機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)8API抽油機(jī)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

A P I 抽 油 機(jī) 模 塊 化 設(shè) 計(jì) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) 設(shè) 計(jì)：郭登明 余旭陽(yáng) 編 寫(xiě)：郭登明 江 山 校 審： 郭登明 長(zhǎng)江大學(xué)（石油學(xué)院）機(jī)械 工程 學(xué)院 二 OO 四年八 月三十日 1 目 錄 一、設(shè)計(jì)概述 2 二、總體參數(shù)規(guī)劃 2 三、機(jī)構(gòu)尺寸規(guī)劃及計(jì)算結(jié)果 4 四、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模塊劃分 7 五、模塊的劃分與三維建模 14 六、三維抽油機(jī)組裝 23 附表一 ： 58 種 API 抽油機(jī)主要性能指標(biāo) 24 2 一、設(shè)計(jì)概述 本設(shè)計(jì)項(xiàng)目是根據(jù)江漢石油學(xué)院和中原石油勘探局機(jī)械制造總廠簽定的 API 抽油機(jī)模塊化設(shè)計(jì)合同書(shū)的要求進(jìn)行的。 我國(guó)從上世紀(jì) 60 年代開(kāi)始生產(chǎn)抽油機(jī)以后， 由于生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)抽油機(jī)的廠家起來(lái)越多，原來(lái)生產(chǎn)抽油機(jī)的專業(yè)化廠家，如：蘭石、寶機(jī)、三機(jī)廠、四機(jī)廠等基本轉(zhuǎn)產(chǎn)，取而代之的是各個(gè)油田機(jī)械制造廠，隨著這些機(jī)械制造廠生產(chǎn)規(guī)模的不斷壯大，國(guó)內(nèi)抽油機(jī)市場(chǎng)上早已趨于飽和狀態(tài)，這樣就出現(xiàn)了供過(guò)于求的現(xiàn)狀。中國(guó)加入 WTO 以后，由于出口環(huán)境的改善，機(jī)電產(chǎn)品的出口數(shù)量大幅上升，石油機(jī)械產(chǎn)品的出口也 從無(wú)到有 ，數(shù)量也在逐年不斷地增加，這幾年，抽油機(jī)的出口也成逐年上升的趨勢(shì)。 在國(guó)際貿(mào)易中，抽油機(jī)需求地區(qū)一般是工業(yè)較不發(fā)達(dá)地區(qū)，他們沒(méi)有本國(guó)的抽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)抽油機(jī)進(jìn)口國(guó) 如印尼、阿根廷、印度以及敘利亞、埃及等中東國(guó)家。這些國(guó)家在定貨時(shí)均以 API（美國(guó)石油學(xué)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，且大多數(shù)為常規(guī)型抽油機(jī)，而定貨的特點(diǎn)是數(shù)量少，品種多，交貨時(shí)間短。為此，對(duì)于一個(gè)抽油機(jī)生產(chǎn)廠家而言，要滿足這些要求，從而贏得定單并非易事。這樣，開(kāi)發(fā)全套的 API 系列抽油機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣就顯得非常重要了。為此，筆者運(yùn)用 PRO/E 計(jì)算機(jī)繪圖軟件，建立抽油機(jī)零部件的三維模塊化圖庫(kù)，開(kāi)發(fā)出 55 種 API 常規(guī)抽油機(jī)設(shè)計(jì)圖樣，可基本滿足國(guó)內(nèi)抽油機(jī)出口品種的需要。 PRO/E 美國(guó)參數(shù)化技術(shù)公司（ PTC）推出的計(jì)算機(jī)三維 CAD 軟件，它是當(dāng)今世界機(jī)械工程領(lǐng)域最流行的計(jì)算機(jī)三維 CAD 軟件之一。它采用單一的數(shù)據(jù)庫(kù)，并集三維實(shí)體建模、裝配造型、 NC自動(dòng)編程和加工、有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真等功能于一體，其功能之強(qiáng)大，應(yīng)用范圍之廣泛遠(yuǎn)非其它三維繪圖軟件能比的。為此，本設(shè)計(jì)采用 PRO/E 作為計(jì)算機(jī)繪圖工具進(jìn)行三維建模。 API 系列抽油機(jī)模塊化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：總體參數(shù)規(guī)劃、尺寸規(guī)劃及計(jì)算結(jié)果、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊劃分及三維建模、三維抽油機(jī)的組裝等五個(gè)方面的內(nèi)容。 二、總體參數(shù)規(guī)劃 API（美國(guó)石油協(xié)會(huì)）抽油機(jī)規(guī)范（ API SPEC 11E） 中游梁 式抽油機(jī)的種類有四種，它們分別是：常規(guī)型抽油機(jī)、異相曲柄平衡抽油機(jī)、前置式氣平衡抽油機(jī)、前置式曲柄平衡抽油機(jī)。至于其它類型的游梁式抽油機(jī)，目前還沒(méi)有收錄到該標(biāo)準(zhǔn)之中，同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 77 種不同型號(hào)的常規(guī)型抽油機(jī)。 這些抽油機(jī)的懸點(diǎn)額定載荷從 9.5kN（ 2100 lb）至 213kN（ 47000 lb）；減速器的額定扭矩從 0.75kN.m（ 6400 in-lb）到 415 kN.m （ 3648000 in-lb）。考慮到目前世界各個(gè)產(chǎn)油國(guó)家油田的實(shí)際情況、定貨情況以及結(jié)合我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如 SY5044-2000游梁式抽油機(jī)），對(duì)于懸點(diǎn)額定載荷小于 25 kN，減速器額定扭矩小于 3.0 kN.m 的和減速器額定扭矩大于 105 kN.m 的各種型號(hào)的常規(guī)型抽油機(jī)，由于其在實(shí)際中很少使用，而且到目前為止也沒(méi)有出現(xiàn)這樣的出口定單，為此，我們將這些型號(hào)的抽油機(jī)（ API SPEC 11E 中有 19 種）剔去，剩下的 API 系列抽油機(jī)只有 58 種了。 