【正文】 所示mdAu?dAw??mdA?圖 55在上沖程中平衡系統(tǒng)放出能量，幫助電機(jī)對(duì)懸點(diǎn)做功：則得電機(jī)在上沖程中做的功為： 在下沖程中把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在上沖程中利用儲(chǔ)存的能量來(lái)幫助電動(dòng)機(jī)做功，從而使電動(dòng)機(jī)在上下沖程中都做相等的正功下沖程： 上沖程：平衡條件 結(jié)論：為了使抽油機(jī)平衡，在下沖程中需要儲(chǔ)存的能量或上沖程中需要釋放的能量應(yīng)該是懸點(diǎn)載荷在上下沖程中所做功之和的一半。（4.）平衡系統(tǒng)達(dá)到平衡所需要的平衡功當(dāng)只考慮靜載荷做功時(shí)，懸點(diǎn)在上沖程中做的功為：下沖程做的功為：muAw??Wu?dwmdA??umd 2duwA??sWALru)(????srd?則由前式得理論上需要的平衡功為抽油機(jī)機(jī)械平衡計(jì)算1 游梁式抽油機(jī)的機(jī)械平衡方式 （1） 機(jī)械平衡 游梁平衡：游梁尾部加平衡重 曲柄平衡(旋轉(zhuǎn)平衡) ：平衡塊加在曲柄上 復(fù)合平衡(混合平衡)：游梁尾部和曲柄上都有平衡重 （2）氣動(dòng)平衡 氣包內(nèi)的氣體壓縮與膨脹；多用于大型抽油機(jī)；節(jié)約鋼材；改善抽油機(jī)受力狀況；加工質(zhì)量要求高(如氣包的密封性等)。2 游梁平衡方式計(jì)算 達(dá)到平衡所需要的游梁平衡塊重： 圖 56 所示 sWAAlrduw )2(2??????ucXaWrb????)21( 圖 56 曲柄平衡方式計(jì)算平衡半徑公式： 圖 57 所示 圖 57 復(fù)合平衡方式計(jì)算平衡半徑公式： 圖 58 所示cbWRuXrcbalWrR??????????2cbWruXcbRWslrR)(2)( ????? 圖 58 第六章 游梁式抽油機(jī) CAD 系統(tǒng)在工程設(shè)計(jì)學(xué)領(lǐng)域，由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，極大促進(jìn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD 的發(fā)展。在 CAD 系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的任務(wù)實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行大量的信息處理，復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算，大量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的檢索，并依據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，決策，優(yōu)化，最后將設(shè)計(jì)的結(jié)果表現(xiàn)在屏幕或工程圖上，設(shè)計(jì)者與系統(tǒng)還可以進(jìn)行交互修改。游粱式抽油機(jī)廣泛應(yīng)用于我國(guó)的各大油田。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中工作量大勞動(dòng)強(qiáng)度高，而且重復(fù)性工作較多，因此開(kāi)發(fā)游梁式抽油機(jī) CAD, 系統(tǒng)是非常必要的?？紤]到研制游粱式抽油機(jī) CAD 系統(tǒng)這一課題的實(shí)際需要和工作量，選擇如下設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)：（1）以臺(tái)式微機(jī)最為普遍的視窗 Windows98。 為操作系統(tǒng)；（2）以功能強(qiáng)大，面向?qū)ο?，具有集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的 Microsoft VisualC++為編譯環(huán)境；（3）以 SolidWorks 公司的機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件 SolidWorks 為 CAD 系 統(tǒng)的支撐軟件，采用基于特征的三維參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品信息建模。SolidWorks 提供了功能強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序接 API 封裝了許多針對(duì)012351678 底層資源調(diào)用的庫(kù)函數(shù)與頭文件， 語(yǔ)言，借助 VC 編譯集成環(huán)境，安全地進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，控制應(yīng)用程序。167。 游梁式抽油機(jī) CAD 系統(tǒng)組成游梁式抽油機(jī)CAD系統(tǒng)的核心由“設(shè)計(jì)模塊”和“分析模塊”組成 167。 設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)模塊由以下三個(gè)子模塊組成1 機(jī)型選擇本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了最常用的四種機(jī)型：常規(guī)型、異相型、前置型、氣平衡型等。用戶可根據(jù)實(shí)際情況，選擇需要設(shè)計(jì)的機(jī)型。在機(jī)型選擇完成后進(jìn)入下一個(gè)子模塊。