毕业设计论文直线电机驱动抽油机的设计

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1、直线电机驱动抽油机的设计摘要：目前各油田的抽油设备多为常规游梁式抽油机，其存在的主要问题是能耗大、效率低。而近年来直线电机抽油机的的产生和发展，大大降低了采油的成本。直线电机抽油机采用直线电机驱动，舍弃了大部分变速传动环节，将传统的旋转驱动变为直线往复驱动，使直线电机抽油机具有更加完善的运动性能、动力性能和平衡性能。直线电机驱动抽油机在我国乃至世界都属于新兴技术，研究设计这种抽油机有着特殊的意义。它取消了四连杆机构、带传动及减速箱，使主体结构更趋于简单。而且还有质量轻、占地面积小、调参方便、易于操作、系统效率高、运行平稳等优点。本文首先阐述了直线电机抽油机的工作原理、结构特点及优越性，论述了国

2、内外的发展现状及所存在的问题，然后完成了直线电机抽油机的总体方案设计，进行了抽油机主要部件的设计。本装置是一种机电信息一体化的抽油设备，主要设计了天轮、机架、配重箱和直线电机以及其他辅助装置等。最后绘制了主要零部件的装配图和零件图。关键词：直线电机；抽油机；天轮；结构设计The design of a linear motor pumping unitAbstract: At present the pumping units are used widely in oil fields, their main problems are wasting energy, low efficienc

3、y. But in recent years the development of linear motor pumping unit greatly reduces the cost of oil. A linear motor pumping unit removes many shift gears structures, turn the traditional circumrotatory drive into linear reciprocation drive, which made the units have more perfect motion performance,

4、dynamic performance and balance performance.The pumping unit driven by a linear motor is a novel technology in china even in the world. It is very important to research and design the unit. It canceled four-bar linkage, belt drive and gear box , the main structure tends to be more simple. There are

5、also some advantages such as light weight, small footprint, easy parameter adjustment, easy to be operated , highly effective and smooth running.Firstly, the working principle ，structure, characteristic and the superiority of linear motor pumping is introduced , and the development of domestic and i

6、nternational situation and the problems are discussed. Then the overall structure and the main components of a linear motor pumping unit are presented. This device is an integrated mechanical and electrical pumping equipment information. The main components of the pumping unit, such as the sheave, r

7、ack, weight box and linear motors and other auxiliary devices are designed. Finally the main parts of the assembly drawing and parts drawing are completed.Key wards: Linear Motor; Pumping Unit; Sheave；Structural Design目 录1 绪 论11.1 课题的意义11.2 直线电机驱动抽油机的发展现状11.2.1 国内直线电机驱动抽油机发展现状11.2.2 国外直线电机驱动抽油机发展现状4

8、1.3 常规游梁式抽油机存在的主要问题61.4 直线电机的发展及应用71.4.1 直线电机的发展现状71.4.2 直线电机的优势及在石油矿场中的应用71.5设计方法及步骤81.5.1 设计方法81.5.2 主要设计步骤92 直线电机驱动抽油机的工作原理和结构特点102.1 直线电机驱动抽油机的工作原理102.2 直线电机驱动抽油机的结构特点103直线电机驱动抽油机总体方案设计123.1 总体方案描述123.2 确定总体尺寸134 运动分析及编程图像144.1 直线电机抽油机悬点的运动分析144.1.1 原理阐述144.1.2 悬点位移154.1.3 悬点速度164.1.4 悬点加速度174.2

9、 VB编程图像部分184.2.1位移图像：184.2.2速度图像：184.2.3加速度图像：195. 悬点载荷分析及平衡计算205.1 理论部分205.2 分析计算205.2.1悬点静载荷205.2.2悬点动载荷215.2.3 载荷曲线编程图像226直线电机的选取236.1 直线电机的工作原理236.2 直线电机本体结构设计246.3 直线电机的选型256.4 抽油机的控制系统267 抽油机机械结构设计277.1 天轮设计277.1.1 天轮的结构277.1.2 天轮的设计计算及校核277.2 翻转轮设计297.3 主机架和主板设计297.4 底座设计307.5 钢丝绳的选择317.6 配重与

10、平衡327.7 悬绳器的设计337.8 安全系统设计347.8.1 刹车系统348 抽油机经济性分析369 结论37参考文献38致 谢39附录A40悬点位移程序40附录B41悬点速度程序41附录C42悬点加速度程序42附录D43悬点载荷程序43441 绪 论一百多年前，以石油制成品为动力的机器诞生以后，对石油需求的飞速发展，为石油工业的崛起提供了发展的契机。伴随石油开采业的发展，人们发现不同的油田，不同的油井，产量有大有小，有些也不能自流到地面。为此产生了解决油井生产举升的设备-抽油机。抽油机是有杆采油装置中的地面动力传动装置，其作用是通过减速箱、曲柄连杆或其它杆件机构等，将动力机的旋转运动变

11、为抽油杆和抽油泵的往复运动，实现抽油泵的吸油和排油过程，并悬挂抽油杆，承受荷重。随着采油设备技术研究的深入，设计和制造水平的提高，抽油机在最初的雏形上得到了长足的发展，其技术发明有数百种。游梁式抽油机和无游梁式抽油机（也称立式抽油机）是目前量大面广、使用最为普遍的采油设备。常规游梁式抽油机多采用四连杆机构进行传动，这种结构特点导致减速箱曲柄轴扭矩的不平稳性，造成电机的峰值功率远大于其平均功率。直线电机驱动抽油机取消了四连杆机构、带传动及减速箱(减速箱、曲柄销及带传动等部件是游梁式抽油机的易损件及故障多发部件)，使主体结构更趋于简单，而且质量轻、占地面积小、调参方便、易于操作。特别是该抽油机系统

