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Design of API Series Pumping Unit
Model：RM912D-427-144
Student: lijingjing ，The College of Mechanical Engineering
Supervisor: Guo dengming，The College of Mechanical Engineering
【Abstract】The pumping units are one of important parts in exploitation equipments。Driving by the pumping units, the other equipments are running in order to achieve the mechanized exploitation of the oil well 。The unusual sharp beam-pumping unit is developed from the conventional beam-pumping units by the modification of crank and the optimization of size。 In this article, working routine and power-saving technology of the unusual sharp beam-pumping units will be introduced and the designing procedure, First，serial geometric calculation movement calculation and dynamic calculation of 4-bar rod of pump unit were finished accord to known design data and design standard to express law of motion of this kind of equipment。Second，process parameter was computed intensity of essential parts was checked and the selection of correlating equipments, such as electro-motor and reducing gearbox, sum up the characteristic in the performance. The end, working condition was analyzed and sketch was designed。In the middle of produce ,Excel was used to edit computational program。
【Key words】Unusual sharp beam-pumping units Crank Strength
Characteristic
長江大學
機械工程學院
畢業(yè)設計外文翻譯資料
題 目：API偏置抽油機設計
學 生：李晶晶
學 院：機械工程學院
專業(yè)班級：機械1033班
指導教師：郭登明
輔導教師：郭登明
時 間：2007-4-1
長江大學機械工程學院教研室
社會石油工程39800
關于桿式抽油泵中紊流摩擦的預測
美國塔爾薩社會石油工程成員J.Xu, S.A.Shirazi, Z.Schmidt和R.N.Biais及Doty博士。
社會石油工程成員1998年著
這篇文章是通過一個作者簡述的社會石油工程計劃選擇二疊紀。現(xiàn)在，社會石油工程成員還沒有回顧、作者還沒有修正文章的內容。現(xiàn)在這份材料沒有必要細想任何社會石油工程成員，辦公室成員或職員的地位。也許現(xiàn)在社會石油工程編輯在公開回去社會石油工程會議。禁止電子再現(xiàn)，分類或為商業(yè)目的不顧社會石油工程成員所寫內容精簡這篇文章的任何部分。允許復印，但不允許縊離300個詞語。圖表可能不能夠復制。摘要必須包括出自哪里和作者姓名的著作。社會石油工程P.O.,BOX833836,Richardson,TX75083-3836,傳真：972-952-9435
簡介