2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)前面所選擇的設(shè)計(jì)機(jī)型，進(jìn)行抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)需輸入設(shè)計(jì)初始數(shù)據(jù)，如額定懸點(diǎn)載荷，光桿最大沖程，減速器額定扭矩，游梁前后臂比值等等。其中額定懸點(diǎn)載荷等基本參數(shù)用于后面的抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)受力分析和機(jī)構(gòu)主要零部件的強(qiáng)度計(jì)算。3 零部件設(shè)計(jì)游梁、連桿等是抽油機(jī)的重要承載結(jié)構(gòu)件，同時(shí)也是抽油機(jī)耗材較多的主要構(gòu)件。若強(qiáng)度不夠會(huì)引起破壞；剛度不足，則會(huì)產(chǎn)生較大變形而影響抽油機(jī)正常工作；若強(qiáng)度、剛度富裕程度較大又導(dǎo)致材料浪費(fèi)，產(chǎn)品成本高等問(wèn)題。因此，在滿足抽油機(jī)工作能力的條件下，對(duì)抽油機(jī)重要構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常必要的。（1) 游梁設(shè)計(jì)游梁截面有工字型等截面和箱形等截面。美國(guó)抽油機(jī)的游梁本體一般采用寬翼工字鋼。我國(guó)由于缺少這種型鋼，中小型抽油機(jī)的游梁常用普通工字鋼或兩塊槽鋼對(duì)焊而成，大中型抽油機(jī)游梁常用鋼板焊接而成。在滿足抽油機(jī)工作能力條件下，以游梁耗材最少為目標(biāo)，取上、下板厚度t，腹板厚度 t1，游梁截面寬度 b 和游梁截面高度 h 四個(gè)獨(dú)立參數(shù)為設(shè)計(jì)變量建立游梁優(yōu)化模型。系統(tǒng)設(shè)置游梁截面有箱形等截面和工字形等截面兩種，同時(shí)又有采用焊接或者型鋼兩種選擇，故有四種組合方式，涉及連續(xù)變量和離散變量的優(yōu)化。對(duì)焊接型截面游梁應(yīng)采用連續(xù)變量?jī)?yōu)化算法，對(duì)型鋼截面游梁，由于使用的是工字鋼或槽鋼，故應(yīng)采用離散變量?jī)?yōu)化算法(2) 連桿設(shè)計(jì)以連桿重量最輕為目標(biāo)，建立抽油機(jī)連桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。抽油機(jī)連桿一般由標(biāo)準(zhǔn)熱軋無(wú)縫鋼管制成，設(shè)計(jì)中以鋼管外徑 D 和壁厚amp。 為設(shè)計(jì)變量，由于鋼管是型材，計(jì)算時(shí)只能采用離散變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)算法(3) 曲柄銷強(qiáng)度校核曲柄銷是游梁式抽油機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵零件，一旦損壞斷脫，抽油機(jī)就不能工作，嚴(yán)重影響油井生產(chǎn)，甚至?xí)l(fā)生重大設(shè)備事故，所以應(yīng)精心設(shè)計(jì)。曲柄銷的主要失效形式是在交變彎曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞破壞和曲柄銷工作過(guò)程中配合的松脫。配合的松脫可通過(guò)提高裝配質(zhì)量、合理擰緊螺母等措施解決，而疲勞破壞則必須進(jìn)行強(qiáng)度校核，保證曲柄銷本身有足夠的強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度。因此，本系統(tǒng)對(duì)曲柄銷采用后驗(yàn)思想對(duì)其進(jìn)行先設(shè)計(jì)后校核。(4) 支架設(shè)計(jì)游梁式抽油機(jī)的支架是由型鋼構(gòu)成的空間鋼結(jié)構(gòu)物。常用型鋼有角鋼、槽鋼和工字鋼等。整個(gè)支架由大腿、橫桿和斜桿組成。設(shè)計(jì)較為靈活，沒(méi)有統(tǒng)一固定的形式，只需保證抽油機(jī)工作過(guò)程中各桿件內(nèi)的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力和支架頂部在載荷作用下產(chǎn)生的變形在許可范圍即可。因此，本系統(tǒng)對(duì)支架設(shè)計(jì)仍采用后驗(yàn)法，即設(shè)計(jì)者在 CAD 圖形支撐環(huán)境下進(jìn)行支架三維模型設(shè)計(jì)，修改，集合后面分析模塊提供的有限元分析接口，可進(jìn)行支架強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性校核。本系統(tǒng)提供了 CAD 圖形支撐環(huán)境SolidWorks 的入口和支架有限元分析接口。167。 分析模塊分析模塊由以下三個(gè)子模塊組成。（1)游粱式抽油機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析運(yùn)動(dòng)分析主要是分析所設(shè)計(jì)的抽油機(jī)機(jī)構(gòu)懸點(diǎn)的位移、速度和加速度，得出相應(yīng)的一個(gè)周期內(nèi)的位移、速度和加速度數(shù)據(jù)和曲線。其大小和變化規(guī)律反映了抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷以及減速器輸出軸的扭矩特性均有較大影響。 （2)游粱式抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)受力分析該分析模塊根據(jù)抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系和驢頭懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求解出連桿力、游梁支點(diǎn)軸承的作用力（即對(duì)支架的作用力）等力學(xué)數(shù)據(jù)，存放于相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件中，用于連桿、支架等零部件的強(qiáng)度計(jì)算。 （3)支架有限元分析支架設(shè)計(jì)采用的是后驗(yàn)思想，即先參照目前的機(jī)型進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后對(duì)其進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，驗(yàn)算是否滿足要求并進(jìn)行修改直到滿意為止。支架有限元分析采用 ANSYS 分析軟件。系統(tǒng)提供進(jìn)入 ANSYS 的接口，由此進(jìn)入有限元分析環(huán)境，集合前面的支架三維建模，形成一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境。167。 實(shí)例分析簡(jiǎn)介 現(xiàn)以一異相型抽油機(jī)為例，介紹 CAD 系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)計(jì)算功能。抽油機(jī)的基本參數(shù)是：額定懸點(diǎn)載荷 100kN，減速器額定扭矩 ，要求所設(shè)計(jì)的抽油機(jī)游梁前后臂比值 A/C=，曲柄轉(zhuǎn)速為 12r/min，光桿第一、二、三沖程分別為 3m， 和 下面是程序運(yùn)行后生成的一些設(shè)計(jì)清單：：歡迎使用游梁式抽油機(jī) CAD 系統(tǒng),您設(shè)計(jì)的是異相型游梁式抽油機(jī),經(jīng)計(jì)算，抽油機(jī)的四桿機(jī)構(gòu)參數(shù)如下：游梁前臂 A=；游梁后臂 C=。曲柄第一半徑 R1=；曲柄第二半徑 R2=；曲柄第三半徑 R3=；連桿長(zhǎng)度 P=；游梁支撐中心到減速器輸出軸中心的水平距離 I=；游梁支撐中心到減速器輸出軸中心的距離（極距）K=；游梁支撐中心到減速器輸出軸中心的高度差 HG=。游梁優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如下：您的游梁截面是箱型。截面高度初始值: =；截面高度優(yōu)化值: =；截面寬度初始值: =截面寬度優(yōu)化值= mm；上下板厚度初始值= mm；上下板厚度優(yōu)化值= mm；腹板厚度初始值= mm；腹板厚度優(yōu)化值= mm 截面面積初始值= 800 ；截面面積優(yōu)化值= 665 抽油機(jī)連桿優(yōu)化設(shè)計(jì)在安全系數(shù)=，材料強(qiáng)度極限= MPa，最大連桿力（總）= kN 條件下，選用的鋼管數(shù)據(jù)如下：鋼管外徑 D= mm ；鋼管壁厚 t= mm ；鋼管單位質(zhì)量= 。 抽油機(jī)的曲柄銷參數(shù)如下：曲柄銷材料為 35CroMod；曲柄銷懸臂長(zhǎng)度 Lp= mm；錐套與曲柄孔的配合長(zhǎng)度 L0= mm；錐套上退刀槽長(zhǎng)度 l0= mm；大頭端接觸長(zhǎng)度 l1= mm；錐套外徑 d0= mm；曲柄銷錐度角 a=；螺母支承面外徑 Dh= mm；襯套小端孔徑 dh= mm；曲柄銷端部螺紋直徑 d= mm經(jīng)計(jì)算需要的預(yù)緊扭矩 M0= 已知曲柄銷錐部大頭直徑 dmax= mm ；螺紋退刀槽處直徑 d1= mm；經(jīng)計(jì)算曲柄銷彎曲靜強(qiáng)度安全系數(shù) ns=［ns］=5:經(jīng)計(jì)算曲柄銷抗拉靜強(qiáng)度安全系數(shù) ns=［ns］=2~3；經(jīng)計(jì)算曲柄銷疲勞強(qiáng)度基本符合要求，疲勞安全系數(shù) namp。=,接近許用疲勞安全系數(shù)［ n］=~ 高線第七章 游梁式抽油機(jī)節(jié)能機(jī)理綜述常規(guī)游梁式抽油機(jī)（簡(jiǎn)稱常規(guī)機(jī)）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、可靠性高、耐久性好、維修方便、適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況等優(yōu)點(diǎn)，在采油機(jī)械中占有舉足輕重的地位。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍是油田的首選采油設(shè)備。但是由于常規(guī)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特征，決定了它平衡效果差，曲柄凈扭矩脈動(dòng)大，存在負(fù)扭矩、載荷率低、工作效率低和能耗大等缺點(diǎn)。在采油成本中，抽油機(jī)電費(fèi)占 30%左右，年耗電量占油田總耗電量的 20% ~ 30%，為油田電耗的第二位，僅次于注水。自從 1985 年第一臺(tái)異相曲柄平衡游梁抽油機(jī)（簡(jiǎn)稱異相機(jī)）應(yīng)用以來(lái)，國(guó)內(nèi)各大油田開(kāi)始重視抽油機(jī)的節(jié)能工作。1991 年雙驢頭節(jié)能型抽油機(jī)的問(wèn)世，開(kāi)創(chuàng)了游梁式抽油機(jī)（簡(jiǎn)稱游梁機(jī)）節(jié)能應(yīng)用研究工作的新局面，不斷涌現(xiàn)出各種各樣的新型節(jié)能抽油機(jī)。游梁機(jī)的節(jié)能潛力在哪里呢？按消耗大部分能量的要素，可以把抽油機(jī)這個(gè)系統(tǒng)分成以下幾個(gè)子系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)及控制裝置、四連桿機(jī)構(gòu)、懸點(diǎn)載荷平衡裝置和傳動(dòng)元件。