李大偉，孫占剛

(承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系，河北承德 067000)

所謂長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，國(guó)內(nèi)一般是指沖程長(zhǎng)度大于4.2 m的抽油機(jī)，而在國(guó)外一般指沖程超過(guò)6 m的抽油機(jī)［1］。與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比較，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)具有抽油泵柱塞沖程損失小、采油效率高、機(jī)桿泵壽命長(zhǎng)、整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。長(zhǎng)沖程抽油機(jī)種類繁多，根據(jù)有無(wú)游梁結(jié)構(gòu)，可將其分為游梁式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)和無(wú)游梁長(zhǎng)沖程抽油機(jī)兩大類。

1 游梁式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)

游梁式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)是在傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)基礎(chǔ)上，通過(guò)增程機(jī)構(gòu)使沖程增大。

1.1 雙游梁式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)

雙游梁式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)就是在常規(guī)游梁抽油機(jī)的平面四桿機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一個(gè)全轉(zhuǎn)動(dòng)副的II級(jí)桿組，使之成為全轉(zhuǎn)動(dòng)副的六桿機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，可以適當(dāng)放大游梁擺角、改善整機(jī)的動(dòng)力性;由于有兩個(gè)工作游梁，故稱其為“雙游梁式抽油機(jī)”［2］。

雙游梁式抽油機(jī)采用了雙游梁和六連桿，使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，增加了生產(chǎn)、安裝和維護(hù)的難度。

1.2 豎游梁塔式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)

如圖2所示，豎游梁塔架式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)利用與減速器輸出軸固聯(lián)的曲柄和連桿推動(dòng)游梁作往復(fù)擺動(dòng)，游梁的最大擺角在60°左右，再通過(guò)繞過(guò)天輪的傳動(dòng)鋼絲繩帶動(dòng)光桿作上下往復(fù)移動(dòng)，從而帶動(dòng)抽油泵工作［3］。

此類抽油機(jī)將游梁進(jìn)行豎置，能夠有效減少抽油機(jī)的占地面積，同時(shí)其沖程也可達(dá)8 m以上，但是由于其采用了鋼絲傳動(dòng)，因此抽油機(jī)的壽命將會(huì)受到鋼絲質(zhì)量和纏繞方式的影響，整體穩(wěn)定性還有待提高。

1.3 游梁行星輪組合式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)

游梁行星輪組合式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)工作原理如圖3所示，該設(shè)計(jì)對(duì)常規(guī)游梁式抽油機(jī)作了幾處改進(jìn):首先在旋轉(zhuǎn)驢頭安裝一個(gè)與之同軸的行星齒輪，在支承游梁的機(jī)架上安裝一個(gè)與驢頭行星輪相嚙合，以游梁支點(diǎn)為圓心的齒輪軌［4］。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)并通過(guò)連桿帶動(dòng)游梁上下擺動(dòng)時(shí)，游梁前端驢頭還通過(guò)其行星齒輪與機(jī)架齒軌的嚙合產(chǎn)生大角度的自轉(zhuǎn)，從而大大增加驢頭上纏繞的鋼絲繩上下移動(dòng)所產(chǎn)生的沖程［5］。

由于該類抽油機(jī)在游梁前端引入了行星齒輪增程機(jī)構(gòu)，因此其具有懸點(diǎn)加速度小，運(yùn)動(dòng)載荷小，便于實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)沖程、低沖次”等優(yōu)點(diǎn)［5］。

1.4 游梁式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的特點(diǎn)

綜合以上所述，游梁式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)繼承了常規(guī)游梁式抽油機(jī)的部分優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，可以長(zhǎng)時(shí)間在野外工作;全新設(shè)計(jì)的增程機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程、低沖次;制造和使用經(jīng)驗(yàn)成熟。

但是由于沖程增大，沖次降低，抽油機(jī)的連桿力也會(huì)成倍增大而使曲柄銷斷脫事故增多，工作穩(wěn)定性會(huì)有所降低，游梁式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)另一缺點(diǎn)是抽油機(jī)自重與沖程長(zhǎng)度幾乎成正比，隨著沖程的增加其自重也會(huì)增大，制造、運(yùn)輸與安裝的成本都相應(yīng)增加;而且，沖程也只能有限度的增大［6］。

2 無(wú)游梁式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)

無(wú)游梁式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)種類較多，按照其增程機(jī)構(gòu)的形式可以劃分為:齒輪式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)、鏈?zhǔn)介L(zhǎng)沖程抽油機(jī)、寬帶式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)等。

2.1 齒輪式抽油機(jī)

