新型傳動抽油機設(shè)計與分析

1、資料目錄1 緒 論11.1 國內(nèi)外抽油機現(xiàn)狀11.2 長沖程抽油機的分類21.3 長沖程抽油機的優(yōu)點31.3.1 長沖程抽油機的優(yōu)點31.3.2 主要用途41.4 長沖程抽油機的現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向61.5 齒輪齒條抽油機61.6 超級電容82 平衡能量計算及平衡裝置的設(shè)計102.1 平衡能量的計算102.1.1 原始數(shù)據(jù)102.1.2井深計算102.1.3 電動機上下沖程時功率計算112.2 平衡重計算及平衡裝置的設(shè)計122.3 電動機的選擇122.3.1 起升功率的計算122.3.2 傳動裝置的總功率132.3.3 確定電動機轉(zhuǎn)速132.4 傳動參數(shù)的計算152.4.1 計算總傳動比152

2、.4.2 分配減速器的各級傳動比153 傳動裝置的設(shè)計173.1 齒輪傳動設(shè)計173.2 齒輪的設(shè)計及校核173.2.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)173.2.2 按齒面接觸強度設(shè)計173.2.3按齒根彎曲強度設(shè)計193.2.4幾何尺寸計算203.3 軸的設(shè)計203.4 軸的校核223.4.1 求低速級大齒輪上的力223.4.2 求軸上的載荷223.4.3 總彎距的計算254齒輪齒條的設(shè)計274.1選定齒輪齒條類型，精度等級，材料及齒數(shù)。274.2按齒面接觸強度設(shè)計274.2.1確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值274.2.2計算274.3按齒根彎曲強度設(shè)計284.3.1確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值294

3、.3.2設(shè)計計算295超級電容315.1超級電容的論述315.2超級電容的特點316.剎車337.經(jīng)濟性評估348.設(shè)計小結(jié)359.參考文獻36致謝38新型傳動抽油機設(shè)計與分析摘 要：為了更好的實現(xiàn)抽油機長沖程采油的目的，在滿足油田采油工藝要求的前提下，設(shè)計了齒輪齒條傳動抽油機。該抽油機的動力系統(tǒng)采用KCT系列變頻調(diào)速電動機,省去了正反轉(zhuǎn)電動機軟起動控制器，可以實現(xiàn)傳動裝置的的頻繁正反轉(zhuǎn)，從而提高了了傳動的穩(wěn)定性；并且本抽油機采用超級電容的原理，對其進行了平衡設(shè)計，平衡效果較常規(guī)抽油機有明顯的改善，更加簡單的設(shè)計和實際中的應(yīng)用。抽油桿采用抗拉強度高，密度小的碳纖維連續(xù)抽油桿，減輕了重量，增加了

4、抽油量，但碳纖維抽油桿不能受到壓力作用。與一般抽油機相比，齒輪齒條抽油機具有易安裝，直接驅(qū)動，采油效率高，適于開采稠油及深井采油（如陜北地區(qū)油田），發(fā)展該型抽油機對當前老油田高含水井后期的開采減緩產(chǎn)量遞減速度，開采稠油、低滲透等油田的“難動用儲量”，以及沙漠油田深井及超深井的機械開采等，在人力資源，環(huán)保等多方面都是有一定的現(xiàn)實意義的。本抽油機的使用將會使我國許多油田在增加原油產(chǎn)量的同時降低耗能，有著十分重要的意義。關(guān)鍵詞：抽油機， 長沖程 ， 齒輪齒條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 緒 論1.1 國內(nèi)外抽油機現(xiàn)狀近年來，各國正在研究具有較好的抽油性能、提高石油產(chǎn)量、降低采油成本、提高經(jīng)濟效益的長沖程抽油機，但是在這些產(chǎn)品研發(fā)成功后在使用的過程中受到了很多限制，還是不能很好的滿足市場的需求。目前，各國使用得最多的仍是游梁式抽油機，這類抽油機只適合于短沖程，在抽油的過程中電機的負荷分布不均勻，導(dǎo)致現(xiàn)在有很多問題在采油的過程中無法解決。我國現(xiàn)有原油生產(chǎn)井達7萬多口，由于各主干油田大都進入生產(chǎn)后期，地層油的壓力降低，絕大多數(shù)油井主要靠機械采油方式生產(chǎn)。在機械采油中又以

11、有桿抽油裝置采油為主，據(jù)統(tǒng)計我國達90%以上。目前我國各大油田使用的絕大多數(shù)都是游梁式的有桿抽油裝置，游梁式抽油機是最古老、應(yīng)用最廣泛的一種型式，工作可靠、堅實，使用和維修方便，并且在常規(guī)型基礎(chǔ)上發(fā)展了多種型式，但是游梁式抽油機在實際的生產(chǎn)使用中存在著很多的問題：其一，體積重量大，沖程越長該問題越突出，以至于很難進一步提高其沖程。其二，隨著油井深度的逐漸增加，特別是稠油、高含蠟油井的數(shù)量不斷增多，由于沖程短不能保證原油產(chǎn)量；目前我國以四連桿機構(gòu)為基礎(chǔ)的沖程游梁式抽油機的超長沖程可達六米多，其體積、重量及制造成本已經(jīng)相當大了，再加上沖程長度，已經(jīng)是非常困難了；而這一沖程，對于深井、稠油井、高含蠟

