无驴头增程抽油机设计及分析*

马 兵，秦嘉斌，王丽春

(1.西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065 2.中石油煤层气有限责任公司忻州分公司，山西忻州 036600)

0 引言

多种类、高适应性是我国抽油机的发展方向之一［1－2］。近年来，国内外在常规游梁式抽油机的基础上改进设计出了多种抽油机，其中大多取得了良好的效果，针对性地解决了部分问题。本文在分析常规游梁式抽油机机构特点后，设计了一种无驴头增程抽油机，其特点是取消了驴头，在传统的游梁式抽油机上增加了辅助直线机构。并对其运动特性、长短杆长度对抽油机冲程和尺寸的影响进行研究，对关键部分进行了有限元分析，为无驴头增程抽油机的设计和应用提供了理论依据。

1 无驴头增程抽油机工作原理［3－4］

无游梁增程抽油机是一种由曲柄摇杆机构和辅助直线机构组成抽油装置。通过曲柄的旋转带动F点绕E点做圆弧运动，再连接辅助直线机构，使F点的旋转运动变为I点的直线运动。利用刚性杆产生的直线往复运动实现抽油机的上、下冲程，替代了驴头与钢丝绳。抽油机工作时，电动机通过皮带带动减速器，减速器带动曲柄转动，通过曲柄摇杆机构带动F点绕E点做圆弧运动，F点通过辅助直线机构使得I点作直线往复运动。当曲柄B点逆时针由上向下旋转时，悬点I带动抽油杆向上运动，即上冲程;当曲柄B点逆时针由下向上旋转时，悬点I带动抽油杆向下运动，即下冲程。曲柄的连续旋转，实现抽油过程。

2 无驴头增程抽油机数学模型建立

2.1 辅助直线机构数学模型

无驴头增程抽油机中辅助直线机构是其关键部分，本文采用复数矢量法对其形成直线的机理进行研究。如图1 所示，LDH=LDG，LDE=LEF，LFH=LFG=LHK=LGK。K点是I点在水平方向的投影。

图1 无驴头增程抽油机工作示意图

由方程(1)～(3)可得

由于LDG，LFG，LDE在设计出抽油机时已确定，从而得出LDK的长度始终为常量，即I点在垂直方向沿直线运动。

2.2 曲柄摇杆机构数学模型

曲柄摇杆机构的分析采用矢量回路法进行分析。图1 中，θ1表示曲柄转角，θ2、θ3表示 BC、CE 杆与水平方向的夹角，lx、ly分别表示铰支点E与A的水平和垂直距离。根据向量回路，可列方程:

将式(5)分解成为X方向和Y方向的标量:

将(6)、(7)平方相加并利用正余弦半角公式得到:

其中，A1=2LCEly－ 2LCELABsin θ1

再联立式(6)、(7)消去θ2，并对此方程全微分，分

2.3 抽油机悬点数学模型

根据图1及以上分析结果，可以得出无驴头增程抽油机悬点的冲程、速度以及加速度:

式中:LIK表示悬点的冲程表示悬点的速度表示悬点的加速度。给定该抽油机的曲柄转角θ1和曲柄角速根据以上数据，即可求得无驴头增程抽油机各个构件的运动参数。

3 无驴头增程抽油机特征参数的影响分析［5］

辅助直线机构作为无驴头增程抽油机的特征结构，是现有抽油机所没有的新结构。辅助直线机构对于抽油机的冲程和抽油机的尺寸又有重要影响，因此对辅助直线机构长杆、短杆长度与抽油机冲程和抽油机尺寸的关系进行研究，以使抽油机几何尺寸较小的情况下有最大的冲程，达到增程效果。利用Solid-Works研究辅助机构长杆、短杆长度对抽油机冲程和尺寸的影响，仿真时抽油机的冲次为8 min－1。将抽油机的短杆长度分别设定为 1.6 m、1.8 m、2 m、2.2 m、2.4 m，保持其他参数不变，利用 SolidWorks进行运动分析，结果如图2所示。可见短杆长度对抽油机高度与冲程的影响相反，短杆长度从1.6 m变化到2.4 m，冲程降低了 4.1%，抽油机高度增加了17.1%。因此，根据抽油机工作需求，短杆长度应尽量小。

图2 短杆长度与抽油机冲程、高度关系图

将抽油机的长杆长度分别设定为6.6 m、6.8 m、7 m、7.2 m、7.4 m，保持其他参数不变，结果如图3 所示。

图3 长杆长度与抽油机冲程、高度关系图

可见长杆长度对抽油机冲程与高度的影响相反，长杆长度从6.6 m变化到7.4 m，冲程提高了13.3%，抽油机高度降低了13.4%。因此，根据抽油机工作需求，长杆长度应尽量大。

