節(jié)能抽油機設(shè)計

曹立文，包長爽

（黑龍江大學 機電工程學院，哈爾濱 150080）

0 引 言

按照抽油機的結(jié)構(gòu)特點主要分為游梁式抽油機和無游梁式抽油機。抽油機經(jīng)歷多年的應用和技術(shù)發(fā)展，抽油機結(jié)構(gòu)和功能都發(fā)生了巨大的變化。近年來，隨著人類社會對原油的需求量增大，對原油深度開采能力提出了更高的技術(shù)要求，促進了多種結(jié)構(gòu)和功能類型抽油機的出現(xiàn)，加速了抽油機的新技術(shù)發(fā)展［1－2］。

目前，國內(nèi)游梁式抽油機仍然處在抽油機主導地位。游梁式抽油機不能實現(xiàn)長沖程低沖次的抽油技術(shù)要求，已經(jīng)不能滿足油田發(fā)展的需求。只有加快長沖程低沖次的抽油機的開發(fā)與生產(chǎn)，才能適應現(xiàn)代石油工業(yè)的快速發(fā)展。

無游梁式抽油機主要分為直線電機抽油機、液壓抽油機、帶式抽油機、曲柄帶式抽油機等，這類抽油機由動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機架系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等構(gòu)成，實現(xiàn)了機電一體化，具有自動化程度高、高智能、大載荷、長沖程、低沖次的特點，符合節(jié)能減排國家發(fā)展戰(zhàn)略要求，節(jié)省了油田投資成本，提高開采效率。

鑒于現(xiàn)有抽油機的耗電量大，抽油效率低的問題，自行設(shè)計了一款節(jié)能抽油機。

1 節(jié)能抽油機總體設(shè)計

1．1 抽油機的組成

設(shè)計的節(jié)能抽油機是一種集機電一體化的無游梁抽油機，適用于長沖程、低沖次地區(qū)的工作要求。節(jié)能抽油機主要由安裝平臺、桁架部分、配重部分、懸繩器、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等組成。節(jié)能抽油機總體結(jié)構(gòu)見圖1。

1．2 抽油機主要參數(shù)確定

抽油機主要在野外油田作業(yè)，為了不對生產(chǎn)產(chǎn)生影響，其工作性能一定要保證穩(wěn)定可靠。抽油機井架高度約10m，下泵深度約900m，抽油機24h不停做上下往復運動，抽油機的沖程為5m，上下工作3次／min。根據(jù)工作情況選擇CYG22型抽油桿，其主要參數(shù)如下：桿橫截面積380．12mm2，每根重量24．49kg，密度ρr＝8．05×103kg／m3。桿式泵的直徑為44mm，理論排量27～138m3／d，柱塞沖程為1．2～6m。油管內(nèi)徑59mm，外徑73mm，內(nèi)壓63．7MPa，抗擠強度65．8MPa。

圖1 抽油機總圖Fig．1 Layout of the oil pumping unit

懸點靜載荷：

上沖程時，抽油泵下部固定閥打開，游動閥關(guān)閉，柱塞下部作用有油管外液柱的壓力，懸點載荷包括抽油桿的重力和液柱的重量，懸點載荷為：

式中Wjs為上沖程懸點靜載荷，kN；ρr、ρy分別為抽油桿和油井液體密度，kg／m3；g為重力加速度，m／s2；Fr、F分別為抽油桿和泵柱塞的橫截面積，m2；L為下泵深度，m；hc為泵的沉深度，m。

下沖程時，游動閥打開，固定閥關(guān)閉，泵中液體與油管中的液體相通，液柱的重量不再作用在柱塞上，懸點靜載荷為：

懸點動載荷：

由于懸點的運動是變速運動，抽油桿和液柱都受到加速度影響，所以產(chǎn)生慣性載荷，忽略彈性影響，假設(shè)抽油桿和液柱各點運動規(guī)律與懸點的運動規(guī)律一致。

配重塊上沖程時慣性載荷為：Wgs＝Wrg＋Wyg＝ （Wr＋εWy）a／g，ε是由于柱塞直徑與油管內(nèi)徑不同引起的，為液流加速度改變系數(shù)，如果過流截面積為Ft，則