提高這些子系統(tǒng)的效率就是尋找節(jié)能途徑的“突破口” ，不同節(jié)能機(jī)理的產(chǎn)生也緣于此。167。 抽油機(jī)節(jié)能的評(píng)價(jià)指標(biāo)抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷狀況是影響抽油機(jī)能耗的主要因素。人們普遍認(rèn)為，游梁機(jī)工作效率不高的主要原因是其載荷特性與所用普通三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性不匹配。眾所周知，供給抽油機(jī)舉升液體的能量主要消耗在三個(gè)方面：一是舉升液體所做的有效功；二是克服摩擦阻力所做的功；三是消耗于熱損失的功。普通異步電動(dòng)機(jī)具有硬外特性，適宜拖動(dòng)均勻載荷。游梁機(jī)的凈扭矩曲線周期性變化規(guī)律，就是異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化規(guī)律；電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，總的熱損失是電流和功率波動(dòng)量的函數(shù)，而這種波動(dòng)量又與抽油機(jī)扭矩的變化成正比。在其它條件不變時(shí)，抽油機(jī)扭矩變化越 平穩(wěn)，則電流均方根值就越接近電流平均值，消耗于熱損失的功就越小，抽油機(jī)的能量損失就越小，工作能耗也就越低，抽油機(jī)的地面效率就越高。因此，抽油機(jī)是否節(jié)能的評(píng)價(jià)指標(biāo)為：（1）抽油機(jī)本身動(dòng)力性能所決定的光桿載荷，即光桿示功圖；（2）由平衡性能所決定的曲柄軸凈扭矩，它集中表現(xiàn)了抽油機(jī)的平衡性能和動(dòng)力性能；（3）抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)特性、負(fù)荷率等；（4）功率因數(shù)補(bǔ)償、變頻、調(diào)壓等電控技術(shù)水平。因此改變或調(diào)整載荷扭矩曲線和平衡扭矩曲線的形狀和相位差，減小凈扭矩曲線的波動(dòng)變化幅度和上下峰值，消除負(fù)扭矩，減小抽油機(jī)的周期載荷系數(shù)，提高電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率及工作效率，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)等，均可達(dá)到節(jié)能之目的。167。 節(jié)能機(jī)理1 電動(dòng)機(jī)節(jié)能原理如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)荷附近，則電動(dòng)機(jī)屬于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。實(shí)際上，抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)多數(shù)以輕載，即“大馬拉小車”的工況運(yùn)行。目前我國(guó)有近 8 萬(wàn)臺(tái)抽油機(jī)井，電動(dòng)機(jī)平均負(fù)荷率為 20% ~ 30%,部分電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率更低，造成能源的極大浪費(fèi)。對(duì)于抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)，節(jié)能的關(guān)鍵是提高其負(fù)荷率。目前抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)主要從三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)節(jié)能：其一，人為地改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，主要是改變電源頻率，以實(shí)現(xiàn)與負(fù)荷特性的柔性配合；其二，從設(shè)計(jì)上改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性（如高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)和超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)） ，從而改善電動(dòng)機(jī)與抽油機(jī)的配合；其三，提高電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率和功率因數(shù)。已經(jīng)成功研制了超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)、電磁滑差電動(dòng)機(jī)、稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、雙功率電動(dòng)機(jī)、繞線式異步電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)調(diào)壓裝置和抽油機(jī)蓄能調(diào)壓節(jié)能裝置等。（1）雙功率電動(dòng)機(jī)石油大學(xué)與勝利油田合作進(jìn)行了雙功率電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，其定子繞組是兩個(gè)可以并聯(lián)運(yùn)行的繞組。比如原來(lái) 27kw, 的電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)將其定子繞組設(shè)計(jì)成一個(gè)為 22kw,，一個(gè)為 1