直线电机井下驱动采油装置设计毕业设计

直线电机井下驱动采油装置设计毕业设计

目录

第1章前言 (1)

§1．1 国外无游梁式抽油机的发展现状 (1)

§1．2 主要的无游梁式抽油机 (6)

§1．2．1 链条抽油机 (6)

§1．2．2 液压抽油机 (8)

§1．2．3 直线电机抽油机 (8)

§1．3 直线电机的应用及发展概况 (10)

§1．3．1 探索实验时代 (10)

§1．3．2 工业应用时代 (13)

§1．3．3 实用商品时代 (14)

§1．3．4 中国直线电机的研制历史与发展 (15)

第2章直线电机驱动的基本原理 (19)

§2．1 直线驱动装置与直线系统概述 (19)

§2．2 直线电机的基本结构 (22)

§2．3 直线电机的基本工作原理 (26)

§2．4 直线电机作为井下动力系统的优势 (28)

§2．5 潜油式直线电机抽油机的原理 (29)

§2．6 本章小结 (31)

第3章直线电机的设计 (32)

§3．1 直线电机的设计 (32)

§3．1．1 井下电机的特殊性 (32)

§3．1．2 潜油电机时同步与异步电机的比较 (33)

§3．1．3 直线感应电机 (34)

§3．1．4 直线同步电机 (35)

§3．1．5 直线直流电机 (36)

§3．1．6 圆筒型永磁直线同步电机 (37)

§3．2 永磁材料主要性能参数 (39)

§3．2．1 稀土永磁直线电机的特点 (42)

§3．2．2 稀土永磁在直线电机中的应用 (43)

§3．3．4 参数计算 (58)

§3．3．5 性能计算 (61)

结论 (69)

参考文献 (71)

致谢 (75)

第1章前言

§1．1 国外无游梁式抽油机的发展现状

随着采油设备的深入研究，抽油油机在最初的雏形上有了长足的发展。传统的游梁式抽油机以适应野外恶劣工作环境等明显优势，区别于其它众多类型的抽油机，而且以其结构简单、易损件少、坚实耐用、可靠性强、操作简便、维修方便、维护费用低等特点，一直占据有杆泵采油地面设备的主导地位。

游梁式抽油机是最古老、应用最广泛的一种型式，工作可靠、坚实，使用和维修方便，并且在常规型基础上发展了多种型式。

常规型游梁式抽油机其工作过程为：用电机带动减速机，减速机带动皮带轮，皮带轮带动曲柄连杆将旋转运动变成驴头悬点的往复运动，依靠抽油杆和光杆传递运动，带动井下抽油泵柱塞提上放下，而将油带出地面进入输油管道中或储油罐中，完成抽油过程。

抽油机工作时，在上、下冲程中，电动机所承受的载荷相差很大。上冲程时，驴头悬点静载荷主要是抽油泵柱塞以上的液柱重量与抽油杆重量之和，提起这部分重量电机需要作很大的功；而下冲程时，液柱重量转移到固定阀和油管上，驴头仅承受抽油杆柱的重量，电机不仅无需做功，反而由于抽油杆自重下落，使电机处于发电机状态。因此，在上、下冲程中，电机的负载极不均匀，加上悬点运动速度和加

速度的变化，更加剧了这种不均匀性。结果使抽油机振动加剧，电机、减速箱、抽油泵等效率降低，寿命缩短，抽油杆断裂现象增加，能耗过多。

游梁式抽油机以其特别能适应野外恶劣的工作环境等明显优势，区别于其它众多类型的抽油机。常规型游梁式抽油机更是以其结构简单、易损件少、坚实耐用、可靠性强、操作简单、维修方便、维护费用低等特点，一直占据有杆采油地面设备的主导地位。但是，游梁式抽油机还是存在许多需解决的问题。

