【正文】 抽油機(jī)是將原油從井下舉升到地面的主要采油設(shè)備之一。三部分之間的相互位置關(guān)系如圖 1 所示。 懸點(diǎn)載荷 P、抽油桿沖程 S 和沖次 n 是抽油機(jī)工作的三個(gè)重要參數(shù)。 假設(shè)懸點(diǎn)載荷 P 的靜力示功圖如圖 2 所示。 四、原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求 假設(shè)電動(dòng)機(jī)作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，抽油桿（或執(zhí)行系統(tǒng)）的運(yùn)動(dòng)周期為 T。 工況 2： 抽油桿上沖程時(shí)間與下沖程時(shí)間相等。 表 1 抽油機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù) 組號(hào) 1 2 3 4 沖程 S(m) 沖次 n(次/min) 5 6 7 8 懸點(diǎn)載荷P（ kN） P1=40， P2=15 P1=20， P2=5 五、設(shè)計(jì)任務(wù) 根據(jù)任務(wù)要求，進(jìn)行抽油機(jī)機(jī)械系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，確定減速傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)的組成，繪制系統(tǒng)方案示意圖。 建立執(zhí)行系統(tǒng)輸入、輸出（懸點(diǎn)）之間的位移、速度和加速度關(guān)系，并編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，繪制一個(gè)周期內(nèi)懸點(diǎn)位移、速度和加速度線圖（取抽油桿最低位置作為機(jī)構(gòu)零位）。（ 注：選作完成齒輪減速器裝配圖設(shè)計(jì) ）。 設(shè)計(jì)說明書應(yīng)包括以下內(nèi)容： 1）功能分解； 2）原始數(shù)據(jù)及計(jì)算； 3）簡(jiǎn)述方案設(shè)計(jì)思路及討論、改進(jìn)；4） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟或分析計(jì)算過程； 5）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算； 6）對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)果分析討論； 7）感想與建議。該機(jī)采用具有對(duì)稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)或近似對(duì)稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，操作維護(hù)方便，但長(zhǎng)沖程時(shí)平衡效果差，效率低，能耗大，不符合節(jié)能要求，基本停止了生產(chǎn)。前置式抽油機(jī)可配置較小功率的電動(dòng)機(jī)，節(jié)能效果顯著。 常規(guī)游梁式抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 圖 12 前置式抽油機(jī) 偏置式抽油機(jī) 偏置式抽油機(jī)又稱異相曲柄平衡式抽油機(jī)，特點(diǎn)是平衡塊中心線相對(duì)于曲柄中心偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這種機(jī)型國(guó)外 60 年代發(fā)展起來并得到 API 的承認(rèn)。 膠帶傳動(dòng)抽油機(jī) 膠帶傳動(dòng)抽油機(jī)是美國(guó) 80 年代開發(fā)的新型抽油設(shè)備，該機(jī)通過二級(jí)膠帶傳動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)的原動(dòng)力傳給曲柄膠帶輪，并帶動(dòng)游梁擺動(dòng)。在相同的工況下，其懸點(diǎn)載荷值和曲柄膠帶輪軸的凈轉(zhuǎn)矩都較小，曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩曲線波動(dòng)較平緩。 常規(guī)游梁式抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 下偏杠鈴抽油機(jī) 下偏杠鈴游梁復(fù)合平衡抽油機(jī)是在原常規(guī)游梁抽油機(jī)的游梁尾端，利用變矩原理增加簡(jiǎn)單的下偏杠鈴所形成的一種新 型節(jié)能抽油機(jī)。 偏輪機(jī)在游梁尾部裝有一個(gè)偏輪結(jié)構(gòu)：在偏輪與游梁中心和支架之間增設(shè)推桿，在游梁尾部、橫梁、推桿與偏輪之間用軸承連接。 雙驢頭游梁式石油抽油機(jī) 該石油抽油機(jī)是將常規(guī)機(jī)游梁 與橫梁的鉸鏈連接，改為變徑圓弧的后驢頭、鋼絲繩與橫梁之間的軟連接，構(gòu)成變參數(shù)四桿機(jī)構(gòu)來傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩，增加游梁擺角，沖程提高20％～ 70。從而使減速器輸出扭矩波動(dòng)小，達(dá)到加強(qiáng)平衡，降低能耗的目的。 圖 13 雙驢頭游梁式抽油機(jī) 設(shè)計(jì)方案的選 擇和評(píng)價(jià) 由動(dòng)力機(jī)經(jīng)傳動(dòng)皮帶將高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給減速箱，經(jīng)三軸二級(jí)減速后，再由曲柄連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橛瘟旱纳?、下擺動(dòng)。通過實(shí)際考察即資料查詢，初步提出以上幾個(gè)方案。 