游梁式抽油机连杆机构尺度优化及结构设计摘 要：为了提高游梁式抽油机的动力性能，提出了游梁式抽油机连杆机构尺度综合优选方法。首先，对常规游梁式抽油机的结构、性能及优缺点进行阐述，从而提出对游梁式抽油机连杆机构尺度优化的方案。其次，建立尺度综合的数学模型，对尺度进行综合优选，并据此对抽油机的运动特性进行分析。用最优尺度综合方法设计的抽油机悬点最大加速度曲线变化更加平稳，峰值更小。然后，对游梁式抽油机的动力学进行分析，计算出悬点载荷。最后，设计游梁式抽油机的主要零部件结构，并绘制装配图和零件图。通过和尺度优化前常规游梁式抽油机比较，悬点加速度减少了18.3%，悬点最大载荷减少了9.08%。表明以此设计的抽油机运动更加平稳，有一定的节能效果，该方法也可用于类似四连杆机构的设计。关键词：抽油机；连杆机构；尺度优化；结构设计 The optimization of linkage scale and the structural design of beam pumping unitAbstract: In order to improve the dynamic performance of the beam pumping unit, the linkage scale integrated optimal method for the beam pumping unit is proposed. Firstly, the overall structure, performance and advantages or disadvantages of the conventional beam pumping unit are described. And the beam pumping unit linkage scale optimization is introduced. Secondly, the mathematical model of the scale integrated for the beam pumping unit is established, which optimizes the scale of the pumping unit. In addition, the kinematics of the beam pumping unit is analyzed according to the results above. By using the optimal scale integrated method, the ariation of the acceleration of the suspended point for the beam pumping unit is smaller. Next, the dynamics of the beam pumping unit is analyzed and the load of suspended point for the beam pumping unit is calculated. Finally, the main parts of the structure of the beam pumping unit are designed and the assembly and part drawings are drawn.Compared with conventional beam pumping unit of the same model, the polished acceleration decreases of 16.4%, and the maximum polished rod load reduction of 9.08%. It shows that the running of the pumping unit is more stable and it can achieve a certain energy-saving effect. This method can also be used for a similar four-bar linkage design.Keywords: Beam pumping unit; Linkage; Scale optimization; Structure design 目 录1 绪论11.1 研究意义11.2 国内外抽油机现状、发展方向及节能技术11.2.1 抽油机主要存在的问题11.2.2 抽油机的发展方向21.2.3 抽油机节能技术及发展情况31.3 本文研究内容及方法步骤41.4 创新点52 游梁式抽油机工作原理及运动学分析62.1 常规型游梁式抽油机工作原理及结构特点62.2 常规型游梁式抽油机存在的问题72.3 常规型游梁式抽油机运动学分析82.3.1 常规型游梁式抽油机的几何关系分析82.3.2 悬点的位移102.3.3 悬点的速度112.3.4 悬点的加速度122.3.5 悬点运动学参数计算分析133 游梁式抽油机连杆机构尺度综合优选方法163.1 尺度综合数学模型的建立163.2 尺度综合优选过程173.3 对悬点运动学参数计算结果分析203.4 游梁式抽油机进行三维虚拟样机设计274 游梁式抽油机的动力学分析304.1 