電磁制動(dòng)偏置式螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置研究

鄒龍慶，崔洪源，付海龍，馮志鵬

（東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318）①

螺桿泵作為一種新型的機(jī)采舉升方式，因其采油裝置體積小、耗能少、安裝方便，能對(duì)稠油、含砂油、高含氣井進(jìn)行開采，在國內(nèi)外應(yīng)用日益廣泛［1］。

目前，現(xiàn)場應(yīng)用的常規(guī)螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置防反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是在驅(qū)動(dòng)裝置的輸入軸附近裝設(shè)1個(gè)棘輪棘爪機(jī)構(gòu)，或者在變速部分下部采用楔塊式超越離合器作為防反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。這2種裝置雖然都可以防止抽油桿反轉(zhuǎn)，但儲(chǔ)存在抽油桿上的轉(zhuǎn)矩卻沒有得到釋放，在油井作業(yè)和維修時(shí)，往往造成操作者的人身傷害及抽油桿斷脫等事故，給安全生產(chǎn)帶來隱患［2］。

直驅(qū)螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置通過在控制箱內(nèi)設(shè)置能耗電阻和獨(dú)立剎車控制器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防反轉(zhuǎn)卸載軟剎車技術(shù)。由于靠電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)抽油桿轉(zhuǎn)動(dòng)，因此其輸出轉(zhuǎn)矩取決于電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)和功率。極對(duì)數(shù)越高，輸出轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)的體積就越大，這就是直驅(qū)裝置通常使用較高極數(shù)電機(jī)的緣故。即便如此，對(duì)于定功率的直驅(qū)裝置而言，由于缺少減速器，無法增大轉(zhuǎn)矩，其輸出轉(zhuǎn)矩還是遠(yuǎn)低于常規(guī)驅(qū)動(dòng)裝置［3］。

1 抽油桿柱反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原因分析

螺桿泵在停機(jī)時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象主要有2部分原因：①在螺桿泵正常工作時(shí)，桿柱內(nèi)會(huì)儲(chǔ)存彈性勢能，停機(jī)后彈性勢能的釋放會(huì)使螺桿泵發(fā)生反轉(zhuǎn)；②螺桿泵停機(jī)，并且動(dòng)液面比較深時(shí)，由于油套壓差的作用使油管內(nèi)的液柱向下運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子加速反轉(zhuǎn)［4］。

1.1 抽油桿柱自身儲(chǔ)存的彈性勢能

螺桿泵正常工作時(shí)會(huì)伴隨一些轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，包括螺桿泵定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩（Mb）、螺桿泵舉升液體所產(chǎn)生的有功轉(zhuǎn)矩（M p）、液體對(duì)抽油桿的摩擦轉(zhuǎn)矩（Mr）、抽油桿與油管及扶正器之間的摩擦轉(zhuǎn)矩（Ms）、角加速度引起的單位長度抽油桿的慣性轉(zhuǎn)矩（Ma）［5］。這些轉(zhuǎn)矩的存在會(huì)使抽油桿產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)螺桿泵停機(jī)時(shí)，桿柱儲(chǔ)存的這部分彈性勢能將會(huì)釋放，從而導(dǎo)致了螺桿泵的反轉(zhuǎn)。此時(shí)抽油桿柱儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

1.2 油套壓差導(dǎo)致的反轉(zhuǎn)

當(dāng)螺桿泵停機(jī)后，油管內(nèi)的液柱高于套管內(nèi)液柱，這就導(dǎo)致了油套壓差的存在，油套壓差使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)形成液壓馬達(dá)效應(yīng)，從而使桿柱反轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，直至油套恢復(fù)平衡為止，于是產(chǎn)生了桿柱加速反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。螺桿泵停機(jī)時(shí)，動(dòng)液面越深，所產(chǎn)生的油套壓差就越大，對(duì)轉(zhuǎn)子所施加的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩也越大，油套達(dá)到平衡的時(shí)間越長，即桿柱反轉(zhuǎn)的圈數(shù)就越多。在油套壓差作用下，抽油桿柱產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為

式中：q0為排量，m L/r；ηm為機(jī)械效率；Δp為油套壓差，MPa。

彈性勢能的釋放所導(dǎo)致的反轉(zhuǎn)過程作用時(shí)間較短，但所產(chǎn)生的破壞力很大；油套壓差作用而產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)加速過程作用時(shí)間長，且隨著時(shí)間的推移所產(chǎn)生的破壞力也隨之增強(qiáng)。因此，在研究桿柱反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩過程中可將上述2個(gè)過程分別研究，有利于問題的簡化。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)

