曹立文，包長爽

（黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引 言

按照抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要分為游梁式抽油機(jī)和無游梁式抽油機(jī)。抽油機(jī)經(jīng)歷多年的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展，抽油機(jī)結(jié)構(gòu)和功能都發(fā)生了巨大的變化。近年來，隨著人類社會對原油的需求量增大，對原油深度開采能力提出了更高的技術(shù)要求，促進(jìn)了多種結(jié)構(gòu)和功能類型抽油機(jī)的出現(xiàn)，加速了抽油機(jī)的新技術(shù)發(fā)展［1－2］。

目前，國內(nèi)游梁式抽油機(jī)仍然處在抽油機(jī)主導(dǎo)地位。游梁式抽油機(jī)不能實(shí)現(xiàn)長沖程低沖次的抽油技術(shù)要求，已經(jīng)不能滿足油田發(fā)展的需求。只有加快長沖程低沖次的抽油機(jī)的開發(fā)與生產(chǎn)，才能適應(yīng)現(xiàn)代石油工業(yè)的快速發(fā)展。

無游梁式抽油機(jī)主要分為直線電機(jī)抽油機(jī)、液壓抽油機(jī)、帶式抽油機(jī)、曲柄帶式抽油機(jī)等，這類抽油機(jī)由動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)架系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化，具有自動化程度高、高智能、大載荷、長沖程、低沖次的特點(diǎn)，符合節(jié)能減排國家發(fā)展戰(zhàn)略要求，節(jié)省了油田投資成本，提高開采效率。

鑒于現(xiàn)有抽油機(jī)的耗電量大，抽油效率低的問題，自行設(shè)計(jì)了一款節(jié)能抽油機(jī)。

1 節(jié)能抽油機(jī)總體設(shè)計(jì)

1．1 抽油機(jī)的組成

設(shè)計(jì)的節(jié)能抽油機(jī)是一種集機(jī)電一體化的無游梁抽油機(jī)，適用于長沖程、低沖次地區(qū)的工作要求。節(jié)能抽油機(jī)主要由安裝平臺、桁架部分、配重部分、懸繩器、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等組成。節(jié)能抽油機(jī)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

1．2 抽油機(jī)主要參數(shù)確定

抽油機(jī)主要在野外油田作業(yè)，為了不對生產(chǎn)產(chǎn)生影響，其工作性能一定要保證穩(wěn)定可靠。抽油機(jī)井架高度約10m，下泵深度約900m，抽油機(jī)24h不停做上下往復(fù)運(yùn)動，抽油機(jī)的沖程為5m，上下工作3次／min。根據(jù)工作情況選擇CYG22型抽油桿，其主要參數(shù)如下：桿橫截面積380．12mm2，每根重量24．49kg，密度ρr＝8．05×103kg／m3。桿式泵的直徑為44mm，理論排量27～138m3／d，柱塞沖程為1．2～6m。油管內(nèi)徑59mm，外徑73mm，內(nèi)壓63．7MPa，抗擠強(qiáng)度65．8MPa。

圖1 抽油機(jī)總圖Fig．1 Layout of the oil pumping unit

懸點(diǎn)靜載荷：

上沖程時(shí)，抽油泵下部固定閥打開，游動閥關(guān)閉，柱塞下部作用有油管外液柱的壓力，懸點(diǎn)載荷包括抽油桿的重力和液柱的重量，懸點(diǎn)載荷為：

式中Wjs為上沖程懸點(diǎn)靜載荷，kN；ρr、ρy分別為抽油桿和油井液體密度，kg／m3；g為重力加速度，m／s2；Fr、F分別為抽油桿和泵柱塞的橫截面積，m2；L為下泵深度，m；hc為泵的沉深度，m。

下沖程時(shí)，游動閥打開，固定閥關(guān)閉，泵中液體與油管中的液體相通，液柱的重量不再作用在柱塞上，懸點(diǎn)靜載荷為：

懸點(diǎn)動載荷：

由于懸點(diǎn)的運(yùn)動是變速運(yùn)動，抽油桿和液柱都受到加速度影響，所以產(chǎn)生慣性載荷，忽略彈性影響，假設(shè)抽油桿和液柱各點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律與懸點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律一致。

配重塊上沖程時(shí)慣性載荷為：Wgs＝Wrg＋Wyg＝ （Wr＋εWy）a／g，ε是由于柱塞直徑與油管內(nèi)徑不同引起的，為液流加速度改變系數(shù)，如果過流截面積為Ft，則

當(dāng)t＝2．21s時(shí)，加速度最大，由a＝－5t＋12．25得，a＝1．19m／s2，則上沖程慣性載荷為Wgs＝5．687kN。

配重平衡塊下沖程時(shí)液體向上運(yùn)動的加速度很小可忽略不計(jì)，所以慣性載荷為：

懸點(diǎn)載荷曲線圖見圖2，最大載荷為56．769kN。

圖2 懸點(diǎn)載荷曲線圖Fig．2 Load curve of suspension point

1．3 電機(jī)功率計(jì)算

在上沖程有最大載荷56．769kN，計(jì)算電動機(jī)功率時(shí)，作用在電動機(jī)上的力為通過配重平衡塊平衡的一部分最大載荷，以及通過一級動滑輪作用在電機(jī)上的力：

