10型傳動鏈長沖程抽油機設(shè)計畢業(yè)論文

1、 10型傳動鏈長沖程抽油機設(shè)計 摘 要 ：超長沖程抽油機可實現(xiàn)長沖程要求。本設(shè)計采用碳纖維連續(xù)抽油桿，該材料具有密度小，彈性較好，耐腐蝕，抗疲勞性能好，活塞效應(yīng)小，起下作業(yè)速度快等優(yōu)點。10型傳動鏈?zhǔn)匠L沖程抽油機的懸點載荷為100kn，沖程為1030m，起下速度為1520m/min,適用碳桿規(guī)格為（303.0）mm,(324.2)mm,(355.0)mm。在本次設(shè)計中，主要完成了對抽油機的傳動裝置、夾緊裝置、纏繞裝置、夾持塊結(jié)構(gòu)、平衡裝置等的設(shè)計，以及關(guān)鍵零部件的設(shè)計和校核。抽油機的動力由防爆繞線轉(zhuǎn)子異步正反轉(zhuǎn)電動機提供，通過窄v帶，經(jīng)由二級減速器傳遞至起提升作用的主動鏈輪。然后通過液壓缸夾

2、緊裝置將碳桿壓在裝有夾持塊鏈條之間，并且通過鏈條的轉(zhuǎn)動，靠摩擦力來向上提起碳桿，通過導(dǎo)向盤將其纏繞在直徑為1.8m的纏繞大盤上，纏繞大盤由電動機帶動。本抽油機采用機械平衡方法，將平衡塊裝在鏈輪軸尾端，利用重力來實現(xiàn)平衡。 關(guān)鍵詞：抽油機；傳動鏈?zhǔn)?；超長沖程；設(shè)計；碳纖維復(fù)合材料 1.1.1國內(nèi)長沖程抽油機的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢油機是有桿抽油系統(tǒng)中最主要舉升設(shè)備。根據(jù)是否有游梁，可分為游梁式抽油機和無游梁式抽油機。經(jīng)過一百多年的實踐和不斷的改進(jìn)創(chuàng)新，抽油機不管是結(jié)構(gòu)形式還是在使用功能上，都產(chǎn)生了很大的變化。特別是近幾十年來，世界對原油的需求量不斷加大，對油田深度開采的能力有了更進(jìn)一步的要求，在很大

3、程度上加快了抽油機技術(shù)發(fā)展的速度，催生出多種類型。目前, 國內(nèi)抽油機制造廠有數(shù)十家, 產(chǎn)品類型已多樣化, 但游梁式抽油機仍處于主導(dǎo)地位。根據(jù)公開發(fā)表的資料統(tǒng)計, 我國現(xiàn)有6 大類共45 種新型抽油機 , 并且每年約有30 種新型抽油機專利, 十多種新試制抽油機 , 已形成了系列, 基本滿足了陸地油田開采的需要。各種新型節(jié)能游梁式抽油機如雙驢頭式抽油機、前置式抽油機、異相曲柄平衡抽油機、前置式氣平衡抽油機、下偏杠鈴系列節(jié)能抽油機和用窄v 形帶傳動的常規(guī)抽油機等均已在全國各個油田推廣應(yīng)用, 并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。長沖程、低沖次的無游梁式抽油機的研制也取得了一些進(jìn)展, 如由勝利油田研制的無游梁鏈條

4、抽油機, 經(jīng)過國內(nèi)十幾個油田稠油及叢式井的推廣使用, 在低沖次抽油和抽稠油方面已初見成效。此外, 桁架結(jié)構(gòu)的滑輪組增距式抽油機、滾筒式長沖程抽油機已在某些油田進(jìn)行了工業(yè)試驗; 齒輪增距式長沖程抽油機的研制工作也取得了新的進(jìn)展; 質(zhì)量輕、成本低、便于調(diào)速和調(diào)整沖程的液壓抽油機經(jīng)過幾年的研制和工業(yè)性試采油, 也積累了一定的經(jīng)驗。其他型式新穎的抽油機如數(shù)控抽油機、連續(xù)抽油桿抽油機、車載抽油機、磨擦式抽油機、六連桿游梁式抽油機和斜直井抽油機等也正處于不斷改造和試生產(chǎn)過程中。然而，游梁式抽油機的缺點是不容易實現(xiàn)長沖程低沖次的要求，因而不能滿足稠油井、深抽井和吉氣井采油作業(yè)的需要。同時，長沖程低沖次的無游

5、梁式抽油機的性能尚有待完善 (如油田正在使用的鏈條式抽油機還存在鏈條壽命短、換向沖擊載荷大和鋼絲繩易斷、導(dǎo)軌剛度不足容易變形等問題)，而且品種規(guī)格還很少，不能適應(yīng)當(dāng)前石油工業(yè)的發(fā)展。 液壓抽油機至今仍處在研制階段。 國內(nèi)產(chǎn)品介紹：（1） 無游梁增距抽油機撫順石油機械廠肖韓明、王幼均和中國天然氣總公司第八建設(shè)工程公司劉桂芳共同研究開發(fā)了無游梁增距抽油機，也成為機械無游梁增距抽油機。（2） 復(fù)合天輪式長沖程抽油機 大慶石油學(xué)院機械系和大慶采油三廠共同研制了lcyj10-8-105hb 型復(fù)合天輪長沖程抽油機，是一種既滿足大排量抽油機，又能進(jìn)行環(huán)空測試抽油機。1.1.2國外長沖程抽油機的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)

6、展趨勢增大沖程游梁抽油機沖程倍增抽油機美國研制了kincaid沖程倍增抽油機,也稱為低矮型抽油機。當(dāng)游梁前端從下死點運動到上死點時,行程為0.685m,此外驢頭在杠桿作用下,還可繞自己的支點旋轉(zhuǎn)90,驢頭轉(zhuǎn)動行程也為0.685m,抽油機的實際沖程為1.37m,沖程增加1倍。該抽油機具有以下特點:采用常規(guī)抽油機的電動機和膠帶傳動,api標(biāo)準(zhǔn)齒輪減速器,抽油機外形尺寸較小,適用于城市居民區(qū)和有噴灌系統(tǒng)的農(nóng)田地區(qū)抽油,抽油機體積小、重量輕,運輸費用低,抽油桿柱運動特性與常規(guī)抽油機一樣。目前有114-113-54型和160-173-54型兩種規(guī)格,已經(jīng)成批生產(chǎn)。已有100多臺抽油機在油田進(jìn)行抽油作業(yè),

