直線電機驅動抽油機的設計

張靜雙

（天津機電職業技術學院 機械系，天津 300131）

直線電機驅動抽油機的設計

張靜雙

（天津機電職業技術學院 機械系，天津 300131）

目前一般的油田抽油設備主要是常規游梁式抽油機，但是存在能源消耗高，效益低的問題。直線電機抽油機由直線電機驅動，取消了復雜的機械傳動變速環節，將傳統的旋轉式驅動器改變為直線往復驅動，使直線電機抽油機具有了更完善的運動性能，動力性能和的平衡效果。本文介紹的直線電機抽油機的工作原理，說明了直線電機抽油機的特點和優勢，探討了在國內外的發展現狀以及存在的問題。完成總體方案設計的直線電機抽油機，并選擇了抽油機的主要電機部分。本裝置是機電一體化的設備，主要分析了抽油機的載荷并對天輪進行了強度分析。

直線電機；抽油機；天輪；結構設計

目前，大多數我國油田進入中后期開采，對機械采油設備的開發及技術水平的的要求也越來越高。然而過去幾年大量投入使用的抽油機驅動方式都是旋轉電機，必須經過一個復雜的能量轉換為直線往復運動。這不可避免地造成系統的轉換效率低下，同時由于機械結構復雜，組成零件過多系統的穩定性也有很大的隱患。為了有效地解決這些問題，直線電機驅動抽油機應運而生。直線電機驅動抽油機，主要是為了解決現有的抽油機無功損耗大，成本高，機械位置移動困難等問題點。

1 直線電機驅動抽油機總體方案設計

1.1 直線電機驅動抽油機的工作原理

直線電動機驅動的泵送單元改變常規的泵送單元的移動機構，并直接利用的線性往復運動的線性電動機驅動抽油桿垂直運動，從而達到目的的液體內電梯井。正常抽水馬達驅動器，通過繩子繞過的天倫輪，翻轉輪驅動抽油桿懸繩和上下運動，完成抽油過程。

1.2 總體方案描述

直線電機抽油機是結構示意圖如圖1所示。

它結構緊湊、重量輕、體積小。動子（相當旋轉電機的轉子）是直線往復運動，通過柔性連接件、鋼絲繩導向輪直接與抽油桿連接。動子的運動與抽油泵柱塞上下運動完全一致，其生產成本低、運行效率高、維護費用小是不難理解的。

它的沖程長度、上沖行程時間、下沖行程時間、分別連續可調，能很方便地實現：上快下慢、上慢下快、上下行程同速的三種作業方式將主板與桁架焊接，在主板的內側兩邊都貼上永磁體。動子與配重箱連接，并置于主板內部。直線電機作為整個抽油機的動力系統，直接利用直線電機的直線往復運動帶動抽油桿上下運動，達到舉升井內液體的目的。提高整機的系統效率，簡化結構，同時為加大沖程、提高抽油機的生產能力、減輕重型抽油機的重量提供了良好條件。

圖1 直線電機抽油機是結構示意圖

主板采用桁架焊接，永久磁鐵貼在主板內側兩邊。動子連接到配重框上，并放置在主板上的內部。直線電機作為整個抽油機的驅動力，直接使用線性往復運動的直線電動機驅動抽油桿向上和向下運動，達到舉升井內石油的目的。同一時間，直線電機的使用提高了整個系統的效率，同時簡化了整個結構，提高整個抽油機的生產能力，減少整個抽油機的重量，節省成本增大機架體積,增加護板通風孔的面積。在四側護板上增加了百葉孔的數量和寬度，實現了空氣的自然流動。

采用了先進的控制系統和非接觸式傳感器換向技術，理論上獲得了永久的使用壽命，不僅抽油機換向動作及時，準確，可靠，方便，而且使抽油機的沖程實現了簡便的無級調整，大大減少了操作員和維護人員的勞動強度，并創造了油井自動化管理的基礎條件。

智能化安全保護機構通過對直線電機工作電流、動子運行狀態的雙重監控，實時辨識懸點載荷的異常變化，當抽油機系統欠載或過載、抽油桿斷脫或卡阻時，可實現自動停機或剎車。

開發了直線電機抽油機智能控制系統及相配套的閉環控制系統，使直線電機抽油機隨井況變化可以自動調節相關參數。信號采集系統用于直線電機抽油機和油井各參數的即時采集和傳輸，實現直線電機抽油機的遠程檢測和控制。