如圖4所示，齒輪式抽油機(jī)利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)代替游梁式抽油機(jī)的四連桿換向機(jī)構(gòu)，用齒輪傳動(dòng)增程取代了游梁式抽油機(jī)靠提升游梁擺角實(shí)現(xiàn)增程的方法;其基本的工作原理如下:當(dāng)抽油機(jī)所配電動(dòng)機(jī)單向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)膠帶傳動(dòng)及減速箱減速后，帶動(dòng)減速箱曲柄軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)換向及齒輪傳動(dòng)增程后實(shí)現(xiàn)天車輪的大擺角擺動(dòng)，從而可實(shí)現(xiàn)懸點(diǎn)的長(zhǎng)沖程運(yùn)動(dòng)［7-9］。

該機(jī)型的換向系統(tǒng)和懸繩系統(tǒng)的可靠性將直接影響著整機(jī)工作的穩(wěn)定性。

2.2 鏈?zhǔn)介L(zhǎng)沖程抽油機(jī)

如圖5所示，鏈?zhǔn)介L(zhǎng)沖程抽油機(jī)利用窄V形膠帶將電動(dòng)機(jī)與減速器連接，經(jīng)減速器減速后，驅(qū)動(dòng)左右主動(dòng)鏈輪運(yùn)轉(zhuǎn)，鏈條在平行布置的主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪間運(yùn)轉(zhuǎn)，鏈條通過(guò)銷軸與換向器連接，隨著鏈條做循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng);裝有滑動(dòng)軸承的特殊鏈節(jié)一端用鏈條通過(guò)天車輪與抽油桿連接，另一端用鏈條繞過(guò)兩個(gè)導(dǎo)輪與配重平衡箱連接，實(shí)現(xiàn)抽油桿的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)［10-11］。

鏈?zhǔn)介L(zhǎng)沖程抽油機(jī)具有節(jié)能節(jié)材、勻速運(yùn)動(dòng)特性好、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著容易發(fā)生斷鏈、跳鏈、平衡系統(tǒng)復(fù)雜以及鋼絲繩壽命短等問(wèn)題。

2.3 寬帶式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)

如圖6所示，寬帶式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)利用滾筒正反轉(zhuǎn)纏繞膠帶，膠帶帶動(dòng)平衡框，通過(guò)鋼繩組使懸繩器上的光桿作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng);沖程的切換和長(zhǎng)度調(diào)節(jié)由行星減速器帶動(dòng)的凸輪機(jī)構(gòu)控制，可在不停車的情況下對(duì)沖程進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)［12-13］。

普通寬帶式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn):1)可不停機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié);2)采用滾筒傳動(dòng)，能夠減少50% ～70%的扭矩;3)沖程損失小;4)結(jié)構(gòu)緊湊，自重輕［14］。

但是普通寬帶式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)也存在著如下缺點(diǎn):1)皮帶易磨損，需經(jīng)常更換與維護(hù);2)寬帶傳動(dòng)風(fēng)阻大;3)電機(jī)啟動(dòng)頻繁，能耗較大;4)抽油機(jī)沖次達(dá)到一定值(≥3次/min)時(shí)，框架會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)［15］。

3 新型長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的新發(fā)展

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)不斷采用包括變頻控制技術(shù)、智能控制技術(shù)和新型電機(jī)技術(shù)等新技術(shù)，以改善現(xiàn)有長(zhǎng)沖程抽油機(jī)存在的換向和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、沖程調(diào)節(jié)困難、適應(yīng)性差和工作效率低等缺陷［16］。

采用智能模擬數(shù)字混合控制的調(diào)速換向電機(jī)或變頻調(diào)速電機(jī)的智能長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，采用無(wú)功換向技術(shù)，解決現(xiàn)有抽油機(jī)的換向沖擊問(wèn)題;利用智能變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)工作參數(shù)的智能控制，實(shí)現(xiàn)沖程、沖次的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。通過(guò)采用這些新技術(shù)能夠提高長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的工作效率、適應(yīng)性和智能化［17-18］。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和直線電機(jī)的應(yīng)用，取代了游梁式抽油機(jī)的減速裝置、傳動(dòng)裝置和運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換裝置等，使抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、參數(shù)調(diào)整方便、綜合效率高和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)［19-20］。

4 發(fā)展方向

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的研制已取得較快發(fā)展，先后推出了種類繁多的長(zhǎng)沖程抽油機(jī)。盡管部分新式游梁式抽油機(jī)比常規(guī)游梁式抽油機(jī)具有更多的優(yōu)點(diǎn)，但由于其保留了游梁式抽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，仍存在游梁抽油機(jī)的某些缺點(diǎn)，抽油機(jī)的各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不可能大幅改善和提高，只有無(wú)游梁式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)才能徹底改善游梁式抽油機(jī)的缺點(diǎn)，極大地提高抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性和平衡特性。

隨著新型電機(jī)、變頻控制等技術(shù)的不斷成熟，未來(lái)長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的發(fā)展將圍繞著無(wú)游梁、低功耗、低沖次、系列化、智能化和高適應(yīng)性等進(jìn)行深入的研究。

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