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1、 . . . 10型，12型游梁式抽油机用53型双圆弧齿轮减速器设计摘 要本文阐述了常规游梁式抽油机结构组成、工作原理与特点。中的双圆弧齿轮对游梁式抽油机53型双圆弧齿轮减速器进行的设计计算。并结合设计对系统进行了动态校正和设计工作过程中图文分析。游梁式抽油机采用四连杆机构进行传动，对于减速器齿轮的转动，以与齿轮之间的传动进行了数字运算，对于53型双圆弧齿轮减速器的部结构进行了设计。关键字：抽油机工作原理，悬点载荷，双圆弧齿轮目录1234绪论随着原油和油气的产出，贮存压力减小。最终在某一点，贮存压力达到小的必需用人工举升的方式才可以产油。 游梁式抽油机 ,是一个借鉴了水井工业的理想应用。自从1
2、925年 Trout 设计的油泵演变到现今的具有统治地位游梁是人工举升设备。在石油采油过程中对常规游梁式抽油机的应用已有上百年的历史，由于其结构简单，平衡性、稳定性突出等特点而被延用至今。历经多年的发展和完善，主要是提高其可靠性和零件的设计方法上。随着科技的发展，游梁式抽油机出现了好多的类型。如下分类： （1）传统型传统的曲柄配重型 被广泛的接受和认可，是久经考验的油田 “战士”。支点前面是负载，后面是配重。（2）前置配重型 由于其独特的几何结构和配重特征，低转矩峰值和低动力需求。运行特点是是快速的下冲程，慢速的上冲程。减小重型负载上冲程的加速载荷。降低峰值转矩延长油杆寿命。 （3）结构紧凑型
3、 紧凑结构的设计防便用于经常移动的工作方式或者城区的应用，很多部件在工厂已经完成安装。（4）气压配重型 应用压缩气体替代沉重的铸铁配重块并且可以更精确得控制配重。大大的减轻了系统地重量，运输和安装费用明显降低。气压配重独特的优点在于更大的增大冲程，而对于铸铁配重结构来说将是非常庞大难于实现。（5）游梁配重型 配重块安装在游梁的另一端，是一种适合浅井应用的经济型。我国生产的抽油机按照抽油机承受的悬点额定载荷主要分为2、3、5、8、10、12、14、16等型，每种型式的抽油机又按照不同冲程、曲柄轴额定扭矩分为多种规格的机型。近几年随着计算机应用技术的不断提高，优化设计方法也被广泛应用于抽油机的设计
4、中，使得抽油机设计周期大大缩短，设计精度大大提高，抽油机的规格和类型也更加多样化。 抽油机减速器是一种承受重复交变载荷、长期连续运转的减速装置。双圆弧齿轮减速器是根据机械工业部和石油工业部通过的2677-80 常规型游梁式抽油机结构尺寸规定设计的, 现今已经设计了很多型号，如CYJ2-0.6-2.5Y等, 并已陆续投入产和现场使用。本文我们要研究53型双圆弧齿轮减速器的设计制造，并对其部结构进行设计计算。游梁式抽油机的工作原理游梁式抽油机是有杆抽油系统的地面驱动装置，它由动力机、减速器、机架和连杆机构等部分组成。减速器将动力机的高速旋转运动变为曲柄轴的低速旋转运动;曲柄轴的低速旋转圆周运动由连
5、杆机构变为驴头悬绳器的上下往复直线运动，从而带动抽油泵进行抽油工作。游梁式抽油机是机械采油设备中问世最早的抽油机机种，基本结构如图1所示：图1 常规游梁式抽油机基本机构图1刹车装置2一电动机3一减速器皮带轮4一减速器5一动力输入轴6一中间轴7一输出轴8一曲柄9一曲柄销10一支架11一曲柄平衡块12一连杆13一横梁轴14一横梁15一游梁平衡块16一游梁17一支架轴18一驴头19一悬绳器20一底座 常规53型游梁式抽油机结构尺寸示意图前臂长:a=3.0m;后臂长:b=2.4m;连杆长:L=3.350m;支架高:H=5.290m;减速器输出轴中心高:G=2.020m;水平中距:I=2.300m;曲柄
