佟軍民，吳致千

（1.許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，許昌 461000；2.中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，成都 610209；3.河南思科石油環(huán)保設(shè)備有限公司，許昌 461000）

一種新型游梁式抽油機(jī)平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

佟軍民1,2，吳致千3

（1.許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，許昌 461000；2.中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，成都 610209；3.河南思科石油環(huán)保設(shè)備有限公司，許昌 461000）

0 引言

游梁式抽油機(jī)平衡狀況的好壞，直接影響抽油機(jī)抽采作業(yè)電量消耗，影響連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電機(jī)的效率與壽命，對(duì)抽油桿的工作狀況亦影響很大。因此，對(duì)于抽油機(jī)平衡狀況的判斷和調(diào)節(jié)，必須給予高度重視[1～3]。目前游梁式抽油機(jī)的游梁平衡調(diào)節(jié)裝置常見(jiàn)的有蝸輪蝸桿式和絲母絲桿式兩種，均是利用四連桿結(jié)構(gòu)，其配重的調(diào)節(jié)量均取決于配重箱擺臂調(diào)節(jié)角度，而擺臂調(diào)節(jié)角度又取決于電機(jī)與固定軸的安裝距離，傳動(dòng)副多，故障點(diǎn)多，而且容易燒壞電機(jī)，無(wú)法長(zhǎng)期安全可靠的實(shí)現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)。

為解決以上難題，河南思科石油環(huán)保設(shè)備有限公司自主研發(fā)了一種更為合理的平衡結(jié)構(gòu)和配套的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)游梁平衡調(diào)節(jié)，并成功申請(qǐng)專(zhuān)利[4]。平衡裝置的機(jī)械部分為行星齒輪機(jī)構(gòu)，太陽(yáng)輪設(shè)計(jì)成扇形齒輪，和游梁固定成一體，行星輪為小齒輪，被平衡電機(jī)帶動(dòng)，通過(guò)嚙合，繞太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，放有重物的擺動(dòng)錘在小齒輪（行星輪）中心轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下，逆時(shí)針或者順時(shí)針擺動(dòng)，調(diào)整抽油機(jī)的平衡度，降低主電機(jī)負(fù)荷，起到延長(zhǎng)主電機(jī)壽命、降低能源消耗的目的。該技術(shù)已成功地在大慶油田和延長(zhǎng)油田部分游梁式抽油機(jī)節(jié)能改造中得到應(yīng)用和驗(yàn)證，圖1為改造前、后的對(duì)比圖。

1 平衡準(zhǔn)則[5～7]

設(shè)計(jì)平衡裝置時(shí)，需要滿(mǎn)足平衡準(zhǔn)則的要求。平衡準(zhǔn)則是判斷抽油機(jī)工作是否達(dá)到理想平衡工作狀態(tài)的依據(jù)，那么在設(shè)計(jì)平衡裝置時(shí)抽油機(jī)究竟怎樣算平衡，目前來(lái)講，主要運(yùn)用的是以下三種準(zhǔn)則：

圖1 游梁式抽油機(jī)平衡結(jié)構(gòu)改造前、后對(duì)比

平衡準(zhǔn)則一：抽油機(jī)拖動(dòng)電機(jī)在驢頭懸點(diǎn)上沖程和下沖程做功相等。

平衡準(zhǔn)則二：抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)上下沖程中減速箱的曲柄扭矩峰值相等。

平衡準(zhǔn)則三：抽油機(jī)驢頭先點(diǎn)上下沖程中減速箱的曲柄扭矩均方根值最小。

上述三種準(zhǔn)則的效果目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)判好壞，不過(guò)一般認(rèn)為影響減速箱壽命的主要因素是輸出軸的峰值扭矩和負(fù)扭矩。

2 游梁平衡裝置的設(shè)計(jì)

2.1 抽油機(jī)拖動(dòng)電機(jī)上下沖程做功大小的計(jì)算

在游梁式抽油機(jī)（曲柄平衡）改造前，針對(duì)被改造的抽油機(jī)（沒(méi)有游梁平衡裝置，僅有曲柄平衡裝置，如圖1左圖所示）在具體工況下，測(cè)得其實(shí)測(cè)示功圖，如圖2所示。

圖2 實(shí)測(cè)示功圖

平衡裝置在懸點(diǎn)下沖程過(guò)程中，儲(chǔ)存能量A0；懸點(diǎn)上沖程過(guò)程中，釋放能量A0。二者能量的大小相等。

下沖程（C→D→A）階段，平衡裝置儲(chǔ)存的能量A0等于下沖程抽油桿柱下落所做的功A懸下與拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)下沖程所做的功A電下之和：

上沖程（A→B→C）階段，上沖程提升抽油桿柱和油柱所做的功A懸下等于平衡裝置釋放的能量A0加上拖動(dòng)電機(jī)上沖程所做的功A電下：

按照平衡準(zhǔn)則一的要求，拖動(dòng)電機(jī)在驢頭懸點(diǎn)上沖程和下沖程做功A0相等，則有：

在實(shí)測(cè)示功圖中，由OABCEO所圍成的面積SOABCEO即為上沖程提升抽油桿柱和油柱所做的功A懸上，由CDAOEC所圍成的面積SCDAOEC即為下沖程抽油桿柱下落所做的功A懸下。故由面積儀可以方便的計(jì)算出A0。