12、油井，已經(jīng)顯得遠遠不夠了，很難適應(yīng)油田生產(chǎn)的需要。其三，在上、下運動的沖程中電機負荷不均勻，即向上運動時電機的負荷很高，向下運動時電機的負荷則相對較低，甚至是負值載荷，因而造成能量的浪費。為此人們采取了多種平衡方式，如游梁平衡、曲柄平衡、復(fù)合平衡、氣壓平衡等，在不同程度對抽油機的載荷分布有所改善，但由于其并沒從本質(zhì)上改變游梁式抽油機的四連桿機構(gòu)，因此不可能從根本上解決抽油機功率分配不均的問題。其四，采用一根根用螺紋連接起來的剛性的抽油桿將地面動力傳到井下，因此，在井下抽油設(shè)備下放安裝、取出維修時的操作難度非常大，作業(yè)時間長，成本高，且容易發(fā)生脫扣事故。其五，游梁式抽油機的沖程、沖數(shù)只能有級調(diào)節(jié)

13、，不能及時適應(yīng)油井工藝參數(shù)的變化，大大限制了其使用范圍。目前，勝利油田河口采油廠工藝技術(shù)人員通過研制開發(fā)抽油機井逆變器變屏群控調(diào)速技術(shù)，提高促進油井群控技術(shù)的發(fā)展和降低了成本，實現(xiàn)了油井精細化控制與管理，提高了工作效率；但是從電的使用上來說，雖然在原來的基礎(chǔ)上電能節(jié)約了30%，可仍還是電量消費了很大的資本；體積龐大，占據(jù)了空間，不便于搬遷。天津中成機械制造公司自主研發(fā)成功國內(nèi)最大型抽油機C1280D427240一次試車成功，C1280D427240根據(jù)國內(nèi)外深井、大負載、高產(chǎn)井的開采需求研制的特大型抽油機，整機長14.8米、寬3.5米、高11.9米，懸點最大載荷19噸，最大沖程長度6.07米，

14、減速器額定扭矩達147千牛米，總重近50噸，但是體積龐大、沖程的長度遠遠不能滿足市場的需求、耗電量比較的大、成本價格比較的高。美國研制了Kincaid沖程倍增抽油機，也稱為低矮型抽油機，當游粱前端從下死點運動到上死點時，行程為068513.1，此外驢頭在杠桿作用下還可繞自己的支點旋轉(zhuǎn)90度，驢頭轉(zhuǎn)動行程也為0.685 m，抽油機的實際沖程為1.37 m，沖程增加1倍，但是沖程很短，還是不適合深井和稠油井。全俄石油機械設(shè)計研究院研制了一種特殊結(jié)構(gòu)的增大沖程游梁抽油機，把游梁支座改成為一個弧面鋼帶，在支架上有一個上固定點，在游梁上有一個下轉(zhuǎn)動點，可使游梁在擺動過程中，支點還可以向上或向下運動一個附

15、加行程，抽油機實際沖程長度為游梁擺動行程與支點上下運動行程之和，當驢頭上下移動行程為3米時，支點上下運動行程為1米，抽油機實際沖程長度也只有4米,該抽油機采用電動機、膠帶、減速器、曲柄、連桿機構(gòu)驅(qū)動游粱，但是抽油機的機械運動和零件損耗很大。1.2 長沖程抽油機的分類縱觀國外各種長沖程抽油機.大致可分為增人沖程游梁抽油機、增大沖程無游梁抽油機和長沖程無游梁抽油機硯種類型。1.增大沖程游梁抽油機利用各種機構(gòu)或元件的運動特性和工作原理增大游梁抽油機的沖程長度，稱為增大沖程游梁抽油機。這里應(yīng)當指出；利用抽油桿的超沖程也能增大抽油泵沖程長度；利用增大沖程機構(gòu)直接與抽油泵組合，也能增大抽油泵沖程長度，抽油

16、機的沖程長度.不改變。這兩種增大沖程的方法均不屬于增大沖程抽油機。國外增大沖程抽油機有美國Kincaid沖程倍增抽油機；英國增大沖程游梁抽油機;原蘇聯(lián)增大沖程游梁抽油機；美國Lufkin公司游頭抽油機等。2.增大沖程無游梁抽油機利用各種機構(gòu)或元件的運動特性和工作原理增人無游梁抽油機的沖程長度，稱為增大沖程無游梁抽油機。例如:美國Lowjack低矮型增大沖程無游梁抽油機等。3.長沖程無游梁抽油機長沖程無游梁抽油機的特點是；沒有游梁、不采用曲柄連桿機構(gòu)換向、也不采用增大沖程機構(gòu)、利用抽油機本身機構(gòu)運動特性，實現(xiàn)長沖程抽油，也稱為超長沖程無游梁抽油機。該抽油機有立式和臥式兩種結(jié)構(gòu)型式；.立式長沖程無

