基于少齒差行星齒輪減速器的低沖次齒條抽油機設計

王 旭，梁健偉，安斯遠，趙飛鵬，王 洋

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

隨著油田開采的不斷深入，低滲透油田的發現數量越來越多，目前我國已探明的低滲透油田占到新發現油藏的一半以上［1-2］。低滲透油田具有油層儲層滲透率低、豐度低、產量低的特點，相比普通油田而言，其開采難度與開發成本較高［3］。若在低滲透油田的開采中仍使用常規的游梁抽油機，會使抽油機的泵效降低［4］。

國內的研究人員對現有抽油機進行了改進，針對低滲透油井研制了新型抽油機［6-13］。常宇榮［6］等提出了一種蝸輪蝸桿傳動抽油機，采用了蝸輪蝸桿傳動機構，能夠為抽油機提供單級的大傳動比，使抽油機能實現低沖次的采油工作，并且減小了抽油機的尺寸。邵軍［7］等提出了一種齒輪導桿式抽油機，將齒輪齒條機構應用于導桿抽油機，利用不完全齒輪與齒條進行嚙合換向，與常規游梁抽油機相比，降低了電機功率。李杰等［8］提出了一種輪轂電機驅動的齒輪齒條抽油機，簡化了結構并且無需減速器，降低了成本。王磊［9］等提出了一種新型傳動抽油機，利用齒輪齒條傳動替代了常規游梁抽油機的曲柄連桿機構，提高了整機效率。田珍珍［10］等提出了一種橢圓齒輪抽油機，在常規齒輪齒條抽油機的基礎上，將橢圓齒輪加入三級減速器中，改善了抽油機在換向時受到的振動沖擊。李紅才［11］提出了一種超低沖次的抽油機方案，采用了三級四軸減速器，使抽油機的最低沖次達到了1.5 次/min。汪斌［12］等整理了調小沖次的方法，主要包括采用變頻調速、采用大傳動比三級減速器+電機、增加中間減速裝置、采用超低轉速大啟動扭矩電動機等，為他人提供借鑒。楊洋洋等［13］開發柔性超長沖程抽油機，并對其運動特性及懸點載荷開展了分析，確定了長沖程抽油機懸點載荷的計算方法。

綜上所述，本文針對超低滲透油田生產需求［14］，提出一種天車輪式齒條抽油機方案，采用大傳動比減速器幫助抽油機降低沖次的方法，設計并使用少齒差齒輪減速器為抽油機提供大傳動比，目標是使該抽油機最低沖次能達到1 次/min。還對抽油機進行了運動學及運動特性影響因素分析。

1 結構及原理

1.1 少齒差齒輪減速器結構及原理

少齒差齒輪減速器屬于漸開線行星齒輪減速器中的一種，其單級傳動比i 為10～100，而常規的圓柱齒輪減速器單級傳動比i≤8，少齒差齒輪減速器可提供的傳動比更大。為了實現更低的沖次，本方案設計并采用了少齒差齒輪減速器。依據抽油機的生產需求，對少齒差齒輪減速器的傳動比按i ＝188 進行了設計，以獲取1 次/min的超低沖次。圖1 為漸開線少齒差行星齒輪減速器的剖面視圖。采用了雙內嚙合（NN）型傳動，由兩對漸開線少齒差齒輪副組成，共同完成減速，不需要其他輸出機構。由于設計的所需傳動比i ＞28，為提高傳動效率，采用了內齒輪進行輸出［15］，其傳動形式如圖2 所示。其主要工作原理是內齒輪2 固定，電機的動力經帶傳動至少齒差齒輪減速器偏心軸，帶動雙聯齒輪1、3 自轉及圍繞中心公轉，雙聯齒輪1、3 連為一體，外齒輪3再帶動內齒輪4，使內齒輪4 作低速輸出。