2.2 復(fù)合平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算[8,9]

如圖3所示，為增加游梁平衡裝置后的復(fù)合平衡機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。設(shè)計(jì)的游梁平衡機(jī)構(gòu)為一扇形齒輪機(jī)構(gòu)，其小齒輪可通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)沿扇形齒輪順時(shí)針或者逆時(shí)針擺動(dòng)，從而使平衡力矩增大或者減小。計(jì)算時(shí)，可按照調(diào)節(jié)范圍的中間值確定小齒輪的位置（應(yīng)為扇形齒輪對(duì)稱(chēng)線正下方）。

圖3 增加游梁平衡裝置后的復(fù)合平衡機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

計(jì)算時(shí)，各符號(hào)的含義如表1所示。

表1 計(jì)算公式中各符號(hào)的含義

下沖程時(shí)，當(dāng)驢頭懸點(diǎn)自上死點(diǎn)到下死點(diǎn)走完沖程的長(zhǎng)度距離，游梁平衡重、曲柄平衡重、游梁部件自重、曲柄自重的重心都抬高，把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，儲(chǔ)存的能量如表2所示。

表2 懸點(diǎn)下沖程過(guò)程中，各部位儲(chǔ)存的能量

故，可得A0的計(jì)算公式：

上式中，A0可由實(shí)測(cè)示功圖計(jì)算出來(lái)，除Q游和K游為未知參數(shù)外，其余參數(shù)對(duì)于改造的抽油機(jī)而言，均為已知參數(shù)。因而從式(4)可以方便的設(shè)計(jì)出游梁平衡裝置的Q游和K游。如果從節(jié)約鋼材的角度考慮，我們也可以減少曲柄平衡重的重量Q曲后，再進(jìn)行Q游和K游的設(shè)計(jì)。

2.3 工況變化時(shí)的調(diào)整

前述的計(jì)算是針對(duì)游梁式抽油機(jī)節(jié)能改造前某一具體工況的實(shí)測(cè)示功圖進(jìn)行的游梁平衡裝置的設(shè)計(jì)，當(dāng)實(shí)際工況發(fā)生變化時(shí)，很難滿(mǎn)足式(4)的要求，這時(shí)，可以按照平衡準(zhǔn)則二，利用電流法，測(cè)出上下沖程的最大工作電流，判斷游梁平衡力矩是偏大還是偏小，通過(guò)平衡裝置上的調(diào)整電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪沿扇形齒輪順時(shí)針或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整游梁平衡力矩，進(jìn)而最終滿(mǎn)足式(4)。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在大慶油田二廠，利用該設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了節(jié)能改造，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。改造前，該機(jī)器使用兩塊重1300kg曲柄配種，總重2600kg；改造后，增加自動(dòng)平衡裝置，重1230kg，曲柄配重更換為兩塊366kg曲柄配重塊，加上曲柄重，總重1962kg，綜合鋼材節(jié)約率24.5%；改造前上沖程最大電流47A，下沖程最大電流37A，平衡度0.787；自動(dòng)調(diào)平衡后，上沖程最大電流36.89A，下沖程最大電流33.83A，平衡度0.917，綜合節(jié)電率15.8% 。

3 結(jié)束語(yǔ)

按照抽油機(jī)平衡準(zhǔn)則，通過(guò)在游梁尾部添加扇形齒輪機(jī)構(gòu)平衡裝置，對(duì)游梁式抽油機(jī)的進(jìn)行節(jié)能改造，既可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約鋼材，又可以提高平衡度，進(jìn)而提高節(jié)電率的目的。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，并根據(jù)不同工況的變化易于調(diào)整平衡度，可達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

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The design of a new balance mechanism for beam pumping unit

TONG Jun-min1,2, WU Zhi-qian3

針對(duì)常見(jiàn)油梁式抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)裝置中出現(xiàn)的傳動(dòng)副多、故障點(diǎn)多、可靠性差等問(wèn)題，提出了一種行星齒輪機(jī)構(gòu)的游梁平衡裝置。按照電機(jī)在驢頭懸點(diǎn)上沖程和下沖程做功相等的平衡準(zhǔn)則要求，由實(shí)測(cè)示功圖計(jì)算出了拖動(dòng)電機(jī)上、下沖程做功的大小，根據(jù)建立的游梁式抽油機(jī)的力學(xué)模型，推導(dǎo)出了復(fù)合平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的游梁平衡裝置既可以節(jié)約鋼材，又可以提高平衡度，提高節(jié)電率，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，并根據(jù)不同工況的變化易于調(diào)整平衡度，可達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

游梁式抽油機(jī)；游梁平衡裝置；平衡準(zhǔn)則；示功圖

佟軍民（1969 -），男，河南許昌人，副教授，碩士研究生，研究方向?yàn)橛瘟菏匠橛蜋C(jī)平衡技術(shù)和精密定位工件臺(tái)技術(shù)。

TH132.4

A

1009-0134(2015)12(上)-0119-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.35

2015-09-10