變向前置型游梁式抽油機設(shè)計計算

郭登明， 左彩靈，將波，余鵬　(長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

周逢春，卞和滿， 林慶合　(華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

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變向前置型游梁式抽油機設(shè)計計算

郭登明， 左彩靈，將波，余鵬(長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

周逢春，卞和滿， 林慶合(華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

[摘要]在對油田常用的常規(guī)型抽油機、異相曲柄平衡抽油機、前置型抽油機結(jié)構(gòu)進行分析的基礎(chǔ)上提出了一種新型的變向前置型游梁式抽油機結(jié)構(gòu)，其設(shè)計思路是在考慮抽油機的動力性能、能耗的條件下，對游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)進行改進，通過將驢頭倒置，在驢頭與井口間增設(shè)一套變向繩輪機構(gòu)，從而實現(xiàn)光桿運動與驢頭運動反向組合。這種改進使新型抽油機具有沖程長、承載能力強、能耗低、運動平穩(wěn)等優(yōu)點。該抽油機結(jié)構(gòu)型式在長沖程抽油機設(shè)計方面具有明顯的優(yōu)勢。

[關(guān)鍵詞]游梁式抽油機；結(jié)構(gòu)改進；變向機構(gòu)；節(jié)能

目前油田廣泛使用的是常規(guī)游梁式抽油機和偏置型抽油機[1 ,2]，這些機型構(gòu)造簡單、使用維護方便，但是也存在一些弊端：一是不能滿足超長沖程、低沖次的要求；二是高耗能、低效率[3]。因此如何對目前使用的抽油機進行結(jié)構(gòu)改進，提高其性能，使其滿足長沖程、重載荷、低能耗的要求便成為每一個設(shè)計者努力的方向[4]。筆者根據(jù)華北石油榮盛機械制造有限公司的一項抽油機專利(CN200720103784.6)進行了變向前置型游梁式抽油機的設(shè)計計算。

1變向前置型游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)模型

注：　　　1—前支架；2—拉桿；3—鋼繩；4—變向輪；　　　5—驢頭；6—橫梁；7—橫梁軸承座；8—連桿；　　　9—曲柄平衡塊；10—曲柄；11—后支架；　　　12—減速器；13—底座；14—電機?！　　　D1　變向前置型游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)示意圖

變向前置型游梁式抽油機是一種新型的抽油裝備，其主體結(jié)構(gòu)由前置型游梁式抽油機和一套變向機構(gòu)組成。在游梁式抽油機的底座上固定有后支架、電機和減速箱，減速箱輸出端連接有曲柄連桿機構(gòu)，曲柄連桿機構(gòu)包括曲柄、曲柄平衡塊、曲柄銷、橫梁連桿、橫梁、橫梁軸承座、游梁；在游梁式抽油機的驢頭前部有鋼繩變向機構(gòu)，鋼繩變向機構(gòu)包括前支架、拉桿和變向輪，在前支架的頂部通過輪軸連接有變向輪。后支架的頂部固定有支架軸承座，游梁的一端通過軸與軸承座連接；游梁的中部固定有橫梁軸承座，橫梁軸承座連接橫梁連桿；游梁的另一端固定有驢頭，變向機構(gòu)改變了驢頭、曲柄和連桿的受力方向，驢頭和游梁等運動部件能起到平衡塊作用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由驢頭、游梁、橫梁、連桿、曲柄裝置、減速器、電動機裝置、底座、支架等部分組成。

2變向前置型游梁式抽油機的理論計算

2.1幾何計算

圖2　變向前置型游梁式抽油機機構(gòu)簡圖

變向前置型游梁式抽油機經(jīng)過簡化后得到如圖2所示的機構(gòu)簡圖。圖2中，A為游梁前臂長度，m；C為游梁后臂長度，m；P為連桿長度，m；R為曲柄半徑，m；H為游梁支撐中心到底座底部的高度，m；G為減速器輸出軸中心線到底座底部的高度，m；I為游梁支撐中心到減速器輸出軸中心的水平距離，m；K為極距，等于減速器輸出軸中心到游梁支座中心的距離，m；J為曲柄銷軸承中心到游梁支座中心的距離，m；θ為曲柄轉(zhuǎn)角，(°)； θ0為驢頭位于上死點時曲柄的轉(zhuǎn)角，(°)；θ1為驢頭位于下死點時曲柄的轉(zhuǎn)角，(°)；ψ為極距和豎直方向的夾角，(°)；ρ為基桿和曲柄銷軸承中心與游梁支座中心的連線之間的夾角， 游梁后臂、曲柄銷軸承中心與游梁支座中心的連線在基桿兩側(cè)為正值，在基桿的同側(cè)為負值，(°)；χ為游梁后臂和基桿之間的夾角，(°)；δ為游梁和水平線之間的夾角，游梁在水平線上部時為正值，(°)；β為游梁和連桿之間的夾角，(°)；α為連桿和曲柄之間的夾角，(°)；φb為驢頭位于下死點時游梁后臂和基桿之間的夾角，(°)； φt為驢頭位于上死點時游梁后臂和基桿之間的夾角，(°)；W為懸點載荷，kN； O1為支架軸座中心；O為減速器輸出軸中心；S為沖程長度，m。

根據(jù)圖2有：

1)游梁和連桿之間的夾角β為：

(1)

2)游梁和水平線之間的夾角δ為：

δ=χ+ρ+ψ-90°

(2)

3)連桿和曲柄之間的夾角α為：

α=2π-β-(χ+ρ)-(θ+ψ)

(3)

4)轉(zhuǎn)角θ0為：

(4)

