曲柄行星輪式抽油機定輪的優(yōu)化設計

賈 征,程 偉,劉 勇,李義順,李小松

(中國石油冀東油田機械公司,河北唐海063200) *

曲柄行星輪式抽油機定輪的優(yōu)化設計

賈 征,程 偉,劉 勇,李義順,李小松

(中國石油冀東油田機械公司,河北唐海063200)*

曲柄行星輪式抽油機是一種新型無游梁抽油機,在保持高可靠性的前提下,可縮小體積、節(jié)約占地,滿足長沖程、大載荷的工況要求,并獲得顯著的節(jié)電效果。定輪的曲線形式決定著該抽油機的節(jié)能效果。通過對阿基米德螺線、偏心圓曲線和雙圓弧曲線的對比,確定了該抽油機定輪的最佳曲線型式。對比得出,曲柄行星輪式抽油機的運動和動力特性均優(yōu)于雙驢頭抽油機。

曲柄行星輪式抽油機;阿基米德螺線;雙驢頭抽油機;節(jié)能

游梁式抽油機具有工作可靠、耐用的特點,能夠適應油田惡劣、連續(xù)的采油工況。但是,受傳動裝置傳動比的限制,游梁式抽油機沖次偏高,無法滿足低滲透、低產井對低沖次抽油機的要求[1]。另外,針對一些油層較深,懸點載荷較大的油井,游梁式抽油機的體積和鋼材耗量較大,性價比較差。因此,研制低沖次、長沖程、大載荷、節(jié)能型抽油機對于降低油井的運行成本、提高油井開發(fā)的綜合經濟效益具有重要的意義。

曲柄行星輪式抽油機是冀東油田機械公司自主研發(fā)的新型節(jié)能抽油機。通過對抽油機結構的研究發(fā)現(xiàn),定輪曲線形式對該抽油機的節(jié)能效果影響較大。

1 總體結構

圖1 曲柄行星輪式抽油機

為減小抽油機的輪廓尺寸和質量,滿足長沖程、大懸點載荷工況的要求,開發(fā)了一種新型無游梁抽油機,結構如圖1。該新型抽油機在保持高可靠性優(yōu)點的前提下,與常規(guī)游梁抽油機及雙驢頭抽油機相比,具有體積小、鋼耗低、節(jié)約占地等優(yōu)點,同時又能滿足直線抽油機長沖程、大懸點載荷的工況要求,并獲得顯著的節(jié)電效果。

2 定輪設計

2.1 方案及實施

曲柄行星輪式抽油機定輪組件中的等徑輪和變徑輪相當于雙驢頭抽油機的前驢頭和后驢頭,按照雙驢頭抽油機的設計思想[2],其變徑輪曲線結構的優(yōu)化是抽油機節(jié)能設計的關鍵。經過多方的分析論證,從理論上得到了肯定和認可,筆者根據設計的曲柄行星輪式抽油機圖紙,利用車間現(xiàn)有條件,制作了該抽油機試驗模型(如圖2),并進行了多次試驗。

圖2 抽油機試驗模型

該試驗模型以車床操作臺為基準面,高度尺B作為支架,定輪組件和掛繩器安裝于高度尺B上,用分度頭作為減速器,安裝曲柄和行星輪組件。試驗時,搖動分度頭,用高度尺A記錄不同曲柄轉角所對應的懸掛物的高度。

試驗過程中,筆者設計了3種方案并進行分析比較,如圖3。

圖3 抽油機定輪曲線試驗方案

為了保證試驗結果的準確性,在3種方案中,保持所有結構件的相對位置不變,只對定輪組件中定輪曲線進行調整。通過試驗,獲得了不同工況下抽油機的逐點位置關系數(shù)據。

2.2 分析計算

根據抽油機模擬試驗結果,對其結構尺寸進行幾何關系(如圖4)分析,由式(1)～(2)計算扭矩因數(shù)和減速器凈扭矩[3-5]。

圖4 曲柄行星輪式抽油機幾何關系

扭矩因數(shù)為

減速器凈扭矩為

式中,TF為扭矩因數(shù),m;α為 P和R之間的夾角, (°);β為 P和C之間的夾角,(°);Tn為減速器凈扭矩,kN·m;W為懸點載荷,kN;WB為結構不平衡重力,kN;M為最大平衡扭矩,kN·m;θ為曲柄轉角,(°)。

2.3 節(jié)能比較

通過模擬試驗和計算機數(shù)據分析相結合,對定輪曲線的3種方案進行了逐點分析計算,得出了各點的扭矩因數(shù)和減速器凈扭矩(如圖5～10)。可以看出,方案三中扭矩因數(shù)和減速器靜扭矩的峰值低于方案一和方案二,并且方案三中減速器基本消除了負扭矩,運行平穩(wěn)。

圖5 方案一:扭矩因數(shù)

圖6 方案一:減速器凈扭矩

圖7 方案二:扭矩因數(shù)

圖8 方案二:減速器凈扭矩

圖9 方案三:扭矩因數(shù)