則電機(jī)功率為：

式中V為繩線速度，m／s。

2 抽油機(jī)主要部件設(shè)計(jì)

2．1 平臺設(shè)計(jì)

在電機(jī)、滾筒、制動器等型號和尺寸確定后，針對各部分部件的排布確定平臺的整體尺寸，平臺的長為4 100mm，寬為3 800mm，框架選用矩形冷彎空心型鋼，材料為Q235，框架內(nèi)部的支撐框架為矩形冷彎空心型鋼。其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 平臺結(jié)構(gòu)圖Fig．3 Structure diagram of platform

2．2 滾筒設(shè)計(jì)

現(xiàn)在普通型游梁抽油機(jī)的減速機(jī)構(gòu)都使用二級齒輪減速機(jī)，雖然能夠起到降速的作用，但其體積較大，質(zhì)量較重。本設(shè)計(jì)中，將齒輪減速機(jī)換成滾筒，滾筒中采用擺線齒輪進(jìn)行降速，相對于齒輪減速機(jī)，滾筒同樣能夠達(dá)到降速要求，但其優(yōu)點(diǎn)是體積小，節(jié)省平臺空間，與電機(jī)配合緊湊。鋼絲繩繞在滾筒上，一端連接配重塊，一端連接抽油桿［3－4］。滾筒的示意圖見圖4。

2．3 聯(lián)軸器及制動器的選擇

開關(guān)磁阻電機(jī)與滾筒之間的聯(lián)軸器選擇為LMZ－Ⅱ－250型帶制動輪梅花形彈性聯(lián)軸器，梅花聯(lián)軸器由兩個(gè)帶有爪形的聯(lián)軸器和梅花狀的彈性墊組成，梅花墊放置于兩個(gè)爪形聯(lián)軸器之間，來實(shí)現(xiàn)兩半聯(lián)軸器的聯(lián)接。LMZ－Ⅱ－250系列梅花形彈性聯(lián)軸器當(dāng)兩軸線有偏移時(shí)，彈性元件產(chǎn)生相對應(yīng)的彈性變形，起到自動補(bǔ)償作用。對于起動頻繁、正反轉(zhuǎn)、中高速和可靠性要求高的場合可以使用梅花形彈性聯(lián)軸器，見圖5。

圖4 滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig．4 Schematic diagram of the drum structure

圖5 聯(lián)軸器Fig．5 Shaft coupling

抽油機(jī)在工作時(shí)，做上下往復(fù)運(yùn)動，在頻繁的工作過程中，為了防止斷電或鋼絲繩斷裂情況的出現(xiàn)，需要在聯(lián)軸器上加上制動器，制動器選為電力液壓塊式制動器。該制動器動作頻率高，制動平穩(wěn)，可靠。其外形及安裝尺寸見圖6。制動盤直徑為250mm。

圖6 制動器Fig．6 Brake

2．4 導(dǎo)輪支架的設(shè)計(jì)

在平臺尺寸以及各部件位置確定后，可確定導(dǎo)輪支架的結(jié)構(gòu)及尺寸，導(dǎo)輪支架的設(shè)計(jì)應(yīng)該便于安裝和調(diào)整，以及之后的維修工作。導(dǎo)輪支架的設(shè)計(jì)，采用在支架的后端用鉸鏈與平臺相連，可以繞著鉸鏈上下抬起和放下，在維修時(shí)既安全，又節(jié)省空間。在支架的后端開一個(gè)100mm×100mm的工藝孔，以便于鉸鏈的安裝與拆卸。導(dǎo)輪支架的結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 導(dǎo)輪支架結(jié)構(gòu)圖Fig．7 Structure diagram of wheel bracket

2．5 桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無游梁式抽油機(jī)的井架結(jié)構(gòu)分為立柱式和桁架式結(jié)構(gòu)。立柱式井架相對于桁架式結(jié)構(gòu)外形看起來比較緊湊且美觀，整體性好，但是通過實(shí)地考察，立柱式井架晃動明顯，由于抽油機(jī)做連續(xù)的往復(fù)運(yùn)動，如果井架晃動過于明顯，長時(shí)間的晃動不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，抽油機(jī)的零部件容易松動。相對于立柱式結(jié)構(gòu)，桁架式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好，工作臺基本無晃動情況，而且桁架結(jié)構(gòu)的底座與地基的接觸面積較大，支撐面大，重心總是處在支撐面內(nèi)，所以選擇桁架結(jié)構(gòu)。

