掛接式游梁彎配重在曲柄平衡抽油機上的應(yīng)用

李蛟真，閆宏乾

常規(guī)型曲柄平衡抽油機存在平衡性較差和能耗較高的問題。這類抽油機的主體結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是一個杠桿與一個四連桿的組合。杠桿的支點為中軸承，兩端力臂是游梁的前、后臂，類似一個翹翹板。杠桿兩端靜載荷若基本平衡，則通過四連桿傳動，在后臂上施加一個較小的推力與拉力，克服支點兩端的動載荷，抽油機就可以比較經(jīng)濟的運轉(zhuǎn)起來。曲柄平衡的常規(guī)抽油機需要在連桿上施加較大推力與拉力的根本原因，就是沒有游梁平衡或游梁平衡份額嚴(yán)重不足，主要依靠四連桿中曲柄配重平衡游梁前端總載荷，造成減速器扭矩峰值較大，配套電機功率與運行電流也較大。為此，設(shè)計了彎配重塊（圖1），掛接在常規(guī)的曲柄平衡抽油機游梁尾部，利用彎梁變矩平衡與曲柄平衡的復(fù)合平衡技術(shù)，使生產(chǎn)現(xiàn)場上這類大量在用的抽油機，實現(xiàn)了節(jié)能生產(chǎn)。

1　彎配重改造應(yīng)用方法

彎配重（圖2）主要由配重箱、U形板式彎梁、掛接軸、定位靠板、吊環(huán)等組成。圓筒形配重箱可用滾板機滾出筒體，筒體內(nèi)均勻填充碎鐵與混凝土等配重物，兩端用方形鋼板封頭，以便于存放，最后再組焊U形板式彎梁、掛接軸、定位靠板、吊環(huán)等即可。吊環(huán)需焊在質(zhì)心位置，保證起吊時配重箱軸線能基本水平，以便于掛接操作。

圖1　改造后的曲柄平衡常規(guī)抽油機示意圖

掛接前，游梁尾部上平面還需提前焊接擋板與加強筋。掛接時，只需將板式彎梁的U形口對準(zhǔn)游梁尾部，把掛接軸置于游梁擋板的前方，即可下放吊勾，彎梁內(nèi)的定位靠板在自重作用下自動貼緊游梁尾部。在抽油機運行時，可保證質(zhì)心始終處于掛接軸的后方與下方，利用自重實現(xiàn)自鎖。拆除時，只需掛上吊環(huán)向上提出即可。

圖2　彎梁配重結(jié)構(gòu)示意圖

2　彎配重結(jié)構(gòu)與大小

井筒載荷極大值出現(xiàn)在驢頭換向朝上時，極小值出現(xiàn)在驢頭換向朝下時。在驢頭換向朝上時，抽油機能釋放較大的平衡負載，可有效削減減速器扭矩峰值，有利于節(jié)能和平穩(wěn)生產(chǎn)。

對于曲柄平衡抽油機，其曲柄軸扭矩為[1]：

式中：M為曲柄軸扭矩，N·m；P為懸點載荷，N；C1為游梁前臂長，m；Q曲為曲柄銷處曲柄配重折合重力，N；R為曲柄旋轉(zhuǎn)半徑，m；θ為曲柄轉(zhuǎn)角，°；τ為曲柄初相角，°；ω為曲柄角速度，r/s。

由公式（1）知，受曲柄轉(zhuǎn)角的影響，在上、下死點換向處，常規(guī)型抽油機靜平衡扭矩為零，即使異相型抽油機平衡能力也很小，主要靠曲柄慣性載荷沖過死點，因而減速器扭矩峰值較大，不利于節(jié)能和平穩(wěn)生產(chǎn)。

而掛接上游梁配重的曲柄平衡抽油機，其曲柄凈扭矩變?yōu)椋?/p>

式中：Q游為游梁配重重量，N；L為游梁配重臂長，m；δ為游梁配重重心到中軸承連線與游梁水平位置夾角，°；aA為驢頭懸點加速度，m/s2。

由公式（2）知，游梁配重靜載荷不受曲柄轉(zhuǎn)角的影響，它與游梁擺角δ的余弦成正比，改造時根據(jù)抽油機的結(jié)構(gòu)特點，為彎配重設(shè)置合理的游梁異相角[2]，可以在驢頭換向朝上時釋放最大的平衡力。游梁配重重量Q游與靜載荷、慣性載荷均成正比，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，以占總平衡量的40%～50%為宜[3-4]，生產(chǎn)運行中調(diào)平衡時，只需調(diào)曲柄平衡即可。游梁配重慣性載荷在換向處與運動方向相反，且與懸點加速度成正比，沖次越快，慣性載荷越大，為避免驢頭換向朝上時的游梁配重慣性載荷過大，改造抽油機沖次以不大于6次/min為宜。

