一種新型游梁式抽油機平衡機構的設計

佟軍民，吳致千

（1.許昌職業技術學院，許昌 461000；2.中國科學院光電技術研究所，成都 610209；3.河南思科石油環保設備有限公司，許昌 461000）

一種新型游梁式抽油機平衡機構的設計

佟軍民1,2，吳致千3

（1.許昌職業技術學院，許昌 461000；2.中國科學院光電技術研究所，成都 610209；3.河南思科石油環保設備有限公司，許昌 461000）

0 引言

游梁式抽油機平衡狀況的好壞，直接影響抽油機抽采作業電量消耗，影響連桿機構、減速箱和電機的效率與壽命，對抽油桿的工作狀況亦影響很大。因此，對于抽油機平衡狀況的判斷和調節，必須給予高度重視[1～3]。目前游梁式抽油機的游梁平衡調節裝置常見的有蝸輪蝸桿式和絲母絲桿式兩種，均是利用四連桿結構，其配重的調節量均取決于配重箱擺臂調節角度，而擺臂調節角度又取決于電機與固定軸的安裝距離，傳動副多，故障點多，而且容易燒壞電機，無法長期安全可靠的實現平衡調節。

為解決以上難題，河南思科石油環保設備有限公司自主研發了一種更為合理的平衡結構和配套的控制系統來實現游梁平衡調節，并成功申請專利[4]。平衡裝置的機械部分為行星齒輪機構，太陽輪設計成扇形齒輪，和游梁固定成一體，行星輪為小齒輪，被平衡電機帶動，通過嚙合，繞太陽輪轉動，放有重物的擺動錘在小齒輪（行星輪）中心轉動的作用下，逆時針或者順時針擺動，調整抽油機的平衡度，降低主電機負荷，起到延長主電機壽命、降低能源消耗的目的。該技術已成功地在大慶油田和延長油田部分游梁式抽油機節能改造中得到應用和驗證，圖1為改造前、后的對比圖。

1 平衡準則[5～7]

設計平衡裝置時，需要滿足平衡準則的要求。平衡準則是判斷抽油機工作是否達到理想平衡工作狀態的依據，那么在設計平衡裝置時抽油機究竟怎樣算平衡，目前來講，主要運用的是以下三種準則：

圖1 游梁式抽油機平衡結構改造前、后對比

平衡準則一：抽油機拖動電機在驢頭懸點上沖程和下沖程做功相等。

平衡準則二：抽油機驢頭懸點上下沖程中減速箱的曲柄扭矩峰值相等。

平衡準則三：抽油機驢頭先點上下沖程中減速箱的曲柄扭矩均方根值最小。

上述三種準則的效果目前還沒有一個統一的標準來評判好壞，不過一般認為影響減速箱壽命的主要因素是輸出軸的峰值扭矩和負扭矩。

2 游梁平衡裝置的設計

2.1 抽油機拖動電機上下沖程做功大小的計算

在游梁式抽油機（曲柄平衡）改造前，針對被改造的抽油機（沒有游梁平衡裝置，僅有曲柄平衡裝置，如圖1左圖所示）在具體工況下，測得其實測示功圖，如圖2所示。

圖2 實測示功圖

平衡裝置在懸點下沖程過程中，儲存能量A0；懸點上沖程過程中，釋放能量A0。二者能量的大小相等。

下沖程（C→D→A）階段，平衡裝置儲存的能量A0等于下沖程抽油桿柱下落所做的功A懸下與拖動電動機下沖程所做的功A電下之和：

上沖程（A→B→C）階段，上沖程提升抽油桿柱和油柱所做的功A懸下等于平衡裝置釋放的能量A0加上拖動電機上沖程所做的功A電下：

按照平衡準則一的要求，拖動電機在驢頭懸點上沖程和下沖程做功A0相等，則有：

在實測示功圖中，由OABCEO所圍成的面積SOABCEO即為上沖程提升抽油桿柱和油柱所做的功A懸上，由CDAOEC所圍成的面積SCDAOEC即為下沖程抽油桿柱下落所做的功A懸下。故由面積儀可以方便的計算出A0。

2.2 復合平衡機構的設計計算[8,9]

如圖3所示，為增加游梁平衡裝置后的復合平衡機構簡圖。設計的游梁平衡機構為一扇形齒輪機構，其小齒輪可通過電機帶動沿扇形齒輪順時針或者逆時針擺動，從而使平衡力矩增大或者減小。計算時，可按照調節范圍的中間值確定小齒輪的位置（應為扇形齒輪對稱線正下方）。

