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[

2

22R P K R P C K +++-

且此时驴头在下死点位置的ψ角为：]2)(arccos[

ψ2

22b CK

R 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 J

22H I K +=

χ=)2arccos(

2

22CJ

P J C -+ ᴘ=)]sin(arcsin[φθ+J

R 所以ψ=χ+ᴘ

另外驴头在上死点位置的ψ角为：]2)(arccos[

ψ2

22t CK

R 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34

1314

131

3P P P P ωω= 且)ψsin()sin(1413---=

βπαπR P P )

ψsin(sin 34

13--•=βπβC

P P 所以β

α

ωωsin sin 1

3C AR A v A =•=

则对速度公式对时间t 求导，可得加速度：

βββφθβαω

321

sin ψ

sin cos sin )sin(cos sin )(++-=C R

CP 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(2

22CP 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。优化设计能为工程及产品设计提供一种重要的科学设计方法，使得在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻得尽可能完善的或最适宜的设计方案。

优化设计过程一般分为四部：1.设计课题分析。2.建立数学模型。3.选择优化方法。4.上机计算择优。

2.2 对抽油机主体参数设计的要求

游梁式抽油机依靠驴头的上下往复摆动，通过抽油杆柱带动井下抽油泵实现从井底吸油和向地而排油，其载荷状况特殊，主要特征是，驴头悬点载荷与抽油杆柱和油井液柱构成一弹性系统，上下行程载荷相差甚大。

游梁式抽油机的主体参数设计应当充分考虑到这种及其复杂的载荷特点，使抽油机的运

TF

动指标、能耗指标及动力指标均获得最优值，或者三者互相兼顾，以达最佳状态。 2.3 优化设计目标函数分析

优化设计游梁式抽油机的主体参数时，通常选用的目标函数有最大扭矩因数max

TF 、

最大悬点加速度m ax a 、传动角正弦βsin 等，现分述如下。 1.最大扭矩因数max

TF

根据抽油机减速器输出扭矩公式，载荷扭矩p M 、悬点载荷n W 和减速器输出净扭矩n

M 分别为

n p W TF M •= )1)((0g

a

G W W n +-= )

sin(τθ+-=M M M p n 显而易见，减小最大扭矩因数的m ax TF 可以控制最大载荷扭矩p M 。一般地说，在最大悬点载荷n W 确定和具有足够的平衡扭矩的情况下，追求m ax TF 的极小化，可以降低减速器的峰值扭矩m ax M 。

由于降低减速器峰值扭矩m ax M 可视扭矩波动状况得到改善，因而其有效输出扭矩e

M 和电动机有效输出功率e N 得以降低。

大量实验表明，最大扭矩因数max TF 与最大悬点加速度m ax a 有正相关的变化规律，

max TF 较小时，m ax a 也较小，max TF 较大时，m ax a 也较大。这样，追求max TF 极小化，也就

兼顾了m ax a 的极小化。

2.最大悬点加速度m ax a

以最大悬点加速度m ax a 为目标函数可以直接优化抽油机的运动指标，其优缺点与最大扭矩因数max TF 的基本类似。

3.传动角正弦βsin

最理想的传动是传动角β恒等于︒90的传动，此时1sin =β，但是曲柄连杆机构的传动却做不到这一点。在此，扭矩因数为：

βα

ωθθsin sin )(C AR v d dS TF A A ===