有桿抽油泵中摩擦力對檢測和分析有桿泵系統(tǒng)裝置有重大影響，該摩擦力是由活塞桿在流體中做往復運動產生的。現(xiàn)在有關管道中流量的研究都受到包含運動桿和聯(lián)軸對層流平流的限制。由于低黏度流體和桿周圍的聯(lián)結使流體呈渦流狀，所以在近期的研究中關于靜止管壁和運動桿/聯(lián)軸環(huán)形區(qū)域，簡易模塊使用混合長度方法相比流體動力學的計算編碼計算效率更高，流體動力學的計算編碼使用模型標準去檢測有運動桿和聯(lián)結環(huán)面的紊流摩擦系數(shù)，簡化模型已發(fā)展到可去檢測帶有運動桿環(huán)面的紊流摩擦系數(shù)，這些模型結果彼此進行比較后得到有用數(shù)據(jù)，另外，在桿/聯(lián)軸和流體間的摩擦系數(shù)按照以下4個參數(shù)可以描述為桿與管道半徑的比值，聯(lián)軸與管道半徑的比值流體的雷諾值和相對桿的速度。
緒論
有桿泵體系早已有歷史記錄，在最有名和最有影響力的石油開采中的人工舉升方法，直到20世紀50年代末，在動態(tài)數(shù)學模型方面才做出了足夠努力并并取得了發(fā)展，該模型能夠在檢測有桿泵系統(tǒng)的性能中得到使用，先前的努力仍受到桿和流體的動態(tài)限制，流體的動態(tài)性不僅對層狀流體有限制，而且受到臆測著的嚴格把握，紊流的粘性摩擦和庫侖摩擦都在先前的研究中被忽略。
在泵作用和低黏度流體的共同作用下，在管道系統(tǒng)和桿共同組成的環(huán)面中的流體是十分紊亂的（尤其是在泵作用系統(tǒng)中桿速度最大部分）。當然，聯(lián)軸分布沿桿部分增加液體或氣體的紊亂。根據(jù)實驗的跡象和和理論的分析表明紊流的粘性摩擦在有桿中分布式的摩擦與桿的聯(lián)軸是薄片狀摩擦的幾倍。因而，有必要說明桿式抽油泵系統(tǒng)的紊流摩擦模型在設計和方針方面的問題。
在當今的工作中，計算流體動力學是用來分析管道系統(tǒng)和桿共同組成的環(huán)面中的紊流體問題。這個方法被用來預測桿、管道系統(tǒng)和聯(lián)軸的摩擦系數(shù)。另外，一個簡化的模型被用來預測桿和管道系統(tǒng)中的摩擦系數(shù)。
數(shù)學模型
圖1闡述一個由固定環(huán)形系統(tǒng)、運動桿和聯(lián)軸組成的環(huán)形區(qū)域的示意圖。桿和聯(lián)軸貫穿上部和下部，而流體主要流過上部。因此，在環(huán)面中的流體是自然復雜并且瞬時的。如同上述，計算流體動力學可以被用來預測流體瞬時的液壓，但是計算很容易和現(xiàn)在計算機的性能完全混淆，所以，一些簡單的設想用于發(fā)展對分析流體有效的解決方法。例如，假設流體既不以恒速向上或向下運動。這種假設非常簡化計算流體動力學方法并促進了簡化模型的發(fā)展。
計算流體動力學方法用于驗證簡化模型的建議，同時用于評價連接桿因外形復雜而很困難完成的幾何分析法的影響。由于驗證數(shù)據(jù)與這相關問題都被限制，僅僅就是在這些特殊的情況可用，計算流體動力學使用的工具固定桿可提供低成本的可靠分析。
簡化方法和綜合的計算流體動力學都被認為是種突破。
綜合計算流體動力學方法
現(xiàn)今研究把商業(yè)中有用的計算流體動力學編碼稱為，計算流體動力學編碼解決特殊領域中的調節(jié)流體平衡，流體在環(huán)形系統(tǒng)中形成紊流，需要紊流模型去檢測流體區(qū)域。有些紊流模型可用于包括標準模型、低雷諾值的模型、RNG模型和雷諾壓力模型。當今工作標準模型和低雷諾值翻譯模型都被用來解決紊流或旋渦粘性。標準紊流模型使用動力學的能量k和它的消散比ε是有效的，而且被用來解決許多工程問題和復雜的幾何問題。良種紊流模型都可以用來預測在移動桿和聯(lián)合所組成的復雜的幾何圖形所在的幾何區(qū)域中的紊流問題。低雷諾值紊流模型與紊流模型相比要求更多的格子要點，而且效率更低。因此，低雷諾值紊流模型被應用在這里僅僅是檢驗標準模型結果的精確性。
計算流體動力學編碼可以產生用數(shù)字表示的解決方法解決許多流體問題。為了保證數(shù)據(jù)的好的收斂性和格子不受約束的解決方法，應用流體動力學編碼是該十分小心的。有效的模擬標準通過模擬預測和已知的文獻（例如流體和管道流體）得到的實物實驗數(shù)據(jù)比較容易掌握。
流體環(huán)面是軸對稱的，兩個空間的格子用來仿真。簡單的說，只考慮兩個虛擬模型的連接。圖2表述流體范圍和格子的示意性在模擬中被考慮進去。例如一個模擬情況的桿和聯(lián)軸的尺寸如下：
桿長=25cm
桿半徑=0.011cm
管道半徑=0.031cm
聯(lián)軸半徑=0.023cm
在指定邊界的情況下，簡言之，管道系統(tǒng)被認為是運動的桿而聯(lián)軸認為是靜止的，流體的流速（或物體的速度）在指定范圍內。
計算流體動力學方法用于計算平均管壁的剪切力和不同桿速的壓力變化、環(huán)面幾何學、聯(lián)軸尺寸流體雷諾值。
