杜宏偉綦耀光何涌杰劉文寶路海龍

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266580；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266109；3.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司裝備所，蘭州 730300）

電機(jī)換向抽油機(jī)滾筒的設(shè)計(jì)與分析

杜宏偉1,2綦耀光1何涌杰1劉文寶3路海龍3

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266580；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266109；3.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司裝備所，蘭州 730300）

隨著油田開發(fā)的不斷深入，長(zhǎng)沖程、低沖次電機(jī)換向抽油機(jī)的需求日趨增加，廠家研制、生產(chǎn)電機(jī)換向抽油機(jī)的熱情空前高漲。作為電機(jī)換向抽油機(jī)的核心部件——滾筒，其布局和結(jié)構(gòu)的合理性對(duì)于提升整機(jī)性能及其可靠性具有重要意義。本文從選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面出發(fā)，對(duì)電機(jī)換向抽油機(jī)滾筒的常見(jiàn)布置方式與結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，分析減速系統(tǒng)與滾筒的一體式和分體式兩種布局方式的合理性，給出摩擦式驅(qū)動(dòng)和死繩驅(qū)動(dòng)兩種滾筒結(jié)構(gòu)的受力分析。結(jié)果表明：減速系統(tǒng)與滾筒采用分體式時(shí)裝配方便、電機(jī)減速器散熱可靠；死繩式滾筒驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)更適用于電機(jī)換向抽油機(jī)；滾筒與滾筒軸的連接采用兩端固定可大大降低滾筒的變形，避免軸上零件的損壞；指出了柔性驅(qū)動(dòng)件與滾筒連接、滾筒驅(qū)動(dòng)槽設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問(wèn)題。本文研究的成果對(duì)于提升電機(jī)換向抽油機(jī)的整體設(shè)計(jì)水平有很大幫助。

電機(jī)換向 抽油機(jī) 滾筒

引言

隨著油田精細(xì)開發(fā)的不斷深入，對(duì)可以實(shí)現(xiàn)沖程、沖次連續(xù)調(diào)節(jié)的長(zhǎng)沖程、低沖次電機(jī)換向抽油機(jī)的需求日益增加，并有大范圍推廣使用的趨勢(shì)[1-3]。電機(jī)換向抽油機(jī)通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，驅(qū)動(dòng)滾筒往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)柔性件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)懸點(diǎn)的抽汲動(dòng)作。滾筒是電機(jī)換向抽油機(jī)的核心部件，其布局主要有上置和下置兩種方式。但無(wú)論采用何種布局方式，均需要滾筒來(lái)完成換向要求。因此，只有正確選擇滾筒形式，合理設(shè)計(jì)滾筒結(jié)構(gòu)，才能更好地滿足其換向和傳動(dòng)要求，又可以降低滾筒受力，提升柔性件的壽命，這對(duì)于提升抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義[4-7]。本文對(duì)常用電機(jī)換向抽油機(jī)的滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類和分析，并給出了不同結(jié)構(gòu)滾筒與滾筒軸的受力計(jì)算方法，結(jié)合工程實(shí)踐，給出了電機(jī)換向抽油機(jī)滾筒的選型和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以供抽油機(jī)設(shè)計(jì)者參考，提升抽油機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)水平。

1 滾筒的主要類型和結(jié)構(gòu)

電機(jī)換向抽油機(jī)主要由電機(jī)、帶傳動(dòng)、減速箱、滾筒和支架等組成，其中減速箱和滾筒有分體式和一體式兩種類型。按照滾筒布局位置不同，電機(jī)換向抽油機(jī)可分為上置與下置兩種。圖1（a）是典型的上置式電機(jī)換向抽油機(jī)，圖1（b）為下置式電機(jī)換向抽油機(jī)。其中，圖1（a1）和圖1（b）的減速箱與滾筒為分體式，其驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)柔性件與驅(qū)動(dòng)平衡重柔性件分別與滾筒固結(jié)成死繩，其滾筒結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示；圖1（a2）的滾筒和減速器為一體式，即減速器內(nèi)置于滾筒中，一般采用柔性件一端驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)，另一端驅(qū)動(dòng)平衡重，搭在滾筒上靠摩擦驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其滾筒的典型結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

