郭登明， 左彩靈，將波，余鵬　(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

周逢春，卞和滿， 林慶合　(華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)

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變向前置型游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

郭登明， 左彩靈，將波，余鵬(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

周逢春，卞和滿， 林慶合(華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)

[摘要]在對(duì)油田常用的常規(guī)型抽油機(jī)、異相曲柄平衡抽油機(jī)、前置型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上提出了一種新型的變向前置型游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)思路是在考慮抽油機(jī)的動(dòng)力性能、能耗的條件下，對(duì)游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)將驢頭倒置，在驢頭與井口間增設(shè)一套變向繩輪機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)光桿運(yùn)動(dòng)與驢頭運(yùn)動(dòng)反向組合。這種改進(jìn)使新型抽油機(jī)具有沖程長(zhǎng)、承載能力強(qiáng)、能耗低、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。該抽油機(jī)結(jié)構(gòu)型式在長(zhǎng)沖程抽油機(jī)設(shè)計(jì)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]游梁式抽油機(jī)；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；變向機(jī)構(gòu)；節(jié)能

目前油田廣泛使用的是常規(guī)游梁式抽油機(jī)和偏置型抽油機(jī)[1 ,2]，這些機(jī)型構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便，但是也存在一些弊端：一是不能滿足超長(zhǎng)沖程、低沖次的要求；二是高耗能、低效率[3]。因此如何對(duì)目前使用的抽油機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高其性能，使其滿足長(zhǎng)沖程、重載荷、低能耗的要求便成為每一個(gè)設(shè)計(jì)者努力的方向[4]。筆者根據(jù)華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司的一項(xiàng)抽油機(jī)專(zhuān)利(CN200720103784.6)進(jìn)行了變向前置型游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1變向前置型游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)模型

注：　　　1—前支架；2—拉桿；3—鋼繩；4—變向輪；　　　5—驢頭；6—橫梁；7—橫梁軸承座；8—連桿；　　　9—曲柄平衡塊；10—曲柄；11—后支架；　　　12—減速器；13—底座；14—電機(jī)?！　　　D1　變向前置型游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

變向前置型游梁式抽油機(jī)是一種新型的抽油裝備，其主體結(jié)構(gòu)由前置型游梁式抽油機(jī)和一套變向機(jī)構(gòu)組成。在游梁式抽油機(jī)的底座上固定有后支架、電機(jī)和減速箱，減速箱輸出端連接有曲柄連桿機(jī)構(gòu)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括曲柄、曲柄平衡塊、曲柄銷(xiāo)、橫梁連桿、橫梁、橫梁軸承座、游梁；在游梁式抽油機(jī)的驢頭前部有鋼繩變向機(jī)構(gòu)，鋼繩變向機(jī)構(gòu)包括前支架、拉桿和變向輪，在前支架的頂部通過(guò)輪軸連接有變向輪。后支架的頂部固定有支架軸承座，游梁的一端通過(guò)軸與軸承座連接；游梁的中部固定有橫梁軸承座，橫梁軸承座連接橫梁連桿；游梁的另一端固定有驢頭，變向機(jī)構(gòu)改變了驢頭、曲柄和連桿的受力方向，驢頭和游梁等運(yùn)動(dòng)部件能起到平衡塊作用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由驢頭、游梁、橫梁、連桿、曲柄裝置、減速器、電動(dòng)機(jī)裝置、底座、支架等部分組成。