抽油機(jī)的的參數(shù)主要是：懸點(diǎn)額定載荷、沖次數(shù)和光桿沖程，由于這三個(gè)參數(shù)是獨(dú)立的，分別代表抽油機(jī)主要性能指標(biāo)，故我們稱之為基本參數(shù)；另外，抽油機(jī)減速器的額定扭矩、電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率，也是其重 要的技術(shù)參數(shù)，但它們不是獨(dú)立的，而是由抽油機(jī)的基本參數(shù)決定的，故我們稱之為總體參數(shù)。在規(guī)劃這些參數(shù)的過(guò)程中，額定懸點(diǎn)載荷根據(jù) API 標(biāo)準(zhǔn)提供的公稱尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)行公制轉(zhuǎn)換、圓整即可；對(duì)于一臺(tái)抽油機(jī)而言，一般有三到四個(gè)沖程，其中最大的光桿沖程可以依照API 標(biāo)準(zhǔn)提供的公稱尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)行公制轉(zhuǎn)換、圓整，其它幾個(gè)沖程則要根據(jù)計(jì)算求得。計(jì)算的論據(jù)是既要符合制造要求，又要滿足沖程梯度的變化，即符合不同型號(hào)的抽油機(jī)最大沖程的變化規(guī)律。 3 單一的沖次數(shù)決定了抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)決定了抽油機(jī)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的動(dòng)載荷，在規(guī)劃抽油機(jī)的沖次數(shù)時(shí) ，主要是考慮抽油機(jī)的平均抽吸速度，其值在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，并且隨著沖程的增加而增大。減速器的額定扭矩依照 API 標(biāo)準(zhǔn)提供的公稱尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)行公制轉(zhuǎn)換、圓整，并且符合SY5044-2000游梁式抽油機(jī)的要求，需要指出的是：我國(guó)的減速器齒輪都是雙圓弧齒輪， API標(biāo)準(zhǔn)中的減速器齒輪均是漸開(kāi)線齒輪。但為了與我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，本設(shè)計(jì)采用雙圓弧齒輪，并且對(duì)于 SY/T5795-1993游梁式抽油機(jī)安裝尺寸、易損件配合尺寸中沒(méi)有列出的減速器（如 JSQ 4.5， JSQ 3.0， JSQ 146）我們將按照通用減速器 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。抽油機(jī)的裝機(jī)功率是抽油機(jī)在指定工況下工作時(shí)的最大消耗功率，再考慮一定的儲(chǔ)備系數(shù)（ 1.15），即可確定其裝機(jī)功率。表一給出了 58 種 API 抽油機(jī)總體參數(shù)。 表 1 63 種 API 常規(guī)抽油機(jī)的總體參數(shù)規(guī)劃 序號(hào) 抽油機(jī)型號(hào) 減速器額定扭矩(in-lb) 承載能力（ lb） 沖程長(zhǎng)度（ in） 抽油機(jī)型號(hào) 沖程長(zhǎng)度（ m） 沖次數(shù) （ min-1） 裝機(jī)功率（ kW） 英 制 米 制 1 C912-427-216 912000 42700 216 CYJ19-105-5.5 5.5 4.8 4.2 3.0 5.0 7.0 75.0 2 C912-470-240 912000 47000 240 CYJ21-105-6.0 6.0 5.4 4.5 3.0 4.5 6.0 75.0 3 C912-427-192 912000 42700 192 CYJ19-105-4.8 4.8 4.2 3.6 4.0 6.0 8.0 55.0 4 C912-305-192 912000 30500 192 CYJ14-105-4.8 4.8 4.2 3.6 4.0 6.0 8.0 55.0 5 C912-365-168 912000 36500 168 CYJ16-105-4.2 4.2 3.6 3.0 5.0 7.0 9.0 55.0 6 C912-305-168 912000 30500 168 CYJ14-105-4.2 4.2 3.6 3.0 5.0 7.0 9.0 55.0 7 C912-427-144 912000 42700 144 CYJ19-105-3.6 3.6 3.2 2.7 6.0 8.0 10 55.0 8 C640-305-192 640000 30500 192 CYJ14-73-4.8 4.8 4.2 3.6 4.0 6.0 8.0 55.0 9 C640-305-168 640000 30500 168 CYJ14-73-4.2 4.2 3.6 3.0 5.0 7.0 9.0 45.0 10 C640-365-144 640000 36500 144 CYJ16-73-3.6 3.6 3.2 2.7 6.0 8.0 10 45.0 11 C640-305-144 640000 30500 144 CYJ14-73-3.6 3.6 3.2 2.7 6.0 8.0 10 45.0 12 C640-256-144 640000 25600 144 CYJ12-73-3.6 3.6 3.2 2.7 6.0 8.0 10 45.0 13 C640-305-120 640000 30500 120 CYJ14-73-3.0 3.0 2.5 2.1 6.0 9.0 12 45.0 14 C456-305-168 456000 30500 168 CYJ14-53-4.2 4.2 3.6 3.0 5.0 7.0 9.0 45.0 15 C456-305-144 456000 30500 144 CYJ14-53-3.6 3.6 3.2 2.7 6.0 8.0 10 45.0 16 C456-256-144 456000 25600 144 CYJ12-53-3.6 3.6 3.2 2.7 6.0 8.0 10 45.0 17 C456-365-120 456000 36500 120 CYJ16-53-3.0 3.0 2.5 2.1 6.0 9.0 12 37.0 18 C456-305-120 456000 30500 120 CYJ14-53-3.0 3.0 2.5 2.1 6.0 9.0 12 37.0 19 C456-256-120 456000 25600 120 CYJ12-53-3.0 3.0 