偏置式螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 偏置式螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

2.2 特點(diǎn)

與常規(guī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、直驅(qū)技術(shù)相比，偏置式螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1） 采用電磁制動(dòng)防反轉(zhuǎn)裝置，代替棘輪棘爪機(jī)構(gòu)或楔塊式超越離合器機(jī)構(gòu)，使抽油桿反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩智能點(diǎn)動(dòng)釋放，避免了脫扣等事故的發(fā)生，提高了系統(tǒng)的可靠性，確保了安全生產(chǎn)。

2） 應(yīng)用高效平面齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，代替皮帶－錐齒機(jī)構(gòu)，使其性能穩(wěn)定不丟轉(zhuǎn)，增加了驅(qū)動(dòng)裝置速度的選擇范圍。

3） 應(yīng)用小功率電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)高效平面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光桿轉(zhuǎn)動(dòng)，有效降低了裝機(jī)功率，同時(shí)確保了高轉(zhuǎn)矩的輸出，達(dá)到了節(jié)能的目的。

2.3 工作原理

偏置式螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置采用電磁制動(dòng)防反轉(zhuǎn)裝置，該裝置利用高性能的機(jī)械彈簧作用在圓盤式剎車鋼板上，通過該鋼板與相同形狀的剎車片接觸，從而實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)。將圓盤式剎車板與電磁鐵相連接，當(dāng)電磁鐵通電后，產(chǎn)生電磁力吸引圓盤式剎車板來壓縮高性能的機(jī)械彈簧，從而解除制動(dòng)。與常規(guī)防反轉(zhuǎn)裝置相比，通過電磁制動(dòng)防反轉(zhuǎn)裝置使反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩智能點(diǎn)動(dòng)釋放，不僅工作起來更可靠，而且避免了零件之間的剛性碰撞，延長了零件的壽命。

另外，偏置式螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)裝置采用高效平面減速機(jī)構(gòu)，由小功率電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置連為一體，輸出為空心軸直接套裝在螺桿泵的驅(qū)動(dòng)桿上，由方卡子直接和空心軸連接，驅(qū)動(dòng)螺桿泵旋轉(zhuǎn)，機(jī)械效率大幅提高。取消了皮帶，減少了由于皮帶損壞造成的經(jīng)濟(jì)損失及維護(hù)成本，將錐齒輪傳動(dòng)的方式改由硬齒面斜齒輪傳動(dòng)，避免了錐齒輪傳動(dòng)比的限制，增加了驅(qū)動(dòng)裝置速度的選擇范圍。

3 制動(dòng)能力分析與計(jì)算

3.1 工作原理

電磁制動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)電磁線圈中通入交流電時(shí)，線圈內(nèi)部產(chǎn)生的電磁力吸引銜鐵，主彈簧被壓縮，銜鐵與制動(dòng)盤產(chǎn)生間隙，電機(jī)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)螺桿抽油的正常工作；當(dāng)外部停電或故障斷電，線圈電壓瞬間變?yōu)榱悖姶帕ο?，銜鐵在彈簧力的彈性釋放作用下被推擠到制動(dòng)盤上，銜鐵與制動(dòng)盤上的剎車片充分接觸產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩，很快制動(dòng)，因制動(dòng)盤與電機(jī)軸是通過齒輪副連接的，從而使電機(jī)軸很快制動(dòng)。

圖2 電磁制動(dòng)結(jié)構(gòu)

3.2 工況分析

驅(qū)動(dòng)裝置的制動(dòng)依靠電磁制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，在制動(dòng)瞬間，電磁裝置產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大，剎車盤在彈簧擠壓下在剎車盤有效接觸面內(nèi)產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩最大，減速機(jī)傳動(dòng)齒輪齒面沖擊載荷最大，是整個(gè)制動(dòng)過程中最危險(xiǎn)工況。除此之外，在重新啟動(dòng)前，儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)矩第1次釋放瞬間，剎車裝置要承受最大靜轉(zhuǎn)矩的作用，是點(diǎn)動(dòng)釋放過程不能忽略的因素。

