王文芳

(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710065)

0 引言

傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)平衡方式有曲柄平衡、游梁平衡、復(fù)合平衡［1］。這三種方式調(diào)整繁瑣，工人勞動強(qiáng)度大，且不能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)［1］。因此出現(xiàn)一些改進(jìn)型，典型的有:隨動平衡、增加超越離合器、飛輪動能平衡、電機(jī)加滾珠絲杠自動調(diào)節(jié)平衡等［2－3］。隨動平衡方式鋼絲繩在驢頭滑動，實(shí)際沖程小于游梁擺角對應(yīng)沖程，且影響鋼絲繩壽命;增加超越離合器存在不安全因素;飛輪動能平衡在實(shí)際油井懸點(diǎn)載荷復(fù)雜時(shí)平衡效果有所降低［4］;電機(jī)加滾珠絲杠自動調(diào)節(jié)平衡方式中調(diào)節(jié)裝置本身耗費(fèi)電能大，因此不能實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)真正意義上的節(jié)能。

針對上述問題，在抽油機(jī)游梁后部設(shè)計(jì)一個(gè)可以自動實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)平衡塊的機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)驅(qū)動。根據(jù)抽油機(jī)電機(jī)功率、扭矩等的變化情況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)平衡塊位置。因此可以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的真正節(jié)能。

1 平衡裝置的工作原理

抽油機(jī)平衡方式選擇為游梁平衡與曲柄平衡復(fù)合型［5］，曲柄平衡塊位置固定，游梁平衡塊位置實(shí)時(shí)變化，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡效果。抽油機(jī)智能平衡調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由底座、左軸承座、右軸承座、滾珠絲杠、平衡塊、導(dǎo)桿、聯(lián)軸器、步進(jìn)電機(jī)組成。整個(gè)裝置安裝在游梁式抽油機(jī)的游梁后臂上，系統(tǒng)工作時(shí)，由控制器發(fā)出指令，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，滾珠絲杠轉(zhuǎn)動時(shí)，帶動其上的螺母座直線移動，螺母座帶動平衡塊直線移動，為了防止平衡塊轉(zhuǎn)動，增加了兩個(gè)導(dǎo)桿。當(dāng)平衡塊直線移動時(shí)，其效果相當(dāng)于改變了游梁式抽油機(jī)平衡效果，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡的目的。滾珠絲杠通過兩端的軸承座固定，軸承座通過底座螺栓固定在抽油機(jī)游梁上。

圖1 游梁式抽油機(jī)平衡裝置結(jié)構(gòu)圖

2 絲杠螺母副的選型

(1)計(jì)算給進(jìn)牽引力Fm根據(jù)抽油機(jī)型號，將游梁平衡塊重量取為G=1 000 N，其牽引力為:

式中:α為滾珠絲摩擦系數(shù)，α=0.28。

(2)滾珠絲杠螺母的選擇 采用W1L4006外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺紋滾珠絲杠副，1列2.5圈，精度等級選為3級。

(3)滾珠絲杠螺母副的傳動效率的計(jì)算

式中:r'為絲杠螺母升角;φ為摩擦角，約為10°。

(4)剛度驗(yàn)算 最大牽引力為280 N，支承間距L=565 mm，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行張緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的2/3。

①絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1

式中:δL為滾珠絲杠的允許變形量，mm;L0為滾珠絲杠長度，mm;所以:δL/L0=5×10－6。

由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠有進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可提高4倍。實(shí)際變形量為:

②滾珠與螺紋滾道間接觸變形δ2

W系列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量可取為δ2=0.006 4。實(shí)際變形量為:

③支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3

利用6207深溝球軸承d1=35 mm，滾動體直徑dQ=9.25 mm，滾動體數(shù)量z=13，因此其軸向接觸變形 δ3為:

因施加預(yù)緊力，故實(shí)際變形可為:

根據(jù)以上計(jì)算可得滾珠絲杠總變形量:

由于該總變形量小于定位精度，因此可滿足要求。

3 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型

步進(jìn)電機(jī)的選型主要考慮其轉(zhuǎn)動慣量、力矩、矩頻特性應(yīng)滿足要求。其等效轉(zhuǎn)動慣量為傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量。電機(jī)力矩計(jì)算主要包括快速空載動力矩M起和快速移動時(shí)所需力矩M快，電機(jī)提供的力矩必須大于二者中最大的一個(gè)。步進(jìn)電機(jī)頻率特性可從手冊中查得，主要包括最高空載起動頻率和運(yùn)行頻率，電機(jī)的矩頻特性也應(yīng)滿足此要求［6］。

(1)縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算

傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量J總(kg·cm2)可由下列計(jì)算:

式中:JM為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，kg·cm2;JS為絲杠轉(zhuǎn)動慣量，kg·cm2。

式中:ρ為絲杠鋼材的密度，取 ρ=0.78×10－3kg/cm3。

(2)縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)初步選型

參考同類型機(jī)床，初步選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF003，其轉(zhuǎn)子慣量 JM=10.5 kg·cm2，代入式(9)可得:

考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題:

所以初步選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF003，基本滿足慣量匹配的要求。

(3)電機(jī)力矩計(jì)算

①快速空載動力矩M起

在快速空載起動階段，加速力矩占比例較大，具體計(jì)算公式如下:

式中:Mamax為加速力矩，N·cm;M0為附加摩擦力矩，N·cm;Mf為折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩，N·cm。

經(jīng)計(jì)算可得快速空載動力矩M起為:

②快速移動時(shí)所需力矩M快

從上面計(jì)算可看出，M快，M起兩種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。

從表4－13［7］查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)，λ=Mq/Mjmax=0.951

最大靜力矩為:

按此最大靜轉(zhuǎn)矩從表 4－12［7］查出，150BF003 型最大靜轉(zhuǎn)矩為15.68 N·cm，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進(jìn)行考核步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。

③計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率

當(dāng)快速運(yùn)動時(shí)，由圖4－12［7］中 150BF003 步行電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線知:150BF003型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性完全可以滿足要求。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了風(fēng)光儲聯(lián)合的抽油機(jī)智能平衡調(diào)節(jié)裝置的機(jī)械部分，在游梁式抽油機(jī)不同生產(chǎn)工況條件下，通過調(diào)節(jié)裝置實(shí)時(shí)調(diào)整平衡塊位置，達(dá)到最佳平衡效果。通過對該裝置中的主要零部件進(jìn)行的計(jì)算表明，它可以滿足使用要求。該裝置的設(shè)計(jì)最終可提高油田現(xiàn)場游梁式抽油機(jī)平衡效果，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和綠色生產(chǎn)。

［1］ 劉牧洲，張 勇，邱 露，等.隨動平衡游梁式抽油機(jī)設(shè)想［J］.新疆石油科技，2007，17(4):42－43+55.

［2］ 任彥朝.游梁式抽油機(jī)新型動能平衡裝置及系統(tǒng)動態(tài)仿真［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2011.

［3］ 劉明皓.常規(guī)游梁式抽油機(jī)自動平衡調(diào)節(jié)裝置［J］.石油機(jī)械，2012，40(7):100－102+105.

［4］ 王 平，崔臣君，劉麗娟，等.抽油機(jī)平衡度實(shí)時(shí)測量技術(shù)［J］.油氣田地面工程，2010，29(10):6－7

［5］ 張建軍，李向奇，石慧寧.游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2005.

［6］ 朱 林.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.第二版.西安:石油工業(yè)出版社，2008.

［7］ 趙洪兵.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書［M］.西安:西安石油大學(xué)，2006.