常見無游梁式抽油機(jī)讓位機(jī)構(gòu)研究

杜宏偉，綦耀光，趙海暉，李乙朝

常見無游梁式抽油機(jī)讓位機(jī)構(gòu)研究

杜宏偉1，2，綦耀光1，趙海暉1，李乙朝3

（1．中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580；2．青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266109；3．中石油吐哈油田公司機(jī)械廠，新疆哈密839009）

詳細(xì)介紹了油田常用的無游梁抽油機(jī)天輪移動(dòng)、天輪擺動(dòng)、抽屜式讓位機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、適用范圍及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題和優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，綜合提出了一種適合于無游梁抽油機(jī)的組合讓位機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)采用天輪后擺移動(dòng)＋抽屜式讓位結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了較大讓位要求，可滿足小修作業(yè)的需求。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，具有較好的應(yīng)用前景。

抽油機(jī)；讓位機(jī)構(gòu)；抽屜式

為了滿足修井作業(yè)的要求，抽油機(jī)懸點(diǎn)必須能夠后移一定的距離，讓開井口，俗稱讓位。抽油機(jī)讓位的主要作用是為修井機(jī)游動(dòng)滑車的上下運(yùn)動(dòng)和修井工人讓出工作空間。因此，修井機(jī)工作時(shí)除了需要抽油機(jī)懸點(diǎn)讓出井口一定距離以外，還需要修井機(jī)底座遠(yuǎn)離抽油機(jī)塔架一段距離，為修井工人提供充分的工作和逃生空間。按照有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求和使用習(xí)慣，游梁式抽油機(jī)一般采用改變驢頭位置的方法進(jìn)行讓位，其最小讓位距離為500～700 mm［1-4］。已經(jīng)有多篇文獻(xiàn)對游梁式抽油機(jī)的讓位方式進(jìn)行了討論，本文不再論述。

抽油機(jī)局部讓位時(shí)可將前天輪設(shè)計(jì)為分體式，這樣修井機(jī)大鉤即可在2個(gè)前天輪之間通過（此時(shí)前天輪無需任何動(dòng)作）。但采用這種讓位方式時(shí)，抽油機(jī)塔架離井口非常近，需要使修井機(jī)傾斜較大角度給下部井口處工人讓出工作空間，使修井機(jī)架水平拉力較大，需設(shè)計(jì)斜拉支撐。抽油機(jī)局部讓位也可通過調(diào)整抽油機(jī)前天輪的位置，從而給修井機(jī)大鉤讓出上下運(yùn)動(dòng)空間。該種讓位方式下，抽油機(jī)塔架離井口較遠(yuǎn)，修井機(jī)只需傾斜較小角度即可為修井工人讓出工作和逃生空間，修井機(jī)塔架水平拉力較小，無需斜拉支撐設(shè)計(jì)，修井機(jī)設(shè)計(jì)得到簡化。

本文對常見的無游梁抽油機(jī)局部讓位方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)新型抽油機(jī)讓位方式提供借鑒。

1 塔架式抽油機(jī)各種讓位方式評價(jià)

目前，無游梁抽油機(jī)的局部讓位方式主要有整機(jī)移動(dòng)、天輪移動(dòng)、天輪擺動(dòng)等。

1．1 整機(jī)移動(dòng)讓位

早期塔架式抽油機(jī)修井讓位方式主要采用整機(jī)移動(dòng)讓位，即通過外力將抽油機(jī)塔架及其上方安裝的前后天車輪總成等零部件作為1個(gè)整體向遠(yuǎn)離井口方向拖動(dòng)。由于塔架式抽油機(jī)整機(jī)質(zhì)量較大，拖動(dòng)其沿導(dǎo)軌移動(dòng)需要借助拖拉機(jī)或者液壓傳動(dòng)裝置等外力才能實(shí)現(xiàn)。該種讓位方式存在施工風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高、作業(yè)工期長、效率低等問題。目前，多數(shù)塔架式抽油機(jī)通過前天車輪移動(dòng)讓位［5-9］。

1．2 天輪移動(dòng)讓位

天輪移動(dòng)讓位主要有天輪側(cè)轉(zhuǎn)式移動(dòng)讓位和天輪后轉(zhuǎn)式移動(dòng)讓位2種［8］，如圖1所示。

圖1　天輪移動(dòng)讓位抽油機(jī)

天輪側(cè)轉(zhuǎn)式讓位結(jié)構(gòu)形式最早出現(xiàn)在工程院顧心懌院士設(shè)計(jì)的鏈條式抽油機(jī)上，后來在吉瑞石油生產(chǎn)的鏈條式抽油機(jī)上使用。作業(yè)時(shí)，將天輪繞著安裝立軸轉(zhuǎn)動(dòng)90°，其前沿讓開井口。該讓位方式結(jié)構(gòu)簡單，適用于鋼絲繩作為懸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的抽油機(jī)，在工業(yè)上有一定的應(yīng)用。其缺點(diǎn)是：