2.5 2.1 6.0 9.0 12 37.0 20 C320-256-144 320000 25600 144 CYJ12-37-3.6 3.6 3.2 2.7 6.0 8.0 10 37.0 21 C320-256-120 320000 25600 120 CYJ12-37-3.0 3.0 2.5 2.1 6.0 9.0 12 37.0 22 C320-213-120 320000 21300 120 CYJ10-37-3.0 3.0 2.5 2.1 6.0 9.0 12 37.0 23 C320-305-100 320000 30500 100 CYJ14-37-2.5 2.5 2.1 1.8 6.0 9.0 12 30.0 24 C320-256-100 320000 25600 100 CYJ12-37-2.5 2.5 2.1 1.8 6.0 9.0 12 30.0 25 C320-213-86 320000 21300 86 CYJ10-37-2.2 2.2 1.9 1.6 12 15 18 30.0 26 C228-213-120 228000 21300 120 CYJ10-26-3.0 3.0 2.5 2.1 6.0 9.0 12 30.0 27 C228-173-100 228000 17300 100 CYJ8-26-2.5 2.5 2.1 1.8 6.0 9.0 12 30.0 4 28 C228-246-86 228000 24600 86 CYJ12-26-2.2 2.2 1.9 1.6 9 12 15 30.0 29 C228-213-86 228000 21300 86 CYJ10-26-2.2 2.2 1.9 1.6 9 12 15 30.0 30 C228-200-74 228000 20000 74 CYJ9-26-1.9 1.9 1.6 1.4 9 12 15 22.0 31 C228-173-74 228000 17300 74 CYJ8-26-1.9 1.9 1.6 1.4 9 12 15 22.0 32 C160-173-86 160000 17300 86 CYJ8-18-2.2 2.2 1.9 1.6 9 12 15 22.0 33 C160-200-74 160000 20000 74 CYJ9-18-1.9 1.9 1.6 1.4 9 12 15 22.0 34 C160-173-74 160000 17300 74 CYJ8-18-1.9 1.9 1.6 1.4 9 12 15 22.0 35 C160-143-74 160000 14300 74 CYJ6.5-18-1.9 1.9 1.6 1.4 9 12 15 22.0 36 C160-173-64 160000 17300 64 CYJ8-18-1.6 1.6 1.4 1.1 12 15 18 22.0 37 C114-119-86 114000 11900 86 CYJ5.5-13-2.2 2.2 1.9 1.6 9 12 15 22.0 38 C114-143-74 114000 14300 74 CYJ6.5-13-1.9 1.9 1.6 1.4 9 12 15 22.0 39 C114-173-64 114000 17300 64 CYJ8-13-1.6 1.6 1.4 1.1 12 15 18 22.0 40 C114-143-64 114000 14300 64 CYJ6.5-13-1.6 1.6 1.4 1.1 12 15 18 22.0 41 C114-133-54 114000 13300 54 CYJ6.0-13-1.4 1.4 1.1 0.9 15 18 21 22.0 42 C80-119-64 80000 11900 64 CYJ5.5-9.0-1.6 1.6 1.4 1.1 15 18 21 18.5 43 C80-133-54 80000 13300 54 CYJ6-9.0-1.4 1.4 1.1 0.9 15 18 21 18.5 44 C80-119-54 80000 11900 54 CYJ5.5-9.0-1.4 1.4 1.1 0.9 15 18 21 18.5 45 C80-133-48 80000 13300 48 CYJ6-9.0-1.2 1.2 0.9 0.6 15 18 21 18.5 46 C80-109-48 80000 10900 48 CYJ5-9.0-1.2 1.2 0.9 0.6 15 18 21 18.5 47 C57-76-54 57000 7600 54 CYJ3.5-6.5-1.4 1.4 1.1 0.9 15 18 21 15.0 48 C57-109-48 57000 10900 48 CYJ5-6.5-1.2 1.2 0.9 0.6 15 18 21 15.0 49 C57-95-48 57000 9500 48 CYJ4.5-6.5-1.2 1.2 0.9 0.6 15 18 21 15.0 50 C57-89-42 57000 8900 42 CYJ4-6.5-1.0 1.0 0.8 0.6 18 21 24 15.0 51 C57-76-42 57000 7600 42 CYJ3.5-6.5-1.0 1.0 0.8 0.6 18 21 24 15.0 52 C40-76-48 40000 7600 48 CYJ3.5-4.5-1.2 1.2 0.9 0.6 18 21 24 11.0 53 C40-89-42 40000 8900 42 CYJ4-4.5-1.0 1.0 0.8 0.6 18 21 24 11.0 54 C40-76-42 40000 7600 42 CYJ3.5-4.5-1.0 1.0 0.8 0.6 18 21 24 11.0 55 C40-89-36 40000 8900 36 CYJ4-4.5-0.9 0.9 0.7 0.5 18 21 24 11.0 56 C25-67-36 25000 6700 36 CYJ3-3.0-0.9 0.9 0.7 0.5 18 21 24 7.5 57 C25-56-36 25000 5600 36 CYJ2.5-3.0-0.9 0.9 0.7 0.5 18 21 24 7.5 58 C25-53-30 25000 5300 30 CYJ2.4-3.0-0.75 0.7 0.6 0.4 21 24 27 7.5 在上表規(guī)劃結(jié)果中，每一種型號(hào)的給出了三個(gè)沖程 (對(duì)于長(zhǎng)沖程抽油機(jī) ,一般都有四個(gè)沖程長(zhǎng)度 )和三個(gè)沖次，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作準(zhǔn)備；同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)低沖次，并且滿足使用要求， 減速器均設(shè)計(jì)成二級(jí)減速器，相應(yīng)的采用 Y 自系列的 6 級(jí)、 8 級(jí)或 10 級(jí)電動(dòng)機(jī)。 