通過實時監測，可以實時的監控工作桿上的動子的運行狀態，同時檢測直線電機上的消耗電流，實時的發現載荷的異常變化，當系統發生過載或者欠載以及其他非正常情況時可以實現自動的停機或者關閉。

2 懸點載荷分析及平衡計算

2.1 理論部分

直線電機抽油機懸點載荷與游梁式抽油機載荷一樣，主要由靜載荷、動載荷和摩擦載荷組成。直線電機抽油機懸點載荷計算方法與游梁式抽油機相同，下面著重分析靜載荷與動載荷的大小與變化規律。

根據工況選擇CYG22型抽油桿，參數如下：

桿橫截面積380.12mm2，密度ρr=8.05×103kg/m3,每根重量24.49 kg。

選擇的桿式泵的直徑為44mm，柱塞沖程長度范圍為1.2～6，理論排量27～138m3/d。

油管外徑73mm，內徑59mm，剛級 J-55，抗擠強度65.8MPa，內壓63.7MPa。

2.2 分析計算

2.2.1 懸點靜載荷

電機下沖程：這時抽油泵下部的固定閥打開，而游動閥關閉，柱塞下部作用有油管外液柱的壓力，懸點載荷包括抽油桿重力FG，液柱重量Fy。

式中，

W js為上沖程懸點靜載荷，kN。

ρr、ρy分別為抽油桿密度和井液的密度，kg/m3。取ρy=0.80×103。

g 為重力加速度，m/s2；

fr、F為分別為抽油桿和泵柱塞的截面積，m2；

L為下泵深度，m；取L=1 200；

hc為泵的沉深度，m。

電機上沖程：游動閥打開而固定閥關閉，泵中的液體與油管中液體相通，因此液柱重量不再作用在柱塞上，這時懸點靜載荷為：

2.2.2 懸點動載荷

（1）慣性載荷

由于懸點運動是變速運動，抽油桿柱和液柱都受到加速度的影響，因而產生慣性載荷。忽略它們的彈性影響，認為抽油桿柱和液柱各點的運動規律與懸點運動規律完全一致。

電機下沖程時慣性載荷為：

式中：ε是由于油管內徑與柱塞直徑不同而引起的液流加速度改變系數。如果有關的過流截面積為Ft，則:

電機上沖程時液體向上運動的加速度很小可以忽略不計所以慣性載荷為：

（2）振動載荷

抽油桿又長又細，在縱向具有很大的彈性。抽油機工作時，抽油桿載荷周期性地變化，使抽油桿柱產生振動。液柱下端周期性地被泵柱塞推動，使其產生振動，當油管下端不錨定時，在液柱振動的影響下也會產生振動。三組彈性體振動相互影響，在加上阻尼作用，整個系統的振動過程相當復雜，振動載荷計算相當困難。

（3）平衡重的計算

根據直線抽油機電機上、下沖程作功相等這個準則可以計算平衡重重力。下沖程時，系統儲存的能量等于電機下沖程所作的功和下沖程抽油桿下落所作的功之和；上沖程時，系統放出能量(等于儲存的能量)加電機上沖程所作的功等于上沖程提升抽油桿和油柱所作的功。根據平衡原理，電機上、下沖程所作功相等，由于電機與平衡重直接相聯接，可以求得：

式中：

FG為抽油桿在井液中的重力；

FY為油管內、柱塞上的油柱重力；

FD為電機初級的重力(根據下面選擇的電動機知FD=18 000 N)。

3 直線電機抽油機主要結構設計

3.1 直線電機的選型

圓筒形直線電機具有體積小、易于進行機泵一體化設計的優點，并且由于其外型是圓柱形，適合在油井內使用。它的初級繞組只是簡單地由一系列共軸線圈組成，然后由三相電源順序供電，不存在端部繞組，因而也就不存在端部漏磁通以及附加阻抗，并且在圓柱形次級上也不存在總徑向力，因此，減少了直線軸承上所承受的應力。用圓筒形直線電機作為傳動機構，具有速度高、行程長、無污染的優點。