3　彎配重自鎖可靠性分析

抽油機運轉(zhuǎn)過程中，在自重作用下，彎配重有一個相對于游梁擋板的逆時針轉(zhuǎn)矩，并通過定位擋板反作用于游梁尾部，只要這對力矩始終存在，就能確保自鎖定位。為保證這對力矩始終存在，設(shè)計改造時，需要驗算抽油機的四連桿機構(gòu)及彎梁配重的部分幾何關(guān)系[5-6]。以大量改造的CYJY14-4.8-73HB型抽油機為例（圖3），其基桿K長5 368 mm，連桿P長4 220 mm，曲柄R長1 240 mm，擺桿C長2 700 mm，游梁軸中心到曲柄軸中心水平距離L長3 580 mm，彎梁配重與游梁異相角γ為22°，彎配重臂長L為4 600 mm，掛接臂長L1為3 200 mm。

圖3　抽油機結(jié)構(gòu)示意

驢頭在下死點位置的ψb角：

驢頭在上死點位置的ψt角：

游梁在水平位置的ψs角：

游梁上擺角δs：

游梁下擺角δx：

驢頭下行時，彎梁配重質(zhì)心必須小于掛接軸水平高度，否則驢頭由下向上換向過程中，在離心力與慣性力作用下，會造成逆時針轉(zhuǎn)矩消失而使自鎖失效。驢頭下行時，掛接式彎配重自鎖條件為：

由公式（3）結(jié)果知，在驢頭下死點處，彎配重質(zhì)心低于掛接軸擋板垂直高度，逆時針轉(zhuǎn)矩及反作用于游梁尾部的力矩均存在，自鎖可靠。

驢頭上行時，盡管到上死點換向向下過程中，離心力與慣性力有助于自鎖，但彎梁配重重心仍不得超越掛接軸鉛垂投影面，否則作用于游梁尾部的反作用力矩消失會造成自鎖失效。驢頭上行時，掛接式彎配重自鎖條件為：

由公式（4）結(jié)果知，在驢頭上死點處，彎配重質(zhì)心沒有超越掛接軸鉛垂投影面，反作用游梁尾部的力矩與逆時針轉(zhuǎn)矩均存在，自鎖可靠。

現(xiàn)場改造時，要控制好擋板到游梁尾部的水平距離以及U形彎梁內(nèi)的定位靠板深淺的誤差，兩者對彎配重的游梁異相角γ有影響。擋板到游梁尾部的水平距離遠近與γ角大小呈負相關(guān)，U形彎梁內(nèi)的定位靠板深淺與γ角大小呈正相關(guān)?，F(xiàn)場改造中要避免因彎配重的游梁異相角γ誤差過大，出現(xiàn)自鎖失效或者配重干涉橫梁。

4　彎配重平衡及運動特性分析

井筒負載極大時，彎配重質(zhì)心與游梁水平夾角約7°，力臂幾乎在最長位置，有效彌補曲柄在初相角平衡能力不足的情況。井筒負載極小時，彎配重質(zhì)心與游梁水平夾角約50°，力臂最短，曲柄剛準(zhǔn)備蓄能。彎配重與曲柄配重平衡扭矩擬合后，與井筒負載接近對稱平衡。

彎配重與井下負載的平衡屬于一次平衡，負載峰值大幅削減后，再轉(zhuǎn)移到四連桿系統(tǒng)中，由曲柄平衡塊進行二次平衡。一次平衡僅發(fā)生在游梁兩端，大幅減輕從尾軸承、橫梁、連桿、曲柄一直到減速器的負載[7]，使電機裝機需求功率變小。中低沖次運轉(zhuǎn)，游梁平衡重取值合適，不會額外增加游梁與支架系統(tǒng)的負載，只會讓整機運行更加平穩(wěn)，用能更少。

與曲柄平衡塊相比，彎梁配重空間位置較高，調(diào)整不便，故彎配重采用不可調(diào)式，井筒負載變化時，只調(diào)整曲柄平衡塊位置，改造后曲柄平衡塊變小，使調(diào)平衡工作更容易。彎配重運行軌跡為一段圓弧，圓心為中軸承，半徑為游梁中軸承到配重箱的直線距離，軌跡線在減速器上部的空間，距離地面較高，一般不需采用專門的安全防護。

5　彎配重現(xiàn)場應(yīng)用情況

現(xiàn)已改造應(yīng)用抽油機200余臺，都取得了很好的節(jié)電效果，典型案例見表1。

表1　W95-77井改造前后效果對比

改造后，該井抽油機曲柄平衡塊質(zhì)量變小，而平衡度提高，有功功率大幅降低，綜合節(jié)電率為21.81%，年節(jié)電2.2萬元，當(dāng)年即可收回投資成本。

6　結(jié)論

1）抽油機正常運行時，彎配重質(zhì)心始終處于掛接點的下方與后方，掛接方式使改造、拆裝、運輸、運行管理等環(huán)節(jié)都十分方便可靠。

2）彎配重把部分平衡扭矩從減速器轉(zhuǎn)移到游梁，降低了減速器、尾軸承與連桿等傳動系統(tǒng)負載，有利于延長減速器使用壽命和整機平穩(wěn)運行。

3）掛接型游梁彎配重用于曲柄平衡抽油機改造，節(jié)能效果好，投入回收期短，對指導(dǎo)大量在用的曲柄平衡抽油機平穩(wěn)與節(jié)能生產(chǎn)有較大價值。

參考文獻：

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