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摘 要 目前国内采用的机械采油方法主要是用游梁式深井泵装置进行的深井泵有杆采油。但随着井深和产量的不断增加与开采的复杂条件的经常出现，游梁式抽油机—抽油泵装置的缺点也日益明显暴露出来，设计的链式长冲程抽油机目的在于以最低的成本可靠的实现产品的必要的功能，以达到用户满意，增加制造企业和用户的经济效益。
关键词 长冲程抽油机；结构；设计
中图分类号 TE 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)112-0155-02
目前国内采用的机械采油方法主要是用游梁式深井泵装置进行的深井泵有杆采油。但随着井深和产量的不断增加与开采的复杂条件的经常出现，游梁式抽油机—抽油泵装置的缺点也日益明显暴露出来，主要是：
1）抽油机的冲程受游梁结构的限制，无法加大；2）在生产过程中抽油杆的事故增多，而抽油泵的排量降低；3）抽油机的电动机的配置功率较大，行程受限、功率消耗大；4）抽油机的减速器相当笨重，重量增大。
长冲程抽油机有许多优点，首先，它增加石油产量，这是采油中最经济的问题。采用长冲程低冲次的抽油方式抽油泵实际冲程长度减少的比率较小，提高了抽油泵的充满系数和排量系数，有利于提高采油效率，增加石油产量。第二，提高抽油杆和抽油泵的寿命。由于冲程长，冲次低，可以减少抽油泵磨损，提高抽油泵的使用寿命。第三，排量稳定，动载荷小，事故少。第四，抽油机运转平稳，疲劳应力较小。第五，抽油平衡效果较好。第六，具有较好的技术经济指标，具有较高的适应性。
1 链式长冲程抽油机的结构
链式长冲程抽油机主要由五个系统组成：
1）动力传动系统：包括皮带传动装置、电动机和减速器；2）换向系统：包括主动链轮、从动链轮、链条、导轨和大、小滑块等；3）平衡系统：包括平衡平带、平衡带轮和平衡块；4）机架、底座系统：包括机架、底座等；5）辅助系统：包括踏板、梯子和刹车装置等。
链式长冲程抽油机的结构原理如图1所示。
图1 结构原理图
工作原理是由电动机通过皮带传动，传到减速器。该减速器是一双圆弧齿轮传动的二级反向双输出减速器，以其反向双输出齿轮来驱动两条特殊链条作反向运动，从而带动换向器作往复直线运动。减速器减速后，驱动主动链轮旋转。这样一来，链条就在垂直布置的主动链轮和从动链轮间运转。在链条上设置一个特殊链节，它通过销轴和小滑块连接。带动大滑块。当链条做环形运动时，特殊链节也随着做环形运动。由于导轨的限制，大滑块只能沿着机架轨道作上、下垂直往返运动。在大滑块的下端直接和抽油杆相连接。大滑块的上、下垂直往返运动带动抽油杆运动。而在大滑块的上端与平衡皮带相接。以满足抽油机的平衡。
2 长冲程抽油机总体方案对比
2.1 抽油机总体方案的确定
链式长冲程抽油机的工作原理是由电动机通过皮带传动，传到减速器，经减速器后，驱动主动链轮旋转。这样一来，链条就垂直的不止在主动链轮和从动链轮间运动。在链条上设置一个特殊的链节，它通过销轴和换向器连接，带动换向器运动。当链条做环行运动时，特殊链节也随着做环行运动。由于导轨的限制，换向器只能沿着基架轨道做上、下垂直运动。换向器和抽油杆、平衡皮带相接，以满足抽油机的平衡。
2.2 抽油机的方案对比
方案一、采用换向器上端和抽油杆柱相连接，下端和平衡平带相连接。这种结构抽油杆柱通过经过上带轮和换向器上端相连接，平衡重通过上、下带轮和换向器的下端相连接，抽油机机架的一端是抽油杆柱，另一端则是平衡重块。如图2所示。
