【文章內(nèi)容簡介】 （ ?? (24) 式中 桿? —— 抽油桿材料的密度， kg/ 3m ； 液? —— 抽汲液體的密度， kg/ 3m ； 桿? —— 抽油材料的重度， N/ 3m ； 大慶石油學院 華瑞學院 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 液?—— 抽汲液體的重度， N/ 3m ； F —— 泵柱塞的面積， 2m ； 桿f —— 抽油桿截面積， m； L—— 抽油桿長度或 下泵深度 ， m； 下面分別對上沖程、下沖程、上死點、下死點四種情況進行分析，見圖 21所示。 (1)上沖程 當懸點從下死點向上移動時，如圖 21a 所示，游動閥在柱塞上部油柱的壓力下而關(guān)閉，而固定閥在柱塞下面泵筒內(nèi)、外壓差的作用下打開。由于游動閥關(guān)閉，使懸點承受抽油桿自重 桿P 和柱塞上油柱重 油P ，這兩個載荷的作用方向都向下。同時，由于固定閥打開，使油管外 定沉沒度的油柱對柱塞下表面產(chǎn)生向上的壓力壓P 。因此，上沖程時懸點的靜載荷為 ： 壓油桿靜上 PPPP ??? 油桿油沉桿桿沉油桿油桿桿 ）（PPLFFLFLFL????????????????)h()f(fhff (25) (2)下沖程 當懸點載荷由上死點向下移動時，如圖 21b 所示，游動閥在上、下壓力差作用下打開，而固定閥在泵筒內(nèi)、外壓力差作用下關(guān)閉。游動閥打開，使懸點只承受抽油桿柱在液體中的重量 桿P? ，固定閥關(guān)閉，使油柱重量轉(zhuǎn)移到固定閥和油管上。因此，下沖程時懸點 的靜載荷 靜下P 為 ： 靜下P = 桿P? (26) 對抽油桿來說，上死點懸點載荷瞬時發(fā)生變化，由下沖程的 靜下P 變到上沖程靜上P ，增加了 P? 其大小為 油P? ，載荷增加使油桿伸長，伸長的大小為 桿? ： 桿油桿桿 ff ELPEPL ????? (27)式中 E—— 鋼材的彈性模數(shù)， 1110 N/ 2m 。 大慶石油學院 華瑞學院 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 a— 上沖程 b— 下沖程 圖 21懸點載荷作用 在伸長變形完成以后， 載荷 P? 才全部加在抽油桿或懸點上。實際上，在抽油桿柱受載伸長的過程中，驢頭已經(jīng)開始上沖程。當懸點向上走了距離 桿? 時，由于同時產(chǎn)生的油桿柱伸長的結(jié)果，使柱塞還停留在原來的位置，即柱塞相對泵筒沒有運動，因而不抽油。如圖 22C 所示。 對油管柱來說，下沖程時，由于游動閥打開和固定閥關(guān)閉，整個油柱重量都由柱塞和抽油桿柱承擔，而油管柱上就沒有這個載荷的作用了。因此，在抽油柱加載的同時油管柱卸載。卸載引起油管柱的縮短，直到縮短變形完畢以 后，油管柱的載荷才全部卸掉。油管柱縮短的大小 管? 為 ： 管油管 f39。E LP?? (28)式中 管f —— 油管管壁的斷面積， 2m ； 這樣一來，雖然懸點帶著柱塞向上移動，但是由于油管柱的縮短，使油管柱的下端也跟著柱塞向上移動，柱塞相對泵筒沒有運動，還不能抽油，如圖 22d 所示。一直到懸點經(jīng)過一段 管? 以后，柱塞才開始抽油 。 大慶石油學院 華瑞學院 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 上沖程 下沖程 a) b） c） d） e） 圖 22 抽油桿柱和油管柱變形過程 (3)上死點 經(jīng)分析表明：懸點從下死點到上死點雖然走了 S，但由于抽油桿柱和油管柱的靜變形，使抽油泵柱塞的有效沖程長度 效S 比 S ?。? 效S =S? (29)而靜變形 ? 為 ： ?=管油桿油管桿 EfEf LPLP ????? ?? = ）（管桿油 ff1E ??LP =??桿 (210)式 中 管桿ff11??? 稱為變形分配系數(shù)，一般可取 ~。 (4)上死點 它和下死點情況恰恰相反 。這時對抽油桿柱來說，靜載荷由上沖程的效管桿油靜下靜上 SPPP ??? 變到下沖程的 靜下P ，減小了油柱重 油P? ，抽油桿因而縮短了 桿? 。因此，當懸點向下走了 桿? 時，由于抽油桿柱的縮短，柱塞在井下原地不動，它對泵筒不產(chǎn)生相對運動，因而不能排油。而對油管柱來說，因為加載 油P? 而伸長了 桿? ， 大慶石油學院 華瑞學院 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 油管 (或泵筒 )好象跟著柱塞往下走。所以，在懸點再走完入管?以前，柱塞和泵筒還不能產(chǎn)生相對運動，也不會排油。因此，在排油過程中，柱塞的有效沖程長度效S比懸點沖程長度 S 減小了一個同樣的靜變形 ? 值。 上、下沖程中懸點載荷隨懸點位移的變化規(guī)律用圖 23 來表示，這種圖形稱為靜力示功圖。 圖 23 靜力示功圖 圖中 AB 斜線表示懸點上沖程開始時載荷由柱塞傳遞到懸點的過程。 EB 線相當于柱塞與泵筒沒有發(fā)生相對運動時懸點上行的距離，即 EB=? 。當全部載荷都作用到懸點以后，靜載荷就不再變化而成水平線 BC，到達上死點 C 為止。 CD 段表示抽油桿柱的卸載過程。卸載完畢后，懸點又以一個不變的靜載荷向下運動，成為水平線 DA 而回到 A。 根據(jù)大慶地區(qū)的實際情況：泵掛 1000m，沉沒度 300m，泵徑 70mm，抽油桿直徑 25mm，沖程 S=3m，沖次 n=9 次 \min，含水 ； 2462 ?? ??????? ??桿f 33 m7 6 9 3 8 5 0 NN ??? ）（桿? 33 m9 3 1 5 0 NN ??? ）（油? 2462 ?? ??????? ??F L=1000m 大慶石油學院 華瑞學院 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 m300h ?沉 ）（）（ 沉油油桿桿靜上 hf ???? LFLP ??? ）（）（靜上 6 9 3 410 ?????????? ??P NP ????靜上 所以 ： (1)上沖程 ： ）（）（ 沉油油桿桿靜上 hf ???? LFLP ??? = ? (2)下沖程 ： NLPP ?????? ）（ 油桿桿桿靜下 ?? (3)下死點 ： ?? ??? 桿 (4)上死點 ： ?= 懸點最大沖程長度 mazS 懸點最大沖程長度主要決定了抽油機的產(chǎn)量。在石油機械中，應用的懸點最大沖程長度 mazS 從 到 10 米，而最為廣泛的是在 6 米以下。 根據(jù)大慶地區(qū) 現(xiàn)行抽油機的情況，本機型的最大沖程長度設(shè)計在 米。 懸點最大沖程次數(shù) maxn 懸點的最大沖程次數(shù)表明了抽油機的抽汲工況。最大沖程次數(shù) maxn 和懸點最大沖程長度 mazS 一起確定了抽油機的最大產(chǎn)量（當泵徑一定時）。目前實際應用的最大沖次從 2 1min? 到 20 1min? 由于抽油桿的折斷次數(shù)與之成正比，因此限制了沖次 的提高。 根據(jù)大慶地區(qū)的現(xiàn)行抽油機的情況，本機型的最大沖程次數(shù) maxn 定為 9 1min? 。 大慶石油學院 華瑞學院 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 減速箱曲柄軸的最大允許扭矩 maxM 曲柄軸的最大允許扭矩與懸點載荷、懸點最大沖程長度以及懸點的最大沖程次數(shù)有著一定的關(guān)系。特別是和懸點最大沖程長度成正比。懸點沖程長度越大，曲柄軸上的最大允許扭矩就越大。曲柄軸的最大允許扭矩也確定了減速箱的尺寸和重量。 根據(jù)減速箱的最大允許扭矩 maxM ,抽油機可分為： 小扭矩： maxM ? 中等扭矩 ： maxM ? 大扭矩 ： maxM ? 