為了獲得有用數(shù)據(jù)的集中和獨立網(wǎng)格的解決方法，殘余數(shù)據(jù)，所以所有變化都要小于，另外，作為第一個網(wǎng)格點在管壁附近，管道大于30，由于標準法選擇5到20統(tǒng)一的交叉網(wǎng)格和150到200不統(tǒng)一的網(wǎng)格半徑方向作為低雷諾值方法，軸向長度取管道直徑的200倍（在里面充分發(fā)展水力流動的環(huán)境）。使用這些數(shù)字化條件將導致在使用不同的網(wǎng)格空間所獲得的數(shù)據(jù)結果和使用不同的紊流模型方法檢測獲得的數(shù)據(jù)結果沒有評估差異。
簡化模型
計算流體動力學方法是合理靈活多變的，但他要求廣泛的計算做支持。為了工程設計更有效的方法被采納。
一些工作存在于與我們目標相關的文獻中，經驗的綜合為摩擦因素從特定的運動桿和聯(lián)軸的薄片狀流體實驗數(shù)據(jù)中得到發(fā)展，Shigechi（史戈赤）發(fā)表了有關在鐵路軌道中紊流和熱傳遞的分析解決方案，通過Van Driest (梵.得瑞斯特)使用修改的混合長度原始的紊流模型的建議。這個模型從基本的理論原理方面被發(fā)展，他還能應用于解決一個簡單數(shù)學模型的桿式泵中的摩擦因數(shù)。
模型的基本方程起源于簡化的平均時間Navier Stokes(耐維斯籌克斯)方程和假設渦流粘性。一個簡單修改過的混合長度模型用于渦流流體，這個模型要求分配渦流的動力擴散率或者渦流粘性，速度v。方法是分配渦流粘性然后計算側面的速度和管壁的剪切力就像管道中或者同中心的環(huán)形區(qū)中充滿流體。但像這樣先前的努力就像Shigechi et al（史戈赤）et al模型依靠一側面的速度的假設造成一個0剪切力的粗糙的中段在管道與桿之間。這樣的設想有效僅僅決定于軸向流體壓力變化是否足夠大或者桿的速度是否相對的小。在桿式泵系統(tǒng)中，要求流體要求流體壓力變化慢是可能的但桿的速度卻很高，這樣的條件可能要求產生流體速度的側面有個變形點（例如不是沒有剪切力）而不是速度的側面有個最小值（例如剪切力為0），這些條件可能導致先前的方法失敗。出于這種考慮，一種新方法就是基于使用特定區(qū)域最小剪切力能使速度分布圖有個變形點。這種方法可以用于克服在環(huán)形區(qū)域中所有可能產生速度分布的流體。作為一種新方法，當這個最小剪切力接近0時，速度分布圖將產生一最小值（例如剪切力為0），這種方法與現(xiàn)在和以前的方法都一致。
一些簡化的設想被應用就是為了發(fā)展簡化模型，例如桿的聯(lián)軸沒有包含在內。在摩擦系數(shù)中桿的聯(lián)軸的影響的評價通過使用計算流體動力學模擬。簡言之，這些假設應用于簡化模型結構如下所述：
1管道和運動桿都是同中心和圓柱坐標代替幾何學。
2管道和桿的表面都是光滑的。
3環(huán)形區(qū)域的流體是完全的紊流流體。
4流體所在的環(huán)境是穩(wěn)定的。
5流體的物理特性包括一個不可壓縮的具有持續(xù)的物理理論的牛頓流體。
6用流體剪切壓力或一個最小化的剪切壓力可以將管道系統(tǒng)和桿組成的環(huán)形區(qū)域分成里面和外面的區(qū)域。
7為簡化起見，所有的系數(shù)都源自于無量綱形式。
上面的一些假設，1，2，3，4和5也被用于計算流體動力學仿真。
精確發(fā)展了的、空間的、結合的、平均時間的模型，Navier Stokes(耐維斯籌克斯)公式可以寫成：
…………(1a)
通過介紹旋渦擴散率動力的無量綱的形式的公式是：
…………(1b)
式中定義值j=0符合外部流體區(qū)域，j=1符合內部流體區(qū)域。圖3闡述了物體內部和外部區(qū)域位置。
無量綱的剪切力在等式（1b），能表述為根據(jù)管壁剪切力和變化剪切力，，在內部和外部流體區(qū)域之間加一簡單的平衡力如圖4所示：
……(2)
式中定義值j=0（外部流體區(qū)域）用—表示，j=1（內部流體區(qū)域）用+表示。
管道表面的相對運動，桿表面和流體都影響紊流的發(fā)展，但不同情形在內部和外部會有不同的反應，如果軸向力傾斜度相對桿的運動足夠大，則速度分布就是最小值（相當于沒有剪切力）在內部和外部流體區(qū)域相互轉換。另一方面，軸向流體壓力傾斜度相對桿的運動足夠小，而流體速度分布變化適合于創(chuàng)造一個變形點在內部和外部流體區(qū)域相互轉換處，（相當于最小剪切力）。所以改變剪切力與0相當時：
…………（3）
改變剪切力最小時：
…………（4）
同樣，當j=0（外部流體區(qū)域）用—表示，j=1（內部流體區(qū)域）用+表示。
渦流擴散率動力
為了給渦流擴散率動力發(fā)展為一表達式，Van Driest (梵.得瑞斯特)模型被應用于亞表層和瑞查得（Reichardt）模型被應用于全面發(fā)展的紊流層。亞表層和全面發(fā)展的紊流層的物理位置見圖4所示，渦流擴散率動力的方程式在亞表層為：