17、游梁抽油機抽油機所有設(shè)備均置地面上，一般為機架立式結(jié)構(gòu)型式，占地面積較小，但占用空間高度較大。例如；美國ROTAFLEX長沖程低沖次抽油機；法國Mape長沖程無游梁抽油機；Dynovation公司長沖程無游梁從式井抽油機等。.臥式長沖程無游梁抽油機 抽油機主要設(shè)備置于地面上，平衡裝置于地下套管之中，一般為臥式結(jié)構(gòu)型式，占地面積和占用空間高度較小。例如:美國Western Gear Co長沖程無游梁液壓抽油機；美國National Supply Co，長沖程無游梁鏈條傳動抽油機等。1.3 長沖程抽油機的優(yōu)點 1.3.1 長沖程抽油機的優(yōu)點 各種長沖程抽油機的抽油實踐表明，具有以下七個主要優(yōu)點、現(xiàn)

18、分列如下:1.提高采油效率、增加石油產(chǎn) 采用長沖程抽油方式.抽油泵柱塞的實際沖程長度減少的比率較小，提高了抽油泵的排量系數(shù)和充滿系數(shù)，有利于提高采油效率、增加石油產(chǎn)髦、降低采油成本。 據(jù)報導(dǎo)、采用鋼質(zhì)抽油桿抽油時，由于油骨和抽油桿之問的彈性伸縮作用結(jié)果，對抽油泵的實際沖程和泵效有較大的影響。在一般下泵深度范圍內(nèi)，兩者相差. 0.81.5m在最深時可達l .32 . 1m二如果沖程長度較小，沖程損失比例更人，抽油泵的泵效更低。如果改用長沖程抽油方式·可以提高抽油機的沖程利用率。例如:沖程長度從3.3m 增加到5m時，平均沖程利用率可以增加11.9%，在最深時可以增加17.5%。所以，采

19、用長沖程抽油方式抽油泵柱塞的實際沖程長度減少的比率較小，增加抽油泵的泵效、提高石油產(chǎn)量。 另據(jù)報導(dǎo)，采用長沖程抽油方式，提高抽油泵的泵效達到10%25%，提高石油產(chǎn)量10%50%，提高抽汲能力達20%40%。 再據(jù)報導(dǎo)，美國加里福尼亞一口油井原采用2.1m沖程長度常規(guī)游梁抽油機。石油產(chǎn)量為13.4m3/d；后來改用長沖程無游梁抽油機，沖程長度為10m。石油產(chǎn)一學(xué)增加到33m3/d石油產(chǎn)最增加了146.2%2.提高抽油桿和抽油泵的使用壽命 長沖程抽油機均采用長沖程、低沖次抽油方式，可以減少抽油桿和油管之間的機械磨損。據(jù)報導(dǎo)，采用長沖程，低沖次抽油方式·可提高抽油桿使用壽命達45倍；另據(jù)

20、報導(dǎo)，采用長沖程、低沖次抽油方式.可以減少抽油泵的機械磨損、磨損較均勻，提高抽油泵的使用壽命。3.排量穩(wěn)定、動載荷小、事故少 長沖程無游梁抽油機采用長沖程、低沖次抽油方式，在一個上或下沖程過程中、分為恒速運動部分和接近與離開上下死點的減速與加速運動兩個部分，恒速運動時問較長，石油排量較穩(wěn)定。抽油機和抽油系統(tǒng)的動載荷較小，減少抽油桿斷脫事故和抽油系統(tǒng)事故。增加了抽油機的可靠性。此外，長沖程無游梁抽油機減速器的扭矩只有同樣沖程長度和沖次常規(guī)抽油機的16%一33%，有利于提高抽油機的使用壽命、延長免修期，減少發(fā)生井下事故。4.抽油機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、疲勞應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)減少 長沖程抽油機采用長沖程、低沖次抽油

21、方式，抽油機運轉(zhuǎn)較平穩(wěn)、噪音也較小，減少了抽油機載荷、疲勞應(yīng)力及抽油機應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，有利于提高抽油機和抽油系統(tǒng)的使用可靠性。5.抽油機平衡效果較好 長沖程抽油機利用各種平衡方法可以實現(xiàn)較精確的半衡效果。節(jié)約更多的動力消耗，提高了抽油機運行的經(jīng)濟性，降低了采油成本，具有較好的使用經(jīng)濟性二此外，由于可以實現(xiàn)抽油機較精確的平衡效果，抽油機運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)、噪音更小。6.抽油機具有較好的技術(shù)經(jīng)濟指標 與常規(guī)及增大沖程抽油機相比。長沖程無游梁抽油機結(jié)構(gòu)較簡單、零部件較少、制造裝配簡單方便、運動環(huán)節(jié)較少、機械傳動效率較高，成本較低.具有較好的抽油機技術(shù)經(jīng)濟指標。7.抽油機具有較高的適應(yīng)性能 長沖程抽油機的沖程

22、長度與沖次均可進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)各種油井工.況參數(shù)經(jīng)濟、合理的匹配，充分發(fā)展長沖程抽油機的效能。還可以實現(xiàn)抽油機和油井最佳匹配運行，具有較高的適應(yīng)性能，此外，據(jù)報導(dǎo)長沖程抽油機還可以防止結(jié)蠟，可減少消蠟作業(yè).使用非常方便。 長沖程抽油機可以實現(xiàn)最大限度地滿足采油一藝發(fā)展的需要口當沖數(shù)一定時。采用長沖程小泵提液抽汲方式，可不采用抽油桿脫接器、達到提高石油產(chǎn)量的目的，使用很方便。長沖程無游梁抽油機還可以解決采用大泵提液時常規(guī)抽油機無法進布了環(huán)空測試問題，可以錄取井下資料和進行油并動態(tài)分析。1.3.2 主要用途抽油實踐表明，長沖程抽油機具有以下五個方面的用途:1.適用干小泵深抽采油工藝對于低壓油田，可采

