直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的設(shè)計(jì)

張靜雙

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，天津 300131）

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的設(shè)計(jì)

張靜雙

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，天津 300131）

目前一般的油田抽油設(shè)備主要是常規(guī)游梁式抽油機(jī)，但是存在能源消耗高，效益低的問題。直線電機(jī)抽油機(jī)由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，取消了復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)變速環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)器改變?yōu)橹本€往復(fù)驅(qū)動(dòng)，使直線電機(jī)抽油機(jī)具有了更完善的運(yùn)動(dòng)性能，動(dòng)力性能和的平衡效果。本文介紹的直線電機(jī)抽油機(jī)的工作原理，說明了直線電機(jī)抽油機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，探討了在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的問題。完成總體方案設(shè)計(jì)的直線電機(jī)抽油機(jī)，并選擇了抽油機(jī)的主要電機(jī)部分。本裝置是機(jī)電一體化的設(shè)備，主要分析了抽油機(jī)的載荷并對(duì)天輪進(jìn)行了強(qiáng)度分析。

直線電機(jī)；抽油機(jī)；天輪；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，大多數(shù)我國(guó)油田進(jìn)入中后期開采，對(duì)機(jī)械采油設(shè)備的開發(fā)及技術(shù)水平的的要求也越來越高。然而過去幾年大量投入使用的抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)方式都是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，必須經(jīng)過一個(gè)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這不可避免地造成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率低下，同時(shí)由于機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成零件過多系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有很大的隱患。為了有效地解決這些問題，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)，主要是為了解決現(xiàn)有的抽油機(jī)無功損耗大，成本高，機(jī)械位置移動(dòng)困難等問題點(diǎn)。

1 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的工作原理

直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵送單元改變常規(guī)的泵送單元的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，并直接利用的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的線性電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油桿垂直運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到目的的液體內(nèi)電梯井。正常抽水馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，通過繩子繞過的天倫輪，翻轉(zhuǎn)輪驅(qū)動(dòng)抽油桿懸繩和上下運(yùn)動(dòng)，完成抽油過程。

1.2 總體方案描述

直線電機(jī)抽油機(jī)是結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

它結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小。動(dòng)子（相當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子）是直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過柔性連接件、鋼絲繩導(dǎo)向輪直接與抽油桿連接。動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)與抽油泵柱塞上下運(yùn)動(dòng)完全一致，其生產(chǎn)成本低、運(yùn)行效率高、維護(hù)費(fèi)用小是不難理解的。

它的沖程長(zhǎng)度、上沖行程時(shí)間、下沖行程時(shí)間、分別連續(xù)可調(diào)，能很方便地實(shí)現(xiàn)：上快下慢、上慢下快、上下行程同速的三種作業(yè)方式將主板與桁架焊接，在主板的內(nèi)側(cè)兩邊都貼上永磁體。動(dòng)子與配重箱連接，并置于主板內(nèi)部。直線電機(jī)作為整個(gè)抽油機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，直接利用直線電機(jī)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)抽油桿上下運(yùn)動(dòng)，達(dá)到舉升井內(nèi)液體的目的。提高整機(jī)的系統(tǒng)效率，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)為加大沖程、提高抽油機(jī)的生產(chǎn)能力、減輕重型抽油機(jī)的重量提供了良好條件。

圖1 直線電機(jī)抽油機(jī)是結(jié)構(gòu)示意圖

主板采用桁架焊接，永久磁鐵貼在主板內(nèi)側(cè)兩邊。動(dòng)子連接到配重框上，并放置在主板上的內(nèi)部。直線電機(jī)作為整個(gè)抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，直接使用線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油桿向上和向下運(yùn)動(dòng)，達(dá)到舉升井內(nèi)石油的目的。同一時(shí)間，直線電機(jī)的使用提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率，同時(shí)簡(jiǎn)化了整個(gè)結(jié)構(gòu)，提高整個(gè)抽油機(jī)的生產(chǎn)能力，減少整個(gè)抽油機(jī)的重量，節(jié)省成本增大機(jī)架體積,增加護(hù)板通風(fēng)孔的面積。在四側(cè)護(hù)板上增加了百葉孔的數(shù)量和寬度，實(shí)現(xiàn)了空氣的自然流動(dòng)。

