復合式滑輪增程液壓抽油機設計

劉　峰，林超群，李占勇，王太星

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266580）①

復合式滑輪增程液壓抽油機設計

劉峰，林超群，李占勇，王太星

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266580）①

隨著油田開采的持續，游梁式抽油機暴露出功耗高、沖程沖次調節困難、不適應稠油開采等問題。針對游梁式抽油機的缺點，設計了一種長沖程、低沖次且沖程沖次無級可調的復合式滑輪增程液壓抽油機，并利用ANSYS軟件對液壓抽油機機架進行了強度和剛度分析，結果滿足要求。

液壓抽油機；滑輪增程；ANSYS

目前，游梁抽油機在我國油田采油作業中是有桿采油機械的主力軍，但隨著油田開采的持續，游梁式抽油機暴露出功耗高、沖程沖次調節困難、不適應稠油開采等問題［1］。本文結合國內外抽油機發展現狀和趨勢，設計了一種長沖程、低沖數且沖程沖次無級可調的復合式滑輪增程液壓抽油機。

1　方案設計

設計的復合式滑輪增程液壓抽油機的原理為：①利用液壓活塞桿的往復直線運動帶動抽油桿做往復直線運動［2］，從而實現抽油機抽油過程的上下往復運動；②利用動滑輪的增程作用，使抽油機的沖程長度是液壓缸行程的2倍，從而實現長沖程；③利用機械配重和蓄能器復合平衡，將與機械配重相等的懸點載荷轉移到機架上，可以有效地減小液壓平衡蓄能器的容量。

復合式滑輪增程液壓抽油機的原理如圖1所示。

1） 上行程。在液壓力的作用下復合液壓缸活塞向上運動，從而帶動動滑輪向上運動，動滑輪的向上運動通過高強度皮帶來驅動懸點載荷向上運動，同時機械配重塊在自重作用下也向下運動，通過皮帶作用于懸點，也對懸點載荷有向上的作用力，復合液壓缸和機械平衡塊共同來提升懸點載荷，從而使抽油機上行抽油。

2） 下行程。下行程過程與上行程相同，也主要由2部分作用力來共同作用：一部分為復合液壓缸的作用力；另一部分為機械平衡重的自身重力。當懸點到達上死點時，在復合液壓缸液壓力和機械平衡重力的共同作用下，復合液壓缸的活塞桿下行，帶動動滑輪下行，從而使連接懸點以活塞桿2倍的速度下行。同時復合液壓缸的活塞下行將復合液壓缸下腔中的油液壓入液壓系統中的蓄能器，從而將下行程中懸點載荷和液壓系統所做的功儲存在蓄能器中。

圖1　復合式滑輪增程式液壓抽油機原理

2　結構設計

依據復合式滑輪增程液壓抽油機的原理，抽油機的設計參數選擇直徑為25 mm的抽油桿，70筒式泵，油液密度取為950 kg/m3，下泵深度1 900 m，額定載荷120 k N，最大沖程6.4 m，進行滑輪增程式液壓抽油機的結構設計。其結構主要由復合液壓缸、機械平衡系統、機架、底座、懸掛系統組成，其中懸掛系統又包括高強度皮帶、固定天輪總成、動滑輪總成，其結構如圖2所示。

2.1 復合液壓缸設計

滑輪增程式液壓抽油機的懸點由復合液壓缸的活塞桿驅動，懸點的運動規律與活塞桿的運動規律直接相關。

2.1.1 工作原理

復合液壓缸采用的是B油口和C油口不同時接液壓泵的出口，而是B油口連接蓄能器組，C油口連接液壓泵出口。這樣復合缸的b腔室作為1個壓力轉換器，在抽油機下行程時將抽油桿柱的重力勢能轉化為液壓能存儲在蓄能器中，等上行程時用來舉升懸點載荷，其原理如圖3所示。

圖2　復合式滑輪增程液壓抽油機三維結構

圖3　復合液壓缸的原理

2.1.2 設計計算

復合液壓缸的活塞桿受軸向壓力大和長徑比大等因素的影響，活塞桿易因失穩而失效，因此在設計計算液壓缸的尺寸時依據壓桿穩定失效準則進行。

1） 液壓缸的計算長度L與活塞桿的最大計算長度LK的確定。

復合液壓缸的安裝方式為一端固定一端自由。根據液壓缸的安裝形式，查閱機械設計手冊確定末端載荷條件數n（歐拉載荷條件系數），n選為0.25，液壓缸的計算長度L與活塞桿的最大計算長度LK的關系為