采用圖2（a）的滾筒結(jié)構(gòu)，一般需要使用四根柔性件。柔性件長(zhǎng)度增加，整機(jī)受力較大，但啟動(dòng)性能好，失載保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多。圖2（b）滾筒的柔性件用量較少，只用一根即可，整體受力變優(yōu)，但在失載時(shí)平衡重將失去控制，造成事故的可能性較大，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)失載保護(hù)系統(tǒng)。另外，啟動(dòng)時(shí)，它必須依賴附屬裝置才能將平衡塊從最低位置提升至最高位置，實(shí)現(xiàn)懸點(diǎn)與光桿的聯(lián)接。

圖1 電機(jī)換向抽油機(jī)布局形式

2 摩擦驅(qū)動(dòng)式滾筒設(shè)計(jì)

2.1 受力分析

圖2（b）抽油機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)，需要靠柔性件和滾筒之間的摩擦將懸點(diǎn)和平衡重驅(qū)動(dòng)起來(lái)，滾筒的受力如圖3所示。該摩擦力的計(jì)算方法是：在上沖程時(shí)，按照歐拉計(jì)算公式，已知平衡重Q的條件下，可驅(qū)動(dòng)的最大懸點(diǎn)載荷如式1所示，不考慮柔性件在滾筒的慣性力和彈性變形；在下沖程時(shí)，已知懸點(diǎn)載荷P的條件下，可驅(qū)動(dòng)的最大平衡重量如式2。

圖2 滾筒的典型結(jié)構(gòu)形式

圖3 滾筒受力圖

式中，Q為抽油機(jī)的平衡重，單位N；Pd為抽油機(jī)上沖程時(shí)滾筒在平衡重為Q的條件下，可以驅(qū)動(dòng)的最大懸點(diǎn)載荷，單位N；P為抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷，單位N；Qd為抽油機(jī)下沖程時(shí)滾筒在懸點(diǎn)載荷為P的條件下，可以驅(qū)動(dòng)的最大懸點(diǎn)載荷，單位N；E為自然對(duì)數(shù)的底；U為摩擦系數(shù)，一般在0.1～0.4之間，對(duì)于有潤(rùn)滑的系統(tǒng)，可取0.1；α為包角，單位rad。對(duì)于如圖4所示的結(jié)構(gòu)，可取π。

由上述計(jì)算公式可知，對(duì)于給定的平衡重，起升的懸點(diǎn)載荷有限。如果平衡重為零，則起升的懸點(diǎn)載荷也為零。但P=0時(shí)，即抽油機(jī)處在啟動(dòng)狀態(tài)或稠油井抽油桿下行受阻時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)的Q=0，抽油機(jī)將不能驅(qū)動(dòng)平衡重上行。該抽油機(jī)需要設(shè)計(jì)專門的啟動(dòng)系統(tǒng)和沖程調(diào)節(jié)維持裝置，使得抽油機(jī)的控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。另外，當(dāng)P=0時(shí)，Qd=0，表明采用該種滾筒結(jié)構(gòu)的抽油機(jī)，一旦發(fā)生懸點(diǎn)失載現(xiàn)象，平衡重將發(fā)生墜落，導(dǎo)致重大事故。為了防止該類事故的發(fā)生，除使用安全鎖緊系統(tǒng)外，一般還需采用加重懸繩器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的可靠性。但是，這會(huì)顯著增加整機(jī)重量，并且相應(yīng)增加上沖程的懸點(diǎn)載荷，大大增加抽油機(jī)的制造成本。

2.2 布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

減速系統(tǒng)與滾筒的布局主要有一體式和分體式兩種結(jié)構(gòu)。圖4（a）為電機(jī)和減速系統(tǒng)置于滾筒內(nèi)部的一體式電動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)。為了降低電機(jī)熱影響，部分企業(yè)將電機(jī)置于滾筒外部，減速箱置于滾筒內(nèi)部。由于齒輪減速系統(tǒng)置于滾筒內(nèi)部，承受交變載荷的作用，且安裝在支架的頂部，均需要對(duì)潤(rùn)滑和防護(hù)提出較高的要求。

圖4（b）的減速系統(tǒng)配置在滾筒外部，屬于常用的傳動(dòng)方案，其原理相對(duì)簡(jiǎn)單。為了縮短傳動(dòng)鏈，通常采用將減速箱與滾筒直接聯(lián)接的方案。

