電機換向抽油機滾筒的設(shè)計與分析

杜宏偉綦耀光何涌杰劉文寶路海龍

（1.中國石油大學（華東） 機電工程學院，青島 266580；2.青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，青島 266109；3.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司裝備所，蘭州 730300）

電機換向抽油機滾筒的設(shè)計與分析

杜宏偉1,2綦耀光1何涌杰1劉文寶3路海龍3

（1.中國石油大學（華東） 機電工程學院，青島 266580；2.青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，青島 266109；3.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司裝備所，蘭州 730300）

隨著油田開發(fā)的不斷深入，長沖程、低沖次電機換向抽油機的需求日趨增加，廠家研制、生產(chǎn)電機換向抽油機的熱情空前高漲。作為電機換向抽油機的核心部件——滾筒，其布局和結(jié)構(gòu)的合理性對于提升整機性能及其可靠性具有重要意義。本文從選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面出發(fā)，對電機換向抽油機滾筒的常見布置方式與結(jié)構(gòu)形式進行分類，分析減速系統(tǒng)與滾筒的一體式和分體式兩種布局方式的合理性，給出摩擦式驅(qū)動和死繩驅(qū)動兩種滾筒結(jié)構(gòu)的受力分析。結(jié)果表明：減速系統(tǒng)與滾筒采用分體式時裝配方便、電機減速器散熱可靠；死繩式滾筒驅(qū)動結(jié)構(gòu)更適用于電機換向抽油機；滾筒與滾筒軸的連接采用兩端固定可大大降低滾筒的變形，避免軸上零件的損壞；指出了柔性驅(qū)動件與滾筒連接、滾筒驅(qū)動槽設(shè)計時需注意的問題。本文研究的成果對于提升電機換向抽油機的整體設(shè)計水平有很大幫助。

電機換向 抽油機 滾筒

引言

隨著油田精細開發(fā)的不斷深入，對可以實現(xiàn)沖程、沖次連續(xù)調(diào)節(jié)的長沖程、低沖次電機換向抽油機的需求日益增加，并有大范圍推廣使用的趨勢[1-3]。電機換向抽油機通過改變電機的轉(zhuǎn)向，驅(qū)動滾筒往復轉(zhuǎn)動，帶動柔性件往復運動，從而實現(xiàn)懸點的抽汲動作。滾筒是電機換向抽油機的核心部件，其布局主要有上置和下置兩種方式。但無論采用何種布局方式，均需要滾筒來完成換向要求。因此，只有正確選擇滾筒形式，合理設(shè)計滾筒結(jié)構(gòu)，才能更好地滿足其換向和傳動要求，又可以降低滾筒受力，提升柔性件的壽命，這對于提升抽油機運轉(zhuǎn)的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義[4-7]。本文對常用電機換向抽油機的滾筒結(jié)構(gòu)進行分類和分析，并給出了不同結(jié)構(gòu)滾筒與滾筒軸的受力計算方法，結(jié)合工程實踐，給出了電機換向抽油機滾筒的選型和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以供抽油機設(shè)計者參考，提升抽油機的整機設(shè)計水平。

1 滾筒的主要類型和結(jié)構(gòu)

電機換向抽油機主要由電機、帶傳動、減速箱、滾筒和支架等組成，其中減速箱和滾筒有分體式和一體式兩種類型。按照滾筒布局位置不同，電機換向抽油機可分為上置與下置兩種。圖1（a）是典型的上置式電機換向抽油機，圖1（b）為下置式電機換向抽油機。其中，圖1（a1）和圖1（b）的減速箱與滾筒為分體式，其驅(qū)動懸點柔性件與驅(qū)動平衡重柔性件分別與滾筒固結(jié)成死繩，其滾筒結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示；圖1（a2）的滾筒和減速器為一體式，即減速器內(nèi)置于滾筒中，一般采用柔性件一端驅(qū)動懸點，另一端驅(qū)動平衡重，搭在滾筒上靠摩擦驅(qū)動懸點上下往復運動，其滾筒的典型結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

采用圖2（a）的滾筒結(jié)構(gòu)，一般需要使用四根柔性件。柔性件長度增加，整機受力較大，但啟動性能好，失載保護系統(tǒng)設(shè)計簡單，現(xiàn)場應(yīng)用較多。圖2（b）滾筒的柔性件用量較少，只用一根即可，整體受力變優(yōu)，但在失載時平衡重將失去控制，造成事故的可能性較大，需要單獨設(shè)計失載保護系統(tǒng)。另外，啟動時，它必須依賴附屬裝置才能將平衡塊從最低位置提升至最高位置，實現(xiàn)懸點與光桿的聯(lián)接。

圖1 電機換向抽油機布局形式

2 摩擦驅(qū)動式滾筒設(shè)計

2.1 受力分析

圖2（b）抽油機滾筒結(jié)構(gòu)，需要靠柔性件和滾筒之間的摩擦將懸點和平衡重驅(qū)動起來，滾筒的受力如圖3所示。該摩擦力的計算方法是：在上沖程時，按照歐拉計算公式，已知平衡重Q的條件下，可驅(qū)動的最大懸點載荷如式1所示，不考慮柔性件在滾筒的慣性力和彈性變形；在下沖程時，已知懸點載荷P的條件下，可驅(qū)動的最大平衡重量如式2。