當t＝2．21s時，加速度最大，由a＝－5t＋12．25得，a＝1．19m／s2，則上沖程慣性載荷為Wgs＝5．687kN。

配重平衡塊下沖程時液體向上運動的加速度很小可忽略不計，所以慣性載荷為：

懸點載荷曲線圖見圖2，最大載荷為56．769kN。

圖2 懸點載荷曲線圖Fig．2 Load curve of suspension point

1．3 電機功率計算

在上沖程有最大載荷56．769kN，計算電動機功率時，作用在電動機上的力為通過配重平衡塊平衡的一部分最大載荷，以及通過一級動滑輪作用在電機上的力：

則電機功率為：

式中V為繩線速度，m／s。

2 抽油機主要部件設(shè)計

2．1 平臺設(shè)計

在電機、滾筒、制動器等型號和尺寸確定后，針對各部分部件的排布確定平臺的整體尺寸，平臺的長為4 100mm，寬為3 800mm，框架選用矩形冷彎空心型鋼，材料為Q235，框架內(nèi)部的支撐框架為矩形冷彎空心型鋼。其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 平臺結(jié)構(gòu)圖Fig．3 Structure diagram of platform

2．2 滾筒設(shè)計

現(xiàn)在普通型游梁抽油機的減速機構(gòu)都使用二級齒輪減速機，雖然能夠起到降速的作用，但其體積較大，質(zhì)量較重。本設(shè)計中，將齒輪減速機換成滾筒，滾筒中采用擺線齒輪進行降速，相對于齒輪減速機，滾筒同樣能夠達到降速要求，但其優(yōu)點是體積小，節(jié)省平臺空間，與電機配合緊湊。鋼絲繩繞在滾筒上，一端連接配重塊，一端連接抽油桿［3－4］。滾筒的示意圖見圖4。

2．3 聯(lián)軸器及制動器的選擇

開關(guān)磁阻電機與滾筒之間的聯(lián)軸器選擇為LMZ－Ⅱ－250型帶制動輪梅花形彈性聯(lián)軸器，梅花聯(lián)軸器由兩個帶有爪形的聯(lián)軸器和梅花狀的彈性墊組成，梅花墊放置于兩個爪形聯(lián)軸器之間，來實現(xiàn)兩半聯(lián)軸器的聯(lián)接。LMZ－Ⅱ－250系列梅花形彈性聯(lián)軸器當兩軸線有偏移時，彈性元件產(chǎn)生相對應的彈性變形，起到自動補償作用。對于起動頻繁、正反轉(zhuǎn)、中高速和可靠性要求高的場合可以使用梅花形彈性聯(lián)軸器，見圖5。

圖4 滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig．4 Schematic diagram of the drum structure

圖5 聯(lián)軸器Fig．5 Shaft coupling

抽油機在工作時，做上下往復運動，在頻繁的工作過程中，為了防止斷電或鋼絲繩斷裂情況的出現(xiàn)，需要在聯(lián)軸器上加上制動器，制動器選為電力液壓塊式制動器。該制動器動作頻率高，制動平穩(wěn)，可靠。其外形及安裝尺寸見圖6。制動盤直徑為250mm。

圖6 制動器Fig．6 Brake

2．4 導輪支架的設(shè)計

在平臺尺寸以及各部件位置確定后，可確定導輪支架的結(jié)構(gòu)及尺寸，導輪支架的設(shè)計應該便于安裝和調(diào)整，以及之后的維修工作。導輪支架的設(shè)計，采用在支架的后端用鉸鏈與平臺相連，可以繞著鉸鏈上下抬起和放下，在維修時既安全，又節(jié)省空間。在支架的后端開一個100mm×100mm的工藝孔，以便于鉸鏈的安裝與拆卸。導輪支架的結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 導輪支架結(jié)構(gòu)圖Fig．7 Structure diagram of wheel bracket

2．5 桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計

無游梁式抽油機的井架結(jié)構(gòu)分為立柱式和桁架式結(jié)構(gòu)。立柱式井架相對于桁架式結(jié)構(gòu)外形看起來比較緊湊且美觀，整體性好，但是通過實地考察，立柱式井架晃動明顯，由于抽油機做連續(xù)的往復運動，如果井架晃動過于明顯，長時間的晃動不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，抽油機的零部件容易松動。相對于立柱式結(jié)構(gòu)，桁架式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好，工作臺基本無晃動情況，而且桁架結(jié)構(gòu)的底座與地基的接觸面積較大，支撐面大，重心總是處在支撐面內(nèi)，所以選擇桁架結(jié)構(gòu)。

抽油機井架高10m，桁架材料選用角鋼，材料為Q235。每兩根橫向角鋼距離為1 200mm，最下端角鋼距離底座1 010mm，最下面的斜拉角鋼長度為1 400mm，其余斜拉角鋼長度為2 420 mm。4根立柱、橫向及斜拉材料都采用角鋼。底座采用矩形空心型鋼，材料為Q235。底座尺寸為2 500mm×2 500mm。4根立柱與底座及上連接板連接處采用加強筋結(jié)構(gòu)，以保證連接的穩(wěn)定行。桁架的結(jié)構(gòu)及底座見圖8。

