Design and analysis of the reversing device for extended-range pumping units

YUAN Xinmei; HUANG Jiawei; YANG Lizhao; HUANG Tiancheng; ZHOU Sizhu

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2025.09.008

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Design and analysis of the reversing device for extended-range pumping units

Design·Calculation | 更新时间：2025-09-20

- Design and analysis of the reversing device for extended-range pumping units
- Journal of Mechanical Transmission Vol. 49, Issue 9, Pages: 64-71(2025)
- 作者机构：
  
  1.长江大学机械工程学院，荆州 434023
  2.长江大学机械结构强度与振动研究所，荆州 434023
  3.旭阳集团，菏泽 274700
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.09.008
  CLC： TH132
- Received：10 September 2024，
  
  Revised：2024-12-18，
  
  Published：15 September 2025
- 稿件说明：
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袁新梅，黄家炜，杨立昭，等. 增距式抽油机换向装置结构设计及分析［J］. 机械传动，2025，49（9）：64-71.

YUAN Xinmei，HUANG Jiawei，YANG Lizhao，et al. Design and analysis of the reversing device for extended-range pumping units［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（9）：64-71.
袁新梅，黄家炜，杨立昭，等. 增距式抽油机换向装置结构设计及分析［J］. 机械传动，2025，49（9）：64-71. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.09.008.

YUAN Xinmei，HUANG Jiawei，YANG Lizhao，et al. Design and analysis of the reversing device for extended-range pumping units［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（9）：64-71. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.09.008.

摘要

目的

为解决增距式抽油机换向机构无急回特性且无法较好适应周期性负载的问题，设计了一种效率高、换向可靠的非圆齿轮曲柄滑块换向机构。

方法

对机构中的滑块进行推拉力计算及运动分析，确定了曲柄与从动非圆齿轮的最佳固连角度；采用动力学仿真方法，分析了曲柄与从动非圆齿轮的固连角度和偏心率对换向机构运动规律的影响；利用有限元仿真方法，对非圆齿轮的齿面进行了接触应力分析。

结果

分析结果表明，该换向机构上冲程运动平稳，下冲程时间较短，有助于提高抽油机的稳定性与采油效率；在非圆齿轮副单齿和双齿交替啮合的区域，接触应力会发生显著变化；非圆齿轮副的偏心率与齿宽对齿面接触应力分布影响较大，须加以限制。研究结果可为增距式抽油机的工作效率和可靠性提升提供一定参考。

Abstract

Objective

To address the deficiencies in non-quick return and cyclic load adaptation of the reversing device for extended-range pumping units

a high-efficiency and reliable non-circular gear crank slider reversing device was developed.

Methods

The calculation of push and pull forces on the slider was conducted

along with motion analysis

and the optimal fastening angle between the crank and driven non-circular gear was determined. By employing dynamic simulation methods

the impact of the fastening angle between the crank and the driven eccentric non-circular gear as well as the eccentricity of the ellipse on the motion law of the reversing device was examined. Furthermore

finite element simulation methods were utilized to conduct the comprehensive analysis of contact stress on the tooth surface of the non-circular gear.

Results

The findings indicate that the upstroke movement of this reversing device is stable

and the downstroke time is relatively short

which is conducive to enhancing the stability and oil extraction efficiency of the pumping unit. In the meshing area where single tooth and double teeth of the non-circular gear pair alternate

the contact stress undergoes significant variations. The eccentricity and tooth width of the non-circular gear pair have a considerable influence on the distribution of the tooth surface contact stress and must be restricted. The research results can provide reference for the work efficiency and reliability improvement of extended-range pumping units.

关键词

Keywords

references

王守民 . 油田在役常规游梁式抽油机的增程与节能改造研究［D］. 杭州：浙江大学， 2002 ： 10 - 11 .

WANG Shoumin . Research on stroke lengthening and power saving modification of oil field conventional beam-pumping units in service ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2002 ： 10 - 11 .

张晓东，贾国超 . 关于我国抽油机发展的几点思考［J］. 石油矿场机械， 2008 ， 37 （ 1 ）： 24 - 27 .

ZHANG Xiaodong ， JIA Guochao . Thoughts about the development of our country pumping unit ［J］. Oil Field Equipment ， 2008 ， 37 （ 1 ）： 24 - 27 .

刘永平，李大伟，董长斌 . 基于输出摆角分析的抽油机换向机构优化设计［J］. 机械传动， 2019 ， 43 （ 10 ）： 68 - 71 .