采用了先進(jìn)的控制系統(tǒng)和非接觸式傳感器換向技術(shù)，理論上獲得了永久的使用壽命，不僅抽油機(jī)換向動(dòng)作及時(shí)，準(zhǔn)確，可靠，方便，而且使抽油機(jī)的沖程實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)便的無級(jí)調(diào)整，大大減少了操作員和維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并創(chuàng)造了油井自動(dòng)化管理的基礎(chǔ)條件。

智能化安全保護(hù)機(jī)構(gòu)通過對(duì)直線電機(jī)工作電流、動(dòng)子運(yùn)行狀態(tài)的雙重監(jiān)控，實(shí)時(shí)辨識(shí)懸點(diǎn)載荷的異常變化，當(dāng)抽油機(jī)系統(tǒng)欠載或過載、抽油桿斷脫或卡阻時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)或剎車。

開發(fā)了直線電機(jī)抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)及相配套的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使直線電機(jī)抽油機(jī)隨井況變化可以自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。信號(hào)采集系統(tǒng)用于直線電機(jī)抽油機(jī)和油井各參數(shù)的即時(shí)采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)抽油機(jī)的遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制。

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控工作桿上的動(dòng)子的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)檢測(cè)直線電機(jī)上的消耗電流，實(shí)時(shí)的發(fā)現(xiàn)載荷的異常變化，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過載或者欠載以及其他非正常情況時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的停機(jī)或者關(guān)閉。

2 懸點(diǎn)載荷分析及平衡計(jì)算

2.1 理論部分

直線電機(jī)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷與游梁式抽油機(jī)載荷一樣，主要由靜載荷、動(dòng)載荷和摩擦載荷組成。直線電機(jī)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算方法與游梁式抽油機(jī)相同，下面著重分析靜載荷與動(dòng)載荷的大小與變化規(guī)律。

根據(jù)工況選擇CYG22型抽油桿，參數(shù)如下：

桿橫截面積380.12mm2，密度ρr=8.05×103kg/m3,每根重量24.49 kg。

選擇的桿式泵的直徑為44mm，柱塞沖程長(zhǎng)度范圍為1.2～6，理論排量27～138m3/d。

油管外徑73mm，內(nèi)徑59mm，剛級(jí) J-55，抗擠強(qiáng)度65.8MPa，內(nèi)壓63.7MPa。

2.2 分析計(jì)算

2.2.1 懸點(diǎn)靜載荷

電機(jī)下沖程：這時(shí)抽油泵下部的固定閥打開，而游動(dòng)閥關(guān)閉，柱塞下部作用有油管外液柱的壓力，懸點(diǎn)載荷包括抽油桿重力FG，液柱重量Fy。

式中，

W js為上沖程懸點(diǎn)靜載荷，kN。

ρr、ρy分別為抽油桿密度和井液的密度，kg/m3。取ρy=0.80×103。

g 為重力加速度，m/s2；

fr、F為分別為抽油桿和泵柱塞的截面積，m2；

L為下泵深度，m；取L=1 200；

hc為泵的沉深度，m。

電機(jī)上沖程：游動(dòng)閥打開而固定閥關(guān)閉，泵中的液體與油管中液體相通，因此液柱重量不再作用在柱塞上，這時(shí)懸點(diǎn)靜載荷為：

2.2.2 懸點(diǎn)動(dòng)載荷

（1）慣性載荷

由于懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是變速運(yùn)動(dòng)，抽油桿柱和液柱都受到加速度的影響，因而產(chǎn)生慣性載荷。忽略它們的彈性影響，認(rèn)為抽油桿柱和液柱各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全一致。

