【文章內(nèi)容簡介】 時實現(xiàn)了防氣排氣，克服了氣鎖現(xiàn)象。 研究進度 這次畢業(yè)設(shè)計的時間為 2021 年 2 月 23 日至 2021 年 6 月 6 日 ，結(jié)合導師的要求和自身的實際情況，決定以下設(shè)計進度： 第一階段： 1 周 3 周 熟悉論文題目，進行中、外文資料檢索和必要的調(diào)研，收集資料，完成開題報告和外文資料翻譯； 第二階段： 4 周 10 周 推導 各性能參數(shù)的計算公式及 其它 參數(shù)的運動學方 程 ，設(shè)計防氣抽油泵結(jié)構(gòu)及各零部件結(jié)構(gòu) ； 第三階段： 11 周 14 周 繪制圖紙，撰寫論文； 第四階段： 15 周 16 周 準備答辯。 9 2 氣液抽油泵的結(jié)構(gòu)及工作原理 防氣抽油泵的基本結(jié)構(gòu) 原理如圖 21 所示 圖 21 防氣抽油泵結(jié)構(gòu)示意圖 防氣抽油泵工作原理 防氣抽油泵與常規(guī)抽油泵相比較，其結(jié)構(gòu)上有以下幾個特點： （ 1） 柱塞 出油閥為一 標槍形的錐形閥（標槍 閥 ） ，所以此閥的開啟不是靠壓差，而是 10 依靠抽油桿 的 上下機械 移動來完成。 標槍閥 與柱塞為浮動連接， 在軸向允許有 15mm的相對運動距離，徑向彼此可以相對旋轉(zhuǎn)。 上下拉桿 接 頭處各鉆一個放氣孔， 拉桿 中心 有一通 孔 ， 使上下放氣孔連通。 （ 2）泵筒出油閥為一環(huán)形閥，環(huán)形閥 中心開一小孔， 與 拉 桿滑動配合。 （ 3）柱塞較短，一般為 左右。上段為硬柱塞，下段為軟柱塞，提高了密封性能，增加了與泵筒的摩擦力 上沖程：在上沖程開始之前，承載閥和進油閥在壓差作用下，處于關(guān)閉狀態(tài)。標槍閥隨抽油桿上行 15mm提前關(guān)閉，再帶動柱塞向上運動。此時下腔室內(nèi)壓力迅速降低，當壓力低于泵的入口壓力時，進油閥 打開而進油。與此同時，上腔室內(nèi)壓力逐漸升高，當其高于油管內(nèi)的液柱壓力時，承載閥就被打開而排油。在上沖程過程中，如果泵筒內(nèi)充滿氣體，也不影響泵的正常工作， 因為防氣標槍閥隨抽油桿上下動作， 根本不存在由于氣體影響而造成標槍閥滯后打開或打不開的可能性。當泵筒內(nèi)上下腔室充滿氣體時，由于氣體的膨脹，壓縮性很大，因此在上沖程過程中，上腔室內(nèi)的壓力有可能低于液柱壓力，造成承載閥滯后打開或根本打不開的可能性。但是這種泵設(shè)計有放氣孔裝置。當活塞接近上死點時或離開上死點之前，放氣孔把液柱與泵筒內(nèi)上腔室連通。這時上腔室內(nèi)是低壓 區(qū)，而液柱是高壓區(qū)，由于壓差的作用，高壓液體迅速通過放氣孔占據(jù)上腔室內(nèi)的氣體空間，上腔室的氣體被驅(qū)入液柱內(nèi)，通過放氣孔訊速完成液體和氣體相互交替的過程。這樣可避免由于氣體的影響，造成承載閥延遲打開或打不開 (即發(fā)生氣鎖 )的可能性。 下沖程：承載閥和進油閥在壓差作用下，在整個下沖程中處于關(guān)閉狀態(tài)。下沖程開始時，標槍閥首先下行 l5mm，提前打開，使上下腔室連通，然后推動活塞繼續(xù)下行，使下腔室內(nèi)的油、氣很容易進入上腔室。當活塞接近下死點時，或離開下死點前，放氣孔又使液柱和上腔室連通，完成液氣交替過程。 11 3 防氣抽油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計 抽油泵總體尺寸計算 油管直徑與泵徑的匹配 管式抽油泵要與油管連接，故油管直徑必須與抽油泵的泵型相匹配。 （ 1） 同一種泵型同一種規(guī)格的抽油泵可以與一種規(guī)格或者兩種規(guī)格的油管相匹配，其目的是在空間允許的范圍下提供較大的選擇余地。 （ 2）管式泵 油管內(nèi)徑必須大于桿式泵最大外徑，反映為油管尺寸代號比泵徑尺寸代號前兩位數(shù)值要大。但有一部分（如 30325TH 等）油管尺寸代號反而小于泵徑尺寸代號的前兩位數(shù)值，說明此時柱塞直徑大于油管內(nèi)徑，柱塞必須事先放在泵筒內(nèi)，用脫節(jié)器 與抽油桿連接。 