一種恒功率節能多速驅動裝置的應用

溫時明

（山西省平遙減速器有限責任公司，山西平遙 031100）

0 引言

目前，我國油田市場的井況（沖次）不斷變化，新投入的油井要求抽油頻率快，對應的抽油機減速器[1]的輸出轉速變快，通常要求輸出轉速為5～7 r/min。但抽油機運轉一段時間后，受井況的影響，會出現油井石油滲透性[2]變慢的情況，進而使得抽油桿出現空抽油的情況，這勢必要求降低轉速以降低沖次來滿足使用要求。通常油田會改變皮帶輪或更換8極或10極電動機來實現。如果更換成大皮帶輪會出現因電動機上小皮帶輪包角[3]減小而導致的傳動失效；如果更換8極或10極電動機會導致能耗增大，采油成本增加，不符合節能環保的要求。井況若再次變化時，就需要再次投入。而且每次裝卸皮帶輪、電動機時存在安全隱患。恒功率節能驅動裝置作為變換輸入轉速的關鍵部件，在不更換電動機或皮帶輪的情況下，能根據不同井況的要求實現不同沖次的抽油。

1 現狀調查

通過對遼河某油田調研后得知，現場的JLH750-26H抽油機減速器共計12臺，其中2臺停機待啟動，電動機為8極15 kW。現場操作人員正常點動抽油機啟動按鈕。此時，曲柄處于抽油機減速器的輸出軸正下方，啟動電動機約5 s后曲柄回落到原來位置，電控柜會因電動機超載而自動斷電，無法完成抽油機的正常啟動。現場工作人員只能聯系附近吊車將曲柄置于抽油機減速器的輸出軸正上方，同時拉緊剎車連桿，使曲柄暫時保持在正上方位置，當操作人員準備開機時，在啟動電動機的一瞬間松開剎車連桿，注意此時曲柄下落的轉向與抽油機正常運行的方向需保持一致，此時，在曲柄轉動慣性的作用下，抽油機便可完成正常啟動[4]。

長慶油田采油廠某庫房每臺CYJ650-13H抽油機減速器都配套了3種不同的皮帶輪，這些皮帶輪全部是為井況變化后匹配不同的沖次而準備的。抽油頻率為7 次/min時配套的皮帶輪直徑為?570 mm，抽油機抽油頻率為6次/min時配套的大皮帶輪直徑為?665 mm，抽油頻率為5次/min時配套的皮帶輪直徑為?800 mm。當井況油液滲透變化時，油田維護人員會依據沖次要求更換不同的大皮帶輪，來達到合適的抽油沖次，保證抽油效率。更換過程比較費時、費力且存在安全隱患。油井原油滲透性再次變差時，容易出現空抽現象，造成能源浪費。

我們對勝利油田的130種不同機型抽油機進行沖次[1]統計：最高沖次為8.48 次/min，中間沖次為6.42 次/min，最低沖次為4.45 次/min。通過觀察確定抽油機減速器的傳動比為31.5左右。現有抽油機使用的電動機、皮帶輪、抽油機減速器難以滿足長沖程、低沖次的要求，且配套的抽油機功率較大，易造成能源浪費。

2 原因分析

我國各大油田，在采油初期通常投入的減速器功率大，轉速高。隨著采油過程的持續進行，油井中原油的滲透性會變差，按照原有的抽油機沖次抽油，空抽現象嚴重，會出現“大馬拉小車”的情況，降低了抽油機的采油效率。按照保守估計，在國內現役的游梁式抽油機總量在30萬臺以上，電動機裝機容量在12 000 MW，年消耗電量在500 億kW·h，造成了抽油機的運行效率低，平均僅為25.96%，年節電空間可達到幾十億千瓦時。