三、尺寸規(guī)劃及計(jì)算結(jié)果 游梁式抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸決定了其運(yùn)動(dòng)性能、動(dòng)力性能及其能耗。長(zhǎng)期以來(lái)，游梁式抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)尺寸的確定成為許多學(xué)者和設(shè)計(jì)人員的研究對(duì)象。在這方面，已有大量的文章見(jiàn)諸于各個(gè)專業(yè)雜志上 ，其中，有不少的文章是關(guān)于游梁式抽油機(jī)四連機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，文獻(xiàn) 1、2、 3、 4從不同的角度論述了抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果都是對(duì)一個(gè)單一的抽油機(jī)機(jī)構(gòu)模型而進(jìn)行的，對(duì)于 API 抽油機(jī)系列設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，如果對(duì)每一種型號(hào)的抽油 5 機(jī)按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么，可能得到的結(jié)果是每一種抽油機(jī)的四桿機(jī)構(gòu)的尺寸都是相互獨(dú)立的，并且與另一種相近型號(hào)的抽油機(jī)沒(méi)有多大的關(guān)聯(lián)，這樣做，不僅設(shè)計(jì)、繪圖的工作量很大，而且加工的零件也很多，工裝夾具的數(shù)量也不少，相應(yīng)的每一臺(tái)抽油機(jī)的制造成本就較高 了。對(duì)于系列化設(shè)計(jì)而言，應(yīng)當(dāng)更主要地體現(xiàn)規(guī)?；O(shè)計(jì)的特點(diǎn)，即：設(shè)計(jì)工作量小，工裝夾具少，加工成本低，產(chǎn)品通用性好等優(yōu)點(diǎn)，只有這樣，才能降低產(chǎn)品制造成本，滿足出口用戶的定貨需求，即：數(shù)量少，規(guī)格多。為此，我們的設(shè)計(jì)原則是：在優(yōu)先保證四桿機(jī)構(gòu)尺寸數(shù)量最少的條件下，再考慮每一種四桿機(jī)構(gòu)尺寸的最優(yōu)性能，同時(shí)，還應(yīng)考慮由于抽油機(jī)型號(hào)的不同，從而使用不同的軸承座對(duì)抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)尺寸的影響。 圖 1 為游梁式抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸示意圖，在圖中， H 為抽油機(jī)底座底平面至支架軸承中心的高度，它取決于抽油機(jī)的最大沖程長(zhǎng)度，并決定抽 油機(jī)的高度，其具體計(jì)算方法是： H=S max H c H h 0.2 0.25 （ m） 式中， S max 最大沖程長(zhǎng)度 （ m）； H c 井口裝置高度 （ m），一般為： 1.2 1.5（ m）； H h 懸強(qiáng)繩器高度 （ m），一般為： 0.35 0.4（ m）。 A 為游梁前臂長(zhǎng)度，其大小取決于沖程長(zhǎng)度和游梁的擺角，值得說(shuō)明的是，前蘇聯(lián)和我國(guó)都是采用大擺角（約 1 弧度），而美國(guó)則是采用小擺角（一般為 44 46），大擺角抽油機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，但動(dòng)力性能差，扭矩特性差，能耗高；大小擺角抽油機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu) 龐大，但動(dòng)力性能好，扭矩特性好，能耗低。在本次設(shè)計(jì)中，采用游梁小擺角設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)沖程長(zhǎng)度小于 4.2 m（含4.2 m）時(shí)，游梁的擺角為 44 46；當(dāng)沖程長(zhǎng)度大于 4.2 m 時(shí)，游梁的擺角為 51 53。 G為減速器輸出軸中心線至底座底平面的距離，其大小決定了抽油機(jī)曲柄的長(zhǎng)短，從而影響平衡塊的重量， G 越大，曲柄長(zhǎng)度越長(zhǎng)，在同一平衡扭矩的條件下，平衡塊越輕。由機(jī)架 K、曲柄 R、連桿P 及游梁后臂 C 構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)我們稱之為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其尺寸的大小及分配決定了抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能、動(dòng)力性能及其能耗。在設(shè)計(jì)和規(guī)劃 曲柄連桿機(jī)構(gòu)尺寸時(shí)，先以減速器輸出軸凈扭矩的最大波動(dòng)值為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化出一組曲柄連桿機(jī)構(gòu)的尺寸，再以該尺寸為基礎(chǔ)，考慮各種型號(hào)抽油機(jī)之間的相互關(guān)聯(lián)，從而確定其它相鄰型號(hào)抽油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的尺寸。按照 API 抽油機(jī)規(guī)范 5（ API SEPC 11E）之規(guī)定， 58 種不同型號(hào)的常規(guī)抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸結(jié)果列于表 2 中。 