23、用小泵深抽采油工藝提高石油產(chǎn)量。長沖程抽油機可以滿足小泵深抽采油一t藝要求，更經(jīng)濟有效地開采石油。2.適用于大泵提液采油工藝采用大泵提液可以提高石油產(chǎn)量。長沖程抽油機不僅可以滿足大泵提液采油工藝的需要，而且還可以進行環(huán)空測試、錄取并下資料和進行油井動態(tài)分析。常規(guī)抽油機在大泵提液時是無法進行環(huán)空測試的。3.適用于開采各種特殊石油長沖程抽油機適用開采含氣（H2S、CO2、02:）石油、含砂石油、含石灰石油、含蠟石油、含水石油等各種特殊石油。4.適用于各種油井開采石油長沖程抽油機適用于深井、定向井、叢式井、斜井、海洋井、沙漠并、北極并開采石油。具有較好的抽油性能和經(jīng)濟效益。發(fā)展無游梁長沖程抽油機是當

24、務(wù)之急：(1) 近幾年來，我國油井數(shù)量急劇增多，用常規(guī)游梁抽油機開發(fā)稠油，采油量、泵效、耗能、采油成本等各項技術(shù)經(jīng)濟指標較差，因而阻礙了常規(guī)游梁抽油機的技術(shù)發(fā)展。為更經(jīng)濟、更合理地開發(fā)我國稠油資源，必須大力開發(fā)我國的無游梁長沖程抽油機。(2) 對于低壓油田，可采用小泵深抽的方法提高原油產(chǎn)量。目前在勝利、江蘇.華北、中原等油田應(yīng)用深抽技術(shù)取得了較好的經(jīng)濟效益。為滿足小泵深抽的需要，我國急需發(fā)展大載荷長沖程抽油機。(3) 目前我國的長沖程抽油機還不能完全滿足我國油田開采的需要，長沖程抽油機正處于發(fā)展階段，品種與規(guī)格不全，使用數(shù)量不多。因此需要大力發(fā)展新型長沖程抽油機。長沖程抽油機的主要特點是沖程較

25、長、沖次較低。一般認為沖程長度等于或超過6米時稱為長沖程。長沖程抽油機的優(yōu)點是：（1）沖程損失相對較小，單位時間內(nèi)的有效沖程長度增大，從而使油井的產(chǎn)量提高。再者，因沖程損失與泵掛深度成正比關(guān)系，所以對深井及超深井來說，更應(yīng)使用長沖程抽油機以提高泵的效率。（2）沖程增大、沖程調(diào)低后，作用在抽油桿上的慣性載荷與振動載荷相對減小，載荷循環(huán)比增大，抽油桿的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)降低，這些將對有桿泵裝置采油帶來一系列好處。上沖程慣性載荷峰值減小，為增大泵掛深度提供了可能，這一特點有利于低滲透油田采用“小泵深抽”的開采工藝。對于稠油開采來說，提高載荷循環(huán)比則是使用有桿泵裝置開采稠油的一個重要措施。此外，長沖程配合低

26、沖次的抽汲工藝對減少抽油桿的脫斷幾率，延長機干泵的使用壽命，從而提高有桿泵裝置的運行時率（即減少停機維修時間）也是有利的。（3）長沖程抽油機具有一定的節(jié)電效果，其節(jié)電率一般都在10%40%之間。由此分析其優(yōu)點可以總結(jié)為7點：(1).提高采油效率，增加石油產(chǎn)量(2).減少磨損，提高抽油桿和抽油泵的壽命(3).排量穩(wěn)定，動載荷小，事故少(4).運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，抗疲勞性好(5).平衡效果好(6).具有較好的綜合技術(shù)經(jīng)濟指標(7).具有較好的適應(yīng)性能。綜上所述可見，長沖程抽油機具有減小沖程損失、提高系統(tǒng)效率、延長機桿泵使用壽命、減少故障及提高整機運行質(zhì)量等優(yōu)點。因此，發(fā)展長沖程抽油機對當前老油田高含水井后期

27、的開采減緩產(chǎn)量遞減速度，開采稠油、低滲透等油田的“難動用儲量”，以及沙漠油田深井及超深井的機械開采等，都是有一定的現(xiàn)實意義的。 1.4 長沖程抽油機的現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向在世界范圍內(nèi)，研究開發(fā)與應(yīng)用抽油機已有100多年的歷史。在這百余年的采油實踐中，采油機發(fā)生了很大的變化，特別是近20年來，世界抽油機技術(shù)發(fā)展較快，先后研究開發(fā)了多種新型抽油機。其特點是：增強了抽油機的適應(yīng)性、可靠性、經(jīng)濟性和先進性；改善了抽油性能，降低了抽油載荷與載荷變化范圍，提高了抽油效率，減少了動力消耗；提高了抽油機平衡效果，改善了抽油機的運動特性、動力特性與平衡特性；增大了抽油機的使用范圍，減小了抽油機的體積和質(zhì)量，強化

