新型游梁動平衡智能調節裝置方案研究

易文君,周思柱，李寧,曾豪勇,秦倫（長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023）

0 引言

抽油機是將石油從地下開采到地上的采油設備，它的產生和使用已有百年歷史。其中應用最早、最普及的是游梁式抽油機，在游梁式抽油機中，應用最廣泛的是常規型游梁式抽油機，其平衡方式屬于機械平衡中的曲柄平衡。

常規型游梁式抽油機具有結構簡單、適用范圍廣、工作可靠、維修及保養成本低、技術成熟等優點。但由于其本身的結構特征，決定了曲柄凈轉矩脈動大，存在負轉矩、載荷率低、工作效率低和能耗大等缺點［1］。目前抽油機的節能措施主要集中在以下3 個方面：一是將常規型游梁式抽油機分批進行節能改造，改造成前置式抽油機、下偏杠鈴抽油機等；二是給常規型游梁式抽油機加裝節能輔助平衡裝置，實施節能改造；三是在抽油機電控柜加裝電容器，對電動機無功功率進行補償［2］。本文的幾種節能方案都屬于第二種節能方法。這種方法相比第一種方法的優勢在于，基本無需改變抽油機的自身結構，改造費用低，節能效果好。

1 游梁抽油機節能原理

常規型游梁式抽油機如圖1 所示。

游梁式抽油機工作效率不高的主要原因是其載荷特性與所用普通三相異步電動機的工作特性不匹配，普通異步電動機適宜拖動均勻載荷，而載荷轉矩是一個隨曲柄轉角周期性劇烈變化的曲線，且隨井況和抽汲參數的不同而變化，是一組形態各異、數值不同的曲線族，這就要求平衡裝置作用在曲柄軸上的平衡轉矩曲線是一組與載荷轉矩曲線鏡像相似并且形態、數值可調整的曲線族，從而使得曲柄軸凈扭矩曲線趨于直線形態［3］，進而達到節省電能的目的。因此，改變或調整載荷轉矩曲線和平衡轉矩曲線的形狀及相位差，減小凈轉矩曲線的波動變化幅度和上下峰值，消除負轉矩，可達到節能的目的。圍繞這一目標，主要途徑是通過改變抽油機的平衡方式實現節能。

圖1 常規型游梁式抽油機

機械平衡是抽油機的平衡方式之一，根據平衡重裝設的位置，機械平衡又分為3 種：游梁平衡、曲柄平衡和復合平衡。改變平衡重量或平衡重的位置可以調節平衡的效果。只要平衡重配置合理，既可以消除下沖程時電機作負功的現象，又可以減少上沖程時電機的能量消耗，使上、下沖程中電機做功接近相等［4］。

本文敘述的游梁輔助平衡也是一種重要的且實施性強的機械調平衡方法。

2 游梁輔助平衡方案

2.1 游梁輔助平衡方案一

安裝在游梁式抽油機游梁內部的輔助平衡裝置結構如圖2 所示。

伺服電機旋轉，經過聯軸器后，轉化為絲杠的旋轉運動，絲杠外螺紋與游碼上環形銅套的內螺紋配合，從而將旋轉運動轉化為游碼的直線運動。游碼就相當于平衡重，它的移動實現了平衡力矩的變化，以滿足不同工況下抽油機調平衡的要求。電機的正反轉，可以使游碼往兩個方向移動。當到達指定位置時，電機停止運轉。

方案一的優缺點：

優點：1）采用伺服電機，可控制轉速及轉矩，減少了減速裝置的設置，且調平衡快速精確；2）采用滑動絲杠螺母傳動，可實現正反向自鎖。

缺點：1）對原抽油機的改動和破壞較大；2）把平衡部件置于游梁內部，雖然避免了平衡部件生銹和腐蝕，而且節省了空間，但當伺服電機、絲杠、游碼等零部件需要更換或維修時，既便于裝卸，又不利于實時監測平衡裝置內部運轉狀況；3）平衡轉矩小，平衡重不能調節重量，調平衡范圍較窄。

圖2 游梁輔助平衡方案一示意圖

2.2 游梁輔助平衡方案二

在游梁尾部加裝可移動的平衡塊，平衡裝置結構如圖3 所示。

基礎平衡重位于平衡裝置尾部且重量可調。游碼上和外殼上開有燕尾槽，使得游碼隨絲杠做直線運動而不轉動。調平衡時，伺服電機運轉帶動絲杠轉動，游碼沿著燕尾導軌做直線運動以實現平衡力臂與平衡力矩的變化，當游碼運動到目標位置時，電機停止運轉。