表二、 58 種 API 系列常規(guī)抽油機(jī)幾何尺寸表 UNIT A C I P H G H-G R S R1 R2 R3 R4 S1 S2 S3 S4 912-427-216 (19-105-5.5) 6600 3460 3505 5095 8510 3430 5080 1400 1200 1000 5556 4803 4067 912-470-240 (21-105-6.0) 6600 3460 3505 5095 8510 3430 5080 1530 1330 1130 930 6094 5330 4589 3865 912-427-192 (19-105-4.8) 5330 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1350 1150 950 750 4907 4209 3535 2879 912-305-192 (14-105-4.8) 5330 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1350 1150 950 750 4907 4209 3535 2879 912-365-168 (16-105-4.2) 5330 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1190 1010 830 4317 3732 3166 912-305-168 (14-105-4.2) 5330 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1190 1010 830 4317 3732 3166 912-427-144 (19-105-3.6) 4570 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1190 1010 830 3697 3199 2714 640-305-192 (14-73-4.8) 5330 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1350 1150 950 750 4907 4317 3732 3166 640-305-168 (14-73-4.2) 5330 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1190 1010 830 4317 3732 3166 640-365-144 (16-73-3.6) 4570 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1190 1010 830 3697 3199 2714 640-305-144 (14-73-3.6) 4570 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1190 1010 830 3699 3204 2716 6 640-256-144 (12-73-3.6) 4570 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1190 1010 830 3699 3204 2716 640-305-120 (14-73-3.0) 3935 2820 2820 3390 5900 2440 3460 1060 910 760 3048 2609 2159 456-305-168 (14-53-4.2) 5330 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1190 1010 830 4317 3732 3166 456-305-144 (14-53-3.6) 4570 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1190 1010 830 3699 3204 2716 456-256-144 (12-53-3.6) 4570 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1190 1010 830 3699 3204 2716 456-365-120 (16-53-3.0) 3935 2820 2820 3390 5900 2440 3460 1060 910 760 3072 2609 2159 456-305-120 (14-53-3.0) 3935 2820 2820 3390 5900 2440 3460 1060 910 760 3072 2609 2159 456-256-120 (12-53-3.0) 3935 2820 2820 3390 5900 2440 3460 1060 910 760 3070 2608 2159 320-256-144 (12-37-3.6) 4570 3050 3050 3770 6650 2820 3830 1190 1010 830 3706 3204 2716 320-256-120 (12-37-3.0) 3935 2820 2820 3390 5900 2440 3460 1060 910 760 3070 2608 2159 320-213-120 (10-37-3.0) 3935 2820 2820 3390 5900 2440 3460 1060 910 760 3070 2608 2159 320-305-100 (14-37-2.5) 3275 2820 2820 3390 5900 2440 3460 1060 910 760 2555 2171 1798 320-256-100 (12-37-2.5) 3275 2820 2820 3390 5900 2440 3460 1060 910 760 2555 2171 1798 320-213-86 (10-37-2.2) 2820 2440 2440 2895 4980 2010 2970 940 810 680 2245 1923 1611 228-213-120 (10-26-3.0) 3935 2820 2820 3390 5900 2440 3460 1060 910 760 3070 2608 2159 228-173-100 (8.0-26-2.5) 3275 2440 2440 2895 4980 2010 2970 940 810 680 2608 2235 1872 228-246-86 (11-26-2.2) 2820 2440 2440 2895 4980 2010 2970 940 810 680 2197 1867 1548 228-213-86 (10-26-2.2) 2820 2440 2440 2895 4980 2010 2970 940 810 680 2245 1923 1611 228-200-74 (9.0-26-1.9) 2440 2440 2440 2895 4980 2010 2970 940 810 680 1941 1663 1393 228-173-74 (8.0-26-1.9) 2440 2135 2135 2380 4210 1760 2450 810 680 550 1951 1622 1308 UNIT A C I P H G H-G R S R1 R2 R3 R4 S1 S2 S3 S4 160-173-86 (8.0-18-2.2) 2820 2440 2440 2895 4980 2010 2970 940 810 680 2245 1923 1611 160-200-74 (9.0-18-1.9) 2440 2440 2440 2895 4980 2010 2970 940 810 680 1941 1663 1393 160-173-74 (8.0-18-1.9) 2440 2440 2440 