根據液壓缸的行程和液壓缸的外形尺寸，L取3.2 m，則Lk＝6.4 m［3］。

2） 活塞桿直徑的計算。

根據工程情況，參考機械設計手冊初選活塞桿臨界失穩安全系數為n＝3.5，則活塞桿的彎曲失穩臨界壓力Fk為

懸點載荷為120 k N，選F為最大懸點載荷的2倍，即F＝240 k N。

則：Fk＝n·F＝3.5×240＝840 k N

由壓桿穩定的歐拉公式得

將活塞桿的截面慣性矩帶入式（3）整理得活塞桿的直徑d為

選α＝0.75，把數據帶入式（4）得

則活塞桿孔的直徑dI為

在保證活塞桿壓桿穩定的基礎上，將活塞桿直徑向液壓缸尺寸系列圓整，選活塞桿直徑為d＝160 mm，選d1＝120 mm［4］。

3） 液壓缸缸筒內徑計算。

考慮上下行程流量相等或相近的原則來確定液壓缸缸筒外徑，即令外缸活塞桿側截面積等于內缸截面積解出外缸筒內徑。

內缸截面積為

外液壓缸有桿腔截面積為

令An＝Aw，則解出外液壓缸徑為D＝200 mm，根據液壓缸缸徑系列，選缸徑為D＝200 mm。

根據計算數據，對復合液壓缸進行結構設計，其結構如圖4所示。

圖4　復合液壓缸的結構

2.2 機架結構設計

機架作為抽油機的支撐部件，所有的其他零部件都安裝在機架上。機架的高度直接決定了抽油機的最大沖程長度，機架高度設計為8.16 m，寬度設計為1.49 m，機架的結構如圖5所示。機架由垂直支撐、水平加強筋、斜加強筋等幾種型號的角鋼焊接而成。機架垂直支撐采用12.5 mm×14.0 mm的熱軋等邊角鋼，水平加強筋和斜加強筋均采用10.0 mm×6.3 mm×6.0 mm的熱軋不等邊角鋼。機架底部支撐采用200 mm×204 mm的HW型H型鋼和20a的工字鋼焊接而成。

圖5　機架整體結構

3　機架強度和剛度分析

機架是抽油機的關鍵部件，因此必須對機架進行強度和剛度分析。下面利用ANSYS軟件對機架進行建模和分析。

3.1 建立有限元模型

根據機架的結構特點，選用BEAM188單元對機架進行建模。BEAM188是一種基于鐵木辛柯梁結構理論，并考慮了剪切變形影響的梁單元，適用于分析從細長到中等短粗梁的結構［5］。將機架各桿件之間的焊接等效為剛性連接，將機架簡化為空間桁架結構。將抽油機所受載荷等效為集中載荷。利用ANSYS的Apdl命令語言對機架進行參數化建模，建立的有限元模型如圖6所示。

圖6　機架有限元模型

3.2 施加位移約束和載荷

機架主要受到配重箱懸掛系統通過固定天輪總成作用的垂直載荷、抽油桿提升載荷和作用在迎風面的風載。根據機架與底座的連接方式以及機架的受力特點在有限元模型中施加以下載荷：在機架底部節點施加全位移約束，在固定天輪軸承座處施加集中力載荷，并施加系統自重載荷，結果如圖7所示。

圖7　施加約束和載荷后機架的有限元模型

3.3 有限元分析結果

利用圖7模型進行求解，可得機架的有限元分析結果如圖8～15所示。

圖8　機架總位移云圖

圖9　機架x向位移云圖

圖10　機架y向位移云圖

圖11　機架z向位移云圖

圖12　機架x向應力云圖

圖13　機架xy向剪應力云圖

圖14　機架xz向剪應力云圖

圖15　機架等效應力云圖

由圖8可以看出：機架結構向前傾斜，機架的最大位移1.135 mm。由圖9～11可以看出：機架的x向最大位移0.037 mm，y向最大位移0.017 mmz向最大位移0.003 mm。

由圖12～15可以得出：機架的最大x向應力為12.4 MPa；機架的xy向的最大剪切應力為36.6 MPa；機架的xz向最大剪切應力為40.8 MPa；機架的最大等效應力為70 MPa，最大應力發生在機架頂部橫角鋼與前側豎直角鋼的焊接點處；機架其他位置處的等效應力較均勻且較小，在0～7.8 MPa。型鋼的最低屈服強度極限235 MPa，結構的安全系數為3.0，許用應力為78.3 MPa，因此機架結構是安全的。

4　結語

本文完成了復合式滑輪增程液壓抽油機的方案設計和結構設計，并對其復合液壓缸和機架進行了詳細結構設計。利用ANSYS軟件對關鍵零部件之一的機架進行強度、剛度分析，分析結果表明設計的復合式滑輪增程液壓抽油機的機架強度和剛度滿足要求。

［1］ 方仁杰，朱維兵.抽油機歷史現狀與發展趨勢分析［J］.鉆采工藝，2011（3）：60-63.

［2］ 薄濤.中國液壓抽油機的發展概況與技術水平［J］.鉆采工藝，2002，25（2）：60-62.

［3］ 成大先.機械設計手冊：液壓傳動［K］.北京：化學工業出版社，2004：20-286.

［4］ 劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2004：303-305.

［5］ 王新敏，李義強，許宏偉.ANSYS結構分析單元與應用［M］.北京：人民交通出版社，2011：89-97.

design of Complex Pulley Increasing Stroke Hydraulic Pumping Unit

LIU Feng，LIN Chaoqun，LI Zhanyong，WANG Taixing
（College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

With the continuous exploitation of oil field，beam pumping unit is exposed to high pow-er consumption，length of stroke adjustment difficulties and cannot be used for heavy oil recovery.Considering such weaknesses，the complex pulley increasing stroke hydraulic pumping unit is de-signed，which has a long stroke and a low stroke number that can be adjustable steplessly.Espe-cially，a detailed structural design was carried out for composite cylinders and rack.Using ANSYS software，strength and stiffness analysis for racks were made and the results meet the require-ments.

hydraulic pumping unit；pulley increasing stroke；ANSYS

TE933.1

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.010

1001-3482（2015）07-0039-05

①2015-01-17

劉 峰（1964-），男，山東東營人，教授，主要從事機械設計及制造和液壓傳動的教學和科研工作，E-mail：LiuF＠upc.edu.cn。