韓成才,馬健強(qiáng),劉劍輝,魏曉娟

(1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安710065;2.吐哈油田公司機(jī)械廠(chǎng),新疆哈密838202)

新型棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)設(shè)計(jì)

韓成才1,馬健強(qiáng)1,劉劍輝1,魏曉娟2

(1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安710065;2.吐哈油田公司機(jī)械廠(chǎng),新疆哈密838202)

設(shè)計(jì)的新型棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)采用棘輪自動(dòng)換向變速箱,通過(guò)棘輪和換向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變速箱輸出軸的正反向旋轉(zhuǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的上、下沖程;采用塔架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程采油;平衡系統(tǒng)采用天平式平衡原理設(shè)計(jì),并進(jìn)行了力學(xué)分析?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,該抽油機(jī)能大幅度降低能耗,對(duì)油田節(jié)能增效將產(chǎn)生重大的影響。

抽油機(jī);棘輪換向;長(zhǎng)沖程;天平平衡;設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)油田開(kāi)發(fā)主要采用游梁式抽油機(jī),盡管游梁式抽油機(jī)可靠性高,但其運(yùn)行效率低,能耗大,使得原油開(kāi)發(fā)成本高,不能適應(yīng)節(jié)能降耗發(fā)展的需求,而且常規(guī)型抽油機(jī)難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程和大負(fù)荷,因此各種新型無(wú)游梁式抽油機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[1-4]。本文設(shè)計(jì)了一種具有長(zhǎng)沖程、大載荷、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的新型棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

新型棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)由電機(jī)、棘輪換向減速箱、滾筒、寬皮帶、剎車(chē)機(jī)構(gòu)、抽油機(jī)塔式機(jī)架、平衡系統(tǒng)等組成,總體結(jié)構(gòu)如圖1。

1.1 工作原理

棘輪換向變速箱調(diào)定沖程和沖次工作制度后啟動(dòng)電機(jī),電機(jī)帶動(dòng)變速箱旋轉(zhuǎn)。上沖程時(shí),電機(jī)帶動(dòng)變速箱正方向旋轉(zhuǎn),電機(jī)和平衡系統(tǒng)釋放能量帶動(dòng)傳動(dòng)滾筒正向旋轉(zhuǎn),傳動(dòng)滾筒帶動(dòng)皮帶和抽油桿向上運(yùn)動(dòng),抽油機(jī)完成上沖程;當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)到達(dá)設(shè)定的上死點(diǎn)位置時(shí),變速箱液壓系統(tǒng)換向,電機(jī)帶動(dòng)變速箱反方向旋轉(zhuǎn),平衡重上行,抽油桿帶動(dòng)皮帶下行完成下沖程;到達(dá)下死點(diǎn)位置時(shí),變速箱液壓系統(tǒng)換向,如此反復(fù)循環(huán)完成抽油機(jī)的上、下沖程。

圖1 新型棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)總體結(jié)構(gòu)

1.2 性能參數(shù)

懸點(diǎn)載荷 100 kN

光桿沖程 0～10 m

懸點(diǎn)沖次 0～15 min-1

減速器傳動(dòng)比 12

電機(jī)功率 15 kW

1.3 棘輪換向變速箱

1.3.1 結(jié)構(gòu)

