隨動(dòng)平衡抽油機(jī)的平衡性能計(jì)算與研究

劉連和

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隨動(dòng)平衡抽油機(jī)的平衡性能計(jì)算與研究

劉連和

（大慶油田有限責(zé)任公司井下分公司，黑龍江 大慶 163000）

長沖程節(jié)能抽油機(jī)才能夠有效提高稠油井的開采效益。提出一種在游梁后端上部增加平衡后置滑輪的方法，能有效增加抽油機(jī)的沖程，并平衡部分扭矩。對(duì)隨動(dòng)平衡抽油機(jī)的平衡原理進(jìn)行了分析，結(jié)合抽油機(jī)的實(shí)際工作情況，對(duì)后置滑輪的平衡重進(jìn)行了設(shè)計(jì)。計(jì)算了同等型號(hào)的隨動(dòng)平衡抽油機(jī)與普通抽油機(jī)的扭矩情況，證明加了后置滑輪的抽油機(jī)性能得到了明顯改善，曲柄扭矩減小，且不存在負(fù)扭矩。

隨動(dòng)平衡抽油機(jī)；后置滑輪；平衡計(jì)算

世界抽油機(jī)的研究開發(fā)與應(yīng)用已有100多年的歷史[1]，特別是近20年技術(shù)發(fā)展較快[2-4]：先后研發(fā)了多種新型抽油機(jī)；增強(qiáng)了抽油機(jī)的適應(yīng)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性；改善了抽油性能，降低了抽油機(jī)載荷與載荷變化范圍，提高了抽油效率，減少了動(dòng)力消耗；提高了抽油機(jī)平衡效果，改善了抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性與平衡特性；增大了抽油機(jī)的使用范圍，減小了抽油機(jī)體積和質(zhì)量，強(qiáng)化了抽油機(jī)的自動(dòng)化與智能化程度。但是目前針對(duì)高粘度稠油的開采還沒有一種抽油機(jī)能夠成功解決，必須設(shè)計(jì)一種長沖程抽油機(jī)來解決該問題。

1 工作原理

提出一種隨動(dòng)平衡長沖程抽油機(jī)，如圖1所示，主要設(shè)計(jì)思路是在彎游梁抽油機(jī)基礎(chǔ)上，在游梁后端上部增加一個(gè)平衡后置滑輪，該滑輪固定在三角架上，三角架的其余兩端分別與搖桿和游梁相連，搖桿和拉桿另一端通過軸支撐在塔架上。鋼帶的一端固定在平衡滑輪上，另一端繞過驢頭上齒輪和滾子與懸繩器連接。

1.電動(dòng)機(jī)2.皮帶3.齒輪減速器4.曲柄 5.塔架6.扁平鋼帶7.排狀分布滾子8.抽油機(jī)驢頭9.前置滑輪10.游梁11.中間拉桿12.搖桿13.后置滑輪14.三角架15.連桿

下沖程時(shí)，后置滑輪重心相對(duì)游梁支點(diǎn)的水平距離（力臂長度）逐漸變小，平衡力矩減小，后置滑輪重心上移，存儲(chǔ)勢能。上沖程時(shí)，后置滑輪被三角擺架帶動(dòng)，向后移動(dòng)，存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)化為懸點(diǎn)載荷的動(dòng)能。同時(shí)，后置滑輪相對(duì)游梁向后移動(dòng)及后置滑輪自身的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)使鋼帶纏繞在滑輪上，抽油機(jī)的沖程大幅度增加。

當(dāng)驢頭向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，固連在塔架上的拉桿推動(dòng)后置滑輪相對(duì)游梁逐漸前移，因此后置滑輪相對(duì)平衡點(diǎn)產(chǎn)生的力矩不斷減小，電動(dòng)機(jī)消耗的功率逐漸減小，改善了電機(jī)功率負(fù)載曲線峰值。當(dāng)驢頭向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，與游梁和搖桿連接的三角架帶動(dòng)后置滑輪相對(duì)游梁逐漸后移，一方面拉桿拉動(dòng)后置滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中驅(qū)使鋼帶繞在滑輪上，使得抽油機(jī)的沖程大大增加，另一方面后置滑輪產(chǎn)生的力矩不斷增大，有效減少了凈扭矩，最終減小了電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的輸出功率，達(dá)到了節(jié)約能量、減少成本的目的。

