常规型游梁抽油机传动装置设计

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游梁式抽油机新型传动方案设计

游梁式抽油机新型传动方案设计作者：刁海胜王宏博来源：《石油知识》 2018年第3期摘要：提出一种新的方法用于改善游梁式抽油系统电机“大马拉小车”现象。

该方法通过增加抽油机整体的转动惯量降低电机负载扭矩波动，启动时应用液力变矩器提高电动机启动扭矩，启动后应用锁止离合器提高系统的传动效率，进而实现降低抽油系统电机额定效率，改善“大马拉小车”现象的目的。

关键字：液力变矩器；仿真模型；系统效率；启动特性；负载扭矩前言常规游梁式抽油系统为克服负载启动和曲柄扭矩波动较大的缺点，常选用额定功率较大的电机来驱动，因此抽油系统稳定工作时电机的平均负载率很低，出现“大马拉小车”的现象，造成电能的浪费。

为改变上述现状，本文提出了采用液力变矩器来改善抽油系统效率的方法，并建立了该系统的仿真模型对其启动与运行特性进行仿真分析。

2 传动方案设计为降低抽油机电动机的能耗损失，提出了一种改善方法，示意图如图1所示。

图1 方案示意图本方案主要从使用液力变矩器提高电机启动扭矩和增加抽油机转动惯量提高电机轴负载扭矩稳定性两方面入手。

游梁式抽油系统由于四杆机构的限制电动机负载扭矩波动较大，为了降低扭矩波动，在抽油机的传动系统上增加一个均质平衡块以提高传动系统的转动惯量。

在抽油机工作过程中平衡块上的能量交替增加与减小，从而实现降低电机轴转速波动与扭矩波动的目的。

在小带轮上增加平衡块将增大抽油机的启动扭矩，使电机启动更为困难，为了提高电机的启动扭矩，在电机与小带轮之间增加一个液力变矩器，以此降低抽油机选用电动机的额定功率，并使抽油机的启动变得更加平稳。

应用液力变矩器后，由于液力变矩器本身的能量损耗将降低抽油系统的效率，因此应用带有锁止离合器的液力变矩器解决此问题。

在抽油系统启动后，锁止离合器工作，将液力传动变为机械传动，从而提高抽油系统的传动效率。

3 系统运动规律的动力学仿真模型为便于建立地面抽油机运动规律与井下杆柱振动规律的仿真模型，做如下假设和简化：（1）忽略液力变矩器工作液体沿工作腔方向循环流动的惯性力，忽略工作液体的转动惯量；（2）忽略油管柱与液柱的振动，仅研究抽油杆柱的纵向振动。