7、提高了石油產(chǎn)量。該抽油機主要用于下泵深度為10672478m,石油產(chǎn)量為515m3d。英國增大沖程游梁抽油機英國研制的增大沖程游梁抽油機利用游梁擺動和驢頭本身轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)增大沖程、提高油井的石油產(chǎn)量。該抽油機具有以下特點?采用電動機膠帶傳動,異相曲柄結(jié)構(gòu),使抽油機得到更精確的平衡效果,采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪減速器,連桿、橫梁機構(gòu)驅(qū)動游梁,驢頭可繞游梁前端上的支點轉(zhuǎn)動,在驢頭上有一個小滾筒,上面纏繞著鋼絲繩,鋼絲繩的一端固定在滾筒上,另一端固定在抽油機底座上,當(dāng)游梁向上擺動時,懸點有一個行程,與此同時,由于游梁擺動,鋼繩拉動滾筒轉(zhuǎn)動,使驢頭本身也轉(zhuǎn)動一定角度,又增加了一個行程,抽油機實際沖程長度是兩個行程之

8、和。該抽油機適合開采稠油。俄羅斯增大沖程游梁抽油機全俄石油機械設(shè)計研究院研制了一種特殊結(jié)構(gòu)的增大沖程游梁抽油機,把游梁支座改成為一個弧面鋼帶,在支架上有一個上固定點,在游梁上有一個下轉(zhuǎn)動點,可使游梁在擺動過程中,支點還可以向上或向下運動一個附加行程,抽油機實際沖程長度為游梁擺動行程與支點上下運動行程之和。例如,當(dāng)驢頭上下移動行程為3m時,支點上下運動行程為1m,抽油機實際沖程長度為4m。該抽油機采用電動機、膠帶、減速器、曲柄、連桿機構(gòu)驅(qū)動游梁。游頭抽油機美國lufkin公司近幾年研究開發(fā)了游頭抽油機,是一種低矮型抽油機,具有以下特點：（1）把驢頭與游梁組合成游頭,游頭可繞支點轉(zhuǎn)動90角,利用大

9、轉(zhuǎn)角增大抽油機的沖程長度。（2）游頭由電動機、異相曲柄、連桿機構(gòu)驅(qū)動,抽油桿柱近似簡諧運動。（3）異相曲柄可使抽油機得到較好的平衡效果。（4）抽油機在上沖程時,曲柄轉(zhuǎn)角為190；下沖程時為170,改善了抽油機載荷條件,提高了抽油機、抽油桿和抽油泵的使用壽命。（5）與同級常規(guī)抽油機相比較,該抽油機的懸點載荷與減速器扭矩均較小。（6）節(jié)約電力消耗,抽油機運行經(jīng)濟(jì),采油成本較低。（7）勸抽油機外形尺寸低矮,抽油機運動的最高高度不超過2.6m,適用于城市地區(qū)或有噴淋灌溉農(nóng)田系統(tǒng)的地區(qū)抽油,不影響城市美化,不需要把噴管提高或進(jìn)行彎曲。（8）由于抽油總體矮小,所以抽油機可在總裝條件下進(jìn)行運輸,節(jié)約拆裝時間

10、與費用。目前,共有十二種規(guī)格游頭抽油機,懸點最大載荷60.3111.5kn,沖程長度0.9142.18m。已有200多臺在油田進(jìn)行采油作業(yè),取得了較好的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益。美國增大沖程無游梁抽油機美國研制的lowjack增大沖程無游梁抽油機也是一種低矮型抽油機。采用雙連桿機構(gòu)代替抽油機的游梁,應(yīng)用類似于石油鉆機天車與游車式的復(fù)滑輪系統(tǒng),增大抽油機的沖程長度。油井的載荷由鋼繩承擔(dān),滑輪載荷只有油井載荷的40%,軸承載荷是油井載荷的50%。該抽油機還具有節(jié)能特點,與常規(guī)抽油機相比較,該抽油機可節(jié)約能耗達(dá)20%。該抽油機符合美國api標(biāo)準(zhǔn),目前有228、160、114系列產(chǎn)品。長沖程無游梁抽油機美國

11、rotaflex長沖程低沖次抽油機美國rotaflex長沖程低沖次抽油機結(jié)構(gòu)見圖1。具有以下結(jié)構(gòu)特點;(1)立式結(jié)構(gòu),采用鏈條和膠帶傳動方式,膠帶的一端通過懸繩器與光桿聯(lián)接,另一端通過帶拉桿與平衡重聯(lián)接,膠帶中間掛在膠帶滾筒上面。(2)由電動機通過三角膠帶、減速器后驅(qū)動主動鏈輪旋轉(zhuǎn),帶動平衡重上下運動,實現(xiàn)抽油桿上下往復(fù)運動抽油。(3)平衡重可根據(jù)油井實際載荷情況進(jìn)行調(diào)節(jié),可以達(dá)到較精確的平衡效果。(4)抽油機占地面積較小,適用于叢式井抽油。該抽油機的優(yōu)點;(1)膠帶傳動柔性好,可減少抽油機、抽油桿和抽油泵的振動載荷、峰值載荷,提高抽油機、抽油桿和抽油泵的使用壽命。抽油機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、使用安全可靠

12、。(2)膠帶使用壽命可達(dá)10年以上。(3)采用機械驅(qū)動,制造和使用簡單方便。(4)抽油機沖程長度與沖次可調(diào)節(jié),能夠最大限度地滿足抽油工藝的需要,與油井工況參數(shù)匹配更合理、抽油效率高、節(jié)約能耗,因而抽油成本較低。(5)抽油機沖程長、沖次低,抽油泵的充滿系數(shù)與排量系數(shù)均較高,適合稠油井采油。法國mape長沖程無游梁液壓抽油機法國mape公司生產(chǎn)的長沖程無游梁液壓抽油機結(jié)構(gòu)見圖2。目前有六種規(guī)格產(chǎn)品,懸點最大載荷為34.23195.64kn,沖程長度為10m,最大沖次為5min-1。mape公司長沖程無游梁液壓抽油機適用于開采稠油或高氣油比石油;適用于定向井、叢式井、水平井、斜井、雙井平衡抽油以及深