……….(5)
這個公式適用于時，
渦流擴散率動力的方程式在全面發(fā)展的紊流層為：
…………（6）
這個公式適用于時。
邊界情況的方程式（1b）:
無量綱的速度相當于桿在內壁和固定管道在外壁：
…………(7)
連續(xù)條件。流體模型作為精確的描述將流體通道劃分為兩個獨立區(qū)域：一個外部區(qū)域紊流中的機械裝置非常相似在那有個圓形管，一個內部區(qū)域標準的側面速度不再有根據(jù)》模型假設渦流擴散側面都是在內部和外部流體區(qū)域連續(xù)的變換。所以梵.卡門（Van Karman）常數(shù)值在內部區(qū)域時應該重新計算。為了保證渦流擴散持續(xù)在過度位置（）：
…………(8)
式中梵.卡門（Van Karman）常數(shù)在外部區(qū)域假設為
其他的變化，就像速度和剪切力通過過度期的特定區(qū)域都應保持連續(xù)性（）。因而，為了完善模型就需要下面的公式。與無量綱的剪切壓力相應的零點剪切壓力模型是：
…………(9)
與無量綱的剪切壓力相應的最小化剪切壓力模型是：
…………(10)
流體速率連續(xù)性公式是：
…………(11)
然后，通過同時地解決公式（1b）和（11）可以掌握速率和剪切壓力的分配。雷諾茲數(shù)字被定義為：雷諾編碼和摩擦因數(shù)
詳細說明雷諾茲數(shù)
…………(12)
使用精確的平均流體速度和介紹我們的無量綱參數(shù)，上面的公式可以寫成如下形式：
………(13)
摩擦系數(shù)被定義為：
…………(14)
通過掌握公式（14）和一個力平衡可以完成一個無量綱的形式摩擦系數(shù)：
…………(15)
當無量綱的半徑比率被靈活的解決之后，與桿和管道系統(tǒng)相應的摩擦系數(shù)將可以被計算：
…………(16)
上式中“+/-”符號在剪切力為0的模型情況下為正，在剪切力為最小值的模型時為負。
方程（11）和（13）用于解決無量綱變量。將方程（2）和（10）代入方程（1b），方程（1b）可用西樸深（Simpon）的方法 迭代法求解，去獲取速度分布圖。剪切力分布和3個參數(shù)取不同值時，考慮兩種情況的典型結果的摩擦系數(shù)。
因為表面粗糙度在該研究中沒有被考慮，所以在桿/聯(lián)軸和流體間的紊流摩擦系數(shù)能用以下四個參數(shù)表示：相對桿速，桿與管道半徑比，聯(lián)軸與管道半徑比和流量雷諾值Re。
結果
許多不同情況都是使用計算流體動力學的方法和簡化模型法去獲取結果。通過簡化模型，摩擦系數(shù)都用方程（15），（16）計算。桿和管道的摩擦系數(shù)都基于平均剪切力的分布，用計算流體動力學的方法得到。流體動力學的方法獲得的結果靠改變流量雷諾值，相對桿速，上下沖程范圍和兩個不同桿，聯(lián)軸和管道的幾何尺寸來實現(xiàn)。所有模擬結果都列在表格1中。
桿、聯(lián)軸和管道的層流平流和紊流的摩擦系數(shù)也同樣可用以下四個參數(shù)來表示。相對桿速，桿與管道半徑比，聯(lián)軸與管道半徑比和流量雷諾值Re（表面粗糙度不考慮）。聯(lián)軸的摩擦系數(shù)計算基于作用在聯(lián)軸上的作用力（或壓力）的比例關系
…………(17)
使用簡化模型檢測
情況（1）：圖5表示在環(huán)形區(qū)域內不同桿速檢測到的速度分布。無論桿速下降還是流量下降或者桿的向上速度相對流體的向上速度不足夠大，那樣剪切力為0的模型是有根據(jù)的，除此之外情形，速度分布檢測在圖5中有個最大值相當于剪切力為0，在這些情況下，流體速度分布不再顯示桿與管道間的最大值，取而代之，出現(xiàn)了一個變形點，所以最小剪切力模型必須被用上了，現(xiàn)在作用在桿上的剪切力方向與運動桿的方向相反。
圖7表示桿與管道剪切力的比，上沖程的相對速度（），所以聯(lián)合以上情況，當相對桿速由負值到正值的轉變時，與此同時作用在桿上的作用力下降到0（相當于桿和流體同時運動的情況），然后他繼續(xù)下降成為一個負值。
簡化模型檢測與試驗數(shù)據(jù)和計算流體動力學編碼的比較
有用的實驗數(shù)據(jù)存在于流體文獻中，通過環(huán)形縫隙對特殊情況的限制，相當于靜止桿。但是對局部有效的計算流體動力學模型使用由（Park），卡特諾（Kaetano），未里夫（Waleev），和瑞聘（Repin）收集起來的數(shù)據(jù)是可能的。簡化模型和算流體動力學編碼都進行模擬這些數(shù)據(jù)，計算流體動力學編碼和兩個實驗數(shù)據(jù)設置與用簡化模型檢測桿的摩擦系數(shù)非常一致，如圖8所示。
