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1、 A P I 抽 油 机 模 块 化 设 计设 计 说 明 书设 计： 编 写：校 审： 长江大学（石油学院）机械工程学院二OO四年八月三十日目 录一、设计概述 2二、总体参数规划 2三、机构尺寸规划及计算结果 4四、结构设计与模块划分 7五、模块的划分与三维建模 14六、三维抽油机组装 23附表一：58种API抽油机主要性能指标 24一、设计概述本设计项目是根据江汉石油学院和中原石油勘探局机械制造总厂签定的API抽油机模块化设计合同书的要求进行的。我国从上世纪60年代开始生产抽油机以后，由于生产规模的不断扩大，生产抽油机的厂家起来越多，原来生产抽油机的专业化厂家，如：兰石、宝机、三机厂、四机
2、厂等基本转产，取而代之的是各个油田机械制造厂，随着这些机械制造厂生产规模的不断壮大，国内抽油机市场上早已趋于饱和状态，这样就出现了供过于求的现状。中国加入WTO以后，由于出口环境的改善，机电产品的出口数量大幅上升，石油机械产品的出口也从无到有，数量也在逐年不断地增加，这几年，抽油机的出口也成逐年上升的趋势。在国际贸易中，抽油机需求地区一般是工业较不发达地区，他们没有本国的抽油机标准，大多数抽油机进口国如印尼、阿根廷、印度以及叙利亚、埃及等中东国家。这些国家在定货时均以API（美国石油学会）标准为依据，且大多数为常规型抽油机，而定货的特点是数量少，品种多，交货时间短。为此，对于一个抽油机生产厂家
3、而言，要满足这些要求，从而赢得定单并非易事。这样，开发全套的API系列抽油机产品设计图样就显得非常重要了。为此，笔者运用PRO/E计算机绘图软件，建立抽油机零部件的三维模块化图库，开发出55种API常规抽油机设计图样，可基本满足国内抽油机出口品种的需要。PRO/E美国参数化技术公司（PTC）推出的计算机三维CAD软件，它是当今世界机械工程领域最流行的计算机三维CAD软件之一。它采用单一的数据库，并集三维实体建模、装配造型、NC自动编程和加工、有限元分析、机构运动仿真等功能于一体，其功能之强大，应用范围之广泛远非其它三维绘图软件能比的。为此，本设计采用PRO/E作为计算机绘图工具进行三维建模。A
4、PI系列抽油机模块化设计的主要内容有：总体参数规划、尺寸规划及计算结果、结构设计、模块划分及三维建模、三维抽油机的组装等五个方面的内容。二、总体参数规划API（美国石油协会）抽油机规范（API SPEC 11E） 中游梁式抽油机的种类有四种，它们分别是：常规型抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式气平衡抽油机、前置式曲柄平衡抽油机。至于其它类型的游梁式抽油机，目前还没有收录到该标准之中，同时，该标准规定了77种不同型号的常规型抽油机。 这些抽油机的悬点额定载荷从9.5kN（2100 lb）至213kN（47000 lb）；减速器的额定扭矩从0.75kN.m（6400 in-lb）到415 kN.m
5、 （3648000 in-lb）。考虑到目前世界各个产油国家油田的实际情况、定货情况以及结合我国的相关标准（如SY5044-2000游梁式抽油机），对于悬点额定载荷小于25 kN，减速器额定扭矩小于3.0 kN.m 的和减速器额定扭矩大于105 kN.m 的各种型号的常规型抽油机，由于其在实际中很少使用，而且到目前为止也没有出现这样的出口定单，为此，我们将这些型号的抽油机（API SPEC 11E中有19种）剔去，剩下的API系列抽油机只有58种了。抽油机的的参数主要是：悬点额定载荷、冲次数和光杆冲程，由于这三个参数是独立的，分别代表抽油机主要性能指标，故我们称之为基本参数；另外，抽油机减速器
6、的额定扭矩、电动机的装机功率，也是其重要的技术参数，但它们不是独立的，而是由抽油机的基本参数决定的，故我们称之为总体参数。在规划这些参数的过程中，额定悬点载荷根据API标准提供的公称尺寸数据，进行公制转换、圆整即可；对于一台抽油机而言，一般有三到四个冲程，其中最大的光杆冲程可以依照API标准提供的公称尺寸数据，进行公制转换、圆整，其它几个冲程则要根据计算求得。计算的论据是既要符合制造要求，又要满足冲程梯度的变化，即符合不同型号的抽油机最大冲程的变化规律。单一的冲次数决定了抽油机运动速度，同时决定了抽油机各运动构件的动载荷，在规划抽油机的冲次数时，主要是考虑抽油机的平均抽吸速度，其值在一个较小的