2 隨動(dòng)平衡抽油機(jī)的平衡原理

游梁式抽油機(jī)主要通過氣壓缸固定在游梁的前側(cè)或后側(cè)來動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)平衡，通過平衡塊固定在曲柄或游梁上來平衡懸點(diǎn)載荷，即機(jī)械游梁平衡或機(jī)械曲柄平衡，其中機(jī)械式游梁抽油機(jī)應(yīng)用更加廣泛。曲柄或游梁上的平衡重可以以多種形式固定在抽油機(jī)上，從而達(dá)到不同的平衡效果。游梁平衡是通過在游梁尾部設(shè)置平衡塊承壓裝置，將平衡塊放到該裝置內(nèi)，不斷調(diào)節(jié)平衡塊重力，當(dāng)平衡塊達(dá)到合適重量后，即能平衡懸點(diǎn)載荷；曲柄在設(shè)計(jì)時(shí)都是呈T型尾部結(jié)構(gòu)，是為了改變曲柄的平衡中心位置，重心后移，使抽油機(jī)在抽油，曲柄底部能夠形成平衡重，平衡懸點(diǎn)載荷；而復(fù)合平衡就是在游梁的尾部和曲炳上同時(shí)裝上平衡重。

3 后置滑輪平衡重的設(shè)計(jì)

從抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的變化規(guī)律可以得出，游梁式抽油機(jī)在整個(gè)工作循環(huán)內(nèi)載荷是不均勻的。對(duì)靜載荷來說，上沖程時(shí)驢頭懸點(diǎn)需提起抽油機(jī)和油柱，這時(shí)電動(dòng)機(jī)要付出很大的能量，下沖程時(shí)抽油桿依靠自重就可以下落，不但不需要電動(dòng)機(jī)付出能量，反而對(duì)電動(dòng)機(jī)做功，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。因此電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中的載荷是非常不均勻的，而懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和加速度的變化又加劇了這種不均勻性，嚴(yán)重影響了四連桿機(jī)構(gòu)、減速器和電動(dòng)機(jī)的壽命，也惡化了抽油桿的工作條件，使抽油桿斷裂次數(shù)顯著增加，所以在游梁式抽油機(jī)－抽油泵裝置中必須合理解決平衡問題，盡可能消除負(fù)功，使電動(dòng)機(jī)、減速箱的載荷變均勻。

3.1 平衡準(zhǔn)則

在設(shè)計(jì)抽油機(jī)平衡重結(jié)構(gòu)從而使曲柄、游梁的結(jié)構(gòu)不同來調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡時(shí)，首先要規(guī)定好平衡準(zhǔn)則，使得抽油機(jī)節(jié)能且抽油效率良好。目前常采用的方式是使抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)上下運(yùn)動(dòng)過程中所做的功相等。

下沖程時(shí)氣動(dòng)平衡或機(jī)械平衡裝置應(yīng)該獲得能量，上沖程時(shí)抽油機(jī)下降過程中所應(yīng)釋放能量。向下運(yùn)動(dòng)過程中，平衡裝置貯藏的能量應(yīng)同等于電動(dòng)機(jī)下沖程過程中所做的功與下沖程抽油桿柱下落所做的功之和，即：

上沖程時(shí)，后置滑輪裝置放出的能量（等于下沖程過程中存儲(chǔ)的勢能）加上電動(dòng)機(jī)沖程過程中所做的功等同于沖程抬高抽油桿柱和油柱過程中所做的功，即：

根據(jù)維持平衡原則，電動(dòng)機(jī)下沖程做的功等于電動(dòng)機(jī)上沖程做的功，為：

即有：

3.2 機(jī)械平衡重的計(jì)算

該彎游梁抽油機(jī)采用游梁與曲柄結(jié)合并加上隨動(dòng)滑輪的方式，故平衡重計(jì)算公式為：

代入數(shù)值得：游＝2.3 t，曲＝3 t。

3.3 減速器扭矩的計(jì)算

為簡化計(jì)算，將曲柄的配重與自重合算到曲柄與電機(jī)的連接軸上，以保證曲柄運(yùn)動(dòng)過程中受到的總扭矩不會(huì)隨外界條件改變而改變。研究游梁受力與連桿受力的關(guān)系，將連桿受力對(duì)游梁支撐點(diǎn)處求力矩可得到連桿受力為：

從而求得曲柄受力為：

式中：為懸點(diǎn)載荷，N；為游梁平衡中心到支點(diǎn)距離，kg；為游梁下沖程夾角，°；a為游梁上沖程夾角；β為游梁下沖程曲柄與水平線夾角；為連桿受到的力沿曲柄的切向方向的分力，曲柄旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，m；1為曲柄與連桿間夾角。

以曲柄為對(duì)象進(jìn)行研究，為提升懸點(diǎn)載荷，記減速器輸出軸的輸出扭矩為（曲柄旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)檎颍?，曲柄自重和曲柄的平衡配重得到的載荷為Q，連桿受到的力沿曲柄的切向方向的分力，則曲柄的平衡條件可以表示為：

式中：為曲柄回轉(zhuǎn)半徑，m；為曲柄最大轉(zhuǎn)角，°。

懸點(diǎn)載荷對(duì)曲柄部分的平衡扭矩屬于抽油機(jī)的負(fù)荷扭矩M，可以表示為：

負(fù)荷扭矩只與抽油機(jī)的尺寸參數(shù)和曲柄的旋轉(zhuǎn)角度等有關(guān)，同樣可以表示曲柄上受到單位懸點(diǎn)載荷時(shí)產(chǎn)生的扭矩，稱為扭矩相關(guān)因數(shù)：

