抽油机大体结构设计

第一章绪论

1.1 选题的目的和意义

随着油田的开发，我国大多数油田已进入开发的后期，逐渐丧失自喷能力，需要从自喷转向机采，而目前，我国开采石油耗电指标与国外先进水平相比，还有很大差距，我国抽油机的运行效率特别低，平均效率仅为25.96%，而国外平均水平为 30.05%，年节能潜力可达几十亿千瓦时,尽管研制和应用了一些节能抽油机，但是由于使用数量不多，其总耗电量还是很大的，近年来，我国研制的新型抽油机，几乎都具有高效节能特点，目前，在用的抽油机系统效率一般在20%~30%之间，因此，开展新型抽油机，替换常规机型是大势所趋，随着油田的不断开发，地层能量逐渐消耗，为了保证原油的稳产、高产，机械采油己经成为广泛采用的一种方法。我国有机采油井 5 万多口，占油井总数的80%左右，抽油机井的耗电量占总耗电量的四分之一，由于抽油机井的系统效率较低，大量的能量(70%以上)在传递过程中损失掉，如果将抽油机井的系统效率提高 5%，年节电 20×10e8 千瓦时，这不仅可节约大量资金，而且，还可以缓解油田电力紧张状况。当今世界，资源日益匮乏，“节能减排”已成为已成为一个不可忽视的方面，也是为了人类的继续生存而思考的，“节能减排”将成为永远不变的一个主题。而我国广泛使用的游梁式抽油机虽然结构简单、操作方便和可靠耐用，但机械效率和采油综合效率低、平衡度差、耗电量过高、机体过重和冲程的长度受到限制等不易克服的缺点。

1.2 链条式抽油机的发展现状

抽油机的产生和使用已有一百多年的历史。应用最多，使用最广的属游梁式抽油机。目前在世界产油国仍在大量使用。美国拥有40万台，我国拥有近三万台，一百多年来，游梁式抽油机的结构和原理没有实质性的变化。我国抽油机制造业已有50年的历史，经过进口修配、仿制试制、设计研制三个阶段。近几年我国的链条式抽油机发展比较快，但游梁式抽油机还占有主要地位，根据国情，我国现在应该改造优良式抽油机，研发新型节能抽油机。

抽油机的发展及节能抽油机的发展趋势主要朝以下几个方向：(1) 低能耗方向为了减少能耗，提高经济效益，近年来研制与应用了许多节能型抽油机。如异相双驴头抽油机、摆杆抽油机、渐开线抽油机、摩擦换向抽油机、液压抽油机及各种节能装置和控制装置。(2)大型化方向随着世界油气资源的不断开发，开采油层深度逐年增加，石油含水量也不断增大，采用大泵提液采油工艺和开采稠

油等，都要求采用大型抽油机。所以，近年来国外出了许多大载荷抽油机，例如前置式气平衡抽油机最大载荷 213KN、气囊平衡抽油机最大载荷 227KN 等，将来会有更大载荷抽油机出现。 (3)朝着高适应性方向发展现在抽油机应具备较高的适应性，以便拓宽使用范围。例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要；适应各种成份石油抽汲的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适应深井抽汲的需要；适应长冲程的需要；适应节电的需要；适应精确平衡的需要；适应无电源和间歇抽汲的需要。 (4)朝着长冲程无游梁式抽油机方向发展近年来国内、外研制与应用了多种类型的长冲程抽油机，其中包括增大冲程游梁式抽油机，增大冲程无游梁式抽油机和长冲程无游梁式抽油机。实践与理论表明，增大冲程无游梁式抽油机式增大冲程抽油机的发展方向，长冲程无游梁式抽油机是长冲程抽油机的发展方向。 (5)朝着自动化和智能化方向发展近年来，抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。BAKER 提升系统公司、DELIA0-X 公司、APS 公司等研制了自动化抽油机，具有保护和报警功能，实时测得油井运动参数及时显示与记录，并通过综合计算分析，得出最优工况参数，进一步指导抽油在最优工况抽油。NSCO 公司职能抽油机采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监测，具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、经济性好、适应性强等优点。总而言之，抽油机将朝着节能降耗并具有自动化、智能化、长冲程、大载荷、精确平衡等方向发展。

抽油机节能技术目前主要从以下几个方面进行研究：(1)改进抽油机结构。这种方法主要是通过对抽油机四杆机构的优化设计和改变抽油机平衡方式来改变抽油机曲柄净扭矩曲线的形状和大小，使扭矩波动平缓，从而减小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率，达到节能的目的。 (2)采用节能驱动设备。这种方法是从研究电机的特性入手，研究开发新型的电动机，使之与采油井井况相匹配，进而达到提高电动机的效率和功率因数的目的，即采用高转率的电动机(转差率 8%~13%)和朝高转差率电动机代替常规转差电动机(转差率＜5%)。另外，还有采用节能配电箱来实现节电的。 (3)采用节能控制装置。如DCS 系列抽油机多功能程控装置、间抽定时控制。 (4)采用节能原部件。如窄 V 型带传动或同步带传动等。 (5)改进平衡方式。如采用气动平衡或天平平衡等。

