臧 珉，劉 曉，韓承君，劉曉東，劉子威

（山東石油化工學(xué)院，山東東營 257061）

0 引言

抽油機(jī)井口處設(shè)置盤根盒，將油管與光桿間的環(huán)形空間密封，防止原油從光桿處泄漏[1]。在生產(chǎn)過程中，由于光桿與盤根頻繁摩擦造成過度磨損、盤根老化等原因，致使井口密封不緊，最終出現(xiàn)原油漏失。為了保證良好的密封效果，需要不斷壓緊盤根，而擠壓太緊又會(huì)導(dǎo)致抽油機(jī)能耗升高，所以要合理控制盤根與光桿間配合松緊程度[2-5]。井口漏油問題一直是采油一線面臨的主要問題之一，因此國內(nèi)許多專家學(xué)者在盤根密封的結(jié)構(gòu)、使用方法、材料等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。

近幾年，石油裝備制造業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了盤根密封結(jié)構(gòu)上的不斷創(chuàng)新，中煤科工集團(tuán)龐濤等[6]研制了一種自調(diào)偏式井口光桿密封裝置，實(shí)現(xiàn)密封盒與光桿隨動(dòng)對中；東北石油大學(xué)劉曉明等[7]設(shè)計(jì)了具有防噴防盜、潤滑節(jié)能、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ艿男滦捅P根盒；大慶油田呂秋云[8]采用定扭矩盤根盒，采用人工調(diào)定、規(guī)范操作的方式控制抽油機(jī)盤根處的能耗。目前盤根密封結(jié)構(gòu)均需要人工定期預(yù)緊、憑經(jīng)驗(yàn)控制預(yù)緊力，故在降低能耗、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、精準(zhǔn)控制預(yù)緊力矩等方面沒有取得良好效果。

基于此，本文設(shè)計(jì)一種新型抽油機(jī)盤根盒自動(dòng)壓緊裝置，可以代替人工定期自動(dòng)預(yù)緊，并且可根據(jù)不同油井的生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整擰緊力矩，提升預(yù)緊加壓精確度與工作效率，提高井口密封效果。

1 設(shè)計(jì)原理

新型抽油機(jī)盤根盒自動(dòng)壓緊裝置主要由步進(jìn)電機(jī)、定扭矩機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、自緊機(jī)構(gòu)、原井口結(jié)構(gòu)等部分組成，如圖1所示。

圖1 新型抽油機(jī)盤根盒自動(dòng)壓緊裝置

步進(jìn)電機(jī)1 按照設(shè)定程序定期工作，經(jīng)行星減速器增大扭矩后，帶動(dòng)定扭矩機(jī)構(gòu)2 轉(zhuǎn)動(dòng)。在定扭矩機(jī)構(gòu)2中，通過棘輪和棘爪控制傳遞扭矩從而形成兩種運(yùn)動(dòng)模式：當(dāng)傳遞扭矩未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，棘爪與棘輪嚙合，棘輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)4始終單向轉(zhuǎn)動(dòng)，自緊裝置3中的自緊螺母轉(zhuǎn)動(dòng)后使壓帽下移，壓緊盤根達(dá)到緊固的效果；當(dāng)盤根壓緊到一定程度，轉(zhuǎn)動(dòng)自緊螺母所需扭矩超過了定扭矩機(jī)構(gòu)2 的設(shè)定值時(shí)，棘輪和棘爪就會(huì)脫離嚙合，自緊螺母不再轉(zhuǎn)動(dòng)，壓帽也不再下移，防止由于過度擰緊盤根造成的能耗升高，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格控制擰緊力矩的效果。整個(gè)工作過程由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)完成，不需人工操作，實(shí)現(xiàn)降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的效果。

為了增強(qiáng)新型抽油機(jī)盤根盒自動(dòng)壓緊裝置的適用性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)以原井口結(jié)構(gòu)4 為基礎(chǔ)，通過卡扣將自緊機(jī)構(gòu)和原井口結(jié)構(gòu)4 連接起來，使該裝置可以方便地安裝到多種井口上，擴(kuò)大裝置的使用范圍。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要分為機(jī)械部分和控制部分兩大類。機(jī)械部分分為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、定扭矩機(jī)構(gòu)、自緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制部分分為控制器設(shè)計(jì)、步進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過對各個(gè)部分用SolidWorks 建立模型，進(jìn)行仿真與計(jì)算，對不符合要求的地方進(jìn)行整改，最終完善設(shè)計(jì)。

