非對稱循環游梁平衡抽油機初探

袁德洲+李祖國

摘要：非對稱循環游梁平衡抽油機（以下簡稱非對稱機）是在常規型曲柄平衡抽油機（以下簡稱常規機）的基礎上，變搖桿的對稱循環為非對稱循環；變曲柄平衡為游梁平衡。通過幾何特征、扭矩因數曲線、扭矩曲線的分析，闡述了這種抽油機的節能機理。理論計算表明：這種抽油機具有良好的運動特性及動力特性，節能效果好，值得賞試。

關鍵詞：非對稱循環；游梁平衡

一、前言

常規機以其安全可靠、使用維護方便等優點贏得了廣大用戶的信賴，但其能耗較高與當今能源緊張問題產生了較深的矛盾。

前些年，人們為了降低抽油機的能耗，打破傳統的四桿機構，設計出許多新型的無游梁式抽油機，如：鏈條式抽油機、寬帶式抽油機等。無疑這些無游梁抽油機為抽油機的家族添加了新成員，但由于無游梁抽油機固有的特點，不得不采用可靠性較差的撓性構件，在使用過程中某些關鍵的零部件壽命短、故障率高，給使用與管理帶來不便，即“節能”和“可靠”產生了對立的矛盾。為此，抽油機的設計者們力求尋找一種在可靠性方面能與常規機媲美，而又節能的新型抽油機，即“二者兼顧”，從而出現了雙驢頭抽油機、六連桿抽油機等。但這些抽油機也存在著安裝維修不便，可靠性不及常規機的缺點。

近年來，游梁平衡抽油機被廣泛采用，在用的常規機也大量進行游梁平衡改造，現場試驗證明，游梁平衡抽油機不僅可靠性好，還具有一定的節能效果，基本實現“二者兼顧”。

筆者認為：采用非對稱機可使節能效果更好，值得賞試。

二、非對稱機結構及幾何特征

1、結構

與常規機相比，非對稱機在結構上有二點變化：一是變曲柄平衡為游梁平衡；二是當游梁于水平位置時，橫梁軸承座的布置位置高于或低于中央軸承座一定的距離。橫梁軸承座置于中央軸承座上方，我們稱之為上偏非對稱循環抽油機（簡稱上偏機）；橫梁軸承座置于中央軸承座下方，我們稱之為下偏非對稱循環抽油機（簡稱下偏機）。

2、幾何特征

對于常規機，其幾何特征為：搖桿擺動的角度沿水平線對稱分布，即：Ψ1=Ψ2，初始角Θ0=0，極位夾角λ=0，且上、下沖程曲柄轉角相等。

當搖桿為非對稱循環時，搖桿擺動的角度沿水平線非對稱分布，即：Ψ1≠Ψ2，極位夾角≠0，初始角Θ0≠0。

上偏非對稱循環時，ψ1>ψ2，極位夾角λ<0，初始角Θ0>0，且上沖程曲柄轉角小于下沖程曲柄轉角。

下偏非對稱循環時，ψ1<ψ2，極位夾角λ>0，初始角Θ0<0，且上沖程曲柄轉角大于下沖程曲柄轉角。

三、運動特性及節能機理

1、扭矩因數曲線TF

扭矩因數與幾何參數直接相關，上述幾何特征的改變，使TF曲線的初始相位發生變化。如圖4所示，當曲柄位于下死點位置時，對于常規機，扭矩因數近似為0，上偏機扭矩因數為負值，下偏機扭矩因數為正值，即上偏機TF曲線右移一定的相位，下偏機左移一定的相位，TF曲線相位的改變，使波峰和波谷的位置也發生相應的改變，即上偏機波峰和波谷滯后，下偏機波峰和波谷超前。

2.扭矩曲線

圖1所示為常規機三條扭矩曲線，其中Tw為懸點載荷扭矩曲線，Tm為平衡扭矩曲線，Tn

為凈扭矩曲線，由圖1得出：

a）Tm曲線為一標準的正弦曲線；

b）Tw曲線為近似正弦曲線；

c）Tw曲線與Tm曲線的峰值存在相位差Δθ；

d）Tw與Tm二者疊合后所得的Tn曲線仍有較高的波峰，即減速器凈扭矩峰值較大，且均方根扭矩仍然較大、負扭矩的范圍和峰值也較大。

根據上偏機、下偏機扭矩曲線圖同樣可以得出：

a）Tw、Tm曲線均為近似正弦曲線；

b）Tw曲線與Tm曲線的峰值相位差幾乎為0；

c）Tw與Tm二者疊合后所得的Tn曲線波峰減小，即減速器凈扭矩峰值減小，且均方根扭矩小、負扭矩小。

3、平衡扭矩曲線

通過改變游梁平衡重鉛垂位置，也可改變平衡扭矩曲線的初始相位。上偏機由于TF曲線的右移，使得Tw曲線也右移，下偏機由于TF曲線的左移，使得Tw曲線左移，這就要求平衡扭矩曲線Tm也要與Tw作相應的移動，所以，上偏機和下偏機應有不同的初始相位，以滿足峰值重合，疊加效果好。

4、節能機理

通過運動特性分析，得出上偏機、下偏機的節能機理：通過橫梁軸承座置相對于中央軸承座的位置的偏置，改變扭矩因數的初始相位，即改變懸點載荷扭矩曲線的峰值位置；另一方面設置合適的平衡重的初始相位，使平衡扭矩曲線與懸點載荷扭矩曲線達到較好的疊合，從而減小凈扭矩峰值，減小均方根扭矩，達到節能的目的。經理論計算，上偏機、下偏機節能效果可達10%～30%

四、結束語

1、上偏機、下偏機具有一定的節能效果，節電率與工況參數相關，不同的工況，峰值扭矩出現的位置不同，因此，如果橫梁軸承座為上、下連續可調，平衡重為上、下連續可調，即初始相位連續可調，可獲得更好的節能效果；

2、橫梁軸承座及平衡重的偏置量直接影響節電率，不同的工況應有不同的偏置量，它們之間使節能效果最佳的對應關系需要大量的現場試驗才能得出；

3、上偏機與下偏機節能效果相當，但上偏機橫梁連接螺栓不受拉力，動力特性好，可靠性好。endprint