28、了抽油機自動化與智能化程度?？傊橛蜋C的各項技術(shù)經(jīng)濟指標達到了有史以來的最高水平。目前抽油機正朝著大型化、低耗能、精確平衡、高適應(yīng)性、長沖程無游梁、自動化和智能化方向發(fā)展。目前長沖程抽油機可分為：增大沖程抽油機：（1）增大沖程抽油機（2）增大沖程無游梁抽油機。長沖程無游梁抽油機:（1）立式長沖程無游梁抽油機（2）臥式長沖程無游梁抽油機。1.5 齒輪齒條抽油機隨著抽油機的不斷進步和發(fā)展，目前正在朝著大型化、低能耗、高適應(yīng)性、自動化和自能化、長沖程無游梁式抽油機的前進。本設(shè)計的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單合理、沖程距離長且調(diào)整方便、能耗低、原油產(chǎn)量高的尤其適合于深油井、稠油井、高含蠟油井采油的有桿抽

29、油裝置。本設(shè)計平衡系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)90%95%的負載，5%10%的傳遞動力由電動機實現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速。游梁式抽油機 有桿抽油泵全系統(tǒng)的總效率在國內(nèi)一般地區(qū)平均只有1223，先進地區(qū)至今也不到3O。美國的常規(guī)型抽油機系統(tǒng)效率較高，但也僅有46。系統(tǒng)效率低下，能耗大，耗電就多，因此，節(jié)能成為有桿抽油系統(tǒng)的一個亟需解決的問題。此外，隨著老油田油井的注水開發(fā)，油田已經(jīng)開始進入高含水采油期。不斷提高產(chǎn)液量，以液保油，這是注水開采油田保證原油穩(wěn)產(chǎn)的必要趨勢。這種開采特點要求抽油機的沖程越長越好，使得在役的常規(guī)型游梁式抽油機機型偏小，在一定程度上已經(jīng)不能滿足長沖程、低沖次生產(chǎn)的要求。由于在同一工況，井況和同

30、一時刻下，井下的能耗因地面游梁機型不同而會發(fā)生差異。如示功圖會有所改變，表明泵的充滿度 光桿功率的變化。致使抽油機能耗大的主要原因有：抽油機的負荷特性與異步電動機的硬的轉(zhuǎn)矩特性不相匹配，甚至出現(xiàn)“發(fā)電機” 工況，出現(xiàn)二次能量轉(zhuǎn)化。一般電動機的負載率過低， 圖1-1 齒輪齒條抽油機約為3O，致使電動機以較低的效率運行。電動機在一個沖程中的某個時段被下落的抽油桿反向拖動，運行于再生發(fā)電狀態(tài)，抽油桿下落所釋放的機械能有部分轉(zhuǎn)變成了電能回饋電網(wǎng)，但所回饋的電能不能全部被電網(wǎng)吸收，引起附加能量損失，同時負扭矩的存在使減速器的齒輪經(jīng)常受反向載荷，產(chǎn)生背向沖擊，降低了抽油機的使用壽命。常規(guī)抽油機的扭矩因數(shù)大

31、，載荷波動系數(shù)CLF 亦大，故均方根扭矩大，能耗增加。常規(guī)抽油機運行的懸點加速度、速度的最大值過大，影響懸點載荷，動載增大。采用對稱循環(huán)工作制使泵充滿度下降，影響產(chǎn)量，泵效降低，能耗亦增大。近年來國內(nèi)、外研制與應(yīng)用了多種類型的長沖程抽油機，其中包括增大沖程游梁抽油機，增大沖程無游梁抽油機和長沖程無游梁抽油機。實踐與理論表明，增大沖程無游梁抽油機是增大沖程抽油機的發(fā)展方向，長沖程無游梁抽油機是長沖程抽油機發(fā)展方向。 齒輪齒條抽油機的優(yōu)點：1.直接驅(qū)動：抽油機直接安裝在井口，光桿從頂部懸掛下來的傳統(tǒng)的桿夾通過齒條內(nèi)部的渠道進行傳動。該桿允許在泵或桿棍的機架內(nèi)浮動，耦合感應(yīng)電動機通過齒輪箱齒輪齒條式

32、的機制，周期的向上和向下架桿的往復(fù)運動。機架是通過完全浸泡在油谷來進行每次沖程的潤滑。2.簡單的設(shè)計：系統(tǒng)抽油機的底座直接通向井頭，光桿通過齒條中的渠道被一根常規(guī)的桿夾從頂部掛起.光桿允許懸浮或黏住在齒條內(nèi)部。一臺異步電動機通過一個減速箱耦合到齒輪齒條傳動原理，齒條的循環(huán)來實現(xiàn)光桿的往復(fù)運動。一臺高性能的發(fā)動機和直線更新的傳動能去實現(xiàn)一個相對高效的系統(tǒng)，即使在沒有依靠大量平衡重的傳統(tǒng)抽由系統(tǒng)的深水井。3.易安裝：該系統(tǒng)單位小，重量輕，便于運輸。要求沒有專門或重型設(shè)備，這樣節(jié)省了安裝費用。它可以攜帶在有一臺一噸或小選擇器的輕型卡車上安裝。安裝快捷，使用方便，可以由兩個人來處理。單位可在幾小時內(nèi)安