6、旋转半径:OR=1.15Om。常规游梁式抽油机的悬点载荷计算一、抽油机悬点载荷简介当游梁式抽油机通过抽油杆的上下往复运动带动井下抽油泵工作时，在抽油机的驴头悬点上作用有下列几类载荷：(1)静载荷 包括抽油杆自重以与油管外的液体静压作用于抽油泵柱塞上的液柱静载荷。(2)动载荷 由于抽油杆柱和油管的液体作非匀速运动而产生的抽油杆柱动载荷以与作用于抽油泵柱塞上的液柱动载荷。(3)各种摩擦阻力产生的载荷包括光杆和盘根盒间的摩擦力、抽油杆和油液间的摩擦力、抽油杆(尤其是接箍)和油管间的摩擦力、油液在杆管所形成的环形空间中的流动阻力、油液通过泵阀和柱塞孔的局部水力阻力，还有柱塞和泵筒之间的摩擦阻力。二、悬
7、点载荷计算-悬点静载荷; -悬点动载荷;（1）悬点静载荷 1.抽油杆自重计算在上下冲程中，抽油杆自重始终作用于抽油机驴头悬点上，是一个不变的载荷，它可以用下列式子计算:-抽油杆自重，kN; -抽油杆总长度，m;-抽油杆的截面积，m2;重力加速度，9.81N/kg2;-抽油杆的密度，kg/m3;-每米抽油杆自重，kN/m。对于组合杆柱,如果级数为K,则可用下式计算:=-第i级抽油杆住每米自重,KN/m;-第i级杆柱长度与总长之比值;由于抽油杆全部沉没在油管的液体之中，所以在计算悬点静载荷时，要考虑液体浮力的影响。用代表抽油杆柱在液体中的自重，则它可以用下式计算:=(1-0.127)*其中，-井液
8、密度,t/;-液体中抽油杆自重; 2.作用于柱塞的液柱静载荷计算作用于柱塞上的液柱载荷随着抽油泵阀门开闭状态的不同而变化。下冲程时，柱塞上的游动阀是打开的，柱塞上下连通。若不计井液通过游动阀和柱塞孔的阻力，则柱塞上下的井液压力相等，作用于柱塞上的液柱载荷等于零。上冲程时，游动阀关闭而固定阀打开，柱塞上下不再连通。柱塞上面的液体压力等于油管液体静压力，而柱塞下面的液体压力，忽略液体通过固定阀时的阻力，等于油管外动液面以下液柱的静压力。这一压力差在柱塞上产生液柱载荷（单位kN）： = *g*(-h)* =*g* 式中，-作用于柱塞的液柱载荷;-井液密度,t/;g-重力加速度,g=9.81m/;-抽
9、油杆总长或挂泵深度,m;h-泵的沉没深度,m;-油井动液面深度,m-泵的柱塞面积，3.悬点静载荷计算上冲程时，悬点静载荷等于上述两项载荷之和，则有: = +下冲程时, 悬点静载荷等于抽油杆柱在液体中的自重,则有： = （2）悬点动载荷1.抽油杆柱动载荷抽油杆和液柱在非匀速运动过程中产生惯性力而作用于抽油机悬点上的载荷称为动载荷。惯性力的方向与加速度方向相反。在抽油机系统中，我们规定取向上加速度为正，即取向下的载荷为正。忽略抽油杆的弹性，将其视为一集中质量，则抽油杆柱动载荷就等于抽油杆质量与加速度的乘积。 = （）=-抽油杆柱动载荷；-悬点静载荷;-悬点加速度(驴头圆弧切向加速度);g-重力加速
10、度,g=9.81m/;- 曲柄角速度;-曲柄转角; -抽油杆总长度，m;-抽油杆的截面积，m2; -抽油杆的密度，kg/m3;-扭矩因数,m;代表单位悬点载荷在曲柄轴上产生的扭矩.=； v-悬点速度;- 曲柄角速度;2.油液柱动载荷忽略液体的可压缩性。则液柱动载荷就等于液柱质量与液柱运动加速度的乘积。但由于油管径与抽油泵直径不同，故抽油杆与油管形成的环形空间中液体的运动速度和加速度不等于抽油泵柱塞的运动速度和加速度(当忽略抽油杆的弹性时，柱塞泵的运动速度和加速度等于悬点运动速度和加速度)，为此引入加速度修正系数。其中，-泵的柱塞面积，；-抽油杆的截面积，m2; 用油管径计算的流通面积，m2;作
