掛接式游梁彎配重在曲柄平衡抽油機上的應用

李蛟真，閆宏乾

常規型曲柄平衡抽油機存在平衡性較差和能耗較高的問題。這類抽油機的主體結構本質上是一個杠桿與一個四連桿的組合。杠桿的支點為中軸承，兩端力臂是游梁的前、后臂，類似一個翹翹板。杠桿兩端靜載荷若基本平衡，則通過四連桿傳動，在后臂上施加一個較小的推力與拉力，克服支點兩端的動載荷，抽油機就可以比較經濟的運轉起來。曲柄平衡的常規抽油機需要在連桿上施加較大推力與拉力的根本原因，就是沒有游梁平衡或游梁平衡份額嚴重不足，主要依靠四連桿中曲柄配重平衡游梁前端總載荷，造成減速器扭矩峰值較大，配套電機功率與運行電流也較大。為此，設計了彎配重塊（圖1），掛接在常規的曲柄平衡抽油機游梁尾部，利用彎梁變矩平衡與曲柄平衡的復合平衡技術，使生產現場上這類大量在用的抽油機，實現了節能生產。

1　彎配重改造應用方法

彎配重（圖2）主要由配重箱、U形板式彎梁、掛接軸、定位靠板、吊環等組成。圓筒形配重箱可用滾板機滾出筒體，筒體內均勻填充碎鐵與混凝土等配重物，兩端用方形鋼板封頭，以便于存放，最后再組焊U形板式彎梁、掛接軸、定位靠板、吊環等即可。吊環需焊在質心位置，保證起吊時配重箱軸線能基本水平，以便于掛接操作。

圖1　改造后的曲柄平衡常規抽油機示意圖

掛接前，游梁尾部上平面還需提前焊接擋板與加強筋。掛接時，只需將板式彎梁的U形口對準游梁尾部，把掛接軸置于游梁擋板的前方，即可下放吊勾，彎梁內的定位靠板在自重作用下自動貼緊游梁尾部。在抽油機運行時，可保證質心始終處于掛接軸的后方與下方，利用自重實現自鎖。拆除時，只需掛上吊環向上提出即可。

圖2　彎梁配重結構示意圖

2　彎配重結構與大小

井筒載荷極大值出現在驢頭換向朝上時，極小值出現在驢頭換向朝下時。在驢頭換向朝上時，抽油機能釋放較大的平衡負載，可有效削減減速器扭矩峰值，有利于節能和平穩生產。

對于曲柄平衡抽油機，其曲柄軸扭矩為[1]：

式中：M為曲柄軸扭矩，N·m；P為懸點載荷，N；C1為游梁前臂長，m；Q曲為曲柄銷處曲柄配重折合重力，N；R為曲柄旋轉半徑，m；θ為曲柄轉角，°；τ為曲柄初相角，°；ω為曲柄角速度，r/s。

由公式（1）知，受曲柄轉角的影響，在上、下死點換向處，常規型抽油機靜平衡扭矩為零，即使異相型抽油機平衡能力也很小，主要靠曲柄慣性載荷沖過死點，因而減速器扭矩峰值較大，不利于節能和平穩生產。

而掛接上游梁配重的曲柄平衡抽油機，其曲柄凈扭矩變為：

式中：Q游為游梁配重重量，N；L為游梁配重臂長，m；δ為游梁配重重心到中軸承連線與游梁水平位置夾角，°；aA為驢頭懸點加速度，m/s2。

由公式（2）知，游梁配重靜載荷不受曲柄轉角的影響，它與游梁擺角δ的余弦成正比，改造時根據抽油機的結構特點，為彎配重設置合理的游梁異相角[2]，可以在驢頭換向朝上時釋放最大的平衡力。游梁配重重量Q游與靜載荷、慣性載荷均成正比，根據現場經驗，以占總平衡量的40%～50%為宜[3-4]，生產運行中調平衡時，只需調曲柄平衡即可。游梁配重慣性載荷在換向處與運動方向相反，且與懸點加速度成正比，沖次越快，慣性載荷越大，為避免驢頭換向朝上時的游梁配重慣性載荷過大，改造抽油機沖次以不大于6次/min為宜。