12、效率高,上下冲程速度可以单独无级调整,可用于稠油、深井和大排量抽油。1.1 课题的意义目前,我国大多数油田进入中后期开采,对机械采油设备的开发与研究技术水平要求也越来越高。然而,多年来大量投入使用的抽油机,无论是游梁式还是无梁式,其动力设备都是旋转电机,都必须经过复杂的能量转换和传递才能变成直线往复运动。这样就不可避免地存在系统转换效率低、“大马拉小车”和系统稳定性差的问题。为有效解决这些问题,直线电机驱动抽油机应运而生。直线电机驱动抽油机主要解决了现有抽油机无功消耗大、成本高、整体移运效率低的问题。1.2 直线电机驱动抽油机的发展现状1.2.1 国内直线电机驱动抽油机发展现状目前，我国大多数

13、油田进入中后期开采，对机械采油设备的开发与研究技术水平要求也越来越高。然而，多年来大量投入使用的抽油机，无论是游梁式还是无梁式，其动力设备都是旋转电机，都必须经过复杂的能量转换和传递才能变成直线往复运动。这样就不可避免的存在系统转换效率低和系统稳定性差的问题。为有效解决这些问题，直线电机驱动抽油机应运而生。与传统的抽油机相比，直线电机抽油机具有一些显著的优点：（1）结构简单 由于直线电机抽油机可以直接产生直线运动，抽油机不再需要减速箱、传动皮带、连杆机构等中间传动环节，使整个系统结构简单，易于维护，体积减小，本体重量减轻。同时，直线电机通过电磁推力驱动，运行时无机械摩擦，系统噪声很小。（2）启

14、动性能好 直线电机的启动特性由于旋转电机，故可选用功率较小的直线电机，避免出现传统抽油机“大马拉小车”现象。（3）系统效率高 近年来直线电机的效率略低于旋转式电机。但由于地面损耗小，从系统角度看，其总体效率远高于游梁式抽油机。（4）冲程和冲次易于调节 通过调整抽油机的高度或改变直线电机初级的长度就可以方便地调节抽油机的冲程。由于直线电机良好的调速性能，可以通过控制直线电机的运行速度来调节抽油机的冲次。（5）运行平稳 传统抽油机运动速度有极大值，而直线电机驱动的抽油机在每个冲程的90%都是匀速运动。在评价运行速度相等的情况下，直线电机驱动的抽油机的运动速度最大值要小的多，加速度也小得多，运行更加

15、平稳，同时可以延长设备使用受命。（6）装机功率小、启动电流小、节能和节约投资直线电机抽油机为游梁抽油机装机功率的50%左右，可实现软启动。启动电流小，不大于运行电流的1.5倍。专用变频器，可使电机出力处于最佳节能状态。采取了天平式平衡方式，平衡效果好。（7）易于维护、检修、运输、安全保护直线电机抽油机上部的翻转轮可以打开，为油井的修井作业让出空间，一般性油井维修作业和增产措施施工不用移机。安装、拆卸方便，易于维护和维修。直线电机抽油机采用铁壳式密封结构，运行部件无外漏、更安全。国内在此方面开展研究的院所和单位较少。2001-03,华北石油热能技术开发有限公司研制了直线电机驱动抽油机,并获得国家

16、实用新型专利。经国家油气井口设备质量监督检验中心性能检测,2001-08,应用于华北油田采油现场。试验表明,直线电机驱动的抽油机冲程增加方便,具有节能作用,与游梁式抽油机相比节能35%,甚至可达50%;体积小,在大冲程时,可明显节省制造材料。该型产品也在江汉油田和大庆油田进行了现场试验。试验证实,其理论及结构设计还不完善,并存在一定的使用局限性。大港油田钻采研究院开发研制的智能型直线电机驱动抽油机,2003年通过了中国石油集团总公司组织的科研项目验收。专家认为,这种抽油机具有结构简单、占地面积小、冲程长、运行平稳、智能控制、操作方便、整机系统效率高等特点,在机械系统、直线电机设计系统、智能控制

17、系统、变频电源系统等方面取得了突破。为了深入了解直线电机驱动抽油机的工作原理,克服现有产品存在的问题,北京化工大学与青海正信公司开展合作,共同研发出性能和功能较为齐全的ZDCYJ-I型直线电机驱动抽油机,该机已在油田进行了现场试验,效果较为理想。国内一些企业将直线电机抽油机作为主要产品，积极进行研制和开发。2002年9月由华北油田大卡热能技术开发公司开发研制的直线电机抽油机已经在华北油田投入工业试验。直线电机抽油机系列产品的研制和开发列入2003年北京市火炬计划。必须看到，尽管直线电机在许多领域已经进入实际应用，但在石油开采领域的应用仍然处于探索阶段，有一些问题仍需要进一步研究和解决。综合分析

18、主要有以下方面:(1)直线电机的选型 直线电机抽油机的核心部件是直线电机，抽油机性能关键在于直线电机技术直线电机的类型多种多样，按工作原理可以分为直线感应电动机、直线直流电动机和直线同步电动机等；按结构形式可以分为单边型、双边型、平面型、盘型和圆筒型等；按励磁方式可以分为电励磁和永磁等，如何根据油田实际工作需要选用合适的直线电机类型是又要的核心问题。由于永磁电机具有功率因素高、体积小、节能效果好等优点，加之永磁材料性能的提高和价格的下降，一些学者比较倾向于将永磁电动机作为动力源，目前也有学者正在进行平面永磁直线电机抽油机和盘型直线电机抽油机的研究工作。（2）抽油机结构确定 目前，研究和试验的直