2895 4980 2010 2970 940 810 680 1941 1663 1393 160-143-74 (6.5-18-1.9) 2440 2135 2135 2380 4210 1760 2450 810 680 550 1919 1602 1295 160-173-64 (8.0-18-1.6) 2135 2135 2135 2380 4210 1760 2450 810 680 550 1680 1402 1137 114-119-86 (5.5-13-2.2) 2820 2135 2135 2380 4210 1760 2450 810 680 550 2220 1853 1498 114-143-74 (6.5-13-1.9) 2440 2135 2135 2380 4210 1760 2450 810 680 550 1919 1602 1295 114-173-64 (8.0-13-1.6) 2135 2135 2135 2380 4210 1760 2450 810 680 550 1680 1402 1137 114-143-64 (6.5-13-1.6) 2135 2135 2135 2380 4210 1760 2450 810 680 550 1680 1402 1137 114-133-54 (6.0-13-1.4) 1830 1625 1625 1890 3200 1300 1900 610 500 390 1411 1164 924 80-119-64 (5.5-9.0-1.6) 2135 1625 1625 1890 3200 1300 1900 610 500 390 1648 1358 1078 80-133-54 (6-9-1.4) 1830 1625 1625 1890 3200 1300 1900 610 500 390 1411 1164 924 80-119-54 (5.5-9-1.4) 1830 1625 1625 1890 3200 1300 1900 610 500 390 1411 1164 924 80-133-48 (6-9-1.2) 1625 1625 1625 1890 3200 1300 1900 610 500 390 1257 944 643 80-109-48 (5-9-1.2) 1625 1625 1625 1890 3200 1300 1900 610 500 390 1257 944 643 57-76-54 (3.5-6.5-1.4) 1830 1625 1625 1890 3200 1300 1900 610 500 390 1411 1164 924 57-109-48 (5-6.5-1.2) 1625 1625 1625 1890 3200 1300 1900 610 500 390 1257 944 643 57-95-48 (4.5-6.5-1.2) 1625 1625 1625 1890 3200 1300 1900 610 500 390 1257 944 643 57-89-42 (4-6.5-1.0) 1425 1225 1220 1550 2710 1150 1560 460 355 250 1106 847 598 57-76-42 (3.5-6.5-1.0) 1425 1225 1220 1550 2710 1150 1560 460 355 250 1106 847 598 7 40-76-48 (3.5-4.5-1.2) 1625 1225 1220 1550 2710 1150 1560 460 355 250 1266 968 684 40-89-42 (4-4.5-1.0) 1425 1225 1220 1550 2710 1150 1560 460 355 250 1106 847 598 40-76-42 (3.5-4.5-1.0) 1425 1225 1220 1550 2710 1150 1560 460 355 250 1106 847 598 40-89-36 (4-4.5-0.9) 1225 1225 1220 1550 2710 1150 1560 460 355 250 957 732 517 25-67-36 (3-3.0-0.9) 1225 1225 1220 1550 2710 1150 1560 460 355 250 957 732 517 25-56-36 (2.5-3.0-0.9) 1225 1225 1220 1550 2710 1150 1560 460 355 250 957 732 517 25-53-30 (2.4-3.0-0.75) 1145 920 915 1260 2300 940 1360 305 784 從附表 2 可以看出： 1、 一種型號(hào)的抽油機(jī)給出 2 至 4 種沖程長(zhǎng)度，并且，每一種四桿機(jī)構(gòu)的尺寸可以表征幾種不同型號(hào)的抽油機(jī)； 2、 對(duì)于沖程長(zhǎng)度、減速器額定扭矩不同的抽油機(jī)，其曲柄連桿機(jī)構(gòu)的尺寸相同，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用調(diào)整減速器底座高度的方法予以解決； 3、 對(duì)于沖長(zhǎng)度相同，減速器額定扭矩相同，由于懸點(diǎn)載 荷不同而導(dǎo)致軸承座不同的抽油機(jī)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用調(diào)整支架高度的方法予以解決。 58 種 API 抽油機(jī)的主要性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果列于表三中 四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模塊劃分 二維草繪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是對(duì)抽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行勾化設(shè)計(jì) ,即繪出抽油機(jī)各個(gè)零部件的輪廓圖、主要相互關(guān)聯(lián)要素及裝配位置關(guān)系圖，以簡(jiǎn)減少三維建模時(shí)的設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)，對(duì)于不進(jìn)行三維建模的零部件（如鋼絲繩、電動(dòng)機(jī)等），直接進(jìn)行定型設(shè)計(jì)（確定其長(zhǎng)度、規(guī)格型號(hào)等）。美國(guó) LUFKIN 公司是全球最大的抽油機(jī)制造商，其產(chǎn)品遍布全球各產(chǎn)油國(guó)，具有廣泛的代表性，并且其 產(chǎn)品符合 API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能參數(shù)。