3.3 制動(dòng)力計(jì)算

制動(dòng)盤有效工作半徑為

式中：R1為摩擦片外圓半徑，m；R2為摩擦片內(nèi)圓半徑，m。

制動(dòng)盤受到的正壓力為

式中：k為彈簧剛度，取48 662 N/m；x為彈簧壓縮量，取0.01 m。

制動(dòng)器制動(dòng)力矩為

式中：μ為摩擦片的摩擦因數(shù)，取0.37。

3.4 環(huán)狀電磁鐵應(yīng)力分析

根據(jù)環(huán)狀電磁鐵參數(shù)，在Solid Works中建立環(huán)狀電磁鐵實(shí)體模型，進(jìn)入Solid Works Simulation創(chuàng)建新算例。定義環(huán)狀電磁鐵材料為普通鋼AISI 304，屬性參數(shù)為：彈性模量E＝190 GPa，泊松比μ＝0.29，密度ρ＝8 000 kg/m3，許用應(yīng)力［τ］＝206 MPa，切變模量G＝80 GPa。根據(jù)環(huán)狀電磁鐵工作原理，合理添加約束后，在環(huán)狀電磁鐵與摩擦片的接觸面上施加5 839.44 N 軸向正壓力和218.22 N·m繞軸方向的摩擦轉(zhuǎn)矩。劃分網(wǎng)格并運(yùn)行分析，顯示環(huán)狀電磁鐵的應(yīng)力分析結(jié)果，如圖3。

圖3 環(huán)狀電磁鐵應(yīng)力分析結(jié)果

由圖3可以看出：最大應(yīng)力產(chǎn)生在環(huán)狀電磁鐵與空心螺栓接觸的位置，為3.25 MPa，遠(yuǎn)小于206 MPa的屈服極限。因此，環(huán)狀電磁鐵完全滿足強(qiáng)度要求。

3.5 盤狀剎車片應(yīng)力分析

根據(jù)制動(dòng)盤和摩擦片參數(shù)，在Solid Works中分別建立制動(dòng)盤與摩擦片實(shí)體模型，進(jìn)入Solid Works Simulation創(chuàng)建新算例。定義制動(dòng)盤與摩擦片材料為普通鑄鋼AISI 304，屬性參數(shù)為：彈性模量E＝190 GPa，泊松比μ＝0.29，密度ρ＝8 000 kg/m3，許用應(yīng)力［τ］＝206 MPa，切變模量G＝80 GPa。根據(jù)盤狀剎車片工作原理，將傳動(dòng)軸固定，在摩擦片與環(huán)狀電磁鐵的接觸面上施加5 839.44 N的軸向正壓力和218.22 N·m繞軸方向的摩擦轉(zhuǎn)矩。劃分網(wǎng)格并運(yùn)行分析，顯示盤狀剎車片的應(yīng)力分析結(jié)果，如圖4所示。

由圖4可以看出：最大應(yīng)力產(chǎn)生在制動(dòng)盤與齒輪鍵結(jié)合的位置，為15.61 MPa，小于206 MPa的屈服極限。故盤狀剎車片完全滿足強(qiáng)度要求。

圖4 盤狀剎車片應(yīng)力分析結(jié)果

4 結(jié)論

1） 根據(jù)制動(dòng)力和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果判斷，該制動(dòng)裝置在減速機(jī)輸入端的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算值為218.2 N·m，若按照減速機(jī)降速比10～15計(jì)算，到減速機(jī)輸出軸即驅(qū)動(dòng)桿的最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)到2 182～3 273 N·m，完全可以滿足普通螺桿泵井1 000 N·m左右的制動(dòng)需要。因此，該制動(dòng)裝置具備極限剎車工況下剎死的安全制動(dòng)能力，能夠有效解決常規(guī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的安全問題。

2） 高效平面減速機(jī)以其性能穩(wěn)定、速比范圍寬、適用范圍廣的絕對(duì)優(yōu)勢，可適應(yīng)不同性能螺桿泵的需求，為今后實(shí)現(xiàn)不同種類螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置的個(gè)性化設(shè)計(jì)提供了廣闊的空間。

3） 偏置式驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用小功率電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)高效平面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，能夠有效解決目前直驅(qū)裝置因井下轉(zhuǎn)矩增大而過載停機(jī)問題，還可以有效改善直驅(qū)裝置轉(zhuǎn)矩不足的問題。

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