游梁式抽油机

游梁式抽油机简介游梁式抽油机（cavity beam pump）是一种采用杆式抽油机（rod pump）抽取地下油藏中的油的技术。

它是一种常用的油田开采技术，在全球范围内广泛应用。

本文将介绍游梁式抽油机的工作原理、组成结构以及应用领域等内容。

工作原理游梁式抽油机的工作原理基于曲柄连杆机构。

它由地面上的驱动装置和井下的泵浦组成。

驱动装置通过驱动杆使泵浦发生往复运动，从而把地下的油液抽入到地面。

具体工作原理如下：1.泵浦内部装有活塞和活塞杆，活塞在泵浦的内部往复运动。

2.泵浦的上方通过抵押杆与地面上的驱动装置相连。

3.驱动装置通过驱动杆的运动，使抵押杆带动泵浦内的活塞往复运动。

4.当活塞从最低点向上移动时，泵浦内部的压力降低，产生负压，地下的油液就会被抽入泵浦内。

5.当活塞从最高点往下移动时，泵浦内部的压力增加，把油液推出泵浦。

组成结构游梁式抽油机主要由以下组成部分构成：1. 驱动装置驱动装置通常由驱动电机、离合器、减速器和连杆传动装置组成。

它的主要作用是通过驱动杆带动泵浦内的活塞进行往复运动。

2. 泵浦泵浦是游梁式抽油机的核心部件，它由泵浦筒体、抵押杆、活塞和活塞杆等组成。

泵浦的内部构造灵活多样，可以根据具体需求进行设计。

3. 节流装置节流装置用于控制排液阀门的开闭，控制油液流量和压力。

常见的节流装置有节流瓶、可调式节流装置等。

4. 输油管道系统输油管道系统用于将地下的油液从井下抽出，并将其输送到地面的油罐或处理设备。

输油管道系统一般由各种管道、接头和阀门组成。

应用领域游梁式抽油机是一种成熟稳定的油田采油技术，被广泛应用于油田开采工作。

它适用于不同类型的油藏，包括低渗透率、高黏度和高含水量的油藏。

由于其结构简单、维护方便、运行稳定等特点，游梁式抽油机在全球范围内得到了广泛应用。

除了油田开采，游梁式抽油机还可以应用于其他领域，如水井、煤矿和地热能开采等。

在这些领域中，游梁式抽油机也能起到类似的工作原理，将地下的液体抽出。

常规游梁式抽油机主要结构参数的优化设计

常规游梁式抽油机主要结构参数的优化设计摘要：游梁式抽油机是油田目前主要使用的抽油机类型之一，主要由了驴头—游梁—连杆—曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装备等四大部分组成。

本文试图用现代设计方法中的优化设计法，对CYJ8-3-48B常规性游梁式抽油机进行结构参数的优化，并提出了将最大关键字：游梁式抽油机优化设计数学模型第一章常规游梁式抽油机1.1常规游梁抽油机的介绍游梁式抽油机，也称梁式抽油机、游梁式曲柄平衡抽油机，指含有游梁，通过连杆机构换向，曲柄重块平衡的抽油机，俗称磕头机。

从采油方式上为有杆类采油设备（从采油方式上可分为两类，即有杆类采油设备和无杆类采油设备）。

游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。

游梁式抽油机具有性能可靠、结构简单、操作维修方便等特点。

根据我国行业标准GB/T 29021《石油天然气工业——游梁式抽油机》，抽油机标准型号标注格式如下：游梁式抽油机类别代号：CYJ。

减速器齿轮齿形代号：无代号为渐开线齿形、H为点啮合双圆弧齿形。

平衡方式代号：Y为游梁平衡，B为曲柄平衡，F为复合平衡，Q为气动平衡。

游梁特征代号：直游梁不标注符号、Y为异相曲柄、S为双驴头、X为下偏杠铃、T为调径变矩、Q为前置型、W为弯游梁等。

示例：规格代号为8—3—37的常规型游梁式抽油机，减速器采用点啮合双圆弧齿轮，平衡方式为曲柄平衡，其型号为CYJ8—3—37HB。

抽油机工作时，电动机转速通过皮带传动到减速器，然后由减速器输出轴驱动曲柄、连杆、横梁、游梁（四连杆机构），把减速箱输出轴的旋转运动变为游梁与驴头的往复运动，并通过悬绳器带动抽油杆做上下往复的直线运动，实现对原油的抽汲。

如图1-1所示：1-悬绳器；2-底座；3-支架；4-支架轴；5-驴头；6-游梁；7-横梁；8-游梁平衡重；9-连杆；10-曲柄；11-减速器；12-电动机；13-刹车图1-1 常规型游梁式抽油机结构组成示意图1.2常规游梁式抽油机的几何参数间的关系为了方便计算我们将常规性游梁式抽油机简化为下图，如图1-2这其实是一个很典型的四连杆机构，其中R 为曲柄，当悬点处于下死点时，悬点位移为零，游梁后壁端点位于上死点，此时连杆P 与曲柄R 展开在一条直线上，我们将这一直线设为零度线，应用余弦定律，可得曲柄零度线与K 的夹角（曲柄初相角）Ф的解析式：Ф=])(2)(arccos[222R P K R P C K +++-且此时驴头在下死点位置的ψ角为：]2)(arccos[ψ222b CKR P K C +-+= 另外，当θ不等于0时，各几何参数关系如下：)cos(222φθ+++=KR R K J22H I K +=χ=)2arccos(222CJP J C -+ ᴘ=)]sin(arcsin[φθ+JR 所以ψ=χ+ᴘ另外驴头在上死点位置的ψ角为：]2)(arccos[ψ222t CKR P K C --+= 故悬点相对于下死点的位移是)ψψ(b -=A S A如图1-3，有瞬心法可得，3413314131P P P P ωω=即3413141313P P P P ωω= 且)ψsin()sin(1413---=βπαπR P P )ψsin(sin 3413--•=βπβCP P 所以βαωωsin sin 13C AR A v A =•=则对速度公式对时间t 求导，可得加速度：βββφθβαω321sin ψsin cos sin )sin(cos sin )(++-=C RCP ARK a A式中游梁后臂C 与连杆P 之间的夹角β，由C 、J 、P 构成的三角形余弦定理得：)2arccos(222CP J P C -+=β曲柄半径R 与连杆P 之间的夹角α：)(2φθψβπα+---=悬点位移对曲柄转角θ的变化率是抽油机减速器曲柄轴扭矩计算的重要特性参数，即扭矩因数，βαωθθsin sin )(C AR v d dS TF A A ===第二章常规游梁式抽油机的优化设计及数学模型2.1 优化设计优化设计是一门新兴学科，它是以电子计算机为工具，寻求最优设计参数和结构的现代设计方法之一。

