變向前置型游梁式抽油機設計計算

郭登明， 左彩靈，將波，余鵬　(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

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

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變向前置型游梁式抽油機設計計算

郭登明， 左彩靈，將波，余鵬(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

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

[摘要]在對油田常用的常規型抽油機、異相曲柄平衡抽油機、前置型抽油機結構進行分析的基礎上提出了一種新型的變向前置型游梁式抽油機結構，其設計思路是在考慮抽油機的動力性能、能耗的條件下，對游梁式抽油機的結構進行改進，通過將驢頭倒置，在驢頭與井口間增設一套變向繩輪機構，從而實現光桿運動與驢頭運動反向組合。這種改進使新型抽油機具有沖程長、承載能力強、能耗低、運動平穩等優點。該抽油機結構型式在長沖程抽油機設計方面具有明顯的優勢。

[關鍵詞]游梁式抽油機；結構改進；變向機構；節能

目前油田廣泛使用的是常規游梁式抽油機和偏置型抽油機[1 ,2]，這些機型構造簡單、使用維護方便，但是也存在一些弊端：一是不能滿足超長沖程、低沖次的要求；二是高耗能、低效率[3]。因此如何對目前使用的抽油機進行結構改進，提高其性能，使其滿足長沖程、重載荷、低能耗的要求便成為每一個設計者努力的方向[4]。筆者根據華北石油榮盛機械制造有限公司的一項抽油機專利(CN200720103784.6)進行了變向前置型游梁式抽油機的設計計算。

1變向前置型游梁式抽油機的結構模型

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。　　　　圖1　變向前置型游梁式抽油機的結構示意圖

變向前置型游梁式抽油機是一種新型的抽油裝備，其主體結構由前置型游梁式抽油機和一套變向機構組成。在游梁式抽油機的底座上固定有后支架、電機和減速箱，減速箱輸出端連接有曲柄連桿機構，曲柄連桿機構包括曲柄、曲柄平衡塊、曲柄銷、橫梁連桿、橫梁、橫梁軸承座、游梁；在游梁式抽油機的驢頭前部有鋼繩變向機構，鋼繩變向機構包括前支架、拉桿和變向輪，在前支架的頂部通過輪軸連接有變向輪。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，變向機構改變了驢頭、曲柄和連桿的受力方向，驢頭和游梁等運動部件能起到平衡塊作用。其結構如圖1所示，主要由驢頭、游梁、橫梁、連桿、曲柄裝置、減速器、電動機裝置、底座、支架等部分組成。

2變向前置型游梁式抽油機的理論計算

2.1幾何計算

圖2　變向前置型游梁式抽油機機構簡圖

變向前置型游梁式抽油機經過簡化后得到如圖2所示的機構簡圖。圖2中，A為游梁前臂長度，m；C為游梁后臂長度，m；P為連桿長度，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為曲柄銷軸承中心到游梁支座中心的距離，m；θ為曲柄轉角，(°)； θ0為驢頭位于上死點時曲柄的轉角，(°)；θ1為驢頭位于下死點時曲柄的轉角，(°)；ψ為極距和豎直方向的夾角，(°)；ρ為基桿和曲柄銷軸承中心與游梁支座中心的連線之間的夾角， 游梁后臂、曲柄銷軸承中心與游梁支座中心的連線在基桿兩側為正值，在基桿的同側為負值，(°)；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為驢頭位于下死點時游梁后臂和基桿之間的夾角，(°)； φt為驢頭位于上死點時游梁后臂和基桿之間的夾角，(°)；W為懸點載荷，kN； O1為支架軸座中心；O為減速器輸出軸中心；S為沖程長度，m。

根據圖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)轉角θ0為：

(4)

5)轉角θ1為：

(5)

6)沖程長度S為：

S=(φt-φb)A

(6)

2.2運動計算

1)懸點的速度Vt為：

(7)

式中，n為沖次數，r/min；Vt為懸點的速度，m/s。

2)懸點的切向加速度at為：

(8)