圖2 滾筒的典型結(jié)構(gòu)形式

圖3 滾筒受力圖

式中，Q為抽油機的平衡重，單位N；Pd為抽油機上沖程時滾筒在平衡重為Q的條件下，可以驅(qū)動的最大懸點載荷，單位N；P為抽油機的懸點載荷，單位N；Qd為抽油機下沖程時滾筒在懸點載荷為P的條件下，可以驅(qū)動的最大懸點載荷，單位N；E為自然對數(shù)的底；U為摩擦系數(shù)，一般在0.1～0.4之間，對于有潤滑的系統(tǒng)，可取0.1；α為包角，單位rad。對于如圖4所示的結(jié)構(gòu)，可取π。

由上述計算公式可知，對于給定的平衡重，起升的懸點載荷有限。如果平衡重為零，則起升的懸點載荷也為零。但P=0時，即抽油機處在啟動狀態(tài)或稠油井抽油桿下行受阻時，可以驅(qū)動的Q=0，抽油機將不能驅(qū)動平衡重上行。該抽油機需要設(shè)計專門的啟動系統(tǒng)和沖程調(diào)節(jié)維持裝置，使得抽油機的控制系統(tǒng)相對復雜。另外，當P=0時，Qd=0，表明采用該種滾筒結(jié)構(gòu)的抽油機，一旦發(fā)生懸點失載現(xiàn)象，平衡重將發(fā)生墜落，導致重大事故。為了防止該類事故的發(fā)生，除使用安全鎖緊系統(tǒng)外，一般還需采用加重懸繩器的方式來實現(xiàn)抽油機的可靠性。但是，這會顯著增加整機重量，并且相應(yīng)增加上沖程的懸點載荷，大大增加抽油機的制造成本。

2.2 布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計

減速系統(tǒng)與滾筒的布局主要有一體式和分體式兩種結(jié)構(gòu)。圖4（a）為電機和減速系統(tǒng)置于滾筒內(nèi)部的一體式電動滾筒結(jié)構(gòu)。為了降低電機熱影響，部分企業(yè)將電機置于滾筒外部，減速箱置于滾筒內(nèi)部。由于齒輪減速系統(tǒng)置于滾筒內(nèi)部，承受交變載荷的作用，且安裝在支架的頂部，均需要對潤滑和防護提出較高的要求。

圖4（b）的減速系統(tǒng)配置在滾筒外部，屬于常用的傳動方案，其原理相對簡單。為了縮短傳動鏈，通常采用將減速箱與滾筒直接聯(lián)接的方案。

需要特別指出的是，在設(shè)計抽油機滾筒時，需要考慮野外工作、頻繁換向?qū)L筒受力和疲勞的影響。設(shè)計傳動皮帶時，需要合理設(shè)計張緊系統(tǒng)或采用同步齒形帶傳動的結(jié)構(gòu)，以滿足頻繁反復啟動的需要。

3 死繩式滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

死繩固定滾筒一般采用兩端簡支的懸置設(shè)計方案，如圖5所示。在軸向布局上，平衡重驅(qū)動柔性件在兩側(cè)，懸點驅(qū)動柔性件在中間，載荷在滾筒上軸向?qū)ΨQ布置。按照滾筒與滾筒軸的聯(lián)接方式，有周向一端固定（鍵連接）一端自由（無連接）和兩端固定兩種。

圖4 減速器滾筒傳動結(jié)構(gòu)

圖5 死繩式滾筒結(jié)構(gòu)

圖5（a）的滾筒通過一側(cè)的鍵與滾筒軸實現(xiàn)周向固定，從而承受減速箱傳遞給滾筒的全部扭矩，實現(xiàn)滾筒與軸扭矩的傳遞。受力分析如圖6所示。

圖6 圖5（a）滾筒結(jié)構(gòu)受力分析

由受力分析知，對滾筒軸，其危險截面為中部截面，危險點在靠近遠端的軸承的臺階處。滾筒扭矩按照公式（3）求出：

式中，d為滾筒的直徑，單位m；Pmax、Pmin為抽油機最大最小載荷，單位N。

對于滾筒，如果假設(shè)聯(lián)接鍵處軸和滾筒的相對變形為零，則其最大變形也發(fā)生在滾筒和軸支撐的另一側(cè)，且與軸的變形方向相反，其變形可以用公式（4）計算。盡管一般滾筒外部的變形較小，但與軸的變形疊加，仍對其相對運動具有一定的影響。

利用上述分析方法，對某廠設(shè)計的12型6米沖程的電機換向抽油機滾筒周進行了計算分析。該抽油機滾筒軸計算直徑為150mm，滾筒直徑為550mm，選擇滾筒弧板的厚度為10mm。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其軸和輪轂均滿足強度要求，但在自由端有近0.35°左右的相對偏轉(zhuǎn)角。實踐也證明，在長期交變載荷作用下，軸和輪轂發(fā)生相對磨損，嚴重影響滾筒的正常工作，磨損的結(jié)果見圖7。