1)天輪的直徑較大。為了能夠讓開700 mm的作業(yè)距離，天輪的最小直徑應(yīng)該在1 800～2 000 mm左右，制造安裝困難。

2)立軸旋轉(zhuǎn)困難。巨大的天輪通過立軸與機(jī)架固定，不經(jīng)常旋轉(zhuǎn)工作，有銹蝕和壓緊的可能，讓位作業(yè)時(shí)工作空間狹小，使得立軸旋轉(zhuǎn)困難，造成讓位作業(yè)困難，存在一定的安全隱患。

3)機(jī)架傾覆力矩較大。天輪安裝在抽油機(jī)的前側(cè)，機(jī)架中心距離抽油機(jī)井口較遠(yuǎn)，整機(jī)受到向前傾覆的作用力，使得機(jī)架傾覆力矩較大，整機(jī)設(shè)計(jì)相對困難。

4)天輪與井口的相對位置調(diào)整困難。立軸與機(jī)架為配合安裝，不容易調(diào)整天輪與井口的相對位置。

天輪后轉(zhuǎn)式移動(dòng)讓位結(jié)構(gòu)首先是在勝利油田總機(jī)械廠生產(chǎn)的無功換向抽油機(jī)上采用，其原理是天輪整體向抽油機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，其前沿讓開井口。該讓位結(jié)構(gòu)簡單，受力均衡，作業(yè)安全，不僅可滿足鋼絲繩作為懸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的抽油機(jī)需要，也適合于鋼絲繩膠帶（寬帶）作為懸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的抽油機(jī)，通過調(diào)整天輪兩側(cè)固定點(diǎn)的位置，可以對中井口并修正抽油機(jī)的安裝精度，應(yīng)用較為普遍。但該讓位機(jī)構(gòu)天輪直徑較大，為了能夠讓開700 mm的作業(yè)距離，天輪的最小直徑應(yīng)該在1 200～1 600 mm，雖然比天輪側(cè)轉(zhuǎn)式讓位結(jié)構(gòu)的天輪直徑下降，但制造安裝仍然較困難；同時(shí)，傾覆力矩較大，天輪安裝在抽油機(jī)的前側(cè)，機(jī)架距離抽油機(jī)井口較遠(yuǎn)，整機(jī)受到向前傾覆的作用力，使得整機(jī)設(shè)計(jì)相對困難。

天輪移動(dòng)讓位方式不移動(dòng)整機(jī)即可實(shí)現(xiàn)作業(yè)讓位，可降低作業(yè)時(shí)移動(dòng)整機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)，減少作業(yè)時(shí)間，是讓位方式的優(yōu)選結(jié)構(gòu)形式。通過對2種天輪移動(dòng)讓位結(jié)構(gòu)的比較評價(jià)可知，天輪后轉(zhuǎn)式移動(dòng)讓位方式的結(jié)構(gòu)工藝性和受力性能均優(yōu)于天輪側(cè)轉(zhuǎn)式讓位結(jié)構(gòu)。

1．3 天輪擺動(dòng)式讓位

天輪擺動(dòng)式讓位方式主要有天輪側(cè)向擺動(dòng)和天輪上翻擺動(dòng)2大類［9-14］。

天輪側(cè)向擺動(dòng)讓位方式的典型抽油機(jī)如圖2a所示。該抽油機(jī)讓位系統(tǒng)是通過2個(gè)可以側(cè)轉(zhuǎn)門實(shí)現(xiàn)讓位的，其結(jié)構(gòu)如圖2b所示。由圖2可知：讓位天輪直徑較小，懸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩受到彎曲作用，將影響其壽命；讓位機(jī)構(gòu)與機(jī)架連接銷軸容易銹蝕，影響讓位作業(yè)的方便性；不具備調(diào)整井口對中性的功能，對機(jī)架的安裝精度要求較高；適用于鋼絲繩作為懸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的抽油機(jī)，對于膠帶驅(qū)動(dòng)方式，其寬度較大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

圖2　側(cè)擺天輪讓位抽油機(jī)

典型的天輪上擺式讓位抽油機(jī)如圖3所示，圖3a～3c所示抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖4a，圖3d所示抽油機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖4b所示。由圖3可知：對于該種讓位結(jié)構(gòu)，為了滿足讓位空間和導(dǎo)向輪直徑尺寸的要求，讓位支架需要足夠的長度，一般在1 200～1 800 mm，讓位支架轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸承受較大壓力作用，一般為懸點(diǎn)載荷的2倍左右，導(dǎo)致銷軸的尺寸較大，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性差；銷軸連接方式，需要定位系統(tǒng)，一般采用絲杠或定位塊進(jìn)行定位。采用絲杠定位時(shí)，讓位時(shí)需要搖動(dòng)絲杠，花費(fèi)較多的時(shí)間；采用定位塊定位時(shí)，回位時(shí)通常有沖擊現(xiàn)象。

