異相型游梁式抽油機(jī)的節(jié)能分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計

齊博漪 閆天豪

摘 ?要：目前，游梁式抽油機(jī)在我國全部在用的抽油機(jī)中占了大部分比例。其中異相型抽油機(jī)所增加的極位夾角和平衡相位角會大大地降低抽油機(jī)作業(yè)能耗。在分析異相型游梁式抽油機(jī)節(jié)能原理的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要步驟進(jìn)行了介紹，而其中最重要的就是四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計。

關(guān)鍵詞：游梁式抽油機(jī) ?節(jié)能 ?分析 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TE93 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）30（c）-0055-02

在我國石油開采的過程中，由于游梁式抽油機(jī)作為當(dāng)下應(yīng)用最為廣泛的石油設(shè)備，它的研究與開發(fā)一直在持續(xù)進(jìn)行。傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)雖然存在著能耗高、采油效率低等問題，但其簡單的抽油機(jī)結(jié)構(gòu)，較高的可靠性，再加上油田初期巨大的石油效益，使得它仍然占據(jù)較大的市場份額。然而，在今天我國的大部分油田開采已經(jīng)進(jìn)入中后期，油田的產(chǎn)油量逐漸下滑，隨之帶來的經(jīng)濟(jì)效益也急劇降低。此時，傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的缺陷所增加的經(jīng)濟(jì)成本也就使成本放大，為了降低采油成本，減少抽油機(jī)作業(yè)過程中的電力能耗，對抽油機(jī)進(jìn)行研究和發(fā)展就顯得極其重要。

常規(guī)型游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較低，制造過程簡單，并且在發(fā)生故障時維護(hù)較為方便，其中最關(guān)鍵的特點是游梁式抽油機(jī)在油田運行不受周圍天氣的變化，可以整天24h運行。但是，常規(guī)型抽油機(jī)存在傳動效率低、作業(yè)時功率不匹配等缺點。

1 ?常規(guī)游梁式抽油機(jī)的耗能分析

一般而言，常規(guī)型游梁式抽油機(jī)之所以能耗高，其主要原因有如下3個。

（1）抽油泵的排量與油井的滲透能力不匹配。簡單來說，就是當(dāng)抽油機(jī)工作時，抽油泵的抽油量與油井的排油量并不相等，從而導(dǎo)致抽油泵做無用功，增大了能耗，同時也增加抽油機(jī)的負(fù)擔(dān)。

（2）交流電機(jī)負(fù)責(zé)為抽油機(jī)提供動力，在抽油桿下降期間，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通常高于電動機(jī)的同步速度，這意味抽油機(jī)的曲柄凈扭矩是負(fù)值，此時的交流電機(jī)就會轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)為電網(wǎng)供電，這種現(xiàn)象成為倒發(fā)電。倒發(fā)電不僅降低的電機(jī)的使用效率，還對電網(wǎng)造成了較大的損害。

（3）井況變化時，抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)不及時，導(dǎo)致減速器輸出軸凈扭矩波動大，同樣會降低電機(jī)效率。

要想從根本上減少游梁式抽油機(jī)的能耗，提高節(jié)能效率，其直接途徑就是對抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。一般而言，可以對抽油機(jī)固有的四桿機(jī)構(gòu)和平衡方式進(jìn)行改進(jìn)，以此來改變曲柄軸凈扭矩的曲線變化，確保扭矩的變化不會出現(xiàn)較大波動。因此，異相型游梁式抽油機(jī)就隨之而產(chǎn)生了。