LIU Yongping ， LI Dawei ， DONG Changbin . Optimization design of pumping unit reversing mechanism based on output swing angle analysis ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2019 ， 43 （ 10 ）： 68 - 71 .

鲍正义 . 增距式长冲程抽油机［J］. 石油钻采工艺， 1982 ， 4 （ 6 ）： 47 - 54 .

BAO Zhengyi . Extended distance long stroke pumping unit ［J］. Oil Drilling & Production Technology ， 1982 ， 4 （ 6 ）： 47 - 54 .

刘永平，董长斌，安建民，等 . 新型抽油机换向装置结构设计及运动仿真分析［J］. 机械传动， 2017 ， 41 （ 9 ）： 115 - 118 .

LIU Yongping ， DONG Changbin ， AN Jianmin ， et al . Analysis of motion simulation and structure design of the reversing device of new pumping unit ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2017 ， 41 （ 9 ）： 115 - 118 .

魏华 . 行星齿环式无游梁抽油机的理论分析及设计［D］. 成都：西华大学， 2010 ： 10 - 14 .

WEI Hua . Theoretical analysis and design of the non-beam pumping unit of planetary gear-ring type ［D］. Chengdu ： Xihua University ， 2010 ： 10 - 14 .

赫巍巍 . 差速换向无游梁抽油机关键部件的研究［D］. 大庆：东北石油大学， 2013 ： 6 - 10 .

HE Weiwei . Research on the key components of differential reversing no beam pumping unit ［D］. Daqing ： Northeast Petroleum University ， 2013 ： 6 - 10 .

孙春辉 . 新型无游梁机械换向抽油机系统研究［D］. 沈阳：沈阳理工大学， 2014 ： 7 - 10 .

SUN Chunhui . Research on the system of new non-beam mechanical commutation pumping unit ［D］. Shenyang ： Shenyang Ligong University ， 2014 ： 7 - 10 .

李阿龙 . 低产无游梁式抽油系统优化设计及动态仿真［D］. 秦皇岛：燕山大学， 2015 ： 7 - 12 .

LI Along . The low yield of non walking beam type oil pumping system optimization design and dynamic simulation ［D］. Qinhuangdao ： Yanshan University ， 2015 ： 7 - 12 .

李柄燚，董世民，张佳妮，等 . 双曲柄2K-H轮系大摆角换向装置运动分析［J］. 机械传动， 2021 ， 45 （ 12 ）： 112 - 116 .

LI Bingyi ， DONG Shimin ， ZHANG Jiani ， et al . Motion analysis of double crank 2K-H gear train large swing angle reversing device ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2021 ， 45 （ 12 ）： 112 - 116 .

李冰侠 . 全平衡抽油机设计［D］. 大庆：大庆石油学院， 2010 ： 2 - 7 .

LI Bingxia . The design of full term equilibrium energy saving beam pumping unit ［D］. Daqing ： Daqing Petroleum Institute ， 2010 ： 2 - 7 .

赵洪涛 . 抽油机电机的运行工况与节能［J］. 中国城市经济， 2011 （ 18 ）： 179 .

ZHAO Hongtao . Operation condition and energy saving of pumping unit motor ［J］. China Urban Economy ， 2011 （ 18 ）： 179 .

贾晓冬 . 抽油机超高转差率电动机的应用研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2008 ： 2 - 3 .

JIA Xiaodong . Research on ultra-high-slip motors for pumping unit drive ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2008 ： 2 - 3 .

李渤涛，陈定方 . 非圆齿轮设计、制造、检测及应用［J］. 机械工程学报， 2020 ， 56 （ 9 ）： 55 - 72 .

LI Botao ， CHEN Dingfang . Design，manufacture，inspection and application of non-circular gears ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2020 ， 56 （ 9 ）： 55 - 72 .

袁新梅，杨立昭，黄天成，等 . 双圆弧齿廓椭圆齿轮建模与运动学仿真［J］. 机械传动， 2024 ， 48 （ 2 ）： 90 - 95 .

YUAN Xinmei ， YANG Lizhao ， HUANG Tiancheng ， et al . Modeling and kinematics simulation of elliptical gears with double circular arc profiles ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2024 ， 48 （ 2 ）： 90 - 95 .

刘永平，董长斌，魏永峭 . 椭圆齿轮传动系统齿面接触与动态磨损分析［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2021 ， 51 （ 5 ）： 1620 - 1627 .

LIU Yongping ， DONG Changbin ， WEI Yongqiao . Analysis of tooth surface contact and dynamic wear of elliptic gear transmission system ［J］. Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition）， 2021 ， 51 （ 5 ）： 1620 - 1627 .

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