為了確定設(shè)計(jì)的初始數(shù)據(jù)，對油田常用游梁式抽油機(jī)的基本參數(shù)進(jìn)行了調(diào)研，確定了運(yùn)用較廣泛的沖程和沖次的數(shù)據(jù)：沖次為6/min＜nmax≤15/min，沖程為3 m＜Smax≤6 m；選定光桿規(guī)格為φ32 mm 的光桿；光桿平均速度為v=1.1 m/s。

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了將步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力傳遞到自緊螺母，同時(shí)也為了降低轉(zhuǎn)速增大扭矩，設(shè)置了由棘輪、棘爪、大齒輪、螺紋管等結(jié)構(gòu)組成的傳動(dòng)裝置，如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)裝置示意圖

棘輪2 由直徑為124 mm 的小齒輪改裝而成，采用內(nèi)棘輪的方式，不僅使安裝和拆卸更加方便，而且使棘輪與棘爪嚙合更加便利。棘輪2 安裝在行星減速器上面，兩者用聯(lián)軸器連接；直徑為172 mm的大齒輪安裝在井口上面與盤根盒通過推力軸承連接。輪芯1 通過鍵連接到主軸上，在程序的控制、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下定期轉(zhuǎn)動(dòng)，輪芯1 上裝有棘爪，棘爪隨著輪芯1 的轉(zhuǎn)動(dòng)而帶動(dòng)棘輪2 的轉(zhuǎn)動(dòng)。棘輪2 通過螺栓與上下端蓋聯(lián)接，在棘輪內(nèi)側(cè)，棘輪與棘爪嚙合后轉(zhuǎn)動(dòng)，在棘輪外側(cè)與大齒輪5 嚙合，并將運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)給螺紋管，從而驅(qū)動(dòng)自緊螺母。

通過查詢機(jī)械手冊與實(shí)際情況的對比，在實(shí)驗(yàn)之后，取小齒輪模數(shù)m1=2，齒數(shù)z1=72；大齒輪模數(shù)m2=2，齒數(shù)z2=103。齒輪傳動(dòng)比為：

保留一位小數(shù)取傳動(dòng)比i=1.4。

通過查詢資料得，對于普通抽油機(jī)，在擰緊盤根時(shí)扭矩最大值約為T=60 N·m 時(shí)，即自緊機(jī)構(gòu)達(dá)到T=60 N·m，壓帽下降到最適距離。此時(shí)，小齒輪的扭矩為：

代入數(shù)字得T1=42.56 N · m，故棘輪傳遞的扭矩為：

T2= T1=42.56 N · m

2.2 定扭矩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于井場工作條件差異較大，抽油機(jī)型號(hào)種類多，擰緊盤根時(shí)所需的力矩也應(yīng)不同，設(shè)計(jì)了扭矩可調(diào)式的定扭矩結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。電機(jī)輸出的扭矩經(jīng)過行星減速器傳遞給輪芯2，彈簧3、固定件7 將棘爪6 固定在輪芯2 上，棘爪6 與輪芯2 同步轉(zhuǎn)動(dòng)。通過彈簧3 可以調(diào)節(jié)棘爪6 的位置從而控制傳遞扭矩的大小，力矩的具體數(shù)值要根據(jù)井場實(shí)際相結(jié)合，受盤根盒受型號(hào)、勞損程度等作用的影響，力矩具體數(shù)值差距較大。本文以油田生產(chǎn)中常用的擰緊力矩最大值60 N·m 為初始參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，棘輪齒數(shù)通常取6～30，齒數(shù)取24。按照彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算棘輪模數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得模數(shù)為：

圖3 定扭矩結(jié)構(gòu)

式中：T為棘輪傳遞的扭矩；Z為棘輪的齒數(shù)；ψ為齒寬系數(shù)；[σ]為棘輪材料許用彎曲應(yīng)力。

代入數(shù)字計(jì)算可得：m≥2.77 mm。棘輪模數(shù)選3 mm，棘輪的其余結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 棘輪結(jié)構(gòu)參數(shù)Table.1 Structural parameters of ratchet wheel

如圖4 所示，軸3 采用階梯軸的形式，使用軸用墊圈4能更好地固定棘輪的各個(gè)零部件。為減小軸3與端蓋之間的摩擦，選用內(nèi)徑14 mm 的軸承5。固定件1的作用是與棘爪2 限制彈簧的伸長量，從而實(shí)現(xiàn)精確扭矩，固定件1 通過螺栓固定在T 型槽中。為了能更好地固定棘爪2，方便拆裝棘輪，增加材料的利用率，降低輪芯強(qiáng)度，在輪芯上選用60°燕尾槽固定棘爪。同時(shí)，為了棘爪強(qiáng)度和降低傳動(dòng)誤差，采用兩個(gè)棘爪對稱布置的方式。