19、线电机抽油机主要采用的是有杆式，这种形式实质上是对传统游梁式抽油机的改造，系统主要包括直线电机子系统，框架结构，滑轮子系统和控制子系统等，基本工作原理是将直线电机支撑在井口，电机初级固定于井架，由次级带动抽油杆直接产生上下往复运动。同时杆状次级经定滑轮连接平衡块，依靠平衡块的升降来改变位能在系统内部的分配达到平衡。我国油田已经陆续进入开采中后期，抽油机正在向长冲程和低冲次的方向发展。直线电机抽油机的冲次可以通过变频技术控制直线电机的运行速度来调整，易于实现。问题在于：为适应油田恶劣的野外工作环境，直线电机势必要采用封装的形式，采用改变直线电机定子长度的大小来调整冲程的方法比较困难，只有通过调整

20、井架的高度，而改变并井架的高度又极不方便，同时会增加系统的重量和带来安全隐患。（3）系统的建模和控制策略的研究 在直线电机的建模方面，目前还没有准确的数学模型，常用的方法是在一定假设条件的基础上运用旋转电机理论，没有充分考虑直线电机固有的结构特点，如边端效应、三相绕组分布不对称、铁芯开断等。由于没有完善的静态和动态数学模型，现有直线电机的研究和设计更多的是基于模拟仿真和现场经验。由于没有中间缓冲环节，外界干扰、负载扰动和系统参数摄动直接作用于直线电机，影响控制系统的静动态特性，增加了控制难度，要求控制器具有很强的抗干扰能力。传统的经典控制方法实现简单，如现代控制方法对系统中存在的非线性影响、环

21、境干扰等时变和不确定因素有较好的抑制作用。目前常用的控制算法有非线性控制、模糊PID控制、滑膜控制、模型参考自适应控制和神经网络等。1.2.2 国外直线电机驱动抽油机发展现状目前，国外各油田使用的抽油机有很多种，归纳起来可以分为：常规游梁式、变型游梁式、非游梁式 。（1）常规游梁式抽油机：这种抽油机是油田使用历史最悠久的，使用数量最多的一种抽油机。但该机效率低，能耗大，不符合节能的要求。 （2）变型游梁式抽油机：可分为前置式抽油机、偏置式抽油机、双游梁式抽油机、钱塞勒旋驴头式抽油机、胶带传动抽油机。此外，还有起落式抽油机、拖车式抽油机、易移式抽油机、斜井式抽油机、低位置抽油机、异游梁异驴头抽油

22、机、可变支架式游梁式抽油机、滚动支撑游梁式抽油机 、凸轮传动游梁式、移动平衡式游梁式抽油机等十几种游梁式抽油机。（3）非游梁式抽油机：可分为链条式无梁抽油机、液压抽油机、数控抽油机、变平衡力矩抽油机、气囊平衡抽油机、双井平衡丛式井抽油机、自动平衡抽油机等多种类型的抽油机。全世界生产抽油设备的公司有300多家，其中生产抽油机的公司有150多家。美国生产的抽油机品种最多，技术最先进，应用范围最广泛。其中包括液压抽油机、梅普长冲程抽油机、柔性件传动抽油机等等。美国API Spec 11E抽油机规范中规定，抽油机共有77种规格，悬点最大载荷为9214kN，冲程长度0.47.6m。Lufkin公司是美国

23、生产抽油机最早和最大的公司，在1923年生产了美国第一台游梁抽油机，1931年率先研制了两块平衡重的曲柄平衡抽油机，1959年研制了前置式抽油机，也是最早生产前置式气平衡抽油机的一家公司。目前，Lufkin公司生产B、C、M、A等4种系列抽油机， B系列游梁平衡抽油机有8种规格，悬点最大载荷2449.4kN，冲程长度0.61.21m。C系列曲柄平衡抽油机有64种规格，悬点最大载荷24165.5kN，冲程长度0.764.2m。M系列前置式抽油机有46种规格，悬点最大载荷64.86 193.68kN，冲程长度1.625.68m。A系列前置式气平衡抽油机有26种规格，悬点最大载荷78.47213.1

24、kN，冲程长度1.626.09m。俄罗斯生产13种规格游梁抽油机，悬点最大载荷20200kN，冲程长度0.66m。还生产20种规格曲柄摇臂式抽油机，悬点最大载荷10 200kN，冲程长度0.46m。还生产06M型、液压驱动型、平衡液缸型等无游梁抽油机，悬点最大载荷150kN，最大冲程长度10m。法国Mape公司生产12种规格曲柄平衡游梁抽油机，悬点最大载荷160kN，最大冲程长度4.2m。还生产H系列长冲程液压驱动抽油机，悬点最大载荷199kN，最大冲程长度10m，最大冲次5/min。此外，Mape公司还生产立式斜井抽油机和液缸型抽油机，两种抽油机均已形成系列。加拿大生产液、电、气组合一体式H

25、EP抽油机，悬点最大载荷72103.9kN，冲程长度1.634.27m，具有较好的使用性能。罗马尼亚按美国API标准生产51种规格游梁抽油机，悬点最大载荷194kN，最大冲程长度4.8m。还生产35种规格前置式抽油机，悬点最大载荷194kN，最大冲程长度5.4m，配用7种规格减速器，最大扭矩105.1kN/m。此外，罗马尼亚还生产前置式气平衡抽油机，悬点最大载荷152kN，最大冲程长度4.2m。以后抽油机的发展将朝着以下几个方向：（1）朝着大型化方向发展随着世界油气资源的不断开发，开采油层深度逐年增加，石油含水量也在不断增多，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采用大型抽油机，所以近年来，