目前，各采油公司為降低抽油機能耗，選擇的配套電動機往往只能滿足正常抽油的需求，此時抽油機計算功率只能確保正常抽油，沒有考慮啟動時曲柄自重的影響，特別是大曲柄位于抽油機正下方時，曲柄自身重力產生的轉矩會遠超過抽油機減速器輸出軸的額定轉矩[4]，通常為抽油機減速器輸出軸轉矩的2～3倍。當開啟電動機時，大曲柄會在電動機驅動力的作用下旋轉一定角度便自動跳閘后停止工作，易造成啟動困難或無法啟動。

在長慶油田調研時發現，一些采油廠會根據井礦變化配套不同直徑的皮帶輪，當更換皮帶輪時，需要停機并采用吊車進行更換，更換時間至少需要4 h，而且在更換過程中存在安全隱患，人員投入較大，井況再次變化時需要再次更換皮帶輪。給現場油井的管理帶來了諸多不利因素。而且，我們發現采油廠無限制增大抽油機減速器輸入軸處的皮帶輪直徑，會造成小皮帶輪處的包角[3]非常小，特別是遇到雨、雪天氣，會出現皮帶打滑的情況，降低了傳動效率，嚴重影響石油的開采。

通過以上分析不難看出，開發一款既節能又能輸出多種轉速的抽油裝置成了當務之急。一種恒功率節能多速驅動裝置的應用成了油田新型采油的革命性產品。

3 結構介紹

恒功率節能多速驅動裝置的結構如圖1所示。

圖1 恒功率節能多速驅動裝置

主動齒輪16、主動齒輪15、主動齒輪14分別通過平鍵固定在主動齒輪軸2上。從動齒輪3與從動齒輪6分別間隙配合在傳動齒輪4上，傳動齒輪4通過平鍵固定在輸出軸11上，傳動齒輪4上左右兩側分別設計有花鍵外齒，它通過花鍵，依次將換擋齒輪5與從動齒輪3或從動齒輪6連接，同理，從動齒輪7與從動齒輪10分別間隙配合在傳動齒輪8上，傳動齒輪8通過平鍵固定在輸出軸11上，傳動齒輪7通過花鍵連接，依次將換擋齒輪9與從動齒輪7或從動齒輪10連接。

電動機1的輸出軸通過內花鍵套與主動齒輪軸2連接起來，在電動機1的驅動下，主動齒輪軸2、主動齒輪16、主動齒輪15、主動齒輪14隨著電動機的轉動而轉動。此時，根據嚙合原理，主動齒輪軸2與從動齒輪3,主動齒輪16與從動齒輪6,主動齒輪15與從動齒輪7,主動齒輪14與從動齒輪10四對齒輪分別進行嚙合，此時，換擋齒輪5和換擋齒輪9位于空擋位置，只是各自嚙合空運轉，不傳遞轉矩。當換擋齒輪5向左撥動時，換擋齒輪5會將從動齒輪3與傳動齒輪4通過內外花鍵連接起來，此時動力會通過齒輪嚙合傳遞到輸出軸11上，帶動小皮帶輪12輸出轉矩。將換擋齒輪5向右撥動時，換擋齒輪5會將傳動齒輪4與從動齒輪6通過內外花鍵連接起來，此時動力會通過齒輪嚙合傳遞到輸出軸11上，進而帶動小皮帶輪12輸出轉矩。

同理，當換擋齒輪9向左撥動時，換擋齒輪9會將從動齒輪7與傳動齒輪8通過內外花鍵連接起來，此時動力也會通過齒輪嚙合傳遞到輸出軸11上，進而帶動小皮帶輪12輸出轉矩。同理，將換擋齒輪9向右撥動時，換擋齒輪9會將從動齒輪10與傳動齒輪8通過內外花鍵連接起來，此時動力會通過齒輪嚙合傳遞到輸出軸11上，進而帶動小皮帶輪12輸出特定的轉矩。