(6)改进“三抽”系统部件。有采用抽油杆导向器、空心抽油杆、减震式悬件，都可提高三抽系统的工作效率，达到节能的目的。 (7)采用高效节能泵，提高泵效，降低百米吨耗，实现节能 [ 46] 。总之，近年来抽油机节能技术的研究己经成为科技攻关的方向。以上七种方法取得了显著的节能效果。

抽油机有很多类型，优缺点也不尽相同：（1）卷筒式抽油机：高效节能、提高产量、结构简单、跳参方便、经久耐。（2）游梁式抽油机：结构简单操作

方便和可靠耐用，但机械效率和采油综合效率低、平衡度差、耗电量过高、机体过重和冲程的长度受到限制等不易克服的缺点。（3）塔架式抽油机（包括摩擦式抽油机）：高效节能、结构简单但负荷较大时滑转、自卸载和测示功图困难等缺点，另外抽油机不易抽稠油。（4）链条式抽油机：结构简单、质量轻、耗能少、冲次低、冲程长、悬点加速度变化小，惯性载荷小，运行平稳，减速器额定扭矩小和易于安装等特点但由于换向和平后机构不合理等原因，现场使用中经常出现故障，需要经常停机维修，不仅增加了修理费用，而且严重影响了原有的正常生产。

根据当前石油工业发展的需要，以及近年来国内长冲程抽油机发展的状况，再次强调了发展长冲程抽油机的现实意义。发展长冲程抽油机不仅有利于减缓老油田高含水开采后期原油产量递减速度，而且有利于开发稠油、低渗透等油田的“难动用储量”，还有利于对沙漠油田深井及超深井的开采。但是，对游梁式抽油机进行增大冲程的工艺设计时存在着造价高昂、外形尺寸大、使用中功率消耗大等一系列的缺点。按照工艺的要求，国内外都在研制长冲程、低冲次、大载荷、高效节能的抽油机。这其中，链条式抽油机具有结构简单，能耗少，质量轻，冲程长，冲次低，悬点加速度变化小，惯性载荷小，运行平稳，等一系列优点，得到了普遍发展。

1.3 本课题的内容

本设计利用动链轮使行程加倍的原理，改进链条式抽油机的设计，同时使用复合天轮再次使冲程增加。从而达到整机结构合理、悬点载荷大、冲刺少、冲程长、悬点加速度变化小，惯性载荷小，运行平稳，减速器额定扭矩小和易于安装。这种抽油机还具有以下特点：（1）换向结构简单可靠。采用曲柄滑块机构实现换向，滑块向下运动为抽油机的上行程，滑块的向上运动为抽油机的下行程；（2）长冲程、低冲次。冲程是曲柄长度的四倍；（3）节能。采用滑块和曲柄平衡的方式，能达到最佳的平衡效果。

抽油机的工作指标包括悬点载荷、冲程、冲次、减速器扭矩、单井机口产量等技术参数。随着油田的不断开发，油井含水不断增大，泵挂深度不断不增加，动液面不断下降，势必引起悬点负荷增大，同时引起减速器扭矩的增大，泵径、冲程冲次也要根据工况的变化而经常调节。抽油机常年的连续运转，工况复杂多变，再加上无人护理监管不便，因此要求其工作必须可靠。对于油矿设备来说，可靠性是非常重要的技术指标，抽油机发生故障将会造成停产待修、油井破坏等重大事故和严重的经济损失。加上游梁式抽油机改进设计有很多不利因素，针对上述实际情况，本次设计链条式抽油机改进方案是符合实际需求的。

第二章总体方案设计

2.1 方案确定

本设计利用天轮直径不同使行程加倍的原理，改进链条式抽油机的设计，从而达到整机结构合理、悬点载荷大、冲刺少、冲程长、悬点加速度变化小，惯性载荷小，运行平稳，减速器额定扭矩小和易于安装，同时使用复动增距动滑轮随之往复运动，利用动滑轮的倍增原理和动力传动系统实现复动增距。动力消耗低于游梁式抽油机，且维护方便。加上游梁式抽油机改进设计有很多不利因素，因此，本次设计链条式抽油机改进方案是符合实际需求的。

2.2 结构和工作原理

2.2.1 结构草图

图2-1 总装草图

总装配草图中，各部件的名称

1—电动机 2—底座 3—带轮传动机构 4—减速器 5—曲柄 6—连杆7—小车 8—链轮 9—链条 10—天轮 11—定位轮 12—钢丝绳 13—抽油杆14—桁架