26、国外出现了许多大载荷抽油机，如前置式气平衡抽油机最大载荷213kN，气囊平衡抽油机最大载荷227kN等。还会出现更大载荷新型抽油机。采用长冲程抽油方式，抽油效率高，抽油机寿命长，动载荷小，排量稳定，具有较好的采油经济效益，所以近年来国外出现了许多长冲程抽油机，如法国Mape公司抽油机，最大冲程10m；美国WGCO公司抽油机最大冲程24.38m， NSCO公司抽油机最大冲程27.48m；原苏联钢带式超长冲程抽油机最大冲程1500m。长冲程抽油机全部采用低冲次抽油方式， Mape公司抽油机最大冲次5/min，GDCO公司抽油机最大冲次为3/min。（2）朝着低能耗方向发展为了减少能耗，提高采油经济

27、效益，近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机。例如异相型抽油机节电15%35%；前置式抽油机节电36.8%前置式气平衡抽油机节电35%；轮式抽油机节电50%80%；大圈式抽油机节电30%；自动平衡抽油机节电30%50%；低矮型抽油机节电5%20%； ROTAFLEX抽油机节电25%；智能抽油机节电17.4%；螺杆泵采油系统节电40%50%。（3）朝着精确平衡方向发展近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果，使抽油机得到更精确平衡。例如变平衡力矩抽油机，可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩。前置式气平衡抽油机，由于可在动态下调节气平衡，平衡效果较好。气囊平衡抽油机有90%以上载荷得到平衡。双井抽油

28、机可利用两口油井抽油杆柱合理设计得到更精确的平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得到较精确的平衡效果。（4）朝着高适应性方向发展现代抽油机应具有较高的适应性，以便拓宽使用范围。例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要；适应各种成分石油抽汲的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适应深井抽油需要；适应长冲程抽油的需要；适应节电的需要；适应精确平衡的需要；适应无电源和间歇抽油的需要；适应优化抽油的需要等。（5）朝着长冲程无游梁方向发展近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机，其中包括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机。实践与理论分析表明，增大冲程游梁抽油机是常规

29、游梁抽油机的发展方向；增大冲程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向；长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机的发展方向。（6）朝着自动化和智能化方向发展近年来抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。美国Baker提升系统公司、Delta-X公司、APS公司等均研制了自动化抽油机，具有保护和报警功能，实时测得油井运行参数，及时显示与记录并通过计算机进行综合计算分析，推出最优工况参数，进一步指导抽油机以最优工况抽油。美国NSCO公司智能抽油机，采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监测，具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、自动化程度高、经济性好、适应性强等优点。1.3 常规游梁式抽油机存在的主要

30、问题在国内，游梁式抽油机的有杆泵系统的总效率均低于30%。美国的常规抽油机系统效率较高，但也仅有46%。系统效率低，能耗大，耗电就多。因此，节能成为有杆抽油系统的一个鱼需解决的问题。此外，随着老油田油井的注水开发，油田己进入高含水采油期。不断提高产液量，以液保油，这是注水开采油田保证原油稳产的必要趋势。这种开采特点要求抽油机的冲程越长越好，但常规游梁式抽油机机型偏小，在一定程度上已经不能满足长冲程、低冲次的要求。系统效率低的原因：究其原因，有杆抽油系，是由电机、地面传动设备及井下抽油设备组成，系统效率是各个部分效率的连乘积，任何一个环节的效率变低，都会使总效率变低，因此要提高抽油系统的总效率实

31、现节能是一个复杂的系统工程问题。抽油机能耗大的原因：由于在同一工况、井况和同一时刻下，井下的能耗因地面机型不同而会发生差异。如示功图会有所改变，表明泵的充满度、光杆功率的变化。（l）抽油机的负荷特性与异步电动机的硬的转矩特性不相匹配，甚至出现“电动机”工况，出现能量二次转化。一般电动机的负载率过低，约为30%，致使电动机以较低的效率运行。（2）电动机在一个冲程中的某个时段被下落的抽油杆反向拖动，运行于再生发电状态，抽油杆下落所释放的机械能有部分转变成了电能回馈电网，但所回馈的电网不能全部被电网吸收，引起附加能量损失，同时负扭矩的存在使减速器齿轮经常受反向载荷，产生背向冲击，降低了抽油机的使用寿

32、命。（3）常规抽油机扭矩因数大，载荷波动系数C工艺尺寸亦大，故均方根扭矩大，能耗增加。（4）常规抽油机运行的悬点加速度、速度的最大值过大，影响悬点载荷，动载增大。采用对称循环工作制使泵充满度下降，影响产量，泵效率低，能耗亦增大然而，具有系统效率高，节能等一系列优点的直线电机驱动抽油机，可以很好地改善以上这些问题。1.4 直线电机的发展及应用1.4.1 直线电机的发展现状 国外直线电机从诞生到现在已经历了从探索实验、开发应用到实用商品化三个阶段.近年来发展迅速，一些发达国家在研究和开发直线电机产品方面均取得显著成果，如美国的西屋公司、德国的西门子公司、英国、法国、瑞典、日本的一些公司和研究机构，