電機(jī)下沖程時(shí)慣性載荷為：

式中：ε是由于油管內(nèi)徑與柱塞直徑不同而引起的液流加速度改變系數(shù)。如果有關(guān)的過流截面積為Ft，則:

電機(jī)上沖程時(shí)液體向上運(yùn)動(dòng)的加速度很小可以忽略不計(jì)所以慣性載荷為：

（2）振動(dòng)載荷

抽油桿又長(zhǎng)又細(xì)，在縱向具有很大的彈性。抽油機(jī)工作時(shí)，抽油桿載荷周期性地變化，使抽油桿柱產(chǎn)生振動(dòng)。液柱下端周期性地被泵柱塞推動(dòng)，使其產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)油管下端不錨定時(shí)，在液柱振動(dòng)的影響下也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。三組彈性體振動(dòng)相互影響，在加上阻尼作用，整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)過程相當(dāng)復(fù)雜，振動(dòng)載荷計(jì)算相當(dāng)困難。

（3）平衡重的計(jì)算

根據(jù)直線抽油機(jī)電機(jī)上、下沖程作功相等這個(gè)準(zhǔn)則可以計(jì)算平衡重重力。下沖程時(shí)，系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量等于電機(jī)下沖程所作的功和下沖程抽油桿下落所作的功之和；上沖程時(shí)，系統(tǒng)放出能量(等于儲(chǔ)存的能量)加電機(jī)上沖程所作的功等于上沖程提升抽油桿和油柱所作的功。根據(jù)平衡原理，電機(jī)上、下沖程所作功相等，由于電機(jī)與平衡重直接相聯(lián)接，可以求得：

式中：

FG為抽油桿在井液中的重力；

FY為油管內(nèi)、柱塞上的油柱重力；

FD為電機(jī)初級(jí)的重力(根據(jù)下面選擇的電動(dòng)機(jī)知FD=18 000 N)。

3 直線電機(jī)抽油機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 直線電機(jī)的選型

圓筒形直線電機(jī)具有體積小、易于進(jìn)行機(jī)泵一體化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，并且由于其外型是圓柱形，適合在油井內(nèi)使用。它的初級(jí)繞組只是簡(jiǎn)單地由一系列共軸線圈組成，然后由三相電源順序供電，不存在端部繞組，因而也就不存在端部漏磁通以及附加阻抗，并且在圓柱形次級(jí)上也不存在總徑向力，因此，減少了直線軸承上所承受的應(yīng)力。用圓筒形直線電機(jī)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有速度高、行程長(zhǎng)、無污染的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，懸點(diǎn)的最大載荷，電機(jī)運(yùn)行速度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等選擇圓筒型直線電機(jī)。

選擇14型圓筒直線電機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如下：

圓筒形直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）圓筒形直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)不存在繞組端部，這就提高了繞組的利用率，也不存在橫向邊緣效應(yīng)。

（2）圓筒形直線電機(jī)只有兩端有漏磁現(xiàn)象，間隙較小，便于防塵。

（3）電機(jī)的初級(jí)與抽油機(jī)的配重箱組成一體，既方便，又節(jié)約配重料。

3.2 抽油機(jī)的控制系統(tǒng)

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)控制系統(tǒng)主要包括:編碼器、抽油機(jī)診斷儀、控制測(cè)試柜、變頻柜、切換柜、電磁制動(dòng)器。采用變頻器、位移傳感器、中心處理器與抽油機(jī)診斷系統(tǒng)組成智能控制系統(tǒng)。

變頻器按照儲(chǔ)存于單片機(jī)發(fā)出的運(yùn)行指令控制電機(jī)運(yùn)行,由編碼器檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，然后反饋給單片機(jī),單片機(jī)再根據(jù)檢測(cè)結(jié)果計(jì)算并控制電機(jī)的下步運(yùn)行方式。直線電機(jī)的上行和下行是依靠位置傳感器提供的準(zhǔn)確信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的，位置傳感器要求靈敏度高、準(zhǔn)確、反映迅速。

3.3 天輪的設(shè)計(jì)

