抽油機智能平衡調節裝置*

王文芳

(西安石油大學機械工程學院，陜西西安 710065)

0 引言

傳統的游梁式抽油機平衡方式有曲柄平衡、游梁平衡、復合平衡［1］。這三種方式調整繁瑣，工人勞動強度大，且不能夠實時調節［1］。因此出現一些改進型，典型的有:隨動平衡、增加超越離合器、飛輪動能平衡、電機加滾珠絲杠自動調節平衡等［2－3］。隨動平衡方式鋼絲繩在驢頭滑動，實際沖程小于游梁擺角對應沖程，且影響鋼絲繩壽命;增加超越離合器存在不安全因素;飛輪動能平衡在實際油井懸點載荷復雜時平衡效果有所降低［4］;電機加滾珠絲杠自動調節平衡方式中調節裝置本身耗費電能大，因此不能實現抽油機真正意義上的節能。

針對上述問題，在抽油機游梁后部設計一個可以自動實時調節平衡塊的機構，由伺服電機驅動。根據抽油機電機功率、扭矩等的變化情況，實時調節平衡塊位置。因此可以實現抽油機的真正節能。

1 平衡裝置的工作原理

抽油機平衡方式選擇為游梁平衡與曲柄平衡復合型［5］，曲柄平衡塊位置固定，游梁平衡塊位置實時變化，達到實時調節抽油機平衡效果。抽油機智能平衡調節裝置結構如圖1所示，主要由底座、左軸承座、右軸承座、滾珠絲杠、平衡塊、導桿、聯軸器、步進電機組成。整個裝置安裝在游梁式抽油機的游梁后臂上，系統工作時，由控制器發出指令，伺服電機轉動，通過聯軸器帶動滾珠絲杠轉動，滾珠絲杠轉動時，帶動其上的螺母座直線移動，螺母座帶動平衡塊直線移動，為了防止平衡塊轉動，增加了兩個導桿。當平衡塊直線移動時，其效果相當于改變了游梁式抽油機平衡效果，達到實時調節抽油機平衡的目的。滾珠絲杠通過兩端的軸承座固定，軸承座通過底座螺栓固定在抽油機游梁上。

圖1 游梁式抽油機平衡裝置結構圖

2 絲杠螺母副的選型

(1)計算給進牽引力Fm根據抽油機型號，將游梁平衡塊重量取為G=1 000 N，其牽引力為:

式中:α為滾珠絲摩擦系數，α=0.28。

(2)滾珠絲杠螺母的選擇 采用W1L4006外循環螺紋調整預緊的雙螺紋滾珠絲杠副，1列2.5圈，精度等級選為3級。

(3)滾珠絲杠螺母副的傳動效率的計算

式中:r'為絲杠螺母升角;φ為摩擦角，約為10°。

(4)剛度驗算 最大牽引力為280 N，支承間距L=565 mm，絲杠螺母及軸承均進行張緊，預緊力為最大軸向負荷的2/3。

①絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1

式中:δL為滾珠絲杠的允許變形量，mm;L0為滾珠絲杠長度，mm;所以:δL/L0=5×10－6。

由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠有進行了預拉伸，故其拉壓剛度可提高4倍。實際變形量為:

②滾珠與螺紋滾道間接觸變形δ2

W系列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量可取為δ2=0.006 4。實際變形量為:

③支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3

利用6207深溝球軸承d1=35 mm，滾動體直徑dQ=9.25 mm，滾動體數量z=13，因此其軸向接觸變形 δ3為:

因施加預緊力，故實際變形可為:

根據以上計算可得滾珠絲杠總變形量:

由于該總變形量小于定位精度，因此可滿足要求。

3 步進電機的計算和選型

步進電機的選型主要考慮其轉動慣量、力矩、矩頻特性應滿足要求。其等效轉動慣量為傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量。電機力矩計算主要包括快速空載動力矩M起和快速移動時所需力矩M快，電機提供的力矩必須大于二者中最大的一個。步進電機頻率特性可從手冊中查得，主要包括最高空載起動頻率和運行頻率，電機的矩頻特性也應滿足此要求［6］。

(1)縱向進給步進電機等效轉動慣量計算

傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量J總(kg·cm2)可由下列計算:

式中:JM為轉子轉動慣量，kg·cm2;JS為絲杠轉動慣量，kg·cm2。

式中:ρ為絲杠鋼材的密度，取 ρ=0.78×10－3kg/cm3。

(2)縱向進給步進電機初步選型

參考同類型機床，初步選反應式步進電機150BF003，其轉子慣量 JM=10.5 kg·cm2，代入式(9)可得:

考慮步進電機與傳動系統慣量匹配問題:

所以初步選反應式步進電機150BF003，基本滿足慣量匹配的要求。

(3)電機力矩計算

①快速空載動力矩M起

在快速空載起動階段，加速力矩占比例較大，具體計算公式如下:

式中:Mamax為加速力矩，N·cm;M0為附加摩擦力矩，N·cm;Mf為折算到電機軸上的摩擦力矩，N·cm。

經計算可得快速空載動力矩M起為:

②快速移動時所需力矩M快

從上面計算可看出，M快，M起兩種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據。

從表4－13［7］查出，當步進電機為五相十拍時，λ=Mq/Mjmax=0.951

最大靜力矩為:

按此最大靜轉矩從表 4－12［7］查出，150BF003 型最大靜轉矩為15.68 N·cm，大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，但還必須進行考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。

③計算步進電機空載起動頻率

當快速運動時，由圖4－12［7］中 150BF003 步行電機運行矩頻特性曲線知:150BF003型步進電機運行矩頻特性完全可以滿足要求。

4 結語

設計了風光儲聯合的抽油機智能平衡調節裝置的機械部分，在游梁式抽油機不同生產工況條件下，通過調節裝置實時調整平衡塊位置，達到最佳平衡效果。通過對該裝置中的主要零部件進行的計算表明，它可以滿足使用要求。該裝置的設計最終可提高油田現場游梁式抽油機平衡效果，實現節能降耗和綠色生產。

［1］ 劉牧洲，張 勇，邱 露，等.隨動平衡游梁式抽油機設想［J］.新疆石油科技，2007，17(4):42－43+55.

［2］ 任彥朝.游梁式抽油機新型動能平衡裝置及系統動態仿真［D］.秦皇島:燕山大學，2011.

［3］ 劉明皓.常規游梁式抽油機自動平衡調節裝置［J］.石油機械，2012，40(7):100－102+105.

［4］ 王 平，崔臣君，劉麗娟，等.抽油機平衡度實時測量技術［J］.油氣田地面工程，2010，29(10):6－7

［5］ 張建軍，李向奇，石慧寧.游梁式抽油機設計計算［M］.北京:石油工業出版社，2005.

［6］ 朱 林.機電一體化系統設計［M］.第二版.西安:石油工業出版社，2008.

［7］ 趙洪兵.機電一體化系統設計課程設計指導書［M］.西安:西安石油大學，2006.