机械设计制造及其自动化专业毕业设计论文-游梁式抽油机结构设计

大学毕业设计题目游梁式抽油机结构设计专业班级学生学号指导教师二〇一四年五月五日1 前言1.1 设计目的本设计首先通过现场实习对游梁式抽油机进行选型，对异相游梁式抽油机进行结构设计。

同时以悬点加速度最小为目标，对抽油机的四杆机构进行优化设计。

最后根据现有的各种异相游梁抽油机学术资料，选取其它基本参数，设计出性能完善的的异相游梁式抽油机。

1.2 设计意义常规游梁抽油机自诞生以来，历经百年使用，期间经历了各种工况和各种地域油田生产的考验，经久不衰，至今国内外仍广泛使用。

有着结构简单、耐用、操作简便、维护费用低等优点,因此游梁式抽油机一直在有杆泵采油地面设备中占主导地位.但其在结构上存在不合理性,故常规游梁式抽油机有着能耗高的缺点。

然而随着世界石油工业的飞速发展，常规游梁式抽油机得到了广泛应用。

为了追求开采效益最大化，以最少的投入来换取最大回报，这就要求进一步研究抽油机设备，对游梁式抽油机结构进行优化设计，以此减少游梁式抽油机在采油时的能耗。

为克服常规抽油机驴头悬点运动的加速度较大，平衡效果较差，效率较低，能耗高等缺点，经过百年时间各种改革和实验找到了两个途径：一个是在常规游梁式抽油机的基础上进行技术革新和创造，继承其优点，克服其缺点，从平衡方式上着手改进，按照变矩平衡原理，对抽油机的四杆机构采取优化技术参数，研制开发了许多节能高效异相游梁式抽油机，使传统的游梁式抽油机又呈现出强大的生命力和使用空间。

异相游梁式抽油机有很多优点，其最基本的优点是：结构简单，制造容易，维修方便，特别是它可以长期在油田全天候运转，使用可靠。

大大提高了采油效率，而且维护简单，节省了劳动力为采油行业带了极大地效益。

从异相游梁式抽油机外形上看，它与常规型游梁式抽油机并没有特别显著的区别，主要不同点有两处：一是将减速器背离支架后移，增大了减速器输出轴中心和游梁摆动中心之间的水平距离，形成了较大的极位夹角（即驴头处于上、下死点位置时连杆中心线之间的夹角）；二是平衡块重心与曲柄轴中心连线和曲柄销中心与曲柄轴中心连线之间构成一定的夹角，该角称为平衡相位角。

抽油机游梁平衡自动调节机构设计

ＺＨＡＯＹａ — ｊｉｅ，ＨＵＡＮＧＨｕａ，ＷＡＮＧＷｅｉ — ｇａｎｇ，ＺＨＡＯＷｅｉ
（１．ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｈａｎｘｉＹａｎｃｈａｎｇＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ ’ ａｎ７１００７５，Ｃｈｉｎａ；
ｖｉｄｅｓａｇｏｏｄｐｒｏｇｒａｍｆｏｒｓｔｕｄｙｉｎｇｏｆｄｉｇｉｔａｌｐｕｍｐｉｎｇｕｎｉｔｓａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓａｖｉｎｇｓｂｏｔｈｉｎｄｅｍａｎｄａｎｄｉｎｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｔｈｕｓｒｅｄｕｃｉｎｇｔｏｔａ１ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｓｔｓ．Ｋｉｎｅｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
抽油机游梁平衡自动调节机构设计
赵亚杰，黄华，王卫刚，赵伟
（１．陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，西安７１００７５；２．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州７３００７Ｑ）
节能降耗，为数字化抽油机的研究提供了很好的设计方案，并针对设计方案建立了传动机构的动力
学模型，对理论载荷工况下动力性能进行了对比分析。