抽油桿規(guī)格與泵徑的匹配 與抽油泵連接的第一根抽油桿規(guī)格已經(jīng)標準化，其推薦的規(guī)格見表 31 表 31 泵徑與抽油桿規(guī)格的匹配 尺寸 15125 25150 25175 25225 30275 30325 35375 泵徑（ mm） 抽油桿 規(guī) 格 CYG13 (1/2) CYG16 (5/8) CYG19 (3/4) CYG19 (3/4) CYG22 (7/8) CYG22 (7/8) CYG25 (1) 抽油泵最大外徑 管式泵最大外徑受到套管內(nèi)徑的限制，我國常用的是 錯誤 !未找到引用源。 140（ 錯誤 !未找到引用源。 ）套管，壁厚最厚的一種內(nèi)徑為 錯誤 !未找到引用源。 ,與它匹配的抽油泵最大外徑應(yīng)控制在小于 錯誤 !未找到引用源。 116mm，有時因作業(yè)需要應(yīng)留出更大的空隙，像 錯誤 !未找到引用源。 70 真空測試泵，為了在套管與抽油泵之間窄小的環(huán)形空間內(nèi)下儀器測 試，最大外徑不得大于 錯誤 !未找到引用源。 90mm。有時為了在小套管中下大泵，不得不采用一些輔助機構(gòu)（如脫節(jié)器等），但是這樣做， 12 不僅增加作業(yè)難度，而且對工作的可靠性帶來一定影響。 但本設(shè)計 采用了無襯套，整泵筒長沖程和軟硬結(jié)合的短活塞結(jié)構(gòu)。不存在亂缸套問題， 克服了因 錯亂缸套而造成的井下作業(yè)。 抽油泵長度 抽油泵長度主要取決于泵筒長度，它與沖程長度有關(guān)，具體的說是柱塞長度、沖程長度、防沖距和加長短節(jié)長度等決定。 推薦柱塞長度和防沖距按表 32 選擇。 表 32 推薦柱塞長度和防沖距 下泵深度 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 柱塞長度 防沖距 本防氣抽油泵的活塞采用了軟硬結(jié)合的活塞體，其特征在于活塞體的上部為硬柱塞體，下部為多個軟活塞環(huán)所組成，其長度為 ,軟活塞環(huán)為尼龍材料。 抽油泵主要零件的設(shè)計與計算 因各種零件的結(jié)構(gòu)、作用和工況不同，設(shè)計計算的內(nèi)容也有區(qū)別。泵筒、柱塞等零 件側(cè)重于強度、剛度的計算，而閥球、閥座、閥罩等零件則側(cè)重與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。 古德曼圖 石油機械疲勞強度計算時，經(jīng)常利用古德曼圖（圖 31），它是一張極限應(yīng)力圖。抽油泵是一種往復泵，各種零件所受應(yīng)力為交變應(yīng)力，可借用古德曼圖進行計算。 古德曼圖 介紹 金屬材料用古德曼圖 ，其橫坐標是交變應(yīng)力的平均應(yīng)力 m? ，縱坐標是最大應(yīng)力max? 和最小應(yīng)力 min? 。一張完全的古德曼圖是最大應(yīng)力 max? 和最小應(yīng)力 min? 凸八邊形構(gòu)成的封閉圖形。工作在封閉圖形范圍內(nèi)的零件其壽命可達到 710 次循環(huán)以上，是安全的。 從圖中可知，只要有關(guān)材料性質(zhì)的三個數(shù)據(jù)抗拉強度極限 b? 、屈服極限 sQ 和實際耐久極限 nQ 確定以后 ，不難作出古德曼圖。只要幾種零件的 b? 、 s? 和 Ⅰ 相同，可以共用一張古德曼圖。 13 實際耐久極限 試件在周期應(yīng)力作用下，不發(fā)生循環(huán)破壞（循環(huán)破壞次數(shù)達到 710 次）的最大應(yīng)力稱為耐久極限。耐久極限是通過表面光滑直徑 57mm 圓柱形試件，在轉(zhuǎn)桿壽命試驗機上試驗獲得的。大量試驗證明：對于黑色金屬和和部分有色金屬，耐久極限 ‘ n? 與材料 抗力強度 b? 存在一定關(guān)系，并于加載方式有關(guān)，即： 39。=n P bC?? （ 31） =673= 式中 ： ‘ n? —耐久極限， MPa； b? —材料強度極限， MPa； PC —加載方式系數(shù)，彎曲 : ,PC = 軸向拉壓 : ,PC = 扭轉(zhuǎn)： = 。 實際使用的零件與試樣有差異，工況與試驗條件也不盡相同，應(yīng)將耐久極限根據(jù)實際情況進行調(diào)整，使之能適應(yīng)實際情況，調(diào)整后的數(shù)據(jù)稱為實際耐久極限。