其 主要特點(diǎn) 是 整機(jī)結(jié)構(gòu)合理、工作平穩(wěn)、噪音小、操作維護(hù)方便；游梁選用箱式或工字鋼結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高、剛性好、承載能力大；減速器采用 斜齒或 人字型漸開線或雙圓弧齒形齒輪， 加工精度高、承載能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)；驢頭可采用上翻、上掛或側(cè)轉(zhuǎn)三種形式之一；剎車采用外抱式結(jié)構(gòu)，配有保險(xiǎn)裝置，操作靈活、制動(dòng)迅速、安全可靠；底座采用地腳螺栓連接或壓杠連接兩種方式之一。但是柔性件在工作過程中易磨損，須定期更換。在性能方 面的特點(diǎn)是前置式游梁抽油機(jī)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的極位角比常規(guī)式抽油機(jī)大 ,使得上沖程曲柄轉(zhuǎn)角大于下沖程曲柄轉(zhuǎn)角所以上沖程長(zhǎng)而且慢 ,懸點(diǎn)速度、加速度較小 ,使得動(dòng)載減小 .由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)存在極位角 ,使得曲柄平衡重產(chǎn)生的平衡扭矩提前或滯后于油井負(fù)荷扭矩 ,因此可使減速箱輸出的凈扭矩小于額定扭矩 ,凈扭矩曲線變化較常規(guī)式平緩 ,且為正值 .設(shè)計(jì)時(shí)可選用較小功率的電機(jī) ,同時(shí)還減少了減速箱齒輪的背向沖擊 ,使軸、齒輪和鍵的工況大為改善 ,延長(zhǎng)了使用壽命 低矮型抽油機(jī)：提供了一種能夠改善抽油機(jī)平衡狀況，降低原油開采成本，提高抽油井系統(tǒng)效率的抽 油機(jī)，此外它的動(dòng)力傳動(dòng)部件置于地面基礎(chǔ)上，方便安裝維護(hù)，在降低支架高度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程并且使整機(jī)矮小。同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕，制造成本低。 綜上比較五種方案，常規(guī)式游梁抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，操作維護(hù)方便，使長(zhǎng)沖程時(shí)平衡效果差，但是能耗較高。 常規(guī)游梁式抽油機(jī)是應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)、應(yīng)用最廣泛的一種 抽油機(jī) ，其基 本特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維修方便，特別是可以長(zhǎng)期在油田全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，使用可靠。石油抽油機(jī)井是油田生產(chǎn)量大面廣、投入較大的項(xiàng)目。若每口抽油井實(shí)用功率按 10kw計(jì)， 5l 妒臺(tái)抽油機(jī)每天耗電近 12x 106kwh，年耗電近 4． 4 10口 kwh。這不僅可以節(jié)約大量能源，還可以緩解油田用電緊張狀況，既有經(jīng)濟(jì)效益又有社會(huì)效益。目前仍在國(guó)內(nèi)外油田普遍使用。但是由于常規(guī)機(jī)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)。 抽油機(jī)的發(fā)展方向 石油抽油機(jī)是由裝在平衡架內(nèi)的平衡車調(diào)節(jié)整機(jī)平衡的，平衡車由鏈條經(jīng)上鏈輪和下鏈輪與換向裝置的下端相連，具有載能力大、易調(diào)節(jié)、平衡效果好、安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)。 石油抽油機(jī)適應(yīng)各種類型油井抽汲的需要。 因此低能耗，低消耗，低成本，效率高的抽油機(jī)是抽油機(jī)發(fā)展方向的最終結(jié)果，也是廣大設(shè)計(jì)者的畢生追求。其曲柄帶以配重平衡塊帶動(dòng)抽油桿，驅(qū)動(dòng)井下抽油泵做固定周期的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把井下的油送到地面。上升過程電機(jī)從 電網(wǎng)吸收能量電動(dòng)運(yùn)行；下降過程電機(jī)的負(fù)載性質(zhì)為位勢(shì)負(fù)載，加之井下負(fù)壓等使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，把機(jī)械能量轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。 （ 1） 極位夾角：利用公式 21180180 ttK ?????? ?? 則可推得極位夾角 ??12? （ 2） 假設(shè)橫梁的前后臂長(zhǎng)相等 S=L3ψ （ 3） 最小傳動(dòng)角要求： ?07min ?? 按 K 設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)原理 常規(guī)游梁式抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 需要假設(shè)橫梁半段 3l ，擺角 ? 和行程速度變化系數(shù) K 設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是確定鉸鏈中心 A 點(diǎn)的位置定出其他三桿的尺寸 1l 、 2l 和 4l 。 2) 任意選擇固定鉸鏈中心 D 的位置，由搖桿長(zhǎng)度 3l 和擺角 ? ，做出搖桿的兩個(gè)極限位置 DC1 和 DC2 。 4) 作 ???? 021 90NCC ， NC2 與 MC1 相較于 P 點(diǎn)，由圖可見 ??? 21PCC ， 5) 作 21CPC? 的外接圓，在此圓周上任取一點(diǎn) A 作為曲柄的固定鉸鏈中心，連接1AC 和 2AC ，因?yàn)橥粓A弧的圓周角相等，故 ????? 2121 PCCACC 6) 因極限位置處曲柄與連桿共線，故 122121 , llACllAC ???? 從而的曲柄長(zhǎng)度? ? 2/122 ACACl ?? ，連桿長(zhǎng)度由圖得 4lAD? 