盡管沒有實驗數(shù)據(jù)存在類似于運動桿的情況，但簡化模型使用混合長度方法去檢測（用點表示）是可以比較的。圖9闡述了桿的摩擦系數(shù)，通過很多模型聚集在一起。觀察桿的摩擦系數(shù)，減小并伴隨桿的相對速度上升，在層狀流體區(qū)域所有模型的一致性非常好。在紊流區(qū)域其一致性也仍然不錯。但是，由于相對桿速大小增加無論正負這樣一致性都會變得越來越差。
檢測趨勢
在圖10到12表示簡化模型檢測的桿、管道和聯(lián)軸的摩擦系數(shù)使用混合長度模型。檢測考慮雷諾值Re和桿與流體的速度比等值在一定的變化范圍內，有時也考慮幾何尺寸比。層片狀和紊流情況都要考慮。文獻中摩擦系數(shù)隨雷諾值的增加和相對桿速而減小，相對桿速摩擦系數(shù)的靈敏度與聯(lián)軸比大很多，與下降桿和管道之間又小很多。
聯(lián)軸的影響
聯(lián)軸只占據(jù)了整個桿長的一部分，但聯(lián)軸上每個單位長度上的作用力都應該比桿上的大。當兩個互相沖突的影響聯(lián)合在一起時，作用在單獨聯(lián)軸上的凈作用力要比剩余桿長大1~4倍。圖13闡述不同的雷諾值和相對桿速的影響，流體的壓縮和膨脹而不是粘性的影響導致了壓力的下降，從而使桿上摩擦力消失。
幾何尺寸的影響
桿、聯(lián)軸和管道的幾何尺寸將影響摩擦系數(shù)的檢測。為了說明桿和兩個其他幾何尺寸考慮時的相對影響大小
情況（1）：
情況（2）：
桿尺寸出現(xiàn)的結果對桿的摩擦系數(shù)的影響見圖14。觀察發(fā)現(xiàn)桿的尺寸對桿的摩擦系數(shù)沒有影響，這個結果被認為是由于桿和管道的絕對潔凈。
另一方面，聯(lián)軸的摩擦系數(shù)的改變實質就是聯(lián)軸直徑的改變，直徑越大，聯(lián)軸的摩擦系數(shù)就越大。考慮兩種聯(lián)軸尺寸不同的情況：
情況（1）：
情況（2）：
聯(lián)軸尺寸出現(xiàn)的結果對聯(lián)軸的摩擦系數(shù)的影響見圖15，觀察發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸尺寸對聯(lián)軸摩擦系數(shù)有戲劇性的影響。
管道結構的影響
在斜井中，桿靠近管道表面是可能的。所以，管道結構的影響有待去評價。幸運的是，實驗數(shù)據(jù)證實了這種同軸且怪異的結構的存在。圖16論證了怪異結構的摩擦系數(shù)在某地與同軸結構相比時有所減小。
結論
1一個簡單的紊流簡化混合長度模型在環(huán)形區(qū)域內的運動桿核心得到發(fā)展。
2使用標準模型計算流體動力學對用于運動桿和聯(lián)軸同軸的環(huán)形區(qū)域內紊流的研究。
3使用不同模型對摩擦系數(shù)的檢測與存在的文獻中的實驗數(shù)據(jù)完全吻合。
4簡化模型使用混合長度方法與使用標準模型計算流體動力學方法一致。
5發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸的摩擦系數(shù)比桿的大1~4倍。
6桿的尺寸與桿的摩擦系數(shù)沒有多大影響。
7聯(lián)軸的尺寸對聯(lián)軸上的摩擦系數(shù)有戲劇性的影響（例如：增加聯(lián)軸與管道半徑比15%，聯(lián)軸摩擦雙倍增加）。
8桿上沖程的增加能降低紊流的動能而摩擦系數(shù)卻增加。但桿的下沖程速度的增加摩擦系數(shù)確實實質性的增加。
9怪異環(huán)形流體的摩擦系數(shù)比同軸的環(huán)形流體要大。
10層狀的流體和紊流的轉換沒有研究，一個實質的解決方案就是擴大層狀流體和紊流的摩擦系數(shù)。
術語
表示Van Driest（梵.得瑞斯特）常數(shù)
表示聯(lián)軸截面積（）
表示桿截面積（）
F表示桿和聯(lián)軸所有的摩擦系數(shù)
表示聯(lián)軸的摩擦系數(shù)
表示桿的摩擦系數(shù)
表示管道的摩擦系數(shù)
表示作用在聯(lián)軸上的法向壓力（板尺：cm/截面的平方）
P表示流體壓力，磅/平方米
R表示半徑，cm
Re表示雷諾值
表示無量綱半徑
表示相對桿速
表示流體的平均速度，cm/截面
表示流速量綱
表示摩擦速度，cm/截面
表示無量綱的管壁速度
表示流速，cm/截面
表示無量綱坐標距離管壁
表示無量綱內外區(qū)域的厚度
K表示梵卡門（van.karman）常數(shù)
表示桿與管道半徑比
表示聯(lián)軸與管道半徑比
表示無量綱亞表層的厚度
表示流體密度，波美/
V表示分子速度，/截面
表示渦流擴散率動力
表示剪切力，磅/平方米
下標注解
I表示內部區(qū)域
J表示內部和外部流動區(qū)域的指示器
O表示外部區(qū)域
M表示內外部區(qū)域間的轉換
參考文獻
1 Gibbs,S.G和Neely,A.B：《在桿式泵中計算機診斷鉆井情況》JPT（1996年1月）91—98頁。