影響實際耐久極限的因素主要有偏載情況、直徑大小、工件表面質(zhì)量和介質(zhì)性質(zhì)等。 圖 31 古德曼圖 （ l） 偏載系數(shù) 軸向拉壓，因偏心而產(chǎn)生不確定的彎曲，將影響實際耐久極限。對于抽油泵零件而言可 取偏載系數(shù) = 。 （ 2） 直徑系數(shù) DC 抽油泵泵筒可?。? ? （ 3）工件表面系數(shù)： 14 工件表面粗糙度對耐久極限有較大的影響，而且材料強度極限越大，影響越明顯。抽油泵零件表面大部分經(jīng)過機械加工，故推薦表面系數(shù) SC 為： 40. 89 2. 18 10SbC ??? ? ? （ 32） 40. 89 2. 18 10 637 0. 75?? ? ? ? ? （ 4）腐蝕情況系數(shù) hC 有腐蝕介質(zhì)存在，將使實際耐久極限下降， 一般取 ?hC ～ 1 ，腐蝕情況越嚴重，系數(shù) hC 越小，無腐蝕 1hC= 。 取 hC = （ 5） 實際耐久極限 綜合比較，實際耐久 極限 n? 為 : 39。n L D S h n L D S h P bC C C C C C C C C? ? ??? （ 33） = 0 . 8 0 . 9 0 . 7 5 0 . 9 0 . 5 6 3 7 1 5 4 . 7 9 1? ? ? ? ? ?MPa 交變應(yīng)力 最小應(yīng)力 ? min，最大應(yīng)力 ? max，平均應(yīng)力 ? m，應(yīng)力振幅 ? a，應(yīng)力振程 ? r ，它們之間的關(guān)系如下： m a x m i n( ) / 2m? ? ??? （ 34） (194 110. 43 ) / 2?? ? MPa m a x m i n( ) / 2a? ? ??? （ 35） (194 110. 43 ) / 2?? ? MPa m a x m i n2ra? ? ? ?? ? ? （ 36） 194 ?? ? MPa 應(yīng)力集中系數(shù) 應(yīng)力集中對耐久極限有很大的影響，應(yīng)力集中系數(shù)的大小可以參考有關(guān)書籍取用。對于抽油泵而言，大部分零件的危險斷面在螺紋上，推薦按表 32 確定應(yīng)力集中 15 系數(shù)。由抽油泵泵筒材料選擇則 cK =。有應(yīng)力集中存在時，可以看作應(yīng)力相 應(yīng)增加了 cK 倍，仍可應(yīng)用古德曼圖，此時計算應(yīng)力比實際應(yīng)力增大 cK 倍。 表 33 螺紋應(yīng)力集中系數(shù) 材料 滾制螺紋 切制螺紋 退火鋼（＜ HB200） 淬火冷拔鋼（＞ HB200） 古德曼圖解析法 用圖解法比較麻煩，也不便于使用微機處理，推薦使用解析法。解析法的關(guān)鍵是如何用計算法求得與 m? 相應(yīng)的允許最大應(yīng)力振程 JK? 。為此把古德曼圖分成四個區(qū)（ 見圖 31），由于古德曼圖已將極限應(yīng)力曲線簡化成為折線，故不難求得諸直線的方程及交點的坐標。從而求得與 m? 相應(yīng)的 JK? 。各區(qū)對應(yīng)的平均應(yīng)力 m? 的范圍，允許最大、最小應(yīng)力和最大振程等的計算式列于表 45。 ① 應(yīng)力極限 最大應(yīng)力極限 ?? = s? =353MPa （ 37） 最小應(yīng)力極限 IV? = s? = 353MPa （ 38） 各區(qū)分界處平均應(yīng)力 ? ? ? ?~ b b=/mI II s n n? ? ? ? ? ??????? （ 39） ? ? ? ?= 63 7 35 3 15 1 / 63 7 15 1?? = ~mIIIIV? ? U? ? n? ? s? （ 310） =? 353 = MPa ② 安全系數(shù) 根據(jù)考慮應(yīng)力集中后的平均應(yīng)力 cK m? 來確定所用古德曼圖的區(qū)間，并由相應(yīng)的計算式求出允許最大應(yīng)力振程 JK? ，則安全系數(shù) n 為 16 n? JK? / r? （ 311） Ⅰ 區(qū)間 s2( )JKI m? ? ??? （ 312）