图2 方案一原理图
方案二、采用换向器的上端和平衡平带相连接，下端直接和抽油杆柱相连接。使平衡重块通过对称的带轮同换向器相连接，平衡重块分别处于机架的两端。如图3所示。
2.3 方案对比
方案一：抽油杆柱在机架的外面，这种结构对油井的维护较为方便，但是由于抽油杆柱通过平衡带和换向器相连接，使抽油杆的纵向活动较大，由于抽油杆的纵向活动将影响油井和抽油泵，使其耐用性降低，而且，由于在上、下抽油杆受力相差很大，与平衡力相差更大，使得机架的整体受力不对称影响整个机器的运行。
方案二：抽油杆柱直接和换向器底部 不便于对油井的维护，但是它采用了平衡对称的形式，使整个机架受力处于对称，而且抽油杆柱直接和换向器相连，换向器一直在对称导轨间做往复直线运动，运动的偏差很小，对油井和抽油泵都比较有利。
结论：通过对两方案的分析和对比，侧重对维修机井的考虑，采用方案一较为合理。
图3 方案二原理图
3 悬点载荷计算
抽油机在不同的抽汲参数下工作时，悬点所承受的载荷是设计抽油机和分析设备工作状况的重要依据。为此，设计抽油机必须先计算悬点的载荷。但由于计算过程太多，这里就不一一赘述了。
4 抽油机平衡重的计算
抽油机之所以不平衡，是因为上、下冲程中悬点载荷不同，而造成电动机在上、下冲程中所做的功不相等。要使抽油机在平衡条件下运转，就应使电动机在上、下冲程中都做正功；在下冲程中把能量储存起来；在下冲程中利用储存的能量来帮助电动机做功。
因此，抽油机的平衡条件是在一个抽油循环中，重物在下冲程中储存的能量或上冲程中帮助电动机所做的功，在这里本抽油机的平衡重就相当于抽油杆柱的重量：
Wp =Wr
5 换向器的选择
链条抽油机的换向器冲击不仅对井下机具产生不利影响，对链条抽油机本身的影响更大。冲击造成机件的损坏的过程缓慢而渐进，达到一定程度可导致链条断脱，特殊链节失效、链轮轴 滚肩等事故。可见，换向冲击是引发链条抽油机事故的隐患。结构如图4所示。
6 换向冲击发生的机理
链条抽油机的换向冲击主要表现在链条特殊链节的非均匀速运动。链条等传动件联结宋朝可导致换向冲击。由于链条能“拉”不能“推”，在特殊连接绕过下链轮后，前面的链条处于松弛状态，虽然下链轮未停止转动，但特殊链节必须等前面的链条张紧后才能继续往前运动。这一瞬间便产生了换向冲击。传动件联结松弛，主要是指链条松弛、链轮与肩联结松弛。联轴器周向联结松弛及减速器齿侧间隙过大等。根据链条抽油机换向区段扭矩的变化规律，换向扭矩为两头大中间小的圆滑过度。在进入换向区段前正常工作扭矩使受挤压的传动件产生弹性势能，换向扭矩减小，弹性势能释放，把正在均匀转动的链轮向前加速推进一个角度，个传动件的联结部位产生松弛间隙，随后减速器轴无载荷空转。此时链轮旋转暂停，传动件联结部位松弛间隙全部消失后，链轮轴带动链轮继续转动，此时转动扭矩跳跃式增大，产生换向冲击，传动件联结松弛的程度愈大，链条抽油机产生换向冲击的程度愈大。
7 预防措施
预防链条松弛主要从降低链条、链轮的磨损速度，提高链轮轴支撑刚度和改善链条张紧操作上采取措施。
图4 结构示意图
降低链条和链轮的磨损速度，除了采用高质量链条，提高链轮加工精度和工作面硬度外，还应提高链轮轴安装平行度和对正度，否则就会导致链条和链轮偏磨，磨损速度加快。