棘輪換向變速箱是棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的核心部件,結(jié)構(gòu)如圖2。主要由輸入軸、導(dǎo)向軸、輸出軸、凸輪、棘輪、換向系統(tǒng)等組成。在輸入軸上設(shè)計(jì)了2組6個(gè)凸輪,自左向右分別編號(hào)為1～6,每個(gè)凸輪安裝相位差為120°,凸輪輪廓線(xiàn)分為上行程區(qū)、遠(yuǎn)休止區(qū)、下行程區(qū)、近休止區(qū)4個(gè)區(qū)域,凸輪的工作區(qū)域在上、下行程區(qū)。輸出軸上對(duì)應(yīng)安裝了6個(gè)棘輪,編號(hào)及分組與凸輪軸相同,每個(gè)棘輪有12個(gè)棘齒,1～3號(hào)棘輪與4～6號(hào)棘輪齒向相反,每個(gè)棘輪棘齒相位差為10°,1～3號(hào)棘輪驅(qū)動(dòng)輸出軸正轉(zhuǎn),4～6號(hào)棘輪驅(qū)動(dòng)輸出軸反轉(zhuǎn),2組棘輪之間的換向通過(guò)液壓換向系統(tǒng)控制。當(dāng)輸出軸正轉(zhuǎn)時(shí),1～3號(hào)棘爪與棘輪通過(guò)液壓缸作用嚙合,4～6號(hào)棘爪與棘輪在液壓缸作用下脫開(kāi);當(dāng)輸出軸反轉(zhuǎn)時(shí),2組棘爪與棘輪在換向裝置的作用下正好相反。凸輪與棘輪通過(guò)連桿、導(dǎo)向拉板、拉板、棘爪傳動(dòng)[5]。

1.3.2 工作原理

圖2 棘輪換向變速箱結(jié)構(gòu)原理

電機(jī)通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí),固定在輸入軸上的凸輪機(jī)構(gòu)使安裝在凸輪上的擺桿產(chǎn)生左右、上下擺動(dòng),擺桿帶動(dòng)套在限位軸上的導(dǎo)向拉板上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)向拉板與左右對(duì)稱(chēng)的鼓形拉板上端連接,左、右拉板下端分別與左、右液壓缸連接。左、右液壓缸在控制行程的液壓換向閥控制下實(shí)現(xiàn)一退一進(jìn)。在導(dǎo)向拉板的帶動(dòng)下,鼓形拉板及其棘爪上下運(yùn)動(dòng),棘爪與棘輪上的輪齒嚙合拉動(dòng)棘輪正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),使輸出軸順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)上、下沖程。

1.4 抽油桿斷桿平衡重安全保護(hù)裝置

抽油桿斷桿平衡重安全保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖3,由2部分組成:一部分是失載擴(kuò)張卡塊機(jī)構(gòu),固結(jié)于平衡箱上;另一部分是導(dǎo)軌式楔座機(jī)構(gòu),安裝于機(jī)架后側(cè)兩邊立腿上。正常工作時(shí),在鋼絲繩拉力作用下彈簧處于壓縮狀態(tài),失載擴(kuò)張卡塊機(jī)構(gòu)隨平衡箱在導(dǎo)軌式楔座機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng);當(dāng)出現(xiàn)抽油桿突然斷桿時(shí),連接平衡重與懸點(diǎn)的鋼絲繩突然失載,這時(shí)失載擴(kuò)張卡塊機(jī)構(gòu)的擴(kuò)張卡塊自動(dòng)張開(kāi),立即卡在導(dǎo)軌式楔座機(jī)構(gòu)的楔座上,從而使平衡重箱安全地卡坐在機(jī)架上,不會(huì)突然砸向地面,保護(hù)設(shè)備和人員的安全[6]。

圖3 平衡重保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

1.5 液壓式碰泵裝置

油田常用的碰泵方法是用修井機(jī)或通井機(jī)提起抽油桿柱,然后釋放桿柱進(jìn)行碰泵作業(yè),作業(yè)時(shí)需要人工手扶光桿來(lái)上、卸方卡瓦,由于與司鉆配合不默契,或方卡瓦滑脫,經(jīng)常發(fā)生傷人事故,安全性極差。設(shè)計(jì)的專(zhuān)用液壓式碰泵裝置包括2部分:一部分為輕便型輔助油源,獨(dú)立于抽油機(jī);另一部分為空心碰泵油缸,通過(guò)Ⅱ字形油缸托架固結(jié)于懸繩器上。安裝時(shí),將光桿穿過(guò)油缸空心柱塞,光桿頭用方卡瓦預(yù)先卡坐在空心柱塞頭上。進(jìn)行抽吸作業(yè)時(shí),碰泵裝置不工作。需要碰泵時(shí),抽油機(jī)停止工作,懸繩器置于確定的高度,通過(guò)液壓快卸接頭連接輔助油源和碰泵油缸,油源給油缸提供壓力油,使油缸空心柱塞向上伸出,帶動(dòng)光桿及抽油桿柱向上運(yùn)動(dòng),達(dá)到碰泵高度后,操作油源換向閥換向,改變油缸供油方向,從而使抽油桿柱在自重力和油柱重力作用下快速下落,實(shí)現(xiàn)碰泵作業(yè)。