33、其直线电机研究人员之多，研究范围之广，成果之多，生产的直线电机产品质量之高，是国内无法比拟的，仅英国的一个直线电机厂，产品有近千种，年产值高达千万英磅，已经生产了近百万台直线电机。我国直线电机的研究和应用发展是从70年代开始的。1972年，浙江大学在国内首先翻译了直线感应电动机译文集，这是当时国内唯一见到的一本关于直线电机的书籍。国内开展直线电机应用研究的单位主要有中科院电工所、北京清华大学、西安交通大学、浙江大学、上海大学、太原工业大学、焦作矿业学院等，浙大是国内最早进行直线电机研究的高等院校，并拥有专门研究和开发直线电机的研究所，研发的一些成果达到国际先进或国际领先水平，有些产品是世界首创

34、。我国直线电机研究虽然取得一些成绩，但与国外相比，其推广应用方面尚存着很大差距，有许多应用领域没有开发。就浙江大学来说，已经成立了全国首家直线电机研究所，并去得了许多成果。其中不少已在社会上推广使用，去得了可喜的经济效益。直线电机有几十个类型，上千个品种，由于它具有结构简单、传动效率高、运行可靠、直线速度可调、噪声小、热负荷高，耐腐性、耐高温等特点，用途十分广泛，是一种很有发展前途的电机新品种。1.4.2 直线电机的优势及在石油矿场中的应用 优势：（1）直线电机可将电能直接转换成举升原油的动力，中间转换环节少，而游梁式抽油机则须通过皮带、连杆机构、减速箱及游梁等转换环节，因而具有较少的能耗和较

35、高的系统效率。（2）直线电机作为井下泵动力系统易进行机泵一体化设计，可简化井下工具结构，降低施工难度。（3）由于去掉了抽油杆，可彻底解决杆管摩擦及油管偏磨问题，使油管寿命大大增加。并且由于消除了杆管摩擦及油管偏磨造成的系统失效问题，检泵周期也将增加。（4）由直线电机构成的采油系统易于控制。可以随油井的实际油流入井动态调节泵的冲程、冲次，使整个系统处于一个协调的开采状态，更加充分地利用地层的能量，提高原油采收率。（5）采用直线电机和泵的一体化设计，可以更加方便地实施油层分采工艺，达到一层一泵精确分采的目的。（6）可以充分利用电机运转过程中产生的热量来提高原油的温度，有效地防止原油中蜡的析出。应用

36、：直线电机作为一种正在兴起的动力系统，广泛应用于各个领域。如交通运输业中的磁悬浮列车、工业领域中应用于生产输送线等。在石油工业中已经开始研究直线电机作为动力系统驱动石油机械。2001年8月直线电机抽油机在华北油田分公司第一采油厂投入现场试验，作为国内外第1台应用于工业试验的直线电机抽油机，改变了传统抽油机先将电能转化成旋转运动，再通过机械方式转变为直线往复运动的能量转换方式，显著的提高了抽油机的机械效率；直线电机无级调速的优点还实现了抽油机的无级调整，进而能根据采油的需要调整悬点运动规律。2006 年，直线电机抽油机在北京通过了国家科技部委托组织的专家组专项验收。这表明直线电机在石油机械中的应

37、用已经获得成功。1.5 设计方法及步骤1.5.1 设计方法类比设计是机械产品设计中经常采用的一种方法。直线电机抽油机属于无游梁抽油机，其设计可以采用类比设计。这一设计的优点是可以借鉴国内外已经生产的无游梁式抽油机的成熟设计经验，设计工作简单可靠。 有两种类比设计方法：一种是直接类比，即从某种成熟的无游梁式抽油机结构尺寸系列中，选取基本参数与设计要求相同或最为接近的一组尺寸，适当缩小、放大或圆整，作为所设计的无游梁式抽油机的尺寸；另一种是参数类比，根据现有无游梁式抽油机机构统计数据，选定若干反映机构特征的参数，再通过几何关系式求出所需参数。两种方法没有原则上的差别，都建立在已有产品设计的基础上。

38、1.5.2 主要设计步骤本文设计了抽油机悬点运动规律（加速度、速度、位移）,分析了抽油机运动学、动力学，并设计了抽油机的整体结构和主要零部件结构。主要按以下步骤进行：（1） 首先了解直线电机驱动抽油机的工作原理、结构特点，并进行直线电机抽油机结构设计方案；（2） 在了解抽油机的原理上，进行悬点运动分析、悬点载荷分析、计算平衡重；（3） 选择电动机；（4） 设计抽油机的结构；（5） 设计抽油机的零部件；（6） 绘制抽油机装配图；（7） 绘制抽油机零部件零件图；2 直线电机驱动抽油机的工作原理和结构特点2.1 直线电机驱动抽油机的工作原理直线电机驱动抽油机改变了传统抽油机的运动机理,直接利用直线电

39、机的直线往复运动带动抽油杆上下运动,从而达到举升油井内液体的目的。修井作业时,卸去部分平衡重,电机上升,停止在距离上限位置一段距离时,安装光杆卡子,再点动上提电机,卸载后停机、刹车,卸去负荷,电机下落到底部,卸去大轮,让开井口,即可进行修井作业；正常抽油工作时,电机通过驱动绳绕过天轮轮和翻转轮,带动悬绳器及抽油杆上下运动,完成抽油过程。按静载荷计算其工作原理如下：上行程 光杆载荷=抽油杆重量+液柱载荷 平衡重=抽油杆重量+半个液注载荷，靠自重下行做功 此时动子下行拉力只有半个液柱载荷下行程 光杆载荷=抽油杆重量，靠自重下行做功 动子拉动平衡箱上行 动子拉力仍是半个液柱载荷在上下死点附近增加较小