提高链轮轴支撑刚度，可避免链轮链条偏磨和链轮中心距缩小而导致的链轮松弛。下链轮的安装方式有三种：第一种是链轮轴的两个支点均作用在机架壁上。第二种是链轮直接安装在减速器输出轴上；第三种是链轮轴的一个支点作用在在机架壁上，另一支点的支撑刚度取决于机架壁的抗弯曲刚度，通过对壳体的实际测量估算，换向过程中链轮的上下活动量是2～4mm。第二种的支撑刚度取决于减速器底座的刚度。比第一种刚度好。两种都属于跨度较小 的支撑。第一种是一个链轮座大小的跨度，第二种是减速器壳体窄面尺寸的跨度。与前两种相比，第三种链轮轴的支撑跨度大得多，支撑效果也好。换向过程中链轮的上下活动量不超过0.5mm。第三种安装方式还有以下优点；由于支撑跨度大，轴承的受力比第一种小2/3；与第二种相比不必采用特制的减速器。而且在链条机发生失载事故时，不会破坏减速器。
8 经济分析
本设计的链式长冲程抽油机是在游梁式抽油机的基础上用链条直接牵引代替“曲柄-连杆机构”，专门用于油井的中、后期的开采。产品的设计目的在于以最低的成本可靠的实现产品的必要的功能，以达到用户满意，增加制造企业和用户的经济效益，将价值工程运用到链式抽油机的设计当中，从分析产品的功能出发，在保证功能的前提下降低产品的成本，进行功能与成本的比较，从而判断产品的价值，使链式长冲程抽油机性价比更高。
由于该链式长冲程抽油机专门用于油井的开采过程中，工作环境较差。在设计中摒弃了普通机械的设计形式，尽最大可能的简化机构，提高其的耐用性，降低成本。
本设计主要采取的降低成本的措施有：
1）在保证机械性能，强度与要求前提下，尽量用碳素钢代替合金钢，降低成本；外框采用工字钢焊接而成。平衡重块采用普通钢板；2）根据专门使用要求，简化抽油机结构；3）尽量采用可以互换的零部件，如减速器中支撑传动齿轮的轴承采用标准件，使其可以互换，降低产品制造的成本，以便可以进行直接选用。
在市场前景广阔和成本减低的措施下，本设计可以达到预期的目的，链式长冲程抽油机具有很大的开发价值。
作者简介
张竞（1964—），男，学历：本科，国防科技大学机电工程学院副教授，主要研究方向为机械工程。
关键词 长冲程抽油机；结构；设计
中图分类号 TE 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)112-0155-02
目前国内采用的机械采油方法主要是用游梁式深井泵装置进行的深井泵有杆采油。但随着井深和产量的不断增加与开采的复杂条件的经常出现，游梁式抽油机—抽油泵装置的缺点也日益明显暴露出来，主要是：
1）抽油机的冲程受游梁结构的限制，无法加大；2）在生产过程中抽油杆的事故增多，而抽油泵的排量降低；3）抽油机的电动机的配置功率较大，行程受限、功率消耗大；4）抽油机的减速器相当笨重，重量增大。
长冲程抽油机有许多优点，首先，它增加石油产量，这是采油中最经济的问题。采用长冲程低冲次的抽油方式抽油泵实际冲程长度减少的比率较小，提高了抽油泵的充满系数和排量系数，有利于提高采油效率，增加石油产量。第二，提高抽油杆和抽油泵的寿命。由于冲程长，冲次低，可以减少抽油泵磨损，提高抽油泵的使用寿命。第三，排量稳定，动载荷小，事故少。第四，抽油机运转平稳，疲劳应力较小。第五，抽油平衡效果较好。第六，具有较好的技术经济指标，具有较高的适应性。
1 链式长冲程抽油机的结构
链式长冲程抽油机主要由五个系统组成：
1）动力传动系统：包括皮带传动装置、电动机和减速器；2）换向系统：包括主动链轮、从动链轮、链条、导轨和大、小滑块等；3）平衡系统：包括平衡平带、平衡带轮和平衡块；4）机架、底座系统：包括机架、底座等；5）辅助系统：包括踏板、梯子和刹车装置等。