由于游梁式抽油机自身结构的原因，它仍存在着一些问题。

(1)传动效率低

①皮带传动的功率损失。一般以弯曲功率损失和滑动损失为主，可以用以下公式计算 311030b E I n P r πα

-∆=⨯ （1-1） 232110F v P E A

-∆=⨯ (1-2) 式中：A 为皮带面积，2mm ;∂为皮带包角，rad;b E 为皮带纵向弯曲弹性模量，MPa ；1E 为皮带拉伸弹性模量，Mpa;F 为皮带拉力，N ；I 为皮带截面惯性矩，4mm ;n 为转速，r ／min ；1P ∆为皮带绕轮弯曲损失功率，kW ；2P ∆为皮带弹性滑动损失功率，kW;r 为皮带轮半径，mm;v 为皮带轮转速，m/s 。

由公式(1-1)和公式(1-2)可以看出为减少皮带轮损失，应减小皮

带的纵向弯曲模量和截面惯性矩，并增加皮带的拉伸弹性模量。上个世纪70年代以来，对皮带做了大量改进，创造出窄V带、多楔带、同步带等，传动效率由83％提高到94％。据资料，由于管理等方面的原因，大量抽油机皮带传动效率在85％左右。

②减速箱传动功率损失。轴承传动损失加上齿轮的损失，减速箱总传动损失约为9％左右。

③四连杆结构轴承损失，钢丝绳变形损失一般统计约为3％。

以上三个方面的能量损失造成游梁式抽油机能量损失达30％左右。

(2)游梁式抽油机增大冲程，减速箱扭矩成比例增大，需要更换更大更重的减速箱；又因受游梁摆角限制四连杆尺寸必然增大，引起抽油机外形尺寸和总机重量大幅度增加。

(3)游梁式抽油机的四连杆机构使得驴头悬点的运动规律类似简谐运动，其最高速度和最低速度较匀速运动的速度差得多，所以加速度较匀速运动也大得多，造成惯性载荷大，使抽油机承受载荷过大，缩短了抽油机的使用寿命。

随着井深和产量的不断增加，同时随着油井开采复杂条件的经常出现(如高粘、多蜡、多砂、多气、水淹和强腐蚀性等条件)，传统游梁式抽油机的许多问题明显地显现出来。主要是抽油机的能耗高、重量大和难以实现长冲程、低冲次抽油，在生产中抽油杆的事故增多、

抽油泵的排量降低等。为了克服这些缺点，国外各厂家先后研制出了前置式抽油机、异相曲柄抽油机，空气平衡抽油机等，虽然克服了常规抽油机的一些缺点，但是没有脱离传统抽油机利用四连杆机构将旋转运动转变为往复直线运动的传动方式。

上个世纪70年代以来，各种形式的无游梁抽油机应运而生，它的优点是不用四连杆机构将旋转运动转变为往复直线运动，其运动规律除上下死点有短时间加减速运动外，大部分时间是匀速运动，使惯性载荷大幅度下降，抽油机性能得到较大改善。无游梁抽油机容易实现长冲程，而长冲程抽油机冲次较低，大大降低了运动系统的加速度，惯性载荷小，如：链条抽油机、皮带抽油机等。它们同样存在一些问题，如结构复杂、运动件多、成本高，特别是大多数采用软连接，摆动轮直径不能过大、使钢丝绳(链条)使用寿命短。

上个世纪80年代以后，各采油设备生产厂家相继研制开发了数十种新一代节能型抽油机，改进了上述机型的一些缺点。各种无游梁抽油机相继制成并投入使用，标志着我国有杆抽油机技术的发展有了较大的提高。

上个世纪90年代以来，各抽油机生产厂家，相继研制成功了新一代节能高效抽油机。智能化节能型抽油机是今后抽油机发展的趋势和方向。抽油机发展的最高阶段是智能化，其性能基本满足设计规要求。2001年3月华北石油大卡热能技术开发率先研制出直线电机驱动抽油