2 Everitt,T.A.和Jennings,J.W：《關于桿式泵中改進計算方法的向下鉆進測力計》社會石油工程協(xié)會翻譯SPE18189，83—94頁。
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8 van Driest,E.R.:《紊流流體壁》J.Aero.Sci.vol.23485,(1956)
9 Reichardt,H.,，《Vollstandige Darstellung der tubulenten GeschwindigkeitsverteilunginglattenLeitungen》,Z.Angew.Math,Vol.31,208—209，（1951）
10 White,F.M.《黏性流體》，McGraw—Hill,Inc.紐約（1991）
11 CFX—F3D Version4.1:使用〈〈計算流體動力學手冊〉〉，聯(lián)合王國，0x11ORA牛津郡，Harwell實驗室。
感謝
創(chuàng)作者感謝塔爾薩大學的職員們對方案的支持，由于畢業(yè)于塔爾薩大學機械工程部的學生吉母東在流體動力學仿真方面的幫助，創(chuàng)作者向其表示十分感謝！
沈陽理工大學應用技術學院
畢業(yè)設計(論文)開題報告
題 目 名 稱：API偏置抽油機設計
題 目 類 別：工程設計
院 （系）：機運學院
專 業(yè) 班 級：
學 生 姓 名：張建
指 導 教 師：張福/教授
開題報告日期： 4月12日
API偏置抽油機設計：RM912D-427-144
1、 題目來源
本題目來源于湖北省教育廳重點研究計劃項目“API系列偏置抽油機模塊化設計”研究項目的一部分。
2、研究目的和意義
本項目的研究目標為：確定44種API系列偏置抽油機的機構尺寸，對其進行模塊化分，在此基礎上，設計出44種API系列偏置抽油機的生產圖樣。本設計完成其中一個設計的內容。
本項目的研究意義： 近幾年來，隨著油田開采技術的不斷發(fā)展，對抽油機也提出了更高的要求，即深泵掛，大行程，節(jié)省能源。常規(guī)抽油機不具備上述技術要求，必須尋找新的替代產品。針對此問題提出了:API系列抽油機，該抽油機是指按照美國石油學會APISPEC11E《抽油機規(guī)范》設計、制造的系列常規(guī)及便置游梁式抽油機。它是在常規(guī)型游梁抽油機的基礎上研制而成的，整機具有結構簡單，操作方便生產成本低及節(jié)能效果好的優(yōu)點。
常軌型抽油機受到四桿機構的限制，游梁擺角不能過大，導致整機質量偏重，體積偏大。偏置式游梁抽油機是在常規(guī)型抽油機的基礎上經過優(yōu)化四連桿機構的幾何尺寸，優(yōu)化了平衡重的夾角，改變了平衡重的相位角而產生的一種新型的抽油機。通過平衡重在曲柄軸上產生的扭矩與懸點負載在曲柄軸上產生的扭矩相平衡，使抽油機運轉時峰值扭矩和峰值電流都有較大幅度的降低，從而達到節(jié)能的目的。
其特點是：①游梁采用短前臂、大擺角結構，既能滿足沖程長度要求，又可減小游粱截面面積．節(jié)省原材料。②該機在上沖程時連桿與游梁呈90工作，受力狀態(tài)好，在上沖程時．曲柄轉角大，動載小，峰值扭短小。③采用偏置型平衡結構．高效節(jié)能。
偏置式游梁抽油機滿足了現(xiàn)在油田的發(fā)展需求和當代所提倡的節(jié)能型產品的發(fā)展要求，提高了開采效率，降低了損耗同時節(jié)約了成本，為企業(yè)創(chuàng)造了更大的經濟效益，因此它有廣闊的發(fā)展前景
3、閱讀的主要參考文獻及資料名稱
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4、國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向
4.1國內現(xiàn)狀：
抽油機是有桿采油系統(tǒng)的地面裝置，主要分游梁式抽油機及無游梁式抽油機兩大類。無游梁式及各類節(jié)能型抽油機，大多具有沖程長、重量輕、能耗低等特點，但在可靠性及對野外環(huán)境的適應性方面遠遠不及游梁式抽油機。API SPEC11E《抽油機規(guī)范》是美國石油學會制定的抽油機標準，該標準較為科學地規(guī)定了44種偏置式抽油機的基本參數(shù)?？梢詽M足世界不同地區(qū)的需要。該標準根據(jù)美國石油學會多年的研究成果，對抽油機的設計計算、結構設計、制造工藝乃至外觀進行了詳細的規(guī)定。世界上許多國家將該標準作為抽油機生產、訂貨的依據(jù)。
前蘇聯(lián)、羅馬尼亞等國家各自制定了標準，但非常接近。
我國根據(jù)自己的國情，結合個國標準的長處，制定了自己的抽油機標準。由于歷史的原因，國內個廠家的抽油機在外觀及結構設計上更接近前蘇聯(lián)的抽油機。