13、井抽油；適用于油田蒸汽吞吐采油和水驅(qū)采油%該抽油機還可以用于起下抽油桿和油管,不需要修井機進(jìn)行作業(yè)；在進(jìn)行抽油作業(yè)時,可近距離或遠(yuǎn)距離遙控調(diào)節(jié)抽油機的沖程長度與沖次,還可以調(diào)節(jié)上沖程或下沖程的運動速度,以滿足油井抽油的需要。法國mape公司長沖程無游梁液壓抽油機具有以下結(jié)構(gòu)特點:(1)采用電動機驅(qū)動液壓泵,產(chǎn)生一定的液壓與排量,再驅(qū)動液壓馬達(dá),帶動滾筒旋轉(zhuǎn),使抽油桿和平衡重作往復(fù)運動,通過液壓控制系統(tǒng)自動改變電動機的旋轉(zhuǎn)方向，實現(xiàn)上、下沖程運動。(2)在滾筒上纏繞著鋼絲繩,鋼絲繩的一端通過懸繩器與光桿聯(lián)接,另一端與可調(diào)節(jié)的平衡重聯(lián)接,光桿上行,平衡重下行,反之則相反。（3）根據(jù)油井工況需要,抽

14、油機沖程長度和沖次均可進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前,該抽油機有以下六種規(guī)格型（1）h60-77-0394型； （2）h100-110-0394型；（3）h175-150-0394型；（4）h240-220-0394型；（5）h360-309-0394型； （6）h610-440-0394型；。在上述型號中,h代表長沖程無游梁液壓抽油機。dynovation公司長沖程無游梁叢式井抽油機dynovation設(shè)計公司研制了長沖程無游梁叢式井抽油機,其結(jié)構(gòu)方案見圖3。在兩口油井的支架上各裝有一個導(dǎo)向鏈輪,用一條鏈條聯(lián)接兩油井的光桿。在兩支架之間有一個主動鏈輪,利用發(fā)動機經(jīng)三角膠帶減速后驅(qū)動齒輪減速器,再驅(qū)動主動鏈輪

15、=主動鏈輪進(jìn)行周期性正反轉(zhuǎn),通過鏈條帶動兩口油井光桿上下運動,進(jìn)行抽油。該抽油機最大下泵深度4200m,最大叢式井斜角為65,兩口油井距離為1.26.1m,最大沖程長度為24m。該抽油機具有以下七個特點:(1)長沖程無游梁叢式井抽油機可以節(jié)約更多的動力消耗,因為兩口油井相互平衡,不需要更大功率就可實現(xiàn)往復(fù)運動抽油,所以可大幅度降低采油成本,提高抽油機運行經(jīng)濟(jì)性。實踐證明,該叢式井抽油機能充分發(fā)揮抽油機效能,加倍開采石油。(2)抽油機沖程長、沖次低,改善了抽油機受力條件,抽油機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、使用安全可靠,抽油效率高,還提高抽油機、抽油桿和抽油泵的使用壽命,延長檢泵周期。(3)安裝抽油機很方便,不需要

16、對井口進(jìn)行改裝,也不需要特殊的地基與基礎(chǔ)。(4)該抽油機在抽油作業(yè)時,由于沖程長、沖次低,大大改善了抽油泵的工作條件,提高了抽油泵的充滿系數(shù)與排量系數(shù),提高抽油效率,提高石油產(chǎn)量。(5)由于該叢式井抽油機采用雙井載荷平衡,所以在設(shè)計上必須確保兩口油井載荷相等一般可通過改變抽油桿直徑、材料、下泵深度、抽油泵直徑,使兩口油井載荷相等。(6)兩口油井用一臺抽油機同時抽油,不僅減少一臺抽油機,而且還取消了抽油機的平衡系統(tǒng),使抽油機本身的體積小、重量輕、制造裝配簡單方便、成本低,設(shè)備投資費用較少,安裝與運輸費用也較低,具有更好的抽油機技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。(7)抽油機結(jié)構(gòu)比較簡單,便于實現(xiàn)油井自動化開采石油,維

17、護(hù)保養(yǎng)簡單方便,有利于油田開發(fā)與設(shè)備管理工作。美國長沖程無游梁鏈條傳動抽油機美國nsco公司研制了長沖程無游梁鏈條傳動抽油機,其結(jié)構(gòu)簡圖見圖4。該抽油機最大沖程長度為27.43,沖次為3min-1,長寬高為2.13m0.91m1.22m,是一種低矮型臥式長沖程無游梁抽油機。該抽油機具有以下特點:(1)采用電動機、三角膠帶、減速器驅(qū)動仿錘形滾筒,滾筒上纏著鏈條,鏈條的一端與井口光桿聯(lián)接,另一端與套管中的平衡重聯(lián)接。在井口和平衡重套管的上面,均設(shè)有一個導(dǎo)向鏈輪,并使鏈條與井口和套管對中。(2)采用高強度鏈條,在一個仿錘形滾筒上交替地纏上或放開,完成抽油桿上下運動。(3)抽油機設(shè)有四連桿結(jié)構(gòu),懸點運

18、動幾乎全是恒速運動,提高抽油泵效率、節(jié)約電力消耗和延長抽油設(shè)備的使用壽命。(4)沖程長27.43m,是一種超長沖程抽油機。平衡重置于地下套管之中,占地面積較小。(5)抽油機所有部件均置于封閉式護(hù)罩之內(nèi),防止外界風(fēng)砂干擾和侵人,適用于沙漠油田開采石油。井口上安裝著專門設(shè)計的密封裝置。(6)采用微機監(jiān)控抽油機和抽油系統(tǒng)的正常運行,可確定每一個沖程換向時電動機的斷電時間,能自動改變電動機的工作旋轉(zhuǎn)方向,并且通過一個良好的啟動系統(tǒng)使電動機正常啟動。(7)在正常抽油過程中,各種工作參數(shù)均可在控制板上顯示如果插入一個繪圖機,還可以繪出示功圖,不影響抽油機正常抽油作業(yè),也不影響石油產(chǎn)量。美國長沖程無游梁液壓