40、的动载荷及惯性载荷，直线电机如此往复运动，带动深井泵抽油图2-1 直线电机运动示意图2.2 直线电机驱动抽油机的结构特点直线电机驱动抽油机取消了旋转电机驱动抽油机的减速器、连杆及曲柄传动机构;电机与配重直接相联接,有效利用了直线电机初级自重,使整机质量下降;由于传动环节减少,使结构简单紧凑,（与相同规格的常规抽油机相比,其质量和占地面积仅为常规抽油机的50%）方便、灵活、效率高,省时省力,能量损失少,生产成本低;采用DSP驱动控制系统比变频控制成本低。特别是该抽油机系统效率高,上下冲程速度可以单独无级调整,可用于稠油、深井和大排量抽油。 3 直线电机驱动抽油机总体方案设计3.1 总体方案描述直

41、线电机抽油机主要包括主板、直线电机动子、天轮、翻转轮、扁钢丝绳、平衡重、底座、桁架等主要部件。如图3-1所示：图3-1 直线电机驱动抽油机结构简图根据图3-1对抽油机的总体方案设计如下：将主板与桁架焊接，在主板的内侧两边都贴上永磁体。动子与配重箱连接，并置于主板内部。 直线电机作为整个抽油机的动力系统，直接利用直线电机的直线往复运动带动抽油杆上下运动,达到举升井内液体的目的。提高整机的系统效率,简化结构,同时为加大冲程、提高抽油机的生产能力、减轻重型抽油机的重量提供了良好条件。防永磁体脱落设计中采用以下方法: 增加机架焊接强度; 对永磁体实施加固和保护措施:对目前已经粘贴好的主板,采用不锈钢板

42、覆盖的手段加固永磁体。增大机架体积,增加护板通风孔的面积。在四侧护板上增加了百叶孔的数量和宽度,实现了空气的自然流动。开发了直线电机抽油机智能控制系统及相配套的闭环控制系统,使直线电机抽油机随井况变化可以自动调节相关参数。信号采集系统用于直线电机抽油机和油井各参数的即时采集和传输 ,实现直线电机抽油机的远程检测和控制。采用了先进的控制系统和无触点传感器换向技术，可获得理论上的永久使用寿命，不仅使抽油机换向动作及时、准确、可靠和方便,而且使抽油机的冲程实现了简便的无级调整,极大地减轻了操作、维修人员的劳动强度,并为油井的自动化管理创造了条件。智能化安全保护机构通过对直线电机工作电流、动子运行状态

43、的双重监控,实时辨识悬点载荷的异常变化,当抽油机系统欠载或过载、抽油杆断脱或卡阻时,可实现自动停机或刹车。为了防止钢丝绳发生疲劳断脱事故,选用扁钢丝绳。扁钢丝绳较常规抽油机的圆钢丝绳有受力面积大、所能承受的力大，使用寿命长特点。3.2 确定总体尺寸本设计采用类比法，由石油工业出版社抽油机采油技术中链条式抽油机类比而得，支架高度为h=12m，长为l=2.0m，宽为b=1.5m。ZXCY12-6-50型抽油机基本参数额定悬点载荷F/kN120光杆冲程S/m最高冲次n/(次/min)额定电机推力/kN6540外形尺寸lbh/m2.01.5124 运动分析及编程图像4.1 直线电机抽油机悬点的运动分析

44、原始数据：抽油机的冲程为6m，冲次为5/min，下泵深度1200m，动液面900m。4.1.1 原理阐述掌握悬点的运动规律是研究抽油装置动力学、确定抽油装置的基本参数及进行抽油装置设计的基础。由于采用直线电机作为抽油机的动力，用柔性件联接，与常规抽油机相比没有减速箱和较为复杂的四连杆机构，悬点的运动形式主要取决于直线电机的初级运动形式，即直线电机的初级的速度、加速度的变化规律。而直线电机的初级运动变化规律直接取决于电机本身的性能。通过改变电机初级和次级之间的气隙等方法来改变电机的运动参数。这样电机的运动趋势可以是各种形式的曲线，因而可以通过调节电机参数来达到所要求的运动规律。图4-1a 悬点速

45、度-时间曲线如图所示，图4-1a为直线电机抽油机悬点运动速度与时间的关系曲线，可以看出速度按梯形曲线变化，其对应的悬点加速度曲线如图4-1b所示，图中t1-t3时间段为悬点上冲程，t4-t6时间段为悬点下冲程。在t1时间内，悬点加速度为a1；t3时间内，悬点加速度为a2，；t4时间内，悬点加速度为a3；t5时间内，悬点加速度为a4；而t2和t5为匀速运动，加速度为0。这种采用梯形速度-时间曲线的直线电机抽油机具有悬点惯性载荷变化小，运动平稳的特点。但是其悬点速度按梯形曲线运动时，作业方式有上快下慢、上慢下快和上下冲程时间相等。并且上冲程时间和下冲程时间分别连续可调。也就是说t1-t6也都是分别

46、可调的。具体t1-t6为何值时系统效率最高，直线电机最节能，本文将针对直线电机抽油机悬点速度按梯形曲线运动规律展开研究。图4 -1b 悬点加速度-时间曲线4.1.2 悬点位移图4-1a、4-1b表明，悬点上冲程先是作匀加速运动到最大速度v1，然后保持一段时间t2的匀速运动，再做匀减速运动到速度零，完成上冲程过程。悬点的下冲程与上冲程相同，只是加速度与速度的方向发生了改变。根据图4-1a、4-1b可以得到悬点运动的位移方程： （4-1）式中，s悬点位移，m；S冲程长度，m；、悬点加速度,其中、符号为正，、符号为负，m/s;t、t、t、t、t、t时间，s；、匀速度，m/s 。该抽油机电机冲程为6m

