抽油機(jī)用機(jī)械式無切換換向裝置設(shè)計(jì)

劉 健，崔俊國(guó)，肖文生，傅登偉，楊 林，李延隆

抽油機(jī)用機(jī)械式無切換換向裝置設(shè)計(jì)

劉 健，崔俊國(guó)，肖文生，傅登偉，楊 林，李延隆

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580）

油田開采難度的不斷增加對(duì)抽油機(jī)提出了長(zhǎng)沖程、低沖次等新的要求。通過分析現(xiàn)有主要換向機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的導(dǎo)桿齒輪組合式機(jī)械無切換換向機(jī)構(gòu)。對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出了擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線。對(duì)該裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并以該裝置為基礎(chǔ)，研發(fā)了機(jī)械式無切換換向抽油機(jī)。

抽油機(jī)；換向器；導(dǎo)桿齒輪組合機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期，要保持油田的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，就需要有足夠的采液量（大泵提液）；另一方面，為開發(fā)低滲透、低品位油藏，需要小排量深抽（小泵深抽），以保持油層在較大壓差下生產(chǎn)；另外，稠油井和多氣井的數(shù)量也不斷增加。這些客觀因素都要求發(fā)展長(zhǎng)沖程、低沖次抽油機(jī)［1］。滾筒式抽油機(jī)是長(zhǎng)沖程、低沖次抽油機(jī)的理想機(jī)型，目前困擾該機(jī)型發(fā)展和推廣的主要問題是換向機(jī)構(gòu)的可靠性較差［2］。目前，常用的換向機(jī)構(gòu)均存在自身的不足和局限性，其使用領(lǐng)域和能夠滿足的工作要求也不盡相同。

1） 液壓換向。在液壓泵供給液壓源的基礎(chǔ)上，用控制液壓馬達(dá)的旋向來實(shí)現(xiàn)滾筒的正反轉(zhuǎn)。缺點(diǎn)是液力傳動(dòng)系統(tǒng)效率較低、經(jīng)濟(jì)性差、液壓系統(tǒng)頻繁換向、整個(gè)系統(tǒng)可靠性降低［3-4］。

2） 電機(jī)換向。利用控制電機(jī)的旋向來達(dá)到控制滾筒轉(zhuǎn)向目的，對(duì)電機(jī)的性能要求較高［5］。

3） 機(jī)械換向。這是目前國(guó)內(nèi)外研究、試制較多的一類換向機(jī)構(gòu)，用機(jī)械的方法來控制滾筒的轉(zhuǎn)向，可以分為3類：

①切換式。利用切換方式來控制動(dòng)力源的流向，達(dá)到改變滾筒轉(zhuǎn)向的目的，主要包括離合器切換和撥板切換［6］；存在切換機(jī)構(gòu)壽命短的缺點(diǎn)。

②軟切換式。利用齒輪在嚙合過程中與不同齒輪的嚙合來切換滾筒的旋向，在換向時(shí)雖有切換過程，但沖擊會(huì)小些。

③無切換式。不用切換使?jié)L筒旋向改變，能夠減少和消除換向時(shí)的沖擊，避免了因切換而引起的問題，比較理想［7］。

1　技術(shù)分析

根據(jù)上述對(duì)于滾筒式抽油機(jī)換向機(jī)構(gòu)的分析與評(píng)價(jià)，本文設(shè)計(jì)了基于導(dǎo)桿齒輪組合機(jī)構(gòu)原理的機(jī)械式無切換換向裝置，達(dá)到了換向的目的，屬于無切換換向裝置的范疇。

1．1 結(jié)構(gòu)及原理

機(jī)械式無切換換向裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，創(chuàng)新之處在于：曲軸的單方向旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)小齒輪的換向運(yùn)動(dòng)，不需要切換裝置。結(jié)構(gòu)原理為：導(dǎo)桿與大齒輪固定連接，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)通過滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)導(dǎo)桿上下擺動(dòng)，大齒輪隨之在一定角度范圍內(nèi)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，選擇合適的傳動(dòng)比，從而實(shí)現(xiàn)小齒輪的換向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1　機(jī)械式無切換換向裝置結(jié)構(gòu)

1．2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．2．1 齒輪

本設(shè)計(jì)中，齒輪采用對(duì)稱布置，分流輸出轉(zhuǎn)矩，可以減小軸和齒輪的受力，減小換向機(jī)體的整體尺寸，便于制造、安裝。該裝置的傳動(dòng)原理如圖2所示。

1．2．2 曲軸

曲軸有整體式曲軸和組合式曲軸2種形式［8］。本設(shè)計(jì)中采用組合式曲軸，如圖3所示。它由曲軸左半部、曲軸右半部和曲軸銷組成，通過液壓壓入的方法將其結(jié)合起來。該結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，無需大型模鍛設(shè)備。

圖2　傳動(dòng)原理

圖3　曲軸結(jié)構(gòu)

1．2．3 導(dǎo)桿連接

為了避免導(dǎo)桿與大齒輪軸連接后降低大齒輪軸的強(qiáng)度，所以將導(dǎo)桿直接與大齒輪相連。

2　運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)械式無切換換向裝置的核心為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。為了減小大齒輪軸的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高軸的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度，綜合考慮安裝時(shí)的裝配精度等，將導(dǎo)桿連接于大齒輪上，使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊，減輕了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，節(jié)省了材料。此時(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析仍然可以由完整的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析來表征，如圖4～5所示。