根据以上分析的辅助直线机构长杆、短杆长度与抽油机冲程和抽油机尺寸的关系，考虑到抽油机辅助直线机构的受力情况，在满足冲程较长，抽油机几何尺寸较小下，选择抽油机的辅助直线机构长杆LDH=7.2 m，辅助直线机构短杆 LFH=1.6 m。

4 无驴头增程抽油机实例分析

类比10型常规抽油机，设计出10型无驴头增程抽油机的基本参数，其中，曲柄长度LAB=0.975 m，连杆长度LBC=3.335 m，游梁后臂长度 LCE=2.400 m，游梁前臂长度LEF=3.000 m，游梁支撑中心到减速器输出轴中心的水平距离lx=2.300 m，游梁支撑中心到底座底面的距离ly=3.334 m，辅助直线机构长杆LDH=7.200 m，辅助直线机构短杆 LFH=1.600 m，曲柄角速度=0.837 rad/s，即 8 min－1。利用上述推导公式及给定的已知参数，即可求得无驴头增程抽油机悬点的位移、速度和加速度。绘制出无驴头增程抽油机的运动特性曲线如图4所示，可以得到悬点最大冲程、最大速度、最大加速度分别为2.980 m、1.377 m/s、1.405 m/s2。其冲程、速度、加速度曲线满足抽油机设计的要求。

图4 悬点位移、速度、加速度与时间关系

5 无驴头增程抽油机特征结构力学设计与优化

5.1 无驴头增程抽油机特征结构力学设计［6］

辅助直线机构作为无驴头增程抽油机的特征结构，因此应对其进行力学分析使其强度满足抽油机的工况要求。通过对抽油机辅助直线机构在工作状态下分析，得出杆LFH和杆LFG是辅助直线机构中最危险的两个部分，因此其安全性决定着新型抽油机设计的成败。为此，对10型无驴头增程抽油机的上述两杆进行有限元分析，以检验其是否满足抽油机强度和刚度要求。由于两杆的设计方法一样，因此仅列出杆LFG的设计过程。

辅助直线机构短杆材料选用普通碳钢，参照常规10型抽油机的负载情况，并利用材料力学对其基本尺寸进行计算，选取短杆的初始参数:短杆长度1 600 mm，宽度140 mm，厚度80 mm，在短杆上开出长度1 100 mm，宽度110 mm，深30 mm的弧形槽。对其力学模型进行简化分析，对其一端施加固定约束，根据力系分析以及抽油机载荷，在另一端施加200 kN的力。对其进行网格划分，划分单元总数48 776个，节点数78 987。图5为短杆的应力云图及位移云图。最大应力和最大位移分别为63.18 MPa和0.28 mm，安全系数 n=220.59/63.18=3.49，符合安全规范，设计安全可靠。

图5 短杆应力和位移云图

从图5可知，虽然短杆最大应力在材料的屈服极限范围内，但是设计裕度过大，存在冗余，应该进一步优化。

5.2 无驴头增程抽油机特征结构优化

利用SolidWorks对其尺寸进行拓扑优化，在短杆长度和宽度不变的情况下，降低生产成本，提高经济效益。优化后的应力及位移云图如图6所示。最大应力和最大位移分别为97.98 MPa和0.49 mm，安全系数降低为 n=220.59/97.98=2.25，满足设计要求。

图6 优化后短杆应力和位移云图

表1列出了优化前后短杆的参数。由表可知:优化后安全系数从 3.49 降低到 2.25，体积从 1.05×107mm3降低为 6.89×106mm3，质量从 82 kg降低到 53 kg。设计节省了材料，降低了动载荷。

表1 优化前后短杆参数表

6 结论

(1)设计了一种新型无驴头增程抽油机原理图，并对其建立了数学模型，应用解析法求出了悬点位移、速度、加速度曲线。

(2)研究了辅助机构长杆、短杆长度对抽油机冲程和尺寸的影响，得出长杆、短杆对抽油机的冲程和高度影响相反，在满足几何关系前提下，应尽量选取长杆较长、短杆较短的组合方法。

(3)样对其关键部分进行有限元分析，并在满足安全要求下对其进行拓扑优化，降低了生产成本，提高了经济效益。

［1］ 方仁杰，朱维兵.抽油机历史现状与发展趋势分析［J］.钻采工艺2011(2):60－63.

［2］ 张连山.关于国内抽油机发展趋向的几个问题［J］.石油机械1996(2):30－34.

［3］ 高 健.抗偏载冲床的直线运动机构的研究［D］.南京:南京航空航天大学，2010.

［4］ 朱 浩.直线引导型独立悬架及转向系的设计与动力学分析［D］.北京:清华大学，2010.

［5］ 曹毅杰.电动轮冷却风机的叶片设计与优化［J］.制造业自动化，2014(11):146－148.

［6］ 杨 侠，万 攀，郭 钊，等.基于SolidWorks四连杆抽油机结构优化［J］.石油机械，2013(10):90－92.