47、，冲次为5次/min，则电机上下冲程一个周期为12s，取电机的最大加速度为a=1 m/s2，最大速度v=1.27m/s，t1=t3=1.27s, t2=t5=3.46s, t4=t6=1.27s.根据以上数据进一步得到悬点位移运动方程如下： （4-2）4.1.3 悬点速度根据图3-1a可以得到悬点运动速度方程: （4-3）将数据代入上式可得： （4-4）4.1.4 悬点加速度根据图3-1a可以得到悬点运动加速度方程: （4-5）代入数据进一步可得： （4-6）4.2 VB编程图像部分4.2.1位移图像：悬点位移图像如图4-2所示：图4-2 悬点位移图像4.2.2速度图像：悬点速度图像如图4-3

48、所示：图4-3 悬点速度图像4.2.3加速度图像：悬点加速度图像如图4-4所示：图4-4 悬点加速度图像5. 悬点载荷分析及平衡计算5.1 理论部分直线电机抽油机悬点载荷与游梁式抽油机载荷一样，主要由静载荷、动载荷和摩擦载荷组成。直线电机抽油机悬点载荷计算方法与游梁式抽油机相同，下面着重分析静载荷与动载荷的大小与变化规律。根据工况选择CYG22型抽油杆，参数如下：杆横截面积380.12mm2，密度r=8.05103kg/m3 ，每根重量24.49kg。选择的杆式泵的直径为44mm，柱塞冲程长度范围为1.26，理论排量27138m3/d。油管外径73mm，内径59mm，刚级J-55，抗挤强度65

49、.8MPa，内压63.7MPa5.2 分析计算5.2.1悬点静载荷电机下冲程：这时抽油泵下部的固定阀打开，而游动阀关闭，柱塞下部作用有油管外液柱的压力，悬点载荷包括抽油杆重力，液柱重量。Wjs=frLg(-)+Fg(L-hc) （5-1）式中Wjs上冲程悬点静载荷，kN。、分别为抽油杆密度和井液的密度，kg/m。取=0.80。g重力加速度，m/；fr、F分别为抽油杆和泵柱塞的截面积，；L下泵深度，m；取L=1200。Hc泵的沉深度，m。Wjs=frLg(-)+Fg(L-hc) =380.1210-6120010（8.05-0.80）103+/444210-60.8510310（1200-100

50、） =33070+14217=47287N=47.287kN电机上冲程：游动阀打开而固定阀关闭，泵中的液体与油管中液体相通，因此液柱重量不再作用在柱塞上，这时悬点静载荷为：Wjr=frLg(-)=33.070kN （5-2）5.2.2悬点动载荷（1）惯性载荷由于悬点运动是变速运动，抽油杆柱和液柱都受到加速度的影响，因而产生惯性载荷。忽略它们的弹性影响，认为抽油杆柱和液柱各点的运动规律与悬点运动规律完全一致。电机下冲程时惯性载荷为：Wgs=Wrg+Wyg=(Wr+Wy)a/g （5-3）式中：是由于油管内径与柱塞直径不同而引起的液流加速度改变系数。 如果有关的过流截面积为Ft，则:= (F-fr

51、)/(Ft-fr) （5-4）=(/444210-380.1210)/( /45910-380.1210)=(1520.53-380.12)/(2733.97-380.12)=0.48 Wgs=(Wr+Wy)a/g =(frLgr+FLgy )a/g=(380.12101200108.0510+0.481520.53101200100.8010)a/10=(36720+0.4814597.09)a/10=4373a 电机上冲程时液体向上运动的加速度很小可以忽略不计所以惯性载荷为：Wgx=Wrg=Wra/g =3672a （5-5）（2）振动载荷抽油杆又长又细，在纵向具有很大的弹性。抽油机工作时

52、，抽油杆载荷周期性地变化，使抽油杆柱产生振动。液柱下端周期性地被泵柱塞推动，使其产生振动，当油管下端不锚定时，在液柱振动的影响下也会产生振动。三组弹性体振动相互影响，在加上阻尼作用，整个系统的振动过程相当复杂，振动载荷计算相当困难。（3）平衡重的计算根据直线抽油机电机上、下冲程作功相等这个准则可以计算平衡重重力。下冲程时,系统储存的能量等于电机下冲程所作的功和下冲程抽油杆下落所作的功之和,上冲程时,系统放出能量(等于储存的能量)加电机上冲程所作的功等于上冲程提升抽油杆和油柱所作的功,根据平衡原理,电机上、下冲程所作功相等,由于电机与平衡重直接相联接,可以求得：平衡重重力FP=FG+1/2FY-

53、FD式中：FG为抽油杆在井液中的重力；FY为油管内、柱塞上的油柱重力；FD为电机初级的重力(根据下面选择的电动机知FD =18000N)。 FP=FG+1/2FY-FD = 33070+0.514217 -18000=22179N （5-6）5.2.3 载荷曲线编程图像悬点静载荷和动载荷的曲线如图5-1所示：图5-1 悬点载荷曲线从图上可以看出最大载荷为：51.660kN。6 直线电机的选取6.1 直线电机的工作原理用直线电机代替旋转电机驱动抽油机可减少转换机构,提高整机的系统效率,简化结构,同时为加大冲程、提高抽油机的生产能力、减轻重型抽油机的重量提供了良好条件。与旋转电机相比,直线电机是一

