常規游梁式抽油機自動平衡改造方案及節能原理分析

呼思杰,李 晗,何冬青（中國石油大學勝利學院 機械與控制工程學院,山東 東營 257061）

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常規游梁式抽油機自動平衡改造方案及節能原理分析

呼思杰,李 晗,何冬青
（中國石油大學勝利學院 機械與控制工程學院,山東 東營 257061）

摘 要：常規游梁式抽油機結構簡單可靠、耐久性好，一直以來占據采油設備的主導地位，但其耗能高、制造成本高、平衡調節困難等不足日益突出。通過分析游梁式抽油機的節能原理以及開展抽油機平衡調整技術的研究，提出了以節能為目的的游梁輔助平衡方案,在此基礎上提出了一種新型自動調節游梁平衡裝置。該新型游梁式抽油機平衡調節裝置對原機的改動小，通過配重塊在配重橫梁上的相對移動可以抵消部分驢頭負載，實現不停機調節平衡從而起到節能作用。

關鍵詞：游梁式抽油機；自動平衡；節能

0 引言

據統計，我國在用抽油機井近9萬口，年新機裝備量5千余臺，年耗電量105億kwh，電費開支40余億元。在采油成本不斷上升而油價由于供求失衡等原因持續低迷的情況下，節能降耗、不斷降低生產成本已成為采油行業的主題。當前抽油機的節能措施主要集中在以下三個方面：

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。

本文的節能方案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。依據力矩平衡的原理，在游梁式抽油機的游梁上增加一個配重梁及合適的配重，由執行機構帶動配重在游梁上移動，通過改變配重塊在游梁上的位置來改善抽油機的平衡性。

1 主要結構原理

固定安裝在游梁式抽油機游梁尾端的配重橫梁及安裝在配重橫梁上可移動的輔助平衡裝置主要結構如圖1所示。

1.電動機；2.皮帶；3.減速器；4.曲柄；5.連桿；6.配重梁電機；7.蝸輪；8.鏈輪；9.蝸桿；10.配重塊；11.鏈輪支座；12.配重橫梁；13.游梁；14.橫梁；15.支架；16.驢頭；17.鋼絲繩；18.懸繩器圖1 配重塊相對橫梁移動輔助平衡裝置游梁式抽油機

電動機的旋轉經皮帶、減速器后，轉化為曲柄旋轉運動，再經曲柄連桿機構轉化為游梁的上下擺動。可移動配重塊在鏈條的拉動下，沿配重橫梁上的滑軌可做往復移動，當由于井下載荷變化導致平衡度偏離允許范圍時，可通過平衡塊沿配重橫梁的移動調節平衡度。最后經驢頭的上下運動帶動懸繩器上掛著的光桿、泵等井下載荷上下運動完成往復抽油過程。

2 平衡節能原理

在用工頻直接啟動的場合，游梁式抽油機所需啟動力矩大約是正常工作的兩倍以上，加之由于采油工況的復雜性，如油稠、出蠟導致驢頭負載較正常工況增大等因素，因而在設計的時候采用的電動機的額定功率都比較大。而在正常抽油時，負載變輕，所需的力矩又比較小，出現了抽油桿的負荷特性與電動機的機械特性不匹配的問題，因此電機效率低的現象很嚴重。尤其在驢頭下放時，負載變輕，傳統結構游梁式抽油機的電機接近空轉，降低了電網的功率因數和電機的效率，增加了無功損耗，導致能源浪費嚴重。三相異步電動機效率曲線圖如圖2所示，當電機輸出機械功率低于額定功率30%后，三相異步電機的效率近乎直線下降。因此，盡量使得曲柄軸凈扭矩曲線接近對應電動機輸出扭矩的理想扭矩線，使電動機輸出扭矩盡量多地處于電動機額定輸出扭矩70%-100%范圍，無疑由于電機實際使用效率的增加從而有效降低電機輸入電功率，達到省電效果。

圖2 三相異步電動機效率曲線

圖3 Cyj12-4.2常規型抽油機動力學仿真數據（縱坐標為曲柄軸輸出扭矩，周期5s，2.5s前為避免突然施加載荷導致仿真失敗而逐漸施加載荷的過程，2.5s-7.5s為根據示功圖施加懸點載荷的仿真數據。2.5s-5.0s為抽油桿上行程數據，5.0s-7.5s為下行程數據。實線為未加平衡游梁的數據，虛線為只添加平衡游梁的數據，點畫線為添加平衡游梁及平衡塊的數據）

3 機械系統設計

游梁式抽油機配重塊相對橫梁移動輔助平衡裝置示意圖如圖4所示。所設計的機械系統主要由配重橫梁、鏈輪支撐座、2個鏈輪、1條鏈條、1塊配重塊、1組蝸輪蝸桿、1個聯軸器、1個電機等組成。整個配重橫梁左端即圖4所示的左端與抽油機游梁尾部焊接在一起，左鏈輪支座固定在配重橫梁上，支座上有鏈輪Ⅰ和右端的安置在蝸輪上的鏈輪Ⅱ配合使用，可使鏈條隨鏈輪運動，拉動配重塊在橫梁上進行相對直線移動。配重塊內會安裝有鉸接的零件，用于固定配重塊及鏈條。

配重橫梁上的電機通過蝸輪蝸桿減速，蝸輪軸帶動鏈輪Ⅱ旋轉，鏈輪Ⅰ和鏈輪Ⅱ通過鏈傳動實現與之相連的配重塊的往復移動，通過改變平衡力矩的大小達到調節平衡從而節能的目的。

1.配重橫梁；2.鏈輪支撐座；3.鏈輪Ⅰ；4.鏈條；5.蝸桿；6.蝸輪；7.鏈輪Ⅱ；8.聯軸器；9.電機；10.電機支座板；11.配重塊圖4 渦輪蝸桿傳動裝配示意圖

4 關鍵技術創新

游梁尾端的配重橫梁輔助平衡裝置的關鍵創新技術是：在常規游梁式抽油機游梁的尾部安裝配重橫梁，在其上面安裝一套可調整且可通過鏈條相對橫梁移動的配重塊，在配重塊里面安裝一個使鏈條與配重塊相鉸接的鉸聯接。運用可調移動變矩的平衡原理，較好地平衡井口的動載變化率，從而實現常規游梁式抽油機的平衡和節能之目的。

5 方案優點

（1）整個平衡裝置通過在游梁尾部焊接，結構簡單可靠，不需要改變原抽油機的結構。

（2）通過建立動力學模型精確設計配重橫梁重量，可以有效改善抽油機在抽油桿上下行程的不平衡度，提高電機效率。通過改變配重橫梁上配重塊的位置實現精確調節抽油機的平衡，與一般平衡裝置方案相比，大大拓寬了調平衡范圍，平衡效果更好，并且成本較低。

（3）游梁自動平衡裝置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，增強平衡調節的安全性。

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指導教師：何冬青

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.056

基金項目：國家級大學生創新訓練項目資助（201513386001）

作者簡介：呼思杰（1991-），男，山東聊城人，學生，研究方向：機械設計制造及其自動化專業。