電磁制動偏置式螺桿泵地面驅動裝置研究

鄒龍慶，崔洪源，付海龍，馮志鵬

（東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶163318）①

螺桿泵作為一種新型的機采舉升方式，因其采油裝置體積小、耗能少、安裝方便，能對稠油、含砂油、高含氣井進行開采，在國內外應用日益廣泛［1］。

目前，現場應用的常規螺桿泵地面驅動裝置防反轉機構主要是在驅動裝置的輸入軸附近裝設1個棘輪棘爪機構，或者在變速部分下部采用楔塊式超越離合器作為防反轉機構。這2種裝置雖然都可以防止抽油桿反轉，但儲存在抽油桿上的轉矩卻沒有得到釋放，在油井作業和維修時，往往造成操作者的人身傷害及抽油桿斷脫等事故，給安全生產帶來隱患［2］。

直驅螺桿泵地面驅動裝置通過在控制箱內設置能耗電阻和獨立剎車控制器，實現自動防反轉卸載軟剎車技術。由于靠電動機直接驅動抽油桿轉動，因此其輸出轉矩取決于電動機的極對數和功率。極對數越高，輸出轉矩和電動機的體積就越大，這就是直驅裝置通常使用較高極數電機的緣故。即便如此，對于定功率的直驅裝置而言，由于缺少減速器，無法增大轉矩，其輸出轉矩還是遠低于常規驅動裝置［3］。

1 抽油桿柱反轉轉矩產生原因分析

螺桿泵在停機時發生反轉現象主要有2部分原因：①在螺桿泵正常工作時，桿柱內會儲存彈性勢能，停機后彈性勢能的釋放會使螺桿泵發生反轉；②螺桿泵停機，并且動液面比較深時，由于油套壓差的作用使油管內的液柱向下運動，從而驅動轉子加速反轉［4］。

1.1 抽油桿柱自身儲存的彈性勢能

螺桿泵正常工作時會伴隨一些轉矩的產生，包括螺桿泵定子和轉子之間產生的摩擦轉矩（Mb）、螺桿泵舉升液體所產生的有功轉矩（M p）、液體對抽油桿的摩擦轉矩（Mr）、抽油桿與油管及扶正器之間的摩擦轉矩（Ms）、角加速度引起的單位長度抽油桿的慣性轉矩（Ma）［5］。這些轉矩的存在會使抽油桿產生彈性變形，當螺桿泵停機時，桿柱儲存的這部分彈性勢能將會釋放，從而導致了螺桿泵的反轉。此時抽油桿柱儲存的轉矩計算公式為

1.2 油套壓差導致的反轉

當螺桿泵停機后，油管內的液柱高于套管內液柱，這就導致了油套壓差的存在，油套壓差使轉子反轉形成液壓馬達效應，從而使桿柱反轉產生轉矩，直至油套恢復平衡為止，于是產生了桿柱加速反轉的現象。螺桿泵停機時，動液面越深，所產生的油套壓差就越大，對轉子所施加的反轉轉矩也越大，油套達到平衡的時間越長，即桿柱反轉的圈數就越多。在油套壓差作用下，抽油桿柱產生的轉矩為

式中：q0為排量，m L/r；ηm為機械效率；Δp為油套壓差，MPa。

彈性勢能的釋放所導致的反轉過程作用時間較短，但所產生的破壞力很大；油套壓差作用而產生的反轉加速過程作用時間長，且隨著時間的推移所產生的破壞力也隨之增強。因此，在研究桿柱反轉轉矩過程中可將上述2個過程分別研究，有利于問題的簡化。

2 結構特點及工作原理

2.1 結構

偏置式螺桿泵地面驅動裝置結構如圖1所示。

圖1 偏置式螺桿泵地面驅動裝置結構

2.2 特點

與常規驅動技術、直驅技術相比，偏置式螺桿泵地面驅動裝置主要有以下優點：

1） 采用電磁制動防反轉裝置，代替棘輪棘爪機構或楔塊式超越離合器機構，使抽油桿反轉轉矩智能點動釋放，避免了脫扣等事故的發生，提高了系統的可靠性，確保了安全生產。

2） 應用高效平面齒輪傳動機構，代替皮帶－錐齒機構，使其性能穩定不丟轉，增加了驅動裝置速度的選擇范圍。

3） 應用小功率電動機直接驅動高效平面傳動機構帶動光桿轉動，有效降低了裝機功率，同時確保了高轉矩的輸出，達到了節能的目的。

2.3 工作原理

偏置式螺桿泵地面驅動裝置采用電磁制動防反轉裝置，該裝置利用高性能的機械彈簧作用在圓盤式剎車鋼板上，通過該鋼板與相同形狀的剎車片接觸，從而實現了制動。將圓盤式剎車板與電磁鐵相連接，當電磁鐵通電后，產生電磁力吸引圓盤式剎車板來壓縮高性能的機械彈簧，從而解除制動。與常規防反轉裝置相比，通過電磁制動防反轉裝置使反轉轉矩智能點動釋放，不僅工作起來更可靠，而且避免了零件之間的剛性碰撞，延長了零件的壽命。

另外，偏置式螺桿泵地面驅動裝置采用高效平面減速機構，由小功率電動機與驅動裝置連為一體，輸出為空心軸直接套裝在螺桿泵的驅動桿上，由方卡子直接和空心軸連接，驅動螺桿泵旋轉，機械效率大幅提高。取消了皮帶，減少了由于皮帶損壞造成的經濟損失及維護成本，將錐齒輪傳動的方式改由硬齒面斜齒輪傳動，避免了錐齒輪傳動比的限制，增加了驅動裝置速度的選擇范圍。