54、种利用电能产生直线运动的电机,它可以直接驱动机械负载作直线运动。其最大优点是取消了从电机到工作驴头之间的一切中间环节,把工作驴头上下运动传动链的长度缩短为零,即零传动或直接传动。 图6-1 由旋转电机转变成直线电机的过程从结构上看，将旋转电机沿轴向剖开，并将其铺平，这样，旋转电机的定子(初级)依然是直线电机的定子(初级)，而旋转电机的转子(次级)则变成了直线电机的动子(次级)，如图6-1所示。由于直线电机在结构上与旋转电机具有相似之处，因而其工作原理与目前常用的旋转电机相同，对直线电机来说，通入三相交流电后，也会产生气隙磁场，当不考虑纵向边端效应时，分布情况与旋转电机相似，即可看成沿展开的直线

55、方向呈正弦分布。如图6-2所示，当三相电流随时间变化时，气隙磁场将A、B、C相序沿直线运动。这个原理与旋转电机相似，两者的差异是:这个磁场是平移的而不是旋转的，因而称之为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为同步速度vsvs =2f （4-10）式中，f为电流频率，Hz；为极距，m；vs 为同步速度，m/s。假设次级为栅形次级，图6-2中仅画出其中的一根导条，导条在行波磁场切割下，将产生感应电动势和电流，导条电流所形成的磁场与气隙磁场相互作用，便会产生电磁推力，在其作用下，如果直线电机的初级是固定不动的(定子)，就势必使次级顺着1行波磁场；2次级；3

56、初级图6-2 直线电机的基本工作原理行波磁场运动的方向作直线运动。若次级移动速度用v表示，转差率用s表示，则有：S=( vs v)/v （4-11）变换直线电机任意两相电源线后，运动方向便会反过来，这样可使直线电机作往复运动。通过控制器可使继电器交替工作，使电机正反向运动，进而获得抽油杆的上下往复运动，完成抽油工作。6.2 直线电机本体结构设计为了使直线电机抽油机具有更广泛的适应性和可控性,在整体结构的设计上采取模块化的方案。可以通过改变直线电机定子长度的方法来调整直线电磁抽油机的最大冲程;而冲次的调节可以通过对抽油机上、下冲程的运行速度的控制很方便地实现。这种方案也完全符合抽油机向长冲程、低

57、冲次方向发展的趋势。此外,可以按有杆抽油系统载荷上、下冲程位置不同而变化的规律,调节直线电机的推力指标,使之与载荷的变化情况相适应,从而使直线电机的出力与载荷达到尽可能好的匹配,这样可以大大提高系统的效率。另外,针对目前世界上大量使用的游梁式抽油机,也可以在原有的基础上进行改造,即采用直线电机进行驱动,设计中采用直流直线电机。该电机采用稀土永磁材料钕、铁、硼作为永久磁极,与电磁式直流电机相比有很多优越性:单位体积的出力较大； 稀土永磁体的退磁曲线呈线性,无须进行稳定处理,抗去磁能力强,适于在具有较强去磁的动态条件下工作(这也适合直线电磁抽油机频繁启动的特点) ；无励磁绕组,结构简单,节省了用铜

58、量,降低了能耗,提高了效率和可靠性。由于直线电机与旋转电机结构上的差异,即由于铁心及绕组在纵向和横向的断开,导致了直线电机存在边端效应。这些边端效应都是以增加附加损耗、减少直线电机的有效输出为结果的,有时严重影响了直线电机的性能和指标 。为此,本样机中采用圆筒型的结构,以消除横向边端效应,同时也便于加工。对于圆筒形永磁直流直线电机,电枢铁心或内定子铁心轭部的圆柱截面往往是整个磁路中最小的磁路截面,此处的磁场最容易饱和。当此处的磁密为一定时,气隙磁密的提高受到定子铁心长度的限制。在合理的设计中,定子铁心长度与电枢铁心或内定子铁心轭部直径之比基本上为常数。因此,当电机的安装空间为细长形时,应当将电

59、机设计成沿轴向多极的结构。如图6-3所示结构的动线圈直线电机 。电机的整体结构采用模块化的设计方案,以便于在工作中调整系统的参数指标,同时降低了工艺难度。圆筒型的定子铁轭同时作为电机的外壳,由多段低碳钢管同轴压装到一起而成。定子内腔粘贴永磁体,永磁体的极性在轴向上相间分布。在圆周方向上由多块相同充磁方向的小块磁钢拼装成圆环型磁极,内圆周为N (或S) 极。这样在定子内腔就形成了N S 极相间分布的环型磁极,并且在整个行程上的结构是一致的。1左端盖；2光断续器；3直线轴承；4螺栓；5永磁体；6端部壳体1；7轴；8线圈；9中部壳体；10动子铁芯；11端部壳体2；12右端盖 图6-3 动线圈式大推力

60、直线电机结构图 6.3 直线电机的选型圆筒形直线电机具有体积小、易于进行机泵一体化设计的优点,并且由于其外型是圆柱形,适合在油井内使用。它的初级绕组只是简单地由一系列共轴线圈组成,然后由三相电源顺序供电,不存在端部绕组,因而也就不存在端部漏磁通以及附加阻抗,并且在圆柱形次级上也不存在总径向力,因此,减少了直线轴承上所承受的应力。用圆筒形直线电机作为传动机构,具有速度高、行程长、无污染的优点。根据电机的运动特点，悬点的最大载荷，电机运行速度，结构设计等选择圆筒型直线电机。选择14型圆筒直线电机，其技术参数如下：额定推力F/ kN 40峰值推力Ff / kN 90额定同步速度v/ m s1 3运行速度v1 / m s1 3空载速度v2 / m s1 6实际间隙/ mm 3额定工作电压V / V 3000额定功率KW 120圆筒形直线电机的优点：（1