33、裝并全面投入運作。4.便捷：因為它很容易運輸和服役，結(jié)構(gòu)簡單，所需零部件少。5.高效率：直接電動機，減速器齒輪齒條驅(qū)動更加方便簡易，減少摩擦，阻力，提高了生產(chǎn)效率。6.經(jīng)濟性：該LRP的系統(tǒng)是一項明智的投資，將迅速為自己支付的減少安裝，運行和維護費用。該系統(tǒng)就可以買到了一個沒有任何控制成本中一小部分的千斤頂。安裝大大減少昂貴的費用，因為該單位是很容易運輸和設(shè)置的。由于裝置螺栓直接到井口，混凝土和砂石墊和其他昂貴的現(xiàn)場準備不再需要。提高產(chǎn)量，增加收入和減少停機時間降低運營成本，使得遠景計劃系統(tǒng)成為了的真正經(jīng)濟性解決方案。7.環(huán)保：該遠景計劃系統(tǒng)是本地負責(zé)人對環(huán)境敏感設(shè)施的理想選擇。它具有安靜，輕

34、巧，不要求網(wǎng)站分級，安裝井場墊或其他干擾，其扁平和小型的特點允許它融入在其他單位。 綜上所述，改進抽油機的平衡方式和傳動方式也顯得格外重要，本設(shè)計齒輪齒條傳動無游梁式抽油機采用超大容量電容實現(xiàn)了能量的有效利用，齒輪齒條比鏈條的運轉(zhuǎn)可靠性好，傳動效率高，承載能力強，從而實現(xiàn)了采油生產(chǎn)的能量消耗。齒輪齒條的直接傳動與常規(guī)抽油機相比更加簡單，高效，節(jié)能，智能化。1.6 超級電容 超級電容輔助電源系統(tǒng)，相比其他的抽油機的平衡方式（變頻）更加節(jié)能高效方便。該系統(tǒng)是在抽油機主電源的基礎(chǔ)上增加一個超級電容輔助電源，用于存儲抽油機驢頭下行時的再生制動回饋能量，抽油機驢頭上行時協(xié)助主電源向電機供電。輔助電源系統(tǒng)

35、由超級電容模組和調(diào)壓器組成。由于有超級電容存儲抽油機再生制動回饋能量，并把這些能量又用于抽油機驅(qū)動電機，節(jié)省了大量的能量。由于超級電容功率密度大的特點，在驢頭上升做功時可以以很大的放電電流協(xié)助主電源供電，因此驢頭在抽油做功時，上沖程的速度性能能有所改善。本系統(tǒng)使用廣泛，可使用游梁式抽油機，進一步可擴展應(yīng)用至鏈條式抽油機等有桿泵抽油設(shè)備中。具有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。 一種石油抽油機超級電容輔助電源系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)構(gòu)成如下：）一個超級電容模組，設(shè)置于抽油機上，用于吸收抽油機驢頭下行時的再生制動回饋能量，在抽油機驢頭上行時協(xié)助主電源向電機供電；）一變換調(diào)壓器，分別與所述超 級電容模組和原抽

36、油機的變換器與電機驅(qū)動控制器相連接；上述變換調(diào)壓器包括，一機殼、設(shè)置于機殼內(nèi)的控制電路板、變換器；控制電路板通過接口電路和主電源電壓傳感器、主電源電流傳感器、電機電壓傳感器、電機電流傳感 器、超級電容電壓傳感器、超級電容電流傳感器、手動調(diào)節(jié)器相連接；控制電路板上設(shè)置有微處理器，微處理器通過濾波電路器件采集電壓、電流信號、手動調(diào)節(jié)信號；微處理器輸出的信號經(jīng)過光電耦合器件及驅(qū)動電路控制變換器每個功率器件的動作；）在原抽油機電機控制系統(tǒng)的電路基礎(chǔ)上，增設(shè)超級電容電壓傳感器和電流傳感器，增設(shè)用于控制變換調(diào)壓器的控制信號，使微處理器能同時制主電源和超級電容的充放電。2 平衡能量計算及平衡裝置的設(shè)計2.1

37、 平衡能量的計算2.1.1 原始數(shù)據(jù)名義泵深：2500m懸點載荷：100kN沖程： 8 m沖次： 4-6 1/min功率： 20kW傳動方式：齒輪齒條驅(qū)動方式：正反轉(zhuǎn)交流電機平衡方式：超大容量電容2.1.2井深計算_抽油桿自重 （11）_抽油桿在油中的自重 （12）_油管內(nèi)，柱賽上的油柱重 （13）_油井中動液面以上斷面積等于柱塞面積的油柱重 （14）L下泵深度 S懸點沖程長度 S=8m沉沒度過小，會降低泵的充滿系數(shù)，沉沒度過大，會增加抽油機的負荷。通過實踐摸索即使油的粘度很大，克服原油在井筒內(nèi)運動的全部阻力不超過一個大氣壓，所以一般沉沒度為3050米；重質(zhì)粘度大的井不少于50米；原油含氣大的

