直線式抽油機應急剎車裝置設(shè)計

陳宏洲

冀東油田公司陸上油田作業(yè)區(qū)，河北 唐山 063004

直線式抽油機目前在我作業(yè)區(qū)應用較為廣泛，相比傳統(tǒng)游梁式抽油機具有占地面積小、裝配簡易、參數(shù)調(diào)節(jié)方便準確等優(yōu)點，負載平衡效果好，節(jié)能效果明顯。但是，由于直線式抽油機的設(shè)計特點，其本身也存在一定的安全隱患:當油井發(fā)生抽油桿上部分桿斷或抽油機皮帶斷裂會造成配重箱迅速墜落，皮帶、光桿容易甩出軌道，導致安全事故的發(fā)生。

1 抽油機結(jié)構(gòu)分析

直線式抽油機又稱塔式抽油機，目前在我作業(yè)區(qū)應用的主要有三類，分別為遼寧盤錦石油機械廠、中國東營勝利高原有限公司以及冀東機械廠生產(chǎn)，其主要結(jié)構(gòu)原理基本相同，本文將針對我作業(yè)區(qū)應用較為廣泛的盤錦石油機械廠生產(chǎn)的直線式抽油機進行分析。

當抽油機發(fā)生失載時系統(tǒng)受力平衡被打破，配重箱在重力作用下迅速墜落，從而帶動皮帶、光桿等部件運動，因此應急剎車裝置的主要作用對象應為配重箱，建立一套能夠迅速制止配重箱下落的剎車裝置是本設(shè)計的目的。

2 應急剎車硬件設(shè)計

本剎車裝置安裝在配重箱上，利用剎車器與配重箱滑軌的摩擦力使配重箱制動。具體設(shè)計方案如下:

1）系統(tǒng)框圖

圖1 系統(tǒng)原理框圖

剎車裝置主要由:失載傳感器、運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機、繼電器、電磁鐵以及剎車鉗五部分構(gòu)成。其中失載傳感器可以安裝在皮帶與懸繩器或配重箱的連接部位，單片機對負荷傳感器的信號進行采樣判斷，一旦判定抽油機失載則發(fā)出兩個指令信號:1）傳輸至抽油機控制柜，命令電動機斷電；2）通過繼電器將該指令信號放大后觸發(fā)電磁鐵吸合，繼而使安裝在配重箱上的剎車鉗產(chǎn)生動作，抱死配重箱滑軌，最終使得配重箱制動。

2）機械部分

機械部分的設(shè)計主要是針對于剎車鉗的設(shè)計，剎車鉗是剎車裝置的關(guān)鍵部位，也是最終的受力部位，剎車鉗必須產(chǎn)生足夠的摩擦力來使配重箱制動，在本設(shè)計中我們利用木楔原理。我們知道，在使用木楔固定家具時只需用很小的力將木楔釘入?yún)s能產(chǎn)生很大的摩擦力固定家具。

根據(jù)木楔原理，我們將剎車鉗設(shè)計成楔形，利用楔塊的插入產(chǎn)生摩擦力。如圖2:

圖2 楔形剎車鉗原理圖

根據(jù)受力分析圖3，我們可以發(fā)現(xiàn)楔塊在剎車抱死時受到以下幾個力的作用:F,配重箱對楔塊的壓力；f，楔塊與配重箱滑軌產(chǎn)生的摩擦力。N與G分別為F在水平方向與縱向的兩個分力。

不難得知，楔塊產(chǎn)生的摩擦力為:

若要使配重箱產(chǎn)生制動效果，需使楔塊受力平衡，即:

由式5可知，楔塊所產(chǎn)生的摩擦力能否使配重箱產(chǎn)生制動，只與楔角a以及摩擦系數(shù)μ有關(guān)，與配重箱的質(zhì)量并無直接關(guān)系。配重箱的自重越大則楔塊所產(chǎn)生的摩擦力越大。

在實際情況中，我們會在配重箱兩側(cè)滑軌上同時安裝剎車鉗。因此，式3在實際情況中應為:

在這里，我們擬選用摩擦系數(shù)較大的橡膠作為楔塊的材質(zhì)，橡膠與鋼的摩擦系數(shù)為0.75，計算得出楔角的大小為56.3°。由此可知，在實際使用中，采用橡膠材質(zhì)的楔角，只要楔角不大于56.3°，即可實現(xiàn)配重箱的制動。

3）控制部分

剎車裝置的控制部分我們采用單片機為核心的控制單元，配合電磁鐵以及相應的聯(lián)動裝置實現(xiàn)楔塊的動作。

本系統(tǒng)通過負荷傳感器傳輸負荷信號，經(jīng)由運算放大器對信號進行放大。由于負荷傳感器的輸出信號為模擬信號，因此要通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再輸入單片機。單片機對負荷信號進行判定，發(fā)現(xiàn)失載信號后同時發(fā)出兩個控制指令。由于電動機斷電指令的執(zhí)行涉及到具體抽油機的核心控制單元，目前沒有進行深入研究，只對剎車鉗的聯(lián)動控制部分進行設(shè)計。

圖3 剎車控制傳動系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中，單片機發(fā)出指令為弱電信號，通過繼電器轉(zhuǎn)換為強電信號，觸發(fā)電磁鐵工作吸合，觸動連桿使得楔塊向上運動，楔入剎車鉗內(nèi)產(chǎn)生摩擦力。

3 應急剎車軟件設(shè)計

本文設(shè)計的剎車系統(tǒng)是在應急情況下啟動，因此對響應時間要求較高。在程序設(shè)計上我們放棄采用程序循環(huán)的方式，而采用硬件中斷的方式對傳輸信號進行讀取，提高了程序的可靠性和實效性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一套通過單片機控制的直線式抽油機應急剎車裝置。通過受力分析計算，理論上可以實現(xiàn)配重箱的應急制動。本文提出的設(shè)計還處于理論模型設(shè)計階段，沒有深入到具體技術(shù)層面，距離現(xiàn)場應用還有一段距離。

下一步我們將針對現(xiàn)場抽油機進行具體環(huán)節(jié)的設(shè)計，不斷優(yōu)化剎車裝置的響應速率，實現(xiàn)快速執(zhí)行的應急剎車裝置。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

[1]殷鋼,韓萬里,許秀軍.塔式抽油機失載剎車裝置[J].裝備制造技術(shù)，2010(7):170-171.

[2]陳憲侃.抽油機采油技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2004.