易文君,周思柱，李寧,曾豪勇,秦倫（長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

0 引言

抽油機(jī)是將石油從地下開采到地上的采油設(shè)備，它的產(chǎn)生和使用已有百年歷史。其中應(yīng)用最早、最普及的是游梁式抽油機(jī)，在游梁式抽油機(jī)中，應(yīng)用最廣泛的是常規(guī)型游梁式抽油機(jī)，其平衡方式屬于機(jī)械平衡中的曲柄平衡。

常規(guī)型游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用范圍廣、工作可靠、維修及保養(yǎng)成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但由于其本身的結(jié)構(gòu)特征，決定了曲柄凈轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，存在負(fù)轉(zhuǎn)矩、載荷率低、工作效率低和能耗大等缺點(diǎn)［1］。目前抽油機(jī)的節(jié)能措施主要集中在以下3 個(gè)方面：一是將常規(guī)型游梁式抽油機(jī)分批進(jìn)行節(jié)能改造，改造成前置式抽油機(jī)、下偏杠鈴抽油機(jī)等；二是給常規(guī)型游梁式抽油機(jī)加裝節(jié)能輔助平衡裝置，實(shí)施節(jié)能改造；三是在抽油機(jī)電控柜加裝電容器，對(duì)電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償［2］。本文的幾種節(jié)能方案都屬于第二種節(jié)能方法。這種方法相比第一種方法的優(yōu)勢(shì)在于，基本無(wú)需改變抽油機(jī)的自身結(jié)構(gòu)，改造費(fèi)用低，節(jié)能效果好。

1 游梁抽油機(jī)節(jié)能原理

常規(guī)型游梁式抽油機(jī)如圖1 所示。

游梁式抽油機(jī)工作效率不高的主要原因是其載荷特性與所用普通三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性不匹配，普通異步電動(dòng)機(jī)適宜拖動(dòng)均勻載荷，而載荷轉(zhuǎn)矩是一個(gè)隨曲柄轉(zhuǎn)角周期性劇烈變化的曲線，且隨井況和抽汲參數(shù)的不同而變化，是一組形態(tài)各異、數(shù)值不同的曲線族，這就要求平衡裝置作用在曲柄軸上的平衡轉(zhuǎn)矩曲線是一組與載荷轉(zhuǎn)矩曲線鏡像相似并且形態(tài)、數(shù)值可調(diào)整的曲線族，從而使得曲柄軸凈扭矩曲線趨于直線形態(tài)［3］，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省電能的目的。因此，改變或調(diào)整載荷轉(zhuǎn)矩曲線和平衡轉(zhuǎn)矩曲線的形狀及相位差，減小凈轉(zhuǎn)矩曲線的波動(dòng)變化幅度和上下峰值，消除負(fù)轉(zhuǎn)矩，可達(dá)到節(jié)能的目的。圍繞這一目標(biāo)，主要途徑是通過(guò)改變抽油機(jī)的平衡方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

圖1 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)

機(jī)械平衡是抽油機(jī)的平衡方式之一，根據(jù)平衡重裝設(shè)的位置，機(jī)械平衡又分為3 種：游梁平衡、曲柄平衡和復(fù)合平衡。改變平衡重量或平衡重的位置可以調(diào)節(jié)平衡的效果。只要平衡重配置合理，既可以消除下沖程時(shí)電機(jī)作負(fù)功的現(xiàn)象，又可以減少上沖程時(shí)電機(jī)的能量消耗，使上、下沖程中電機(jī)做功接近相等［4］。

本文敘述的游梁輔助平衡也是一種重要的且實(shí)施性強(qiáng)的機(jī)械調(diào)平衡方法。

2 游梁輔助平衡方案

2.1 游梁輔助平衡方案一

安裝在游梁式抽油機(jī)游梁內(nèi)部的輔助平衡裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器后，轉(zhuǎn)化為絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲杠外螺紋與游碼上環(huán)形銅套的內(nèi)螺紋配合，從而將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為游碼的直線運(yùn)動(dòng)。游碼就相當(dāng)于平衡重，它的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)了平衡力矩的變化，以滿足不同工況下抽油機(jī)調(diào)平衡的要求。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，可以使游碼往兩個(gè)方向移動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

方案一的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：1）采用伺服電機(jī)，可控制轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，減少了減速裝置的設(shè)置，且調(diào)平衡快速精確；2）采用滑動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，可實(shí)現(xiàn)正反向自鎖。

缺點(diǎn)：1）對(duì)原抽油機(jī)的改動(dòng)和破壞較大；2）把平衡部件置于游梁內(nèi)部，雖然避免了平衡部件生銹和腐蝕，而且節(jié)省了空間，但當(dāng)伺服電機(jī)、絲杠、游碼等零部件需要更換或維修時(shí)，既便于裝卸，又不利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平衡裝置內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)狀況；3）平衡轉(zhuǎn)矩小，平衡重不能調(diào)節(jié)重量，調(diào)平衡范圍較窄。

圖2 游梁輔助平衡方案一示意圖

2.2 游梁輔助平衡方案二

在游梁尾部加裝可移動(dòng)的平衡塊，平衡裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

基礎(chǔ)平衡重位于平衡裝置尾部且重量可調(diào)。游碼上和外殼上開有燕尾槽，使得游碼隨絲杠做直線運(yùn)動(dòng)而不轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)平衡時(shí)，伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，游碼沿著燕尾導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)平衡力臂與平衡力矩的變化，當(dāng)游碼運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