2.2.2 工作原理

如上图所示，当抽油杆13在最低位置时，曲柄5转到最高点，与此同时，小车7跟动链轮8也到达了最高位置，曲柄滑块机构处在上支点换向位置。此时，各部件存储的势能最大，开启电机1后，动力经带轮传动机构3、减速器4带动曲柄滑块机构逆时针运动和和动链轮下行，势能转化为动能做功，链条带动钢丝绳运动，并带动抽油杆上行。当抽油杆13运行到最低位置时，曲柄5转到最低点，与此同时，小车7跟动链轮8也到达了最低位置，曲柄滑块机构处在下支点换向位置。此时，各部件存储的势能最小，在电动机1的带动下，动力经带轮传动机构3、减速器4带动曲柄滑块机构逆时针运动和和动链轮下行，动能转化为势能做功，链条带动钢丝绳运动，并带动抽油杆下行，完成一个抽油工作循环。

2.2.3 各构件的具体特点和作用

（1）电动机

采用Y全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，具有防止灰尘、铁屑、或沙土等其他杂物入侵电机内部等一系列特点，增加抽油机的环境适应能力，满足西部地区环境的要求。

（2）减速器

选用的起重机式减速器，因为设计要求的减速比大，故选用的结构形式为三级，在设计中选用的名义中心距450mm，公称传动比是80，安装形式为水平放置于底座上，也就是W型。

（3）带传动组件

带传动是一种挠性传动。基本组成零件为带轮（包括主动轮和从动轮）和传动带，具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸震等特点。正好适合抽油机的工作环境，并且选用V型带，增大接触面积，有效防滑。受力比较大，因此带轮应该设计为多槽的型式。

（4）小车及其附件

首先，小车的设计运动为往复运动，因此最好让小车在导轨上运动，所以，设计中会在小车上放置八个轮子，轮子与小车体用的轴销连接的型式，轮子要直

线运动，才能满足小车往复运动的要求。因此在桁架上放置四个导轨，用于放小车轮，从而实现小车的往复运动。

（5）链轮及链轮轴

链传动是一种挠性传动，它由链条跟链轮组成。通过链条链结跟链轮的啮合传动来传递动力和运动。与摩擦型带传动相比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，又因链条不需向带传动那样张的很紧，所以作用于轴上的径向压力比较小，同时链传动能耐高温和潮湿的工作环境，环境适应能力强，满足我国大部分地区环境的要求，符合我国未来的发展需求。

（6）链轮轴

链轮轴与链轮的链接是用的键链结，与小车的链接使用的轴承链接，轴承根据需要选择深沟球轴承，因为安装时两端放置轴承，故轴上需加上割槽，两端要加倒角，与轴承的连接时过盈配合。

（7）曲柄连杆机构

曲柄一端与减速器的输出轴连接，另一段与连杆连接，连杆一段与小车连接，另一段与曲柄连接。因为曲柄要实现整周转动，设计中曲柄与连杆位置放置是侧边放置的。为了实现快进慢回，曲柄回转中心要设置一定偏矩，更加适合抽油机的现实要求。

（8）天轮机构

天轮设计为两个轮的型式，从而实现冲程的加倍效果，为了更加坚固，天轮与天轮轴是整体铸造在一起的。天轮两端放置轴承，轴承放置在桁架顶端的轴承架上。因为天轮是铸造出来的，因此边缘应该是有倒圆的。由于轴的两端放置轴承，因此在轴上要设计一定宽的槽。

（9）定位轮机构

定位论槽放置钢丝绳，，定位轮与定位轮轴也是是整体铸造在一起的。定位轮两端放置轴承，轴承放置在桁架顶端的轴承架上。因为定位轮是铸造出来的，因此边缘应该是有倒圆的。由于轴的两端放置轴承，因此在轴上要设计一定宽的槽。

（10）桁架

为了减轻重量，并且保证桁架的强度，选用角钢作为主体支撑。为了加强桁架的强度，再在支撑之间加上的水平放置的角钢，为了进一步加强强度，还需加上斜置的支撑，因为桁架是放在底座上的，为了使放置的稳固性，在四个支撑的最下端焊接上一定形状的平板，用于桁架与底座的接触。因为桁架的上端需放置天轮更定位轮，所以在桁架的顶端放置一个一定厚的钢板用于放置天轮跟定位轮的支撑架。天轮跟定位轮的支撑架是用一定厚的钢板架做成。

（11）底座

底座用于放置电动机、减速器以及桁架。为了满足强度需求，并使重量不至于过大，底座用槽钢焊接成。由于减速器需要放置在一定的高度上，所以在底座上设计一个方形空心平台，用于放置减速器。