7、范围内变化，并且随着冲程的增加而增大。减速器的额定扭矩依照API标准提供的公称尺寸数据，进行公制转换、圆整，并且符合SY5044-2000游梁式抽油机的要求，需要指出的是：我国的减速器齿轮都是双圆弧齿轮，API标准中的减速器齿轮均是渐开线齿轮。但为了与我国的标准进行统一，本设计采用双圆弧齿轮，并且对于SY/T5795-1993游梁式抽油机安装尺寸、易损件配合尺寸中没有列出的减速器（如JSQ4.5，JSQ3.0，JSQ146）我们将按照通用减速器的标准进行设计。抽油机的装机功率是抽油机在指定工况下工作时的最大消耗功率，再考虑一定的储备系数（1.15），即可确定其装机功率。表一给出了58种API抽
8、油机总体参数。 表1 63种API常规抽油机的总体参数规划序号抽油机型号减速器额定扭矩(in-lb)承载能力（lb）冲程长度（in）抽油机型号冲程长度（m）冲次数 （min-1）装机功率（kW）英 制米 制1C912-427-21691200042700216CYJ19-105-5.55.54.84.23.05.07.075.02C912-470-24091200047000240CYJ21-105-6.06.05.44.53.04.56.075.03C912-427-19291200042700192CYJ19-105-4.84.84.23.64.06.08.055.04C912-305-1
9、9291200030500192CYJ14-105-4.84.84.23.64.06.08.055.05C912-365-16891200036500168CYJ16-105-4.24.23.63.05.07.09.055.06C912-305-16891200030500168CYJ14-105-4.24.23.63.05.07.09.055.07C912-427-14491200042700144CYJ19-105-3.63.63.22.76.08.01055.08C640-305-19264000030500192CYJ14-73-4.84.84.23.64.06.08.055.09C6
10、40-305-16864000030500168CYJ14-73-4.24.23.63.05.07.09.045.010C640-365-14464000036500144CYJ16-73-3.63.63.22.76.08.01045.011C640-305-14464000030500144CYJ14-73-3.63.63.22.76.08.01045.012C640-256-14464000025600144CYJ12-73-3.63.63.22.76.08.01045.013C640-305-12064000030500120CYJ14-73-3.03.02.52.16.09.01245
11、.014C456-305-16845600030500168CYJ14-53-4.24.23.63.05.07.09.045.015C456-305-14445600030500144CYJ14-53-3.63.63.22.76.08.01045.016C456-256-14445600025600144CYJ12-53-3.63.63.22.76.08.01045.017C456-365-12045600036500120CYJ16-53-3.03.02.52.16.09.01237.018C456-305-12045600030500120CYJ14-53-3.03.02.52.16.09
12、.01237.019C456-256-12045600025600120CYJ12-53-3.03.02.52.16.09.01237.020C320-256-14432000025600144CYJ12-37-3.63.63.22.76.08.01037.021C320-256-12032000025600120CYJ12-37-3.03.02.52.16.09.01237.022C320-213-12032000021300120CYJ10-37-3.03.02.52.16.09.01237.023C320-305-10032000030500100CYJ14-37-2.52.52.11.
