪半徑 , mm600小齒輪半徑 , mm293電動機功率 ,kW18.5整機重量 t20外形尺寸 LBH m2.62.015 圖3-1 長環(huán)形齒條式抽油機總體尺寸4 齒條式抽油機運動分析4.1 運動分析由于抽油機的懸點通過鋼絲繩和天車輪與平衡滑塊相連，因此研究抽油機懸點的運動，即為研究平衡滑塊的運動。如圖所示設(shè)A、B、C、D、E、F、G、O1、O2九個點，其中A為上死點，D為下死點，O1為主動鏈輪中心點，O2為從動鏈輪中心點，則配重箱的運動軌跡為ABCDEFA，隨鏈輪轉(zhuǎn)動做垂直往復運動。配重箱從下死點到上死點是配重箱的上沖程，是懸點的下沖程；配重箱從上死點到下死點是配重箱的下沖程，是懸點的上沖程。當配重箱在段與段是，配種想的垂直往復運動為簡諧運動： （4-1） （4-2） （4-3）其中 平衡滑塊的位移,m； 平衡滑塊的速度，m/s； 平衡滑塊的加速度，m/s2； 小齒輪的半徑，m； 小齒輪的角速度，rad/s。4.2 懸點的速度、加速度、位移曲線設(shè)下圖中、分別為懸點的最大速度、加速度、位移。 (a) 速度曲線圖(b) 加速度曲線圖(c) 位移曲線圖圖4-1 懸點的最大速度、加速度、位移曲線圖5 齒條抽油機的動力學分析5.1 懸點載荷計算5.1.1 靜載荷計算齒條式抽油機與游梁抽油機懸點載荷一樣主要有靜載荷、動載荷和摩擦載荷組成。齒條抽油機靜載荷計算方法與游梁式抽油機相同。下面是參考游梁式抽油機靜載荷計算方法所得的齒條式抽油機靜載荷大小和變化（1） 抽油桿自重在上下沖程中，抽有桿柱自重始終作用于懸點上，是一個不變的載荷，用下面公式計算： (5-1)其中 抽油桿柱自重，KN； 掛泵深度，m； 每米抽油桿柱自重，KN/m；各種直徑抽油桿的由文獻9,54，對于組合桿柱，可用下式計算： (5-2)式中 第i級抽油桿住每米自重，KN/m； 第i級桿住長度與總長之比值；由文獻10,263-271，選取泵徑為83mm,兩級桿柱由文獻9,54有：=4.0910-2KN/m=3.1410-2 KN/m由文獻10,271有: =0.49， =0.51。初取掛泵深度=1600m,泵徑=83mm。取抽油桿為2522mm（0.490.51）， =(0.494.09+0.513.14)10-2=3.6110-2 KN/m =3.6110-21600=57.76KN其中 第一級桿柱長度與總長之比值； 第二級桿柱長度與總長之比值； 第一級抽油桿柱每米自重，KN/m； 第二級抽油桿柱每米自重，KN/m。由于抽油桿柱全部沉沒于油管內(nèi)的液體之中，所以在計算懸點靜載荷時，要考慮液體浮力的影響。用代表抽油桿柱在液體中的自重，則可用下面公式計算： （5-3）其中 井液密度，=0.95t/m3； 抽油桿密度，鋼抽油桿取=7.85 t/m3； 則 =（1-0.1270.95）57.76 =50.79 KN （2） 作用于柱塞的液注載荷作用于柱塞的液柱載荷隨抽油泵泵閥啟閉狀態(tài)的不同而變化。下沖程時，柱塞上的游動閥是開啟著的，柱塞上下連通。假定不記液體通過游動閥和柱塞內(nèi)孔的阻力，則柱塞上下的液體壓力相等。因此，柱塞上的載荷等于零。上沖程時，游動閥關(guān)閉而固定閥打開，柱塞上下不再連通。柱塞上面的液體壓力等于油管內(nèi)液柱靜壓力（忽略固定法阻力）。