3　彎配重自鎖可靠性分析

抽油機運轉過程中，在自重作用下，彎配重有一個相對于游梁擋板的逆時針轉矩，并通過定位擋板反作用于游梁尾部，只要這對力矩始終存在，就能確保自鎖定位。為保證這對力矩始終存在，設計改造時，需要驗算抽油機的四連桿機構及彎梁配重的部分幾何關系[5-6]。以大量改造的CYJY14-4.8-73HB型抽油機為例（圖3），其基桿K長5 368 mm，連桿P長4 220 mm，曲柄R長1 240 mm，擺桿C長2 700 mm，游梁軸中心到曲柄軸中心水平距離L長3 580 mm，彎梁配重與游梁異相角γ為22°，彎配重臂長L為4 600 mm，掛接臂長L1為3 200 mm。

圖3　抽油機結構示意

驢頭在下死點位置的ψb角：

驢頭在上死點位置的ψt角：

游梁在水平位置的ψs角：

游梁上擺角δs：

游梁下擺角δx：

驢頭下行時，彎梁配重質心必須小于掛接軸水平高度，否則驢頭由下向上換向過程中，在離心力與慣性力作用下，會造成逆時針轉矩消失而使自鎖失效。驢頭下行時，掛接式彎配重自鎖條件為：

由公式（3）結果知，在驢頭下死點處，彎配重質心低于掛接軸擋板垂直高度，逆時針轉矩及反作用于游梁尾部的力矩均存在，自鎖可靠。

驢頭上行時，盡管到上死點換向向下過程中，離心力與慣性力有助于自鎖，但彎梁配重重心仍不得超越掛接軸鉛垂投影面，否則作用于游梁尾部的反作用力矩消失會造成自鎖失效。驢頭上行時，掛接式彎配重自鎖條件為：

由公式（4）結果知，在驢頭上死點處，彎配重質心沒有超越掛接軸鉛垂投影面，反作用游梁尾部的力矩與逆時針轉矩均存在，自鎖可靠。

現場改造時，要控制好擋板到游梁尾部的水平距離以及U形彎梁內的定位靠板深淺的誤差，兩者對彎配重的游梁異相角γ有影響。擋板到游梁尾部的水平距離遠近與γ角大小呈負相關，U形彎梁內的定位靠板深淺與γ角大小呈正相關。現場改造中要避免因彎配重的游梁異相角γ誤差過大，出現自鎖失效或者配重干涉橫梁。

4　彎配重平衡及運動特性分析

井筒負載極大時，彎配重質心與游梁水平夾角約7°，力臂幾乎在最長位置，有效彌補曲柄在初相角平衡能力不足的情況。井筒負載極小時，彎配重質心與游梁水平夾角約50°，力臂最短，曲柄剛準備蓄能。彎配重與曲柄配重平衡扭矩擬合后，與井筒負載接近對稱平衡。

彎配重與井下負載的平衡屬于一次平衡，負載峰值大幅削減后，再轉移到四連桿系統中，由曲柄平衡塊進行二次平衡。一次平衡僅發生在游梁兩端，大幅減輕從尾軸承、橫梁、連桿、曲柄一直到減速器的負載[7]，使電機裝機需求功率變小。中低沖次運轉，游梁平衡重取值合適，不會額外增加游梁與支架系統的負載，只會讓整機運行更加平穩，用能更少。

與曲柄平衡塊相比，彎梁配重空間位置較高，調整不便，故彎配重采用不可調式，井筒負載變化時，只調整曲柄平衡塊位置，改造后曲柄平衡塊變小，使調平衡工作更容易。彎配重運行軌跡為一段圓弧，圓心為中軸承，半徑為游梁中軸承到配重箱的直線距離，軌跡線在減速器上部的空間，距離地面較高，一般不需采用專門的安全防護。

5　彎配重現場應用情況

現已改造應用抽油機200余臺，都取得了很好的節電效果，典型案例見表1。

表1　W95-77井改造前后效果對比

改造后，該井抽油機曲柄平衡塊質量變小，而平衡度提高，有功功率大幅降低，綜合節電率為21.81%，年節電2.2萬元，當年即可收回投資成本。

6　結論

1）抽油機正常運行時，彎配重質心始終處于掛接點的下方與后方，掛接方式使改造、拆裝、運輸、運行管理等環節都十分方便可靠。

2）彎配重把部分平衡扭矩從減速器轉移到游梁，降低了減速器、尾軸承與連桿等傳動系統負載，有利于延長減速器使用壽命和整機平穩運行。

3）掛接型游梁彎配重用于曲柄平衡抽油機改造，節能效果好，投入回收期短，對指導大量在用的曲柄平衡抽油機平穩與節能生產有較大價值。

參考文獻：

[1]陶景明,楊敏嘉.采油機械[M].北京:石油工業出版社,1988:107-128.

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