在本次 API 抽油機(jī)設(shè)計(jì)中，筆者根據(jù) API 標(biāo)準(zhǔn)提供的參數(shù)，參照 LUFKIN 公司的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，結(jié)合國(guó)內(nèi)抽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)（如 SY/T 5044 20000游梁式抽油機(jī)、 SY/T 5795 93游梁式抽油機(jī)安裝尺寸、易損件配合尺寸）進(jìn)行設(shè)計(jì)的，圖 1 為 API 抽油機(jī)的基本結(jié) 8 構(gòu)。 1、 驢頭 驢頭的作用是將游梁的往復(fù)擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為吊繩的上下直線運(yùn)動(dòng)。從機(jī)構(gòu)學(xué)來(lái)講，它是一種繩輪機(jī)構(gòu)。我國(guó)抽油機(jī)驢頭常用的結(jié)構(gòu)型式有上翻式、側(cè)轉(zhuǎn)式及重力式三種，國(guó)外抽油機(jī)的驢頭多采用懸掛式驢頭。這種驢頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是 制作比較簡(jiǎn)單，易于安裝，可靠性高，最大的缺點(diǎn)是在修井作業(yè)時(shí)，必須將整個(gè)驢頭卸下，操作工作量大。本次設(shè)計(jì)采用懸掛式驢頭結(jié)構(gòu)型式 ，其具體結(jié)構(gòu)如圖所示 。它是用鋼板組焊而成的一個(gè)箱形結(jié)構(gòu)，其厚度為 450mm， 400mm， 350mm， 300mm 等 4 種；側(cè)板使用 Q235 的鋼板，鋼板的厚度分別為 12mm， 10mm， 8mm， 6mm 等 4 種 .同樣，鋼絲繩架和驢頭銷軸也有 4 種不同的規(guī)格。 圖 2 驢頭結(jié)構(gòu)二維圖 2、 游梁 游梁是一種扛桿，它是抽油機(jī)的主要承載構(gòu)件， 也是抽油機(jī)最大應(yīng)力出現(xiàn)的構(gòu)件，對(duì)游梁的設(shè)計(jì)主要考慮其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)在常規(guī)抽油機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，游梁的結(jié)構(gòu)只有兩種，一種是箱形結(jié)構(gòu)（用于重型抽油機(jī)），另一種 H 型結(jié)構(gòu)（用于中型或輕型抽油機(jī)），本次設(shè)計(jì)采用 H 型結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示，對(duì)于重型抽油機(jī)，其游梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖 2（ a） 所示，對(duì)于輕型或中型抽油機(jī)，其游梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖 2（ b） 所示，這種結(jié)構(gòu)的游梁可以去掉扶手、人行走道等裝置，并且行走方便，不足之處是側(cè)向剛度較差。游梁的高度分別為 1200 mm， 1000 mm， 900 mm， 800 mm， 700 mm， 600 mm，500 mm， 400 mm， 350mm 等 9 種尺寸；翼板、側(cè)板使用 Q235 的鋼板，鋼板厚度為： 30mm， 25mm，20mm， 16mm， 12mm， 10mm 等 5 種規(guī)格。各游梁一般焊有加強(qiáng)板和吊耳等附件。 9 圖 3 游梁結(jié)構(gòu)二維圖 3、 支架 支架的主要作用是支承游梁，其高度必須滿足抽油機(jī)的沖程長(zhǎng)度、井口高度及懸繩器的正常工作需要。同時(shí)，支架與游梁、連桿、曲柄及底座一起構(gòu)成抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)，保證抽油機(jī)的正常工作。支架的結(jié)構(gòu)型式有兩種，一種是四腿支架 ，它主要由角鋼焊接而成，其特點(diǎn)是制造方便，剛度大，但是體積大，運(yùn)輸困難（對(duì)于重型抽油機(jī)尤其突出），國(guó)內(nèi)的常規(guī)抽油機(jī)和部分偏置抽油機(jī)采用這種結(jié)構(gòu)的支架；另一種是三腿支架，它是用工字鋼和槽鋼組焊而成，它的特點(diǎn)是開(kāi)度大，運(yùn)輸方便，但安裝困難；其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)它的后腿與減速器座相聯(lián)時(shí)，使底座不受彎曲應(yīng)力的作用，從而保證底座不會(huì)出現(xiàn)斷裂的情況。國(guó)內(nèi)的部分偏置抽油機(jī)采用這種結(jié)構(gòu)的支架，國(guó)外的常規(guī)抽油機(jī)和偏置抽油機(jī)均使用三腿支架。本次設(shè)計(jì)的支架全部采用三腿結(jié)構(gòu)，支架前面的兩個(gè)主腿采用單根的工字鋼，后腿采用兩個(gè)槽鋼對(duì)焊，并 間斷補(bǔ)強(qiáng)，制作時(shí)，將前腿和后腿分開(kāi)，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)將支架后腿按要求組裝并鎖緊即可。 10 圖 4 游梁截面結(jié)構(gòu)型式圖 圖 5 支架二維結(jié)構(gòu)圖 4、 底座 底座的作用是承受整個(gè)抽油機(jī)及懸點(diǎn)載荷的全部重量，并使抽油機(jī)的支架、減速器及電動(dòng)機(jī)裝置連成一體。底座有門(mén)型和 T 型兩種，國(guó)內(nèi)常規(guī)抽油機(jī)和部分偏 置抽油機(jī)采用門(mén)型底座，部分偏置抽油機(jī)采用 T 型底座。本次設(shè)計(jì)全部采用 T 型底座，這種底座的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性能好，特別適合三腿支架，尤其是超重型抽油機(jī)，必須采用這種結(jié)構(gòu)的底座。底座上焊有減速器座和電動(dòng)機(jī)座，一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)座有兩種布置方式，一種是直接在底座的主梁上焊接電動(dòng)機(jī)導(dǎo)軌，它的特點(diǎn)是抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但耗材多；另一種是用不同的型鋼單獨(dú)制作一個(gè)電動(dòng)機(jī)座，然后將該座焊接或鉚接在主座上，它的特點(diǎn)是節(jié)省材料。