常规游梁式抽油机结构简述

座装配连接。
修井作业时，须将驴头一侧的两个销轴卸下，以便作业。
十二、减速器总成
减速器为两级分流式人字型双圆弧齿轮传动，减速器由电机通过皮带直接传动，从而使曲柄做旋转运动带动连杆、横梁、游梁、驴头运动，使悬绳器做上下往复运动。
而使抽油机得到不同的冲次。通过电机控制柜实现对电机工作状态的
控制。
八、刹车总成
刹车总成为减速器总成中的制动器提供制动力矩。
总成、横梁总成、连杆总成、曲柄总成、刹车总成、底座总成、电机装置等部件组成。
十、悬绳器、光杆卡子、吊绳
吊绳是钢丝绳，挂在驴头上部绳架体上，下部挂上悬绳器。悬绳器上光杆卡子可分别卡住不同直径的光杆。
三、中轴总成
游粱支座总成由轴、轴承座、螺栓、轴承、油封、油杯等组成。中轴总成通过轴与支架支座装配连接，并与游梁通过螺栓连接。
梁支座总成中的中央轴承座相连接。安装在支架顶面调位板上的４个
安装减速器，后端安装电机装置、刹车装置。底座前端上表面有游梁
中心线垂直投影的标记，用于底座对油井中心线的找正和支架、游梁对底座的找正。
调节螺栓，可以对游梁进行位置进行微调，以使驴头悬点对准井口中心，防止由于驴头的偏心引起抽油杆的磨损或其它损坏。
主动轴一端安装大皮带轮，另一端安装制动器。从动轴两端均开

抽油机的设计计算

试验。尽管中国石油开采技术经过 50 多年开展已经取得很大发展，但是同西方先进国家相比，总体上应
该还有 5 至 10 年的差距。而且从具体的技术上看，完全属于中国原始创新的技术比较少，一部分具有
中国知识产权的国际先进技术，如聚合物驱、化学复
合驱技术等，最早也是在模仿学习国外理论和方法上发展起来的。
游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。对于支架来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。
异形游梁式抽油机
异形游梁式系列抽油机包括双驴头抽油机、弯游梁抽油机和对常规游梁抽油机节能改造的机型等机型。
=36000N；
=0.2m。
3.1假设条件
为了对异相曲柄平衡抽油机的优化设计，以放映抽油机动力性能的最大扭矩因素为最小目标函数优化抽油机的机构尺寸，将整个抽油机装置简化为以曲柄为等效构件的运动情况，我们做了以下假设条件：
1、电网供电电压与供电 7、假设抽油杆柱与油管
频率是常数；
同心；
2、不考虑电动机转子到 8、油井是铅直的；
减速箱曲柄轴各传动副的间隙与传动件的弹性变形；

9、连杆与游梁之间的轴承座质量忽略；
3、在分析抽油机主体机构的运动规律时，不考虑各传动副的间隙与传动件的弹性变形；
4、悬绳与悬绳器在垂直方向上的等效弹簧常数为定值；
τ＝0；
JB1＝2.0kg.m2； JB2＝15.0kg.m2； JR1＝3.0 kg.m2； JR2＝8.0 kg.m2； JR3＝15.0 kg.m2； iB=5.0； iR1=5.5； i R2=5.45； mQ=500kg；

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综合课程设计说明书
课程名称:机械设计综合课程设计
课程代码:6003939
题目:常规型游梁抽油机
传动装置设计
学生姓名:吴强
学号:3320130191119
年级/专业/班:203级机设1班
学院(直属系) :机械工程与自动化学院
指导教师:晏静江
目录
任务书
第1章常规游梁式抽油机传动方案设计 (6)
1.1抽油机系统的组成 (6)
1.2抽油机工作原理 (6)
第2章曲柄摇杆机构设计 (7)
2.1 设计参数分析与确定• (7)
2.2 按K设计曲柄摇杆机构 (7)
2.3结论和机构运动简图 (9)
第3章常规游梁式抽油机传动系统运动和动力参数分析计算 (9)
3.1 传动比分配和电动机选择 (9)
3.2 各轴转速计算 (12)
3.3各轴功率计算 (13)
3.4各轴扭矩计算 (14)
第4章齿轮减速器设计计算 (15)
4.1 高速级齿轮传动设计计算 (15)
4.2 低速级齿轮传动设计计算 (19)
第5章带传动设计计算 (22)
5.1 带链传动的方案比较 (22)
5.2 带传动设计计算 (23)
第6章轴系部件设计计算 (26)
6.1 各轴初算轴径 (26)
6.2 轴的结构设计 (26)
6.3滚动轴承寿命验算 (30)
6.4轴的强度验算 (30)
第7章连接件的选择和计算 (35)
7.1 齿轮连接平键的选择与计算 (35)
7.2 带轮连接平键的选择与计算 (36)
7.3螺纹连接件的选择 (36)
第8章设计结论汇总 (37)
总结 (39)
参考书目 (40)
机械综合课程设计任务书
学院名称：机械学院专业：机械设计制造及其自动化年级：2012级机设6班学生姓名: 蒋亚洲学号: 312012********* 指导教师: 杜强
一、设计题目：常规型游梁抽油机传动装置设计
二、抽油机工作原理
抽油机由电动机驱动，经减速传动系统和执行系统（将转动变换为往复移动）带动抽油杆及抽油泵柱塞作上下往复移动，从而实现将原油从井下举升到地面的目的。