13、86.09.01230.024C320-256-10032000025600100CYJ12-37-2.52.52.11.86.09.01230.025C320-213-863200002130086CYJ10-37-2.22.21.91.612151830.026C228-213-12022800021300120CYJ10-26-3.03.02.52.16.09.01230.027C228-173-10022800017300100CYJ8-26-2.52.52.11.86.09.01230.028C228-246-862280002460086CYJ12-26-2.22.21.91.69
14、121530.029C228-213-862280002130086CYJ10-26-2.22.21.91.69121530.030C228-200-742280002000074CYJ9-26-1.91.91.61.49121522.031C228-173-742280001730074CYJ8-26-1.91.91.61.49121522.032C160-173-861600001730086CYJ8-18-2.22.21.91.69121522.033C160-200-741600002000074CYJ9-18-1.91.91.61.49121522.034C160-173-74160
15、0001730074CYJ8-18-1.91.91.61.49121522.035C160-143-741600001430074CYJ6.5-18-1.91.91.61.49121522.036C160-173-641600001730064CYJ8-18-1.61.61.41.112151822.037C114-119-861140001190086CYJ5.5-13-2.22.21.91.69121522.038C114-143-741140001430074CYJ6.5-13-1.91.91.61.49121522.039C114-173-641140001730064CYJ8-13-
16、1.61.61.41.112151822.040C114-143-641140001430064CYJ6.5-13-1.61.61.41.112151822.041C114-133-541140001330054CYJ6.0-13-1.41.41.10.915182122.042C80-119-64800001190064CYJ5.5-9.0-1.61.61.41.115182118.543C80-133-54800001330054CYJ6-9.0-1.41.41.10.915182118.544C80-119-54800001190054CYJ5.5-9.0-1.41.41.10.9151
17、82118.545C80-133-48800001330048CYJ6-9.0-1.21.20.90.615182118.546C80-109-48800001090048CYJ5-9.0-1.21.20.90.615182118.547C57-76-5457000760054CYJ3.5-6.5-1.41.41.10.915182115.048C57-109-48570001090048CYJ5-6.5-1.21.20.90.615182115.049C57-95-4857000950048CYJ4.5-6.5-1.21.20.90.615182115.050C57-89-425700089
18、0042CYJ4-6.5-1.01.00.80.618212415.051C57-76-4257000760042CYJ3.5-6.5-1.01.00.80.618212415.052C40-76-4840000760048CYJ3.5-4.5-1.21.20.90.618212411.053C40-89-4240000890042CYJ4-4.5-1.01.00.80.618212411.054C40-76-4240000760042CYJ3.5-4.5-1.01.00.80.618212411.055C40-89-3640000890036CYJ4-4.5-0.90.90.70.51821
19、2411.056C25-67-3625000670036CYJ3-3.0-0.90.90.70.51821247.557C25-56-3625000560036CYJ2.5-3.0-0.90.90.70.51821247.558C25-53-3025000530030CYJ2.4-3.0-0.750.70.60.42124277.5在上表规划结果中，每一种型号的给出了三个冲程(对于长冲程抽油机,一般都有四个冲程长度)和三个冲次，为进一步的结构设计作准备；同时，为了实现低冲次，并且满足使用要求， 减速器均设计成二级减速器，相应的采用Y自系列的6级、8级或10级电动机。三、尺寸规划及计算结果游梁式
20、抽油机四连杆机构的尺寸决定了其运动性能、动力性能及其能耗。长期以来，游梁式抽油机四连杆机构尺寸的确定成为许多学者和设计人员的研究对象。在这方面，已有大量的文章见诸于各个专业杂志上，其中，有不少的文章是关于游梁式抽油机四连机构参数的优化设计，文献1、2、3、4从不同的角度论述了抽油机四杆机构的尺寸优化设计问题。这些优化计算的结果都是对一个单一的抽油机机构模型而进行的，对于API抽油机系列设计来说，如果对每一种型号的抽油机按照优化设计的方法进行设计，那么，可能得到的结果是每一种抽油机的四杆机构的尺寸都是相互独立的，并且与另一种相近型号的抽油机没有多大的关联，这样做，不仅设计、绘图的工作量很大，而且
21、加工的零件也很多，工装夹具的数量也不少，相应的每一台抽油机的制造成本就较高了。对于系列化设计而言，应当更主要地体现规模化设计的特点，即：设计工作量小，工装夹具少，加工成本低，产品通用性好等优点，只有这样，才能降低产品制造成本，满足出口用户的定货需求，即：数量少，规格多。为此，我们的设计原则是：在优先保证四杆机构尺寸数量最少的条件下，再考虑每一种四杆机构尺寸的最优性能，同时，还应考虑由于抽油机型号的不同，从而使用不同的轴承座对抽油机四杆机构尺寸的影响。图1为游梁式抽油机四连杆机构的尺寸示意图，在图中，H为抽油机底座底平面至支架轴承中心的高度，它取决于抽油机的最大冲程长度，并决定抽油机的高度，其具