根據電機的運動特點，懸點的最大載荷，電機運行速度，結構設計等選擇圓筒型直線電機。

選擇14型圓筒直線電機，其技術參數如下：

圓筒形直線電機的優點：

（1）圓筒形直線電機的初級和次級不存在繞組端部，這就提高了繞組的利用率，也不存在橫向邊緣效應。

（2）圓筒形直線電機只有兩端有漏磁現象，間隙較小，便于防塵。

（3）電機的初級與抽油機的配重箱組成一體，既方便，又節約配重料。

3.2 抽油機的控制系統

直線電機驅動抽油機控制系統主要包括:編碼器、抽油機診斷儀、控制測試柜、變頻柜、切換柜、電磁制動器。采用變頻器、位移傳感器、中心處理器與抽油機診斷系統組成智能控制系統。

變頻器按照儲存于單片機發出的運行指令控制電機運行,由編碼器檢測電機的運行狀態，然后反饋給單片機,單片機再根據檢測結果計算并控制電機的下步運行方式。直線電機的上行和下行是依靠位置傳感器提供的準確信號來實現的，位置傳感器要求靈敏度高、準確、反映迅速。

3.3 天輪的設計

3.3.1 天輪的設計計算及校核

圖2 天輪軸機構示意圖

初步設計的天輪參數如下：

最大繩徑 Φ60，單繩最大張力 100 kN，輪徑Φ650，外徑 Φ775，軸承座距 630～780，中心高140，重量 550 kg。

根據天輪所受的最大載荷，設計軸的外徑為50 mm，軸所用的材料為45Cr，調質處理，選擇NU210E圓柱滾子軸承。

軸的設計校核

軸的材料取40Cr，調制處理HB=215～255，在軸的兩邊開螺紋孔和油孔。

（1）求軸上的載荷

由圖3可以看出軸所受的載荷等于電動機的載荷加上天輪的重量即：

由于軸的兩邊對稱，所以軸的兩邊所受的力相等，大小等于Fn的一半。

圖3 軸的結構圖

軸的結構基本對稱，軸在轉動過程中，不承受太大轉矩，故軸上的扭轉力矩可以忽略不計，按照軸的彎曲強度校核，其彎矩圖如圖4所示。由圖可以看出危險斷面 I、II、III為危險斷面，I、II面所受的彎矩較小，故這個面無需校核。

圖4 軸的彎矩圖

對III面進行校核：

按彎矩合成應力校核軸的強度：

式中，

σca為軸的計算應力，MPa；

M為軸所受的彎矩，N·mm；

T為軸所受的扭矩，N·mm；

W為軸的抗彎截面系數，mm3。

扭轉切應力為脈動循環變應力，取α=0.6。

根據軸所用的材料為45鋼，調質處理，查得[σ-1]=60MPa，故安全。

校核軸的疲勞強度：

由圖可以看出天輪兩側與軸相交的兩個面比較危險，但是直徑相同，只需校核一個面。該面的兩側相同，只需校核一側。

軸的材料為45鋼，調質處理，查得σB=640MPa，σ-1=275MPa，τ-1=155MPa，顯然軸是安全的。

4 結論

本文完成了直線電機抽油機的整體結構設計。通過對抽油機的結構特點的進行研究分析，實際情況，制定出了整體結構方案。同時進行了抽油機的載荷進行了分析計算并對天輪的結構進行了校核，本抽油機的主要特點是利用直線電機的往復運動直接帶動抽油桿抽油，取消了四連桿機構，占地面積小，效率高。

[1]周開勤.機械零件手冊（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2000.

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Design of Pum ping Unit Driven by LinearMotor

ZHANG Jing-shuang
(Mechanical Engineering Departmentof Tianjin Electromechanical Vocational College，Tianjin 300131，China)

The current general oil pumping equipment ismainly conventional beam pumping unit,but there is a high energy consumption,low efficiency problem.The linear motor pumping unit driven by linear motor,cancellation of mechanical transmission link complex,will change the traditional rotary actuator drive straight reciprocating,the linear motor pumping unit hasmore perfectmotion performance,dynamic performance and the effect of equilibrium.This paper introduces the linearmotor pumping oilmachine working principle,the characteristic and advantage of linear motor pumping oil machine,discusses the development status at home and abroad and the existing problems.To complete the overall design of linearmotor pumping unit,and the selection of themainmotor oilpumpingmachine part.The device is electromechanical integration equipment,mainly analyzed the load of the oil pumping machine and analyzes the strength of the sheave.

linearmotor；pumping unit；wheel；structure design

TG51

A

1672-545X（2013）05-0266-04

2013-02-05

張靜雙（1980—），女，河北冀州人，講師，從事機電一體化方面研究。