链式长冲程抽油机的结构原理如图1所示。
图1 结构原理图
工作原理是由电动机通过皮带传动，传到减速器。该减速器是一双圆弧齿轮传动的二级反向双输出减速器，以其反向双输出齿轮来驱动两条特殊链条作反向运动，从而带动换向器作往复直线运动。减速器减速后，驱动主动链轮旋转。这样一来，链条就在垂直布置的主动链轮和从动链轮间运转。在链条上设置一个特殊链节，它通过销轴和小滑块连接。带动大滑块。当链条做环形运动时，特殊链节也随着做环形运动。由于导轨的限制，大滑块只能沿着机架轨道作上、下垂直往返运动。在大滑块的下端直接和抽油杆相连接。大滑块的上、下垂直往返运动带动抽油杆运动。而在大滑块的上端与平衡皮带相接。以满足抽油机的平衡。
2 长冲程抽油机总体方案对比
2.1 抽油机总体方案的确定
链式长冲程抽油机的工作原理是由电动机通过皮带传动，传到减速器，经减速器后，驱动主动链轮旋转。这样一来，链条就垂直的不止在主动链轮和从动链轮间运动。在链条上设置一个特殊的链节，它通过销轴和换向器连接，带动换向器运动。当链条做环行运动时，特殊链节也随着做环行运动。由于导轨的限制，换向器只能沿着基架轨道做上、下垂直运动。换向器和抽油杆、平衡皮带相接，以满足抽油机的平衡。
2.2 抽油机的方案对比
方案一、采用换向器上端和抽油杆柱相连接，下端和平衡平带相连接。这种结构抽油杆柱通过经过上带轮和换向器上端相连接，平衡重通过上、下带轮和换向器的下端相连接，抽油机机架的一端是抽油杆柱，另一端则是平衡重块。如图2所示。
图2 方案一原理图
方案二、采用换向器的上端和平衡平带相连接，下端直接和抽油杆柱相连接。使平衡重块通过对称的带轮同换向器相连接，平衡重块分别处于机架的两端。如图3所示。
2.3 方案对比
方案一：抽油杆柱在机架的外面，这种结构对油井的维护较为方便，但是由于抽油杆柱通过平衡带和换向器相连接，使抽油杆的纵向活动较大，由于抽油杆的纵向活动将影响油井和抽油泵，使其耐用性降低，而且，由于在上、下抽油杆受力相差很大，与平衡力相差更大，使得机架的整体受力不对称影响整个机器的运行。
方案二：抽油杆柱直接和换向器底部 不便于对油井的维护，但是它采用了平衡对称的形式，使整个机架受力处于对称，而且抽油杆柱直接和换向器相连，换向器一直在对称导轨间做往复直线运动，运动的偏差很小，对油井和抽油泵都比较有利。
结论：通过对两方案的分析和对比，侧重对维修机井的考虑，采用方案一较为合理。
图3 方案二原理图
3 悬点载荷计算
抽油机在不同的抽汲参数下工作时，悬点所承受的载荷是设计抽油机和分析设备工作状况的重要依据。为此，设计抽油机必须先计算悬点的载荷。但由于计算过程太多，这里就不一一赘述了。
4 抽油机平衡重的计算
抽油机之所以不平衡，是因为上、下冲程中悬点载荷不同，而造成电动机在上、下冲程中所做的功不相等。要使抽油机在平衡条件下运转，就应使电动机在上、下冲程中都做正功；在下冲程中把能量储存起来；在下冲程中利用储存的能量来帮助电动机做功。
因此，抽油机的平衡条件是在一个抽油循环中，重物在下冲程中储存的能量或上冲程中帮助电动机所做的功，在这里本抽油机的平衡重就相当于抽油杆柱的重量：
Wp =Wr
5 换向器的选择
链条抽油机的换向器冲击不仅对井下机具产生不利影响，对链条抽油机本身的影响更大。冲击造成机件的损坏的过程缓慢而渐进，达到一定程度可导致链条断脱，特殊链节失效、链轮轴 滚肩等事故。可见，换向冲击是引发链条抽油机事故的隐患。结构如图4所示。