5)轉(zhuǎn)角θ1為：

(5)

6)沖程長度S為：

S=(φt-φb)A

(6)

2.2運動計算

1)懸點的速度Vt為：

(7)

式中，n為沖次數(shù)，r/min；Vt為懸點的速度，m/s。

2)懸點的切向加速度at為：

(8)

式中， ω為曲柄的角速度，rad/s；at為懸點的切向加速度，m/s2。

2.3受力計算

圖3　變向前置型游梁式抽油機機構(gòu)受力簡圖

(9)

(10)

連桿力FL為：

(11)

支座水平分力FX為：

(12)

支座豎直分力FY為：

(13)

曲柄力切向分力Ft為：

Ft=FLcosα

(14)

曲柄力法向分力Fq為：

Fq=FLsinα

(15)

支座合力Fr為：

(16)

支座力夾角λ為：

(17)

2)計算工作扭矩TW、平衡扭矩TR、凈扭矩TN：

TN=TW-TR

(18)

(19)

TR=Msin(θ-τ)

(20)

式中，TW為計算工作扭矩，kN·m；TR為平衡扭矩，kN·m；TN為凈扭矩，kN·m；B為結(jié)構(gòu)不平衡重，kN；M為平衡扭矩，調(diào)試值，kN·m；τ為偏置角，調(diào)試值，(°)。

3變向前置型游梁式抽油機的計算實例及性能分析

表1　變向前置型游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)尺寸

筆者以CYJBQ20-7.5-210HF型變向前置型游梁式抽油機為例，對該抽油機的運動參數(shù)、動力參數(shù)及井下工藝參數(shù)進行了詳細的計算，并與相同沖程長度的CYJ20-7.5-210HB型常規(guī)抽油機進行對比。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖4、圖5和圖6分別表示CYJBQ20-7.5-210HF型變向前置型游梁式抽油機和CYJ20-7.5-210HB型常規(guī)抽油機在沖次為4.0r/min、泵徑D為57.0mm，沖程長度S為7.5m時的典型工況下的連桿力FL、曲柄凈扭矩TN和計算電動機功率對比圖。

圖4　　　　常規(guī)型抽油機和變向前置型游梁式　　　　　　　　　　圖5　　　　常規(guī)型抽油機和變向前置型游梁式　　　抽油機連桿力對比圖　　　抽油機凈扭矩對比圖

圖6　　　　常規(guī)型抽油機和變向前置型游梁式抽油機　　　計算電動機功率對比圖

根據(jù)計算結(jié)果可知，在相同工況(即沖程長度、沖次數(shù)、懸點載荷、泵徑均相同)下： ①變向前置型游梁式抽油機的最大連桿力比常規(guī)抽油機降低35%左右；②變向前置型游梁式抽油機的最大峰值扭矩比常規(guī)抽油機降低20%左右； ③變向前置型游梁式抽油機在中小泵徑的條件下,電機功率較常規(guī)機降低8%～28%，但隨著泵徑的增大，節(jié)能效果逐步降低，當泵徑大于70mm時，不節(jié)能。因此該抽油機適合“小泵深抽”的采油工況。

此外，變向前置型游梁式抽油機光桿懸點位移精度高(因變向輪為加工件，可以減小光桿投影圓的直徑)，從而大大減少盤根磨損和漏油現(xiàn)象，保持井口清潔，減少日常維護工作量；變向前置型游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)特征在開發(fā)長沖程抽油機時具有很大的優(yōu)勢，符合長沖程低沖次的開采模式要求，適應(yīng)范圍更廣。但是通過對連桿的受力分析可知， 當光桿失載后，連桿受力很大，因此驢頭上所施加的平衡重不易過大，一般控制在額定懸點載荷的30%以內(nèi)。

4結(jié)語

變向前置型游梁式抽油機是在常規(guī)型抽油機、異相曲柄平衡抽油機及前置型抽油機的基礎(chǔ)上提出的一種新型抽油機結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有游梁式抽油機相比具有明顯的優(yōu)點：

1)承載構(gòu)件受力狀況得到改善，有較好的節(jié)能效果；

2)更容易實現(xiàn)長沖程；

3)在開發(fā)超長沖程抽油機方面具有如結(jié)構(gòu)緊湊、運行平穩(wěn)等明顯的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[參考文獻]

[1]申彥剛.抽油機在我國的發(fā)展趨勢初探[J].工業(yè)技術(shù)，2013(1)：71.

[2] 郭登明，石江明，王春茂.CYJ12-5.0-73HB型常規(guī)抽油機改進設(shè)計[J].石油天然氣學(xué)報(江漢石油學(xué)院學(xué)報)，2008，30(6)：152～154.

[3] 王守民，陳文華，張為鄂.國產(chǎn)節(jié)能型游梁式抽油機的性能對比分析[J].機電工程，2001，18(6)：80～84.

[4] 方仁杰，朱維兵.抽油機歷史現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析[J].鉆采工藝，2011，34(2)：60～63.

[編輯]趙宏敏

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)04-0061-04

[中圖分類號]TE933.1

[作者簡介]郭登明(1963-)，男，碩士， 教授，現(xiàn)主要從事石油機械與設(shè)計方面的教學(xué)與研究工作；E-mail：gdmgygygy@vip.163.com。

[基金項目]湖北省高等學(xué)校創(chuàng)新團隊基金項目(T200906)；華北石油榮盛機械制造有限公司技術(shù)攻關(guān)項目(J201507026)。

[收稿日期]2015-10-29

[引著格式]郭登明， 左彩靈，將波，等.變向前置型游梁式抽油機設(shè)計計算[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2016,13(4)：61～64，76.