3.3.1 天輪的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核

圖2 天輪軸機(jī)構(gòu)示意圖

初步設(shè)計(jì)的天輪參數(shù)如下：

最大繩徑 Φ60，單繩最大張力 100 kN，輪徑Φ650，外徑 Φ775，軸承座距 630～780，中心高140，重量 550 kg。

根據(jù)天輪所受的最大載荷，設(shè)計(jì)軸的外徑為50 mm，軸所用的材料為45Cr，調(diào)質(zhì)處理，選擇NU210E圓柱滾子軸承。

軸的設(shè)計(jì)校核

軸的材料取40Cr，調(diào)制處理HB=215～255，在軸的兩邊開螺紋孔和油孔。

（1）求軸上的載荷

由圖3可以看出軸所受的載荷等于電動(dòng)機(jī)的載荷加上天輪的重量即：

由于軸的兩邊對(duì)稱，所以軸的兩邊所受的力相等，大小等于Fn的一半。

圖3 軸的結(jié)構(gòu)圖

軸的結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱，軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，不承受太大轉(zhuǎn)矩，故軸上的扭轉(zhuǎn)力矩可以忽略不計(jì)，按照軸的彎曲強(qiáng)度校核，其彎矩圖如圖4所示。由圖可以看出危險(xiǎn)斷面 I、II、III為危險(xiǎn)斷面，I、II面所受的彎矩較小，故這個(gè)面無需校核。

圖4 軸的彎矩圖

對(duì)III面進(jìn)行校核：

按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度：

式中，

σca為軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa；

M為軸所受的彎矩，N·mm；

T為軸所受的扭矩，N·mm；

W為軸的抗彎截面系數(shù)，mm3。

扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取α=0.6。

根據(jù)軸所用的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查得[σ-1]=60MPa，故安全。

校核軸的疲勞強(qiáng)度：

由圖可以看出天輪兩側(cè)與軸相交的兩個(gè)面比較危險(xiǎn)，但是直徑相同，只需校核一個(gè)面。該面的兩側(cè)相同，只需校核一側(cè)。

軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查得σB=640MPa，σ-1=275MPa，τ-1=155MPa，顯然軸是安全的。

4 結(jié)論

本文完成了直線電機(jī)抽油機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過對(duì)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的進(jìn)行研究分析，實(shí)際情況，制定出了整體結(jié)構(gòu)方案。同時(shí)進(jìn)行了抽油機(jī)的載荷進(jìn)行了分析計(jì)算并對(duì)天輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了校核，本抽油機(jī)的主要特點(diǎn)是利用直線電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)直接帶動(dòng)抽油桿抽油，取消了四連桿機(jī)構(gòu)，占地面積小，效率高。

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[6]抽油機(jī)專題（一）.石油鉆采工藝，2001，23(6):80.

Design of Pum ping Unit Driven by LinearMotor

ZHANG Jing-shuang
(Mechanical Engineering Departmentof Tianjin Electromechanical Vocational College，Tianjin 300131，China)

The current general oil pumping equipment ismainly conventional beam pumping unit,but there is a high energy consumption,low efficiency problem.The linear motor pumping unit driven by linear motor,cancellation of mechanical transmission link complex,will change the traditional rotary actuator drive straight reciprocating,the linear motor pumping unit hasmore perfectmotion performance,dynamic performance and the effect of equilibrium.This paper introduces the linearmotor pumping oilmachine working principle,the characteristic and advantage of linear motor pumping oil machine,discusses the development status at home and abroad and the existing problems.To complete the overall design of linearmotor pumping unit,and the selection of themainmotor oilpumpingmachine part.The device is electromechanical integration equipment,mainly analyzed the load of the oil pumping machine and analyzes the strength of the sheave.

linearmotor；pumping unit；wheel；structure design

TG51

A

1672-545X（2013）05-0266-04

2013-02-05

張靜雙（1980—），女，河北冀州人，講師，從事機(jī)電一體化方面研究。