方案二的優缺點：

優點：1）與方案一的優點相同；2）平衡重加裝在游梁尾部，且基礎平衡塊重量可調，比方案一的調平衡范圍更大；3）對原常規型游梁式抽油機不造成破壞。

缺點：1）整個平衡裝置暴露在空氣中，對油田惡劣環境適應性較差，絲杠容易砂卡腐蝕，造成停機或其它故障；2）燕尾導軌滑動摩擦阻力大，不適宜經常調平衡。

圖3 游梁輔助平衡方案二示意圖

3 新型游梁抽油機動平衡智能調節裝置

通過對以上方案的對比分析，在此基礎上提出一種新的游梁抽油機動平衡智能調節方案（可稱方案三）。該裝置不僅克服了方案一和方案二的缺陷，且采用數字化控制柜控制伺服電機動作，進而實現擺桿擺角0°～90°變化，實現實時動態自動調平衡。

如圖4 所示，該游梁輔助平衡裝置分為控制機構和執行機構。執行機構于地面組裝完成后固定在游梁尾部。在抽油機驢頭上安裝有傳感器，傳感器和電參數采集模塊共同構成數據采集模塊。數據采集模塊通過信號線與數字化控制柜連接。當抽油機調平衡時，數字化控制柜接收數據采集模塊采集的數據，通過軟件計算出此時抽油機的平衡度，并實時顯示平衡度，再設定一個最佳平衡度，控制器通過計算，輸入運動指令代碼，輸出控制信號給伺服電機，驅動伺服電機動作。伺服電機運轉帶動絲杠轉動，同時游碼直線運動，游碼兩側的承力軸承將絲杠垂直方向上的分力轉移到承力導軌上，波紋管則隨游碼的直線運動彈性伸縮，保護絲杠。游碼的直線運動帶動連桿運動、擺桿擺動，使得平衡力臂和平衡力矩也隨之改變，當到達目標平衡位置時，電機停止動作。由于在抽汲過程中，油藏狀況不斷改變，所以需要設定適當的調整周期經常調整平衡。控制過程見圖5。

與方案一和方案二相比，方案三具有以下顯著優點：1）采用控制系統控制伺服電機動作，無需手動調平衡，可根據監測信息自動調節抽油機平衡，智能化程度高。

圖4 輔助調節裝置

圖5 游梁抽油機動平衡智能調節裝置自動調平衡工作原理圖

2）整個平衡裝置通過方形法蘭安裝在游梁尾部，不改變原抽油機的結構。

3）通過改變擺桿擺角從0°～90°的變化及改變平衡重的重量來調節抽油機的平衡，與前兩個方案相比，大大拓寬了調平衡范圍，平衡效果更好。

4）采用承力軸承與承力導軌滾動配合，與普通的燕尾導軌相比摩擦力大大減小。

5）絲杠采用塑料波紋管和保護罩雙重密封保護，有利于防砂防塵，增強了該裝置對油田惡劣環境的適應性，提高了整個平衡裝置的使用壽命。

4 結論

1）游梁輔助平衡可有效地解決常規游梁式抽油機能耗大、調平衡難度大、時間長及工作效率低等技術難題，平衡裝置的設計應綜合考慮調平衡范圍、環境適應性、結構緊湊性、安裝便捷性和可靠性等因素。

2）該新型游梁抽油機動平衡智能調節裝置作為一項新方案，其制造加工的技術規范、控制系統的設計軟件、平衡效果的現場測試、安裝與維護管理制度等還需完善，以進一步提高該裝置應用的規范性、適用性和可靠性。

［1］蘇德勝，劉先剛，呂衛祥，等.游梁式抽油機節能機理綜述［J］.石油機械，2001，29（5）：49-53.

［2］劉長勝.抽油機節能現狀與降耗措施［J］.寧波節能，2012（5）：44-46.

［3］倪國軍，高長樂，王志堅.常規游梁式抽油機節能改造［J］.新疆石油天然氣，2005，1（1）：83-86.

［4］李繼志，陳榮振.石油鉆采機械概論［M］.東營：中國石油大學出版社，2006.