11、用下柱塞环形面积上的液柱重量，kN;3.悬点动载荷计算上冲程时悬点的动载荷等于抽油杆的动载荷和液柱动载荷之和。下冲程时，液体的运动速度和加速度很小，其动载荷可以忽略不计，故常规游梁式抽油机减速器扭矩计算一、抽油机减速器扭矩计算减速器扭矩指的是游梁式抽油机在减速器输出轴(也称曲柄轴)上实际产生的扭矩。其大小和悬点载荷、冲程长度、抽油机四杆机构杆长比值以与抽油机的平衡状况有关。现以曲柄平衡的游梁式抽油机为例来推导曲柄轴扭矩的一般计算公式(见下图所示)。按照习惯，当曲柄连杆机构施加于输出轴上的扭矩方向与曲柄轴的旋转方向一致时(主动力矩)，扭矩为负值;相反时，扭矩为正值(阻力矩)。抽油机扭矩计算图为便
12、于计算，现将下列符号设定为:摆动部件自重(游梁、驴头、横梁等)，kN;摆动部件重心至游梁支承的距离，m;摆动部件的转动惯量，103kgm2;作用于驴头悬点的载荷，kN;游梁与水平线之间的夹角;游梁转动的角加速度，;曲柄处于水平位置时平衡重与曲柄自重对减速器输出轴中心的力矩，kNm;平衡相位角，即曲柄轴中心到平衡重重心之连线与曲柄半径R的夹角，由R到连线按旋转方向度量;四杆机构的传动效率，=0.920.96。摆动部件自重可以转化为作用于悬点处的载荷B，B称为游梁式抽油机的结构不平衡重。在抽油机中规定:当摆动部件重心位于游梁后臂上时，B为正值;重心位于前臂上时，B为负值。B值可以用以下方法测定:将
13、连杆曲柄销从曲柄上脱开，在悬点处施加一铅垂方向的力，使游梁保持水平位置;测量所施加的力，即为B值，单位是kN如果该力向下，B为正值;该力向上，B为负值。悬点载荷与结构不平衡重的差值称为纯光杆载荷。根据虚位移原理，当忽略四连杆中的摩擦损失以与摆动部件的转动惯性时，纯光杆载荷在曲柄轴上产生的扭矩为:式中，纯光杆载荷扭矩，kNm;悬点速度，m/S;曲柄角速度，1/s;扭矩因数，m;代表单位悬点载荷在曲柄上产生的扭矩。因=常数，故随曲柄转角的变化规律与悬点速度的变化规律一致。如果计与四连杆机构的摩擦损失和摆动部件的转动惯性，再加上曲柄平衡扭矩，则在曲柄上的净扭矩的一般计算公式为:式中:m为指数;0时，
14、m=-1;0时，m=l。上式虽是针对曲柄平衡的游梁式抽油机的，但也可适用于复合平衡梁平衡和曲柄平衡组合)以与纯油梁平衡抽油机。对于复合平衡抽油机，可将游梁平衡重的效应纳入结构不平衡重之中。式中，游梁平衡重重量，kN;游梁平衡重重心到游梁支承中心的距离，m 。对于纯游梁平衡重，可令式中的=0 。利用公式计算时，需要知道转动惯量的数据。实际计算时，动惯量在曲柄轴上产生的扭矩对净扭矩的影响不大，工程计算时可以忽略。在大多数有关抽油机的文献中，均不计四连杆机构摩擦的影响而取=1;净扭矩的计算公式进一步简化为:但是，四杆机构的效率，对净扭矩的影响相当大。=0.93与=1相比较，最大扭矩增加了21%。因此
15、，在计算减速器扭矩时，还是考虑抽油机四连杆机构效率为好。由减速器扭矩计算的一般公式可知:在曲柄旋转一周的过程中，减速器扭矩随曲柄转角作周期性的变化，其变化规律可用扭矩曲线来表示。曲柄平衡的游梁式抽油机的减速器净扭矩是由载荷扭矩与曲柄平衡扭矩两部分组成，所以在扭矩曲线图上往往绘有3条扭矩曲线:载荷扭矩曲线、平衡扭矩曲线与净扭矩曲线。对于纯游梁平衡的游梁式抽油机，由于在扭矩计算的一般公式中没有曲柄平衡扭矩这一项，在扭矩曲线上只有一条净扭矩曲线。二、抽油机扭矩特性参数可以用一组数据来描述游梁式抽油机减速器的扭矩特性，称为扭矩特性参数。主要的扭矩特性参数有以下几个:平均扭矩；最大扭矩；最小扭矩；均方根扭矩和周期载荷系数