2變向前置型游梁式抽油機(jī)的理論計(jì)算

2.1幾何計(jì)算

圖2　變向前置型游梁式抽油機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

變向前置型游梁式抽油機(jī)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后得到如圖2所示的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖2中，A為游梁前臂長(zhǎng)度，m；C為游梁后臂長(zhǎng)度，m；P為連桿長(zhǎng)度，m；R為曲柄半徑，m；H為游梁支撐中心到底座底部的高度，m；G為減速器輸出軸中心線到底座底部的高度，m；I為游梁支撐中心到減速器輸出軸中心的水平距離，m；K為極距，等于減速器輸出軸中心到游梁支座中心的距離，m；J為曲柄銷(xiāo)軸承中心到游梁支座中心的距離，m；θ為曲柄轉(zhuǎn)角，(°)； θ0為驢頭位于上死點(diǎn)時(shí)曲柄的轉(zhuǎn)角，(°)；θ1為驢頭位于下死點(diǎn)時(shí)曲柄的轉(zhuǎn)角，(°)；ψ為極距和豎直方向的夾角，(°)；ρ為基桿和曲柄銷(xiāo)軸承中心與游梁支座中心的連線之間的夾角， 游梁后臂、曲柄銷(xiāo)軸承中心與游梁支座中心的連線在基桿兩側(cè)為正值，在基桿的同側(cè)為負(fù)值，(°)；χ為游梁后臂和基桿之間的夾角，(°)；δ為游梁和水平線之間的夾角，游梁在水平線上部時(shí)為正值，(°)；β為游梁和連桿之間的夾角，(°)；α為連桿和曲柄之間的夾角，(°)；φb為驢頭位于下死點(diǎn)時(shí)游梁后臂和基桿之間的夾角，(°)； φt為驢頭位于上死點(diǎn)時(shí)游梁后臂和基桿之間的夾角，(°)；W為懸點(diǎn)載荷，kN； O1為支架軸座中心；O為減速器輸出軸中心；S為沖程長(zhǎng)度，m。

根據(jù)圖2有：

1)游梁和連桿之間的夾角β為：

(1)

2)游梁和水平線之間的夾角δ為：

δ=χ+ρ+ψ-90°

(2)

3)連桿和曲柄之間的夾角α為：

α=2π-β-(χ+ρ)-(θ+ψ)

(3)

4)轉(zhuǎn)角θ0為：

(4)

5)轉(zhuǎn)角θ1為：

(5)

6)沖程長(zhǎng)度S為：

S=(φt-φb)A

(6)

2.2運(yùn)動(dòng)計(jì)算

1)懸點(diǎn)的速度Vt為：

(7)

式中，n為沖次數(shù)，r/min；Vt為懸點(diǎn)的速度，m/s。

2)懸點(diǎn)的切向加速度at為：

(8)

式中， ω為曲柄的角速度，rad/s；at為懸點(diǎn)的切向加速度，m/s2。

2.3受力計(jì)算

圖3　變向前置型游梁式抽油機(jī)機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

(9)

(10)

連桿力FL為：

(11)

支座水平分力FX為：

(12)

支座豎直分力FY為：

(13)

曲柄力切向分力Ft為：

Ft=FLcosα

(14)

曲柄力法向分力Fq為：

Fq=FLsinα

(15)

支座合力Fr為：

(16)

支座力夾角λ為：

(17)

2)計(jì)算工作扭矩TW、平衡扭矩TR、凈扭矩TN：

TN=TW-TR

(18)

(19)

TR=Msin(θ-τ)

(20)

式中，TW為計(jì)算工作扭矩，kN·m；TR為平衡扭矩，kN·m；TN為凈扭矩，kN·m；B為結(jié)構(gòu)不平衡重，kN；M為平衡扭矩，調(diào)試值，kN·m；τ為偏置角，調(diào)試值，(°)。

3變向前置型游梁式抽油機(jī)的計(jì)算實(shí)例及性能分析

表1　變向前置型游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸

筆者以CYJBQ20-7.5-210HF型變向前置型游梁式抽油機(jī)為例，對(duì)該抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)及井下工藝參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，并與相同沖程長(zhǎng)度的CYJ20-7.5-210HB型常規(guī)抽油機(jī)進(jìn)行對(duì)比。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4、圖5和圖6分別表示CYJBQ20-7.5-210HF型變向前置型游梁式抽油機(jī)和CYJ20-7.5-210HB型常規(guī)抽油機(jī)在沖次為4.0r/min、泵徑D為57.0mm，沖程長(zhǎng)度S為7.5m時(shí)的典型工況下的連桿力FL、曲柄凈扭矩TN和計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率對(duì)比圖。