19、抽油機美國wgco研制了長沖程無游梁液壓抽油機,其結(jié)構(gòu)方案見圖5。抽油機的優(yōu)點:(1)國外石油機為整體式低矮型結(jié)構(gòu),外形尺寸較小,適用于城市居民區(qū)或水利噴灌地區(qū)采油。該抽油機可以整體運輸,不需要拆裝。(2)抽油機沖程較長,可以提高抽油泵的充滿系數(shù)和排量系數(shù),提高泵效、增加石油產(chǎn)量。抽油機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、動載荷較小,有利于提高抽油機和抽油系統(tǒng)的使用壽命,延長修理期。(3)抽油機懸點運動幾乎全是等速運動,抽油機和抽油系統(tǒng)的附加載荷較小,有利于提高使用壽命,噪音較小。(4)采用液壓驅(qū)動系統(tǒng),可以降低采油成本,提高采油經(jīng)濟(jì)效益。(5)由于沖程較長,可以減少抽油桿與油管之間的磨損以及抽油泵的機械磨損,提高井下

20、設(shè)備的使用壽命。(6)抽油機在進(jìn)行正常抽油作業(yè)時,與井口對準(zhǔn)。如欲修井,可將抽油機移開井口,修完井之后,又可以復(fù)位進(jìn)行正常抽油作業(yè)。抽油機結(jié)構(gòu)特點(1)液壓系統(tǒng)采用147kw;電動機驅(qū)動一臺液壓泵,產(chǎn)生一定的液壓與排量,用于驅(qū)動裝在減速器上的六個液壓馬達(dá)。該驅(qū)動系統(tǒng)為密封式結(jié)構(gòu),裝有處理直徑為3um顆粒的過濾器,使用壽命長達(dá)40000h。在系統(tǒng)設(shè)計方面,所有摩擦副和軸承的壽命均在40000h以上。(2)減速器裝有液壓釋放和停止剎車裝置。滾筒上有一個肖氏b硬度為280、并帶有繩槽的聚胺脂橡膠的外表面,由兩邊的減速器驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動,將載荷均勻地傳給機架。(3)用改進(jìn)型118in iwrc高強度鋼絲繩

21、聯(lián)接抽油桿、平衡重,鋼絲繩結(jié)構(gòu)為641,根據(jù)drucker和tachau鋼絲繩的新設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)選擇的。預(yù)計使用載荷次數(shù)為75萬次,約6個月。平衡重是由外徑為610m、長度為9.45m的套管制成,套管內(nèi)裝滿baso4,作用力為105kn,下入長45.75m的762mm套管內(nèi)。為了防止平衡重與套管發(fā)生偏磨現(xiàn)象,在平衡重的上、下端均裝有4個導(dǎo)輪,每個導(dǎo)輪均由上面黃油嘴注黃油進(jìn)行潤滑。(4)抽油機的機架由兩個工字鋼和兩個支承輥組成,在修井時機架可移離井口,修好后又可復(fù)位進(jìn)行抽油作業(yè)。(5)44.45mm抽油泵配用86號抽油桿柱,總長為3048m。采用高強材料的抽油桿,在抽油桿的上部裝有導(dǎo)向器。(6)桿式抽

22、油泵中44.45mm,采用api閥組件,柱塞長2.13m,徑向隙為0.177mm。通過對國外各類長沖程抽油機進(jìn)行分析研究后，得出以下三點有關(guān)長沖程抽油機技術(shù)發(fā)展方向：（1）增大沖程游梁抽油機是常規(guī)游梁抽油機的發(fā)展方向?由于增大沖程游梁抽油機具有提高采油效率、增加石油產(chǎn)量、降低采油成本等優(yōu)點,所以是常規(guī)游梁抽油機的發(fā)展方向。（2）增大沖程無游梁抽油機是增大沖程抽油機的發(fā)展方向?增大沖程游梁抽油機是在游梁抽油機的基礎(chǔ)上,增加了增大沖程機構(gòu),仍然保留著游梁抽油機的某些缺點,各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不可能有顯著的改善和提高。增大沖程無游梁抽油機徹底擺脫了游梁抽油機某些缺點,具有更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),可大幅度地提

23、高抽油機運動特性、動力特性與平衡特性,所以增大沖程無游梁抽油機是增大沖程抽油機的發(fā)展方向。（3）長沖程無游梁抽油機是長沖程抽油機的發(fā)展方向?與增大沖程抽油機?增大沖程游梁抽油機和增大沖程無游梁抽油機#相比較,長沖程無游梁抽油機適應(yīng)現(xiàn)代采油工藝發(fā)展的需要,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn),顯著地提高了抽油機的運動特性、動力特性和平衡特性,不需要增大沖程機構(gòu),傳動效率較高,桿件受力較好,而且還可以實現(xiàn)超長沖程抽油,例如沖程長度可達(dá)15-30,這種沖程是增大沖程抽油機無法實現(xiàn)的,所以長沖程無游梁抽油機優(yōu)越于增大沖程抽油機。為此,長沖程無游梁抽油機是長沖程抽油機的發(fā)展方向。 總之世界長沖程抽油機將會有很大的技術(shù)發(fā)展，

24、其數(shù)量將會大幅度的增加，長沖程機構(gòu)將更簡單、有效，壽命更長。碳纖維復(fù)合材料簡介碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的外形呈帶狀，橫截面為矩形（通常的尺寸為36.83mm5.38mm），長度可達(dá)915m以上，中間沒有接箍，僅兩端各有一個剛接頭，可纏繞到直徑為3.05m，寬為0.15m的滾筒上。它具有密度小，彈性較好，耐腐蝕， 抗疲勞性能好，活塞效應(yīng)小，起下作業(yè)速度快等優(yōu)點；同時存在兩端部與剛接頭連接部位的疲勞強度較低，最大工作溫度僅為60，不能受壓縮應(yīng)力，不耐磨和價格較貴的缺點。合理利用碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿，可達(dá)到增產(chǎn)，節(jié)電，延長檢泵周期，降低采油成本的目的。它擴(kuò)大了有桿泵抽油系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，可用于高含