38、井不少于80100米；如不含氣的輕質(zhì)原油的井，沉沒度有20米即可，因為超長沖程抽油機一般用于稠油，低滲透油井的開采，為了安全起見認為油井中有油氣所以油井的沉沒度取不少于50米。_泵的沉沒深度 =50m產(chǎn)出液密度 =860.27kg/m3鋼制抽油桿規(guī)格 22(16-28取中間型號)抽油管橫截面面積 =1.018×10-3m22.1.3 電動機上下沖程時功率計算將上面計算得出的L值帶入： =×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上沖程期間抽油機對光桿負載所做的功： （16） =(41508.5+71300.83)×8-41508.5× =528898.14Nm下沖程期間抽油機對光桿負載所做的功： （17） =71300.83×10+41508.5× =607764.29Nm由于抽油機上下沖程時間相等根據(jù)沖程和起下速度的范圍確定時間在1/8 1/12 min之間變化，初定在5s時的電動機功率故：t=5s上沖程期間抽油機輸出功率：下沖程期間抽油機輸出功率：2.2 平衡重

40、計算及平衡裝置的設(shè)計對于本抽油機的平衡，可采用的方案有氣動平衡、液壓平衡、勢能平衡。氣壓平衡體積小，但由于氣壓平衡中的氣壓缸容易出現(xiàn)破裂現(xiàn)象且一旦出現(xiàn)問題維修很麻煩會嚴重影響正常抽油。液壓平衡可以提供很大重量的平衡重，且上下沖程交替柔和，但由于液壓式的一半制造費用較高，且容易出現(xiàn)滲液現(xiàn)象。勢能平衡優(yōu)點在于制造維護費用低，方便，平衡效果較好。所以本設(shè)計采用重力勢能平衡的方法，具體方法是在傳動軸上加一卷筒，用鋼絲繩懸掛平衡。由于能量一定，所以如果移動距離大，那么平衡重質(zhì)量就?。环粗绻苿泳嚯x小，則平衡質(zhì)量就大，但當平衡重質(zhì)量太大時，鋼絲繩的強度要求就比較高，同時對軸徑要求也相應(yīng)的增大，經(jīng)濟計算分

41、析，可確定移動平衡重移動距離20m，則平衡質(zhì)量：上沖程： （18）下沖程： （19）m 平衡重取值為56833Nm2.3 電動機的選擇2.3.1 起升功率的計算即起升功率：Pw<Kw2.3.2 傳動裝置的總功率這一功率由電動機帶動減速器來實現(xiàn)，則傳動裝置的總功率a應(yīng)為組成傳動裝置的各部分運動副效率之乘積，即： a=1×2×3××n 其中a123n分別為每一傳動副（齒輪，蝸桿，帶式鏈），每對軸承每個聯(lián)軸器及滾筒的效率。傳動副的效率數(shù)值可以按表選取，軸承和聯(lián)軸器的效率數(shù)值為：帶傳動的傳動效率 0.940.97滾動軸承的傳動效率 0.980.995齒輪得

42、傳動效率 0.940.96彈性聯(lián)軸器的傳動效率 0.990.995齒輪齒條的傳動效率 ： 0.940.96電動機到光桿負載傳動機構(gòu)的傳動效率；= 1×24×32×4×5 = 0.96×0.984×0.952×0.99×0.95 = 0.849其中1 、2 、3 、4 、5分別為帶傳動，軸承，齒輪傳動，聯(lián)軸器和齒輪齒條的傳動效率。所以Pd<=Pw/= 20/0.760 = (11.217.8) Kw2.3.3 確定電動機轉(zhuǎn)速 初定齒輪半徑為15齒輪的工作轉(zhuǎn)速為： =（28.6642.46） r/min按機械設(shè)計

43、手冊P16-3表16-1-1推薦的傳動比的合理范圍。取V帶傳動的傳動比：=24；一級圓柱齒輪減速器的傳動比：=36；則傳動比的合理范圍為： =624；故電動機轉(zhuǎn)速的可選范圍為：=（624）（28.6642.46）=（171.961019.04）齒輪齒條傳動抽油機的關(guān)鍵部分是需要通過齒輪齒條傳動去實現(xiàn)抽油桿的上下往復(fù)運動進而去完成抽油作業(yè)，而這就需要有某種換向機構(gòu)帶動抽油桿往復(fù)運動，本次設(shè)計在這里選擇的是用可變向的電機來代替換向機構(gòu)，帶動抽油桿做往復(fù)運動。變向電機選擇的是山東紅衛(wèi)電機骨粉有限公司的可變向開關(guān)磁阻調(diào)速電機。開關(guān)磁阻調(diào)速電機是一種新穎的、性能價格比很高的、具有典型機電一體化結(jié)構(gòu)的交流

44、無級調(diào)速電機。具有效率高、真正恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，啟動電流小，可頻繁正反運行等優(yōu)點。 KCT系列開關(guān)磁阻調(diào)速電動機是我公司在多年推廣應(yīng)用SR系列開關(guān)磁阻調(diào)速電動機的基礎(chǔ)上，為了更適合調(diào)速市場的需要，而推出的第二代新系列產(chǎn)品。與SR系列電機相比，KCT 系列的性能指標明顯提高，特別是噪聲振動的改進有了重大突破，達到了Y系列異步電動機的噪聲水平。其優(yōu)良的調(diào)速特性可適用于各種調(diào)速機械，特別是其低啟動電流大啟動轉(zhuǎn)矩的特點，使其真正具有了頻繁正反轉(zhuǎn)運行的優(yōu)點，在油田新型電氣換向式抽油機、龍門刨銑床等往復(fù)式機械上應(yīng)用，取消了原有的機械換向機構(gòu)，顯示另了無比的優(yōu)越性。 主要特點： 1.啟動轉(zhuǎn)矩為額定值的150，而啟

