國內(nèi)長沖程抽油機研究綜述

李大偉，孫占剛

(承德石油高等專科學(xué)校機械工程系，河北承德 067000)

所謂長沖程抽油機，國內(nèi)一般是指沖程長度大于4.2 m的抽油機，而在國外一般指沖程超過6 m的抽油機［1］。與常規(guī)游梁式抽油機相比較，長沖程抽油機具有抽油泵柱塞沖程損失小、采油效率高、機桿泵壽命長、整機運行平穩(wěn)等優(yōu)點。長沖程抽油機種類繁多，根據(jù)有無游梁結(jié)構(gòu)，可將其分為游梁式長沖程抽油機和無游梁長沖程抽油機兩大類。

1 游梁式長沖程抽油機

游梁式長沖程抽油機是在傳統(tǒng)的游梁式抽油機基礎(chǔ)上，通過增程機構(gòu)使沖程增大。

1.1 雙游梁式長沖程抽油機

雙游梁式長沖程抽油機就是在常規(guī)游梁抽油機的平面四桿機構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一個全轉(zhuǎn)動副的II級桿組，使之成為全轉(zhuǎn)動副的六桿機構(gòu)(見圖1)，可以適當(dāng)放大游梁擺角、改善整機的動力性;由于有兩個工作游梁，故稱其為“雙游梁式抽油機”［2］。

雙游梁式抽油機采用了雙游梁和六連桿，使得整機的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，增加了生產(chǎn)、安裝和維護(hù)的難度。

1.2 豎游梁塔式長沖程抽油機

如圖2所示，豎游梁塔架式長沖程抽油機利用與減速器輸出軸固聯(lián)的曲柄和連桿推動游梁作往復(fù)擺動，游梁的最大擺角在60°左右，再通過繞過天輪的傳動鋼絲繩帶動光桿作上下往復(fù)移動，從而帶動抽油泵工作［3］。

此類抽油機將游梁進(jìn)行豎置，能夠有效減少抽油機的占地面積，同時其沖程也可達(dá)8 m以上，但是由于其采用了鋼絲傳動，因此抽油機的壽命將會受到鋼絲質(zhì)量和纏繞方式的影響，整體穩(wěn)定性還有待提高。

1.3 游梁行星輪組合式長沖程抽油機

游梁行星輪組合式長沖程抽油機工作原理如圖3所示，該設(shè)計對常規(guī)游梁式抽油機作了幾處改進(jìn):首先在旋轉(zhuǎn)驢頭安裝一個與之同軸的行星齒輪，在支承游梁的機架上安裝一個與驢頭行星輪相嚙合，以游梁支點為圓心的齒輪軌［4］。電動機帶動曲柄旋轉(zhuǎn)并通過連桿帶動游梁上下擺動時，游梁前端驢頭還通過其行星齒輪與機架齒軌的嚙合產(chǎn)生大角度的自轉(zhuǎn)，從而大大增加驢頭上纏繞的鋼絲繩上下移動所產(chǎn)生的沖程［5］。

由于該類抽油機在游梁前端引入了行星齒輪增程機構(gòu)，因此其具有懸點加速度小，運動載荷小，便于實現(xiàn)“長沖程、低沖次”等優(yōu)點［5］。

1.4 游梁式長沖程抽油機的特點

綜合以上所述，游梁式長沖程抽油機繼承了常規(guī)游梁式抽油機的部分優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，可以長時間在野外工作;全新設(shè)計的增程機構(gòu)可以實現(xiàn)長沖程、低沖次;制造和使用經(jīng)驗成熟。

但是由于沖程增大，沖次降低，抽油機的連桿力也會成倍增大而使曲柄銷斷脫事故增多，工作穩(wěn)定性會有所降低，游梁式長沖程抽油機另一缺點是抽油機自重與沖程長度幾乎成正比，隨著沖程的增加其自重也會增大，制造、運輸與安裝的成本都相應(yīng)增加;而且，沖程也只能有限度的增大［6］。

2 無游梁式長沖程抽油機

無游梁式長沖程抽油機種類較多，按照其增程機構(gòu)的形式可以劃分為:齒輪式長沖程抽油機、鏈?zhǔn)介L沖程抽油機、寬帶式長沖程抽油機等。

2.1 齒輪式抽油機

如圖4所示，齒輪式抽油機利用曲柄連桿機構(gòu)代替游梁式抽油機的四連桿換向機構(gòu)，用齒輪傳動增程取代了游梁式抽油機靠提升游梁擺角實現(xiàn)增程的方法;其基本的工作原理如下:當(dāng)抽油機所配電動機單向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過膠帶傳動及減速箱減速后，帶動減速箱曲柄軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)曲柄連桿機構(gòu)換向及齒輪傳動增程后實現(xiàn)天車輪的大擺角擺動，從而可實現(xiàn)懸點的長沖程運動［7-9］。