25、水油井，深井，超深井和腐蝕井的原油開采具有廣闊的應(yīng)用前景。 為了克服普通剛抽油桿質(zhì)量大，耗能高，失效頻繁，活塞效應(yīng)大，起下作業(yè)速度慢，易磨損的缺點，美國利用獨特的航空航天設(shè)計和材料技術(shù)，經(jīng)過10多年的努力，于20世紀(jì)90年代初研制成功碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿，專用的油井作業(yè)設(shè)備和碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿和鋼質(zhì)抽油桿的混合抽油桿柱設(shè)計軟件，并進(jìn)行了礦場試驗。試驗結(jié)果表明：碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿是一種很有發(fā)展前途的特種抽油桿。cfrpc抽油桿的結(jié)構(gòu)碳纖維符合材料或稱碳纖維增強塑料連續(xù)抽油桿（carbon fibre reinforced plastic continuous sucker rod

26、）簡稱為cfrpc抽油桿，呈帶狀，可纏繞到纏繞大盤上（見圖1-4），它的橫截面為矩形。增強材料：心部為碳纖維；上下表面覆蓋玻璃纖維布，以提高cfrpc抽油桿的橫向強度；左右兩側(cè)面和棱角覆蓋勞綸纖維布或玻璃纖維布，以提高抽油桿的耐磨性能?；w為乙烯樹脂，采用拉擠工藝生產(chǎn)。 圖1-4 纏繞大盤1 轉(zhuǎn)軸;2支承環(huán);3滾筒;4cfrpc抽油桿 cfrpc抽油桿兩斷部的連接結(jié)構(gòu)（見圖1-5），其兩表面上各帖一條用纖維復(fù)合材料做的加強帶，并打3個螺釘孔。剛接頭的一端符合api抽油桿規(guī)范以便和剛抽油桿，抽油光桿相連接；另一端開一個槽，有3個內(nèi)螺紋孔。將cfrpc抽油桿的端部插入，鋼接頭的槽中用3個螺釘固定。

27、cfrpc抽油桿的端部連接結(jié)構(gòu) 1cfrpc抽油桿;2加強帶;3螺釘;4鋼接頭 當(dāng)今有一些油廠采用cfrpc抽油桿油井作業(yè)設(shè)備（見圖1-6） 圖1-6 抽油桿作業(yè)車1滾筒;2導(dǎo)向器;3cfrpc抽油桿;4載車;5馬達(dá); 6減速器;7鏈條;8吊桿;9鋼絲繩;10卡瓦;11千斤1991年5月至1995年11月美國在33口抽油井使用了cfrpc抽油桿，平均泵掛深度為1444m，平均泵徑為50.5m，7口井的平均沖數(shù)為10.5min-1，平均地面沖程為3.94m，cfrpc抽油桿的長度占整個抽油桿柱長度的平均比例為56.8%,井底的平均溫度為42.7，井液平均含水88.8，平均日產(chǎn)液91.7t。其中有

28、一口井正常運行了4年，另一口含h2s的井正常運行了3年，還有幾口井也連續(xù)運行了3年多。這33口井在4年半的礦場試驗中工作業(yè)45井次，最主要的失效形式是剛接頭疲勞斷裂和cfrpc抽油桿端部連接部件失效，其次是由于cfrpc抽油桿受壓應(yīng)力引起失效。試驗結(jié)果表明：cfrpc抽油桿具有足夠的抗資料1490008574 6 疲勞強度，可以達(dá)到增產(chǎn)和節(jié)電的目的，可用于原油生產(chǎn)。 1.2.2 碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的性能特點及應(yīng)用前景碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的性能特點及應(yīng)用前景碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的性能特點及應(yīng)用前景碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的性能特點及應(yīng)用前景 （1）優(yōu)點： 密度小，可以降低光桿載荷和

29、減速器的扭矩，節(jié)電。cfrpc抽油桿的密度為1.59g/cm3，約為鋼抽油桿的五分之一。cfrpc抽油桿剛抽油桿的混合抽油桿柱的質(zhì)量比剛抽油柱輕50%以上，因此，可以大大降低光桿載荷和減速器的紐矩，達(dá)到節(jié)電的目的。可使抽油桿的型號降低12個規(guī)格，減少設(shè)備投資。 彈性好，優(yōu)化設(shè)計混合抽油桿柱，可以增加原油產(chǎn)量。cfrpc抽油桿的彈性模量e1.16105mpa，利用混合抽油桿柱設(shè)計軟件，優(yōu)化設(shè)計抽油系統(tǒng)，可實現(xiàn)超沖程，增加原油產(chǎn)量。 耐腐蝕，延長了檢泵周期。 降低了抽油桿的失效頻率和活塞效應(yīng)。cfrpc抽油桿的中間沒有接箍，減少了接箍引起的失效和活塞效應(yīng)。 cfrpc抽油桿與油管的摩擦力較小，降低

30、了油管的磨損和光桿載荷。 抽油桿起下作業(yè)速度快，減輕作業(yè)工人的勞動強度?；旌铣橛蜅U柱的起下作業(yè)速度約比鋼抽油桿柱快60%。 擴(kuò)大了有桿泵抽油系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。利用美國普通的640型抽油機和抽油泵，泵掛深度為1493m，利用cfrpc抽油桿，通過優(yōu)化設(shè)計，日產(chǎn)液可達(dá)191t，因此可部分代替電潛泵，用于大泵強采。此外，cfrpc抽油桿還可用于深井，超深井和腐蝕井。 （2）缺點： cfrpc抽油桿的兩端部與鋼接頭連接部件的疲勞強度較低，是薄弱環(huán)節(jié)。 目前最高工作溫度僅為60。 不能承受壓應(yīng)力，耐磨性能較差。 價格較貴，美國cfrpc抽油桿的價格接近22.2mm玻璃鋼抽油桿，比22.2mm抽油桿貴1倍。