式中， ω為曲柄的角速度，rad/s；at為懸點的切向加速度，m/s2。

2.3受力計算

圖3　變向前置型游梁式抽油機機構受力簡圖

(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為結構不平衡重，kN；M為平衡扭矩，調試值，kN·m；τ為偏置角，調試值，(°)。

3變向前置型游梁式抽油機的計算實例及性能分析

表1　變向前置型游梁式抽油機的結構尺寸

筆者以CYJBQ20-7.5-210HF型變向前置型游梁式抽油機為例，對該抽油機的運動參數、動力參數及井下工藝參數進行了詳細的計算，并與相同沖程長度的CYJ20-7.5-210HB型常規抽油機進行對比。具體結構參數見表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和CYJ20-7.5-210HB型常規抽油機在沖次為4.0r/min、泵徑D為57.0mm，沖程長度S為7.5m時的典型工況下的連桿力FL、曲柄凈扭矩TN和計算電動機功率對比圖。

圖4　　　　常規型抽油機和變向前置型游梁式　　　　　　　　　　圖5　　　　常規型抽油機和變向前置型游梁式　　　抽油機連桿力對比圖　　　抽油機凈扭矩對比圖

圖6　　　　常規型抽油機和變向前置型游梁式抽油機　　　計算電動機功率對比圖

根據計算結果可知，在相同工況(即沖程長度、沖次數、懸點載荷、泵徑均相同)下： ①變向前置型游梁式抽油機的最大連桿力比常規抽油機降低35%左右；②變向前置型游梁式抽油機的最大峰值扭矩比常規抽油機降低20%左右； ③變向前置型游梁式抽油機在中小泵徑的條件下,電機功率較常規機降低8%～28%，但隨著泵徑的增大，節能效果逐步降低，當泵徑大于70mm時，不節能。因此該抽油機適合“小泵深抽”的采油工況。

此外，變向前置型游梁式抽油機光桿懸點位移精度高(因變向輪為加工件，可以減小光桿投影圓的直徑)，從而大大減少盤根磨損和漏油現象，保持井口清潔，減少日常維護工作量；變向前置型游梁式抽油機的結構特征在開發長沖程抽油機時具有很大的優勢，符合長沖程低沖次的開采模式要求，適應范圍更廣。但是通過對連桿的受力分析可知， 當光桿失載后，連桿受力很大，因此驢頭上所施加的平衡重不易過大，一般控制在額定懸點載荷的30%以內。

4結語

變向前置型游梁式抽油機是在常規型抽油機、異相曲柄平衡抽油機及前置型抽油機的基礎上提出的一種新型抽油機結構。與現有游梁式抽油機相比具有明顯的優點：

1)承載構件受力狀況得到改善，有較好的節能效果；

2)更容易實現長沖程；

3)在開發超長沖程抽油機方面具有如結構緊湊、運行平穩等明顯的優勢，具有廣闊的應用前景。

[參考文獻]

[1]申彥剛.抽油機在我國的發展趨勢初探[J].工業技術，2013(1)：71.

[2] 郭登明，石江明，王春茂.CYJ12-5.0-73HB型常規抽油機改進設計[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報)，2008，30(6)：152～154.

[3] 王守民，陳文華，張為鄂.國產節能型游梁式抽油機的性能對比分析[J].機電工程，2001，18(6)：80～84.

[4] 方仁杰，朱維兵.抽油機歷史現狀與發展趨勢分析[J].鉆采工藝，2011，34(2)：60～63.

[編輯]趙宏敏

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)04-0061-04

[中圖分類號]TE933.1

[作者簡介]郭登明(1963-)，男，碩士， 教授，現主要從事石油機械與設計方面的教學與研究工作；E-mail：gdmgygygy@vip.163.com。

[基金項目]湖北省高等學校創新團隊基金項目(T200906)；華北石油榮盛機械制造有限公司技術攻關項目(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設計計算[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(4)：61～64，76.