45、動電流僅為額定值的30，因此可頻繁起停和正反轉(zhuǎn)運行，起停次數(shù)可達到1000次/小時。 2.可實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動、能量反饋四象限運行。 3.效率高、損耗??；在整個寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)保持高效率運行。 4.轉(zhuǎn)速精度和動態(tài)響應(yīng)較高，適合于經(jīng)濟數(shù)控機床等使用。 5.功率因數(shù)較高，接近于1.0。 其主要性能如表：圖2-1 KCT系列電動機表2-1 電動機性能表型號額定轉(zhuǎn)矩下的調(diào)速范圍r/min額定功率KW 滿載時最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩KCT200L2-1000501500 18.5電流380V效率%功率因素1.40.487.50.9電動機外形尺寸如下：長度；815mm寬度；525mm高度；475mm2.4 傳

46、動參數(shù)的計算2.4.1 計算總傳動比在電動機上加一變頻調(diào)速器使其額定速度控制在要求范圍內(nèi)。變頻器（變頻調(diào)速器）是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的。 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可

47、以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。簡單來說就是 用來調(diào)速 控制電動機的輸出轉(zhuǎn)速,將速度調(diào)為382r/min.總傳動比： （21）式中為減速器的傳動比，則減速器傳動比為：2.4.2 分配減速器的各級傳動比傳動裝置各軸的運動及運動參數(shù)：為進行傳動件的設(shè)計計算，要推算出各軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩（或功率），將傳動裝置各軸有高速至低速依次定為：軸，軸，軸。，為相鄰的輸入功率（kw），為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩（Nm），,

48、為各軸的轉(zhuǎn)速。則可按電動機軸至工作機運動傳遞路線推算，得到個軸的運動和動力參數(shù)： 各軸轉(zhuǎn)速-電動機滿載轉(zhuǎn)速-電動機至工作軸的傳動比軸： 軸： 各軸輸入功率：軸 軸 齒輪齒條 0.99×098=19.5kw 各軸輸出功率 軸-軸輸出功率分別為軸 軸 齒輪齒條 各軸輸入轉(zhuǎn)矩電動機軸輸出轉(zhuǎn)矩由公式 （22）得：軸 軸 齒輪齒條軸-軸的輸出轉(zhuǎn)矩分別為輸入轉(zhuǎn)矩乘以軸承的效率： 數(shù)據(jù)歸納為下表：表2-2 傳動裝置各軸運動參數(shù)軸功率P(KW)轉(zhuǎn)矩T(Nm)轉(zhuǎn)速N(r/min)傳動比 i效率 名稱輸入輸出輸入輸出電動機4543898040.96軸21.1220.7651.31638.28309.68

49、4.50.98軸2019.62786.12730.3868.8210.96齒輪齒 條37.837.4567595619268.823 傳動裝置的設(shè)計3.1 齒輪傳動設(shè)計由已知方案，選用單斜齒雙圓弧柱齒輪傳動。 齒輪材料及參數(shù)：小齒輪材料：37SiMn2MoV,調(diào)質(zhì)，HB=320340HBS大齒輪材料：2G3SiMn, 調(diào)質(zhì)，HB=280300HBS用硬度下限值查圖，圖23.3-20和 圖23.3-21，取調(diào)質(zhì)合金鋼區(qū)域圖的中間值得疲勞極限。 小齒輪 大齒輪 3.2 齒輪的設(shè)計及校核3.2.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)減速器工作速度不高，載荷一般，故選用8級精度因載荷不大，減速器需要雙向

50、工作，所以選用直齒圓柱齒輪。材料選擇選小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。選小齒輪的齒數(shù)為24，大齒輪的齒數(shù)為24×4.5=108，3.2.2 按齒面接觸強度設(shè)計由設(shè)計計算公式（48）進行計算，即 （31）（1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 試選載荷系數(shù)。 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 選取齒寬系數(shù)。 查的材料的影響系數(shù)為。 按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強度極限為；大齒輪 的接觸疲勞強度極限。 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 接觸疲勞強度系數(shù)；。 計算接觸疲勞許用應(yīng)力。取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，計算有 （3

51、2） （2） 計算 計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。 （33） 計算圓周速度。 （34） 計算齒寬。 （35） 計算齒寬與齒高直逼。模數(shù) （36）齒高 （37） 計算載荷系數(shù)。 根據(jù)，8級精度，查的動載荷系數(shù)； 直齒輪，;使用系數(shù)為；用插值法查的8級精度，小齒輪相對支撐非對稱布置時，。由，查得，故載荷系數(shù) （38） 按實際的載荷系數(shù)校正算得的分度圓直徑， （39）計算模數(shù)m （310）3.2.3按齒根彎曲強度設(shè)計彎曲強度設(shè)計公式為 （311）（1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 差得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲強度極限； 彎曲疲勞壽命系數(shù)； 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力。取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得 計算載荷系數(shù)K。 查取齒形系數(shù)。 ； 查取應(yīng)力校正系數(shù)。 ； 計算大、小齒輪的并加以比較。 （2） 設(shè)計計算 對此計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