圖4 棘爪固定

2.3 自緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在生產(chǎn)過程中，主要通過人工的方式來進(jìn)行盤根預(yù)緊。原理是通過使壓帽轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使壓帽向下移動(dòng)，進(jìn)而擠壓位于下方的密封填料，使其與光桿更加緊密的接觸，防止漏油的產(chǎn)生[9-13]。在該裝置設(shè)計(jì)時(shí)，仍然采用這個(gè)原理，主要區(qū)別是，將傳統(tǒng)的人工預(yù)緊升級(jí)為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械預(yù)緊。自緊機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將扭矩傳遞給大齒輪2。大齒輪2與螺紋管3 通過螺栓9 連接，當(dāng)齒輪2 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺紋管3 也隨之旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，在內(nèi)外螺紋旋合作用下壓帽4 會(huì)向下移動(dòng)，擠壓盤根填料8，使其與光桿6貼合緊密，達(dá)到最終壓緊盤根的目的。

圖5 自動(dòng)補(bǔ)償盤根盒

齒輪2與壓帽5位于井口上方，為防止大齒輪2與井口裝置10 之間、螺紋管3 與壓帽4 之間接觸產(chǎn)生磨損，放置有推力軸承1 和推力軸承7。壓帽4 與螺紋管3 通過螺旋副做相對運(yùn)動(dòng)，壓帽4 向下壓緊盤根8，導(dǎo)向螺栓5固定在盤根盒上，防止壓帽4 隨螺紋管3 的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)向螺栓一共有3個(gè)，成等邊三角形分步，增大穩(wěn)固性。同時(shí)，為了避免因推力軸承1左右躥動(dòng)影響壓帽的下降，在推力軸承1 上固定了一個(gè)壓片。壓片直徑110 mm，底部含有固定推力軸承1 的圓孔。選用直徑為φ3 mm 的十字平頭螺栓固定在盤根盒上，并且在圓周均布固定，使受力均勻，固定效果更好。

螺紋管的螺紋螺距為6 mm，小徑為115 mm。螺紋管的內(nèi)徑為85 mm，螺紋內(nèi)壁直接與井口距離為1 mm，減少摩擦，降低能量損耗。

2.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇

由于需要定期工作擰緊螺母，且運(yùn)動(dòng)速度不高，該裝置選用步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源。光桿直徑選取32 mm，其運(yùn)行速度約為v=1.1 m/s。根據(jù)對井場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的調(diào)研與分析，常規(guī)井口盤根擰緊操作時(shí)所需扭矩為60 N·m，考慮到工作環(huán)境和實(shí)際需求，同時(shí)留有設(shè)計(jì)余量，本裝置選取功率為7.5 kW 兩相步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為D57CM31，其轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，可傳遞扭矩為3.1 N·m；選擇PLF60A型減速器，傳動(dòng)比為16。電動(dòng)機(jī)輸出的扭矩經(jīng)減速器、直齒輪傳遞后增大，通過傳動(dòng)比可以計(jì)算出扭矩為69.44 N·m，足夠帶動(dòng)自緊機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

選定步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角1.8°，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用DM860 型，細(xì)分?jǐn)?shù)為2，脈沖頻率為500 Hz，計(jì)算每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度：

式中：φ為步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角；Z為細(xì)分?jǐn)?shù)；f為脈沖頻率。

經(jīng)過計(jì)算可得φ= 450°，即每秒1.25 轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)速為75 r/min，電機(jī)工作在最大扭矩區(qū)間，可發(fā)揮電機(jī)性能。電機(jī)運(yùn)行的程序如圖6所示。

圖6 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)程序

3 結(jié)束語

本文通過對國內(nèi)現(xiàn)有的抽油機(jī)盤根密封裝置研究和油田實(shí)際使用情況進(jìn)行了分析和研究，設(shè)計(jì)出一種運(yùn)用定力矩機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、自緊機(jī)構(gòu)相互配合，實(shí)現(xiàn)定期自動(dòng)預(yù)緊的裝置。

（1）通過使用STM32 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)定期轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，使裝置自動(dòng)定期工作，改變了人工定期預(yù)緊的模式，減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）通過設(shè)計(jì)棘輪與棘爪配合實(shí)現(xiàn)扭矩控制功能，經(jīng)過理論計(jì)算和軟件模擬，證明該結(jié)構(gòu)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定功能。

（3）考慮到每個(gè)井口因?yàn)閴毫?、深度、含油量各不相同，需要根?jù)每個(gè)井口的實(shí)際情況設(shè)置扭矩，設(shè)置了扭矩調(diào)節(jié)功能，增強(qiáng)了裝置的適用性。

（4）裝置以現(xiàn)有井口結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，可以方便地直接安裝在現(xiàn)有裝置上，適應(yīng)范圍廣，成本低。