6 换向冲击发生的机理
链条抽油机的换向冲击主要表现在链条特殊链节的非均匀速运动。链条等传动件联结宋朝可导致换向冲击。由于链条能“拉”不能“推”，在特殊连接绕过下链轮后，前面的链条处于松弛状态，虽然下链轮未停止转动，但特殊链节必须等前面的链条张紧后才能继续往前运动。这一瞬间便产生了换向冲击。传动件联结松弛，主要是指链条松弛、链轮与肩联结松弛。联轴器周向联结松弛及减速器齿侧间隙过大等。根据链条抽油机换向区段扭矩的变化规律，换向扭矩为两头大中间小的圆滑过度。在进入换向区段前正常工作扭矩使受挤压的传动件产生弹性势能，换向扭矩减小，弹性势能释放，把正在均匀转动的链轮向前加速推进一个角度，个传动件的联结部位产生松弛间隙，随后减速器轴无载荷空转。此时链轮旋转暂停，传动件联结部位松弛间隙全部消失后，链轮轴带动链轮继续转动，此时转动扭矩跳跃式增大，产生换向冲击，传动件联结松弛的程度愈大，链条抽油机产生换向冲击的程度愈大。
7 预防措施
预防链条松弛主要从降低链条、链轮的磨损速度，提高链轮轴支撑刚度和改善链条张紧操作上采取措施。
图4 结构示意图
降低链条和链轮的磨损速度，除了采用高质量链条，提高链轮加工精度和工作面硬度外，还应提高链轮轴安装平行度和对正度，否则就会导致链条和链轮偏磨，磨损速度加快。
提高链轮轴支撑刚度，可避免链轮链条偏磨和链轮中心距缩小而导致的链轮松弛。下链轮的安装方式有三种：第一种是链轮轴的两个支点均作用在机架壁上。第二种是链轮直接安装在减速器输出轴上；第三种是链轮轴的一个支点作用在在机架壁上，另一支点的支撑刚度取决于机架壁的抗弯曲刚度，通过对壳体的实际测量估算，换向过程中链轮的上下活动量是2～4mm。第二种的支撑刚度取决于减速器底座的刚度。比第一种刚度好。两种都属于跨度较小 的支撑。第一种是一个链轮座大小的跨度，第二种是减速器壳体窄面尺寸的跨度。与前两种相比，第三种链轮轴的支撑跨度大得多，支撑效果也好。换向过程中链轮的上下活动量不超过0.5mm。第三种安装方式还有以下优点；由于支撑跨度大，轴承的受力比第一种小2/3；与第二种相比不必采用特制的减速器。而且在链条机发生失载事故时，不会破坏减速器。
8 经济分析
本设计的链式长冲程抽油机是在游梁式抽油机的基础上用链条直接牵引代替“曲柄-连杆机构”，专门用于油井的中、后期的开采。产品的设计目的在于以最低的成本可靠的实现产品的必要的功能，以达到用户满意，增加制造企业和用户的经济效益，将价值工程运用到链式抽油机的设计当中，从分析产品的功能出发，在保证功能的前提下降低产品的成本，进行功能与成本的比较，从而判断产品的价值，使链式长冲程抽油机性价比更高。
由于该链式长冲程抽油机专门用于油井的开采过程中，工作环境较差。在设计中摒弃了普通机械的设计形式，尽最大可能的简化机构，提高其的耐用性，降低成本。
本设计主要采取的降低成本的措施有：
1）在保证机械性能，强度与要求前提下，尽量用碳素钢代替合金钢，降低成本；外框采用工字钢焊接而成。平衡重块采用普通钢板；2）根据专门使用要求，简化抽油机结构；3）尽量采用可以互换的零部件，如减速器中支撑传动齿轮的轴承采用标准件，使其可以互换，降低产品制造的成本，以便可以进行直接选用。
在市场前景广阔和成本减低的措施下，本设计可以达到预期的目的，链式长冲程抽油机具有很大的开发价值。
作者简介
张竞（1964—），男，学历：本科，国防科技大学机电工程学院副教授，主要研究方向为机械工程。