這一壓力差在柱塞上產(chǎn)生液柱載荷，用表示， （5-4）其中 抽油泵柱塞面積m2, 由文獻9,55表2-3查得柱塞直徑D=83mm時，=54.1110-4； 重力加速度，=9.81m/s2； H 泵的沉沒深度，此處取200m； 油井動液面深度，1400m；則 =0.959.81140054.1110-4 =70.6 KN懸點靜載荷等于抽油桿柱在液體中的自重和作用于柱塞的液柱載荷之和。設(shè)懸點上沖程載荷為，下沖程的懸點載荷為，則 （5-5） （5-6把=50.79kN, =70.6kN代入上式中得=50.79+70.6=121.39 KN=50.79 KN考慮井口回壓和套管壓力的影響，則 （5-7） =121.39+54.1110-4（0.8-0）103-3.810-40.8 103 =121.39+4.02448 =125.41 KN （5-8） =50.79-3.810-40.8 103 =50.5 KN5.1.2 畫靜力示功圖在由下沖程轉(zhuǎn)為上沖程時，懸點靜載荷由變?yōu)樵黾恿溯d荷，使抽油桿柱伸長。在由上沖程轉(zhuǎn)為下沖程時，懸點靜載荷由變?yōu)?，減少了載荷，使抽油桿柱縮短，伸長或縮短的變形量即為抽油桿柱的靜變形，設(shè)為，可由文獻9,56公式(2-51)計算： = (5-9)其中 抽油桿柱經(jīng)變形,m； 抽油桿彈性常數(shù)；對于組合桿柱，由文獻9,56 公式(2-53)有: (5-10)由文獻9,54表2-2，得=0.96110-5（kN）-1=1.24110-5(kN)-1則 =0.96110-50.49+1.24110-50.51 =1.10410-5（kN）-1 =1.10410-570.61600 =1.247 m由于油管底部不錨定，在下沖程轉(zhuǎn)為上沖程時，隨著游動閥關(guān)閉、固定閥打開，在抽油桿柱增加載荷的同時，油管柱要減少載荷，使油管柱縮短。同樣，在由上沖程轉(zhuǎn)為下沖程時，油管柱又要增加載荷，使油管柱伸長，油管柱的靜變形用表示，單位m。用下面公式計算： (5-11)其中 油管柱靜變形，m； 油管彈性常數(shù)，由文獻9,58表2-4查得=2.4910-6(kN)-1 =2.4910-670.61600=0.281 m總的靜變形量為抽油桿柱靜變形與油管柱靜變形之和，設(shè)總的靜變形量為，則 (5-12)=1.247+0.281=1.528 m在抽油桿柱伸長和油管柱縮短變形期間，雖然懸點在向上運動，但柱塞與泵筒間并沒有相對運動。此時，游動閥雖已關(guān)閉，但固定閥尚未打開，因而抽油泵并不抽油。只有當懸點向上位移超過了以后，也就是靜變形結(jié)束以后，柱塞和泵筒之間才產(chǎn)生相對運動，固定法打開，柱塞才開始抽油。同樣在下沖程開始階段，雖然懸點在向下運動，但由于桿柱縮短和管柱伸長，柱塞與泵筒見也沒有相對運動。此時，固定閥雖已關(guān)閉，但游動閥尚未打開，因此，抽油泵和泵筒之間才產(chǎn)生相對運動，游動閥才打開，柱塞下面液體才被排到柱塞上面來。由此可見，抽油泵柱塞的有效沖程長度比抽油機懸點的沖程長度要減少一個勁變形量。 (5-13)其中 抽油泵柱塞的有效沖程長度，m； 抽油機懸點的沖程長度，4.8m； 總的靜變形量，1.528m；則 =4.8-1.528=3.272 m在上沖程開始階段的靜變形期間內(nèi)，懸點靜載荷由逐漸上升，到靜變形結(jié)束時達到，以后保持這一數(shù)值直到上死點。在下沖程開始階段的靜變形期內(nèi)，懸點靜載荷由逐漸減少，到靜變形結(jié)束時，又減小到，以后保持這一數(shù)值直到下死點。