圖 31 四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖 常規(guī)游梁式抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 桿的選取 ： 在 ?? ???? 5745 ， 內(nèi)取ψ、 3l ，計(jì)算 1l 、 2l 、 4l ，得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件尺寸（ mm） 表 32 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件尺寸 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析 滿足有曲柄條件 最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于其余兩桿長(zhǎng)度之和，機(jī)構(gòu)中存在整轉(zhuǎn)副。 在 CAD 中繪圖，測(cè)得了各組下死點(diǎn)位置傳動(dòng)角分別為 75176。、 77176。、81176。 57176。 3 935 2590 2387 3771 77176。 4 950 2850 2600 4200 79176。 5 850 3250 2600 4600 81176。l2=3l4=4600. 常規(guī)游梁式抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 第 4章 傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)分析計(jì)算 傳動(dòng)比分配和電動(dòng)機(jī)選擇 圖 41 扭矩 T計(jì)算圖 計(jì)算位置：曲柄在下死點(diǎn)位置順時(shí)針偏轉(zhuǎn) 10 度左右處 ? ? ，0?FMD ? 0s ins in 2313 ?? ?? FlPl ? ? ，0?FMA ? 0sin 31 ?? ?FlT ? T=?m 常規(guī)游梁式抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 為了計(jì)算電動(dòng)機(jī)的所需功率 dP ，需要確定從電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)之間的總效率，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》 表 22 可查得 V帶效率 1? 為 ,滾動(dòng)軸承效率 2? 為，閉式齒輪傳動(dòng)效率 3? 為 ，則傳動(dòng)裝置的總效率為 0 . 8 4 10 . 9 70 . 9 80 . 9 5 2323321 ??????? ???? 電動(dòng)機(jī)所需有效功率為 9550nTPw ?? 。 電動(dòng)機(jī)所需功率為 ?? ?wd PP，取額定功率為 3kw。m ? ? ⅡⅡⅡ ???? nPT Nm 常規(guī)游梁式抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 第 5章 齒輪減速器設(shè)計(jì)計(jì)算 高速級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的確定： 高速級(jí)傳動(dòng)：兩級(jí)直齒圓柱齒輪減速器用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，單向運(yùn)轉(zhuǎn)，載荷有中等沖擊，高速級(jí)傳動(dòng)比 i=，高速軸轉(zhuǎn)速1n=240r/min，傳動(dòng)功率 P=，采用軟齒面。 6001?FE? MPa 大齒輪用 ZG35SiMn 調(diào)質(zhì)，齒面硬度為 241～ 269HBS ； 6202lim ?H? MPa。m=510Nm=32? 2=64mm 2d =200? 2=400mm 中心 距 a= 2 21 dd ? = 240064? =232mm 驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度 齒形系數(shù) 1FaY = 1SaY = ? ? M P a375M P 12 5121111 ????? ??????? FSaFaF zbm YYKT ??? ? M P P 21F a 12a2a12 ???????? FSaSFFF YYY ??? 所以安全 常規(guī)游梁式抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 齒輪的圓周速度 V =100060 11?nd?=60000 ??=所以選用 8 級(jí)精度適合 優(yōu)化設(shè)計(jì) 令 m =2 1F?= 所以1F?=333MPa 可求的 b= 取2b=30mm 1b=35mm 驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度 32230 2 51 ?? ??????F =≤ [1F?]=375MPa ????F =≤[2F?]= 所以取 b1=35mm b2=30mm 合宜 低速級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的確定： 常規(guī)游梁式抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 低速級(jí)傳動(dòng)：兩級(jí)直齒圓柱齒輪減速器用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，單向運(yùn)轉(zhuǎn)，載荷有中等沖擊，低速級(jí)傳動(dòng)比 i=，低速軸轉(zhuǎn)速 min/ rn ? ，傳動(dòng)功率 P=，采用軟齒面。m ?HZ 取 188?EZ 常規(guī)游梁式抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 中心距： 496 251 ??????? ????????d 齒數(shù)取 321?Z ???Z 實(shí)際傳動(dòng)比為 32154i ??