該機型的換向系統(tǒng)和懸繩系統(tǒng)的可靠性將直接影響著整機工作的穩(wěn)定性。

2.2 鏈?zhǔn)介L沖程抽油機

如圖5所示，鏈?zhǔn)介L沖程抽油機利用窄V形膠帶將電動機與減速器連接，經(jīng)減速器減速后，驅(qū)動左右主動鏈輪運轉(zhuǎn)，鏈條在平行布置的主動鏈輪和從動鏈輪間運轉(zhuǎn)，鏈條通過銷軸與換向器連接，隨著鏈條做循環(huán)往復(fù)運動;裝有滑動軸承的特殊鏈節(jié)一端用鏈條通過天車輪與抽油桿連接，另一端用鏈條繞過兩個導(dǎo)輪與配重平衡箱連接，實現(xiàn)抽油桿的上下往復(fù)運動［10-11］。

鏈?zhǔn)介L沖程抽油機具有節(jié)能節(jié)材、勻速運動特性好、工作效率高等優(yōu)點，但也存在著容易發(fā)生斷鏈、跳鏈、平衡系統(tǒng)復(fù)雜以及鋼絲繩壽命短等問題。

2.3 寬帶式長沖程抽油機

如圖6所示，寬帶式長沖程抽油機利用滾筒正反轉(zhuǎn)纏繞膠帶，膠帶帶動平衡框，通過鋼繩組使懸繩器上的光桿作上下往復(fù)運動;沖程的切換和長度調(diào)節(jié)由行星減速器帶動的凸輪機構(gòu)控制，可在不停車的情況下對沖程進(jìn)行無級調(diào)節(jié)［12-13］。

普通寬帶式長沖程抽油機具有如下優(yōu)點:1)可不停機進(jìn)行無級調(diào)節(jié);2)采用滾筒傳動，能夠減少50% ～70%的扭矩;3)沖程損失小;4)結(jié)構(gòu)緊湊，自重輕［14］。

但是普通寬帶式長沖程抽油機也存在著如下缺點:1)皮帶易磨損，需經(jīng)常更換與維護(hù);2)寬帶傳動風(fēng)阻大;3)電機啟動頻繁，能耗較大;4)抽油機沖次達(dá)到一定值(≥3次/min)時，框架會出現(xiàn)振動［15］。

3 新型長沖程抽油機的新發(fā)展

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，長沖程抽油機不斷采用包括變頻控制技術(shù)、智能控制技術(shù)和新型電機技術(shù)等新技術(shù)，以改善現(xiàn)有長沖程抽油機存在的換向和傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜、沖程調(diào)節(jié)困難、適應(yīng)性差和工作效率低等缺陷［16］。

采用智能模擬數(shù)字混合控制的調(diào)速換向電機或變頻調(diào)速電機的智能長沖程抽油機，采用無功換向技術(shù)，解決現(xiàn)有抽油機的換向沖擊問題;利用智能變頻控制技術(shù)，實現(xiàn)了抽油機工作參數(shù)的智能控制，實現(xiàn)沖程、沖次的無級調(diào)節(jié)。通過采用這些新技術(shù)能夠提高長沖程抽油機的工作效率、適應(yīng)性和智能化［17-18］。

開關(guān)磁阻電機和直線電機的應(yīng)用，取代了游梁式抽油機的減速裝置、傳動裝置和運動形式轉(zhuǎn)換裝置等，使抽油機具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)容易、參數(shù)調(diào)整方便、綜合效率高和節(jié)能等優(yōu)點［19-20］。

4 發(fā)展方向

近年來，國內(nèi)長沖程抽油機的研制已取得較快發(fā)展，先后推出了種類繁多的長沖程抽油機。盡管部分新式游梁式抽油機比常規(guī)游梁式抽油機具有更多的優(yōu)點，但由于其保留了游梁式抽油機的基本結(jié)構(gòu)，仍存在游梁抽油機的某些缺點，抽油機的各種技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)不可能大幅改善和提高，只有無游梁式長沖程抽油機才能徹底改善游梁式抽油機的缺點，極大地提高抽油機的運動特性、動力特性和平衡特性。

隨著新型電機、變頻控制等技術(shù)的不斷成熟，未來長沖程抽油機的發(fā)展將圍繞著無游梁、低功耗、低沖次、系列化、智能化和高適應(yīng)性等進(jìn)行深入的研究。

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