圖4　擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)工作原理

圖5　擺動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿原理

圖5中：曲柄O2B為原動(dòng)件，以等角速度ω2轉(zhuǎn)動(dòng)，其長(zhǎng)度為l2，角位移為Φ2，曲柄回轉(zhuǎn)中心與導(dǎo)桿回轉(zhuǎn)中心的中心距為l1，其中O1B與O2B與x軸正方向的夾角分別為φ1、φ2。

假設(shè)O1B為S，曲柄角位移方程為

則B點(diǎn)的坐標(biāo)為

建立擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)封閉矢量方程，有

將矢量方程投影到x軸和y軸上，得

經(jīng)計(jì)算得

式中：φ2不等于90°和270°。

式（7）為擺動(dòng)導(dǎo)桿O1B在1個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)角函數(shù)φ1的表達(dá)式。

為建立擺動(dòng)導(dǎo)桿角速度函數(shù)，將式（6）關(guān)于t求導(dǎo)數(shù)得

化簡(jiǎn)式（8）得

式（9）為擺動(dòng)導(dǎo)桿O1B在1個(gè)周期內(nèi)角速度函數(shù)ω1的表達(dá)式。由式（9）求得

式中：0°≤φ2＜360°。

為建立擺動(dòng)導(dǎo)桿角加速度函數(shù)，將式（10）關(guān)于時(shí)間t求導(dǎo)得

化簡(jiǎn)式（11）可得

式（12）為擺動(dòng)導(dǎo)桿O1B在1個(gè)周期內(nèi)角加速度函數(shù)ε1的表達(dá)式。

若擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)從右下45°（即φ2＝45°）開始運(yùn)動(dòng)，將數(shù)據(jù)代入得ω2＝6．6 r／min，l2＝200 mm，l1＝1 010 mm。

對(duì)應(yīng)的1個(gè)周期的擺動(dòng)導(dǎo)桿角速度特性曲線和角加速度特性曲線如圖6～7所示。

圖6　擺動(dòng)導(dǎo)桿角速度特性曲線

由圖6可以看出：擺動(dòng)導(dǎo)桿從0時(shí)刻開始加速，在t1時(shí)刻角速度到最大速度ω后開始減速；在t2時(shí)刻角速度減小到零后換向加速；在t3時(shí)刻反向角速度達(dá)到最大ω后開始減速；在t4時(shí)刻速度減小到零，完成1個(gè)周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

由圖7可以看出：擺動(dòng)導(dǎo)桿的角加速度曲線與角速度曲線相對(duì)應(yīng)，即角速度為零時(shí)（0、t2、t4時(shí)刻），正向或反向角加速度為最大ε；在角速度正向或反向達(dá)到最大時(shí)（t1、t3時(shí)刻），角加速度變?yōu)榱恪?/p>

圖7　擺動(dòng)導(dǎo)桿角加速度特性曲線

3　性能特點(diǎn)

1） 主機(jī)構(gòu)采用了擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，原理簡(jiǎn)單，方案可靠。

2） 機(jī)構(gòu)具有急回特性，縮短了非工作行程的時(shí)間，提高工作效率。

3） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，機(jī)械故障率和制造成本低。

4） 傳動(dòng)效率高，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，可用于潤(rùn)滑狀況差的工作環(huán)境。

5） 左、右對(duì)稱設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)受力合理，穩(wěn)定性好。

6） 采用了分流輸出轉(zhuǎn)矩方式，結(jié)構(gòu)更加緊湊。

4　機(jī)械式無切換換向抽油機(jī)

圖8　機(jī)械式無切換換向抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意

以機(jī)械式無切換換向結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了16-08-070型機(jī)械式無切換換向抽油機(jī)。最大懸點(diǎn)載荷160 k N，沖程8 m，允許的最大載荷差70 k N，結(jié)構(gòu)如圖8所示。工作原理為：利用低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)加一級(jí)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過該換向裝置，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而由懸繩器帶動(dòng)抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)采油作業(yè)。

該抽油機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)沖程、低沖次，并具有運(yùn)轉(zhuǎn)換向平穩(wěn)、振動(dòng)噪聲小、節(jié)能、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

5　結(jié)論

1） 通過分析現(xiàn)有主要換向機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了機(jī)械式無切換換向結(jié)構(gòu)，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出了擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。

2） 對(duì)該裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并分析了該裝置的特點(diǎn)。

3） 以該裝置為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了機(jī)械式無切換換向抽油機(jī)。

4） 本機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)上有其自身的優(yōu)越性，但是目前仍然沒有找到可靠的方法準(zhǔn)確校核該換向裝置的工作壽命，在這方面還需要進(jìn)一步研究。

［1］ 張自學(xué)，兆文清，王鋼．國(guó)內(nèi)外新型抽油機(jī)［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1994：55-59．

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Design of M echanical Reversing Device without Switching for Pum ping Unit

LIU Jian，CUI Junguo，XIAOW ensheng，F(xiàn)U Deng wei，YANG Lin，LI Yanlong
（College of M echanical and Electronic Engineering，China Uniuersity of Petroleu m（H uadong），Qingdao266580，China）

New-type pu m ping units with characteristic such as long-stroke and low-velocity are necessary because of the increasing exploitation difficulty in oilfield．M echanical reversing device without switching based on co m bined mechanism of guide-bar and gear for pu m ping unit are designed according to the analysis of the current reversing devices．T he kinematics analysis of this mechanism is carried out and the law of m otion of the swing guide-bar mechanism is obtained．A new kind of pu m ping unit based on mechanical reversing device without switching is developed．Keywords：pumping unit；commutator；combined mechanism of guide-bar and gear；kinematics analysis

T E933．103

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．007

1001-3482（2015）01-0026-04

2014-06-11

劉 ?。?970-），男，江蘇贛榆人，副教授，博士，主要從事石油機(jī)械及動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)研究。