圖1 少齒差齒輪減速器的剖面視圖

圖2 NN型減速器的傳動形式

常規游梁抽油機使用的三級齒輪減速器傳動比在80～140，最低可實現抽油機沖次為1.5 次/min，本文的少齒差齒輪減速器傳動比為188，可使抽油機實現最低沖次為1 次/min，讓抽油機降低了沖次，提升了泵效。并且常規游梁抽油機三級齒輪減速器要進行三級減速，減速器結構尺寸比較大，在實現沖次為1.5 次/min 時，中心距能達到900 mm，而本文的少齒差齒輪減速器采用NN型內嚙合傳動，充分利用了傳動空間，減小了尺寸，在提供傳動比為188 時，其中心距為2.4 mm，結構更為緊湊。

1.2 抽油機結構及原理

圖3 為天車輪式齒條抽油機的總體結構示意圖，包括傳動部分、換向部分、平衡部分、機架等。傳動部分將電動機的動力經聯軸器傳遞到少齒差齒輪減速器的輸出軸上，為抽油機提供較大的傳動比，以實現低沖次采油。換向部分由轉盤、固定銷軸、長桿、齒輪齒條、天車輪等構成。少齒差齒輪減速器輸出軸帶動轉盤逆時針轉動，轉盤上的固定銷軸在長桿的滑槽內滑動并推動長桿在機架頂部的軌道上進行左右的往復直線運動。同時，長桿上的齒條與齒輪嚙合傳動，使得與齒輪通過軸相連接的天車輪進行往復回轉運動，從而完成采油作業。

圖3 天車輪式齒條抽油機結構示意圖

2 運動學分析

本文對抽油機懸點的運動特性曲線進行分析，分別包括懸點位移、速度、加速度曲線，為動力學分析提供基礎。

天車輪式齒條抽油機的換向機構簡圖如圖4 所示。圖4 中，以懸點處于下死點（即抽油桿處于最低位置）時，固定銷軸所對應位置A 作為機構運動的起始點。此時，滑槽位于轉盤上的A點。懸點處于上死點時候（即抽油桿處于最高位置）時，固定銷軸所對應位置為B點。任一時刻，固定銷軸所在位置與初始位置間的夾角為θ，以逆時針為正。

圖4 換向機構運動簡圖

（1）懸點位移

根據余弦定理可得，當轉盤由初始位置轉動任意角度θ時，懸點的位移S為：

式中：θ為轉盤由初始位置轉動任意角度，（°）；R為固定銷軸的回轉半徑，R1為齒輪半徑，R2為天車輪半徑，m。

（2）懸點速度

將位移對時間求導可求得任一時刻懸點的速度為：

（3）懸點加速度

將速度V關于時間t 求導數，即可求得任一時刻懸點的加速度為：

3 實例計算

本節將驗證在沖次為1 次/min 時，常規游梁抽油機與天車輪式齒條抽油機的運動性能，并進行對比分析。

3.1 基本參數

以某油田8 型抽油機［16］機構參數為參考，其機構參數如表1 所示，天車輪式齒條抽油機參數為R ＝1.5 m，R1＝1 m，R2＝1 m。

表1 CYJ－8－3－37HB型常規抽油機機構尺寸

3.2 計算結果

在Matlab中編寫程序，將8 型抽油機尺寸參數及天車輪式齒條抽油機的參數R ＝1.5 m，R1＝1 m，R2＝1 m，N ＝1 次/min分別導入其程序里，可得抽油機的加速度曲線如圖5 所示。由圖可得，在沖程、沖次相同的情況下，天車輪式齒條抽油機的加速度曲線相比常規游梁抽油機的加速器的曲線變化的幅度更小，說明它比常規游梁式抽油機運行的更加平穩。并且抽油機的慣性載荷取決于懸點加速度的大小，懸點加速度越小則慣性載荷越小。在沖次為1 次/min 時，天車輪式齒條抽油機的最大加速度為0.016 4，常規游梁抽油機的最大加速度為0.024 3。天車輪式齒條抽油機最大加速度比常規游梁抽油機的最大加速度降低了約32.5%，說明運行時受到的沖擊更小一點。

圖5 1次/min下抽油機加速度曲線對比

3.3 懸點運動特性影響因素分析

3.3.1 不同沖次對抽油機運動特性的影響

在抽油機沖程一定時，改變沖次，研究其對抽油機運動特性的影響。取沖程為3 m，沖次分別為1、1.5、2次/min，利用Matlab進行編程，繪制運動特性曲線如圖6—8 所示。