3 制動能力分析與計算

3.1 工作原理

電磁制動結構如圖2所示。當電磁線圈中通入交流電時，線圈內部產生的電磁力吸引銜鐵，主彈簧被壓縮，銜鐵與制動盤產生間隙，電機軸自由轉動，實現螺桿抽油的正常工作；當外部停電或故障斷電，線圈電壓瞬間變為零，電磁力消失，銜鐵在彈簧力的彈性釋放作用下被推擠到制動盤上，銜鐵與制動盤上的剎車片充分接觸產生摩擦轉矩，很快制動，因制動盤與電機軸是通過齒輪副連接的，從而使電機軸很快制動。

圖2 電磁制動結構

3.2 工況分析

驅動裝置的制動依靠電磁制動方式實現，在制動瞬間，電磁裝置產生的電磁轉矩最大，剎車盤在彈簧擠壓下在剎車盤有效接觸面內產生的摩擦轉矩最大，減速機傳動齒輪齒面沖擊載荷最大，是整個制動過程中最危險工況。除此之外，在重新啟動前，儲存的轉矩第1次釋放瞬間，剎車裝置要承受最大靜轉矩的作用，是點動釋放過程不能忽略的因素。

3.3 制動力計算

制動盤有效工作半徑為

式中：R1為摩擦片外圓半徑，m；R2為摩擦片內圓半徑，m。

制動盤受到的正壓力為

式中：k為彈簧剛度，取48 662 N/m；x為彈簧壓縮量，取0.01 m。

制動器制動力矩為

式中：μ為摩擦片的摩擦因數，取0.37。

3.4 環狀電磁鐵應力分析

根據環狀電磁鐵參數，在Solid Works中建立環狀電磁鐵實體模型，進入Solid Works Simulation創建新算例。定義環狀電磁鐵材料為普通鋼AISI 304，屬性參數為：彈性模量E＝190 GPa，泊松比μ＝0.29，密度ρ＝8 000 kg/m3，許用應力［τ］＝206 MPa，切變模量G＝80 GPa。根據環狀電磁鐵工作原理，合理添加約束后，在環狀電磁鐵與摩擦片的接觸面上施加5 839.44 N 軸向正壓力和218.22 N·m繞軸方向的摩擦轉矩。劃分網格并運行分析，顯示環狀電磁鐵的應力分析結果，如圖3。

圖3 環狀電磁鐵應力分析結果

由圖3可以看出：最大應力產生在環狀電磁鐵與空心螺栓接觸的位置，為3.25 MPa，遠小于206 MPa的屈服極限。因此，環狀電磁鐵完全滿足強度要求。

3.5 盤狀剎車片應力分析

根據制動盤和摩擦片參數，在Solid Works中分別建立制動盤與摩擦片實體模型，進入Solid Works Simulation創建新算例。定義制動盤與摩擦片材料為普通鑄鋼AISI 304，屬性參數為：彈性模量E＝190 GPa，泊松比μ＝0.29，密度ρ＝8 000 kg/m3，許用應力［τ］＝206 MPa，切變模量G＝80 GPa。根據盤狀剎車片工作原理，將傳動軸固定，在摩擦片與環狀電磁鐵的接觸面上施加5 839.44 N的軸向正壓力和218.22 N·m繞軸方向的摩擦轉矩。劃分網格并運行分析，顯示盤狀剎車片的應力分析結果，如圖4所示。

由圖4可以看出：最大應力產生在制動盤與齒輪鍵結合的位置，為15.61 MPa，小于206 MPa的屈服極限。故盤狀剎車片完全滿足強度要求。

圖4 盤狀剎車片應力分析結果

4 結論

1） 根據制動力和制動轉矩計算結果判斷，該制動裝置在減速機輸入端的最大制動轉矩計算值為218.2 N·m，若按照減速機降速比10～15計算，到減速機輸出軸即驅動桿的最大轉矩可達到2 182～3 273 N·m，完全可以滿足普通螺桿泵井1 000 N·m左右的制動需要。因此，該制動裝置具備極限剎車工況下剎死的安全制動能力，能夠有效解決常規驅動技術的安全問題。

2） 高效平面減速機以其性能穩定、速比范圍寬、適用范圍廣的絕對優勢，可適應不同性能螺桿泵的需求，為今后實現不同種類螺桿泵驅動裝置的個性化設計提供了廣闊的空間。

3） 偏置式驅動裝置應用小功率電動機直接驅動高效平面傳動機構，能夠有效解決目前直驅裝置因井下轉矩增大而過載停機問題，還可以有效改善直驅裝置轉矩不足的問題。

［1］ 王迪，李和懿，王艷文.偏置式螺桿泵驅動裝置的應用［J］.石油石化節能，2011（10）：27－29.

［2］ 范海濤，呂玉興，張運奎，等.GBF型螺桿泵地面驅動裝置的研制及應用［J］.石油機械，2004，32（4）：37－38.

［3］ 陳曉軍，王興燕.ZLBQ55型直驅式螺桿泵驅動裝置設計［J］.石油礦場機械，2010，39（4）：68－70.

［4］ 孫雙，李金民，楊偉民，等.螺桿泵永磁直驅裝置防反轉改進措施［J］.石油礦場機械，2013，42（11）：92－94.

［5］ 廖云虎，楊志，許強，等.地面驅動螺桿泵抽油桿柱的受力計算［J］.石油礦場機械，2007，36（9）：55－57.