圖3 增加游梁平衡裝置后的復合平衡機構簡圖

計算時，各符號的含義如表1所示。

表1 計算公式中各符號的含義

下沖程時，當驢頭懸點自上死點到下死點走完沖程的長度距離，游梁平衡重、曲柄平衡重、游梁部件自重、曲柄自重的重心都抬高，把能量儲存起來，儲存的能量如表2所示。

表2 懸點下沖程過程中，各部位儲存的能量

故，可得A0的計算公式：

上式中，A0可由實測示功圖計算出來，除Q游和K游為未知參數外，其余參數對于改造的抽油機而言，均為已知參數。因而從式(4)可以方便的設計出游梁平衡裝置的Q游和K游。如果從節約鋼材的角度考慮，我們也可以減少曲柄平衡重的重量Q曲后，再進行Q游和K游的設計。

2.3 工況變化時的調整

前述的計算是針對游梁式抽油機節能改造前某一具體工況的實測示功圖進行的游梁平衡裝置的設計，當實際工況發生變化時，很難滿足式(4)的要求，這時，可以按照平衡準則二，利用電流法，測出上下沖程的最大工作電流，判斷游梁平衡力矩是偏大還是偏小，通過平衡裝置上的調整電機驅動小齒輪沿扇形齒輪順時針或者逆時針轉動，從而調整游梁平衡力矩，進而最終滿足式(4)。

2.4 現場試驗

在大慶油田二廠，利用該設計方法進行了節能改造，并進行了現場試驗。改造前，該機器使用兩塊重1300kg曲柄配種，總重2600kg；改造后，增加自動平衡裝置，重1230kg，曲柄配重更換為兩塊366kg曲柄配重塊，加上曲柄重，總重1962kg，綜合鋼材節約率24.5%；改造前上沖程最大電流47A，下沖程最大電流37A，平衡度0.787；自動調平衡后，上沖程最大電流36.89A，下沖程最大電流33.83A，平衡度0.917，綜合節電率15.8% 。

3 結束語

按照抽油機平衡準則，通過在游梁尾部添加扇形齒輪機構平衡裝置，對游梁式抽油機的進行節能改造，既可以實現節約鋼材，又可以提高平衡度，進而提高節電率的目的。具有結構簡單、易于設計的特點，并根據不同工況的變化易于調整平衡度，可達到節能降耗的目的。

[1]接銘曉.游梁式抽油機平衡檢測儀的研制[D].青島:中國石油大學,2011:24-27.

[2]萬邦烈.采油機械的設計計算[M].北京:石油工業出版社,1988:10-25.

[3]沈兆奎,孫旭川.游梁式抽油機的節能研究[J].天津理工大學學報,2013,29(2):15-19.

[4]河南思科石油環保設備有限公司.一種抽油機游梁平衡調節裝置:中國,2012 2 0546835.8[P].2013-05-08.

[5]鄭立春.新型抽油機節能機理研究及優化設計[D].天津:天津理工大學,2013:12-17.

[6]張學木,張懷亭,張勇峰.游梁式抽油機調平衡工具的研制[J].石油機械,2007,35(5):64-65.

[7]張學魯,季祥云,羅仁全.游梁式抽油機技術與應用[M].北京:石油工業出版社,2001:85-117.

[8]尹強,羅煉剛,陳廣曄,劉明,劉成祥.抽油機井功率平衡技術探討[J].油氣田地面工程,2009,28(5):52-53.

[9]同長虹,黃建龍,張小棟,孟剛.基于復數矢量法的游梁式抽油機位置精度分析[J].機械設計與制造,2009,(01):35-37.

The design of a new balance mechanism for beam pumping unit

TONG Jun-min1,2, WU Zhi-qian3

針對常見油梁式抽油機平衡調節裝置中出現的傳動副多、故障點多、可靠性差等問題，提出了一種行星齒輪機構的游梁平衡裝置。按照電機在驢頭懸點上沖程和下沖程做功相等的平衡準則要求，由實測示功圖計算出了拖動電機上、下沖程做功的大小，根據建立的游梁式抽油機的力學模型，推導出了復合平衡機構的設計計算公式。經現場試驗，所設計的游梁平衡裝置既可以節約鋼材，又可以提高平衡度，提高節電率，具有結構簡單、易于設計的特點，并根據不同工況的變化易于調整平衡度，可達到節能降耗的目的。

游梁式抽油機；游梁平衡裝置；平衡準則；示功圖

佟軍民（1969 -），男，河南許昌人，副教授，碩士研究生，研究方向為游梁式抽油機平衡技術和精密定位工件臺技術。

TH132.4

A

1009-0134(2015)12(上)-0119-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.35

2015-09-10