圖5（b）滾筒結(jié)構(gòu)的受力如圖8所示。該滾筒通過兩側(cè)的鍵與滾筒軸實現(xiàn)周向固定，傳遞扭矩。從圖8可知，該種結(jié)構(gòu)的滾筒軸承受的彎矩與圖6所示結(jié)構(gòu)相同，但承受的扭矩顯著下降，滾筒承受的扭矩可用式（5）計算。

圖7 滾筒螺栓連接孔被擴孔

圖8 圖5（b）滾筒結(jié)構(gòu)受力分析

對比公式（3）和（5）可知，兩端固定時滾筒承受的力矩有大幅度的下降，兩端固定結(jié)構(gòu)的滾筒、滾筒軸受力顯著變優(yōu)。

由上述受力分析可知：滾筒與軸一端固定時，雖然安裝方便，但滾筒受扭轉(zhuǎn)力矩后扭轉(zhuǎn)變形嚴重；滾筒與軸兩端固定時，滾筒體相對于軸的變形小且對稱，滾筒結(jié)構(gòu)的整體剛度和強度有較大提升。工程實踐中，多推薦采用后一種固定方式。

另外，為了保證柔性件與滾筒的光滑聯(lián)接，一般在柔性件的一端鉚接與滾筒固定的機構(gòu)，且保證其余滾筒為相切狀態(tài)。同時，在滾筒上留出2周以上的儲存柔性件，可以有效減少柔性件工作過程中與滾筒的磨損[8-9]。

由于懸點、平衡驅(qū)動柔性件的尺寸不能嚴格控制，支架的制造和安裝精度難以控制等因素，在軸向尺寸上，其輪槽的寬度應(yīng)留有足夠余量，以避免柔性件與輪槽摩擦，影響柔性件的壽命。因此，建議輪槽寬度要大于柔性件寬度15mm以上。為了便于對中性調(diào)節(jié)，驅(qū)動滾筒的軸承座需要設(shè)計水平微調(diào)裝置。

4 結(jié)論

電機換向抽油機滾筒主要有摩擦式驅(qū)動和死繩式驅(qū)動兩種形式，其減速系統(tǒng)與滾筒的布局又有一體式和分體式兩種，滾筒與滾筒軸的連接有周向一端固定（鍵連接）一端自由（無連接）和兩端固定兩種。通過從散熱、受力等方面分析，得到結(jié)論如下：

（1）電機換向抽油機的減速系統(tǒng)與滾筒的布局建議采用分體式結(jié)構(gòu)。分體式布局有利于電機、減速系統(tǒng)的散熱，安裝簡單，操作方便，且需要留出足夠的輪槽間隙。

（2）電機換向抽油機柔性件驅(qū)動建議采用死繩式滾筒驅(qū)動，其啟動性能好，可大大簡化失載保護系統(tǒng)的設(shè)計，且需要留出足夠的輪槽間隙。

（3）滾筒與滾筒軸的連接采用兩端固定。該連接方式可大大降低滾筒的變形，避免軸上零件的損壞。

另外，電機換向抽油機的柔性驅(qū)動件與滾筒連接建議采用光滑連接，即柔性件的一端鉚接與滾筒固定的機構(gòu)，且保證其余滾筒為相切狀態(tài)；滾筒驅(qū)動槽設(shè)計時輪槽寬度要大于柔性件寬度15mm以上。

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Design for Drum of Motor-Reversing Type Pumping Units

DU Hongwei1,2, QI Yaoguang1, HE Yongjie1, LIU Wenbao3, LU Hailong3
(1.College of Mechanical & Electronic Engineering in China University of Petroleum,Qinngdao 266580; 2.College of Mechanical & Electronic Engineering in Qingdao Agricultural University,Qinngdao 266109;3. Lanzhou LS Petroleum Equipment Engineering Research Institute, Lanzhou 7300072)

With the thorough of the oilfield production development, the increasing demand of motor-reversing type pumping units with long stroke and low strokes. The polytype of motorreversing type pumping units are developed and manufactured. The drum is considered to main component of this kind of pumping units. The rationality of structure layout make highly significant to the improvement of overall performance. In this paper, the common layout and structure forms of drum on motor-reversing type pumping units were classified and analyzed from the aspects of mechanical structure selection and design. Firstly, the assemble rationality of drum and deceleration system layout with integrated style and split type is analyzed. Then stress analysis of the drum that driven by friction and dead line is given. The results show that deceleration system and drum assembled by split type would be more convenient and more reliable in heat dissipation of motor reducer. The driven structure with dead line is more suitable for motor-reversing type pumping unit. The connection with both fixed points between drum and drum shaft could reduce drum deformation greatly and avoid the damage of parts on the shaft. This paper also pointed out some problems about connection between flexible driving parts and drum and the design of drum wheel hub. The conclusions of this paper can be used to improve overall design level of motor-reversing type pumping units.

motor reverse, pumping unit, drum

國家自然科學基金51174224和國家油氣重大專項（2016ZX05042-003、2016ZX05066-012）。