式（9）中的QRsin表示曲柄的自重與平衡重所產(chǎn)生的合扭矩，游梁自帶平衡重和后置滑輪產(chǎn)生的合扭矩M可記為：

則合扭矩M、沿軸扭矩M分別為：

式中：Mmax為曲柄的自重和配重能夠平衡的最大扭矩，也可以表示為曲柄處于與水平面平行時(shí)曲柄的自重與配重產(chǎn)生的合扭矩。

則式（9）可以寫成：

（15）

式（15）中忽略抽油機(jī)的驢頭、連桿機(jī)構(gòu)、橫梁、游梁等部件的自身重量，即不考慮這些部件提供的平衡作用，則可以改寫成：

式中：為抽油機(jī)的驢頭、連桿機(jī)構(gòu)、橫梁、游梁等部件的自身重量不平衡時(shí)的重量，求得的值等效于連桿機(jī)構(gòu)與曲柄銷軸分開時(shí)為維持游梁水平而施加給連桿機(jī)構(gòu)的力，該狀態(tài)下取值為正，當(dāng)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)取值為負(fù)。的值可以通過實(shí)際測量得到，同時(shí)可以通過重力計(jì)算推導(dǎo)得到。

式（16）考慮了游梁擺角和自身重量所產(chǎn)生的慣性力矩，公式較為復(fù)雜，對(duì)計(jì)算工作帶來較大困難，為簡化計(jì)算過程，在合理范圍內(nèi)忽視上述兩項(xiàng)帶來的影響，對(duì)于隨動(dòng)平衡抽油機(jī)的扭矩計(jì)算公式可以表示為：

在抽油機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行過程中懸點(diǎn)的最大載荷與減速箱輸出軸扭矩值的最大值同時(shí)取得為，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可得：

式中：max、min分別為最大、最小負(fù)載，kg。

對(duì)于該隨動(dòng)平衡抽油機(jī)，需將計(jì)算所得值乘上相關(guān)系數(shù)1.20～1.25，最后得出max，如圖2、圖3所示。對(duì)比平衡前、后的扭矩可知，通過后置滑輪隨動(dòng)平衡后的扭矩對(duì)比平衡前整體明顯下降，不再出現(xiàn)負(fù)值，所以隨動(dòng)平衡抽油機(jī)改善了抽油機(jī)的整體性能、節(jié)約了能量。

圖2 平衡扭矩

圖3 平衡曲線圖

4 結(jié)論

（1）利用滑輪后置帶動(dòng)鋼帶的方式，增加了抽油機(jī)的沖程，同時(shí)后置滑輪實(shí)現(xiàn)了隨動(dòng)平衡，可以節(jié)約能量。

（2）對(duì)后置滑輪進(jìn)行了平衡計(jì)算，對(duì)比了該隨動(dòng)平衡抽油機(jī)與普通抽油機(jī)的扭矩情況，證明加了后置滑輪的抽油機(jī)性能得到了明顯的改善，曲柄扭矩減小，且不存在負(fù)扭矩。

[1]馮耀忠，李光，韓煒. 國外抽油技術(shù)的新發(fā)展（一）[J]. 石油機(jī)械，2000（10）：58-60.

[2]馮耀忠，韓煒，李光. 國外抽油技術(shù)的新發(fā)展（二）[J]. 石油機(jī)械，2000，28（11）：58-60.

[3]張連山. 國外抽油機(jī)的技術(shù)發(fā)展[J]. 石油機(jī)械，1999，27（4）：54-56.

[4]張連山. 我國抽油機(jī)的新進(jìn)展[J]. 石油機(jī)械，1996，24（增刊）：120-122.

Calculation and Study of Balance Performance of Oil Pumping Unit with Dynamic Balance

LIU Lianhe

(Daqing Oil Field Co Downhole Branch, Daqing 163000, China )

the long stroke pumping oil machine can improve the recovery efficiency of heavy oil. This paper presents a method of adding balanced rear pulley on the upper end of the rear end of the beam, which can effectively increase stroke and balance some torque of the pumping unit. The balance principle of the servo balancing pumping unit is analyzed. Based on the balance principle and the actual working condition of the pumping unit, the balance weight of the rear pulley is designed. The torque of the same type of servo pump and common pumping unit is calculated. It is proved that the performance of the pumping unit plus the rear pulley has been obviously improved, the crank torque has been reduced, and there is no negative torque.

follow up balance pumping unit；ear pulley；balance calculation

TE933+.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.11.007

1006－0316 (2018) 11－0027－04

2018－01－30

劉連和（1971－），男，遼寧大連人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橛吞锛夹g(shù)管理工作。