游梁式抽油机悬点载荷分析304.1.1 悬点静载荷的大小和变化规律314.1.2 基本参数的拟定计算344.1.3 悬点动载荷的大小和变化规律354.1.4 悬点载荷参数计算及曲线384.2减速箱曲柄轴扭矩计算405 游梁式抽油机的主要零部件设计425.1 游梁式抽油机受力分析425.2 减速器的选择435.2.1 减速器曲柄轴的最大允许扭矩的计算及减速器的选定435.2.2 减速器的润滑与密封445.3 电动机的确定465.4 V带的确定与大带轮的设计475.4.1 V带的确定475.4.2 大带轮的设计495.5 游梁的设计505.5.1 游梁的材料选择和参数设计505.5.2 静强度校核505.6 连杆的设计515.6.1 选材515.6.2 校核515.7 中央轴承的校核535.7.1 中央轴承的校核535.7.2 轴承使用的注意事项545.8 曲柄销的强度校核555.8.1 防止曲柄销配合松动的措施555.8.2 曲柄销材料的选择555.8.3 曲柄销的校核555.9 其他主要零部件设计575.9.1 支架与底座575.9.2 游梁和平衡块575.9.3 刹车装置及刹车安全装置575.9.4 悬绳器及光杆卡具585.9.5 驴头585.9.6 曲柄与曲柄销装置596 结论60参考文献61致谢62附录A 基于Matlab的尺度优化前悬点参数计算程序63附录B 基于Matlab的抽油机尺度优化计算程序65附录C 基于Matlab的尺度优化后悬点参数计算程序67附录D 基于Matlab的尺度优化前悬点速度、加速度和优化后的对比计算程序6971 1 绪论1.1 研究意义游梁式抽油机是国内外石油工业的传统采油方式之一，在我国石油开采中有杆抽油系统一直占主导地位。在我国各油田中，大约80%以上的油井采用有杆抽油系统。游梁式抽油机以其结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。但游梁式抽油机也存在很多缺点，如系统的效率低、能耗大、抽油时间以及平衡性能差等。其中，游梁式抽油机的主要问题是能耗大，效率低。我国油田在用的常规型游梁式抽油机系统效率较低，其平均系统效率仅有16%23%。因此，有杆抽油系统的节能问题已成为国内外研究者关注的热点和重点，油田推广应用各种节能型抽油机、电机及电控箱，虽然这些节能产品的使用提高了抽油机井系统效率，但也随之产生一些问题，如它们能否组合使用,组合使用后的节能效果是否是单个节能产品节能效果的算术叠加等。因此，研究游梁式抽油机连杆机构尺度优化及结构设计问题具有非常重要的经济效益和社会意义。游梁式抽油机是一种变形的四杆机构，它是以游梁支点和曲轴中心连线做固定杆，以曲柄、连杆和游梁后臂为3个活动件的曲柄连杆机构，该连杆机构各杆件尺寸的不同组合将会直接影响抽油机的动力性能，我们将就此连杆机构的尺度综合问题展开谈论，在其他设计参数一定的情况下，通过优选杆长组合来讨论抽油机的重要质量指标悬点加速度的变化情况，从而进一步判断抽油机的性能优劣。为了判断游梁式抽油机的动力性能优劣，提出了游梁式抽油机连杆机构尺度综合优选方法。建立尺度综合的数学模型，对尺度进行综合的优选。并据此对抽油机的运动特性进行分析。根据悬点的系列位移、速度及加速度曲线，对抽油机的运动特性进行分析。用最优尺度综合产生的抽油机悬点最大加速度曲线变化更加平稳，峰值更小；以此设计的抽油机运动更加平稳，有一定的节能效果，该方法也可用于类似四连杆机构的设计。1.2 国内外抽油机现状、发展方向及节能技术1.2.1 抽油机主要存在的问题 游梁式抽油机有杆抽油泵系统的总效率在国内一般地区评价只有12%到23%。先进地区至今不到30%。美国的常规抽油机系统效率较高，但也仅有46%。系统效率低下，能耗大，耗电就多，以此，节能成为有杆抽油系统的一个急需解决的问题。此外，随着老油田油井的注水开发，油田已经开始进入高含水采油期。不断提高产液量，以液保油，这是注水开采油田保证原油稳产的必要趋势。这种开采特点要求抽油机的冲程越长越好，使得在役的常规型游梁式抽油机型偏小，在一定程度上已经不能满足长冲程、低冲次生产的要求。系统效率低的原因究其原因，有杆抽油系统由电机地面传动设备及井下抽油设备组成，系统效率是各部分效率的连乘积，任何一环的效率低，都会失踪效率变低，因此要提高抽油机系统效率的总效率实现节能是一个复杂的系统工程问题。能耗大的主要原因由于在同一工况、井况和同一时刻下，井下的能耗因地面游梁机型不同而会发生充满度、光杆功率的变化。致使抽油机能耗大的主要原因有：（1）抽油机的负荷特性与异步电动机的转矩特性不匹配，甚至出现“发动机”工况，出现二次能量转化。一般电动机的负载率过低，约为30%。致使电动机以较低的效率运行。电动机在一个冲程中的某个时段下落的抽油杆返乡拖动，运行于再生发电状态，抽油杆下落锁释放的机械能有部分转变成了电能回馈电网，但锁回馈的电能不能全部被电网吸收，引起附加能量损失，同时负扭矩的存在使减速器的齿轮经常收反向载荷，产生背向冲击，降低了抽油机的使用寿命。（2）常规抽油机的扭矩因数大，载荷波动系数CLF也大，故均方根扭矩大，能耗增加。（3）常规抽油机运行的悬点加速度，速度最大值过大，影响悬点载荷，动载荷增大。采用对称循环工作制使充满度下降，影响产量，泵效率降低，能耗也增大。1.2.2 抽油机的发展方向