需要特別指出的是，在設(shè)計(jì)抽油機(jī)滾筒時(shí)，需要考慮野外工作、頻繁換向?qū)L筒受力和疲勞的影響。設(shè)計(jì)傳動(dòng)皮帶時(shí)，需要合理設(shè)計(jì)張緊系統(tǒng)或采用同步齒形帶傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)，以滿足頻繁反復(fù)啟動(dòng)的需要。

3 死繩式滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

死繩固定滾筒一般采用兩端簡(jiǎn)支的懸置設(shè)計(jì)方案，如圖5所示。在軸向布局上，平衡重驅(qū)動(dòng)柔性件在兩側(cè)，懸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)柔性件在中間，載荷在滾筒上軸向?qū)ΨQ布置。按照滾筒與滾筒軸的聯(lián)接方式，有周向一端固定（鍵連接）一端自由（無(wú)連接）和兩端固定兩種。

圖4 減速器滾筒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖5 死繩式滾筒結(jié)構(gòu)

圖5（a）的滾筒通過(guò)一側(cè)的鍵與滾筒軸實(shí)現(xiàn)周向固定，從而承受減速箱傳遞給滾筒的全部扭矩，實(shí)現(xiàn)滾筒與軸扭矩的傳遞。受力分析如圖6所示。

圖6 圖5（a）滾筒結(jié)構(gòu)受力分析

由受力分析知，對(duì)滾筒軸，其危險(xiǎn)截面為中部截面，危險(xiǎn)點(diǎn)在靠近遠(yuǎn)端的軸承的臺(tái)階處。滾筒扭矩按照公式（3）求出：

式中，d為滾筒的直徑，單位m；Pmax、Pmin為抽油機(jī)最大最小載荷，單位N。

對(duì)于滾筒，如果假設(shè)聯(lián)接鍵處軸和滾筒的相對(duì)變形為零，則其最大變形也發(fā)生在滾筒和軸支撐的另一側(cè)，且與軸的變形方向相反，其變形可以用公式（4）計(jì)算。盡管一般滾筒外部的變形較小，但與軸的變形疊加，仍對(duì)其相對(duì)運(yùn)動(dòng)具有一定的影響。

利用上述分析方法，對(duì)某廠設(shè)計(jì)的12型6米沖程的電機(jī)換向抽油機(jī)滾筒周進(jìn)行了計(jì)算分析。該抽油機(jī)滾筒軸計(jì)算直徑為150mm，滾筒直徑為550mm，選擇滾筒弧板的厚度為10mm。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其軸和輪轂均滿足強(qiáng)度要求，但在自由端有近0.35°左右的相對(duì)偏轉(zhuǎn)角。實(shí)踐也證明，在長(zhǎng)期交變載荷作用下，軸和輪轂發(fā)生相對(duì)磨損，嚴(yán)重影響滾筒的正常工作，磨損的結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖5（b）滾筒結(jié)構(gòu)的受力如圖8所示。該滾筒通過(guò)兩側(cè)的鍵與滾筒軸實(shí)現(xiàn)周向固定，傳遞扭矩。從圖8可知，該種結(jié)構(gòu)的滾筒軸承受的彎矩與圖6所示結(jié)構(gòu)相同，但承受的扭矩顯著下降，滾筒承受的扭矩可用式（5）計(jì)算。

圖7 滾筒螺栓連接孔被擴(kuò)孔

圖8 圖5（b）滾筒結(jié)構(gòu)受力分析

對(duì)比公式（3）和（5）可知，兩端固定時(shí)滾筒承受的力矩有大幅度的下降，兩端固定結(jié)構(gòu)的滾筒、滾筒軸受力顯著變優(yōu)。

由上述受力分析可知：滾筒與軸一端固定時(shí)，雖然安裝方便，但滾筒受扭轉(zhuǎn)力矩后扭轉(zhuǎn)變形嚴(yán)重；滾筒與軸兩端固定時(shí)，滾筒體相對(duì)于軸的變形小且對(duì)稱，滾筒結(jié)構(gòu)的整體剛度和強(qiáng)度有較大提升。工程實(shí)踐中，多推薦采用后一種固定方式。