超大扭矩 ： maxM 將扭矩與沖程次 數(shù)相乘可得抽油機的功率。按照抽油機的功率可將抽油機分為 ： 小功率 ： maxN ? 5kw 中等功率 ： 5kw maxN ? 25kw 大功率 ： 25kw maxN ? 100kw 超大功率 ： maxN 100kw 如圖 24 所示，常規(guī)游梁 式抽油機由于采用的是曲柄處平衡，懸點的最大載荷主要取決于抽油桿柱和油柱的重量，其上沖程的最大懸點載荷可達 60kN，因此可稱之為重型抽油機。而本機型采用了在 輪處直接平衡，這樣在上下沖程的載荷都只相當 20kN 左右，也就是只相當于常規(guī)式抽油機的最大懸點載荷的 1\ 上的扭矩的計算公式 , 由于平衡重在 輪上，所以 ： 上沖程時，根據(jù)平衡原理： CP MMM ?? 圖 24 力平 衡 圖 大慶石油學院 華瑞學院 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 下沖程時，此時 CM 比 PM 大，根據(jù)平衡原理： M= CM PM 式 中 M—— 所需扭矩； CM —— 平衡重產(chǎn)生的扭矩； PM —— 懸點載荷產(chǎn)生的扭矩 。 本機型所采用的在 輪 處直接平衡，在上下沖程的懸點載荷都被平衡重 所平衡一部分或全部平衡，所達到的效果是只相當于常規(guī)式抽油機的最大懸點載荷的 1/3,并且在整個工作過程中 M 的值波動較小 ]13[ 。 主要結(jié)構(gòu)尺寸確定 在設(shè)計這個抽油機的過程中，我們本著在原機的基礎(chǔ)上進行設(shè)計，盡可能的保證與原有結(jié)構(gòu)一樣，因此設(shè)計出的抽油機的零件與常規(guī)機的零件具有通用性，很多部分的結(jié)構(gòu)與常規(guī)機結(jié)構(gòu)相似，這樣對于工人操作沒有更多或者更高要求。 對于結(jié)構(gòu)尺寸的計算，為了準確，采用了計算機繪圖和計算編程來實現(xiàn)，只需賦值銷子所在半徑，曲柄長，以及極位夾角計算 機會自動算出連桿的長度，然后結(jié)合 AUTOCAD 繪圖就能給出各個具體尺寸 。 如 表 21 所示本機型的主要結(jié)構(gòu)尺寸 。 表 21 抽油機的主要結(jié)構(gòu)尺寸 垂直中心距（ m） 水平中心距（ m） 游梁前臂長（懸點半徑）（ m） 游梁后臂長（銷子作用半徑）（ m） 極位夾角（176。） 13 連桿長度（ m） 中心連線長（ m） 輪 轉(zhuǎn)角（176。） 133 曲柄回轉(zhuǎn)半徑（ m） 沖程（ m） 沖次（ min1? ） 9 大慶石油學院 華瑞學院 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 第 3 章 新機型的運動分析 運動規(guī)律分析 在分析懸點運動規(guī)律時，目前一般采用兩種分析方法 ： 一是簡化分析方法 ；二是精確分析方法。簡化分析方法可分為兩種 ： 一種是簡化為簡諧運動 ； 而是簡化為曲柄滑塊機構(gòu)。簡化分析方法的研究結(jié)果可用于一般計算和分析。但是做精確的分析計算和抽油機機構(gòu)設(shè)計時，則有必要按精確分析方法來研究抽油機的實際運動規(guī)律 ]12[ 。 在精確分析抽油機運動規(guī)律時，復變矢量法是一種比較簡單的方法。根據(jù)所設(shè)計的抽油機的結(jié)構(gòu)，我們對其進行了簡化。如圖 41 所示為雙 輪 直平式抽油機的運動分析簡圖。下面我們就對它進行具體的運動分析 ]12[ 圖 31 運動分析 (1)曲柄轉(zhuǎn)角θ從 12 點鐘位置算起，角速度沿順時針方向時取為正值。 (2)各桿件的參考角 432 ??? 、 等角度均從基桿算起，并且沿逆時針方向取為正值。 圖中幾何關(guān)系為 ： )1(sin1 K??? (31) 大慶石油學院 華瑞學院 本科生畢業(yè)設(shè)計