31、 （3）應(yīng)用前景： cfrpc抽油桿適用于高含水油井，深井，超深井和腐蝕井的原油開采。目前我國約有抽油井8萬口，原油平均含水在80%以上，泵掛深度2000m以上深的井?dāng)?shù)占井?dāng)?shù)的15%以上，腐蝕井的井?dāng)?shù)也占總井?dāng)?shù)的15%以上。因此，cfrpc抽油桿在我國有廣闊的應(yīng)用前景。 2抽油機起升裝置電動機的選擇2.1電動機的選擇2.1.1起升功率的計算 懸點載荷：fmax=100kn 起下速度：v=1520 m/min=（1413）ms 則起升功率為：pw=fmaxv=100(1413)kw=(2533.3)kw 即最大起升功率：pw=33.3kw 2.1.2 傳動裝置的總功率選擇傳動方案如下圖2-1所示

32、： 圖2-1 傳動裝置運動簡圖這一功率由電動機帶動減速器來實現(xiàn)，則由電動機至傳動鏈的傳動總效率為a，即有：a=145其中，12345分別為每一傳動副的傳動效率，分別為：帶傳動： 1=0.95 滾動軸承： 2=0.98 齒輪傳動： 3= 0.97 （齒輪精度為8級，不包括軸承效率） 聯(lián)軸器： 4= 0.99 （凸緣聯(lián)軸器） 鏈傳動： 5= 0.91則有a=145 =0.950.9840.9720.990.91=0.743所以 pd=pw畏a=33.30.743=44.82kw確定電動機轉(zhuǎn)速 根據(jù)所選鏈及鏈輪可確定主動齒輪軸的工作轉(zhuǎn)速為： n= 1000vzp = = 23.159 rmin按表推

33、薦的傳動比的合理范圍。 取v帶傳動的傳動比：i1=24二級圓柱齒輪減速器的傳動比：i2=840則傳動比的合理范圍為：ia=16160故電動機轉(zhuǎn)速的可取范圍為； nd=ian=(16160)23.159=(370.5443705.44)r/min型號額定功率（kw）電壓 (v)電流 (a)同步轉(zhuǎn)速 (rmin)效率 (%)功率因數(shù)cosyb2-280m-655380104.8100092.80.862.4由于動作過程中電動機需要經(jīng)常改變方向，所以需要選擇可以反轉(zhuǎn)的電動機，根據(jù)容量和轉(zhuǎn)速，選擇“yb2系列隔爆型三相異步電動機”。 其主要性能如表2-1：2.2傳動參數(shù)的計算 2.2.1 計算總傳動比

34、ybd-280m-6型電動機總傳動比：ia = 100023.159 = 43.180分配傳動裝置傳動比由公式: ia=i0i式中i0, i分別為帶傳動和減速器的傳動比，為使v帶傳動的外廓尺寸不至于過大，故初?。篿0 =3.0 則減速器傳動比為:i =iai0 = 43.1803 = 14.3932.2.2分配減速器的各級傳動比 按展開式布置，考慮潤滑條件，兩極大齒輪應(yīng)有近似的浸油深度(即使兩個大齒輪直徑相近)，可由機械設(shè)計課程指導(dǎo)書圖12展開式曲線查得有i1=4.5,則i2=ii1=14.3934.5=3.2傳動裝置各軸的運動及運動參數(shù)為進(jìn)行傳動件的設(shè)計計算，要推算出各軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩（或功率

35、），將傳動裝置各軸有高速至低速依次定為：軸，軸，軸，軸。 i為相鄰軸間的傳動比； 為相鄰兩軸間的傳動效率； p為相鄰的輸入功率（kw） t為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩（nm） n為各軸的轉(zhuǎn)速。 則可按電動機軸至工作機運動傳遞路線推算，得到個軸的運動和動力參數(shù)： 各軸轉(zhuǎn)速(1) n0-電動機同步轉(zhuǎn)速 i0-電動機至軸的傳動比 軸：n=n0i0=10003=333.33rmin 軸：n= ni1=333.334.5=74.1rmin 軸：n = ni2=74.13.2=23.156rmin 軸：n= n=23.156rmin(2) 各軸輸入功率：pd=44.82kw 軸：p= pd01=44.820.95=4

36、2.579 kw 軸：p= p12=42.5790.980.97=40.476 kw 軸：p = p23=40.4760.980.97=38.476 kw 軸：p= p=38.476 kw(3) 各軸輸入轉(zhuǎn)矩：td=9550(pdn0)=9550(44.82/1000)=428.03 nm 軸：t=9550( p1n)= 9550( 42.579333.33) =1219.90 nm 軸：t=9550(pn)=9550(40.47674.1)=5216.54 nm 軸：t =9550(pn)=9550(38.47623.156)=15867.04 nm 軸：t= t=15867.04 nm數(shù)據(jù)

37、歸納為下表2-2 表2-2 轉(zhuǎn)動裝置各軸運動參數(shù)名稱輸入功率p(kw)輸入轉(zhuǎn)矩t(nm)轉(zhuǎn)速n(r/min)傳動比 i效率 電動機44.82428.0310003.00.95軸42.5791219.90333.334.50.95軸40.4765216.5474.13.20.95軸38.47615867.0423.1561.00.95iv軸38.47615867.0423.156 3 傳動裝置的設(shè)計3.1 帶傳動的設(shè)計已知電動機的型號為yb2-280m-6 額定功率： 55kw 同步轉(zhuǎn)速n0: 1000r/min 帶傳動比i： 3.0 一天運轉(zhuǎn)時間： 24小時 3.1.1 確定計算功率查表有ka

38、=1.4計算功率為：pca= ka p = 1.455 = 77 kw3.1.2 選取v帶的帶型根據(jù)pca和小帶輪轉(zhuǎn)速n0確定用窄v帶帶型。由于窄v帶能承受較大的預(yù)緊力，故根據(jù)機械設(shè)計第七版圖8-9選用spb型窄v帶。 由機械設(shè)計表8-3和表8-7取主動輪基準(zhǔn)直徑為dd1=200mm 則dd2= i0dd1=3.0200=600 mm3.1.3 驗算v帶的速度 由公式v=dd1n1(601000)= = 10.47因為帶速在530m/s范圍內(nèi)，帶速合適。根據(jù)公式0.7(dd1dd2)a0 2 (dd1dd2) 有0.7(200600)a0 2 (200600)即560a01600初取a0=10