已知：電動機1為4極11 kW電動機，轉速為1500 r/min，輸出轉矩為70 N·m，從動齒輪3與主動齒輪軸2的齒數比為4。得出：齒輪組A的輸出轉速為375 r/min，輸出轉矩為280 N·m。同理，從動齒輪6與主動齒輪軸16的齒數比為3，齒輪組B的輸出轉速為500 r/min，輸出轉矩為210 N·m。從動齒輪7與主動齒輪軸17的齒數比為2，齒輪組C的輸出轉速為750 r/min，輸出轉矩為160 N·m。從動齒輪10與主動齒輪軸14的齒數比為1.5，齒輪組D的輸出轉速為1000 r/min，輸出轉矩為110 N·m。

當抽油機曲柄位于抽油機減速器輸出軸正下方，重新啟動抽油機減速器時，我們只需要將擋位設定在齒輪組A處，便能將現有的啟動轉矩瞬時提高4倍，輕松完成抽油機的啟動。一旦正常運行后，它便能根據井況的變化實現多種輸出轉速，即6極1000 r/min、8極750 r/min、12極500 r/min、16極375 r/min。當抽油機需要低沖次時只需要操作變速桿就能實現。且不需要更換其它零件就能滿足不同沖次（特別是低沖次）的要求。也就是說，在需要時它可將一臺4極電動機轉化為6極/8極/12極/16極電動機。

這里需要強調的是，換擋齒輪A和換擋齒輪B之間的換擋操作是通過撥叉實現的，而兩撥叉之間是通過定位槽來實現互鎖的，不會造成動作的混亂。如圖2所示，當撥桿2向前撥動時，撥桿會進入到撥叉1的槽內，繼續向左撥動時，從動齒輪3與傳動齒輪A會連接起來傳遞動力，當向右撥動時，從動齒輪6與傳動齒輪A會連接起來傳遞動力。當撥桿向后撥動時，撥桿會進入撥叉3的槽內，繼續向左撥動時，從動齒輪7與傳動齒輪A會連接起來傳遞動力，當向右撥動時，從動齒輪10與傳動齒輪A會連接起來傳遞動力。

圖2 換擋示意圖

該恒功率節能多速驅動裝置采用4極電動機完成了4種速比的調配，能隨時進行抽油頻率的切換，提高了抽油機的采油效率，不僅解決了現有油田在采油過程中能耗高的問題，還解決了抽油機啟動困難的問題，消除了更換皮帶輪時帶來的安全隱患。它能使配套的電動機功率降低兩擋，平均節電20%～35%。

它具有如下特點：1）超低速運轉的功能。目前國內市場存在長沖程、低沖次油井，運行過程中，低沖次油井要求抽油機減速器輸出軸的轉速為1 r/min,恒功率節能多速驅動裝置調到16極轉速加皮帶輪傳動就能完全滿足使用要求。2）運行功率小、啟動轉矩大。恒功率節能多速驅動裝置實際配套的是4極小功率電動機，它是根據油井井況變速的，輸出軸轉矩不變，轉速變低，速比增大，功率就會降低。3）輸出軸安裝的皮帶輪直徑大，有利于皮帶傳動，同時設計制造時采用脹緊套連接，當正常運行時脹緊套[5]連接傳遞轉矩，當載荷大于設定轉矩時出現脹緊套間打滑，起到過載保護的作用。4）啟動負荷過大時，恒功率節能多速驅動裝置能先低擋運行到有利位置，再變速到實際的擋位運行。5）具有恒功率運行的特點。

4 結語

目前，該恒功率節能多速驅動裝置已在我公司兆瓦級機械功率全封閉試驗臺上多次使用，取得了較高的經濟效益。同時我公司已經在遼河、大港、大慶等油田應用百余臺。用戶反饋良好，能滿足油田各類抽油機的使用，特別適用于低沖次、長沖程抽油機的使用。該裝置具有超低轉速功能、過載保護功能、恒功率運行功能，適合在當今低沖次抽油機市場推廣。