國際貿易中抽油機需求地區(qū)一般是工業(yè)較不發(fā)達的地區(qū)，它們沒有本國的抽油機標準，大多數(shù)抽油機進口國如印尼、阿根廷、印度以及敘利亞、埃及等中東國家，均以API標準作為其訂貨的依據(jù)。在國際抽油機市場中，API抽油機占主導地位。
美國拉夫金公司是生產API抽油機的典型代表。拉夫金公司具有一百年的歷史，該公司產品80%以上為按API標準制造的常規(guī)游梁式抽油機。其產品質量好，使用壽命長，銷售網(wǎng)點遍布各地，是國際抽油機市場中強有力的競爭對手。
在國內，對抽油機進行模塊化設計和制造還是空白。我國抽油機是在國標規(guī)范下由各廠自行設計和仿制，雖然發(fā)展了很多機型，但品種雜亂，同一型號的抽油機，其尺寸和結構各廠也不相同（即使同一廠的產品也各有不同），企業(yè)生產成本居高不下，難以形成合理的生產規(guī)模，同時，由于品種雜，互換性差，給油田使用單位的生產和管理帶來極大不便。
基于此，為了更好地滿足國內抽油機制造廠家的要求，按照API標準規(guī)定的要求，設計出全套的偏置抽油機圖樣，就顯得更為重要。
4.2國外現(xiàn)狀：
抽油機是油田采油生產中常用的地面舉升設備，是采油井在自噴能力消失后，采用人工方式將油舉升到地面的設備。從抽油機總的發(fā)展趨勢看仍以游梁抽油機為主，同時向多樣化、超大載荷、長沖程；自動化、智能化；節(jié)能、無油梁長沖程方向發(fā)展。
在抽油機的制造方面，世界上已有100多家公司，主要集中在美國、俄羅斯、法國、加拿大、和羅馬尼亞等國家，其中美國抽油機品種齊全，技術水平先進，質量較好，應用范圍廣泛。目前世界上抽油機最大的下泵深度達，在美國Reno油田上使用。俄羅斯的抽油機下泵深度為。美國Lufkina公司制造的A系列前置式氣平衡抽油機最大載荷為。國外抽油機的制造企業(yè)也逐步向大公司靠攏，采用統(tǒng)一的技術生產，多種形式的無梁長沖程的抽油機的發(fā)展已日趨完善，抽油機自動化控制也被廣泛使用，各種節(jié)能機型得到普遍推廣，游梁式抽油機產品的系列化、標準化和通用化程度日益提高。
（1）自動化、智能化抽油機
抽油機自動化、智能化控制技術的發(fā)展是近幾年來抽油機技術進步的一個顯著特點，是成熟技術和高新技術集成化應用的具體體現(xiàn)。自動化抽油機具有實時測得油井運行參數(shù)，及時顯示個記錄并且通過計算機進行綜合計算與分析功能，推薦最優(yōu)工況參數(shù)、進一步指導抽油機以最優(yōu)工況進行抽油的特點而成為最具有發(fā)展前景的抽油機。目前世界上比較先進的有美國Baker、Delta-x、 APS和Nsco等公司生產的自動化抽油機。
美國的Delta-x公司研制了世界上第一臺智能型抽油機，效率高，動力消耗少，自動化程度高，與常規(guī)抽油機相比，具有以下特點：
①結構緊湊占地面積小。
②是一種無游梁長沖程抽油機，最大沖程長度大12.19m，沖程可根據(jù)需要進行調節(jié)。
③該抽油機具有防抽空和防液擊的功能；節(jié)能效果好，電動機消耗功率可減少10%到30%。
④沖次較低，運行較平穩(wěn)，動載荷較小，可減輕抽油機各種零件的機械磨損，提高抽油機的使用壽命。
⑤微處理機和電子控制器具有診斷功能，還配有示功器和數(shù)字顯示以及數(shù)字傳輸機構，可將信息輸入數(shù)據(jù)庫。此外微機還有記憶功能，記錄抽油機的抽汲情況，分析流動譜，以便對油田和油井及時做出決策，提高抽油機效率，降低采油成本，取得更好的抽油經濟效益。
美國的Baker公司開發(fā)的自動化抽油機具有多種保護功能，一旦某些運行參數(shù)超過允許值時，會自動報警停車。此外還配有泵抽空控制器，確保安全可靠的進行抽油。
（2）節(jié)能型抽油機
油田機械采油中，使用抽油機的油井占總數(shù)的82.1%，由于抽油機井的系統(tǒng)效率較低大量的能量（70%以上）在傳遞過程中損失掉，因此，國內外都在致力于發(fā)展節(jié)能型抽油機。國外在節(jié)能型抽油機研制方面投入較大，研制和應用了許多新型節(jié)能型抽油機，在采油實踐中，達到了節(jié)能、提高采油經濟效益的目的。比較典型的有：低矮型抽油機、前置式抽油機、前置式氣平衡抽油機、無游梁長沖程抽油機、輪式抽油機及偏置型抽油機等，其中美國在節(jié)能抽油機方面走在前列。
（3）無游梁長沖程抽油機
隨著采油工藝的發(fā)展，長沖程的抽油機得到研制和應用。長沖程抽油方式可以提高抽油泵的泵效10%到25%，如美國加福尼亞洲的一口油井將沖程改為沖程,日產量從提高到。目前長沖程抽油機已形成三大類：即增大沖程游梁抽油機、增大沖程無游梁抽油機和無游梁長沖程抽油機。
（4）大載荷抽油機