39、00mm由公式ld0=2a0 +(dd1+dd2) + ( dd1dd2)24a0ld0=21000 + 3.142(200+600)+(200600)2(41000) =3296mm取帶的基準(zhǔn)長度ld=3550mm計算實際中心距aaa0(ldld0)2=1000+(35503296) 2=1127mm考慮到帶輪的制造誤差、帶長誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產(chǎn)生的補充張緊的需要，帶給出的中心距的變動范圍amin=a0.015 ld =11270.0153550=1073.75mmamax=a0.03 ld =11270.033550=1233.5mm3.1.5 驗算小帶輪包角a1180-(dd

40、2dd1) =180-(600200) =159.66a190則主動輪上的包角合適。3.1.6 計算v帶根數(shù) z=pcapr=pca(p0+ p0)kakl根據(jù)n1=1000rmin,dd1=200mm,查機械設(shè)計第七版表8-4c和表8-4d得p0=8.97 p0 =0.83根據(jù)a0=159.66，查表，得： ka =0.95根據(jù)dl=3550mm，查表，得：kl=0.99 則將上述數(shù)據(jù)代入可得，z= 77 (8.97+ 0.83)(0.950.99)=8.35取整值 z=9根3.2 帶輪的設(shè)計3.2.1 計算預(yù)緊力f0f0=500pcazv() qv2查表得q=0.020kgm則f0=()

41、0.020=697.87n應(yīng)使帶的實際初拉力ff0對于新安裝的v帶，初拉力為1.5f0，運轉(zhuǎn)后為1.3f03.2.2 作用在軸上的壓軸力fp fp=2zf0sina12=29697.87n=3.2.3 帶輪寬度b=(z1)e2f=819212.5=177mmdd1=200mm, dd2=600mm帶輪用鑄造的方法制造，選用鋼材 ht=1003.3 齒輪傳動的設(shè)計3.3.1 選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)（1）一般抽油機齒輪傳動采用雙圓弧齒輪傳動； （2）選用齒輪精度等級為8-8-7jb4021-85； （3）選擇齒輪材料 小齒輪材料： 37simn2mov，調(diào)質(zhì)，hb1=280310。 大

42、齒輪材料：zg35simn，調(diào)質(zhì)，hb2=240270。 用硬度下限值查抽油機（石油工業(yè)出版社）圖5-12和圖5-18，取調(diào)質(zhì)合金鋼區(qū)域圖的中間值得疲勞極限 小齒輪 大齒輪 him1=870nmm2 him1=805nmm2 fim1=520nmm2 fim1=500nmm23.3.2 初步確定主要傳動嚙合參數(shù) 高速級（人字形齒輪） 已知ih=4.5， 初選z1=18則z2=ihz2=4.518=81= 4.5暫取=30,a=0.25,則半齒寬上的軸向重合度為=a(z1+z2) tan2=0.25(18+81) tan302=2.27在推薦范圍內(nèi)，故取=2.27，=2，=0.27按抽油機接觸疲

43、勞強度設(shè)計式（5-11）初定模數(shù)：mnt1kakvk1khz2+k13zezzzzlhp12.19對分流式布置的人字形齒輪，按單側(cè)斜齒傳遞一半扭矩計算，取小齒輪z1的名義轉(zhuǎn)矩為t1=0.5t i=0.515.8710614.3930.886=622245.67nmm其中t為輸出軸轉(zhuǎn)矩，i為減速器的總傳動比，為減速器的總傳動效率。蠄d=蠄a (1) 2=0.25(4.51) 2=0.687查抽油機圖5-7， =0.72時，k1 =1.09（非對稱布置，軸剛性小）取ka=1.5 ,暫取kv=1.05按齒輪組精度為7級，取khz=1.39 由抽油機圖5-8，當(dāng)=0.297，=30時，查得 =0.17

44、 由抽油機表5-4得ze=31.27 (nmm2) 由抽油機圖5-9，按u=4.556，查得zu=1.058 由抽油機圖5-10，按=30，查得=0.665。 暫取=1，zl =1，zv =1 取zn=1,shlim=1.3則蟽hp1=8701111.3=669.2 nmm2蟽hp2=8051111.3=619.2 nmm2mn=4.044mm取第一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，mn =5mm 初定主要傳動參數(shù)：a=285.788mm取中心距a=300mmcos尾=0.825則=34.41=3425d1=mnz1cos尾=518=109.09mmb=mnsin=2.2973.145sin34.41=63.82

45、mm 取b=64單側(cè)齒寬（3） 低速級（人字齒輪） 低速級傳動比iliih=14.3934.5=3.2初選z3=30，則z4=ilz3=3.230=96則=9630=3.2暫取26，a=0.24,=az3z4tan2=0.243095tan26 2=2.33在推薦范圍內(nèi)，故取=2.33,=2t2=0.515.871063.20.95=2610197.37nmm蠄d=0.243.212=0.5由抽油機圖5-7按蠄d=0.5和=26，查得kl=1.0625（非對稱布置，軸剛性?。?由抽油機圖5-9,按u=3.167查得=1.077 由抽油機圖5-10，按=26查得=0.6224 由抽油機圖5-8，

46、按=0.33查得=0.20 代入接觸強度設(shè)計式初定模數(shù):mn=5.099mm取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，mn =6mm 初定主要傳動參數(shù)：a=417.226mm中心距取整得a=420mmcos尾=0.89則=26.77 =2646d3=mnz3cos尾=6300.89=202.247mmb=mnsin=2.333.146sin26.77=97.5mm 取b=97半人字齒寬3.3.3 校核齒根彎曲疲勞強度 按齒輪傳動設(shè)計手冊表4-10計算齒根彎曲疲勞應(yīng)力 蟽f=(t1kakvklkfz20.86()實際總傳動比i=ihil=3.24.5=14.4考慮到兩側(cè)齒輪對中性的加工誤差，故在校核計算時，單側(cè)齒輪名義轉(zhuǎn)矩按