圖10 方案三:減速器凈扭矩

3種方案數(shù)據分析對比如表1,筆者得出方案二的節(jié)能性優(yōu)于方案一,方案三的節(jié)能性優(yōu)于方案二。因此,曲柄行星輪式抽油機的定輪曲線應采用阿基米德螺旋線。

表1 3種方案數(shù)據對比

3 與雙驢頭抽油機節(jié)能性分析比較

雙驢頭抽油機是將常規(guī)游梁式抽油機的游梁后臂加裝后驢頭,用驅動繩來代替連桿的硬連接[3]。目前,國內外對游梁抽油機和雙驢頭抽油機的運動學和動力學分析均做了很多的研究,并有了較精確的結果和成熟的理論依據,普遍認為雙驢頭抽油機的運動和動力特性要優(yōu)于常規(guī)游梁抽油機。

為了更好地設計、使用曲柄行星輪式抽油機,筆者選用12型曲柄行星輪式抽油機(定輪曲線為阿基米德螺線)與相同型號的雙驢頭抽油機在相同工況下進行了運動、動力分析比較。扭矩因數(shù)和減速器靜扭矩如圖11～14。

圖11 曲柄行星輪式抽油機扭矩因數(shù)

圖12 曲柄行星輪式抽油機減速器凈扭矩

圖13 雙驢頭抽油機扭矩因數(shù)

圖14 雙驢頭抽油機減速器凈扭矩

通過模擬試驗和計算機數(shù)據逐點分析,對2種抽油機運動、動力分析對比(如表2),得出曲柄行星輪式抽油機可以有效減小曲柄軸扭矩波動,增加了沖程,基本消除了負扭矩,運行平穩(wěn),可靠度高,其運動和動力特性均優(yōu)于雙驢頭抽油機。

表2 曲柄行星輪式抽油機與雙驢頭抽油機運動和動力參數(shù)對比

續(xù)表2

4 現(xiàn)場應用

目前,曲柄行星輪抽油機已生產制造3臺,均為18型,已經投入冀東油田陸上作業(yè)區(qū)使用。其中樣機由于皮帶偏磨問題現(xiàn)已停止使用,其余2臺運行良好,從安裝至今最長將近10個月,未出現(xiàn)過報修故障。據現(xiàn)場反映,該機平衡好,維護方便,綜合性能優(yōu)越,可滿足油田對長沖程抽油機的要求。隨著冀東油田海上開發(fā)的不斷發(fā)展,降低油井的運行成本、提高油井開發(fā)綜合經濟效益,生產出更優(yōu)的低沖次、長沖程、大載荷、安全可靠、節(jié)能性高的抽油機仍是油田生產建設的需要。

5 結論

1) 曲柄行星輪式抽油機不但具有游梁式抽油機曲柄換向可靠的優(yōu)點,具有無游梁式抽油機長沖程、低沖次、大懸點載荷和節(jié)能的優(yōu)點,同時縮小了體積,節(jié)約了占地。

2) 曲柄行星輪式抽油機定輪曲線形式為阿基米德螺線,使節(jié)能性優(yōu)于定輪曲線形式為偏心圓和雙圓弧抽油機。

3) 相同型號、相同工況下的曲柄行星輪式抽油機和雙驢頭抽油機比較,前者運行平穩(wěn),可靠度高,其運動和動力特性優(yōu)于后者。

[1] 姚春東,董趙鵬.單曲柄滑輪增程低沖次節(jié)能型抽油機性能仿真[J].石油機械,2007,35(8):65-67.

[2] 張來斌,馮樹強,郭 東,等.異型游梁式抽油機后驢頭輪廓曲線的優(yōu)化設計[J].石油礦場機械,1996,25(6): 8-12.

[3] SY/T5044—2003,游梁式抽油機[S].

[4] 萬邦烈.采油機械的設計計算[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998.

[5] 抽油機規(guī)范[G].馬中海,陳俊杰,譯.寶雞:寶雞石油機械廠,1996.

Optimized Design of Fixed Wheel Pumping Unit Using Crank Planetary Gear

J IA Zheng,CHEN G Wei,LIU Yong,LI Yi-shun,LI Xiao-song
(J idong Petroleum Mechanical Co.,Ltd.,CN PC,Tanghai063200,China)

Using Crank planetary gear in pumping unit is the new type which has no Beam.On

keeping the advantage of high reliability,it can reduce volume,save area,fulfill the working condi

tion of long stroke and big load,and obtain the effect of saving electricity.The curve shape on the fixed wheel which was mounted on the pumping unit determined the effect of energy saving.Based on the comparison Archimedes solenoid,eccentric circular curve and double circular curve,the best curve of the fixed wheel was obtained.By comparing this pumping unit with the double horsehead pumping unit,the conclusion that kinematic and dynamic characteristics of the pumping unit that were drawn are superior to the double horsehead pumping unit’s.

crank planetary gear pumping unit;Archimedes solenoid;double horsehead pumping unit;energy conservation

1001-3482(2011)05-0085-05

TE933.1

A

2010-11-15

賈 征(1982-),男,河北唐山人,主要從事油氣集輸設備的設計和研發(fā)工作,E-mail:jx_jz@petrochina.com.cn。