圖6 不同沖次下的位移曲線

從圖6 可以看出，3 個不同沖次的懸點位移曲線重疊在了一起，表明沖次的高低不會改變抽油機的沖程大小及位移曲線的形狀，隨著轉盤轉角的變化，懸點位移由零逐漸變大，最大沖程仍為3 m，并且上下沖程的位移曲線是對稱的。

從圖7 可以看出，隨著沖次的增大，抽油機懸點速度隨之增大，沖次越低，抽油機的速度曲線越加平緩，抽油機運行得也更加平穩，抽油機沖次N 分別為1、1.5、2 次/min時，其懸點的最大速度分別為0.157 1、0.235 6、0.314 2 m/s，速度曲線的形狀類似于正弦曲線，以沖次為1 次/min 時為例，轉盤轉角為90°時候，懸點速度為0.157 1m/s；轉盤轉角為270°時，懸點速度為-0.157 1m/s，這表明在上下沖程到一半的時候，它們的懸點速度都達到最大值，并且上下沖程的懸點最大速度大小一樣大。

圖7 不同沖次下的速度曲線

從圖8 可以看出，隨著沖次的增大，抽油機懸點加速度越來越大，抽油機沖次越低，則啟動時所受到的沖擊越小，抽油機沖次N為1、1.5、2 次/min 時，其懸點的最大加速度分別為0.016 4、0.037 0、0.065 8，速度曲線的形狀類似于余弦曲線，以沖次為1 次/min 時為例，轉盤轉角為0°時，其加速度大小為0.016 4，轉盤轉角為180°時，其加速度為-0.016 4，表明在啟動和換向時，抽油機的加速度達到最大值，并且啟動時和換向時的加速度的大小相同。

圖8 不同沖次下的加速度曲線

3.3.2 不同固定銷軸回轉半徑對抽油機運動特性的影響在抽油機沖次一定時，改變固定銷軸的回轉半徑，研究其對抽油機運動特性的影響。取沖次為1 次/min，固定銷軸回轉半徑分別為0.6、0.8、1 m，利用Matlab進行編程，繪制運動特性曲線如圖9—11所示。

圖9 不同回轉半徑下的位移曲線

從圖9 可以看出，隨著固定銷軸回轉半徑的變化，抽油機位移曲線的發生改變，當回轉半徑R分別為0.6、0.8、1 m時，其沖程分別為1.2、1.6、1 m，這表明固定銷軸回轉半徑越大，則沖程越大，但上下沖程的運動規律仍是一致的。

從圖10 可以看出，隨著固定銷軸回轉半徑的增大，懸點的最大速度也在增大，但最大速度仍位于轉盤轉角為90°和270°處，以回轉半徑為1 m時為例，在轉盤轉角分別為90°和270°時，抽油機的懸點速度大小均為0.104 7 m/s，方向相反。

圖10 不同回轉半徑下的速度曲線

從圖11 可以看出，當沖次一定時，固定銷軸回轉半徑越大，則抽油機的起動加速度越大，且上下沖程的最大加速度的大小一樣大。

圖11 不同回轉半徑下的加速度曲線

4 結束語

本文針對低滲透油田的特點，提出了一種天車輪式齒條抽油機的方案。設計并采用少齒差齒輪減速器進行傳動，在選用原有泵徑、沖程的基礎上，使抽油機最低沖次由1.5 次/min降至1 次/min，滿足了超低滲油田的生產需要，提高了泵效并減小了抽油機尺寸。同時，在抽油機沖次為1 次/min的條件下，對比了天車輪式齒條抽油機與常規游梁抽油機的懸點加速度曲線，發現天車輪式齒條抽油機運行更加平穩，運行時懸點最大加速度比常規游梁抽油機的最大加速度降低超過32.5%，在運行時受到的沖擊更小。分析還發現沖次對懸點的運動特性有影響，但沖次的高低不會改變抽油機位移曲線的規律，沖次越低，抽油機運行得越平穩，受到的沖擊也越小。固定銷軸回轉半徑越大，抽油機的沖程、速度、加速度也越大。