抽油機(jī)井架高10m，桁架材料選用角鋼，材料為Q235。每兩根橫向角鋼距離為1 200mm，最下端角鋼距離底座1 010mm，最下面的斜拉角鋼長度為1 400mm，其余斜拉角鋼長度為2 420 mm。4根立柱、橫向及斜拉材料都采用角鋼。底座采用矩形空心型鋼，材料為Q235。底座尺寸為2 500mm×2 500mm。4根立柱與底座及上連接板連接處采用加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，以保證連接的穩(wěn)定行。桁架的結(jié)構(gòu)及底座見圖8。

圖8 桁架結(jié)構(gòu)圖Fig．8 Structure diagram of truss

2．6 配重塊的設(shè)計(jì)

在該抽油機(jī)系統(tǒng)中，通過利用平配重塊的升降來實(shí)現(xiàn)位能的改變，保證在系統(tǒng)內(nèi)部的分配能夠?qū)崿F(xiàn)平衡，進(jìn)而使電機(jī)在上、下沖程里的推力變化幅度減小。通過選擇適當(dāng)?shù)呐渲貕K，來減少抽油桿的自重在上升下降時(shí)所消耗的能量到最小值，提高抽油機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率。配重塊調(diào)整適當(dāng)之后，使兩繩張力差最小，由查閱的資料得，配重塊的重量，一般為抽油桿的重量加上液柱一半的重量之和，平衡重理論重量計(jì)算公式：

配重塊在上、下沖程時(shí)作功相等，下沖程時(shí)，系統(tǒng)儲存的能量等于右理論上所作的抽油桿下落時(shí)所作的功；上沖程時(shí)，系統(tǒng)放出的能量等于上沖程過程中舉升抽油桿和油柱所作的功。

配重平衡塊的重力為：

配重塊采用主塊和副塊配合使用，主塊和副塊用連接板進(jìn)行連接。配重塊采用鑄造，其外形尺寸見圖9。

2．7 動滑輪部件設(shè)計(jì)

圖9 配重塊結(jié)構(gòu)圖Fig．9 Structure diagram of the counterweight block

懸繩器結(jié)構(gòu)的作用是將抽油桿與鋼絲繩連接起來，實(shí)現(xiàn)往復(fù)的提拉動作。懸繩器的設(shè)計(jì)采用動滑輪提升，通過鋼絲繩與動滑輪的配合，提升懸繩器部分，再通過固定組件將抽油桿與懸繩器連接在一起。

動滑輪與鋼絲繩進(jìn)行配合，動滑輪直徑為400 mm，繩槽半徑為9mm，與直徑為16mm的鋼絲繩配合。動滑輪輪轂通過軸承與滑輪軸連接。軸端直徑為60mm。

根據(jù)載荷的大小和方向動滑輪部件中的軸承選用深溝球軸承，型號為6213。軸承端蓋選用槽型密封擋蓋，材料為Q235A。隔套選用的型號為AT60JB／T9005．5，材料為45號鋼。隔環(huán)型號為H120JB／T9005．5，材料為Q235A。滑輪的材料為ZG270－500。動滑輪的結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 動滑輪結(jié)構(gòu)圖Fig．1 0 Structure diagram of the movable pulley

2．8 支撐座設(shè)計(jì)

支撐座是懸繩器的主要承載部件，動滑輪支架通過螺栓固定在支撐座上，支撐座材料為Q235，主要尺寸及結(jié)構(gòu)見圖11。

2．9 浮動支撐件及調(diào)整件的設(shè)計(jì)

抽油桿與懸繩器連接后，在抽油桿做上下往復(fù)運(yùn)動時(shí)，難免會出現(xiàn)晃動情況。如果抽油桿和懸繩器緊固連接，出現(xiàn)晃動情況時(shí)，會使抽油桿收到徑向力，如果長時(shí)間收到徑向力作用，會使抽油桿發(fā)生斷裂，影響正常工作。在設(shè)計(jì)時(shí)，抽油桿與浮動平衡塊間隙配合，而浮動平衡塊與浮動調(diào)整件相配合可以實(shí)現(xiàn)圓周方向的晃動，而抽油桿始終處在相對垂直的方向而不受徑向力的作用，懸繩器的結(jié)構(gòu)見圖12。

圖11 支撐座結(jié)構(gòu)圖Fig．1 1 Structure diagram of the supporting seat

圖12 懸繩器結(jié)構(gòu)圖Fig．1 2 Structure diagram of the rope hanging device

3 結(jié) 論

在抽油機(jī)總體設(shè)計(jì)方案完成的基礎(chǔ)上，對主要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選擇，如平臺、滾筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及導(dǎo)向輪支架、桁架結(jié)構(gòu)、配重塊的設(shè)計(jì)等，并完成了制動器和聯(lián)軸器的選擇，本設(shè)計(jì)中采用開關(guān)磁阻電機(jī)和滾筒減速的方式來取代原有的異步電機(jī)和體積較大的減速器。抽油機(jī)主體采用桁架結(jié)構(gòu)，通過鋼絲繩以及動滑輪進(jìn)行力的傳遞，相比于目前大多數(shù)油田上使用的游梁式抽油機(jī)，在外形美觀以及節(jié)能高效上有了很大的改進(jìn)。

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