另外，為了保證柔性件與滾筒的光滑聯(lián)接，一般在柔性件的一端鉚接與滾筒固定的機(jī)構(gòu)，且保證其余滾筒為相切狀態(tài)。同時(shí)，在滾筒上留出2周以上的儲(chǔ)存柔性件，可以有效減少柔性件工作過(guò)程中與滾筒的磨損[8-9]。

由于懸點(diǎn)、平衡驅(qū)動(dòng)柔性件的尺寸不能嚴(yán)格控制，支架的制造和安裝精度難以控制等因素，在軸向尺寸上，其輪槽的寬度應(yīng)留有足夠余量，以避免柔性件與輪槽摩擦，影響柔性件的壽命。因此，建議輪槽寬度要大于柔性件寬度15mm以上。為了便于對(duì)中性調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)滾筒的軸承座需要設(shè)計(jì)水平微調(diào)裝置。

4 結(jié)論

電機(jī)換向抽油機(jī)滾筒主要有摩擦式驅(qū)動(dòng)和死繩式驅(qū)動(dòng)兩種形式，其減速系統(tǒng)與滾筒的布局又有一體式和分體式兩種，滾筒與滾筒軸的連接有周向一端固定（鍵連接）一端自由（無(wú)連接）和兩端固定兩種。通過(guò)從散熱、受力等方面分析，得到結(jié)論如下：

（1）電機(jī)換向抽油機(jī)的減速系統(tǒng)與滾筒的布局建議采用分體式結(jié)構(gòu)。分體式布局有利于電機(jī)、減速系統(tǒng)的散熱，安裝簡(jiǎn)單，操作方便，且需要留出足夠的輪槽間隙。

（2）電機(jī)換向抽油機(jī)柔性件驅(qū)動(dòng)建議采用死繩式滾筒驅(qū)動(dòng)，其啟動(dòng)性能好，可大大簡(jiǎn)化失載保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，且需要留出足夠的輪槽間隙。

（3）滾筒與滾筒軸的連接采用兩端固定。該連接方式可大大降低滾筒的變形，避免軸上零件的損壞。

另外，電機(jī)換向抽油機(jī)的柔性驅(qū)動(dòng)件與滾筒連接建議采用光滑連接，即柔性件的一端鉚接與滾筒固定的機(jī)構(gòu)，且保證其余滾筒為相切狀態(tài)；滾筒驅(qū)動(dòng)槽設(shè)計(jì)時(shí)輪槽寬度要大于柔性件寬度15mm以上。

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Design for Drum of Motor-Reversing Type Pumping Units

DU Hongwei1,2, QI Yaoguang1, HE Yongjie1, LIU Wenbao3, LU Hailong3
(1.College of Mechanical & Electronic Engineering in China University of Petroleum,Qinngdao 266580; 2.College of Mechanical & Electronic Engineering in Qingdao Agricultural University,Qinngdao 266109;3. Lanzhou LS Petroleum Equipment Engineering Research Institute, Lanzhou 7300072)

With the thorough of the oilfield production development, the increasing demand of motor-reversing type pumping units with long stroke and low strokes. The polytype of motorreversing type pumping units are developed and manufactured. The drum is considered to main component of this kind of pumping units. The rationality of structure layout make highly significant to the improvement of overall performance. In this paper, the common layout and structure forms of drum on motor-reversing type pumping units were classified and analyzed from the aspects of mechanical structure selection and design. Firstly, the assemble rationality of drum and deceleration system layout with integrated style and split type is analyzed. Then stress analysis of the drum that driven by friction and dead line is given. The results show that deceleration system and drum assembled by split type would be more convenient and more reliable in heat dissipation of motor reducer. The driven structure with dead line is more suitable for motor-reversing type pumping unit. The connection with both fixed points between drum and drum shaft could reduce drum deformation greatly and avoid the damage of parts on the shaft. This paper also pointed out some problems about connection between flexible driving parts and drum and the design of drum wheel hub. The conclusions of this paper can be used to improve overall design level of motor-reversing type pumping units.

motor reverse, pumping unit, drum

國(guó)家自然科學(xué)基金51174224和國(guó)家油氣重大專項(xiàng)（2016ZX05042-003、2016ZX05066-012）。