圖3　典型的天輪上翻讓位抽油機(jī)

從結(jié)構(gòu)上看，如圖3a～3c所示的結(jié)構(gòu)受到結(jié)構(gòu)限制，其導(dǎo)向輪尺寸較小，鋼絲繩（膠帶）的彎折半徑較小，這對柔性件的壽命有較大的影響。如圖3d所示的結(jié)構(gòu)可安裝較大的導(dǎo)向天輪；同時(shí)，讓位結(jié)構(gòu)裝有限位系統(tǒng)，在頂部平臺(tái)上操作，安全性較好，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，制造成本高。

圖4　典型的天輪上翻讓位機(jī)構(gòu)

1．4 抽屜式讓位

綜合天輪尺寸和讓位空間的要求，有的廠家設(shè)計(jì)了如圖5a所示的抽屜式讓位機(jī)構(gòu)，使用該方式讓位的典型抽油機(jī)如圖5b所示。

圖5　抽屜式讓位機(jī)構(gòu)

由圖5可以看出：讓位距離取決于抽屜抽出的距離。為了滿足讓位空間的要求，其抽屜結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對強(qiáng)度和剛度的要求較高，內(nèi)抽屜的外伸距離較大，也影響了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，均需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)注意。

2 新型讓位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮上述各種讓位機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了如圖6所示的復(fù)合抽屜式讓位機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)組合了天輪移動(dòng)式讓位機(jī)構(gòu)和抽屜式讓位的原理，既克服了只采用天輪移動(dòng)式讓位機(jī)構(gòu)中天輪尺寸太大、廠內(nèi)制造困難的問題，又克服了抽屜式讓位機(jī)構(gòu)中讓位距離遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，是一個(gè)綜合的較優(yōu)讓位結(jié)構(gòu)。

該機(jī)構(gòu)采用導(dǎo)向輪總成后擺和螺桿機(jī)構(gòu)推拉導(dǎo)向輪支架在塔架內(nèi)部移動(dòng)復(fù)合的讓位方式。在進(jìn)行小讓位時(shí)，只需將安裝在導(dǎo)向輪支架上的導(dǎo)向輪后擺讓位機(jī)構(gòu)打開，導(dǎo)向輪后擺即可；進(jìn)行大讓位時(shí)，在完成小讓位的同時(shí)，再利用螺桿機(jī)構(gòu)，通過棘輪扳手轉(zhuǎn)動(dòng)螺母即可完成支架在塔架內(nèi)部的移動(dòng)大讓位工作。該機(jī)構(gòu)可縮短抽屜的長度，使支架受力變形較小，且操作簡單、結(jié)構(gòu)容易制造。

圖6　抽油機(jī)抽屜式讓位結(jié)構(gòu)原理

3 結(jié)論

新型復(fù)合式抽屜后擺讓位方式操作簡單，且非常省力，1個(gè)人就可以完成操作；另外，加工制造方便。該種讓位方式不會(huì)出現(xiàn)側(cè)擺讓位的偏載嚴(yán)重問題，也不會(huì)出現(xiàn)上擺讓位放開時(shí)導(dǎo)向輪支架對塔架的嚴(yán)重沖擊。詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，需進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核計(jì)算，以保證結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

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Study of Abdicating Mechanism for Non-beam Pumping Unit

DUHongwei1，2，QI Yaoguang1，ZHAOHaihui1，LI Yizhao3
（1．School of Mechanical and Electrical Engineering，China Uniuersity of Petroleum，Qingdao 266580，China；2．School of Mechanical and Electrical Engineering，Qingdao Agricultural Uniuersity，Qingdao 266109，China；3．Machinery Factory，PetroChina Tuha Cilfield Company，Hami 839009，China ）

The structural characteristics，scope，advantages and disadvantages are described in details in this papaer，and points should be paid attention to design of typical abdicating mechanism commonly used．On this basis，a new type of abdicating mechanism is proposes，which is suitable for non-beam pumping unit．The device combines the sheave back ward swing abdicating mechanism and the drawer type one，which can achieve a wider abdicated space for minor repairs．The device is simple in structure，easy operation，and it has good prospects．

pumping unit；abdicating mechanism；drawer type

TE933．1

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．006

1001-3482（2015）04-0024-05

2014-07-11

國家科技部資助項(xiàng)目（2012BAH26F04）；國家自然科學(xué)基金（51174224）

杜宏偉（1976-），女，山東聊城人，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究，E-mail：dhwfair＠163．com。