圖8 桁架結(jié)構(gòu)圖Fig．8 Structure diagram of truss

2．6 配重塊的設(shè)計

在該抽油機系統(tǒng)中，通過利用平配重塊的升降來實現(xiàn)位能的改變，保證在系統(tǒng)內(nèi)部的分配能夠?qū)崿F(xiàn)平衡，進而使電機在上、下沖程里的推力變化幅度減小。通過選擇適當?shù)呐渲貕K，來減少抽油桿的自重在上升下降時所消耗的能量到最小值，提高抽油機系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率。配重塊調(diào)整適當之后，使兩繩張力差最小，由查閱的資料得，配重塊的重量，一般為抽油桿的重量加上液柱一半的重量之和，平衡重理論重量計算公式：

配重塊在上、下沖程時作功相等，下沖程時，系統(tǒng)儲存的能量等于右理論上所作的抽油桿下落時所作的功；上沖程時，系統(tǒng)放出的能量等于上沖程過程中舉升抽油桿和油柱所作的功。

配重平衡塊的重力為：

配重塊采用主塊和副塊配合使用，主塊和副塊用連接板進行連接。配重塊采用鑄造，其外形尺寸見圖9。

2．7 動滑輪部件設(shè)計

圖9 配重塊結(jié)構(gòu)圖Fig．9 Structure diagram of the counterweight block

懸繩器結(jié)構(gòu)的作用是將抽油桿與鋼絲繩連接起來，實現(xiàn)往復的提拉動作。懸繩器的設(shè)計采用動滑輪提升，通過鋼絲繩與動滑輪的配合，提升懸繩器部分，再通過固定組件將抽油桿與懸繩器連接在一起。

動滑輪與鋼絲繩進行配合，動滑輪直徑為400 mm，繩槽半徑為9mm，與直徑為16mm的鋼絲繩配合。動滑輪輪轂通過軸承與滑輪軸連接。軸端直徑為60mm。

根據(jù)載荷的大小和方向動滑輪部件中的軸承選用深溝球軸承，型號為6213。軸承端蓋選用槽型密封擋蓋，材料為Q235A。隔套選用的型號為AT60JB／T9005．5，材料為45號鋼。隔環(huán)型號為H120JB／T9005．5，材料為Q235A?；喌牟牧蠟閆G270－500。動滑輪的結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 動滑輪結(jié)構(gòu)圖Fig．1 0 Structure diagram of the movable pulley

2．8 支撐座設(shè)計

支撐座是懸繩器的主要承載部件，動滑輪支架通過螺栓固定在支撐座上，支撐座材料為Q235，主要尺寸及結(jié)構(gòu)見圖11。

2．9 浮動支撐件及調(diào)整件的設(shè)計

抽油桿與懸繩器連接后，在抽油桿做上下往復運動時，難免會出現(xiàn)晃動情況。如果抽油桿和懸繩器緊固連接，出現(xiàn)晃動情況時，會使抽油桿收到徑向力，如果長時間收到徑向力作用，會使抽油桿發(fā)生斷裂，影響正常工作。在設(shè)計時，抽油桿與浮動平衡塊間隙配合，而浮動平衡塊與浮動調(diào)整件相配合可以實現(xiàn)圓周方向的晃動，而抽油桿始終處在相對垂直的方向而不受徑向力的作用，懸繩器的結(jié)構(gòu)見圖12。

圖11 支撐座結(jié)構(gòu)圖Fig．1 1 Structure diagram of the supporting seat

圖12 懸繩器結(jié)構(gòu)圖Fig．1 2 Structure diagram of the rope hanging device

3 結(jié) 論

在抽油機總體設(shè)計方案完成的基礎(chǔ)上，對主要部件進行了設(shè)計和選擇，如平臺、滾筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及導向輪支架、桁架結(jié)構(gòu)、配重塊的設(shè)計等，并完成了制動器和聯(lián)軸器的選擇，本設(shè)計中采用開關(guān)磁阻電機和滾筒減速的方式來取代原有的異步電機和體積較大的減速器。抽油機主體采用桁架結(jié)構(gòu)，通過鋼絲繩以及動滑輪進行力的傳遞，相比于目前大多數(shù)油田上使用的游梁式抽油機，在外形美觀以及節(jié)能高效上有了很大的改進。

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