2 ?異相型游梁式抽油機(jī)的節(jié)能分析

異相型游梁式抽油機(jī)是逐步發(fā)展起來的一種性能較好的抽油機(jī)。一般來說，常規(guī)型游梁式抽油機(jī)后梁支撐軸處在齒輪減速箱輸出軸的正上方，曲柄銷槽的中心線和平衡塊中心的重力線之間沒有偏置角度，前后梁的比例通常小于1.4∶1，因而造成減速箱輸出扭矩比抽油泵所需扭矩高出40%左右。齒輪減速箱正負(fù)扭矩的方向變化增加了抽油桿的應(yīng)力，降低了抽油桿的使用壽命。為了克服抽油機(jī)的上述缺點，異相型游梁式抽油機(jī)把游梁的前梁和后梁之間的比例至少增加到1.4∶1.把曲柄的回轉(zhuǎn)曲線放到后梁支撐的后面。根據(jù)沖程的大小使曲柄銷沿著線移動與曲柄的中線偏置一個角度，通過肘節(jié)與肘節(jié)銷把連桿和曲柄連接在一起。通過調(diào)節(jié)在曲柄上的平衡塊的回轉(zhuǎn)半徑和浮動的安全鎖塊以及加或者減平衡快上的負(fù)重來實現(xiàn)抽油機(jī)精確地運動平衡。這樣就降低了抽油機(jī)所需的最高扭矩，使齒輪減速箱正負(fù)扭矩的方向變化得以消除。結(jié)果使抽油桿有較低的工作應(yīng)力值，從而增加了抽油機(jī)的適用范圍。通過調(diào)節(jié)曲柄銷在銷槽中的位置，可以對光桿沖程的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由此可得，在對傳統(tǒng)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善的基礎(chǔ)上，異相型抽油機(jī)增加了極位夾角與平衡相位角。其中極位夾角的作用是通過改變曲柄在上沖程和下沖程期間旋轉(zhuǎn)的角度來減小懸點在上沖程時的加速度和動態(tài)載荷，而平衡相位角的功能是進(jìn)一步削弱減速器的最大扭矩峰值，從而降低能耗。

3 ?異相型游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

異相型游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計按以下步驟進(jìn)行。

（1）抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計。作為抽油機(jī)的基本框架，四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸確定對抽油機(jī)的作業(yè)性能以及整體質(zhì)量都極其重要。從某種意義上說，游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，就是四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計。首先，通過抽油機(jī)游梁的最大擺角和最大光桿沖程則可計算出游梁的前臂尺寸;其次，通過游梁的前臂與后臂之間的比值確定后臂尺寸;最后，通過抽油機(jī)連桿尺寸的幾何關(guān)系計算出抽油機(jī)的連桿、極距、曲柄等尺寸。

（2）計算減速器曲柄軸的最大所需扭矩以及對減速器的選定。減速器的作用在于將動力從電動機(jī)以不同的速度傳遞至曲柄，齒輪減速器與V帶傳動的配合使用是其多見的傳遞方式。減速器所需要的最大扭矩可以根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行計算，例如勒瑪柴諾夫經(jīng)驗公式。

（3）計算電動機(jī)的功率及電動機(jī)型號與規(guī)格的選定。抽油機(jī)的動力始于電動機(jī)，采用拉夫金經(jīng)驗公式通過泵柱塞沖程的日產(chǎn)液量和液體的有效舉升高度來得到電動機(jī)的功率，從而選出型號規(guī)格合適的電動機(jī)。

（4）V帶尺寸設(shè)計和規(guī)格型號選擇。由于V帶傳動運行平穩(wěn)，且具有過載保護(hù)的優(yōu)點，能緩和從油井傳來的沖擊負(fù)荷，因此在抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中V帶傳動是必需的。V帶的尺寸設(shè)計過程已經(jīng)成熟，根據(jù)具體的公式便可計算得出。其具體參數(shù)包括帶輪直徑、帶長以及V帶根數(shù)等。

（5）選擇帶輪的結(jié)構(gòu)形式。帶輪的結(jié)構(gòu)形式現(xiàn)在已經(jīng)固定，可依據(jù)帶輪的基準(zhǔn)直徑在機(jī)械設(shè)計的相關(guān)著作中選擇。當(dāng)帶輪的基準(zhǔn)直徑不同時，選擇的帶輪結(jié)構(gòu)形式也隨之不同。

（6）其他重要部件的設(shè)計。包括但不限于驢頭與游梁的設(shè)計、支架與底座的設(shè)計、曲柄銷的設(shè)計及強(qiáng)度校核、曲柄和平衡塊的設(shè)計、制動裝置的設(shè)計、懸繩器和鋼絲繩的設(shè)計等。

4 ?結(jié)語

異相型游梁式抽油機(jī)所具有的極位夾角是將減速器沿著機(jī)架上的原始位置移動而形成的，再加上平衡塊與曲柄軸之間的平衡相位角，使減速裝置在運行期間減小了扭矩最大峰值，以便更容易的改變減速裝置的扭矩峰值變化，從而減小電動機(jī)作業(yè)功率，達(dá)到降低能耗的目的。

盡管如今新能源的研發(fā)越來越多，但是石油作為國家重要儲備燃料的地位在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)都不會發(fā)生變化，特別是在軍事上具有戰(zhàn)略意義時對傳統(tǒng)抽油機(jī)的進(jìn)一步研發(fā)進(jìn)而滿足我國石油的自給自足就顯得尤為關(guān)鍵。

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