方案二的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：1）與方案一的優(yōu)點(diǎn)相同；2）平衡重加裝在游梁尾部，且基礎(chǔ)平衡塊重量可調(diào)，比方案一的調(diào)平衡范圍更大；3）對(duì)原常規(guī)型游梁式抽油機(jī)不造成破壞。

缺點(diǎn)：1）整個(gè)平衡裝置暴露在空氣中，對(duì)油田惡劣環(huán)境適應(yīng)性較差，絲杠容易砂卡腐蝕，造成停機(jī)或其它故障；2）燕尾導(dǎo)軌滑動(dòng)摩擦阻力大，不適宜經(jīng)常調(diào)平衡。

圖3 游梁輔助平衡方案二示意圖

3 新型游梁抽油機(jī)動(dòng)平衡智能調(diào)節(jié)裝置

通過(guò)對(duì)以上方案的對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上提出一種新的游梁抽油機(jī)動(dòng)平衡智能調(diào)節(jié)方案（可稱方案三）。該裝置不僅克服了方案一和方案二的缺陷，且采用數(shù)字化控制柜控制伺服電機(jī)動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擺桿擺角0°～90°變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)平衡。

如圖4 所示，該游梁輔助平衡裝置分為控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)于地面組裝完成后固定在游梁尾部。在抽油機(jī)驢頭上安裝有傳感器，傳感器和電參數(shù)采集模塊共同構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)信號(hào)線與數(shù)字化控制柜連接。當(dāng)抽油機(jī)調(diào)平衡時(shí)，數(shù)字化控制柜接收數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件計(jì)算出此時(shí)抽油機(jī)的平衡度，并實(shí)時(shí)顯示平衡度，再設(shè)定一個(gè)最佳平衡度，控制器通過(guò)計(jì)算，輸入運(yùn)動(dòng)指令代碼，輸出控制信號(hào)給伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)動(dòng)作。伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)游碼直線運(yùn)動(dòng)，游碼兩側(cè)的承力軸承將絲杠垂直方向上的分力轉(zhuǎn)移到承力導(dǎo)軌上，波紋管則隨游碼的直線運(yùn)動(dòng)彈性伸縮，保護(hù)絲杠。游碼的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)、擺桿擺動(dòng)，使得平衡力臂和平衡力矩也隨之改變，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)平衡位置時(shí)，電機(jī)停止動(dòng)作。由于在抽汲過(guò)程中，油藏狀況不斷改變，所以需要設(shè)定適當(dāng)?shù)恼{(diào)整周期經(jīng)常調(diào)整平衡。控制過(guò)程見(jiàn)圖5。

與方案一和方案二相比，方案三具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：1）采用控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)動(dòng)作，無(wú)需手動(dòng)調(diào)平衡，可根據(jù)監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡，智能化程度高。

圖4 輔助調(diào)節(jié)裝置

圖5 游梁抽油機(jī)動(dòng)平衡智能調(diào)節(jié)裝置自動(dòng)調(diào)平衡工作原理圖

2）整個(gè)平衡裝置通過(guò)方形法蘭安裝在游梁尾部，不改變?cè)橛蜋C(jī)的結(jié)構(gòu)。

3）通過(guò)改變擺桿擺角從0°～90°的變化及改變平衡重的重量來(lái)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡，與前兩個(gè)方案相比，大大拓寬了調(diào)平衡范圍，平衡效果更好。

4）采用承力軸承與承力導(dǎo)軌滾動(dòng)配合，與普通的燕尾導(dǎo)軌相比摩擦力大大減小。

5）絲杠采用塑料波紋管和保護(hù)罩雙重密封保護(hù)，有利于防砂防塵，增強(qiáng)了該裝置對(duì)油田惡劣環(huán)境的適應(yīng)性，提高了整個(gè)平衡裝置的使用壽命。

4 結(jié)論

1）游梁輔助平衡可有效地解決常規(guī)游梁式抽油機(jī)能耗大、調(diào)平衡難度大、時(shí)間長(zhǎng)及工作效率低等技術(shù)難題，平衡裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮調(diào)平衡范圍、環(huán)境適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)緊湊性、安裝便捷性和可靠性等因素。

2）該新型游梁抽油機(jī)動(dòng)平衡智能調(diào)節(jié)裝置作為一項(xiàng)新方案，其制造加工的技術(shù)規(guī)范、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件、平衡效果的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、安裝與維護(hù)管理制度等還需完善，以進(jìn)一步提高該裝置應(yīng)用的規(guī)范性、適用性和可靠性。

［1］蘇德勝，劉先剛，呂衛(wèi)祥，等.游梁式抽油機(jī)節(jié)能機(jī)理綜述［J］.石油機(jī)械，2001，29（5）：49-53.

［2］劉長(zhǎng)勝.抽油機(jī)節(jié)能現(xiàn)狀與降耗措施［J］.寧波節(jié)能，2012（5）：44-46.

［3］倪國(guó)軍，高長(zhǎng)樂(lè)，王志堅(jiān).常規(guī)游梁式抽油機(jī)節(jié)能改造［J］.新疆石油天然氣，2005，1（1）：83-86.

［4］李繼志，陳榮振.石油鉆采機(jī)械概論［M］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006.