22、体计算方法是：H=S maxH cH h 0.20.25 （m）式中， S max最大冲程长度 （m）；H c井口装置高度 （m），一般为：1.21.5（m）；H h悬强绳器高度 （m），一般为：0.350.4（m）。A为游梁前臂长度，其大小取决于冲程长度和游梁的摆角，值得说明的是，前苏联和我国都是采用大摆角（约1弧度），而美国则是采用小摆角（一般为4446），大摆角抽油机的特点是结构紧凑，但动力性能差，扭矩特性差，能耗高；大小摆角抽油机的特点是结构庞大，但动力性能好，扭矩特性好，能耗低。在本次设计中，采用游梁小摆角设计。具体来说，当冲程长度小于4.2 m（含4.2 m）时，游梁的摆角为444
23、6；当冲程长度大于4.2 m时，游梁的摆角为5153。G为减速器输出轴中心线至底座底平面的距离，其大小决定了抽油机曲柄的长短，从而影响平衡块的重量，G越大，曲柄长度越长，在同一平衡扭矩的条件下，平衡块越轻。由机架K、曲柄R、连杆P及游梁后臂C构成曲柄摇杆机构我们称之为曲柄连杆机构，其尺寸的大小及分配决定了抽油机的运动性能、动力性能及其能耗。在设计和规划曲柄连杆机构尺寸时，先以减速器输出轴净扭矩的最大波动值为目标函数，优化出一组曲柄连杆机构的尺寸，再以该尺寸为基础，考虑各种型号抽油机之间的相互关联，从而确定其它相邻型号抽油机曲柄连杆机构的尺寸。按照API 抽油机规范5（API SEPC 11E）
24、之规定，58种不同型号的常规抽油机四连杆机构的尺寸结果列于表2中。表二、58种API系列常规抽油机几何尺寸表UNITACIPHGH-GRSR1R2R3R4S1S2S3S4912-427-216(19-105-5.5)6600346035055095851034305080140012001000555648034067912-470-240(21-105-6.0)66003460350550958510343050801530133011309306094533045893865912-427-192(19-105-4.8)53303050305037706650282038301350115
25、09507504907420935352879912-305-192(14-105-4.8)5330305030503770665028203830135011509507504907420935352879912-365-168(16-105-4.2)533030503050377066502820383011901010830431737323166912-305-168(14-105-4.2)533030503050377066502820383011901010830431737323166912-427-144(19-105-3.6)4570305030503770665028203
26、83011901010830369731992714640-305-192(14-73-4.8)5330305030503770665028203830135011509507504907431737323166640-305-168(14-73-4.2)533030503050377066502820383011901010830431737323166640-365-144(16-73-3.6)457030503050377066502820383011901010830369731992714640-305-144(14-73-3.6)45703050305037706650282038
27、3011901010830369932042716640-256-144(12-73-3.6)457030503050377066502820383011901010830369932042716640-305-120(14-73-3.0)39352820282033905900244034601060910760304826092159456-305-168(14-53-4.2)533030503050377066502820383011901010830431737323166456-305-144(14-53-3.6)45703050305037706650282038301190101
28、0830369932042716456-256-144(12-53-3.6)457030503050377066502820383011901010830369932042716456-365-120(16-53-3.0)39352820282033905900244034601060910760307226092159456-305-120(14-53-3.0)39352820282033905900244034601060910760307226092159456-256-120(12-53-3.0)393528202820339059002440346010609107603070260
29、82159320-256-144(12-37-3.6)457030503050377066502820383011901010830370632042716320-256-120(12-37-3.0)39352820282033905900244034601060910760307026082159320-213-120(10-37-3.0)39352820282033905900244034601060910760307026082159320-305-100(14-37-2.5)32752820282033905900244034601060910760255521711798320-25
30、6-100(12-37-2.5)32752820282033905900244034601060910760255521711798320-213-86(10-37-2.2)2820244024402895498020102970940810680224519231611228-213-120(10-26-3.0)39352820282033905900244034601060910760307026082159228-173-100(8.0-26-2.5)3275244024402895498020102970940810680260822351872228-246-86(11-26-2.2
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