這就是懸點靜載荷隨懸點位移的變化規(guī)律，用圖形表示，如下圖，稱為靜力示功圖。5.1.3 動載荷計算動載荷是由抽油桿柱和液柱運動所產(chǎn)生的載荷，一般由兩部分組成，一部分是與整體有關(guān)的動載荷，用表示，它的大小正比于加速度，作用方向和加速度方向相反；另一部分是震動載荷，用表示，的最大值發(fā)生在上沖程或下沖程靜變結(jié)束的一瞬間，正比于該瞬間時抽油泵柱塞相對于懸點的運動速度。齒條抽油機上沖程或下沖程靜變結(jié)束的一瞬間，平衡滑塊可能處在簡諧段，也可能處在勻速運動階段。由靜載荷計算知懸點總的靜變形量=1.528m, 天車輪半徑初取為R=0.7m，天車輪與平衡滑塊的線速度相等，因此，R,該情況是懸點上沖程和下沖程靜變形結(jié)束瞬間，平衡滑塊處在勻速運動段，懸點速度和加速度分別為： =0.32 m/s （5-14） =0 (5-15)設(shè)懸點上、下沖程結(jié)束瞬間的動載荷分別為、,將和代入威爾諾夫斯基公式并化簡，得 (5-16) (5-17) (5-18)=4.315（1+0.3）10KNs/m (5-19) =4.31510KNs/m其中 -與抽油泵尺寸有關(guān)的系數(shù)，KNs/m； -與油管尺寸有關(guān)的系數(shù)，KNs/m； -天車輪半徑，mm； -天車輪轉(zhuǎn)速，r/min。-變形分配系數(shù)，=-油管過流面積擴大系數(shù)，=-抽油桿截面積，；由文獻9,54表2-2查得 =4.9110-4 ， =3.8010-4 =4.2710-4 =0.18=4.315（1+0.30.18）14.2710-410 =1.94 KNs/m=4.31514.2710-410 =1.84 KNs/m=5.63 KN=-5.34 KN懸點最大載荷與最小載荷的計算：對于低粘油井，摩擦載荷一般可忽略不計，因此最大和最小載荷分別為： (5-20) =125.41+5.63=131.04KN (5-21)=50.5-5.34=45.16KN5.2 平衡與扭矩計算 5.2.1 平衡計算懸點最大載荷為，懸點最小載荷為，則當實現(xiàn)較好的平衡時，平衡齒條拉力為 (5-22)通過查相關(guān)資料，則平衡塊的平衡重為 =0.6131.04 =78.62KN5.2.2 扭矩計算減速器輸出軸凈扭矩，設(shè)為，在一個往返行程內(nèi)是變化的，應該分階段計算。上沖程： 勻速運動段 (5-23)簡諧運動 (5-24)下沖程： 勻速運動段 (5-25) 簡諧運動段 (5-26)其中 齒條拉力，單位KN；=88.1 KN 懸點載荷，單位KN；減速器最大扭矩 (5-27)其中 懸點最大載荷，131.04 KN； R 天車輪半徑，0.7m。則 =（131.04-88.1）0.7 =30.058 kNm畫出扭矩圖如下圖所示：6 受力分析6.1 軸的受力分析圖6-1 天車輪軸的受力分析天車輪軸支撐天輪，對天輪提供支持力，天車輪軸受力情況如圖5-1所示。圖中為天輪所受到的鋼絲繩拉力，為懸點最大載荷，也就是齒輪嚙合力和平衡滑塊的平衡重。在這里天輪自身重力可忽略不計。在上沖程階段： KN KN 在下沖程階段：45.16 KN45.16 KN6.2 軸的受力分析6.2.1 按扭轉(zhuǎn)強度條件校核根據(jù)實際情況，選擇45鋼為軸材料，由文獻11公式 進行校核其中 軸傳遞的功率，KW； 計算截面處軸的直徑，mm