如常规型游梁抽油机，电动机2经带传动和减速箱，将动力传递给曲柄8，曲柄8绕减速箱输出轴7轴心作顺时针匀速旋转运动，通过连杆12带动游梁16（摇杆）绕支架轴17轴心作往复摆动，使悬绳器19（抽油杆）上下往复运动，抽油杆由下止点上升到上止点时，地下的油被抽上来；抽油杆回程时，由上止点下降到下止点。

悬点：执行系统与抽油杆的联结点，即悬绳器19处的载荷作用点；
悬点载荷F(kN)：抽油机工作过程中作用于悬点的载荷；
抽油杆冲程S(m)：抽油杆上下往复运动的最大位移；
冲次n(次/min)：单位时间内柱塞往复运动的次数。

三、技术指标及要求
⒈抽油机长期野外作业，24小时连续运行；
⒉要求运动平稳、效率高、使用寿命15年；
⒋安装尺寸与机构相关参数
油梁支撑到底座的高度：3~6m；减速器输出轴中心到底座的高度：0.6m；曲柄半径：
0.4~1.2m。

四、设计内容及完成后应上交材料
⒈对抽油机整机进行机械系统总体方案设计，确定减速传动系统、执行系统的组成，绘制系统方案示意图；
⒉按假定条件对抽油机工作执行机构进行尺寸综合设计，并使执行机构具有较好的传力性能。

绘制工作执行机构运动简图；对工作执行机构进行运动分析，求出驴头摆动位移、速度、加速度，并绘制相应线图（取抽油杆最低位置为机构的零位）；
⒊对抽油机减速传动系统进行结构设计，并对其中关键零部件进行计算分析。

完成后应上交的材料：
⒈1号图1张：包括工作执行机构运动简图、位移图、速度图、加速度图；
⒉0号图1张：减速器装配图；
⒊3号图1~2张：减速器重要零件图；
⒋设计计算说明书1份（30页以上）。

五、设计提示
⒈原动机选择三相交流异步电动机；
⒉在曲柄上加配重的作用，是克服驴头大质量引起的阻抗力，并阻止回程电机的加速运转；
⒊抽油机野外工作，需防止灰砂、雨水的侵蚀；
⒋抽油杆向下运动，是靠抽油杆和驴头的重量驱动的；
⒌驴头弧形运动轨迹和抽油杆直线运动的差异，应予以协调；
⒍设计时，应根据抽油杆的往复直线运动特征、冲程大小、冲程次数、抽油载荷、安装条件等要求，提出执行机构运动方案。

常见可行执行方案有很多种，现选用“曲柄摇杆（常规）式抽油机”执行机构，如下图所示。

假定：取l1=1m，l2=0.75m，且取e∶c=1.1，摇杆（游梁）摆角为50°。

执行机构的总传动效率取η=0.9。

六、推荐参考资料
1、《机械设计课程设计指导书》（西华大学机械学院基础教学部编）
2、《机械原理》（孙桓主编，高等教育出版社）
3、《机械设计》（濮良贵主编，高等教育出版社）
指导教师杜强签名日期 2014 年12月23日
系主任张均富审核日期 2014 年 12月 24日
5图2-1
23ηηη……
4二级圆柱齿轮减速器传动比的范围为40，故电动机转速的可选范围根据公式（
336～
r
3360
01ηkW 轴的传递效率；则001=η12ηkW 轴的传递效率；则1212ηηη= KW 65.10 23ηkW 轴的传递效率；则232ηηη= KW 02kW 34P ηkW
轴至曲柄的传递效率；则3η
m
m；
09N m；
N m。

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53
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