對(duì)于雨多的地區(qū)，還應(yīng)當(dāng)防止電動(dòng)機(jī)淹水的現(xiàn)象產(chǎn)生，為此，本次設(shè)計(jì)將電動(dòng)機(jī)座抬高 500 1000 ，對(duì)于少雨地區(qū)，可將 電動(dòng)機(jī)座放置到與主底座對(duì)齊的位置。 11 圖 6 底座三維結(jié)構(gòu)圖 5、 曲柄平衡裝置 抽油機(jī)的平衡歷來(lái)是被許多學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)工作人員所關(guān)注，因?yàn)槠胶獾暮脡闹苯佑绊懗橛蜋C(jī)的能耗和壽命。對(duì)于游梁式抽油機(jī)而言，平衡可分為機(jī)械平衡和氣動(dòng)平衡，機(jī)械平衡也有曲柄平衡、游梁平衡及復(fù)合平衡之分，從平衡效果來(lái)看，游梁平衡最好，復(fù)合平衡次之，曲柄平衡最差，但從安全性來(lái)考慮，則正好相反。從現(xiàn)場(chǎng)使用的情況來(lái)看，輕型抽油機(jī)使用游梁平衡，中型抽油機(jī)使用曲柄平衡，重型抽油機(jī)則使用復(fù)合。本 次設(shè)計(jì)同樣照此原則進(jìn)行，只是在輕型抽油機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中盡量多采用曲柄平衡，主要是因?yàn)楹?jiǎn)化結(jié)構(gòu)，便于各個(gè)模塊之間的相互組裝，以最少的模塊來(lái)組裝出最多的抽油機(jī)，從而工裝夾具的設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的出口競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)抽油機(jī)的不同型號(hào)，曲柄的寬度為 600 ， 500 ， 400 及 300 等 4 種規(guī)格。曲柄的長(zhǎng)度則取決于減速器輸出軸中心線至底座底平衡的高度，平衡塊的重量從 30 kN 到 30 kN 不等，這主要是取決于抽油機(jī)的承載能力。 6、 皮帶傳動(dòng)裝置 皮帶傳動(dòng)裝置的作用是將電動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)傳遞給減速器，并作適當(dāng)?shù)?減速，主要有大皮帶輪、小皮帶輪及三角膠帶組成。本次設(shè)計(jì)時(shí)，皮帶全部采用普通三角膠帶，當(dāng)減速器的額定扭矩不超過(guò)53 kN.m 時(shí)，使用普通 C 型三角膠帶，其它的機(jī)型則使用普通 D 型三角膠帶，至于三角膠帶的根數(shù)則視其傳遞的功率而定，長(zhǎng)度則根據(jù)電動(dòng)機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)確定，每一種型號(hào)的抽油機(jī)配備有三個(gè)不同直徑的小皮帶輪，以滿足抽油 機(jī)三個(gè)不同沖次數(shù)的需要，大皮帶輪則是每一種型號(hào)的減速器配備一個(gè)，表 3 給出了 API 常規(guī)抽油機(jī)皮帶輪規(guī)格尺寸。 表 3 55 種 API 常規(guī)抽油機(jī)的小皮帶輪直徑 序號(hào) 抽油機(jī)型號(hào) 傳動(dòng)比 中心距 中心高 大帶輪 小帶輪 1 小帶輪 2 小帶輪 3 沖次數(shù) （ min-1） 裝機(jī)功率（ kW） 額定轉(zhuǎn)速 12 1 C912-427-216 30.28 1200 750 1350 280 350 430 4.0 5.0 6.0 75.0 2 C912-470-240 30.28 1200 750 1350 280 350 430 4.0 5.0 6.0 75.0 3 C912-427-192 30.28 1200 750 1350 220 330 430 4.0 6.0 8.0 55.0 (740) 4 C912-305-192 30.28 1200 750 1350 220 330 430 4.0 6.0 8.0 55.0 5 C912-365-168 30.28 1200 750 1350 280 380 500 5.0 7.0 9.0 55.0 6 C912-305-168 30.28 1200 750 1350 280 380 500 5.0 7.0 9.0 55.0 7 C912-427-144 30.28 1200 750 1350 330 430 520 6.0 8.0 10 55.0 8 C640-365-192 31.733 1000 620 1120 220 300 400 4.0 6.0 8.0 55.0 9 C640-305-168 31.733 1000 620 1120 250 330 430 5.0 7.0 9.0 45.0 10 C640-365-144 31.733 1000 620 1120 300 400 500 6.0 8.0 10 45.0 11 C640-305-144 31.733 1000 620 1120 300 400 500 6.0 8.0 10 45.0 12 C640-256-144 31.733 1000 620 1120 300 400 500 6.0 8.0 10 45.0 13 C640-305-120 31.733 1000 620 1120 220 330 430 6.0 9.0 12 45.0 (980) 14 C456-305-168 30.193 1000 600 1120 220 300 400 5.0 7.0 9.0 45.0 (740) 15 C456-305-144 30.193 1000 600 1120 280 400 520 6.0 8.0 10 45.0 16 C456-256-144 30.193 1000 600 1120 280 350 430 6.0 8.0 10 45.0 17 C456-365-120 30.193 1000 600 1120 220 330 430 6.0 9.0 12 37.0 (980) C 18 C456-305-120 30.193 1000 600 1120 220 330 430 6.0 9.0 12 37.0 19 C456-256-120 30.193 1000 600 1120 220 330 430 6.0 9.0 12 37.0 20 C320-256-144 31.30 850 560 980 180 250 300 6.0 8.0 10 37.0 21 C320-256-120 31.30 850 560 980 180 280 3