圖4　　　　常規(guī)型抽油機(jī)和變向前置型游梁式　　　　　　　　　　圖5　　　　常規(guī)型抽油機(jī)和變向前置型游梁式　　　抽油機(jī)連桿力對(duì)比圖　　　抽油機(jī)凈扭矩對(duì)比圖

圖6　　　　常規(guī)型抽油機(jī)和變向前置型游梁式抽油機(jī)　　　計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率對(duì)比圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在相同工況(即沖程長(zhǎng)度、沖次數(shù)、懸點(diǎn)載荷、泵徑均相同)下： ①變向前置型游梁式抽油機(jī)的最大連桿力比常規(guī)抽油機(jī)降低35%左右；②變向前置型游梁式抽油機(jī)的最大峰值扭矩比常規(guī)抽油機(jī)降低20%左右； ③變向前置型游梁式抽油機(jī)在中小泵徑的條件下,電機(jī)功率較常規(guī)機(jī)降低8%～28%，但隨著泵徑的增大，節(jié)能效果逐步降低，當(dāng)泵徑大于70mm時(shí)，不節(jié)能。因此該抽油機(jī)適合“小泵深抽”的采油工況。

此外，變向前置型游梁式抽油機(jī)光桿懸點(diǎn)位移精度高(因變向輪為加工件，可以減小光桿投影圓的直徑)，從而大大減少盤(pán)根磨損和漏油現(xiàn)象，保持井口清潔，減少日常維護(hù)工作量；變向前置型游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特征在開(kāi)發(fā)長(zhǎng)沖程抽油機(jī)時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)，符合長(zhǎng)沖程低沖次的開(kāi)采模式要求，適應(yīng)范圍更廣。但是通過(guò)對(duì)連桿的受力分析可知， 當(dāng)光桿失載后，連桿受力很大，因此驢頭上所施加的平衡重不易過(guò)大，一般控制在額定懸點(diǎn)載荷的30%以內(nèi)。

4結(jié)語(yǔ)

變向前置型游梁式抽油機(jī)是在常規(guī)型抽油機(jī)、異相曲柄平衡抽油機(jī)及前置型抽油機(jī)的基礎(chǔ)上提出的一種新型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有游梁式抽油機(jī)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：

1)承載構(gòu)件受力狀況得到改善，有較好的節(jié)能效果；

2)更容易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程；

3)在開(kāi)發(fā)超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)方面具有如結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)等明顯的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]申彥剛.抽油機(jī)在我國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)初探[J].工業(yè)技術(shù)，2013(1)：71.

[2] 郭登明，石江明，王春茂.CYJ12-5.0-73HB型常規(guī)抽油機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào))，2008，30(6)：152～154.

[3] 王守民，陳文華，張為鄂.國(guó)產(chǎn)節(jié)能型游梁式抽油機(jī)的性能對(duì)比分析[J].機(jī)電工程，2001，18(6)：80～84.

[4] 方仁杰，朱維兵.抽油機(jī)歷史現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析[J].鉆采工藝，2011，34(2)：60～63.

[編輯]趙宏敏

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)04-0061-04

[中圖分類(lèi)號(hào)]TE933.1

[作者簡(jiǎn)介]郭登明(1963-)，男，碩士， 教授，現(xiàn)主要從事石油機(jī)械與設(shè)計(jì)方面的教學(xué)與研究工作；E-mail：gdmgygygy@vip.163.com。

[基金項(xiàng)目]湖北省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金項(xiàng)目(T200906)；華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目(J201507026)。

[收稿日期]2015-10-29

[引著格式]郭登明， 左彩靈，將波，等.變向前置型游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(4)：61～64，76.