1.6 塔式機(jī)架

由于不需要外部運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),所以機(jī)架設(shè)計(jì)成塔架式結(jié)構(gòu),塔架高度可根據(jù)油井工況(柱塞泵沖程要求)加節(jié)或減節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)節(jié)省抽油機(jī)占地面積,特別適合于長(zhǎng)沖程或超長(zhǎng)沖程油井抽油[7]。

1.7 修井讓位機(jī)構(gòu)

修井讓位機(jī)構(gòu)由皮帶天車(chē)輪和導(dǎo)軌組成的可移動(dòng)部件、機(jī)架導(dǎo)軌槽組成。當(dāng)需要修井作業(yè)時(shí),不必將抽油機(jī)整機(jī)后移,讓位機(jī)構(gòu)可通過(guò)導(dǎo)軌向后移動(dòng),使皮帶天車(chē)輪與井口偏離800 mm,以滿(mǎn)足修井作業(yè)的要求。

2 懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)通常為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律。抽油機(jī)在舉升油柱的過(guò)程中,變速運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的慣性損失,為了克服慣性損失,需要配置較大的功率。若使懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)按照?qǐng)D4(以抽油機(jī)下死點(diǎn)位置為起點(diǎn))的速度規(guī)律運(yùn)動(dòng),就會(huì)大大減小慣性損失,減小抽油機(jī)功率配置,實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能,并能降低抽油桿工作循環(huán)中的交變載荷幅度,延長(zhǎng)抽油桿的使用壽命。

圖4 棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)懸點(diǎn)速度規(guī)律

變速箱內(nèi)特殊設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)可使往復(fù)換向瞬間以外的其他時(shí)間均能達(dá)到勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而使變速箱輸出軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),并通過(guò)鏈條跨過(guò)機(jī)架上的天車(chē)輪直接傳到懸點(diǎn),驅(qū)動(dòng)光桿勻速往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),所以該機(jī)在工作過(guò)程中的慣性載荷只發(fā)生在換向瞬時(shí),其他時(shí)間懸點(diǎn)無(wú)慣性載荷[8-9]。

根據(jù)棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求,可以推導(dǎo)出變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)速規(guī)律,進(jìn)而得到每個(gè)棘輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并推導(dǎo)出連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,再對(duì)連桿運(yùn)動(dòng)速度積分得出凸輪的輪廓曲線(xiàn)。因此,通過(guò)對(duì)凸輪輪廓線(xiàn)的改變可以改善懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3 平衡理論

常規(guī)游梁式抽油機(jī)的平衡理論依據(jù)的原理是使電機(jī)上、下沖程做功相同,或使抽油機(jī)減速箱曲柄軸上、下沖程輸出最大扭矩相同。本文設(shè)計(jì)的抽油機(jī)平衡系統(tǒng)采用了一種蹺蹺板式的全新的力平衡方式對(duì)抽油機(jī)工作進(jìn)行平衡,平衡原理如圖5,即抽油機(jī)根據(jù)井況(主要是懸點(diǎn)載荷)不同,配置不同質(zhì)量的平衡重,該質(zhì)量基本接近懸點(diǎn)載荷。在抽油機(jī)工作過(guò)程中,電機(jī)做功只需打破這種平衡關(guān)系,就能實(shí)現(xiàn)上、下沖程運(yùn)動(dòng),完成油井舉升作業(yè),所以抽油機(jī)配置的電機(jī)功率會(huì)大大減小。