隨著個油田油氣資源的不斷開發(fā)，油層深度逐年增加，含水量也不斷增加，大泵提液采油工藝采用大型抽油機。
美國Lufkin公司生產C系列常規(guī)游梁抽油機最大載，M系列為；A系列為。
法國MaPe公司H系列液壓驅動無游梁長沖程抽油機最大載荷為199kN。
蘇聯(lián)最大載荷為，最大泵深度。
加拿大最大氣囊平衡抽油機在大載荷。
（5）特種抽油機
①連續(xù)抽油桿抽油機
在國外連續(xù)抽油桿抽油機的研究和應用，已經有多年的歷史，并進行了油田試驗。原蘇聯(lián)設計的鋼帶式連續(xù)桿抽油機是一種無游梁抽油機，在其滾筒上繞有細廠的鋼帶，鋼帶的一端固定在滾筒上，而另一端直接連接在井下具有特殊結構的抽油泵塞上。鋼帶在滾筒上卷繞和退繞使柱塞以一定的速度和運動范圍進行。上、下沖程的換向通過動力機的反轉來實現(xiàn)。該機沖程一般很長，一般40到。
② ROTAFLEX型皮帶抽油機
ROTAFLEX型皮帶抽油機是美國HLGHLAND公司專利產品。它是以一種純機械傳動的鏈條-皮帶抽油機，特別適合有桿泵的大排量深井提液，小泵提軸稠油開發(fā)。
4.3發(fā)展趨勢：
節(jié)能、增產、耐用，是抽油機技術發(fā)展的必然趨勢。人類面對資源環(huán)境壓力，問題已不是當初的可以抽油就行的使用理念，更不以圖的結構簡單就好。同其它機械一樣，隨著生產力的發(fā)展，原材料和工藝技術的進步，抽油機也應該與時俱進的創(chuàng)新。
4.4主攻方向：
要達到節(jié)能、增產、耐用這三重目標，必須面對機、電、井，從系統(tǒng)工程的角度研究實現(xiàn)方案，任何單一的改良，都很難取得實質性的進步。抽油機從表象看似一個很簡單的粗笨機械，其實不然，它涉及機械原理、力學、運動學、動力學、流體學的經典理論原理。它不光是實現(xiàn)自身的機械運動，更多的是關聯(lián)著地下油液的滲透特性和活塞泵的充滿度。它風吹、日曬、雨淋，是使用條件最苛刻的一種機械。它不僅只關聯(lián)自身的機械效率，而且更關聯(lián)油泵的充油效率。
5、主要研究內容、需重點研究的關鍵問題及解決思路
本項目的研究內容為：
1）、詳細推導偏置抽油機四連桿機構的在不同位置時的幾何關系、運動速度、加速度公式；
2）、詳細推導常規(guī)抽油機的承載機構受力計算公式、扭矩計算公式、扭矩因素及光桿位置因素計算公式 、平衡計算公式、電動機功率計算公式；
3）、在沖程(S)為，沖次數(shù)(n)為，泵徑(D)為 的工作工況下，計算該抽油機的幾何參數(shù)、運動參數(shù)、動力參數(shù)，并對抽油機的工作扭矩、平衡扭矩、凈扭矩、泵掛深度、理論日產量、實際日產量、有效沖程長度、電動機功率、扭矩因素、光桿位置因素進行計算，并上機計算；
4）、完成抽油機的結構設計，并對主要承載零件進行校核計算，對皮帶傳動裝置進行必要地設計；
（2）畢業(yè)設計(論文)的目標及具體要求
1）、抽油機總圖一張
2）、游梁總成圖、驢頭總成圖、曲柄平衡裝置總成、連桿總成、支架總成、底座總圖、橫梁總圖各一張
3）、零件圖若干張
本項目的研究難點是：
API系列偏置抽油機各個部件摸的劃分，如何減少模塊的數(shù)量將是最重要的問題？從而減少抽油機制作過程中的工況。
本項目的創(chuàng)新點：
創(chuàng)新點在于首次將模塊化設計技術用于API偏置抽油機的設計。不僅大幅度地提高產品的設計質量、減少制造工裝的數(shù)量；同時，降低產品的設計周期和成本。對于其他系列產品的設計具有重要的指導意義。
本項目的技術關鍵：
其關鍵在于API系列偏置抽油機四桿機構尺寸的優(yōu)化設計以及虛擬制造技術在抽油機設計中的應用。系列四桿機構尺寸的確定直接決定了模塊分割的合理性以及模塊數(shù)量的多少。虛擬制造技術的應用成功與否則決定了產品設計周期能否真正減少以及設計輸出能否直接有效地用于生產。
6、完成畢業(yè)設計所必須具備的工作條件及解決辦法
工具書：
《采油機械設計計算》萬邦烈著
《機械設計手冊》 石油工業(yè)出版社
SY/T5044—2000《游梁式抽油機》技術規(guī)范
計算機輔助設計軟件：
機械autoCAD、InterCAD、ANSYS靜力學分析軟件及PRO/E三維造型軟件等
7、工作的主要階段、進度與時間安排
畢業(yè)設計起止時間：
2007年3月25日~2007年6月15日
2007年3月26 日--2007年4月1 日：外文資料翻譯
2007年4月2 日--2007年4月8 日：偏置抽油機設計計算
2007年4月9 日--2007年4月15日：撰寫畢業(yè)論文開題報告及文獻綜述報告
2007年4月16 日--2007年5月27日：完成圖紙
2007年5月27 日--2007年6月15日：寫論文
8、指導教師審查意見