47、0.6t1算，即t1=0.6t i=0.615.8710614.40.886=746331.83nmm小齒輪轉(zhuǎn)速n1 =23.15914.4=333.49rminv=n1d1601000=109333.49601000=1.903ms由齒輪傳動設(shè)計手冊圖4-9,7級精度，得kv=1.03 唯d=bd1=64109=0.587由齒輪傳動設(shè)計手冊圖4-10，按非對稱布置，軸剛性小查得kl=1.075（軟齒面） 實際重合度=bsinmn=64sin34.41 5=2.30 由=0.27和=34.41 從齒輪傳動設(shè)計手冊圖4-11查得=0.17取ka=1.5，kfz=1由齒輪傳動設(shè)計手冊式4-12得y

48、u=(u+1u)0.14=1.028由齒輪傳動設(shè)計手冊表4-14查得ye=2.076(mpa)0.14由齒輪傳動設(shè)計手冊式4-12得=()0.14=0.264zv1=z1=180.8253=32.056zv2=z2=810.8253=144.252按zv1，zv2由齒輪傳動設(shè)計手冊圖4-13查得yf1=2.03，yf2=1.83由齒輪傳動設(shè)計手冊圖4-14查得齒端系數(shù)yend=1.31蟽f1=()0.86(2.0761.0280.2642.031.311852.58)=183.69nmm2蟽f2=蟽f1yf2yf1 =183.691.832.03=165.60 nmm2由齒輪傳動設(shè)計手冊圖4-

49、18查得yn=1由齒輪傳動設(shè)計手冊圖4-21查得yx=0.96sf1= = = 2.72sflim=1.8sf2= = =2.90sflim=1.8sflim彎曲強度的最小安全系數(shù)，取值范圍為sflim1.61.8，要求一般可靠度時取下限值，高可靠度時取上限值。 從校核計算可知，小齒輪彎曲強度比大齒輪低，但兩者都超過了高可靠度安系數(shù)，彎曲強度儲備有富裕。3.3.4 校核齒面接觸疲勞強度用校核式計算齒面疲勞應(yīng)力：, ka , kv, kl,khz,ze,zu,及等系數(shù)。 由=()0.27算得=0.698 由zv1=32.056，zv2=144.252及mn=5從齒輪傳動設(shè)計手冊圖4-12查得z偽

50、1=0.9975，z偽2=0.967，則 =0.5（）=0.5（0.9975+0.967）=0.98225 蟽h=()0.73 =458.32 nmm2由齒輪傳動設(shè)計手冊圖4-19，采用200號極壓工業(yè)齒輪油潤滑，當(dāng)v50潞=200mm2s,查得zl=1.05vg=vtan=1.903tan34.41=2.778ms由齒輪傳動設(shè)計手冊圖4-20,按vg=2.778ms，查得zv=0.885則sh1=蟽hlim1zlzvzn蟽h=87011.050.885451.22=1.79shlim=1.3sh1=蟽hlim2zlzvzn蟽h=80511.050.885451.22=1.66shlim=1.

51、3安全。由計算可知，小齒輪的接觸疲勞強度比大齒輪高。 3.3.5 承載能力計算（高速級）（1） 由許用接觸應(yīng)力決定承載能力 取shlim=1.3 shp1=蟽hlim1zlzvznshlim=87011.050.8851.3=621.88 nmm2 shp2=蟽hlim1zlzvznshlim=80511.050.8851.3=575.42 nmm2t1= mn3 ()10.73 53 ()10.73=1034.6nm則換算到輸出軸的承載能力為t3=t1i0.6=1034.60.90414.3930.6=22.4knm（2）由許用彎曲應(yīng)力決定的承載能力 取sflim=1.6蟽fp1=蟽flim

52、1ynyxsflim=52010.961.6=312 nmm2蟽fp2=蟽flim2ynyxsflim=50010.961.6=300 nmm2 =53（）10.86 =1118426nmm=1118.4nm則換算到輸出軸的承載能力為t3=t1i0.6=1118.40.90414.3930.6=22.4knm =24.3knm3.3.6 低速級齒輪疲勞強度校核 計算過程從略，僅給出結(jié)果。 （1）齒面接觸疲勞強度校核 sh3=1.738=1.3 sh4=1.608=1.3 安全。（2）齒根彎曲疲勞強度校核 sf3=2.096=1.8 sf4=2.126=1.8 安全。3.3.7 主要參數(shù)幾何尺寸

53、計算 表3-1 齒輪幾何參數(shù)匯總表名稱高速級低速級計算式齒數(shù)zz1=18 z2=81=30 =96模數(shù)=5mm=5mm當(dāng)量模數(shù)=6.002mm=6.74mm=螺旋角=34.41=26.77傳動比ii=4.5i=3.2分度圓直徑d=109.09mm=490.90mm=201.61mm=645.15mmd=z中心距aa=300mma=423a=(+)齒頂圓直徑=119.09mm=500.90mm=213.61mm=657.15mm=d+2齒根圓直徑=96.59mm=478.40mm=186.61mm=630.15mm=d-2齒寬b3.4軸的設(shè)計根據(jù)工作條件，初選軸的材料為40cr，調(diào)制處理，按照扭

54、矩強度法進(jìn)行最小直徑估計，既 。初算軸徑時，若最小軸段開有鍵槽，還要考慮鍵槽對軸強度的影響。對直徑d100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大3%；有兩個鍵槽時軸徑增大7%。對直徑d100mm的軸，有一個鍵槽，軸徑增大5%7%；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大10%15%。3.4.1 軸的設(shè)計及相關(guān)鍵的設(shè)計（1）高速軸的材料選用40cr調(diào)質(zhì)，硬度241286hbs。查機械設(shè)計（第八版）表15-3得a0=100，由前面的計算知=42.579，=333.33，則100 = 50.36mm因為高速軸為外伸軸，且最小軸徑處需要安裝帶輪，需開一鍵槽，=(1+7%)=50.361.07=53.89mm,取=55mm由此依次設(shè)計軸的軸徑（由帶輪端向箱體內(nèi)）為60mm70mm80mm齒輪