圖5 棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)平衡原理

棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的平衡調(diào)整是靠改變配重塊的數(shù)量來(lái)改變平衡力的大小。抽油機(jī)平衡狀況的好壞直接影響電機(jī)提升力的大小和使用壽命以及整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的平衡理論表示為

式中,FG為抽油桿在井液中的重力,N;FY為油管內(nèi)和柱塞上的液柱重力,N;G為平衡重重力,N。

上沖程為

下沖程為

式中,T為減速器輸出扭矩,N·m;R為滾筒半徑, m;Δ為柱塞與泵筒和抽油桿接箍與油管之間的摩擦阻力、抽油桿柱和液柱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性載荷及振動(dòng)載荷之和,N。

常規(guī)游梁式抽油機(jī)由于平衡重是在圓周方向運(yùn)動(dòng),因此不可能完全平衡,即懸點(diǎn)載荷扭矩曲線(xiàn)和平衡重扭矩曲線(xiàn)不能完全抵消,導(dǎo)致減速器輸出軸凈扭矩曲線(xiàn)上下峰值波動(dòng)大,且存在較大的負(fù)扭矩,從而使電機(jī)輸出扭矩也大。因此可以看出,棘輪換向節(jié)能抽油機(jī)在平衡效果上優(yōu)于常規(guī)游梁式抽油機(jī)。

4 使用效果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,該抽油機(jī)電機(jī)功率比同型號(hào)常規(guī)抽油機(jī)減小1/2左右,如10型常規(guī)抽油機(jī)配置電機(jī)通常為30 kW左右,而10型棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)配置電機(jī)為15 kW;整體運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠,換向平穩(wěn),噪聲小,節(jié)能效果達(dá)到25%以上。

5 結(jié)論

1) 新型棘輪換向長(zhǎng)沖程抽油機(jī)利用棘輪減速器取代游梁抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)和減速器,縮短了抽油機(jī)的傳動(dòng)鏈,提高了傳動(dòng)效率,實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)上、下沖程在額定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

2) 機(jī)架采用塔架結(jié)構(gòu),具有沖程較長(zhǎng)、承受載荷大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。

3) 采用天平平衡原理,即平衡重與光桿載荷基本相等的力平衡原理,大大降低了轉(zhuǎn)矩的峰值和變化幅度,轉(zhuǎn)矩接近穩(wěn)定狀態(tài),使電機(jī)配置功率比同型號(hào)常規(guī)抽油機(jī)減小1/2左右。

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Design of New Rotation-changing by Ratchat Long Stroke Pumping Unit

HAN Cheng-cai1,MA Jian-qiang1,LIU Jian-hui1,WEI Xiao-juan2
(1.Department of Mechanical Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an710065,China; 2.Machinery Factory,Tuha Oilf ield Company,Hami838202,China)

In order to achieve better purpose of long stroke pumping unit with oil extraction,under meeting the premise of oil production technology requirements,a new changing-rotation by ratchat long stroke pumping unit’s structure’s principle design was developed.The automatic ratchat reducer through ratchet and change direction system were used to achieve gearbox output shaft’s rotation of the forward and backward,so as to achieve the pumping unit’s upper and lower stroke.The pumping unit tower structure was used to achieve long-stroke oil.The balance principle is used for balance system.Its mechanical analysis,balanced design was made as well. The on site operation showed that significant energy consumption was achieved,it brings a significant effect on energy-saving for oil fields.

pumping unit;ratchat change direction;long stroke;balance principle;design

1001-3482(2010)04-0061-04

TE933.102

A

2009-11-10

西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目(CXY09013(5))

韓成才(1962-),男,陜西蒲城人,副教授,碩士,1983年畢業(yè)于華東石油學(xué)院石油礦場(chǎng)機(jī)械專(zhuān)業(yè),1991年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)航海工程專(zhuān)業(yè)研究生部,主要從事于水利機(jī)械和石油機(jī)械的研究和教學(xué)工作,E-mail:hcc_ 630426@163.com。